Unidad_5_METABOLISMO_ana_maria_agosto_8

UNIDAD 5. Metabolismo

1 FUNDAMENTO TERICO

Los compuestos orgnicos almacenan energa qumica en sus estructuras. Gracias al trabajo de las enzimas, la clula degrada de forma sistemtica molculas complejas ricas en energa, en productos ms simples que tienen menos energa. Parte de esta energa ser utilizada en los diversos trabajos que debe llevar a cabo la clula para su funcionamiento y la otra parte se disipa en forma de calor. En conjunto, los anteriores procesos fsico- qumicos que ocurren en una clula se denominan metabolismo. Estos complejos procesos interrelacionados son la base de la vida a escala molecular, y permiten las diversas actividades a nivel celular.

El metabolismo se divide en dos procesos conjugados: catabolismo y anabolismo. La clula necesita hacer catabolismo u oxidacin de los tomos de carbono de las molculas orgnicas para convertirlas en energa libre que se requiere para otras reacciones bioqumicas, tal es el caso de la biosntesis de biomolculas, indispensables para sobrevivir, sin mencionar otros eventos moleculares en donde se precisa de energa biolgicamente til (ATP).

En efecto, las vas catablicas liberan energa; un ejemplo de ello es la gluclisis, un proceso de degradacin de compuestos como la glucosa, cuyas transformaciones resultan en la liberacin de la energa retenida en sus enlaces qumicos. Las rutas anablicas, en cambio, utilizan esta energa liberada para recomponer enlaces qumicos y construir componentes de las clulas como lo son las protenas y los cidos nuclecos. El catabolismo y el anabolismo son procesos acoplados que hacen al metabolismo en conjunto, puesto que cada uno depende del otro.

La accin ms comn de la clula es catabolizar glucosa de tal manera que se pueda liberar energa para la formacin de ATP, FADH2 Y NADH. Para llevar a cabo este proceso degradativo las clulas poseen una maquinaria enzimtica muy eficaz. Cuando en las rutas metablicas se llevan a cabo la oxidacin completa de los tomos de carbono de este azcar y los electrones de los tomos de hidrgeno se dirigen hacia el oxgeno molecular (O2), este proceso se denomina respiracin celular aerobia. En las clulas que han adaptado su maquinaria enzimtica a condiciones aerbicas de respiracin, el cido pirvico es llevado a la mitocondria donde ocurren una serie de reacciones de oxidacin en el llamado ciclo de Krebs.En este proceso, despus de la descarboxilacin oxidativa del piruvato, se forma la Acetil CoA, molcula con la cual ocurre la primera reaccin del ciclo; posteriormente ocurren descarboxilaciones, es decir, se forma CO2, lo cual significa que se ha conseguido la oxidacin completa del carbono y as, puede ser finalmente eliminado en forme de gas por medio de la respiracin pulmonar.

Paralelas a las anteriores oxidaciones, ocurren reducciones de los cofactores enzimticos NAD+ y FAD+ (agentes oxidantes). Finalmente el NADH, el H+ y el FADH2 resultantes transfieren sus tomos de hidrgeno al oxgeno (O2), con lo cual se producen molculas de agua. Este ltimo paso del metabolismo energtico se denomina cadena respiratoria. El balance energtico de la respiracin en trminos de ganancia para la vida de la clula es de 686 Kcal por cada mol de glucosa sometida a la oxidacin completa. Es decir, se cumple la ecuacin 5.1que resume la respiracin celular.

C6H12O6 +6O2 + H2O 6 CO2 + 6H2O Ecuacin 1

Muchas bacterias y microorganismos tienen otro tipo de metabolismo denominado la respiracincelular anaerbica, la cual es un proceso biolgico de xido-reduccin de monosacridos y otros compuestos en el que el aceptor terminal de electrones es una molcula inorgnica distinta del oxgeno, y ms raramente una molcula orgnica. Para ello utilizan una cadena transportadora de electrones anloga a la de la mitocondria en la respiracin aerbica. La respiracin anaerbica no debe confundirse con la fermentacin, que es un proceso tambin anaerbico, pero en el que no participa una cadena transportadora de electrones (Figura 1).

Figura 1. Piruvato, molcula enlace en el catabolismo. La gluclisis ocurre tanto en la respiracin celular como en la fermentacin. El producto final del anterior proceso, el piruvato, representa el punto de partida de las dos vas de transformacin de la glucosa para la produccin de ATP.

1.1 La fermentacin

En las clulas que llevan a cabo el catabolismo de la glucosa por medio de la respiracin aerbica, la mayor parte del ATP generado es resultado de la fosforilacin oxidativa y dicho proceso depende de un adecuado suministro de oxgeno a la clula. Sin el oxgeno, la fosforilacin oxidativa se detiene. Sin embargo, la fermentacin proporciona un mecanismo alternativo por medio del cual algunas clulas pueden generar ATP sin el uso de oxgeno.

Las clulas musculares, las levaduras y muchas bacterias, pueden sintetizar suficiente ATP para sobrevivir empleando la respiracin o la fermentacin en forma alternativa. Bajo ambas condiciones la gluclisis ocurre, pero el destino del piruvato depende del suministro o no de oxgeno, en el caso de ausencia de oxgeno ocurre la fermentacin. La condicin anaerobia provoca la reduccin del piruvato ya que ste no se transporta a la mitocondria sino que inicia un proceso de fermentacin producindose as el ATP requerido.

Hay muchos tipos de fermentacin las cuales difieren por los productos finales que se forman a partir del piruvato. Los dos tipos ms comunes son la fermentacin etanlica y la cida-lctica. La primera ruta se resume en la ecuacin 2 y ha sido realizada por el hombre como un arte durante muchos siglos para la elaboracin de bebidas como el vino y las cervezas. Asimismo, la fermentacin es la base de numerosos procesos industriales.

C6H12O6 2 CH3-CH2OH + 2 CO2 Ecuacin 2

En las levaduras por ejemplo, se considera que la primera etapa de la fermentacin de glucosa es la produccin de piruvato, este procedimiento se efecta mediante una serie de reacciones que implican un nmero considerable de intermediarios, al cual se le denomina gliclisis anoxignica o anaerbica.

La reaccin global de al gliclisis se podra considerar como la transferencia de dos tomos de hidrgeno (2e- /2H+) de la glucosa al NAD+. Debido a que la coenzima slo se encuentra en cantidades catalticas, esnecesario reoxidarla para que esta transformacin no se suspenda, y as, el NADH+ + H+ formado es reconvertido a NAD+ por el oxgeno molecular a travs de la cadena respiratoria. Sin embargo, este proceso no se realiza cuando las condiciones son anaerobias y en este caso la reoxidacin se efecta cuando el piruvato se convierte en acetaldehdo y posteriormente en etanol, segn reacciones de la figura 5.2.

El piruvato forma acetaldehdo y CO2 por la accin de la piruvato descarboxilasa la cual requiere del in magnesio y de la coenzima tiamina pirofosfato (TPP). La enzima que cataliza la etapa final de la fermentacin es la alcohol deshidrogenasa, el acetaldehdo entonces se reduce a etanol reaccin en la cual el NADH+ + H+ aporta el potencial de reduccin

Figura 2. Fermentacin etanlica de la glucosa.

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL 2. FERMENTACIN DE LA GLUCOSA Y RESPIRACIN AERBICA EN EUCARIOTES

5.3.1 El problemaEn esta prctica se realizarn pruebas para verificar que metabolismo ocurre en la levadura, hongo unicelular, en distintas condiciones. Se usarn dos formas para verificar si estn ocurriendo procesos metablicos: mediante un marcador de reacciones de oxido- reduccin y a travs de la observacin directa de la formacin de gases.

1.4.1 Materiales y reactivos

Tabla 5.5. Materiales y reactivos por grupoMateriales y equiposReactivoscantidadMuestras1 Gradilla5 Vasos de

precipitado de

600mLAzul de

metileno

Levadura en polvo12 Tubos de

ensayo3 Pipetas (1, 5,

10mL)Solucin

de glucosa

15%.30mLSuspensin de

levadura (10%) en agua. 200mL1 AgitadorPipeteadorSolucin

de glucosa10 %.30mLSuspensin de

levadura en glucosa

(2,5 g de levadura en

100 ml de solucin de glucosa al 5%).100mL7 Tapones de

plsticoSoporte universalSolucin

de glucosa5%.30mL

Pinzas para

tubos de ensayoAro con nuez

2 Probetas de

25mLPlaca de

calemtamiento

Tubo de

fermentacin

(sacarmetro)

1.4.2 Procedimientos

5.4.3.1 Respiracin aerbica en eucariotes

A. Rotular y preparar diez tubos de ensayo de acuerdo con la tabla 5.6. Agitar bien cada tubo luego de agregar cada solucin, limpiar el agitador al pasar de un tubo a otro. Seguir el orden de las columnas, de izquierda a derecha:

Tabla 5.6. Respiracin aerbica en eucariotes

Tubo

Adicionar 4mL de

Adicionar 2mL deColocar en bao mara

(80C)

5 min1

2

3

4Glucosa 5%

Glucosa 10% Glucosa 15% Agua destiladaSolucin de levadura

Solucin de levadura Solucin de levadura Solucin de levaduraNo

No No No5

6

7

8

9

10Glucosa 5%

Glucosa 10% Glucosa 15% Glucosa 5% Glucosa 10% Glucosa 15%Solucin de levadura

Solucin de levadura Solucin de levadura Agua destiladaAgua destilada

Agua destiladaS

S S No No No

B. Aadir 6 gotas de azul de metileno a cada tubo. Agitar, limpiar el agitador al pasar de un tubo al otro.C. Registrar el tiempo cero para cada tubo que es cuando termina de agitar. Describir la coloracin de cada tubo al tiempo cero.D. Colocar los tubos en una gradilla.Observar los cambios ocurridos cada 20 minutos hasta

100min. No los agite.

E. Disear una tabla para consignar los datos de sus observaciones.

F. Usar la siguiente nomenclatura para referirse a los grados de decoloracin observada luego de 100 minutos (tener en cuenta que una cosa es describir la coloracin y otra describir el grado de decoloracin):+++ Decoloracin abundante++ Decoloracin moderada

+ Decoloracin escasa- Decoloracin nula

5.4.3.2 Fermentacin de glucosa en el sacarmetro

Disuelva uniformemente, tanto como le sea posible, 0.5 gramos de levadura en 20 mL de glucosa al 5% en un vaso de precipitado de 100 mL. Llenar el tubo de fermentacin (figura 5.3) con aproximadamente 15 mL de la suspensin preparada con anterioridad, de modo que en la parte sellada del sacarmetro no queden burbujas de aire. Para lograr sto, la abertura del tubo de fermentacin se debe tapar con el dedo pulgar y volterarlo hacia arriba y abajo hasta que el aire remanente se expulse hacia al exterior del bulbo.

Colocar el tubo en una incubadora a 35C; registrar la formacin de gas a intervalos de 2minutos. Cuando se finaliza el proceso la parte sellada del tubo de fermentacin se debe haber llenado con gas lo cual se ve en la escala. Repetir el procedimiento anterior colocando el sacarmetro en la temperatura ambiente.Figura 5.3. Tubo de fermentacin.

1.4.3 Bibliografa

BRUCE, Alberts. et al. Molecular Biology of the cell. 3 ed. New York: Garland publishing, inc, 1996.CURTIS, Helena. Biologa. 4 ed. Buenos Aires: Mdica Panamericana, 1989.

DALLOS, Dilia. Prcticas de Biologa General. Bogot: Centro de Publicaciones. Unisalle,

1998.

DE Robertis, De Robertis. Biologa celular y molecular. 11 ed. Argentina: El Ateneo 1986. PLUMMER, David. Introduccin a la Bioqumica prctica. Mxico: Mc Graw- Hill Interamericana, 1982PURVES, William. et al. Vida. La ciencia de la Biologa. 6 ed. Mxico: Mdica

Panamericana, 2006.

VILLEE, Claude. Biologa. 3 ed. Mxico: Interamericana, 1996.

UNIDAD 5

Actividad Experimental 2

PREINFORME E INFORME

Nombre:__________________________________________________Fecha:_____________

1. Consulta

A. Elaborar un cuadro que explique las diferencias y semejanzas entre, respiracin anaerbica, respiracin aerbica y la fermentacinB. Elaborar un diagrama con las reacciones para produccin de etanol y cido lctico a partir de glucosa.C. Elaborar un diagrama representando el transporte de electrones a travs de la membrana interna mitocondrial.D. Elaborar un diagrama de una clula y posteriormente trate de realizar un esquema que represente la conexin y la regin donde ocurren los procesos de: glicolisis, el ciclo de Krebs y el transporte de electrones.E. Consultar que es el azul de metileno y porqu es un indicador de reacciones rdox.

F. Puede la levadura hacer metabolismo en la presencia y en la ausencia de O2?

Todas las clulas pueden hacer lo mismo?

Anexar una introduccin en un mximo de dos pginas, en las cuales haga un resumen sobre el metabolismo teniendo en cuenta el cuestionario anterior.

2. Fichas tcnicasPropiedades de reactivos a usar en el laboratorio.

Nombre

Frmula

AspectoPeligrosidad

*Primeros auxilios y medidas de higieneInformacin adicionalAzul de metileno

Fenoftalena

*Indique la peligrosidad con el smbolo correspondiente: explosivo (E), comburente (O), inflamable (F), extremadamente inflamable (F+), txico (T), muy txico (T+), corrosivo (C), nocivo (Xn), irritante (Xi) y/o peligroso para el medio ambiente (N).

3. Procedimientos3.1 Respiracin aerbica en levadurasHiptesis:______________________________________________________________Realice el diagrama de flujo correspondiente:

Tabla TuboTratamientoResultados y Observaciones1

2

3

4

5

6

7910

8

3.2 Fermentacin de glucosa en el sacarmetroHiptesis:______________________________________________________________Realice el diagrama de flujo correspondiente:

Tabla Tiempo

(minutos)Volumen de CO2

(mL)

4. Discusin de resultados

De acuerdo con las siguientes pautas elabore la discusin de resultados del informe.

A. Es el oxgenoun agente oxidante o reductor? Cul es la relacin entre el cambio de coloracin del azul de metileno y las condiciones del primer procedimiento?B. Cul es el efecto de la temperatura sobre la actividad de las levaduras en la fermentacin?C. Con base en lo que ocurre en las reacciones estudiadas de la respiracin aerbica, explique la relacin entre la decoloracin del azul de metileno, segn la temperatura y la concentracin de glucosa.D. Puede la levadura hacer metabolismo en la presencia y en la ausencia de O2? Por qu? Pueden hacer lo mismo todos los eucariotes?E. Qu gas se produjo en el segundo montaje? Justifique su respuesta.

F. Con base en lo que ocurre en la fermentacin, explique las diferentes cantidades de gas medido segn la temperatura y la concentracin de glucosa.

5. ConclusionesRedactar las conclusiones de la prctica.

6. BibliografaPresentar la bibliografa utilizada como apoyo para la elaboracin de la discusin de los resultados y las conclusiones.