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METABOLISMO
Biología. 2º Bachillerato
METABOLISMO.
METABOLISMO
Biología. 2º Bachillerato
Concepto de metabolismo: conjunto de reacciones químicas que se
producen en el interior de las células y que conducen a la
transformación de unas biomoléculas en otras . Las distintas
reacciones químicas del metabolismo se denominan vías metabólicas
y las moléculas que en ellas intervienen metabolitos.
Catabolismo: transformación de moléculas orgánicas complejas en
otras sencillas con liberación de energía que se almacena en los
enlaces fosfato de ATP.
Anabolismo: Síntesis de moléculas complejas a partir de otras
sencillas , para lo cual se necesita suministrar energía.
Las moléculas de ATP pueden proceder de las reacciones
catabólicas, de la fotosíntesis y quimiosíntesis.
METABOLISMO
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CLASES DE ORGANISMOS SEGÚN SU TIPO DE
METABOLISMO
Tipo
Fuente
carbono
Fuente
ener
gía
Ejemplos
vegetales, algas
cianofíceas, bact.
verdes del S
Fotoautótrofos
CO2
Luz
Quimioautotrofos
CO2
Reacc
redox
Bact. nitrificantes .Bact
incoloras. del S
Fotoheterótrofos
c. orgánicos
Luz
bacterias purpúreas nosulfúreas
c. orgánicos
Reacc
redox
Quimioheterótrofos
animales, hongos,
protozoos, resto de
bacterias
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ATP
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Existen dos mecanismos para sintetizar ATP:
Fosforilación a nivel de sustrato: se forma un compuesto
intermediario rico en energía y en la siguiente reacción se utiliza
la energía liberada por la hidrólisis de este compuesto fosforilado
que recoge el ADP para formar ATP.
Fosforilación en el transporte de electrones.
Hay nucleótidos que desempeñan un papel similar al ATP, como
el GTP y hay que señalar también el papel de los electrones
como vehículo de transferencia de energía.
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PAPEL DEL ATP COMO TRANSPORTADOR
DE ENERGÍA
El ATP almacena energía y actúa como “moneda de
cambio energético”.
ADP
Desfosforila
ción del
sustrato
Fosforilación Desfosforila
ción
ATP
Fosforilación
del sustrato
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UTILIZACIÓN CELULAR DE LA ENERGÍA PARA:
1. Síntetizar biomoléculas y macromoléculas a partir de
precursores simples.
2. Transportar activamente iones y moléculas a través
de su membrana.
3. Realizar trabajo mecánico en la contracción muscular
y en otros movimientos celulares.
4. Producir calor para mejorar las reacciones
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Catabolismo:
Las moléculas orgánicas complejas se transforman en sencillas y se libera energía en forma
de ATP. Las reacciones que tienen lugar en el metabolismo son reacciones redox, en las
que unos compuestos ganan electrones y se reducen y otros los ceden y se oxidan. Las
enzimas que intervienen en estas reacciones son las deshidrogenasas.
Una molécula cuando pierde hidrógenos pierde electrones y se oxida y cuando los gana se
reduce. H---e ¯ + H+.
Los hidrógenos desprendidos antes de llegar a la molécula final aceptora de hidrógenos son
captados por NAD, NADP, FAD, que son coenzimas de las deshidrogenasas. Los protones
van por una vía y los electrones por otra. Los electrones son captados por los citocromos
que se van oxidando y reduciendo según ceden y captan los electrones y los protones
suelen ser bombeados en determinados puntos acoplados al transporte de electrones y por
tanto , se forma ATP, cuando los protones son captados por la ATP sintetasa.
Existen dos tipos de catabolismo: fermentación y respiración.
En la fermentación el aceptor y dador de electrones son compuestos orgánicos .
En la respiración el dador de electrones es un compuesto orgánico y el aceptor es un
compuesto inorgánico, si es el oxígeno sería respiración aerobia y si es el ión nitrato,
sulfato la respiración es anaerobia.
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RUTAS METABÓLICAS DEL CATABOLISMO
AEROBIO
Aminoácidos
Glúcidos
Grasas
Desaminación
Glucólisis
ß -oxidación
Ácido
pirúvico
Acetil -CoA
Cadena
respiratoria
CO2, H2O y ATP
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Catabolismo de la glucosa:
Glucolísis en el citosol
Ciclo de Krebs en la matriz mitocondrial
Cadena de transporte electrónico o cadena
respiratoria, en la membrana interna mitocondrial.
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Glucolisis, paso de glucosa
a ácido pirúvico.
El paso de glucosa a
glucosa 6 fosfato es
necesario para que la
glucosa
atraviese
la
membrana celular.
La DHAP tiene que
isomerizar a gliceraldheído
3 fosfato que es el único
que puede servir de
sustrato para la siguiente
reacción.
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Fosforilación a
nivel de sustrato.
Fosforilación a
nivel de sustrato.
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Balance de la glucolísis:
Glucosa+2NAD⃰+2ADP+2P---2
ac.pirúvico+2NADH+2H⃰ +2ATP
Si queremos que el proceso de la glucolísis no se detenga
deberemos aportar nuevas moléculas de glucosa y oxidar el NADH
para que pueda ser reutilizado nuevamente en forma de NAD⃰. La
oxidación del NADH se puede realizar en células anaeróbicas
mediante las fermentaciones y en células aeróbicas siguiendo la
vía del ciclo de Krebs y cadena respiratoria.
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OXIDACIÓN DEL ÁCIDO PIRÚVICO
2
Coa - SH
2
CO2
COMPLEJO DE LA
Piruvato deshidrogenasa
2 CH
3
CO
2 CH
COOH
3
Ácido pirúvico
CO
SCoA
Acetil - CoA
2
NAD +
2
NADH
+ 2 H+
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PIRUVATO DESDIDROGENASA.
ENZIMAS QUE PARTICIPAN EN LA REACCIÓN:
•piruvato deshidrogenasa ó E1 (30 moléculas heterotetraméricas alfa2-beta2)
•dihidrolipoamida acetiltransferasa ó E2 (60 moléculas)
•dihidrolipoamida deshidrogenasa ó E3 (12 moléculas homodiméricas alfa2)
COENZIMAS QUE PARTICIPAN EN LA REACCIÓN:
•pirofosfato de tiamina (TPP) unido a E1
•ácido lipoico unido a E2 (lipoamida)
•FAD unido a E3
•CoA y NAD+, se encuentran libres en la matriz mitocondrial.
ENZIMAS INVOLUCRADAS EN LA REGULACIÓN DE LA PDHC
•piruvato deshidrogenasa fosfato fosfatasa (PDP)
•piruvato deshidrogenasa kinasa (PDK)
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Balance global del ciclo de Krebs.
Ac. Pirúvico+4NAD⃰+FAD+GDP+P—3CO2+4NADH+4H⃰+FADH2+GTP
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Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa.
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BALANCE ENERGÉTICO GLOBAL
2 NADH
Glucosa
2 NADH
Glucólisis
2
ATP
Ácido
pirúvico
6 NADH
AcetilCoA
Ciclo
de
Krebs
Cadena
respiratoria
2 FADH2
2 ATP
38 ATPx (-7Kcal/mol=
. -266Kcal
38 ATP
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Se
produce
cuando
levaduras qué están
catabolizando mediante
respiración un líquido
rico en azúcar agotan el
O2
disponible
y
continúan el catabolismo
mediante fermentación.
Fermentación alcohólica.
La realizan levaduras del
género Sacharomyces que son anaerobias facultativas. Dependiendo de la
especie de levadura se puede obtener cerveza (S. cerevisiae), vino (S.
ellypsoideus) ,sidra (S. apiculatus), pan, variedad purificada de (S.
cerevisiae).
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Fermentación láctica :se forma
ácido láctico a partir de la
degradación de la glucosa. Se
suele producir cuando
determinados m. inician la
fermentación de la lactosa de la
leche, lo que produce el
agriamiento de ésta y la
coagulación de la proteína
caseína.
L. casei, L. bulgaricus
Streptococcus lactis
También se lleva a cabo en
células musculares esquléticas
cuando no hay suficiente
oxígeno.
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Rutas anfibólicas: vías comunes
catabolismo y anabolismo. Ciclo de Krebs
al
Catabolismo de ácidos grasos: β-oxidación
de ácidos grasos, en cada vuelta se obtiene un
ácido graso de dos carbonos menos y acetil
CoA.Además se obtiene NADH+H y FADH2.
Ocurre en la matriz mitocondrial.
Catabolismo de aminoácidos: los esqueletos
carbonados en el ciclo de Krebs y el grupo
amino se transforma en urea en el hígado.
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ANABOLISMO.
Es la vía constructiva del metabolismo, es decir la ruta de síntesis de moléculas complejas
a partir de sustancias sencillas. Si las moléculas son inorgánicas (nitrato, CO2)….se
denomina anabolismo autótrofo y si son orgánicas (glucosa, aa…) anabolismo
heterótrofo.
Anabolismo autótrofo:
Fotosíntesis, gracias a la energía luminosa. Lo realizan las plantas ,
algas, cianobacterias y bacterias fotosintéticas
Quimiosíntesis, por medio de la energía desprendida de las reacciones de
oxidación-reducción. Algunas bacterias.
Anabolismo heterótrofo: Se da en todos los organismos y es muy similar
en todos ellos. Su objeto es la síntesis de reservas energéticas y crear
estructuras para que el organismo pueda crecer o renovar estructuras
determinadas. Ejemplos: gluconeogénesis: síntesis de glucosa a partir de
aminoácidos. Glucogenogénesis: síntesis de glucógeno. Síntesis de ácidos
grasos en el citosol a partir de acetil CoA. Síntesis de aa a partir de
componentes del ciclo de Krebs y glucolísis.
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Fotosíntesis: es la conversión de energía luminosa en energía química estable. La
primera molécula en la que queda almacenada esa energía química es el ATP
La fotosíntesis se lleva a cabo gracias a unos pigmentos ( antena y diana) que se
encuentran en los fotosistemas y a una cadena de transporte de electrones,
donde hay diferentes moléculas que se van oxidando y reduciendo , según ceden o
reciben los electrones.
Se distinguen dos tipos de procesos fotosintéticos:
Fotosíntesis oxigénica: propia de las plantas superiores, algas y cianobacterias,
en la que el dador de electrones es el agua y se desprende oxígeno.
Fotosíntesis anoxigénica: propia de las bacterias púrpuras y verdes de azufre en
las que el dador de electrones es el SH2, por lo que no se desprende oxígeno sino S.
Fotosíntesis oxigénica. Consta de dos partes una fase luminosa , en la que se
obtiene ATP y poder reductor en forma de NADPH y la fase oscura en la que se
obtiene la materia orgánica. El aparato fotosintetizador se encuentra en los
cloroplastos , en la membrana de los tilacoides y está formado por:
•Fotosistema I
•Fotosistema II
•Cadena de transporte de electrones
•ATP asas
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Fotosistema I:
•Complejo captador de luz o antena: clorofila a,
una pequeña proporción de clorofila b y β
carotenos.
•Centro de reacción: molécula diana, clorofila a
(700 nm). Abundan en los tilacoides del estroma.
Fotosistema II:
•Complejo captador de luz o antena. Clorofilas a y
b y xantofilas.
•Centro de reacción: molécula diana clorofila a
(680nm). Abundan en tilacoides de los grana.
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FOTOSISTEMAS
Contiene dos moléculas de
clorofila a y los electrones
que liberan son enviados a
la cadena de transporte
electrónico.
Centro de
reacción
Fotón
Moléculas
antena
Cuando una molécula se excita
transfiere energía a las cercanas por
un proceso de resonancia y así hasta
el centro de reacción.
Atrapan fotones de
diferente longitud de onda.
Localización
Fotosistema I (PSI)
Fotosistema II (PSII)
Membranas de
tilacoides no apilados
Grana
Absorción maxima del
centro de reacción
700 nm
680 nm
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Pigmentos
antena
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ESTRUCTURA DE LA
CLOROFILA
Anillo de porfirina
Su función es absorber la luz
Cola de fitol
Los dobles enlaces
alternativos permiten la
descolocación de los
electrones favoreciendo
la pérdida de uno hacia
un aceptor.
Mantiene la clorofila integrada
en la membrana fotosintética
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Fase luminosa
Cf-plastocianina
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1. Fijación de CO2
2. Reducción del CO2 fijado
3. Regeneración de la
ribulosa 1-5 difosfato
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ECUACIÓN GENERAL DE LA FOTOSÍNTESIS DEL CARBONO
6 CO2 +12 H2O
-------> C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
Para fijar un CO2 en la fase oscura, se necesitan 3 ATP y 2 NADPH+H y con una molécula de
H2O se obtendrían 1.5 ATP y 1 NADPH+H, por tanto tendrían que realizarse la fotolísis de 2
moléculas de H2O. Sin embargo en la fase oscura tienen que fijarse 6 moléculas de CO2 para
formar una glucosa, es por eso que se realiza la fotolísis de 12 moléculas de agua y se necesitan
12 NADPH+H y 18 ATP.
1) FASE LUMINOSA O PRIMERA ETAPA:
12 H2O + 12 NADP+ 18 (ADP +Pi) + LUZ --> --->...
6 O2 + 12 (NADPH + H+) + 18 ATP
2) FASE OSCURA O SEGUNDA ETAPA:
6 CO2 + 12 (NADPH + H+) +18 ATP --> --->
C6H12O6 + 6 H2O + 12 NADP+ +18 (ADP +Pi)
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Síntesis de compuestos orgánicos nitrogenados: Los nitratos que se
encuentran disueltos en el suelo se convierten gracias al ATP y
NADPH+H en ácido glutámico y en otros aminoacidos.
También los iones sulfato disueltos en el suelo dan lugar a aminoacidos
como la cisteina, gracias al ATP y NADPH+H que se obtiene en la fase
luminosa.
Plantas C3: siguen el ciclo de calvin como hemos visto.
Plantas C4: son plantas de clima tropical , que tienen que cerrar sus
estomas para evitar perdida de agua, pero esto les supone problemas de
fotorrespiración, es decir que se acumula oxígeno en sus cloroplastos y se
activa la función oxidasa de la rubisco en lugar de la carboxilasa, lo que
daría lugar a una disminución del rendimiento fotosintético, por eso la
molécula aceptora de CO2 es el ácido fosfoenolpirúvivo, ya que la enzima
que cataliza esta reacción no se ve afectada por los niveles de oxígeno, se
forma así oxalacetico, de ahí C4 y luego ya pueden seguir el ciclo de
Calvin
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Factores que influyen en la fotosíntesis:
•Concentración de CO2
•Concentración de O2
•Escasez de agua
•Temperatura
•Intensidad de la luz
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FACTORES QUE CONDICIONAN EL RENDIMIENTO
FOTOSINTÉTICO
El aumento de
CO2 incrementa
el rendimiento de
la fotosíntesis.
200
R.. 180
.foto 160
sint 140
etic 120
o
100
80
60
40
20
0
0
123 lux
21,9 lux
6,31 lux
1,74 lux
0,407 lux
5
10
15
20
25
30
Concentración de CO2 (mol/l)
El aumento de
O2 disminuye la
eficacia de la
fotosíntesis.
R
.
f
o
t
o
s
i
n
t
e
t
i
c
o
100
0,5% O2
80
20% O2
60
40
20
0
0
10
20
Intensidad de la luz
30
(x104
erg/cm2/seg)
40
50
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FACTORES QUE CONDICIONAN EL RENDIMIENTO
FOTOSINTÉTICO
Escasez de agua: disminuye el rendimiento fotosintético,
ante la falta de agua se cierran los estomas para evitar la
desecación y aumenta la fotorrespiración.
El rendimiento
fotosintético aumenta con
la temperatura hasta un
punto máximo (Tª óptima
de actividad enzimática).
R.f
oto
sin
tet
ico
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
10
20
30
40
Temperatura
10
(oC)
20
30
40
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FACTORES QUE CONDICIONAN EL RENDIMIENTO
La fotosíntesis es
proporcional a la
intensidad de luz hasta
un punto en el que su
rendimiento se estabiliza.
Intensidad fotosintética
FOTOSINTÉTICO
Planta de sol
Planta de sombra
Intensidad luminosa
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NADH
Quimiosíntesis:formación de materia orgánica a partir de materia inorgánica con la
energía de reacciones de oxidación-reduccción.
1. Se obtiene ATP y NADH
2. Se emplea el ATP y NADH para sintetizar compuestos orgánicos a partir de CO2, sulfatos…
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Ejemplos de bacterias quimiosintéticas:
Bacterias del nitrógeno: oxidan el amoníaco que
procede de la descomposición de animales,
cadáveres, restos vegetales y lo transforman en
nitratos.
Bacterias nitrosificantes: pasan el amoníaco en
ión nitrito. Genéro Nitrosomonas
Bacterias nitrificantes: pasan el ión nitrito a
nitrato. Género Nitrobacter
Bacterias incoloras del S, oxidan el sulfuro de
hidrógeno a sulfitos y sulfatos.
Bacterias del hierro; oxidan los compuestos
ferrosos a férricos.