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Respiración celular

  1. 1. CATABOLISMO Tema 13
  2. 2. Respiración celular  Todos las células degradan las moléculas de alimento para obtener energía.  Este proceso es una combustión controlada i gradual de la que la célula obtiene energía.
  3. 3. Respiración celular  En el caso más general, la oxidación completa de las moléculas orgánicas se da presencia de O2 y produce H2O y CO2: respiración aerobia.  La Respiración Celular es una de las vías principales del metabolismo, gracias a la cual la célula obtiene energía en forma de ATP.
  4. 4. Fases de la respiración celular  Los combustibles orgánicos se oxidan para dar moléculas de 2/3 átomos de carbono.  En el caso de la glucosa, glucólisis.  Los grupos acetilo se oxidan completamente en el ciclo de Krebs.  Los coenzimas reducidos se regeneran en la cadena de transporte electrónico.
  5. 5. Fórmula general Respiración  La fórmula general de la respiración celular de la glucosa se puede representar con la siguiente ecuación. C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP
  6. 6. Etapas de la respiración
  7. 7. Glucolisis  Es una ruta central del catabolismo.  Tiene lugar en el citoplasma y no necesita O2  Consiste en: glucosa (6 C) 2 de piruvato (3 C) con la producción de 2 ATP y 2 NADH.
  8. 8. Glucólisis  Procedencia de la glucosa:  Azucares del alimento  Glucógeno o almidón almacenado.  Transformación a partir de otros compuestos.  Fotosíntesis.
  9. 9. Glucólisis  La glucólisis es una secuencia de 10 reacciones que se dividen en 2 fases:  Fase preparatoria: la molécula de glucosa se divide en dos moléculas de 3 átomos de C (PGA).  2ª Fase: se oxidan dos moléculas de PGA hasta Pyr.
  10. 10. 1º Fase de la glucólisis
  11. 11. 2º Fase de la glucólisis
  12. 12. Glucólisis  1ª Fase: Glucosa + 2 ATP 2 PGA + 2 ADP  2ª Fase: 2 PGA + 2 NAD+ + 4 ADP + 2 Pi 2 PYR + 2 NADH + 2 H++ 4 ATP + 2 H20  Reacción global: Glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi 2 PYR + 2 NADH + 2 H++ 2 ATP + 2 H20
  13. 13.  Proceso por el que se obtiene ATP en la glicolisis.  Es la síntesis de ATP a partir de un grupo fosfato transferido desde un compuesto orgánico.  Este es el mecanismo más sencillo y antiguo de producción de ATP. Fosforilación a nivel de sustrato
  14. 14. Funciones de la glucólisis  La glucólisis tiene tres funciones principales:  La generación de moléculas de alta energía, ATP y NADH como fuente de energía celular.  La generación de ácido pirúvico que pasará al ciclo de Krebs, como parte de la respiración aeróbica.  La producción de compuestos intermediarios de 3 carbonos, que pueden ser utilizados en otros procesos celulares.
  15. 15. Energía de la glucólisis  La glucólisis libera solamente el 10% de la energía disponible en la glucosa.  Esta energía se almacena en forma de ATP y NADH.  La energía restante se libera al oxidarse las moléculas de ácido pirúvico a H2O y CO2.
  16. 16. Significado biológico de la glucólisis  Se realiza tanto en procariotas como eucariotas.  En los eucariotas se realiza en el citoplasma.  Es una degradación parcial de la glucosa.  Proceso anaerobio que permite obtener energía en ausencia de O2.  La energía obtenida por molécula de glucosa es escasa (2 ATP).  La glucólisis fue, probablemente, uno de los primeros mecanismos para la obtención de energía en la primitiva atmósfera (sin O2) de la Tierra.
  17. 17. Destino del piruvato  Por un lado, el piruvato es una molécula orgánica susceptible de sufrir un mayor proceso de oxidación.  Por otro lado, para que la glicolisis pueda continuar, el NADH ha de regenerarse.  El destino del piruvato depende del tipo de célula y la disponibilidad de O2.
  18. 18. Descarboxilación del piruvato  Es el lazo entre la glucólisis y el ciclo de Krebs.  El ácido pirúvico, (3 C) entra en la mitocondria y se oxida a grupo acetilo (2 C), y se une al coenzima A (Acetil-coA).  Al formarse el Acetil-CoA, se produce una molécula de CO2.  En esta oxidación se forma NADH.
  19. 19. Oxidación del piruvato
  20. 20. Obtención del Acetil CoA  El Acetil CoA es el producto principal de la degradación de los combustibles orgánicos.  Continúa su proceso de oxidación hasta CO2 y H2O, en el ciclo de Krebs.  En el ciclo de Krebs (matriz mitocondrial) confluyen todas las rutas catabólicas de la respiración aerobia.
  21. 21. Ciclo de Krebs
  22. 22. Ciclo de Krebs
  23. 23. Ciclo de Krebs  Es una ruta cíclica, que forma parte de la respiración celular en todas las células aerobias, es decir que utilizan oxígeno
  24. 24. Ciclo de Krebs  El ciclo de Krebs o del ácido cítrico, tiene lugar en las mitocondrias.  El acetil-coA se une al ác. oxaloacético (4 C ) para formar ác. cítrico (6 C).  A través de las reacciones del ciclo, el ácido cítrico vuelve a regenerar el oxalacétato.  En cada vuelta del ciclo se liberan 2CO2, se generan 3NADH y 1FADH2. y se produce 1 ATP.
  25. 25. Ciclo de Krebs  El CO2 que se forma en el ciclo de ácido cítrico es un producto de desperdicio que se elimina.
  26. 26. Ciclo de Krebs  El ciclo del ácido cítrico puede degradar otras sustancias además del Acetil-CoA.  Algunas sustancias producidas por la degradación de lípidos y proteínas entran en el ciclo de ácido cítrico, y se obtiene energía.
  27. 27. Cadena trasportadora de electrones  Durante el ciclo de Krebs se sintetiza ATP, pero la mayor cantidad de energía la llevan los electrones del NADH y FADH2.  Estos coenzimas se regeneran cediendo los e- a la cadena transportadora de electrones.  Estos e- son transferidos a los compuestos que se encuentran en las crestas de las mitocondrias y que forman la cadena de transporte de electrones.  En las células procariotas, la respiración celular se lleva a cabo en estructuras respiratorias de la membrana celular: mesososmas.
  28. 28. Cadena transportadora de e-  Los electrones son cedidos a los enzimas de la cadena de transporte de electrones localizados en las crestas mitocondriales
  29. 29. Cadena respiratoria  La cadena respiratoria se forma por una serie de componentes englobados en la membrana interna mitocondrial de los eucariotas y en la plasmática de los procariotas:  Los complejos proteicos I, II, III y IV  La ubiquinona (Q) y el citocromo c  La energía liberada por los e- se utiliza en para bombear H+ al espacio intermembrana. Los H+ vuelven a través de las ATP-sintetasas (partículas F).
  30. 30. Potenciales Redox  El flujo de e- es favorable energéticamente a través de los componentes de la cadena.  Cada componente tiene mayor potencial redox que el que le precede.  La energía se va liberando gradualmente, pero hay tres saltos mayores, a nivel de los complejos I, III y IV.  El potencial redox es una medida de la tendencia de una especie química a captar electrones.
  31. 31. Q FADH2 NADH NAD + FAD 2 H+ + 1/2 O2 H2O 2e- 2e- _ Sistema I Sistema II y III Sistema IV Matriz mitocondrial Espacio intermembrana Cit c _ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ ATP ADP _ Cadena de transporte electrónico  Los enzimas de la cresta mitocondrial transportan los e- hasta el O2 y forman H2O
  32. 32. Q FADH2 NADH NAD + FAD 2 H+ + 1/2 O2 H2O 2e- 2e- _ Sistema I Sistema II y III Sistema IV Matriz mitocondrial Espacio intermembrana Cit c _ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ ATP ADP _ Cadena de transporte electrónico  Los enzimas de la cresta mitocondrial transportan los e- hasta el O2 y forman H2O
  33. 33. Fosforilación oxidativa  Las ATP-sintetasas producen ATP cuando son atravesadas por un flujo de H+.
  34. 34. Hipótesis quimiosmótica  La energía liberada en los complejos I, III y IV se emplea en bombear H+ al espacio intermembrana.  La vuelta de los H+ a la matriz, a favor de gradiente, se realiza a través de la ATP-sintasa y libera la energía suficiente para producir ATP.  La teoría quimiosmótica relaciona los tres procesos: Transporte de e - Bombeo de H+ Formación de ATP
  35. 35. Cit C La Cadena Respiratoria partiendo del NADH (animación) 3ATP 3ADP NADH NAD+ + + Comp.I e e e e + + Comp.III e e + + Comp.IV e e e e + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
  36. 36. Cit C La Cadena Respiratoria partiendo del FADH2 (animación) 2ATP 2ADP FAD + + Comp.I + + Comp.III e e + + Comp.IV e e e e + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + e e FADH2
  37. 37. Fermentaciones  El destino del piruvato depende del tipo de célula y la disponibilidad de O2.
  38. 38. Fermentaciones  La fermentación es otra forma de producir energía a partir de la degradación parcial de combustibles orgánicos (principalmente azúcares como la glucosa) sin presencia de O2.  En la respiración celular, el aceptor de los electrones es una sustancia inorgánica, el O2  La fermentación utiliza sustancias orgánicas como aceptores finales de electrones.  Se producen en el citoplasma.
  39. 39.  Algunos seres vivos, como ciertas bacterias, obtienen energía solamente de la fermentación; no necesitan oxígeno.  Las células musculares animales pueden producir energía a partir de la fermentación como “medida de emergencia” para producir energía cuando el oxígeno escasea, pero solo por corto tiempo. Fermentaciones
  40. 40. Tipos de fermentación Fermentación Alcohólica Láctica Tipos según la naturaleza del producto final Alcohol etílico Ácido láctico Butírica Pútrida Ácido butírico Productos orgánicos y malolientes Tipos de organismos según el proceso catabólico que realicen Anaerobio facultativo Anaerobio estricto En presencia de O2 realizan la respiración y en ausencia fermentación Siempre realizan fermentación Levaduras del género Saccharomyces y bacterias Lactobacillus y Streptococcus
  41. 41. Fermentación alcohólica  Se produce en dos partes:  1ª parte: glucólisis.  2ª parte: conversión del ác. pirúvico en alcohol etílico y CO2.  Al igual que en la respiración celular, se forman dos moléculas de ác. pirúvico, pero con una única ganancia neta de 2 ATP.
  42. 42. Fermentación alcohólica  La realizan levaduras y ciertas bacterias, que transforman la glucosa en etanol y CO2 obteniendo 2 ATP.  El piruvato se descarboxila para formar acetaldehído y CO2.  A continuación, el acetaldehído se reduce a etanol regenerándose el NADH.  El acetaldehído es el aceptor final de los e- del NADH obtenido en la glicolisis.
  43. 43. Fermentación alcohólica C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP (glucosa) (alcohol etílico) Las células de levadura Sacharomyces cerevisiae llevan a cabo la fermentación alcohólica, que hace que la masa del pan suba.
  44. 44. Fermentación láctica  Es importante para la producción de muchos alimentos lácteos, como quesos y yogurt.  También se produce en dos partes:  1ª parte: glucólisis.  2ª parte: conversión del ác. pirúvico en lactato.
  45. 45.  Cuando no hay suficiente oxígeno en las células musculares, la glucosa se fermenta.  La acumulación de H+ produce fatiga celular y la sensación de quemazón que se siente al hacer ejercicios extenuantes.  Para recobrase de la fatiga es necesario que se produzca energía mediante la respiración aeróbica. Fermentación láctica
  46. 46. Fermentación butírica  Consiste en la descomposición de polisacáridos vegetales, como el almidón y la celulosa, en productos como el ácido butírico, el H2, el CO2 y otras sustancias malolientes.  Se producen entre otros sitios en el rumen de los herbívoros.  La realizan bacterias anaerobias como Bacillus amilobacter y Clostridium butiricum.  Contribuye a la descomposición de los restos vegetales en el suelo.
  47. 47. Fermentación pútrida  Putrefacción. Consiste en la degradación de sustratos proteicos que generan productos malolientes como el indol, cadaverina y el escatol (responsable del olor de los cadáveres y de las semillas en descomposición).  A veces dan productos que producen los sabores típicos de quesos y vinos
  48. 48. Otras rutas metabólicas Cadena respiratoria Desaminación * Glucólisis ß -oxidación Ácido pirúvico Acetil -CoA Aminoácidos Glúcidos Grasas CO2, H2O y ATP Glicerol Ac. Grasos * Eliminación del grupo amino de los aminoácidos en forma de NH3
  49. 49. Catabolismo de los lípidos  En los animales, se almacenan triacilglicéridos en el tejido adiposo y se hidrolizan por la acción de las lipasas. 1 g grasa  9,5 Kcal Se almacenan sin acumular agua
  50. 50. Hidrólisis enzimáticas de las grasas Triacilglicérido Glicerol + 3 Ácidos grasos Lipasa COOH(CH2 )14CH3 COOH(CH2)14CH3 COOH(CH2 )14CH3 CH2 CH CH2 HO HO HO CO(CH2 )14CH3 CO(CH2)14CH3 CO(CH2 )14CH3 CH2 CH CH2 O O O Ácido palmíticoGlicerina + Tripalmitina Hidrólisis del triglicérido
  51. 51. Degradación de los ácidos grasos  Mediante la β-oxidación, (matriz mitocondrial) los ácidos grasos son degradados a acetil-CoA.  Los ácidos grasos deben ser previamente activados a acil-CoA (supone gasto energético) y transportados desde el citosol a la mitocondria. membrana mitocondrial externa
  52. 52. β-oxidación de los ácidos grasos  Los restos Acil-Coa pasan a la matriz mitocondrial mediante transportadores específicos
  53. 53. β-oxidación de los ácidos grasos  Oxidación  Hidratación  Oxidación  Rotura  Resultado/vuelta:  FADH2  NADH + H+  acetil-CoA
  54. 54.  Consiste en la liberación sucesiva de acetil-CoA (restos de 2C) a partir del extremo carboxílico del acil-CoA tras la oxidación del átomo de carbono β (carbono 3).  El proceso se repite hasta la degradación total del acil-CoA a acetil-CoA.  A continuación, el acetil-CoA se oxida en el ciclo de Krebs y todos los FADH2 y NADH formados se oxidan en la cadena respiratoria generando ATP. β-oxidación de los ácidos grasos
  55. 55. Rendimiento energético CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-COSCoA En cada ciclo de la β-oxidación se libera un Acetil CoA y se produce NADH y FADH2 8 Acetil CoA 7 NADH 7 FADH2 C. de Krebs 8 x 12 ATP = 96 ATP Cadena respiratoria 7 x 3 ATP = 21 ATP 7 x 2 ATP = 14 ATP 131 ATP Pero hay que restar 2 ATP activación Ácidos grasos -2 ATP 129 ATPs
  56. 56. Balance energético oxidación ác. graso Rendimiento de la oxidación de ácido palmítico (16C) Activación del acido graso Ciclo de Krebs Cadena respiratoria - 2 ATP -2 ATP 8 Acetil Co A 8 x ( 3 NADH + 1 FADH2 + 1 GTP) = (12 ATP) x 8 96 ATP 7 NADH 3 ATP x 7 21 ATP 7 FADH2 2 ATP x 7 14 ATP TOTAL 129 ATP
  57. 57. Catabolismo de proteínas Función ENERGÉTICAPROTEÍNAS No tienen Exceso de aminoácidos Ayuno prolongado Salvo en algunas situaciones Si no se pueden almacenar, ni secretar Se usan como fuente de energía, pero puede poner en peligro la salud y alterar el crecimiento Catabolismo de los aminoácidos Eliminación de los grupos amino Transformación del resto resultante Separación de los grupos amino
  58. 58. Catabolismo de aminoácidos En el hígado Gasto de ATP (Ciclo de la urea) 20 aa diferentes 20 rutas diferentes TRANSAMINASAS Nivel en sangre con valor diagnóstico de problemas del hígado Desaminación

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