RESPIRACIÓN RESISTENTE A CIANURO

13. - RESPIRACIÓN. Proceso global. Mitocondrias
vegetales. Respiración resistente al cianuro. Factores
que afectan a la respiración.
OBJETIVOS
 Recordar el proceso general de respiración como mecanismo
productor de energía para procesos específicos en la planta.
 Enfatizar en las características de mitocondrias vegetales.
 Destacar alternativas típicas de plantas
 Observar las posibles variaciones según distintos factores
PROCESO GLOBAL
Las células respiran continuamente absorbiendo O2 y
eliminando CO2. El proceso global de la respiración consta de un
conjunto de reacciones de oxidorreducción mediante las cuales
ciertos compuestos son oxidados hasta transformarse en CO2 y
H2O.
Como posibles sustratos las células disponen de:
- Carbohidratos ( sobre todo en el caso vegetales sacarosa y
almidón)
- Lípidos ( grasas)
- Ácidos orgánicos
- Proteínas ( más raramente, sobre todo aminoácidos)
La reacción general de la respiración es la siguiente:
C6H12O6+6O2► 6CO2+6H2O+ Energía
Parte de esa energía se libera como calor y otra queda
atrapada en moléculas de ATP que podrán ser utilizadas
posteriormente para otras funciones, como dinámica estomática y
transporte de sustancias.
El proceso respiratorio tiene lugar en varias etapas (Fig. 1)
La primera es la llamada glucólisis ( visto en bioquímica 2º curso)
tiene lugar en el citoplasma y consiste básicamente en producción
de intermediarios metabólicos que sirvan como sustratos para la
síntesis de ácidos nucleicos y grasos, aminoácidos y metabolitos
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secundarios, es la oxidación de glucosa a piruvato, que
posteriormente se transformará en Acetil-CoA en la matriz
mitocondrial por el complejo de la Piruvato-deshidrogenasa.
Su ecuación general será:
Glucosa + 2ADP + 2Pi + 2NAD
Piruvato + 2ATP + 2NADH
Se produce consumo de 2 moléculas ATP en las primeras
reacciones, pero posteriormente se producen 4 ATP y 2 NADH, de
modo que el balance final es de +2 ATP.
Sacarosa
Sacarosa
Almidón
Almidón
ATP
ATP
Azúcar-P
Azúcar-P
ADP
ADP
Glicolisis
Glicólisis
toPiruvato
Piruvato
Piruvato
Mitocondria
Acetil-CoA
Acetil-CoA
CO2
CO2
NADH
FADH2
Krebs
Krebs
ATP
ATP
FADH2
NADH
Cadena transportadora de e-
+
4H
4H+
2
O2
2H2O
2H2O
ADP
ADP
ATP
ATP
ADP
ADP
ATP
ATP
Fig. 1. Esquema general de la respiración ( tomado del libro Bioquemistry &
Molecular Biology of the plants )
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La segunda será el ciclo de Krebs donde hay producción de
donadores-reductores de electrones ( NADH y FADH2) en la matriz.
También se lleva a cabo la formación de esqueletos carbonados
como base en la síntesis de aminoácidos mediante un proceso de
transaminación.
Su ecuación será:
Acetil-CoA + 3NAD+ + ADP + Pi + FAD
3NADH + ATP + FADH2 + CoA + 2CO2
La tercera etapa del proceso es la Cadena de Transporte de
Electrones en la membrana mitocondrial interna.
Consistente en la transferencia de electrones del NADH Y
FADH2 (procedentes de la glicólisis y del ciclo de Krebs) al O2
dando como resultado H2O, produciendo un transporte de protones
desde la matriz al espacio intermembrana. Este transporte de
electrones da como resultado una diferencia de potencial que será
utilizado por la ATP sintasa para dar ATP. Siendo esta última parte
del proceso semejante a cadena de transporte de electrones en
fotosíntesis.
El transporte de electrones tiene lugar a favor de gradiente
electroquímico, es decir los electrones son cedidos a potenciales
redox más elevados.
Dicha cadena de electrones esta compuesta por distintos
complejos que son los encargados de generar dicho movimiento:
(Fig. 2)
- Complejo I: Es un complejo multimérico que presenta FMN y 7
centros S-Fe. Es una NADH deshidrogenasa, que oxida el NADH
producido en la matriz mitocondrial y reduce a la Ubiquinona. En
este paso se produce una translocación de protones a través de
la membrana. Dicho paso es inhibido específicamente por
rotenona.
- Complejo II: Es el único enzima que esta unido a la membrana
mitocondrial, media el paso de electrones desde el succinato a la
Ubiquinona. No se produce transporte de protones en este paso.
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- Complejo III: Transfiere los electrones del Ubiquinol al citocromo
c. El flujo de electrones está acoplado al bombeo de protones al
espacio intermembrana, por 2 electrones un protón.
- Complejo IV: Encargado de la reducción del oxígeno para formar
agua. Esta formado por dos citocromos a y dos átomos de cobre.
Es el tercer punto de flujo de protones pero con relación de un
electrón por un protón.
- Sistema NADH deshidrogenasa: Son las encargadas de la
oxidación del NADH donde los electrones resultantes serán
trasladados a la cadena de transporte de electrones al pool de
UQ.
Esquema general de la cadena de transporte de electrones,
con sus respectivos complejos y trasiego de proteinas:
Espacio
intermembr
Espacio
intermembrana
ana
NAD(P)H
deshidrogenasa
externa
ATP
Oxidasa
alternati
va
Complej
oI
Complejo
I
Com
plejo
Complejo III
IV
ATP
sinta
sa
Sintasa
Complejo IV
Co
mpl
Complejo
II
ejo
IISucfu
Rut
cinma
a
atorat
cianuro
inse
o
Ruta
insensible
nsib a
rotenona
le a
Matriz
Rot
eno
Fig.2. Esquema de la cadena de transporte de electrones ( tomado
na & Molecular Biology of the plants)
de libro Bioquemistry
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MITOCONDRIA VEGETAL
Las mitocondrias son orgánulos que se encuentran en el
citoplasma de todas las células eucariótas aerobias. Son los centros
de la respiración celular y donde tiene lugar la mayor producción de
energía en forma de ATP, para todas las necesidades celulares.
Las principales características de las mitocondrias vegetales
respecto de las animales serían las siguientes:
- Pueden oxidar el NADH exógeno debido a que la membrana
externa es permeable a este compuesto, no requieren existencia
de lanzaderas.
- Muchas son resistentes al cianuro, esto se debe a la presencia
de una ruta alternativa a la normal de los citocromos para el
transporte de electrones.
- Presentan oxidación insensible a rotenona del NADH endógeno.
- La β-oxidación de los ácidos grasos se encuentra localizada en
los glioxisomas mientras que en animales está situada en
mitocondria.
ESTRUCTURA:
Matriz
Espacio
intermembrana
Membrana
externa
Citosol
Membrana
interna
Crestas
mitocondrials
Membrana
externa
Crestas
Fig.3 Estructura mitocondria vegetal ( tomado del libro Bioquemistry &
Molecular Biology of the plants )
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Las células vegetales suelen presentar unas 200
mitocondrias, las cuales tienen su propio genoma y su propia
maquinaria pera los distintos procesos metabólicos. Se les supone
un origen endosimbióntico, derivado de una bacteria anaerobia
ancestral.
Las mitocondrias (Fig. 3) presentan para una distribución de
membranas y estructuras muy peculiar que le sirven para llevar a
cabo los distintos procesos como la respiración. Tienen una doble
membrana que rodea a la mitocondria y será la interna donde estén
los transportadores específicos y las proteínas de la cadena
respiratoria, dicha membrana externa está caracterizada por los
repliegues que forma, llamadas crestas mitocondriales.
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RESPIRACIÓN RESISTENTE A CIANURO
En las mitocondrias vegetales se puede producir una ruta
alternativa de transporte de electrones, caracterizada por su parcial
o total insensibilidad al cianuro.
Dicha ruta tendrá su punto de ramificación (Fig. 2) antes de la
actuación del citocromo b, siendo la ubiquinona el punto más
probable, aunque no son los citocromos los responsables de la ruta;
será una flavoproteína el primer componente y también se supone
la participación de alguna ferroproteína no hémica.
Será el agua el producto final de la transferencia de electrones
a través de esta ruta alternativa y el paso del complejo III al IV el
que está inhibido por cianuro.
Las mitocondrias vegetales solucionan este problema de la
gran existencia de NADH por una oxidasa alternativa, que cede los
electrones al oxígeno para formar agua (aunque inicialmente se
creía que intervenía el agua oxigenada) perdiendo la posibilidad y
capacidad de bombear Protones y de generar ATP, es decir es una
ruta no fosforilativa liberándose además una gran parte de energía
en forma de calor.
Esta resistencia el cianuro es frecuente en plantas superiores
y presenta varias posibles funciones fisiológicas:
 Efecto termogénico (es el aumento de la temperatura de
hasta 10ºC durante procesos de floración y polinización)
debido a que casi toda la energía se libera en forma de
calor.
 Forzar su aparición cuando las condiciones ambientales
son adversas para poder seguir produciendo respiración, y
también para sobrevivir a compuestos perjudiciales para la
planta, ya que esta no se puede mover y debe adaptarse al
sustrato que tiene.
 Oxidación continua del NADH formado en el ciclo de Krebs
cuando la concentración de ATP es elevada, así es
oxidado y no se incrementa mucho la cantidad.
Actualmente se cree que parte de la regulación de todo este
proceso y de los genes que intervienen en él se debe al ácido
salicílico. Destacar finalmente la importancia en esta ruta que no se
produce transporte de protones.
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FACTORES QUE AFECTAN A LA RESPIRACIÓN
Existen diversos factores ambientales que afectan a la
intensidad respiratoria, entre los cuales destacan la disponibilidad
de sustratos respiratorios, oxígeno y la temperatura.
1. Disponibilidad de sustrato
Es necesario a la hora de que se pueda llevar a cabo la
respiración celular la presencia de un sustrato respiratorio y tan
importante como esto que las reservas de la planta tengan niveles
óptimos para que su intensidad sea buena.
Se puede comprobar experimentalmente este echo
suministrando azúcares exógenos a una planta con déficit de este
compuesto, ya que se observará un aumento en su intensidad
respiratoria.
2. Disponibilidad de oxígeno
La disponibilidad de oxígeno depende en gran medida del
órgano de la planta e incluso de las especies vegetales.
La intensidad respiratoria será menor en tallos subterráneos,
raíces, semillas... donde el acceso de oxígeno es bastante bajo,
llegando incluso en algunas ocasiones a realizar una respiración
anaerobia.
Dentro de este apartado es interesante ver el llamado efecto
Pasteur que consiste en que el consumo de glucosa puede ser
inhibido por el oxígeno. Cuando el oxígeno es abundante se forman
grandes cantidades de ATP por fosforilación oxidativa, el enzima
fosfofructoquinasa está inhibido y se bloquea la glucólisis pero
cuando hay poco oxígeno el enzima es activado aumentando el
consumo de glucosa. De aquí la idea de que en una respiración
anaerobia se obtengan 2ATP únicamente de una molécula de
glucosa y en la aerobia 32 ATP.
3. Temperatura
La respiración al ser un proceso bioquímico presenta enzimas
que catalizan las reacciones y que presentan una temperatura
óptima donde su funcionamiento es correcto, y una mínima y
máxima a partir de las cuales no actúan correctamente.
La temperatura óptima está entorno a 25ºC, si se aumenta
hasta 35ºC la respiración también aumenta pero por encima de
8
40ºC disminuye porque los
desnaturalizan al ser proteínas.
complejos
enzimáticos
se
4. Otros Factores
Existen otra serie de factores que también influyen en la
intensidad respiratoria además de los citados tales como las
condiciones de la atmósfera, la iluminación ( si la luz que llega es
menor la respiración es más lenta) el pH y algunas condiciones de
la propia planta como la edad, el estado de desarrollo controlan
también este proceso.
Daniel Zabala Álvarez
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