Respiraci6n

Respiraci6n
«Col fetida» (Lysichiton americanum).
In trodllccion a la nutricion
Todos los seres vivos necesitan fuentes de
energia y de carbo no
Las plantas utilizan la fotosintesis para
almacenar la energia luminosa, en forma
de azucares, y la respiraci6n para
transferir la energia de los azucares al ATP
La ruptura del azucar para liberar energia
puede producirse con 0 sin oxigeno
Respi, acion
La glic61isis divide cada azucar de seis
carbol1os en dos moleculas de piruvato
El cido de Krebs genera CO 2 , NADH,
FADH z yATP
La cadena de trans porte de electrones y la
fosforilaci6n oxidativa transfieren la
energia de los electrones ricos en energia
del NADH y FADH z al ATP
La respiraci6n presenta un elevado
rendimiento energetico
En algunos vegetales, la cadena de
transporte de electrones puede generar un
exceso de calor
Los vegetales, a diferencia de los animales,
pueden convertir los acidos grasos en
glucosa
Fermentaci6n
En ausencia de oxigeno, el piruvato
generado por la glic6lisis se convierte en
etanol 0 lactato
Algunas industrias importantes dependen
de la fermentaci6n
La fermentaci6n presenta un rendimiento
energetico bajo, en comparaci6n con la
respiraci6n
...
U N I DAD DOS •
Funciones de las plantas
I
a energia es esencial para llevar a cabo las funciones bioquimicas y fisiologicas necesarias para la vida, tanto para construir los organismos, como para mantenerlos.
No en vano, los organism os vivos son islas de orden en un universo que, en general,
cada vez es mas desordenado. Los organismos vivos utilizan ATP y transportadores
de energia, como NADH, NADP YFADH 2 , para facilitar las reacciones quimicas. Los
organismos no fotosinteticos dependen de los organismos fotosinteticos para procurarse las
moleculas organicas que pueden romperse para obtener la energia.
En la fotosintesis, los vegetales fabrican ATP en las reacciones luminosas, el cual utili zan en
su totalidad en el cido de Calvin. En consecuencia, aunque los vegetales y otros organismos fotosinteticos puedan fabricar su propio alimento, han de romper adem as ese alimento para producir ATP y transportadores de electrones, ambos necesarios para construir y mantener su estructura. A diferencia de la fotosintesis, que precisa luz y, por tanto, se produce durante el dia,
la ruptura del azucar y otras moleculas relativas para la obtencion de energia metabolica puede producirse en cualquier momento.
El medio puede influir considerablemente en la cantidad de energia metabolica que un organismo debe utilizar para sobrevivir. Como resultado de su composicion bioquimica, los organismos vivos pueden tolerar solo un rango limitado de temperaturas. Numerosos medios presentan temperaturas estacionales extremas, por encima 0 por debajo de las que son optimas para
la vida. Un abanico de diferentes estructuras, mecanismos fisiologicos y comportamientos han
evolucionado para permitir a los organismos sobrevivir en presencia de temperaturas extremas.
Como aprenderemos en este capitulo, el proceso de ruptura del azucar para transferir la energia al ATP no es del todo eficiente. Siempre se pierde parte de la energia en forma de calor. Algunos animales, como los mamiferos y las aves, mantienen una temperatura corporal constante,
reteniendo este calor, y utilizan el pelaje, las plumas y la grasa corporal como materiales aislantes.
Cuando las condiciones son muy frias, producen una cantidad de calor corporal mayor rompiendo mas azucar y, a su vez, el ATP resultante. En algunos casos, utilizan una ruta alternativa para romper el azucar, al tiempo que liberan toda la energia en forma de calor.
A diferencia de los mamiferos y aves, la temperatura de los vegetales, asi como la de
los reptiles, anfibios y peces, se asemeja a la del medio circundante. Dichos organ ismos son mucho menos activos ala hora de utilizar la energia metabolica para controlar
la temperatura. Por ejemplo, los vegetales detienen la fotosintesis y la respiraci6n
cuando las temperaturas son muy frias. Pueden perder sus hojas e, induso, entrar en
un estado de dorm an cia, durante el cual el metabolismo es mas lento 0 se suspende
hasta que se reestablece la temperatura adecuada.
Aunque los vegetales no mantienen una temperatura vegetal constante, unos pocos pueden mantener una temperatura considerablemente mas caliente que la del aire
que los rodea generando calor en lugar de producir ATP. Algunas especies vegetales utilizan el calor para derretir la nieve y el hielo, 10 que permite que el vegetal se beneficie
de los dias soleados, pero frios, del comienzo de la primavera. En otras plantas, como
el falo amorfo titanico, el calor evapora moleculas olorosas presentes en las flores, atrayendo asi a deter min ados organismos polinizadores.
El falo amorfo titanico y otras «plantas calientes» son ejemplos poco frecuentes de
como los vegetales utilizan la energia producida por la respiracion. En este capitulo,
examinaremos como los vegetales utilizan la respiracion para obtener ATP y calor de los
azucares producidos en la fotosintesis, asi como de otros compuestos organicos. Durante
la respiracion, estas moleculas organicas se rompen en CO 2 y H 2 0 en presencia de oxigeno, liberando energia que bien se transfiere al ATP, bien se emite en forma de calor.
Un falo amorfo titanico indonesio
Tambien
estudiaremos una ruta metabolica alternativa, conocida como !ermentaci6n, que
(Amorphophallus titanum) en el jardin
ocasionalmente
se produce en las plantas y en otros organismos en ausencia de oxigeno.
botanico britanico de Kew Gardens.
L
-
CAP [ T U L 0 9
~
Respiracion
•
\
IJllL~roducci6n a
let n ltrici6n
Los procesos mediante los cuales un organismo toma y
utiliza sustancias alimenticias se conocen en conjunto
como nutricion. Una vez que se produce el a1imento, ha
de romperse mediante una serie de reacciones bioquimicas, con el fin de liberar la energia que contiene. En los vegetales, animales y hongos, la respiraci6n es el proceso que
rompe los azucares en CO 2 y H 2 0, en presencia de oxigeno, al tiempo que utiliza la energia liberada para fabricar
ATP ycalor.
Todos los seres vivos necesitan Fuentes
de energia y de carbono
Los organismos necesitan carbono y energia para crear
compuestos organicos, los cuales forman la base estructural y energetica de la vida tal y como 1a conocemos. Segun la fuente de carbono que utilicen, los organismos
pueden clasificarse en aut6trofos 0 heter6trofos (Tabla
9.1). Las plantas son organismos aut6trofos, que obtienen
el carbono del CO 2 y 10 uti1izan para fabricar sus propios
compuestos organicos. Los anima1es son organismos heter6trofos, que han de obtener el carbo no consumiendo
compuestos organicos de otros organismos.
Tanto los seres aut6trofos como los heter6trofos pueden clasificarse, a su vez, segun la fuente de energia que utilizan. Las plantas y 1a mayoria del resto de los organism os
aut6trofos y fotosinteticos son conocidos como fotoaut6trofos, pues obtienen la energia de la luz. Los aut6trofos no
fotosinteticos, que engloban unos pocos tipos de procariotas, se conocen como quimioaut6trofos, pues obtienen
la energia de compuestos quimicos inorganicos, y no de la
luz. La mayor parte de los heter6trofos, incluidos los seres
human os, obtienen la energia y el carbono a partir de
compuestos organicos, 10 que significa que somos quimioheterotrofos. Algunos heter6trofos, entre los cuales se
encuentran unos pocos tipos de procariotas, son fotoheterotrofos, es decir, obtienen la energia de la luz, pero el
carbono a partir de compuestos organicos.
Ademas del carbono, la mayoria de los organism os, ya
sean aut6trofos 0 heter6trofos, necesitan nutrientes minerales y moleculas organicas espedficas, como las vitaminas. Con todo, s6lo las plantas y otros organismos aut6trofos son capaces de fabricar sus propias moleculas
organicas.
Las plantas utilizan la fotosintesis para
almacenar la energia luminosa, en forma de
azucares, y la respiraci6n para transferir
la energia de los azucares al ATP
Al igual que todos los organismos, las plantas y otros organismos fotosinteticos l1evan a cabo la respiraci6n. La Figura 9.1 nos proporciona un esquema de la relaci6n entre
la fotosintesis y la respiraci6n. La relaci6n general entre
ambos procesos puede describirse de la siguiente manera:
• Las plantas y otros organismos fotosinteticos recogen la
energia solar para fabricar ATP y NADPH. Estas reacciones constituyen las reacciones luminosas de la fotosintesis.
• Dichos organismos utilizan la energia del ATP Y los
electrones ricos en energia del NADPH para convertir
el CO 2 en azucares. Estas reacciones constituyen las
reacciones del ciclo de Calvin de la fotosintesis.
• Los azucares resultantes de la fotosintesis se combinan
con minerales del suelo para fabricar un gran numero
de diferentes moleculas organicas, que se utilizan como
fuente de energia y como fuente de componentes estructurales, como los esqueletos de carbono.
Tabla 9.1. Fuentes de energfay carbono en los organismos
Tipo de nutrici6n
Fuente de energia
Fuente de carbono
Tipos de organismos
Luz
CO 2
Procariotas, plantas y algas fotosinteticos
Compuestos inorganicos
CO 2
Algunos procariotas
Luz
Compuestos organicos
Compuestos organicos
Compuestos organicos
Algunos procariotas
Numerosos procariotas y protistas, hongos, animales, algunas
plantas parasitas
Aut6trofo
Fotoautotrofo
Quimioautotrofo
Heter6trofo
Fotoheterotrofo
Quimioheter6trofo
-
•
U N I DAD DOS •
Funciones de las plantas
f
Respiraci6n
Fotosfntesis 'I _ _ _ _~I\~-----,
rl _ _ _ _ _ _
______
~A~
~I
Luz + energia + CO 2 + H20 -
Azucares + O 2 -
ATP + CO 2 + H20
~;~::~',~'~
Moleculas organ icas
(a) Resumen de la relacion entre la fotosintesis y la respiracion.
La fotosintesis comienza con dioxido de carbono y agua,
y la resp iracion finaliza con los mismos compuestos.
Energia so lar
Respiraci6n
en la mitocondria
ATP
(La energia del ATP se utiliza
para impu lsar la mayor parte
del trabajo ce lular, como la
sintesis de molecu las organicas.
La energia tamb ien abandona el
vegetal en forma de calor.)
(b) Loca lizacion de la respiracion y la fotosintesis en las celulas vegetales. En las p lantas, la fotosintes is se produce en los cloroplastos, mientras que la respiracion se produce en las mitocondrias.
WII,,'"
El resultado neto de los procesos de la fotosintesis y
la respiraci6n es la transferencia de energia luminosa al
ATP Y a varias moleculas organicas en forma de energia
quimica.
AI igual que en la fotosintesis, la sintesis de ATP durante
la respiraci6n implica que se produzca la fosforilaci6n, es
decir, la adici6n de un grupo fosfato a una molecula. En el
caso de la sintesis de ATP, la fosforilaci6n es la adici6n de
un fosfato inorganico (P) a una molecula de ADP, para
obtener ATP. La sintesis de ATP puede producirse de varias maneras. La sintesis de ATP que se produce durante la
fotosintesis se denomina fotofosforilaci6n, porque es impulsada por energia luminosa. Esto es, la energia luminosa estimula el flujo de electrones a traves de una cadena de
transporte de electrones, que provoca el movimiento de
iones de hidr6geno (H+) a traves de la membrana. Dicho
movimiento se conoce como 6smosis quimica. La enzima
ATP sintasa utiliza entonces la energia de la 6smosis quimica para fabricar ATP. En la respiraci6n, el ATP se sintetiza mediante otros dos tip os de fosforilaci6n: fosforilaci6n
a nivel de substrato y fosforilaci6n oxidativa.
En la fosforilacion a nivel de substrato, una enzima
transfiere un grupo fosfato de una molecula fosfatada al
ADP, produciendo ATP (Figura 9.2a) . Este tipo de fosforilaci6n se denomina asi debido a que en ella participa
una enzima que actua sobre dos substratos: una molecula de ADP y otra molecula fosfatada. La 6smosis quimica
y la ATP sintasa no participan de dicha fosforilaci6n, por
10 que esta puede producirse en presencia 0 en ausencia de
oxigeno.
La fosforilacion oxidativa es bastante similar a la fotofosforilaci6n, en tanto participan en ella una cadena de
transporte de electrones, la 6smosis quimica, ATP sintasa
y oxigeno (Figura 9.2b). No obstante, en la fosforilaci6n
oxidativa es la energia del NADH, y no la luminosa, la que
estimula el flujo de electrones para la sintesis de ATP mediante 6smosis quimica. El proceso se denomina fosforilaci6n oxidativa porque comienza con oxidaci6n, 0 perdida
de electrones. De manera especifica, el NADH pierde electrones, que pasan a la cadena de trans porte de electrones,
iniciando asi el flujo de energia que impulsa en ultima
instancia la sintesis de ATP.
Esquema de la respiracion y la fotosintesis.
• Si hay oxigeno disponible, el proceso de la respiraci6n
convierte algunos de los azucares producidos por la fotosintesis en CO 2 y H 2 0, al tiempo que se libera energia en forma de calor 0 se transfiere al ATP.
La ruptura del azucar para liberar energfa
puede producirse con 0 sin oxigeno
En los vegetales, asi como en todos los eucariotas restantes
y en algunos procariotas, la ruptura de azucares para la
obtenci6n de energia en forma de ATP sigue una de entre
CAPiTULO
Respiracion
9
Alta concentrac ion de H+
(0
@
ADP
P
~
@
la slntasa ATP
utiliza la energia
de la osmosis
qu imica para
fabricar ATP.
P
+
Nueva molecula
organica
NA DH
Molecula organica
con grupo fosfato
Substrato s
Prod ucto s
(a) Fosforilaci6n a nivel de substrato. En la sintesis de ATP mediante
fosforilacion a nivel de substrato, una enzima transfiere un fosfato
de una m olecula de substrato al ADP, formando asi ATP. Puesto
que este proceso so lo depende de la accion enzimatica, puede
producirse co n 0 sin oxigeno.
mlllEf"
ADP
+t P
j
ATP
Baja conce ntracion de H+
(b) Fo sfo ri laci6n oxidativa. En la fo sfori la cion o xidati va, la ATP
sintasa produce ATP utilizando la energia de la osmosis quimica
-e l flujo de iones de hidrogeno (H +) de una region de
concentracion elevada a una de concentrac ion baja-.
Smtesis de ATP .necliante losfoula':loll a Illvel de ~ltbst .. ato \' tosforilacioll oXldatlva
dos rutas generales. Una ruta es aerobica, 10 que quiere decir qu e utiliza oxfgeno. La otra es anaerobica , 10 que signifi ca qu e no utiliza oxigeno. Ambas rutas comienzan con
LIlla se rie de reacciones enzimaticas anaerobicas, que en
(OlljUlltO se conocen como glicolisis (g1ucolisis), la cual
liene lugar en el citosol (parte fluida del citoplasma celu1M). La gli coJisis rompe un azucar de seis cal'bonos en dos
1l10lccu las de piruvato, ademas de producir ATP y NADPH.
La respiracion es la ruta aerobica, en la que las celulas
en Ctilima in stancia necesitan oxigeno, cuando rompen las
ll10lec ulas y convierten la energfa en ATP. Este proceso, que
se prod uce en el interior de las celulas, se suele denominar
rc~pirn cioll cellllar, para distinguirla de 1a respiraciol1 referida al sUl11inistro de oxigeno a las celulas, como en el caso
de 1<\ resp ira cion de los animales. No obstante, en termiIlOScicnLiflcos, cuando decimos respiracion nos referimos
eSlri clal11ente ala respiracion celular.
La respiracion comienza con la glicolisis en el citosol de
la celula. EI piruvato producido porIa glicolisis pasa entOllces al interior de la mitocondria , donde se rompe para
formal' un compuesto denominado acetil coel1zima A, 0
ace/it evA (Figura 9.3). A continuacion, el aceti1 eoA se
rOll1pe para proporcionar fragmentos de dos carbonos,
que pasan ala fase de la respiracion conocida como cicIo
de Krebs. E1 cido de Krebs genera ATP mediante fo sforilacion a nivel de substrato. Ademas, proporciona los transportadores de electrones NADH y FADH2 a la llltima fase
de la respiracion, que consiste en una cadena de transporte de electrones, y sintesis de gran des cantidades de ATP
mediante fosforilacion oxidativa. Por definicion, el termino respiracion se refiere al proceso productor de energia
que utiliza oxigeno. En realidad, solo 1a cadena de transporte de electrones neces ita oxigeno de forma directa. No
obsta nte, el cido de Krebs no pued e producirse si no hay
oxigeno disponible para la ca dena de transporte de electrones.
Si no hay oxigeno, las molecLllas organicas se romp en
mediante la ruta anaerobica, conocida como fermentacion, Ja cLlal se produce al completo en el interior del citoso1.
En la fermentacion, el piruvato se convierte en etanol
o 1actato, dependiendo del organismo. El proceso de fermentacion 10 llevan a cabo enzimas en ausenc ia de cadena de transporte de electrones, y elllI1ico ATP producido
es la pequei'ia cantidad generada en la glicolisis (\lease el
cuadro Biologia de la COl15er\lacio/l enla pagina 225).
U N I DAD DOS •
Funciones de las
r
Electrones transportados por NADH
(Oxfgeno
presente)
Piruvato
~
cadena ~~~
de transporte - .
de electrones
(Oxfgeno
ausente)
Fosforilaci6n
oxidativa
~Mitocondria
ATP
ATP
ATP
WI'IfE,' Esquema de la produccion de ATP en la respiracion y en los procesos relacionados.
La glic6lisis se lleva a cabo en el citosol de la celula y produce una pequefia cantidad de ATP. Si hay oxigeno, se produce la respiraci6n. En
primer termino, el piruvato procedente de la glic6lisis pasa a las mitocondrias. Dentro de las mitocondrias, tienen lugar las siguientes fases
de la respiracion: conversion del piruvato en acetil CoA, cicio de Krebs, cadena de transportede electrones y fosforilaci6n oxidativa. EI cicio
de Krebs produce una pequefia cantidad de ATP. La maxima produccion de ATP procede de la fosforilacion oxidativa, impulsada por la
6smosis quimica. Si no hay oxigeno, el piruvato resultante de la glic6lisis sufre un proceso de fermentacion, y el tinico ATP que se obtiene es
esa pequefia cantidad generada en la glic6lisis.
Repaso de la secci6n
1. Explica de que manera difieren los organismos en el
tipo de nutrici6n.
2. Describe la relaci6n que existe entre la fotosintesis y la
respiraci6n.
3. ~En que se diferencian la fosforilaci6n a nivel de substrato y la fosforilaci6n oxidativa?
4. ~CUlil es la diferencia entre respiraci6n y fermentaci6n?
Respiraci6n
La respiracion sue1e describirse teniendo en cuenta 1a glico!isis, e1 cido de Krebs y la cadena de transporte de electrones
asociada a la fosforilacion oxidativa. A continuaci6n, describiremos la glicolisis en relaci6n con 1a respiraci6n, pues en
los vegetales y en 1a mayoria del resto de los organismos, 1a
respiracion es mas frecuente que la fermentacion. Con todo,
debemos tener en cuenta que 1a glicolisis es igualmente necesaria en 1a respiraci6n y en 1a fermentaci6n.
La glic61isis divide cada azucar de seis
carbonos en dos moleculas de piruvato
El termino glic6lisis (del griego glyco, «dulce» 0 «azucar»,
y lysis, «divisi6n»), refleja el hecho de que el proceso implica dividir los azucares de seis carbonos en dos mo1eculas de piruvato, una mo1ecu1a de tn~s carbonos (Figura
9.4). La glicolisis sigue una serie de diez reacciones, cada
una catalizada por una enzima especifica.
Las reacciones de 1a glic61isis parecen una cadena de
montaje, en 1a que las enzimas funcionan como puntos de
control metabolico. Si 1a actividad de una enzima se ralentiza 0 detiene a1 sufrir una inhibicion, sucede igual
con 1a cadena de montaje entera. Un buen ejemp10 es I,
fosfofructoquinasa, la enzima que cata1iza la conversi6r
de fructosa-6-fosfato en fructosa-1,6-bifosfato. Una mo'
1ecula de ATP se rompe para proporcionar 1a energia y e
fosfato obtenidos de esta reaccion. Los inhibidores de h
fosfofructoquinasa contienen moleculas de compuesto:
como ATP, que indican que 1a c€lu1a posee un buen su
ministro de energia. Los activadores de 1a fosfofructo
quinasa comprenden molecu1as de compuestos com(
-
CAP f T U L 0
9 •
Respiracion
..
\
Calentamiento global y el efecto invernadero
os organismos vivos tienen base de carbono,
cons istente en moleculas organicas, con estructuras
de carbono fabricadas originalmente por los vegetales
en la fotos fntesis. Como sabemos, la respiracion rompe la
gluCOSa Y otros azuca res en CO 2 y transfiere la energfa al
ATP. De hecho, cuando algun material de origen organico
sufre una combustion, ya sea metabolica 0 causada por
fuego, el carbono se convierte en CO 2 ,
La quema de grandes cantidades de combustibl es
f6siles emite a su vez grandes cantidades de CO 2 hacia la
atmosfera. Incluso antes de la lI egada de la civi lizacion, se
emitfa CO2 hacia la atmosfera como resultado de la
acti vidad volcan ica y de los incendios forestales. Con todo,
la civil izacion ha incrementado la emision de CO 2 con la
quema de combustibles fos iles. A 10 largo del siglo pasado,
los cientfficos observaron la creciente concentracion
atmosferica de CO 2 y advirtieron un aumento de las
temperaturas medias.
L
0,90
390
380
0,75
--;:. 370
0,60
I'
O
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(l)
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300
1960
1970
1980
Ano
1990
§l.
c
OJ
D
-0,45
2000
Este gnifi co muestra el incremento constante de CO 2 atmosferico (en
azul ) y una tendenyia general de calentamiento (en rojo) desde 1958.
ADP, que revelan que la celula podria no tener suficiente ATP,
Por cada molecula de glucosa que experimenta glicolisis, se utilizan dos moleculas de ATP para llevar a cabo las
reacciones, y se producen cuatro moleculas de ATP, con 10
que el resultado neto es de dos moleculas de ATP, Entretanto, se fo rman dos moleculas de NADH. El hecho de que
la glicolisis produzca ATP y NADH nos indica que dos pi-
Los cientfficos argumentan que las temperaturas
pueden estar aumentando debido a 10 que se conoce como
efecto invernadero. Esta teorfa sugiere que los gases
acumu lados en la atmosfera, como el CO 2 , impiden que el
ca lor se difunda hacia el espacio. En lugar de esto, el ca lor
se refleja y vuelve hacia la superficie terrestre, elevando las
temperaturas, de manera simi lar al modo en que un
invernade ro retiene el ca lor. Los cient fficos muestran su
preocupacion sobre la perspectiva de un ca lentam iento
globa l continuo como resultado de esto. Se nalan que, en
este escenario, los casquetes polares se derretirfan,
increme ntando el nive l de los oceanos, y las ciudades
costeras podrian acabar inundandose.
Indudablemente, las consecuencias del efecto
invernadero y del ca lentamiento globa l son complejas .
Aparte de la contribucion humana al calentamiento global,
algunos cientfficos opinan que las temperaturas altas podrfan
alterna rse de manera natural con temperaturas bajas en un
cicio de cientos de miles de anos. Imag inemos el sigui ent e
escenario, propuesto por algunos investigadores:
• A medida que la concentracion de CO 2 y la
temperatura aumentan, tambien 10 hace la
fotosfntes is. La rubisco es muy eficaz en presencia de
altas concent racion es de CO 2 , y las temperaturas mas
elevadas estimulan el crecimiento de los vegeta les de
regiones templadas, e incluso subpolares.
• Como resultado del incremento globa l de la
fotosfntesis, la concentracion de CO 2 en la atmosfera
dismi nuye, 10 que a su vez hace que las temperaturas
bajen y que la fotosfntesis globa l descienda. Los
casq uetes polares vuelven a aumentar de tamano, y
la climatologfa mundial se torna mas fria.
• Las temperaturas mas bajas provocan que los
vegetales vuelvan a morir. Las bacterias degradan los
vegetales, liberando otra ve z una cantidad
considerable de CO 2 hacia la atmosfera mediante la
respiracion. Por supuesto, esto causa un nuevo
efecto invernadero, y el cicio completo comienza de
nuevo.
ruvatos contienen menos calorias que una glucosa, 10 que
puede confirmarse utilizando un calorimetro. La glic6lisis genera una can tid ad aparentemente exigua de ATP y
NADPH para una serie de reacciones tan larga. No obstante, las reacciones tambien producen compuestos intermedios que son fuente importante de moleculas organicas para varios procesos celulares. La glicolisis proporciona
azucares para fabricar sacarosa, la forma principal de azu-
¥
U N I DAD DO S •
Fun cion es de las pl a ntas
~arbono
Glucosa
A::~
w t-..G.ItUc..,0...s..at---16-.f...
OrSf-1a..to.....""'....._~ G rupo fosfato
Fructosa-6-fosfato
Fase de consumo de energia
Se consumen dos moleculas de ATP, anadiendo
grupos fosfato a las moleculas mediante dos
reacciones de fosforilacion a nivel de substrato.
Una reaccion produce un fosfato de azucar
de 6 carbonos, con un grupo fosfato. La segunda
reaccion da origen a un fosfato de azucar de 6
carbonos, con dos grupos fosfato. A continuacion,
esta mo lecula se divide en dos fosfatos de azucar
de 3 carbonos, mediante la reaccion de division
del azucar a la que la gl icolisis debe su nombre.
Cada fosfato de azucar de 3 carbonos pasa
e nto nces a la fase de generacio n de energia.
ATP\ ~
ADP~.
Fructosa-l ,6-bifosfato
Dihi droxiacetona fosfa to
Fase de generacion de energia
Las reacciones redox prod ucen
un NADH a partir de cada fosfato
de azucar de 3 carbonos, con un
total de dos NADH par cad a glucosa.
En las reacciones de fosfor il acion
a nive l de substrato, las enzimas
t ransfie ren fosfatos de los fosfatos
de azuca r a 4 ADP, forma ndo 4 ATP.
Puesto qu e la fase de consumo
d e ene rgia utili zo 2 ATP, la produccion
neta es de 2 AT P par glucosa.
G licera lde hido-3-fosfato (G3 P)
~----N A D +
NADH
NADH
1,3-bifosfoglicerato
ADP~
I r - - - ADP
ATP~.
.~ATP
3-fosfogl icerato
2-fosfog li cerato
Fosfoenolpiruvato (PEP)
gillE'"
Glicolisis.
La gLicoLisis es el pr imer paso, tan to d e La
fe rm en tacion co m o d e La respirac ion . POl'
ca d a m o lecul a d e gLucosa que experim en ta
gLicolisis, se pro ducen dos piruva tos, cuatro
mo LecuLas d e ATP y dos m o LecuLas d e NADH.
La produccio n neta d e ATP es d e dos
moLecul as de ATP pO l' cad a gLucosa .
r--f-----.·
ADP~
ADP
ATP~.
Piruvato
Piruvato
(2 molecu las)
ATP
+H
CAP iT U L 0
car transportada desde las hojas hacia otras partes del vegetal. Asimismo, los polisacaridos que colaboran en la formacion de las paredes celulares se originan en la glicolisis.
La glicolisis tambien proporciona estructuras de carbono
para la sfntesis de acidos nucleicos, algunos aminoacidos
y lignina, asf como el glicerol utilizado en la sfntesis de Hpidos.
LAS
P LAN T A S
Y
9
(>
Respiracion
•
Los cientfficos consideran que los organismos primitivos,
procariotas que evolucionaron por primera vez hace unos
3.500 millones de alios, podrfan haber producido ATP solo
mediante glicolisis. Probablemente, la respiracion no evoluciono hasta que una cantidad significativa de oxigeno se
acumulo en la atmosfera hace unos 2.700 millones de alios
(vease el cuadro Las plantas y las personas en esta pagina).
LAS
PER SON A"';S .
Sacarosa y frrLDctosa: edulcorantes a gusto del consumidor
n 10 que a edu lcorantes se refiere, la sacarosa y la
fructosa se util izan con mucha mayor frecuencia en la
alimentacion que la glucosa. Despues de todo,
endulzamos el cafe y cas i todo con sacarosa (un disacarido
compuesto de fructosa unida a glucosa), mientras que el
edulcorante mas comun de los alimentos elaborados es el
jarabe de maiz (0 de glucosa) rico en fructo sa, tambien
conocido como isoglucosa.
La sacarosa, 0 azucar de mesa, es tan comun en parte
porque deja un sabor bastante dulce. No obstante, la razon
principal es que la sacarosa es la forma de azuca r presente
en el transporte vegeta l. La glucosa se fabrica en los
cloroplastos y se sintetiza en sacarosa, para su transporte
por el floema. La sacarosa se aisla de plantas como la cana
de azucar y la remolacha azucarera, donde alcanza grandes
concentraciones. La seleccion
realizada por los agronomos ha
dado lugar a variedades de
estos vegetales con elevados
niveles de azucar.
La isoglucosa se utiliza con
fre cuencia en los alimentos
elaborados, pues su produccion
a partir de granos de maiz, ricos
en almidon, es de bajo coste. EI
almidon se convierte en glucosa
mediante accion enzimatica, y
luego se convierte a su vez en
fructosa. Para nuestro paladar, la
fructosa es mucho mas dulce
que la glucosa. En terminos de
peso, la isoglucosa es un 75%
mas dulce que la sacarosa. Un
refresco de 300 cl endu lzado
con isoglucosa necesitarfa 10
cucharaditas de sacarosa para
alcanzar el mismo dulzor. La
El jarabe de maiz 0 de
isoglucosa consiste en un 14%
glucosa rico en fructosa es
de fructosa, un 43% de
el edulcorante principal de
dextrosa (glucosa), un 31 % de
la mayoria de los alimentos disacaridos y un 12% restante
elaborados.
de otros productos. La eleccion
E
entre sacarosa e isoglucosa como agente edu lcorante suele
tener en cuenta factores como el dulzor, el precio de
mercado, y la disponibilidad de maiz, cana de azucar y
remolacha azucarera .
De manera general, los seres humanos y otros animales
deberian consumir solo niveles moderados de estos
edu lcorantes. Todos los edulcorante s naturales suman una
cantidad considerable de calorias a las dietas que los
incluyen. Las dietas ricas en edu lcorantes, como la
sacarosa 0 la isoglucosa, comportan riesgos como la
diabetes, problemas cardiacos, y au m ento del colesterol.
Segun un estudio del Departamento de Agricu ltura de
Estados Unidos (United States Department of Agriculture,
USDA), unas ratas de laboratorio, a las que se suministro
una dieta con altos niveles de glucosa y bajos niveles de
cobre, en lugar de vivir dos anos, como normal mente,
morian pasadas cinco sema nas. Algunos estud ios en
humanos con los mismos fines fueron interrumpidos al
observar que algunos sujetos habian desarrollado ciertas
anoma lfa s ca rdiacas. En general, las dietas ricas en
edu lcorantes prec isan nive les re lativamente altos de
minerales, como el magnesio, cromo y cobre, con el fin de
. prevenir los consabidos riesgos para la sa lud.
Los edulcorantes artificiales acaloricos comenzaron a
utilizarse el siglo pasado. Entre ellos encontramos:
• Aspartamo, que es un dipeptido de dos aminoacidos.
EI aspa rtamo es 200 veces mas dulce que el azucar.
• Sacarina, que fue descubierta accidentalmente en
1879 en una investigacion consagrada en un primer
momenta a la busqueda de conservantes
alimentarios. La sacarina es 300 veces mas du lce que
el azucar.
• Sorbitol, cuyo usa es fundamentalmente farmaceutico.
EI sorbitol es la mitad de dulce que el azucar.
• Sucralosa, que es una forma modificada de glucosa.
La sucra losa es 600 veces mas dulce que el azucar.
• Acesulfamo potasico, que es 130 veces mas dulce
que el azucar.
Existen ri esgos asociados a todos los edulcorantes
artifi ciales para la salud de algunas personas que los
consumen.
-
..
.
JII"
U N I DAD DOS •
Funciones de las plantas
EI cicIo de Krebs genera CO 2 , NADH,
FADH2 yATP
En presencia de oxigeno, cada piruvato producido en la
glic61isis pasa al interior de la mitocondria y se transfor-
ma en un compuesto denominado acetil coenzima A, mas
conocido como acetil GoA (Figura 9.5). Para formar acetil CoA, primero se retira un carbono en forma de CO 2 del
piruvato. El fragmento de dos carbonos restante se convierte en acetato, en un proceso que genera un NADH. El
Piruvato (de la glicolisis)
La conversion de piruvato
en acetil eoA es el punto
de enlace entre la glicolisis
y el cicio de Krebs.
W+ NADH ' \
W + NADH
~
Oxaloacetato
NAD+~
Malato
Isocitrato
Fumarato
Cicio de Krebs
(cicio del acido dtrico)
Alfa-ketoglutarato
Succi nato
Succinil eoA
eoA
Wi"".,
Cicio de Krebs.
EI cicio de Krebs, tambien conocido como el cicio del acido citrico, tiene lugar en la matriz mitocondrial, la region interna de cada
mitocondria . La conversion de piruvato en acetil CoA sirve de enlace entre la glicolisis y el cicio de Krebs. AI romperse el acetil CoA, un
fragmento de dos carbonos pasa al cicio de Krebs, donde se combina con un compuesto de cuatro carbonos para producir citra to. Aunque
el cicio de Krebs genera solo una pequena cantidad de ATP, desempefia un pape! clave en el suministro de los transportadores de electro nes ,
NADH y FADH 2 , a la cadena de transporte de electrones, la cual hace posible la gran produccion de ATP de la fosforilacion oxidativa. Cada
recorrido del cicio de Krebs produce un ATP, un FADH2 y tres molecllias de NADH. Como la glicolisis rompe cada gillcosa en dos
piruvatos, el resllitado del cicio de Krebs por molecula de gillcosa es de dos molecllias de ATP, dos de FADH2 y seis de NADH.
CAP f T U L 0
9 •
Respiracion
__
,
acetato se une a un cofactor de gran tamafio, denominado coenzima A, formando ace til CoA. A continuaci6n, el
acetil CoA se r~mpe, y la coenzimaA (CoA) se reciela para
ser utilizada con otro piruvato, mientras que el fragmento de dos carbonos pasa al cielo de Krebs. Por consiguiente, este proceso de conversi6n sirve de enlace entre la glic6lisis Yel cielo de Krebs.
El cielo de Krebs tiene lugar en la matriz de la mitocondria, la parte que se encuentra en el interior de las dos
membranas mitocondriales. La conversi6n del piruvato
en acetil CoA, asi como el cielo de Krebs en si, gene ran
todo el CO 2 producido por la respiraci6n. Mientras, cada
recorrido del cielo de Krebs implica una importante transferencia de energia, produciendo una moh~cula de ATP,
una de FADH2 y tres de NADH. El cielo comienza cuando una molecula de cuatro carbonos, el oxaloacetato, se
comb ina con un fragmento de dos carboncs del acetil CoA
para fabricar citrato. Como el citrato es el primer compuesto en formarse, en ocasiones, el cielo de Krebs es referido como cicio del acido citrico. El compuesto de citrato de seis carbonos resultante se convierte en isocitrato. En
cada una de las dos siguientes conversiones, un carbono
abandona el cielo en forma de CO 2, y se crea un NADH.
Las reacciones restantes afectan a una serie de compuestos de cuatro carbonos y gene ran un ATP, un FADH2 y un
NADH. El cielo se completa con la regeneraci6n del oxalacetato, que puede aceptar otro fragmento de dos carbonos de un acetil CoA para comenzar de nuevo el cielo. Las
moleculas de NADH y FADH2 producidas en el cielo de
Krebs aportan electrones ricos en energia a la siguiente fase
de la respiraci6n: la cadena de transporte de electrones y
la fosforilaci6n oxidativa.
La cadena de transporte de electrones
y la fosforilacion oxidativa transfieren
la energia de los electrones ricos
en energia del NADHy FADH2 al ATP
La sintesis de ATP en la membrana mitocondrial interna
depende de la cadena de transporte de electrones. La fosforilaci6n oxidativa de ADP en ATP es impulsada por la
energia procedente de la 6smosis quimica, el flujo de iones de hidr6geno (H+) a traves de la membrana. Estos iones han sido bombeados por la cadena de transporte de
electrones. Algunos de elios retroceden a traves de la membrana en asociaci6n con la enzima ATP sintasa, que utiliza ell110vimiento de los iones de hidr6geno de la 6smosis
qUirnica como fuente de energia para sintetizar ATP. El
proceso es bastante similar a la sintesis de ATP de las reac-
ciones luminosas de la fotosintesis, que tambien cuenta
con una cadena de transporte de electrones, 6smosis quimica y ATP sintasa. No obstante, como se sefia16 anteriormente, en la respiraci6n, el flujo de electrones es debido ala oxidaci6n de NADH (la perdida de electrones del
NADH), Yno ala energia luminosa. Por este motivo, la sintesis de ATP durante esta fase de la respiraci6n se denomina fosforilacion oxidativa.
Al igual que en las reacciones luminosas, los electrones
pasan de un transportador de electrones a otro. La mayoria de estos transportadores son complejos proteinicos, y
cada uno de elios atrae el electr6n con mas fuerza que el
transportador anterior. De este modo, las reacciones de
oxidaci6n/reducci6n (redox) mueven los electrones a 10
largo de la cadena de transporte de electrones, al tiempo
que se libera y transfiere energia. La energia liberada por
la cadena de transporte de electrones bombea los iones de
hidr6geno hacia el espacio intermembranal entre las
membranas mitocondriales externa e interna (vease la
Figura 9.6). La separaci6n de carga entre los iones de hidr6geno en el exterior de la membrana intern a y los electrones de la cadena de transporte de electrones forma un
gradiente de energia potencial, un tipo de pila que se mide
como una diferencia de pH entre las soluciones de cada
lado de la membrana. El retroceso de los iones a traves de
la membrana y por la ATP sintasa impulsa la sintesis de
ATP. Por cada tres iones de hidr6geno que se mueven por
la ATP sintasa, se sintetiza un ATP.
El ultimo transportador de electrones en la cadena de
transporte de electrones se conoce como aceptador terminal de electrones. En el caso de la respiraci6n, el aceptador
terminal de electrones es un atomo de oxigeno del aire,
motivo por el cual los organismos que lievan a cabo la
respiraci6n necesitan oxigeno. Los electrones y los iones de
hidr6geno se unen con 02 del aire en el interior de la
membrana interna para convertirse en H 20.
En teoria, la energia de cada NADH da origen a tres
moleculas de ATP, mientras que la energia de cada FADH2
da lugar ados moleculas de ATP, pues los electrones del
FADH2 poseen menos energia que los del NADH. En realidad, el numero de moleculas de ATP por cada NADH podria ser superior 0 inferior, dependiendo de si el NADH
pro cede de la glic6lisis 0 del cielo de Krebs, asi como de
cuanto ATP hay de hecho en la celula.
La ATP sintasa ha sido calificada de «maquina molecular» y se compone de tres partes: un rotor cilindrico,
una barra 0 brazo, y un borne, cad a una de las cuales contiene a su vez subunidades proteinicas. El rotor cilindrico
abarca toda la membrana v rodea un canal por donde flu -
U N I DAD
DOS
•
Funciones de las plantas
Mitocondria
~Membrana
extern a
Membrana
interna
Espacio
intermembranal
Membrana
Espacio de la
membrana interna
Los H+ bombeados por la cadena de transporte de
electrones se utilizan para impulsar la sintesis de ATP
Ruta de
NADH
Matriz
mitocondrial
L-------------------------------------~v~--------------------------------------~
Cadena de transporte de electrones
Wil"E"
L-------~v~------~
Fosforilaci6n oxidativa
Cadena de transporte de electrones y fosforilacion oxidativa .
Mientras se produce el cicio de Krebs en la matriz mitocondrial, tienen lugar la cadena de transporte de electrones y la fosforilacion
oxidativa en el interior de la membrana mitocondrial interna. De hecho, existen muchas copias de la cadena en la membrana interna, 10
cual es posible gracias al incremento de superficie proporcionado por las proyecciones denominadas crestas, que tienen aspecto de dedos. El
NADH Y FADH z pasan por cada cadena, las cuales consisten fundamentalmente en complejos proteinicos transportadores de electrones. El
complejo I retira los electrones ricos en energia y los protones asociados del NADH. El complejo II retira los electrones ricos en energia y los
protones asociados del FADH 2 • El complejo 1lI transfiere los electrones al complejo IV, donde se combinan con oxigeno para fabricar agua.
En los complejos I, III Y IV, la energia liberada de los electrones bombea iones de hidrogeno hacia el interior del espacio intermembranal. La
osmosis quimica -el flujo de retorno de iones de hidrogeno a traves de la membrana y por la ATP sintasa- proporciona la energia para
sintetizar el ATP mediante fosforilacion oxidativa.
yen los iones de hidr6geno. En el centro del canal, existe
una varilla que conecta el rotor al borne. El borne, que sobresale hacia el interior de la matriz mitocondrial, contiene sitios donde se une fosfato inorganico (P) a ADP,
para fabricar ATP. El rasgo mas caracteristico de la ATP
sintasa es que tanto el rotor cilindrico como la varilla
giran, activando asi los sitios del borne donde se sintetiza
elATP.
La respiraci6n presenta un elevado
rendimiento energetico
La Figura 9.7 resume el rendimiento energetico estirnado
de la glic61isis, el ciclo de Krebs y la fosforilaci6n oxidativa por una molecula de glucosa: 36 moleculas de ATP. Este
es un valor ideal basado en la presunci6n de que el bombeo de iones de hidr6geno de la 6smosis quimica de un
CAP [ T U L 0
~--------
9 •
Respiracio n
(med iante transporte de ATP)
2 NADH - - - - - . . . ; . . . - - -......
Glic6lisis
(en el citosol)
Glucosa . .
2 piruvatos
:-- -+..:
2ATP
(mediante fosforilacion
a nive l de substrato,
co ntro lada por enzim as)
Wil"E"
2ATP
(mediante fosforilacion
a ni vel de substrato,
contro lada por enzim as)
Hasta 32 ATP
(mediante fosforilacion oxidativa,
a traves de ATP si ntasa,
impu lsada por la osmos is
q uimica de H+)
Resumen de la produccion maxima de AlP estimada en la respiracion .
Los oLlmeros reflejan el maximo esti mado de produccio n de ATP por molecula de glucosa. Los dlculos se basan en la energia de cada
NADH, conve rtida en 3 ATP, Yen la energia en cada FADH z' convertida en 2 ATP. Como cada glucosa se co nvierte en dos piruvatos, tienen
lu gar dos recorridos del ciclo de Krebs. La glicolisis produce 2 ATP, el cielo de Krebs produce otros dos ATP, y la produccion de la cadena de
transporte de e1ectro nes y la fosforilacion oxidativa es de 36 ATP. A primera vista, pod ria parecer que la (iltima cifra deberia ser de 38 ATP.
Despues de todo, el diagrama muestra 10 NADH Y2 FADH2 en la cadena de transporte de electrones. Sin embargo, se han de restar los 2
AlP utilizados para el movimiento de electrones de las moleculas de NADH producidas en la glicolisis. Luego la produccion neta maxima
es de 36 ATP.
NADH Y de los iones de hidr6geno asociados producin:l
Ires moleculas de ATP, y cada FADH2 dara lugar a dos moleculas de ATP. Co mo se indic6 en el anterior apartado, el
valor real puede ser mayor 0 menor, y es de suponer que
varia entre diferentes tipos de celulas.
En ocasiones, la producci6n total de ATP de una glucosa se estima en 38 moleculas. Sin embargo, no se estan
leniendo en cuenta las dos moleculas de ATP que han
de utilizarse para mover los electrones a traves de la
membrana mitocondrial, en concreto, los electrones del
NA DH producido en la glic61isis. Este movimiento es
necesario, pues la membrana mitocondrial interna es
Impermeable al NADH. Si sustraemos estas dos moleculas de ATP, obtenemos la producci6n neta de ATP, 36
moleculas.
La sintesis de 36 moleculas de ATP precisa 262,8 kilocalorias (kcal), que representan el 38% de la energia conlen ida enla glucosa. El resto de kcal de energia en cada gluCosa (686) se libera en forma de calor. En realidad, un
rendimiento energetico del 38% es razonablemente eficaz.
El rendimiento util de un motor de gasolina suele ser de
menos del 25%, con el 75% de la energia convertida en calor 0 en productos de la combusti6n, de oxidaci6n incompleta, como el mon6xido de carbono (CO ).
La sintesis y utilizaci6n de ATP en las celulas vivas es
una empresa de considerable magnitud. Una persona media, que no sea sedentaria ni tampoco activa en demasia,
consume un as 2.000 kcal al dia, el equivalente a 0,45 kg de
glucosa. Los calculos revelan que una celula humana me dia produce y utiliza unas 10 millones de moleculas de
ATP por segundo. Las tasas metab6licas generales de los
vegetales so n entre 10 y 100 veces menores que las de la
mayoria de animales, pero el numero de moleculas de
ATP producidas y utilizadas cada segundo en cada celula
vegetal viva comun tambien esta dentro del orden de mi!lones. En resumen, el proceso de sintesis y ruptura de
ATP en las celulas vivas se produce a una escala extraordinaria.
. . U N IDA 0
DOS •
Funciones de las plantas
f
En algunos vegetales, la cadena
de transporte de electrones puede generar
un exceso de calor
En algunos vegetales, una enzima, denominada oxidasa
alternativa, mueve los electrones del NADH al 0 2 sin que
se produzca fosforilaci6n oxidativa. Cuando esta oxidasa
alternativa mueve electrones, no se produce ATP, y toda la
energia se libera en forma de calor. Este tipo de mecanismo 10 utilizan los vegetales para producir flo res «calientes» , que son cap aces de derretir la nieve, permitiendo al
vegetal beneficiarse de los dias soleados, pero frios. Se trata del mismo mecanismo que permite a los osos producir
el suficiente calor para sobrevivir durante la hibernaci6n.
Unos po cos vegetales, particularmente los de la familia
Araceae, pueden mantener metab6licamente sus flores a
una temperatura considerablemente superior a la de su
medio, durante cortos periodos de tiempo, e incluso mantener un valor constante de la misma. lPor que reservan
energia para esta labor?
Numerosas plantas tropicales de la familia de las Aniceas (Araceae) -como los filodendros, calas, malanga, difenbaquias y anturios- se cultivan como plantas de interior 0 en jardines de regiones calidas. Con frecuencia, estas
plantas poseen flores de olor fetido, que atrae a insectos
como las moscas y los escarabajos. Un ejemplo claro es
el falo amorfo titanico, que vimos al principio de este capitulo. Esta enorme flor indonesa crece hasta alcanzar los
3,7 m de altura, y su soporte es una raiz carnosa que pesa
mas de 46 kg. El calor de las partes de la flor produce una
gran cantidad de moleculas olorosas que se evaporan en
el aire, atrayendo asi de forma mas eficaz a los polinizadores. Presumiblemente, las plantas con olores mas intensos atraen mas polinizadores y por ende producen mas semillas, para iniciar la siguiente generaci6n. De esta
manera, la selecci6n de flores que eran mas calientes y desprendian un olor mas intenso perduraba en las generaciones sucesivas ( vease el cuadro El fascinante mundo de las
plantas en la pagina siguiente).
al ciclo de Krebs en diversos lugares. La mayoria de los organismos, incluido el ser humano, son capaces de metabolizar las grasas en unidades de glicerol y ace til CoA, que
pueden pasar a la glic61isis y el ciclo de Krebs para producir energia (Figura 9.8). Por ejemplo, los animales que hibernan tienen un sofisticado sistema de control hormonal
para regular este proceso. De este modo, los organismos
pueden almacenar energia en forma de grasa, cuando hay
exceso de alimentos, y utili zan la grasa para obtener ATP,
cuando el suministro de alimentos es escaso. No obstante, la mayoria de los animales, incluidos todos los mamiferos, no pueden convertir los acidos grasos en glucosa.
En contrapartida, los vegetales y algunas bacterias pueden romper los acidos grasos en acetil CoA, que luego se
utiliza para fabricar glucosa. Por esta raz6n, los vegetales
son mas versatiles que los animales, pues tienen la capaci-
Grasas
Aminoacidos
Glicerol
Acidos
grasos
Glic6lisis
Glucos·a
t
t
Piruvato
,
Gliceraldehfdo- P
Acetil
CoA
Cadena
de transporte
de electrones
y fosforilaci6n
oxidativa
Los vegetales, a diferencia de los
animales, pueden convertir los acidos
grasos en glucosa
Los animales pueden obtener energia de diversas fuentes.
El almid6n y otros carbohidratos se romp en 0 se convierten en glucosa, que se metaboliza en la respiraci6n. Las
grasas se rompen en acetil CoA, el cual pasa al ciclo de
Krebs. Las proteinas se romp en en aminoacidos que pasan
Azucares
W'I",':I
Otros substratos, ademas de la glucosa,
que pueden ser utilizados en la
respiracion.
Las proteinas, carbohidratos y grasas se incorporan a la respiraci6n
en diversos lugares.
CAP f T U L 0
9 •
Respiracion
..
-------------'-------~
EL
FASCINANTE
MUNDO
DE
LAS
PLANTAS
«Col fetida»
En Norteamerica encontramos, como ejemplos de «plantas
ca lientes», varias especies de «co l fetida». En Estados
Unidos, Symp!ocarpus foetidus, conocida comunmente
como drag6n fetido, crece en la zona este, y Lysichiton
americanus, conocida comunmente como aro de agua, en
la zona oeste . Estos miembros de la familia de las Araceas
(Araceae) florecen en ene ro 0 febrero, y el ca lor producido
por el ca pu llo de la flor puede eleva r su temperatura hasta
alcanza r los 16°C. Con frecue ncia, el capu ll o funde la nieve
ci rcundante y sobrevive con facilidad a las incontab les
noches con temperaturas muy por debajo de cero. EI ca lor
liberado tambien activa las moleculas olorosas de las f lores,
a las cuales debe el vegeta l su nombre distintivo. La «co l
fetida» mantiene sus temperaturas florales altas al
convertir el almi d6n, almacenado en una gran rafz carnosa,
en glucosa 0 CO 2 , La ventaja del elevado metabolismo de
este vegetal sigue siendo objeto de debate. En los meses
de enero y febrero, no se ven demasiados insectos
polinizadores. Por otro lado, los in sectos polinizadores se
suelen encontrar en los pantanos del este y oeste de
Canada y Estados Unidos, donde crece la «col fetida».
Cualq uier insecta «madrugador» podrfa sacar provecho de
la «col fetida» como fu ente de alim ento y de ca lor para su
sosten vita l, mientras que el vegeta l podrfa saca r provecho
de los organismos polinizadores en plena inaug uraci6n de
la temporada. Comenzar a crecer tan pronto tambien
proporciona al vegeta l semanas de luz solar directa y, por
tanto, de fotosfntes is, 10 que evita la sombra de otros
vegetales .
dad de utilizar los acidos grasos como fuente de energia 0
como fuente de glucosa, la cual es soluble en agua y adopta Con facilidad formas que pueden moverse por todo el
vegetal. La cap acid ad de los vegetales de utilizar los acidos
grasos para obtener energia 0 moleculas estructurales puede ser la explicaci6n de por que muchos vegetales poseen
aceite como compuesto de reserva utilizado para nutrir a
las semillas que van a germinar.
Los vegetales pueden convertir los acidos grasos en azucares gracias al cido del glioxilato, que tiene lugar, en parte, en los micro cuerpos denominados glioxisomas ( vease el
Capitulo 2) y, en parte, en las mitocondrias. Basicamente,
el cido del glioxilato no es mas que el cido de Krebs con
dos enzimas adicionales, que evitan los dos pasos del cido
de Krebs en los que se libera parte del carbono en forma
d~ CO 2 , Puesto que estos carbonos no se pierden, estan
disponibles para la sintesis de glucosa.
Se ha sugerido que la «co l fetida» sim plemente
conserva una adaptaci6n que fue ventajosa en las regiones
tropica les (don de el intenso olor de l vegeta l incrementarfa
sus posibilidades de ser po linizadol. pero carente de
provecho en regiones templadas. Esto parece poco
probable, porque las diversas especies de «col fetida»
con sag ran una cons iderable cantidad de energfa a la
prod ucci6 n de ca lor. Probab lemente, una variedad que
ahorra ra energfa se habrfa multiplicado con rapidez para
conve rti rse en la forma dominante de la poblaci6n.
'It
Un ejemplar de «col fetida» derrite la nieve a su alrededor.
Repaso de Ia secci6n
1. Describe la relacion existente entre la glicolisis y el cicio de Krebs.
2. Explica las funciones de la cadena de transporte de
electrones y la sintasa ATP en la produccion de ATP.
3. Resume los productos de la glicolisis, el cicio de Krebs,
la cadena de transporte de electrones y la fosforilacion
oxidativa.
Fermentaci6n
Antes de que la fotosintesis evolucionara, la respiraci6n no
era posible debido ala au sen cia de oxigeno. En el mundo
actual, los medios anaer6bicos todavia se dan en lug ares
con ausencia de oxigeno, 0 donde se consume mas rapido
U N I DAD DOS •
Funciones de las plantas
de 10 que se puede reemplazar. Bajo tales condiciones,
puede produ cirse la fermentacion. Algunos microorganismos, conocidos como organism os anaerobios obligados, 'precisan de condiciones anaer6bicas para sobrevivir.
Otros, conocidos como organismos anaerobios facultativos, poseen la capacidad (facultad) de llevar a cabo la
respiraci6n en presencia de oxigeno, y la fermentacion, en
ausencia del mismo.
En ausencia de oxigeno, el piruvato
generado por la g lic6Iisis se convierte
en etanol 0 lactato
La fermentaci6n convierte el piruvato en otras moleculas
organicas, como etanol 0 lactato, al tiempo que transfiere
electrones al NAD + (Figura 9.9). Puesto que la concentraci6n de NAD + en las celulas vivas es bastante baja, debe
regenerarse con rapidez para que la glic6lisis pueda continuar y la celula pueda obtener asi ATP. En ausencia de 2 ,
la cadena de transporte de electrones no produce NAD +,
de manera que la regeneraci6n de NADH para transformarse en NAD+ se convierte en el fin de la fermentaci6n.
En los primeros tiempos de la vida sobre la Tierra, antes
de que la fotosintesis evolucionara, la atmosfera contenia
muy poco oxigeno libre, si es que 10 habia, por 10 que una
combinaci6n de la glic6lisis y la fermentacion era la Lmica Fuente de ATP. Las celulas vivas experimentaban formas
primitivas de glic6lisis y fermentaci6n para romper los
azucares y otras moleculas producidas espontaneamente
en los antiguos oceanos superficiales. Hoy en dia, la fermentaci6n esta restringida a ciertos medios donde viven
bacterias especializadas y a determinados momentos en la
vida de todas las celulas, pero desempena una funci6n importante en la fisiologia, en usos comerciales 0 como causante de enfermedades ~ Por ejemplo, las levaduras son
hongos utilizados en la producci6n de cerveza y vino mediante fermentaci6n (el termino fermentacion procede de
la palabra latina para levadura,Jermentum). Las bacterias
anaer6bicas del genero Clostridium provocan enfermedades como la gangrena y el tetanos.
La mayo ria de las celulas vegetales producen etanol si
se las priva de oxigeno; no obstante, algunas especies producen lactato, malato, glicerol, 0 etanol y lactato a un
tiempo. Las plantas se yen privadas de oxigeno cuando sus
rakes se inundan, ya que el oxigeno se difunde tres miHones de veces mas despacio en el agua pura que en el aire.
En las cienagas y pantanos, donde numerosos organismos compiten por un suministro limitado de oxigeno, las
semillas se yen en ocasiones privadas de oxigeno durante
°
las primeras fases de la germinaci6n. La falta de oxigeno
provoca la germinaci6n de las semillas de gramineas, probablemente al estimular la sintesis de la hormona vegetal
etileno.
Generalmente, las celulas animales no pueden !levar a
cabo la fermentaci6n alcoh6lica. Si fueran capaces, solo
con aguantar la respiraci6n, los human os podriamos estar
ebrios. En su lugar, cuando el oxigeno es escaso, un proceso denominado fennentacion del ticido Mctica convierte
el piruvato en lactato. Normalmente, la fermentaci6n del
acido lactico se da cuando el animalutiliza ATP para mover los mLlsculos, que pueden doler al producirse un exceso de lactato (<<agujetas»). Si el sistema circulatorio no
puede suministrar oxigeno a un ritmo suficiente para la
fosforilaci6n oxidativa, la respiraci6n se inhibe por la falta de oxigeno, pero el organismo continLW produciendo
piruvato y ATP mediante glic6lisis. De hecho, tanto la respiraci6n como la fermentaci6n pueden producirse en un
organismo al mismo tiempo. A diferencia de la fermentaci6n alcoh61ica, la fermentacion lactica es reversible. Cuando se reestablece el oxigeno, ellactato se convierte en piruvato, y la respiracion continLla.
Algunas industrias importantes dependen
de la fermentaci6n
La capacidad de la levadura, un organismo anaerobio facultativo, para metabolizar el piruvato en etanol dio origen a las indus trias cerveceras y panaderas (Figura 9.10).
En la fabricaci6n del vino, el zumo de frutas dulce, mezdado con celulas de levadura, fermenta hasta que la concentraci6n de alcohol alcanza un 12%. En este pun to, las
celulas de levadura mueren como resultado del alcohol
que han producido. Cualquier bebida alcoho1ica con una
concentraci6n mayor de etano1 ha sido fortificada, 10 que
quiere decir que se ha anadido alcohol concentrado por
desti1aci6n para obtener el producto final. Si entra oxigeno en el proceso antes de su conclusion, las bacterias del
aire convierten rapidamente el etanol en acido acetico. El
vinagre es una soluci6n con un 9% de acido acetico. Para
fabricar cerveza, se germina trigo 0 algun otro cereal con
contenido en almid6n, 10 suficiente como para romper
parte del almid6n en l11altosa, que sirve de alimento para
1a levadura. Al aii.adir la levadura, comienza la fermenta"
ci6n alcoh61ica. E1 proceso de fermentacion que produce
etanol tambien genera CO)' 10 que a su vez provoca que 12
soluci6n burbujee y parez~a activa. En 1a fabricaci6n dt
vino, el CO 2 suele disiparse, mientras que en la elaboraci6r
de cerveza el CO 2 permanece.
CAP f T U L 0
Re
Oxigeno
pres ente
(cond icione s
aerobi cas)
Glicolisis
Glucosa -
9 •
2 piruvatos
Oxigeno ausente
(con di ci ones anaerobi cas)
PME'"
Fermentacion alcoholica
Fermentacion del acido lactico
(produce 2 etanoles
(produce 2 lactatos)
y 2 CO 2)
(a)
Glucosa
2ADP +2 : =
i
;P
C 2 N A D+
Glic6lisis
~~--~
.I~~~
2 ATP
,
o
I
O- -C -
+2W
0
Ferlllentaci6n .
(a) En ausencia de oxigeno, el cicio de Krebs y la cadena de
transporte de electrones no pueden fll nciona r. En Sll lugar, el
piruvato se cOllvierte en etanoi 0 en lactato en el citosol. En la
fermentaci6n, tanto la producci6n de elanol como la de lactato
sirven para regenerar NAD +, permitiendo que prosiga la limitada
producci6n de ATP de la glic6lisis. (b) La fermentaci6n alcoh6lica
se produce en las levaduras, la mayoria de celulas vegeta les y
algunas bacterias. (c) La fermentaci6n del <icido lactico se produce
en un conjunto de celulas de nLlmerosos tipos de organismos,
incluidas las celulas de los mllsculos de los anima les. La
fermentaci6n del <icido lactico por parte de algunos hongos y
bacterias se Lltiliza para fabricar queso y yogures.
I
C- CH 3
2 pi ruvatos
2 NADH + 2 W
2 CO
o
~ i
O-- C - C - CH
H
I
H - C - CH 3
2 acetaldehidos
3
I
H
2 lactatos
(c) Fermentacion del acido lact ico
HO
H-
I
C-
CH 3
I
H
2 etanoles
(b) Fernlentacion del alcohol
En la industria panadera, la levadura se mezcla con una
masa que contiene almidon y aZLlCar, 10 que Ie proporcio.na. Un medio anaerobico. El CO) producido por la glico!iSIs y la fe rm entacion del aZLlca~ hace que la masa se ele-
ve, y el alcohol producido se evapora durante el proceso de
coccion. Las personas que dicen que adoran estar en la (0cina cuando el pan se cuece pueden estar respondiendo al
aroma realzado por el alcohol.
La fennentacion presenta un rendimiento
energetico bajo, en comparacion
con Ja respiracion
Debemos tener en cuenta que la fermentacion, la conversion de piruvato en etanol 0 lactato, no produce ATP
adicional. El unico ATP generado pro cede de la glicolisis,
que produce dos moleculas de ATP por glucosa. Cada
ATP posee 7,3 kcal de energia, mientras que la glucosa
posee 686 kcal. POI' tanto, el rendimiento energetico de la
glicolisis y la fermentacion es de 14,6/686 0 de poco mas
del 2%.
En contrapartida, la respiracion puede generar un maximo de 38 ATP por glucosa, con un rendimiento energetico de aproximadamente el40%. Una de las razones por
las que un organismo anaerobico no podria bailar 0 jugar
al baloncesto es porque no cuentan con la energia necesaria, y no podria conseguirla sin tener que consumir cantidades masivas de glucosa u otros alimentos.
. . U N I DAD DOS •
Funciones de las plantas
I
(b)
l@'iifE",1 Algunos usos comerciales de la
fermentaci6n .
Durante la fabricaci6n de cerveza y vino, la levadura convierte el
azucar en piruvato, y luego en etano!' En el vino, el CO 2
producido se deja escapar, mientras que en la cerveza se retiene
para el producto fina!' (a) Las industrias vinicolas y cerveceras,
como esta pequefia cervecera, suelen utilizar contenedores de
acero inoxidable. (b) Esta imagen de microscopio electr6nico de
barrido de la levadura (Saccharomyces cerevisiae) muestra la fase
de «brotaci6n» 0 multiplicaci6n.
Repaso de la seccion
1. lQue es la fermentaci6n y en que se diferencia de la respiraci6n?
2. le6mo participa la fermentaci6n en la fabricaci6n de
cerveza, vino y pan?
3. lPor que los organismos anaer6bicos poseen menos
energia disponible que los aer6bicos?
(al
RESUMEN
Introducci6n a la nutrici6n
Todos los seres vivos necesitan fuentes de energia y de
carbono (pag. 223)
La mayoria de los organismos aut6trofos son fotoaut6trofos:
obtienen su energia de la luz y del carbono del CO 2 • Unos pocos
son quimioaut6trofos: obtienen su energia de compuestos inorganicos. La mayoria de los organismos heter6trofos son quimioheter6trofos: obtienen la energia y el carbono de compuestos organicos. Pero unos pocos son fotoheter6trofos y, en su
lugar, obtienen la energia de la luz.
Las plantas utilizan la fotosintesis para almacenar la energia
luminosa, en forma de azucares, y la respiracion para
transferir la energia de los azucares al ATP (pags. 223-224)
En la respiraci6n, los organismos rompen azucares y otros compuestos organicos para fabricar ATP. Durante la respiraci6n, la
sintesis de ATP se produce mediante fosforilaci6n a nivel de
substrato y fosforilaci6n oxidativa.
La ruptura del azucar para liberar energia puede producirse
con 0 sin oxigeno (pags. 224-226)
A traves de la respiraci6n 0 la fermentaci6n, todas las celulas vivas rompen la glucosa en CO 2 y H 2 0, produciendo ATP. Tanto
la respiraci6n como la fermentaci6n utilizan la glic6lisis para
romper la glucosa en piruvato. En condiciones aer6bicas, se produce la respiraci6n, que implica la ruptura del piruvato en acetil CoA, el cicio de Krebs, la cadena de transporte de electro nes
y la fosforilaci6n oxidativa.
CAP f T U L 0
9 •
Respiracion
\
Rc~ I); .. ~(';6n
La glicolisis divide cada azucar de seis carbonos en dos
moh~culas de piruvato (pags.226-229)
La glic6lisis consiste en diez reacciones que convierten una molecula de azucar de seis carbonos en dos moleculas de piruvato.
A partir de una glucosa, la glic6lisis produce dos moleculas de
ATP y dos de NADH. Los compuestos intermedios actuan como
reactivos para formar diversos compuestos.
El cicio de Krebs genera CO 2, NADH, FADH2 YATP
(pags. 230-231)
Cuando el piruvato abandona la glic6lisis, se convierte en dos
moleculas de acetil CoA y dos moleculas de CO 2, En el cido de
Krebs, los grupos acetilos se convierten en CO 2 , En dos recorridos del cido de Krebs, la energia de una glucosa se transfiere a
dos moleculas de ATP, mientras que los electrones ricos en energia y los hidr6genos asociados se incorporan a seis moleculas de
NADH y dos moleculas de FADH 2.
La cadena de transporte de electrones y la fosforilaci6n
oxidativa transfieren la energia de los electrones ricos en
energia del NADH YFADH2 al ATP (pags. 231-232)
La energia liberada de la cadena de transporte mueve los iones
de hidr6geno a traves de la membrana. Este emparejamiento de
6smosis quimica crea una diferencia de carga y de pH a traves
de la membrana, que funciona como una pila para impulsar la
fosforilaci6n oxidativa por la ATP sintasa. Los electrones de la cadena de transporte de electrones, junto con los iones de hidr6geno asociados, se combinan con oxigeno para producir agua.
La respiraci6n presenta un elevado rendirniento energetico
(pags.232-233)
El rendimiento energetico neto maximo de una glucosa es de 36
moleculas de ATP, 10 que sup one un 40% de la energia de la glucosa. La ene~gia restante se libera en forma de calor.
En algunos vegetales, la cadena de transporte de electrones
puede generar un exceso de calor (pag. 234)
AI utilizar una oxidasa alternativa, los electrones pueden evitar
la cadena de transporte de electrones, con 10 que casi toda la
energia almacenada se libera en forma de calor.
Los vegetales, a diferencia de los animales, pueden convertir
los acidos grasos en glucosa (pags. 234-235)
Los vegetales y los animales pueden convertir los acidos grasos en
acetil CoA, que se metaboliza en CO 2 en el cido de Krebs. Los vegetales tam bien pueden romper los acidos grasos en acetil CoA, el cual
se utiliza para fabricar glucosa, sin que exista producci6n de CO 2,
Fc.·mentacion
En ausencia de oxigeno, el piruvato generado por la glic6lisis
se convierte en etanol 0 lactato (pag. 236)
L~ fermentaci6n convierte el piruvato en otras moleculas organJcas, como etanol 0 lactato, al tiempo que transfiere electrones
del NAD + al NADH.
Algunas industrias importantes dependen de la
fermentaci6n (pags. 236-237)
Las industrias panaderas, cerveceras y vinicolas se basan en la capacidad de la levadura para fer men tar azucares y obtener etanol
yC0l"
La fermentaci6n presenta un rendimiento energetico bajo,
en comparaci6n con la respiraci6n (pags. 237-238)
El rendimiento de ATP de la fermentaci6n por molecula de glucosa consiste unicamente en las dos moleculas producidas por
la glic6lisis, el 2% de la energia de la glucosa.
Cuestiones de repaso
1. lQue diferencia hay entre aut6trofos y heterotrofos?
2. lCUal es el resultado neto de los procesos de fotosintesis y
respiracion?
3. Distingue entre los tres tipos de sintesis de ATP.
4. lCual es la funcion del ATP YNADH en las celulas?
5. lCuales son los productos finales de la glic6lisis?
6. lQue productos pasan al cido de Krebs y cuales son los productos finales del mismo?
7. Compara y contrasta la glic6lisis y el cido de Krebs.
8. Explica como la fosforilaci6n oxidativa esta separada de la
cadena de transporte de electrones al tiempo que depende
de ella.
9. Describe, grosso modo, que relaci6n existe entre la glicolisis,
el cido de Krebs, la cadena de trans porte de electrones y la
fosforilacion oxidativa.
10. Define la ATP sintasa y su funci6n.
11. En term in os del proceso y de la cantidad de ATP generada,
len que se diferencian la fermentacion y la respiracion?
12. lQue es 10 que los vegetales pueden hacer con las grasas, que
los animales no pueden? Razona tu respuesta.
Cuestiones para reflexionar y debatir
1. Si aguantas la respiraci6n, lque sucede con las moleculas de
glucosa de las celulas que son utilizadas como energia?
2. lQUe es 10 que crees que evolucion6 primero: la fotosintesis
o la respiraci6n? Justifica tu respuesta.
3. lPor que la mayoria de las eucariotas mueren si se les priva
de oxigeno? lPor que son inca paces de sobrevivir utilizando
la fermentaci6n?
4. Los vegetales producen ATP en la fotosintesis, de modo que,
lPor que han de llevar a cabo la respiracion?
5. Cuando se rompe el ATP, parte de la energia se libera en forma de calor. lSignifica esto que la temperatura de un vegetal siempre es algo superior que la temperatura exterior?
Razona tu respuesta.
6. Realiza una serie de diagramas para ilustrar el proceso de la
respiraci6n aer6bica en un vegetal. Tus diagramas deberian
.-
J
U N IDA 0
DOS
~
Funciones de las plantas
ser. por orden: (a) un vegetal completo; (b) una celula vegetal individual; (c) una vista detallada de una porci6n del
citoplasma de una celula vegetal. con una mitocondria individual; (d) una vista detallada de una porci6n de una mitocondria. En cad a diagrama. dibuja y explica los procesos
y reacciones individuales en un grado de detalle acorde al
diagrama.
Conexi6n evolutiva
Los bi6logos consideran que las reacciones de glic6lisis y fermentaci6n evolucionaron tempranamente en la historia de la
vida sobre la Tierra. y que e1 cicio de Krebs se incorpor6 mas tarde. Explica por que esta hip6tesis es razonable. lExisten pruebas
que la sustenten?
Para saber mas
Gardenway Staff y P. Hobson. Making Cheese. Butter and Yogurt.
North Adams. MA: Storey Books. 1997. Este libro esta repleto de informaci6n sobre e1 queso. e incluye un repertorio de
recetas.
Mathews. C. K.• Van Holde. K. E.• Y K. G. Ahern. Bioquimica. Madrid: Pearson Educaci6n. 2002. Este exce1ente texto contiene
informaci6n detallada sobre la respiraci6n.
Robbins. Louise. Louis Pasteur: And the Hidden World of Microbes. New York: Oxford Portraits in Science. 2001. Este libro
examina los experimentos de Pasteur en microbios causantes de la fermentaci6n y de varias enfermedades. asi como los
cambios en la Medicina y en la percepci6n publica de las enfermedades que derivaron de su trabajo.