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Oxidación-Reducción biológica
Molécula orgánica
e-HH+
Coenzima NAD+
Molécula orgánica oxidada
NADH + H+
H+
Reducción
Oxidación
C6H12O6 CO2 + H2O
“Catabolismo”
Metabolismo microbianoMetabolismo: Es el total de reacciones químicas (catabolismo y anabolismo) que se producen en un organismo vivo.
ATP ADP + Pi + energía
Moléculas simples(glucosa, aa, glicerol y ag)
Reacciones anabólicas (transfieren energía de ATP a
moléculas complejas)
Moléculas complejas (almidón, proteínas y lípidos)
Reacciones catabólicas (transfieren energía desde
moléculas complejas hacia el ATP )
ATP
ADP + Pi
Liberación de calor
Liberación de calor
Generación de Energía
• El ingreso de energía a la célula esta condicionado por la fosforilación del ADP.
Tres mecanismos de fosforilación:
1.Fosforilación a nivel de sustrato
2.Fosforilación oxidativa “cadena transportadora de e-”
3.Fotofosforilación “células fotosinteticas”
Catabolismo de los hidratos de carbono
• Oxidación de hidratos de carbono Principal fuente de energía celular
• Respiración celular y fermentación
NADH
NADH, FADH2
Glucólisis“Vía de Embden-Meyerhof”
Fase preparatoria
Fosforilación
Reestructuración
Escisión
Citosol
Extracelular
Fase de conservación de energía (2 moléculas de ATP)
Reducción
Fosforilación a nivel sustrato
Fosforilación a nivel sustrato
Reacción EnzimaDG0'
(kcal/mol)DG
(kcal/mol)1 Hexoquinasa o Glucoquinasa - 4.0 - 8.02 Fosfoglucoisomerasa + 0.4 - 0.63 Fosfofructoquinasa-1 - 3.3 - 5.34 Fructosa-1,6-bis-fosfato aldolasa + 5.7 - 0.35 Triosa-fosfato isomerasa + 1.8 + 0.66 Gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa + 1.5 - 0.47 Fosfoglicerato quinasa - 4.5 + 0.38 Fosfoglicerato mutasa + 1.06 + 0.29 Enolasa + 0.4 - 0.8
10 Piruvato quinasa - 7.5 - 4.03
Rutas alternativas de la glucolisis• Vía de las Hexosas de monofosfato (HMP), vía del fosfogluconato
o vía de las pentosas de fosfato. 1. Se diferencia del EMP en que los compuestos intermediarios que se
forman son pentosas de fosfato.
2. Como mecanismo generador de ATP es menos eficiente que la glucólisis.
3. Su principal función es el aporte de NADPH para reacciones biosintéticas(anabólicas).
4. Producción de pentosas intermedias (ribosa-5-fosfato)
síntesis de ácidos núcleicos
síntesis de glucosa a partir de CO2 (fotosíntesis)
síntesis de aminoácidos
“Fase Oxidativa”
La fase oxidativa genera por cada molécula de glucosa; 2 moléculas de NADPH (reacciones anabolicas), 1molécula de ribulosa-5-fosfato y una molécula de CO2.
Consta de tres reacciones:
1. Oxidación 2. Hidrolisis 3. Descarboxilación
“Fase No Oxidativa”
Ciclo de Calvin Benson(fotosíntesis)
Síntesis de nucleótidos y ácidos núcleicos
2
Balance de la vía HMP
Fase Oxidativa:Glucosa-6-Fosfato + 2 NADP+ + 2 H2O
Pentosa-Fosfato + 1 CO2 + 2 NADPH + 2H+
Fase No oxidativa:3 Glucosa-6-fosfato (C6) + 6NADP+ + 3H2O
3 fructosa-6-fosfato (C6) + Pi + 3CO2 + 6NADPH + 6H+
3 Glucosa-6-fosfato (C6) + 6NADP+ + 3H2O
2 fructosa-6-fosfato (C6) + gliceraldehido-3-fosfato (C3)+ 3CO2 + 6NADPH + 6H+
“El balance no es constante depende de los requerimientos de la célula”
•El flujo tomado por la glucosa después de incorporarse a la vía del fosfogluconato están determinados, en gran medida, por las necesidades celulares relativas de NADPH y de ribosa-5-fosfato.
•Sólo en microorganismos que biosintetizanactivamente lípidos prevalece la ruta oxidativa completa que conduce a la formación de NADPH.
Tarea
¿Cuál es el destino de los carbonos 3 y 4 marcados con radiactividad de una glucosa que entra a la vía:
1. EMP
2. Entner-Doudoroff
3. Pentosa fosfato fase oxidativa y no oxidativa
4. Fosfocetolasa
“Cuando el aceptor de electrones es un ácido orgánico (molécula orgánica) se le llama fermentación, cuando el aceptor es una sustancia inorgánica
(NO2, NO3, SO4, CO3 y fumarato) se llama respiración anaerobia “
Fermentación
• Es un proceso que libera energía a partir de azucares u otras moléculas orgánicas (aa, ag, purinas y pirimidas).
• No necesita oxigeno (pero a veces tiene lugar en su presencia).
• No presenta ciclo de Krebs ni cadena transportadora de electrones.
• Utiliza una molécula orgánica como aceptor final de electrones.
• Produce pequeñas cantidades de ATP ( solo se produce en la glucolisis)
• Existe regeneración de NAD+ y NADP+ que pueden ingresar nuevamente a la glucolisis, transfiriendo los electrones de moléculas reducidas al ácido pirúvico o sus derivados.
• La principal función es garantizar una provisión constante de NAD+ y NADP+
para que pueda continuar la glucolisis.
GLUCOSA
Ácido pirúvicoÁcido acético
+ Ácido fórmicoÁcido succínico
Ácido acéticoAcetona
Acetil CoA Ácido fórmico
Alcohol etílico CO2Ácido acético H2
Diferentes rutas de fermentación
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EFECTO PASTEUR:
Inhibición de la fermentación por la respiración. La aireación induce a un aumento en la cantidad de biomasa, a una disminución de la producción de alcohol y de consumo de azúcar.
EFECTO CRABTREE:
Cuando la concentración de azúcar es elevada, S. cerevisiae sólo metaboliza los azúcares por vía fermentativa; incluso en presencia de oxígeno la respiración es imposible.
Cond. Anaeróbicas: 2ATP/Glucosa
Cond. Aeróbicas: 36 a 38 ATP/Glucosa
Respiración celular y fermentación
NADH, FADH2
NADH
aerobia
anaerobia
Es un proceso generador de ATP, en el cual las moléculas experimentan oxidación y el aceptor final de electrones es una molécula inorgánica (casi siempre). Además de contener una cadena transportadora de electrones.
Ciclo de Krebs
. Ciclo anfibólico (reacciones anabólicas y catabólicas)
Funciones:• Intermediarios del ciclo son precursores de la biosíntesis de
aminoácidos, purinas, pirimidinas, etc.
• Los dos carbonos del Acetil-CoA son oxidados a CO2, y la energía que estaba acumulada es liberada en forma de energía química:
a) Energía química (GTP)b)Poder reductor (NADH y FADH2)
• NADH y FADH2 son coenzimas capaces de acumular la energía en forma de poder reductor para su conversión en energía química en la fosforilación oxidativa.
Ciclo de Krebs
o
Ciclo del ácido cítrico
o
Ciclo del ácido tricarboxílico
(ATC)
-CoA-SH
-CoA-SH
Nicotinamida-adenina-dinucleótido y Flavina adenina dinucleótido
Regulación• Enzimas reguladas por retroalimentación negativa
(unión alostérica del ATP, que es un producto de la vía y un indicador del nivel energético de la célula).
a) Piruvato deshidrogenasa b) Citrato sintasac) Isocitrato deshidrogenasad) α-cetoglutarato deshidrogenasa
• Enzimas reguladas negativamente (inhibición competitiva) cuando el nivel de poder reductor de la célula es elevado.
a) Piruvato deshidrogenasa b) α-cetoglutarato deshidrogenasa
Cadena transportadora de electrones
• Secuencia de moléculas transportadoras capaces de provocar reacciones de oxido-reducción.
• Liberación gradual de energía
“Generación Quimioosmótica de ATP”
• La reacción de oxidación final es irreversible
• Mitocondria y citosol
Oxidación-Reducción biológica
Molécula orgánica
e-HH+
Coenzima NAD+
Molécula orgánica oxidada
NADH + H+
H+
Reducción
Oxidación
C6H12O6 CO2 + H2O
“Catabolismo”
CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES O FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
1. Flavoproteínas2. Citocromos3. Ubiquinona o coenzima Q
ATPasa utiliza el potencial eléctrico que se crea por la diferencia entre la concentración de protones (H+).
Localiza entre membrana mitocondrial interna y membrana plasmática.
Mecanismo Quimioosmótico de Generación de ATP
El rendimiento total en ATP por respiración aeróbica a partir de una molécula de glucosa
La oxidación completa de la glucosa, vía glucólisis, ciclo ATC y cadena respiratoria, se resume en la reacción siguiente:
C6H12O6 + 6O2 + 38 ADP + 38 Pi
6CO2 + 6H2O + 38 ATP (= 686 Kcal)