Biología General 100A – Juan Salvador Campa Rivera Naturaleza de la energía química y reacciones redox En las células, los electrones son la fuente más importante de energía química. La cantidad de energía potencial que tiene un electrón se basa en su posición con respecto a otros electrones y a los protones del núcleo de átomos cercanos. Si un electrón está cerca de cargas negativas de otros electrones y lejos de las cargas positivas de los núcleos, tiene mucha energía potencial. El ATP hace que se produzcan reacciones en las células porque tiene muchísima energía potencial, en parte porque cuatro cargas negativas están agrupadas en sus tres grupos fosfato. Las cargas negativas se repelen unas a otras, aumentando la energía potencial de los electrones. fosfato más externo del ATP y su vecino se rompe, y da como resultado la formación de ADP y fosfato inorgánico. Durante la reacción se libera un total de 7,3 kilocalorías (kcal) de energía por cada mol de ATP. La adición de un grupo fosfato a un sustrato se llama fosforilación. Cuando la fosforilación añade una carga negativa a una proteína, los electrones de la proteína cambian de configuración en respuesta. ¿Cómo impulsa el ATP las reacciones endergónicas? Cuando un sustrato o una enzima es fosforilada, se dice que la reacción de fosforilación exergónica se acopla a una reacción endergónica. En las células, las reacciones endergónicas se convierten en exergónicas cuando los sustratos o las enzimas implicadas son fosforiladas. ¿Qué es una reacción redox? Las reacciones de oxidación-reducción, o reacciones redox, son un tipo de reacciones químicas que suponen la pérdida o ganancia de uno o más electrones. Revisión de la respiración celular Cuando el ATP reacciona con agua durante una reacción de hidrólisis, el enlace entre el grupo Todos los organismos utilizan la glucosa como pilar básico en la síntesis de grasas, hidratos de carbono como el almidón y el glucógeno, y otros compuestos que almacenan energía. En muchos organismos, la respiración celular es un proceso de cuatro pasos: (1) la glucosa se descompone en un compuesto de tres carbonos llamado piruvato; (2) el piruvato se procesa para formar un compuesto llamado acetil-CoA; (3) el acetil-CoA se oxida a CO2; y (4) los compuestos reducidos en los tres primeros pasos se oxidan en reacciones que conducen a la producción de ATP. Una vez que los electrones donados por el NADH y el FADH2 han pasado por la cadena de transporte de electrones, se transfieren a un receptor final de electrones, que en muchos organismos es el oxígeno. Procesamiento de la glucosa: glucólisis El primer paso de la oxidación de la glucosa es una secuencia de diez reacciones químicas que ocurren en el citosol llamadas conjuntamente glucólisis. Durante la glucólisis, una molécula de glucosa se descompone en dos moléculas de piruvato. Parte de la energía potencial liberada por esta secuencia de reacciones se utiliza para fosforilar moléculas de ADP, formando así ATP. Además, una de las reacciones de la secuencia reduce una molécula llamada nicotinamida adenina dinucleótido, simbolizada por NAD+. (Figura inferior de la página de arriba). Los biólogos utilizan el término respiración celular para referirse a todos los procesos de producción de ATP que impliquen todos los elementos siguientes: un compuesto que actúe como donante de electrones, una cadena de transporte de electrones y un receptor de electrones. Procesamiento del piruvato ¿Qué sucede con el piruvato producido por la glucólisis? Si un receptor de electrones como el oxígeno está presente en la célula, el piruvato se somete a una serie de reacciones que resultan en la molécula-producto de acetil-CoA. Estas reacciones redox tienen dos resultados: (1) se sintetiza otra molécula de NADH y (2) uno de los tres átomos de carbono del piruvato se oxida a dióxido de carbono. Ocurre en la matriz mitocondrial Ciclo de Krebs Durante el ciclo de Krebs, cada molécula de acetilCoA se oxida en dos moléculas de dióxido de carbono. Parte de la energía potencial liberada por estas reacciones se utiliza para (1) reducir el NAD+ a NADH; (2) reducir otro transportador de electrones, llamado flavín adenina dinucleótido (FAD), a FADH2; y (3) fosforilar el ADP, para formar ATP. Ocurre en la mitocondria. Cadena de transporte de electrones Una serie de reacciones de oxidación-reducción permiten a las proteínas de la cadena de transporte de electrones bombear protones a través de la membrana interna de las mitocondrias. Cuando los protones vuelven a fluir por la membrana a través de la ATP sintasa, se sintetiza ATP a partir de ADP. Métodos de producción de ATP El combustible de las fosforilaciones catalizadas por la ATP sintasa es el flujo de protones. El gradiente que conduce esos protones está determinado por una cadena de transporte de electrones que utiliza una molécula con poca energía libre (habitualmente el oxígeno) como receptor de electrones final. Como esta forma de producción de ATP une la fosforilación del ADP con la oxidación del NADH y el FADH2, se llama fosforilación oxidativa. En la fosforilación a nivel de sustrato, una enzima cataliza la transferencia de un grupo fosfato desde una sustancia fosforilada al ADP, que resulta en la producción de ATP. Si la molécula que funciona como receptor final de electrones no está disponible, entonces no puede haber respiración celular. En este caso, otras reacciones alternativas, llamadas reacciones de fermentación, toman el mando. Glucólisis La glucosa se oxida a piruvato mediante esta secuencia de diez reacciones. Cada reacción es catalizada por una enzima diferente. Los productos son dos ATP netos (se producen cuatro ATP, pero dos se gastan), dos moléculas de NADH y dos moléculas de piruvato. 1. La glucólisis empieza utilizando ATP (2), no produciéndolo. 2. Una vez completada esta fase de inversión energética de la glucólisis, las siguientes reacciones representan una fase de recompensa energética. 3. La producción de ATP durante la glucólisis tiene lugar por fosforilación a nivel de sustrato. de productos inhiben el complejo enzimático; grandes concentraciones de reactantes y bajas concentraciones de productos lo estimulan. El procesamiento del piruvato es un punto regulador crucial en la oxidación de la glucosa. Antes del paso 3 de la glucólisis, la reacción se puede interrumpir y los sustratos pueden ser utilizados en otra parte de la célula, pero después no. Cuando una enzima de una vía es inhibida a por el producto de la secuencia de reacciones, se dice que tiene lugar una inhibición por retroalimentación. Procesamiento del piruvato Las mitocondrias tienen membranas externas e internas, la membrana interna está unida mediante tubos cortos a unas estructuras saculares llamadas crestas. El procesamiento del piruvato tiene lugar dentro de la matriz mitocondrial. La CoA funciona como una coenzima aceptando primero y después transfiriendo un grupo acetilo a un sustrato. Cuando un grupo acetilo se une a un átomo de azufre en un extremo de la molécula de CoA, se forma acetil-CoA. El piruvato producido en la glucólisis reacciona con la CoA para producir acetil-CoA. A medida que se procesa el piruvato, el NAD+ se reduce a NADH y uno de los carbonos del piruvato se oxida a CO2. El acetilo de dos carbonos que queda se transfiere a la CoA. El acetil-CoA es el producto final del procesamiento del piruvato en la oxidación de la glucosa. El procesamiento del piruvato está bajo un control positivo y otro negativo. Grandes concentraciones Ciclo de Krebs Cuando los biólogos añadían oxalacetato y piruvato a las células se formaba citrato. Basándose en este resultado, Krebs propuso que el piruvato se oxida a dióxido de carbono mediante un ciclo de reacciones. En honor a ese descubrimiento, la vía se llamó ciclo de Krebs. Las reacciones catalizadas por la piruvato deshidrogenasa actúan como un paso preparatorio del ciclo de Krebs. El acetil-CoA producido por el procesamiento del piruvato reacciona a continuación con el oxalacetato, formando citrato. Una vez completado el procesamiento del piruvato en la mitocondria, los tres carbonos del piruvato se oxidan a dióxido de carbono. Uno de los carbonos se oxida en el complejo de la piruvato deshidrogenasa, y dos en el propio ciclo de Krebs. la energía liberada por la oxidación de una molécula de acetil-CoA se utiliza para producir tres moléculas de NADH, una de FADH2 y una de guanosín trifosfato (GTP) mediante fosforilación a nivel de sustrato. El GTP se convierte luego en ATP. El piruvato y la CoA entran en la secuencia de reacciones; salen CoA, dióxido de carbono, ATP, NADH y FADH2. el receptor final de electrones. El transporte de electrones tiene lugar en la membrana interna de las mitocondrias. ¿Cómo se regula el ciclo de Krebs? La función real de la cadena de transporte de electrones es bombear protones desde la matriz mitocondrial a través de la membrana interna hasta el espacio intermembranoso o el interior de las crestas. Mitchell llamó quimiósmosis a la producción de ATP mediante un gradiente de protones, y su propuesta de un nexo indirecto entre el transporte de electrones y la producción de ATP es la hipótesis quimiosmótica. También se puede asemejar la quimiósmosis a una presa hidroeléctrica. La cadena de transporte de electrones es análoga a una serie de bombas gigantes que fuerzan el agua hacia arriba y detrás de una presa. La membrana mitocondrial interna funciona como la presa, y la ATP sintasa es como las turbinas del interior de la presa. Las velocidades de reacción son altas cuando escasea el ATP, y bajas cuando abunda. En la siguiente figura se muestran los puntos de control para inhibición por retroalimentación. Gracias a la aceleración de la oxidación de la glucosa cuando escasea el ATP y el enlentecimiento de las reacciones cuando hay mucho ATP, las células acoplan cuidadosamente la tasa de respiración celular a sus requerimientos energéticos. Transporte de electrones y quimiósmosis En conjunto, las moléculas responsables de la oxidación del NADH y el FADH2 se denominan «cadena de transporte de electrones» (ETC). Mientras los electrones pasan de una proteína a otra de la cadena, la energía liberada por las reacciones redox se utiliza para bombear protones a través de la membrana interna de la mitocondria. Una vez establecido este gradiente de protones, un flujo de protones a través de la enzima ATP sintasa provoca la formación de ATP a partir de ADP y Pi . Una vez que los electrones del final de la cadena son aceptados por parte del oxígeno para formar agua, la oxidación de la glucosa se completa. En resumen, los electrones del NADH y el FADH2 pasan por una cadena de transporte de electrones compuesta por una serie de proteínas y por el Q (ubiquinona). Cada molécula sucesiva de la cadena tiene una electronegatividad ligeramente mayor que la anterior. Como los electrones se mueven de un enlace a otro en la cadena, son atraídos cada vez con más fuerza y su energía potencial disminuye. Una molécula especialmente electronegativa (el oxígeno en plantas, animales, hongos, y muchas bacterias y arqueas) actúa como Hipótesis quimiosmótica ¿Cómo se organiza la cadena de transporte de electrones? los componentes de la ETC se organizan en cuatro grandes complejos de proteínas y dos de los complejos bombean protones. Q y la proteína citocromo c funcionan como lanzaderas transfiriendo protones entre los complejos. Q también transporta un protón a través de la membrana junto con un electrón. Ahora bien, ¿cómo hace posible la producción de ATP este gradiente de protones? El descubrimiento de la ATP sintasa La protuberancia a ATPasa se llama unidad F1; la base unida a la membrana, transportadora de protones, es la unidad F0. Las unidades F1 y F0 están unidas por el tallo. El complejo se llama globalmente ATP sintasa. De acuerdo con el modelo actual, así es como funciona esta enzima: un flujo de protones a través de la unidad F0 provoca que el tallo que conecta las dos unidades gire. Se piensa que a medida que la unidad F1 rota junto con el tallo sus subunidades cambian de conformación de tal manera que catalizan la fosforilación de ADP a ATP. Fosforilación oxidativa La formación de ATP mediante la combinación del bombeo de protones por las cadenas de transporte de electrones y la acción de la ATP sintasa se llama fosforilación oxidativa. Investigaciones recientes han demostrado que se producen unas 30 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa (No 36 como anteriormente se creía). La inmensa mayoría de la «recompensa» de la oxidación de la glucosa tiene lugar mediante fosforilación oxidativa. De las especies que dependen del oxígeno como receptor de electrones para la ETC se dice que tienen respiración aeróbica y reciben el nombre de organismos aeróbicos. De las células que dependen de otros receptores de electrones distintos del oxígeno se dice que utilizan respiración anaeróbica. ¿Qué sucede cuando el oxígeno o los otros receptores de electrones se han agotado temporalmente o no están disponibles? Sin oxígeno o sin otro receptor de electrones a mano, los electrones transportados por el NADH no tienen dónde ir. Cuando esto sucede, la cadena de transporte de electrones se detiene. Todo el NAD+ de la célula se convierte rápidamente en NADH. Esta situación es potencialmente mortal. Entonces, ¿cómo se las arreglan las células? Fermentación La fermentación es una vía metabólica que regenera NAD+ a partir de depósitos de NADH y permite que la glucólisis siga produciendo ATP en ausencia del receptor de electrones requerido por la ETC. En los organismos que utilizan oxígeno como receptor de electrones, la fermentación es una forma alternativa de producir energía cuando se agota el oxígeno temporalmente. Aunque la fermentación es un tipo de metabolismo muy extendido y comercialmente importante, es bastante ineficaz comparado con la respiración celular. La fermentación solo produce dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa metabolizada, mientras que la respiración celular produce unas 30. ¿Cómo interacciona la respiración celular con otras vías metabólicas? Las enzimas, los productos y los intermediarios que participan en la respiración celular y la fermentación no están aislados. Por el contrario, son parte de un gran inventario dinámico de sustancias químicas dentro de la célula. En las células, las grasas se degradan habitualmente mediante enzimas para producir glicerol y acetil-CoA. El glicerol entra en la vía glucolítica una vez se ha oxidado y fosforilado para formar gliceraldehído-3-fosfato, uno de los intermediarios de la secuencia de diez reacciones. El acetil-CoA entra en el ciclo de Krebs. Las proteínas también pueden catabolizarse, lo que significa que pueden degradarse y utilizarse para producir ATP. Cuando la célula dispone de los tres tipos de moléculas para generar ATP, primero agota los hidratos de carbono, después las grasas y por último las proteínas. Los productos intermedios del metabolismo de los hidratos de carbono pueden desviarse a la síntesis de componentes celulares: varios productos intermedios del metabolismo de los hidratos de carbono sirven de moléculas precursoras en reacciones anabólicas que conducen a la síntesis de RNA, DNA, glucógeno o almidón, aminoácidos y ácidos grasos. Anexos: Diagramas e imágenes Glucólisis Resumen de la respiración celular Ciclo de Krebs