Subido por Juan Salvador Campa Rivera

Respiración Celular y Fermentación

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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
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