CATABOLISMO: LA RESPIRACIÓN CELULAR AERÓBICA Y LAS FERMENTACIONES RESPIRACIÓN RESPIRACIÓN CELULAR CELULAR
LA VIDA ES TRABAJO • Las células vivas requieren energía desde fuentes externas para llevar a cabo sus múltiples tareas; unión de polímeros, el bombeo de sustancias a través de las membranas, el movimiento y la reproducción. La energía fluye en un ecosistema como luz solar, y sale de él como calor. Por el contrario, los elementos químicos esenciales para la vida se reciclan.
LA VIDA VIDA ES ES TRABAJO TRABAJO LA • El panda gigante obtiene energía para sus células comiendo plantas; algunos animales se alimentan de otros organismos que comen plantas. • La energía almacenada en las moléculas orgánicas de los alimentos, en última instancia, proviene del sol
FLUJO FLUJODE DEENERGÍA ENERGÍAYYRECICLADO RECICLADOQUÍMICO QUÍMICOEN ENLOS LOS ECOSISTEMAS. ECOSISTEMAS. • La fotosíntesis genera oxígeno y moléculas orgánicas empleadas por las mitocondrias de los eucariontes, incluidas las plantas y las algas, como combustible para la respiración celular. • La respiración degrada este combustible y genera ATP. • Los productos de desecho de la respiración, el dióxido de carbono y el agua, son los materiales básicos de la fotosíntesis.
• Las células obtienen la energía química almacenada en las moléculas orgánicas y la usan para generar ATP, la molécula que impulsa la mayor parte del trabajo celular.
ENERGÍA LUMÍNICA
MOLÉCULAS INORGÁNICAS
MOLÉCULAS ORGÁNICAS O2
ATP IMPULSA LA MAYOR PARTE DEL TRABAJO CELULAR
ENERGÍA CALÓRICA
LAS VÍAS CATABÓLICAS Y LA PRODUCCIÓN DE ATP • Los compuestos orgánicos almacenan energía en sus estructuras atómicas. Con ayuda de las enzimas, algunas requieren coenzimas, una célula degrada de forma sistemática moléculas orgánicas complejas ricas en energía potencial a productos de desecho más simples que tienen menos energía. Parte de la energía tomada de los depósitos químicos puede emplearse para realizar trabajo; el resto se disipa en forma de calor. Las rutas metabólicas que liberan energía almacenada degradando moléculas complejas se llaman vías catabólicas.
LAS LASRUTAS RUTASMETABÓLICAS METABÓLICASQUE QUELIBERAN LIBERANENERGÍA ENERGÍA ALMACENADA ALMACENADADEGRADANDO DEGRADANDOMOLÉCULAS MOLÉCULASCOMPLEJAS COMPLEJASSE SE LLAMAN LLAMANVÍAS VÍASCATABÓLICAS CATABÓLICAS..
• FERMENTACIÓN • Proceso catabólico, en el que se produce una degradación parcial de azúcares sin empleo de oxígeno.
• RESPIRACIÓN CELULAR • Vía catabólica más eficiente y prevalente, en la cual se consume oxígeno como reactivo junto con el combustible orgánico. • En las células eucariotas, las mitocondrias albergan la mayor parte del aparato metabólica necesario para la respiración celular.
VÍAS CATABÓLICAS • Si bien los glúcidos, grasas y proteínas pueden procesarse y consumirse como si fueran combustible, resulta útil aprender los pasos de la respiración celular siguiendo el rastro de la degradación del azúcar glucosa, el combustible que las células usan con mayor frecuencias. • Esta degradación de la glucosa es exergónica y tienen un cambio de energía libre de -686 kcal/mol de glucosa descompuesta. • G<0 indica que los productos del proceso químico almacenan menos energía que los reactivos y que la reacción puede ocurrir espontáneamente, sin un ingreso de energía. • Las vías catabólicas no mueven los flagelos de forma directa, ni bombean los solutos a través de la membrana o polimerizan monómeros, o desarrollan algo más que no sea el trabajo celular. • El catabalismo se encuentra vinculado al trabajo por un eje de impulso químico, el ATP, • Para seguir trabajando, la célula debe regenerar su provisión de ATP a partir de ADP + Pi,
REACCIONES REDOX. OXIDACIÓN Y REDUCCIÓN • ¿Por qué las vías catabólicas que descomponen la glucosa y otros combustibles orgánicos producen energía? • La respuesta se encuentra en la transferencia de electrones durante las reacciones químicas. • La reubicación de los electrones libera energía almacenada en las moléculas orgánicas, y está energía finalmente se utiliza para sintetizar ATP.
LE 9-UN161A
Se oxida (pierde electrones)
Se reduce (gana electrones)
PRINCIPIO REDOX • En muchas reacciones químicas hay una transferencia de uno o más electrones de un reactivo a otro. • Estas transferencias de electrones se llaman reacciones de oxidación-reducción, o reacciones redox. • En una reacción redox, la pérdida de electrones de una sustancia se llama oxidación, y la adición de electrones a otra sustancia se llama reducción. • La adicción de electrones se llama reducción, los electrones cargados negativamente añadidos a un átomo reducen la cantidad de carga positiva de ese átomo.
LE 9-UN161
Se oxida Se reduce
EL PRINCIPIO REDOX • En la reacción generalizada, la sustancia X, el donador de electrones, se llama agente reductor; reduce a Y, que acepta el electro donado. • La sustancia Y, el que acepta electrones, es el agente oxidante, oxida a X al extraer su electrón. • Dado que la transferencia de un electrón requiere tanto un donador como un aceptor, la oxidación y la reducción siempre ocurren de forma conjunta.
• No todas las reacciones redox implican una transferencia completa de electrones de una sustancia a otra; algunas cambian el grado en que comparten electrones en los enlaces covalentes. • La reacción entre e metano y el oxígeno, es un ejemplo de ello. • Los electrones covalentes del metano son compartidos casi por igual entre los átomos unidos, dado que el carbono y el hidrógeno tienen aproximadamente la misma afinidad por los electrones de valencia; son electronegativos casi en igual grado. • Pero cuando el metano reacciona con el oxígeno y forman dióxido de carbono, los electrones se alejan del átomo de carbono y se acercan sus nuevos compañeros de enlace covalente, los átomos de oxígeno, que son más electronegativo. En efecto, el átomo de carbono ha perdido parcialmente sus electrones compartidos, así, el metano se ha oxidado.
LE 9-3
Products
Reactants becomes oxidized CH4
2 O2
+
CO2
C
Energy
2 H2O
+
becomes reduced
H H
+
H
O
O
O
C
O
H
O
H Methane (reducing agent)
Oxygen (oxidizing agent)
Carbon dioxide
Water
H
OXIDACIÓN DE LAS MOLÉCULAS DE COMBUSTIBLE ORGÁNICAS RESPIRACIÓN RESPIRACIÓN CELULAR CELULAR
LE 9-UN162A
SE
OXIDA SE REDUCE
OXIDACIÓN DE MOLÉCULAS: RESPIRACIÓN CELULAR • El combustible glucosa se oxida y el oxigeno se reduce. • Los electrones pierden energía potencial a lo largo del camino y se libera energía. • En general las moléculas orgánicas que tienen abundancia de hidrogeno son excelentes combustibles porque sus enlaces son una fuente de electrones “ en la cima de la cuesta”, cuya energía puede liberarse a medida que “caen” en un gradiente energético cuando son transferidos al oxigeno. • La ecuación resumida indica que el hidrogeno es transferido de la glucosa al oxigeno. Pero el punto importante, no visible en la ecuación resumida, es que el estado de los electrones cambia a medida que el hidrogeno es transferido al oxigeno para liberar energía G es negativo. Al oxidar la glucosa, la respiración libera la energía almacenada en la glucosa y la vuelve disponible para la síntesis de ATP.
LA OBTENCIÓN DE ENERGÍA PASO A PASO A TRAVÉS DEL NAD+ Y LA CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES. • Si toda la energía se libera del combustible al mismo tiempo, no puede emplearse eficientemente para el trabajo constructivo. La respiración celular tampoco oxida glucosa en un único paso explosivo. • En lugar de ello, la glucosa y otros combustibles orgánicos se degradan en una serie de pasos, cada uno de los cuales es catalizado por una enzima. • En ciertos pasos clave, los electrones se separan de la glucosa. • Como resulta frecuente en el caso de las reacciones de oxidación, cada electrón viaja con un protón, como átomo de hidrogeno
LE 9-UN162B
Dehydrogenasa
OBTENCIÓN DE ENERGÍA PASO A PASO • Los átomos de hidrogeno no se transfieren de forma directo al oxigeno, sino que habitualmente pasan primero a una coenzima denominada NAD+`. • ¿De que manera el NAD+` atrapa los electrones de la glucosa y de otras moléculas orgánicas? Las enzimas llamadas deshidrogenasas eliminan un par de atomos de hidrogeno , dos electrones y dos protones, del sustrato oxidándolos. • La enzima entrega los dos electrones junto con un protón a su coenzima NAD+` . El otro protón se libera como ion hidrógeno a la solución que lo rodea.
LE 9-4
2 eâ&#x20AC;&#x201C; + 2 H+
NAD+
2 eâ&#x20AC;&#x201C; + H+ H+
NADH Dehydrogenase + 2[H] (from food) Nicotinamide (oxidized form)
+ Nicotinamide (reduced form)
H+
EL PAPEL DEL NAD+ EN LA RESPIRACIÓN CELULAR • Los electrones pierden muy poca energía potencial cuando se transfieren de los alimentos al NAD+` • Cada molécula de NADH formada durante la respiración representa energía almacenada que puede emplearse para sintetizar ATP cuando los electrones completan su “caida” a favor de su gradiente energético desde el NADH hasta el oxígeno.
LE 9-5A
Free energy, G
H2 + 1 / 2 O 2
LIBERACIÓN
EXPLOSIVA DE CALOR Y ENERGÍA LUMINOSA
H2O REACCION NO CONTROLADA
COMPARA LA REACCIOÓ NO CONTROLADA ENTRE HIDRÓGENO Y OXÍGENO • ¿De qué manera los electrones que se extraen de los alimentos y son almacenados por el NADH finalmente alcanzan el oxígeno? • Utilicemos una reacción más simple, la que existe entre el hidrógeno y el oxígeno para formar agua. Si se mezcla H2 y O2 y se proporciona una chispa como energía de activación, los gases se combinarán de forma explosiva. • La explosión representa una liberación de energía a medida que los electrones del hidrógeno se acercan a los átomos de oxígeno electronegativos.
INTRODUCCIÓN A LA CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES • La respiración celular también acerca el hidrogeno y el oxigeno para formar agua, pero hay dos diferencias importantes. • En primer lugar, en la respiración celular, el hidrógeno que reacciona con el oxígeno deriva de moléculas orgánicas y no del H2, • En segundo lugar, la respiración emplea una cadena de transporte de electrones, para dividir la caída de electrones al oxigeno en varios pasos que liberan energía en lugar de una sola reacción explosiva. • La cadena de transporte esta compuesta por varias moléculas, sobre todo proteínas que se encuentran ubicadas en la membrana interna de una mitocondria. • Los electrones que se extraen de los alimentos son transportados por el NADH desde la “cima”, el extremo de mayor energía de la cadena. En el extremo “inferior” de menor energía, el oxigeno capta estos electrones junto con los núcleos de hidrogeno y forma agua.
LE 9-5B
+
2H
/2 O2
1
Liberacion controlada de 2 H+ + 2 e– energia para la sintesis de ATP ATP rt spo tran tron Elec
Free energy, G
(De los alimentos via NADH)
ATP ATP
n chai
2 e– 1
2H
+
H2O RESPIRACION CELULAR
/2 O2
LE 9-5
H2 + 1 / 2 O 2
+
2H
1
/2 O 2
(from food via NADH)
Free energy, G
Explosive release of heat and light energy
rt spo tran tron Elec
Free energy, G
2 H+ + 2 eâ&#x20AC;&#x201C;
Controlled release of energy for synthesis of ATP ATP ATP ATP
n chai
2 eâ&#x20AC;&#x201C;
/ 2 O2
1
2H
+
H2O Uncontrolled reaction
H2O Cellular respiration
LE 9-UN164
LAS ETAPAS DE LA RESPIRACIÓN CELULAR
1. Glucólisis (codificada con color verde-azulado) 2. El ciclo del ácido cítrico(codificada con color salmón) 3. Fosforilación oxidativa: transporte de electrones y quimósmosis codificada en color violeta)
ETAPAS DE LA RESPIRACIÓN CELULAR • Las primeras dos etapas de la respiración celular, la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico, son las vías catabólicas que descomponen la glucosa y otros combustibles orgánicos. • La glucólisis, ocurre en el citosol, comienza el proceso de degradación hidrolizando la glucosa a dos moléculas de piruvato. • El ciclo del ácido cítrico que se produce dentro de la matriz mitocondrial, completa la degradación de la glucosa oxidando un derivado del piruvato a dióxido de carbono, Así, el dióxido de carbono producido por la respiración es un fragmento de las moléculas orgánicas oxidadas.
ETAPAS DE LA RESPIRACIÓN CELULAR • Parte de los pasos de la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico son reacciones redox, en las cuales las enzimas deshidrogenasas transfieren electrones desde los sustratos al NAD+, para formar NADH • En la tercera etapa de la respiración, la cadena de transporte de electrones acepta electrones de los productos de degradación de las primeras dos etapas ( con mayor frecuencia vía NADH) y pasa estos electrones de una molécula a otras. • Al final de la cadena, los electrones se combinan con el oxígeno molecular y con los iones hidrógeno para formar agua. • La energía liberada en cada paso de la cadena se almacena en una forma que la mitocondria puede emplear para sintetizar ATP. • Este modo de síntesis de ATP se conoce como fosforilación oxidativa porque es impulsada por las reacciones redox de la cadena de transporte de electrones.
RESPIRACIÓN CELULAR • La membrana interna de la mitocondria es el sitio de transporte de electrones y de la quimioósmosis, los procesos que en conjunto constituyen la fosforilación oxidativa. • La fosforilación oxidativa es responsable de casi el 90% del ATP generado por la respiración. • Una cantidad más pequeña de ATP se forma directamente en unas pocas reacciones de glucólisis y del ciclo del ácido cítrico, por un mecanismo llamado fosforilación a nivel de sustrato.
FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO. • Este modo de síntesis de ATP ocurre cuando una enzima transfiere un grupo fosfato desde una molécula de sustrato al ADP, más que por la adición de un fosfato inorgánica al ADP como ocurre en la fosforilación oxidativa. • Molécula de sustrato se refiere aquí a una molécula orgánica generada durante el catabolismo de la glucosa. • Por cada molécula de glucosa degradada a dióxido de carbono y agua en la respiración, la célula sintetiza cerca de 38ATP cada una de ellas con 7,3 Kcal/mol de energía libre. • La respiración intercambia el gran saldo de energía depositada en una sola molécula de glucosa (686 kcal/mol) por muchas moléculas de ATP, que es más práctico en el caso de la célula para poder gastar cuando realiza trabajo.
LE 9-7
FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO
Enzyme
Enzyme ADP
P Substrate
+ Product
ATP
LE 9-8
FASE DE INVERSIÓN DE ENERGÍA Glucose
Glycolysis
Citric acid cycle
2 ADP + 2 P
2 ATP usados
Fosforilación oxidativa
FASE DE OBTENCIÓN DE ENREGIA ATP
ATP
ATP
4 ADP + 4 P
2 NAD+ + 4 e– + 4 H+
4 ATP formados
2 NADH + 2 H+ 2 PyruvatOS + 2 H2O
NETO
Glucosa
4 ATP formados – 2 ATP usados 2 NAD+ + 4 e– + 4 H+
2 Pyruvato + 2 H2O 2 ATP 2 NADH + 2 H+
ESTUDIA Y APRENDE: GLUCÓLISIS GLUCÓLISIS. UBICACIÓN CELULAR Y DESCRIPCIÓN DE LAS REACCIONES QUE PERMITA COMPRENDER EL RENDIMIENTO DE ATP Y DE COENZIMAS REDUCIDAS.
LE 9-9A_1
Glucose ATP Hexokinase ADP
Glucose-6-phosphate
Glycolysis
Citric acid cycle
ATP
ATP
Oxidation phosphorylation
ATP
LE 9-9A_2
Glucose ATP Hexokinase ADP
Glucose-6-phosphate
Phosphoglucoisomerase
Fructose-6-phosphate ATP Phosphofructokinase ADP
Fructose1, 6-bisphosphate Aldolase
Isomerase
Dihydroxyacetone phosphate
Glyceraldehyde3-phosphate
Glycolysis
Citric acid cycle
ATP
ATP
Oxidation phosphorylation
ATP
LE 9-9B_1 2 NAD+ Triose phosphate dehydrogenase 2 NADH + 2 H+
1, 3-Bisphosphoglycerate 2 ADP Phosphoglycerokinase 2 ATP
3-Phosphoglycerate
Phosphoglyceromutase
2-Phosphoglycerate
LE 9-9B_2 2 NAD+ Triose phosphate dehydrogenase 2 NADH + 2 H+
1, 3-Bisphosphoglycerate 2 ADP Phosphoglycerokinase 2 ATP
3-Phosphoglycerate
Phosphoglyceromutase
2-Phosphoglycerate
2 H2O
Enolase
Phosphoenolpyruvate 2 ADP Pyruvate kinase 2 ATP
Pyruvate
GLUCOLISIS • Se trata de una de las rutas metabólicas más eficientes mediante la cual los organismos primitivos obtenían energía en ausencia de oxígeno, a partir de los compuestos orgánicos presentes en el medio acuoso en el que vivían. Es un conjunto fundamental de reacciones metabólicas compartido por todos los seres vivos. • La glucólisis produce ATP sin comprometer el oxígeno molecular. En casi todos las células, incluso en muchos microorganismos anaerobios, esta tiene lugar en el citosol. Es probable que la glucólisis haya evolucionado tempranamente en la historia de la vida, antes de que los organismos fotosintéticos introdujeran el oxígeno en la atmósfera. • La glucosa presente en el citosol, que es utilizada en el proceso, proviene: • En animales: de la digestión de glúcidos contenidos en los alimentos o de la hidrólisis del glucógeno almacenado en los músculos y en el hígado. • En plantas: de la obtenida por fotosíntesis o de la hidrólisis del almidón.
GLUCOLISIS • La glicolisis es la ruta metabólica que convierte a la glucosa, con seis átomos de carbono, en dos moléculas de piruvato, cada una de las cuales contiene tres átomos de carbono. con la producción de dos moléculas de ATP. • Esta ruta se encuentra prácticamente en todas las células, además para algunas células es la única ruta productora de ATP. Consiste en una secuencia de diez reacciones catalizadas enzimáticamente, que se realizan en el hialoplasma de la célula y comprende dos etapas diferentes:
GLUCOLISIS • a) Primera etapa.- La glucosa es fosforilada y fragmentada, dando lugar a dos moléculas de gliceraldehído-3-P. En esta etapa es necesario invertir dos moléculas de ATP en activar a la molécula de glucosa transformándose en fructosa 1,6- bisfosfato, para su posterior catabolismo.
• b) Segunda etapa.- En ella dos moléculas de gliceraldehído-3-P son oxidados por el NAD+ y a continuación convertidas en piruvato, con la producción de cuatro moléculas de ATP. Por tanto, el rendimiento energético de la glicolisis es de dos ATP por molécula de glucosa.
GLUCOLISIS • Si bien no hay oxígeno molecular comprometido en la glucólisis, se produce oxidación, en la que el NAD+ transfiere electrones de algunos de los carbonos derivados de la molécula de glucosa. La naturaleza gradual del proceso permite que la energía de la oxidación sea liberada en paquetes pequeños, de modo que mucha de ella se pueda almacenar en moléculas transportadoras en lugar de que se pierda como calor. • Parte de la energía liberada por la oxidación da lugar a la síntesis directa de moléculas de ATP a partir de ADP y Pi, ( fosforilación a nivel de sustrato) mientras que una gran parte permanece con los electrones en el transportador de electrones de alta energía NADH.
GLUCOLISIS • Para que la glucolisis pueda continuar, es esencial que el NAD+ que se consume en la oxidación del gliceraldehído-3-P se regenere, a partir del NADH producido. Por otra parte, el piruvato obtenido en la glucolisis se encuentra en una encrucijada metabólica y su destino depende del tipo de célula y de la disponibilidad de oxígeno. • Destino del piruvato y regeneración del NAD+.- En las células animales el piruvato tiene dos destinos posibles: • 1.- El piruvato es reducido a lactato en el hialoplasma con objeto de regenerar el NAD+. • 2.- El piruvato es oxidado en la mitocondria y el NAD+ se regenera en la cadena respiratoria mitocondrial. Glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2Pi → 2 ácido pirúvido + 2NADH + 2 ATP + 2H2O
FORMACIÓN DEL ACETIL-COA • Al entrar en la mitocondria por medio del transporte activo el piruvato es convertido, en primer lugar, en un compuesto llamado acetil coenzima A, o acetil CoA . • Este paso, la unión entre la gucolisis y el ciclo del ácido cítrico, es llevado a cabo por un complejo multienzimático, piruvato descarboxilasa deshidrogenasa, que cataliza tres reacciones: • El grupo carboxilo (COOH) del piruvato que ya está completamente oxidado y, por tanto, tienen poca energía química, es eliminado y pasa a formar parte de una molécula de CO2. (Éste es el primer paso en el cual se libera CO 2 durante la respiración). • El fragmento de dos carbonos remanente se oxida y forma un compuesto llamado acetato. Una enzima transfiere los electrones extraídos al NAD, y se almacena energía en forma de NADH. • La coenzima A, un compuesto azufrado derivado de ula vitamina B5, se une al acetato con un enlace inestable que vuelve muy reactivo al grupo acetilo. El producto de este enlace químico, la acetil CoA, está preparado ahora para proveer su grupo acetilo al ciclo del ácido cítrico para continuar su oxidación. •
[1] Recuérdese que la coenzima A transfiere grupos derivados de ácidos orgánicos. En este caso se trata de un grupo acetilo relacionado con el ácido acético. La coenzima A se sintetiza en la célula a partir de una de las vitaminas del complejo B, el ácido pantoténico. La fijación de un grupo acetilo a la coenzima A es catalizada por un complejo multienzimático, que incluye varias copias de cada una de tres enzimas. dstintas.
LE 9-10
MITOCONDRIA
CITOSOL
NAD+
NADH
+ H+
Acetil Co A Piruvato Proteína de transporte
CO2
Coenzima A
CICLO DE KREBS. • El ciclo del ácido cítrico, también llamado ciclo de los ácidos tricarboxílicos (ciclo TCA) o ciclo de Krebs, ocurre en las mitocondrias. • La etapa siguiente para la obtención de energía a partir de la glucosa es la descarboxilación oxidativa del piruvato para formar acetil-CoA. A continuación, el grupo acetilo del acetilCoA se oxida completamente a CO2 a través del ciclo de Krebs. “Tanto la descarboxilación oxidativa del piruvato como las reacciones del ciclo de Krebs se realizan en la matriz mitocondrial”. • “El ciclo de Krebs es la ruta oxidativa final de la glucosa y de la mayoría de los combustibles metabólicos. Su función es oxidar el grupo acetilo del acetil-CoA a CO2, al mismo tiempo que se reducen los transportadores de electrones NAD+ y FAD. • La posterior oxidación de NADH y FADH2 en la cadena respiratoria mitocondrial genera ATP”
LE 9-11 Pyruvate (from glycolysis, 2 molecules per glucose)
CO2
NAD+ NADH + H+
Glycolysis
Citric acid cycle
ATP
ATP
Oxidation phosphorylation
CoA Acetyl CoA CoA CoA
Citric acid cycle FADH2
2 CO2 3 NAD+ 3 NADH + 3 H+
FAD ADP + P i ATP
ATP
CICLO DE KREBS • El ciclo de Krebs consta de una serie de reacciones catalizadas enzimáticamente que se realizan en la matriz mitocondrial: • La reacción global del ciclo de Krebs es la siguiente: • Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O • → 2CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP + CoASH •
CICLO DE KREBS • Así pues, una vuelta del ciclo produce las siguientes transformaciones químicas: • Un grupo acetilo de dos átomos de carbono entra en el ciclo y salen otros dos carbonos en forma de CO2 . Por tanto, el grupo acetilo es oxidado completamente a dos moléculas de CO2 . • Tres moléculas de NAD+ son reducidas a NADH. • Una molécula de FAD es reducida a FADH2 . • Se genera un enlace fosfato de alta energía de hidrólisis en forma de GTP. El GTP es equivalente a un ATP.
CICLO DE KREBS • A continuación, el NADH y el FADH2 se oxidan mediante la cadena de transporte electrónico mitocondrial generando ATP. • La oxidación en la cadena respiratoria del NADH da lugar a la formación de • 3 moléculas de ATP . • La oxidación en la cadena respiratoria del FADH2 a 2 ATP. • Por tanto, la oxidación de estos transportadores de electrones produce 11 moléculas de ATP mediante la fosforilación oxidativa. • Como además en cada vuelta del ciclo de Krebs se forma un GTP, el rendimiento energético total del ciclo es de 12 moléculas de ATP. • En la mayoría de las células, el funcionamiento acoplado del ciclo de Krebs y de la cadena respiratoria es la principal fuente productora de ATP. De ahí que la velocidad del ciclo de Krebs dependa de las necesidades energéticas de la célula.
CICLO DE KREBS • Aunque el oxígeno molecular no interviene directamente en el ciclo de Krebs, éste sólo funciona en condiciones aeróbicas porque requiere el aporte continuo de NAD+ y FAD. En la mitocondria, éstos aceptores de electrones sólo se regeneran cuando el NADH y el FADH2 transfieren sus electrones al oxígeno a través de la cadena respiratoria mitocondrial. • • El ciclo de Krebs se considera el centro del metabolismo aeróbico. Es la ruta final común para la oxidación de los glúcidos, los ácidos grasos y los aminoácidos. El acetil-CoA que se incorpora al ciclo procede principalmente de dos fuentes: la degradación de los ácidos grasos y de los glúcidos. La degradación de los aminoácidos puede dar lugar a acetil-CoA o a intermediarios del ciclo de Krebs, tales como oxalacetato, succinil-CoA y α-cetoglutarato.
LE 9-12_1 Glycolysis
Citric acid cycle
ATP
ATP
Oxidation phosphorylation
ATP
Acetyl CoA
H2 O Oxaloacetate
Citrate Isocitrate Citric acid cycle
LE 9-12_2 Glycolysis
Citric acid cycle
ATP
ATP
Oxidation phosphorylation
ATP
Acetyl CoA
H2 O Oxaloacetate
Citrate Isocitrate CO2
Citric acid cycle
NAD+ NADH + H+ Îą-Ketoglutarate
NAD+
Succinyl CoA
NADH + H+
CO2
LE 9-12_3 Glycolysis
Citric acid cycle
ATP
ATP
Oxidation phosphorylation
ATP
Acetyl CoA
H2 O Oxaloacetate
Citrate Isocitrate CO2
Citric acid cycle
NAD+ NADH + H+
Fumarate
Îą-Ketoglutarate
FADH2 NAD+
FAD Succinate GTP GDP ADP ATP
Pi
Succinyl CoA
NADH + H+
CO2
LE 9-12_4 Glycolysis
Citric acid cycle
ATP
ATP
Oxidation phosphorylation
ATP
Acetyl CoA
NADH + H+
H2 O
NAD+
Oxaloacetate
Malate
Citrate Isocitrate CO2
Citric acid cycle
H2 O
NAD+ NADH + H+
Fumarate
Îą-Ketoglutarate
FADH2 NAD+
FAD Succinate GTP GDP ADP ATP
Pi
Succinyl CoA
NADH + H+
CO2
CICLO DE KREBS • El ciclo de Krebs también funciona anabólicamente proporcionando intermediarios para la biosínteis de diversas sustancias. Por tanto, el ciclo de Krebs es anfibólico, ya que funciona tanto catabólica como anabólicamente. • Por tanto, la oxidación completa de la glucosa a CO2 y H2O mediante la glicolisis, el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria produce 38ATP. La mayor parte del ATP se genera por fosforilación oxidativa. • La reacción global es: • • Glucosa + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP
CICLO DE KREBS • Así pues, el metabolismo aeróbico de la glucosa produce mucha más energía que la transformación de glucosa en lactato. En este último caso, el lactato formado contiene todavía una gran parte de la energía de la glucosa. Sin embargo, en condiciones aeróbicas, la glucosa se degrada por completo a CO2 y H2O, liberando así mucha más energía de la molécula de glucosa. • • No obstante, la transformación de glucosa en lactato es el principal mecanismo de producción de ATP en condiciones anaeróbicas y en las células que no tienen o tienen pocas mitocondrias, tales como los glóbulos rojos, los leucocitos, algunos tipos de fibras musculares, etc.
REPASEMOS LO QUE HEMOS ESTUDIADO GLUCOLISIS-DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA DEL PIRUVATO-CICLO DE KREBS
LE 9-6_1
Glycolysis Pyruvate
Glucose
Cytosol
Mitochondrion
ATP fosforilaci贸n a nivel de sustrato
LE 9-6_2
Glycolysis Pyruvate
Glucose
Cytosol
Citric acid cycle
Mitochondrion
ATP FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO
ATP FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO
LE 9-6_3
Electrones Transportados via NADH
Glycolysis Pyruvate
Glucose
Cytosol
Electrones transportados via NADH yFADH2
Ciclo del ácido citrico
Fosforilación oxidativa: transporte De electrones y quimiósmosis
Mitochondrion
ATP Fosforilación a nivel dee sustrato
ATP fosforilaicón a nivel de sustrato
ATP Fosforilación oxidativan
TRANSPORTE DE ELECTRONES Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA UBICACIÓN CELULAR. CONEXIÓN ENTRE LAS COENZIMAS REDUCIDAS Y LOS TRANSPORTADORES DE ELECTRONES. TEORÍA QUIMIOSMÓTICA, FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Y FORMACIÓN DE AGUA.
LA VIA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES • La cadena de transporte de electrones es una colección de moléculas insertas en la membrana mitocondrial interna. • El plegamiento de la membrana interna para formar crestas incrementa el área de superficie y proporciona espacio para las miles de copias de la cadena presentes en cada mitocondria. • La mayor parte de los componentes de la cadena son proteínas que existen en complejos multiproteicos numerados del I al IV. • Fuertemente unidos a estas proteínas se encuentran los grupos prostéticos , compuestos no proteicos esenciLos tres complejos enzimáticos respiratorios [1] son: I Complejo NADH deshidrogenasa. II Complejo citocromo b-c1.III Complejo citocromo-oxidasa. • [1] Entre los complejos enzimáticos respiratorios aparecen Q, ubiquinona una molécula hidrofóbica integrada en la membrana mitocondrial interna, es el único transportador que no forma parte de ninguna • proteína. Capta electrones del complejo I y los cede al complejo II. C, citocromo c, es una pequeña proteína que hace de enlace en el transporte de electrones entre el complejo II y el III.
TRANSPORTE DE ELECTRONES • Los electrones procedentes de una molécula de glucosa durante la glucólisis, la formación de acetilCoA y ciclo del ácido cítrico, se transfirieron (como parte de átomos de hidrógeno) a los aceptores primarios de hidrógeno NAD+ y FAD, con la formación de NADH y FADH2. • Tales compuestos reducidos entran en este punto en la cadena de transporte de electrones, donde los electrones de alto contenido de energía de sus átomos de hidrógeno se transfieren de una molécula aceptora a otra. • Al ocurrir esta transferencia de electrones en una serie de reacciones redox exergónicas, parte de su energía se utiliza para impulsar la síntesis de ATP ( un proceso endergónico). • Como esta síntesis ( por fosforilación de ADP) está acoplada a las reacciones redox en la cadena de transporte de electrones, todo el proceso se conoce como fosforilación oxidativa.
TRANSPORTE DE ELECTRONES • Cada uno contiene iones metálicos y otros grupos químicos que forman una vía para el paso de electrones a través del complejo. Los complejos respiratorios son los sitios en los que se bombean protones a través de la membrana a medida que los electrones son transferidos entre ellos. • El transporte de electrones comienza con la cesión de 2epor el NADH o del FADH2,( éste realiza la cesión después del complejo I a nivel de la ubiquinona), esta reacción es catalizada por el primero de los complejos enzimáticos respiratorios, la NADH deshidrogenasa, que acepta los electrones. Estos pasan después a lo largo de la cadena por cada uno de los otros complejos enzimáticos utilizando los transportadores móviles de electrones.
CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES • • • • •
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La transferencia de electrones a lo largo de la cadena es energéticamente favorable: comienzan con un nivel elevado de energía y la van perdiendo en cada etapa del proceso, para entrar por fin en la citocromo oxidasa donde se combinan con una molécula de O2 y forman agua. Este es el paso de la respiración celular en el que se necesita oxígeno y en el que se consume casi todo el oxígeno que respiramos. Los electrones fluirán espontáneamente desde moléculas que tienen una afinidad relativamente baja por sus electrones disponibles, y que por lo tanto los pierden fácilmente, hacia otras moléculas con mayor afinidad electrónica[1]. En ausencia de cualquier mecanismo para aprovechar la energía liberada por la transferencia de electrones, ésta se pierde simplemente en forma de calor. Pero la célula utiliza gran parte de la energía de la transferencia de electrones haciendo que ésta tenga lugar dentro de proteínas que pueden bombear protones (H+). Cada uno de los complejos enzimáticos respiratorios acopla la energía liberada por la transferencia de electrones a través de ellos con la captación de protones del agua (H2O H+ + OH- ) de la matriz mitocondrial, acompañada de la liberación de protones del otro lado de la membrana dentro del espacio intermembrana.
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[1] Los componentes de la cadena de transporte de electrones se disponen atendiendo a su potencial redox (reducción-oxidación), es una medida de la afinidad de un transportador de electrones por los electrones. Los compuestos con un potencial redox más negativo tienen menor afinidad por los electrones y tienen una gran tendencia a donarlos, mientras que los compuestos con potencial redox más positivo tienen mayor afinidad por los electrones y su tendencia es a aceptarlos.
LE 9-13
NADH 50
Free energy (G) relative to O2 (kcal/mol)
FADH2
40
I
FMN
Multiprotein complexes
FAD Fe•S II
Fe•S Q
III
Cyt b 30
Fe•S Cyt c1
Glycolysis
Citric acid cycle
ATP
ATP
Oxidative phosphorylation: electron transport and chemiosmosis
IV Cyt c Cyt a
20
Cyt a3
10
0
2 H+ + 1/2 O2
H2O
ATP
TEORÍA QUIMIOSMÓTICA. PETER MITCHELL PREMIO NOBEL EN 1978 • Teoría quimiosmótica.- Como resultado, el flujo de electrones energéticamente favorable a lo largo de la cadena de transporte de electrones bombea protones a través de la membrana hacia fuera de la matriz y se genera un gradiente de protones electroquímico a través de la membrana mitocondrial interna. • El bombeo activo de protones tiene por lo tanto dos consecuencias importantes: • Genera un gradiente de concentración de protones, es decir, un gradiente de pH, a través de la membrana mitocondrial interna, y el pH es casi una unidad más elevado dentro de la matriz (pH alrededor de 8) que en el espacio intermembrana, donde tiene un valor cercano a 7. • Genera un potencial de membrana a través de la membrana mitocondrial interna, en la que el interior ( del lado de la matriz) es negativo y el exterior es positivo, como resultado de un flujo neto de protones, hacia fuera. • Como los protones tienen carga positiva, se desplazan con mayor facilidad a través de una membrana si ésta tienen un exceso de cargas eléctricas negativas del otro lado. En el caso de la membrana mitoocondrial interna, el gradiente de pH y el potencial de membrana actúan en conjunto para generar un gradiente electroquímico de protones elevado que hace energéticamente muy favorable que los protones refluyan dentro de la matriz mitocondrial.
LE 9-15 Imembrana mitocondiria interna Glycolysis
Citric acid cycle
ATP
ATP
Oxidative phosphorylation: electron transport and chemiosmosis
ATP
H+
H+ H+ espacio intermembranae
Complejo proteico De transportadores De electrones Q
II FADH2 NADH + H+
IV III
I membrana Mitocondrial interna
H+
Cyt c
ATP synthase FAD
H2O
2H+ + 1/2 O2
NAD+
Matriz mitocondrial
ATP
ADP + P i
(transporta electroness Desde las moleculas organicas
H+
Cadena de transporte de electrones Transporte de electrones y bombeo de protones Que crea un gradiente de H`a traves de la embrana
Quimiosmosis Sintesis de ATP impulsada por el flujo de H`que retona a traves de la membrana
Fosforilaciรงon oxidativa
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA • •
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Síntesis de ATP.- El gradiente electroquímico de protones a través de la membrana mitocondrial interna se utiliza para impulsar la síntesis de ATP mediante el proceso de fosforilación oxidativa. El mecanismo que hace esto posible es una gran enzima unida a la membrana denominada ATP sintasa. Esta enzima genera una vía hidrofílica a través de la membrana mitocondrial interna que permite a los protones fluir a favor de su gradiente electroquímico. Como esos iones encuentran su camino mediante la ATP sintasa, son utilizados para impulsar la reacción energéticamente desfavorable entre el ADP y Pi que produce el ATP. La ATP sintasa tiene un origen antiguo: la misma enzima se encuentra en las mitocondrias de las células animales, en los cloroplastos de las plantas y las algas, y en las membranas plasmáticas de las bacterias. La estructura de la ATP sintasa corresponde a una proteína de gran tamaño, formada por subunidades múltiples. Una porción enzimática grande en forma de cabezuela, se proyecta hacia la cara de la matriz de la membrana mitocondrial interna y se adhiere por medio de una membrana de protones. Como los protones pasan a través de un estrecho canal del transportador transmembrana, su desplazamiento hace que el tallo gire rápidamente dentro de la cabeza y la induzca a forma ATP. La sintasa actúa como un motor molecular que genera energía, ya que convierte la energía del flujo protónico a favor de un gradiente en la energía mecánica de dos grupos de proteínas que chocan entre sí: las proteínas del tallo giratorio impelen a las proteínas estacionarias de la cabeza. Los cambios en la conformación proteica inducidos por el tallo giratorio convierten luego esta energía mecánica en la energía química de enlace para producir ATP. Este mecanismo es capaz de generar más de 100 moléculas de ATP por segundo y es necesario que pasen aproximadamente tres protones a través de la sintasa para cada molécula de ATP.
LE 9-14 INTERMEMBRANE SPACE H+
H+
H+ H+
H
+
H+
Un rotor dentro de lamembrana gira en sentido de las Agujas del reloj auando el H` fluye a traves de el a Favor del gradiente de protones
H+ el estator anclado en la membrana mantiene el pomo estacionario.
un vastago que se extende al interior del pomo tambien gira activado sitios catalitocs del pomo
H+ tres sitios cataliticos del pomo estacionario unen fosfato inorganico al ADP para formar ATP
ADP + Pi MITOCHONDRAL MATRIX
ATP
BALANCE ENERGÉTICO BALANCE DE LA PRODUCCIÓN DE ATP MEDIANTE LA RESPIRACIÓN CELULAR
LE 9-16
Las lanzaderas de electrones se extienden en la membrana
CYTOSOL
2 NADH
2 NADH
Glycolysis Glucose
MITOCHONDRION
2 NADH or 2 FADH2
2 Acetyl CoA
2 Pyruvate
+ 2 ATP
6 NADH
2 FADH2
Citric acid cycle
+ 2 ATP
Fosforilacion a nivel de sustrato
Maximum per glucose:
Fosforilacion a nivel de sustrato
About 36 or 38 ATP
Fosforilacion oxidativa: transporte de electrones y quimiosmosis
+ about 32 or 34 ATP Fosforilacion oxidativa
CATABOLISMO DE LOS LÍPIDOS DESTINO DEL GLICEROL Y DE LOS ÁCIDOS GRASOS: UBICAICÓN CELULAR Y DESCRIPCIÓN DEL CICLO PARA COMPRENDER CÓMO SE VA DEGRADANDO EL ÁICDO GRASO Y EL DESTINO DE LAS COENZIMAS REDUCIDAS. CONEXIÓN CON EL CICLO DE KREBS Y LA CADENA RESPIRATORIA
CATABOLISMO DE LOS LÍPIDOS • Los ácidos grasos tienen dos misiones principales: • Bloques o sillares de construcción de fosfoglicéridos y glucolípidos, componentes importantes de las membranas biológicas. • Constituyen una fuente importante de la energía en los animales y plantas, pueden acumularse gran cantidad de grasa neutra en ciertos tejidos como combustible de reserva. • La grasa neutra tiene un valor calórico elevado (9 Kcal / gr), almacenándose en forma prácticamente anhidra en gotitas de grasa intracelular, mientras que el glucógeno y el almidón (4 Kcal / gr) están muy hidratados y no pueden almacenarse en forma tan concentrada ni en tales cantidades. • En los Vertebrados la oxidación de los ácidos grasos proporcionan normalmente casi la mitad de la energía de oxidación en el hígado, riñones, músculo cardíaco y esquelético en reposo. • Los triglicéridos experimentan una hidrólisis, para liberar sus ácidos grasos componentes en reacciones catalizadas por las lipasas antes de que puedan experimentar su oxidación a CO2 y H2O.
PRODUCTOS DE LA HIDRÓLISIS DE LOS TRIGLICÉRIDOS • •
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Glicerina: La glicerina que se obtiene de la hidrólisis de muchos lípidos puede transformarse en dihidroxiacetona e integrarse en la segunda etapa de la glucólisis hasta ser degradada luego, totalmente, en el ciclo de Krebs. Las reacciones de transformación de la glicerina a dihidroxiacetona tiene lugar en el hialoplasma.
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Ácidos grasos: Los ácidos grasos saturados con número par de carbono son degradaddos hasta acetil-CoA, en la matriz de la mitocondria después de haber sido activados a nivel de la membrana mitocondrial.
CATABOLISMO DE LÍPIDOS • Activación de los ácidos grasos: En la membrana mitocondrial externa, los ácidos grasos se activan por unión con la CoA , al mismo tiempo que el ATP se hidroliza en AMP y PPi. Por tanto, en esta etapa previa a la oxidación de los ácidos grasos se gastan 2ATP.
CATABOLISMO DE LÍPIDOS • Transporte de los acil-CoA a través de la membrana mitocondrial interna con la ayuda de la carnitina; debido a la impermeabilidad de esta membrana a la coenzima A, los ácidos grasos la atraviesan unidos temporalmente a la carnitina, que actúa como transportador de grupos acilos. (ver figura) • :
Β-OXIDACIÓN DE LOS ÁCIDOS GRASOS • β-oxidación de los ácidos grasos: La oxidación de los ácidos grasos saturados con número par de átomos de carbono, consiste en la liberación sucesiva de fragmentos de dos átomos de carbono a partir del extremo carboxílico del acilCoA. Este proceso se conoce como β-oxidación porque previamente a la rotura de la molécula de acil-CoA, se produce la oxidación del átomo de carbono β. Los fragmentos de dos carbonos se liberan en forma de acetil-CoA. • Cada ciclo de la β-oxidación consta de cuatro reacciones enzimáticas: dehidrogenación, hidratación, deshidrogenación y tiólisis por CoA. • Estas etapas son las siguientes:
FERMENTACIÓN • La mayor parte del ATP generado por la respiración celular es el trabajo de la fosforilación oxidativa, nuestra estimación de la producción de ATP a partir de la respiración depende de un suministro adecuado de oxígeno a la célula. • Sin el oxígeno electronegativo para impulsar los electrones a lo largo de la cadena de transporte, la fosforilación oxidativa cesa. • Sin embargo, la fermentación proporciona un mecanismo por el cual algunas células pueden oxidar combustible orgánico y generar ATP sin el uso de oxígeno
LE 9-18
Glucose
CYTOSOL Pyruvate No O2 present Fermentation
O2 present Cellular respiration
MITOCHONDRION Ethanol or lactate
Acetyl CoA
Citric acid cycle
FERMENTACIONES • Algunos microorganismos pueden vivir anaeróbicamente, obteniendo la energía que necesitan mediante procesos fermentativos. • Se clasifican en dos grupos: • anaerobios estrictos que no toleran el oxígeno • anaerobios facultativos que pueden vivir tanto en ausencia como en presencia de oxígeno. Estos últimos cuando viven anaeróbicamente, obtienen energía de un proceso de fermentación; cuando viven aeróbicamente, degradan su combustible a CO2 y H2O. • En condiciones anaeróbicas, no hay oxígeno que actúe como aceptor final de los electrones del NADH; por ello, en la fermentación el aceptor final de los electrones es un compuesto orgánico generado por la propia ruta metabólica. Los combustibles más utilizados para la fermentación son los azúcares, principalmente la glucosa.
FERMENTACIÓN LÁCTICA • La en los productos lácteos e intervienen en la elaboración de derivados de la leche, tales como el queso, el yogur, la cuajada, etc. • La glucosa se transforma primero en piruvato fermentación láctica la realizan bacterias del género Lactobacillus y Lactoococcus que transforman la glucosa en lactato produciendo 2 ATP. • Los Lactobacillus se encuentran mediante la glicolisis y a continuación el piruvato se reduce a lactato, de igual forma que en las células animales
FERMENTACIÓN LÁCTICA • También se produce lactato durante la actividad intensa de las células musculares de seres humanos y otros animales complejos. Si la cantidad de oxígeno que llega a las células musculares es insuficiente para sostener la respiración aerobia, las células cambian con rapidez a la fermentación láctica. • Sin embargo, este cambio es sólo temporal, y se requiere oxígeno para fatiga y a los calambres del músculo. Alrededor del 80% del lactato es exportado finalmente el trabajo sostenido. La acumulación de lactato en las fibras musculares contribuye a la al hígado, donde se le utiliza para regenerar más glucosa para las fibras musculares. • El 20% restante se metaboliza en presencia de oxígeno . Esto explica por qué se sigue respirando intensamente una vez que se ha dejado de hacer ejercicio: el oxígeno adicional es necesario para oxidar lactato, con lo que se restablece el estado normal de las fibras musculares[1]. • [1] Aunque los seres humanos sólo pueden utilizar durante escaso minutos la fermentación láctica para producir ATP, unos pocos animales son capaces de vivir sin oxígeno periodos mucho más largos. El terrapene de orejas rojas puede permanecer bajo el agua hasta dos semanas, en tales circunstancias depende de la fermentación láctica para la producción de ATP.
LE 9-17B
2 ADP + 2 P i
Glucose
2 ATP
Glycolysis
2 NAD+
2 Lactate
Lactic acid fermentation
2 NADH + 2 H+
2 CO2 2 Pyruvate
FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA • Esta fermentación la realizan levaduras del género Saccharomyces y ciertas bacterias[1], que transforman la glucosa en etanol y CO2 obteniendo 2 ATP. Las levaduras on anaerobios facultativos, estos hongos unicelulares eucarióticos tienen mitocondrias y realizan la respiración aerobia cuando disponen de oxígeno, pero cambian a la fermentación alcohólica cuando se les priva de éste. • El piruvato obtenido en la glicolisis se descarboxila para formar acetaldehído y CO2. A continuación, el acetaldehído se reduce a etanol por acción del NADH, regenerándose el NAD+. • [1] Sarcinas y Zymomonas.
FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA • El resultado final de la fermentación alcohólica es la síntesis de dos moléculas de ATP, dos moléculas de etanol y dos de CO2. Para la célula de levadura el producto importante es el ATP, el etanol y el CO2 son productos de desecho. Las levaduras intervienen en la elaboración del vino, la cerveza y el pan. En el proceso de elaboración de cerveza y vino el producto importante de la fermentación es el etanol. En la fabricación del pan el producto esencial de la fermentación es el CO2 que es responsable de su característico aspecto esponjoso (el alcohol se elimina durante la cocción).
LE 9-17A
2 ADP + 2 P i
Glucose
2 ATP
Glycolysis 2 Pyruvate 2 NAD+
2 Ethanol
Alcohol fermentation
2 NADH + 2 H+
2 CO2
2 Acetaldehyde
LE 9-19 Proteins
Carbohydrates
Fats
Amino acidos
glucidos
Glicerol Acidos grasos
Glycolysis Glucose Glyceraldehyde-3- P
NH3
Pyruvate
Acetyl CoA
Citric acid cycle
Fosforilacion oxidativa
FUENTES: CNICE, EDUCASTUR, BIOLOGÍA CAMPBELL, BRUÑO, SANTILLANA, BIOLOGÍA CELULAR PANAMERICANA