Unidad 07 Resp. celular[1]

 LA RESPIRACIÓN CELULAR: UNA
VÍA CATABÓLICA
OXIDACIÓN EN PRESENCIA Y EN
AUSENCIA DE OXÍGENO
NUDO METABÓLICO
Leonardo Castiñeira de Dios
Ana Bedoya - Adriana García
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción.
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El presente material de trabajo ha sido diseñado con el propósito de orientar
al alumno en el proceso de aprendizaje de la Biología.
El alumno podrá alcanzar un óptimo rendimiento en la cursada de esta materia,
cuando logre una modificación significativa y estable de sus conocimientos y sus pautas
“previas” en lo referente a las Ciencias Biológicas.
Con el objeto de ayudar a superar las dificultades que suelen plantearse durante el
aprendizaje de esta asignatura, se efectúan algunas sugerencias acerca del uso del material
didáctico y de la modalidad de cursada:
-
-
Lea atentamente los OBJETIVOS y los CONTENIDOS de cada unidad del programa.
Esto le permitirá saber qué se espera que usted pueda lograr mediante el
aprendizaje de la unidad (Objetivos) y qué temas serán tratados durante las clases
(Contenidos).
Resuelva la totalidad de los ejercicios, problemas y actividades que se proponen en
cada unidad. Para hacerlo, recurra al material denominado Marco Teórico de la
Unidad, donde encontrará información orientadora, y a la bibliografía recomendada
en clase.
-
No dude en acudir al docente cada vez que lo crea necesario.
-
Efectúe todas las Autoevaluaciones propuestas. Esto le permitirá hacer una
estimación “propia” acerca de la evolución de sus conocimientos.
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OBJETIVOS:
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Indicar dónde ocurren las reacciones de la respiración celular.
-
Resumir el proceso de la glucólisis señalando los principales
reactivos y productos.
-
Interpretar el Ciclo de Krebs, los pasos previos a él y el
funcionamiento del sistema de transporte de electrones.
-
Comparar la respiración aerobia con la anaerobia en términos de
producción de ATP.
-
Indicar cómo se oxidan los productos del metabolismo de ácidos
grasos y aminoácidos.
CONTENIDOS:
-
Reacciones redox.
-
Glucólisis.
-
Formación de acetil CoA.
-
Ciclo de Krebs.
-
Fosforilación oxidativa.
-
Balance energético: total del proceso de respiración celular.
-
Fermentación.
- Oxidación de ácidos grasos y aminoácidos.
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Lea atentamente.
La energía útil se obtiene gracias a la degradación de ciertas moléculas orgánicas.
Ellas se caracterizan como “COMBUSTIBLES CELULARES” y son sustancias que la célula
toma del ambiente que la rodea, o bien de sus propias reservas. Contienen una cantidad
importante de energía en sus enlaces químicos, que puede ser puesta en libertad mediante
la ruptura de los mismos.
Algunos ejemplos de estas moléculas son: ...........................................................................
Piense de dónde puede provenir la glucosa.
Dado que la glucosa es el compuesto más empleado en la célula para la obtención de
energía se centra la atención en los procesos que conducen a su degradación.
Dependiendo del tipo de célula del que se trate y de las condiciones ambientales en la que
esta se encuentre, la glucosa puede ser degradada siguiendo diferentes vías...
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1- ¿Cuáles son las etapas de degradación de la glucosa?. ¿Dónde ocurre cada una de
ellas?.
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2- ¿Qué es la glucólisis?. Indique su localización celular, mencione los reactivos y
productos y analice si hay pérdida o ganancia de energía.
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3- ¿Cuáles son y de dónde provienen las sustancias que se degradan en el Ciclo de
Krebs?. ¿Cuáles son sus productos finales?.
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4- ¿Qué es la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa?. Indique los reactivos y
productos. ¿Cuál es su importancia en el proceso respiratorio?
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5- Relacione la membrana mitocondrial con la entrada y salida de protones (H+) y la
formación de ATP. ☺ Investigue sobre TEORIA QUIMIOSMOTICA.
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6- ¿Qué relación existe entre los enlaces de alta energía y el proceso de respiración
celular?
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7- ¿Por qué cree Ud. que el ATP es considerado tanto un producto final, como así también
materia prima específica para la respiración?
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8- ¿Cuál es el destino del ácido pirúvico en presencia o ausencia de oxígeno?
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9- ¿Cuál será la ganancia neta de ATP si se “bloquea” la entrada del ácido pirúvico a la
mitocondria?. Fundamente.
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10- Describa el posible recorrido de una molécula de glucosa en una célula eucarionte,
durante el proceso de respiración.
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11- Establezca las diferencias entre respiración aeróbica y anaeróbica. ¿Cuál de las dos
vías es más eficiente en cuanto a su rendimiento energético?
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12- Compare un cultivo de levaduras en condiciones aeróbicas con otro en anaerobiosis.
¿Qué pasos comunes encontrará en el metabolismo de cada cultivo?. ¿Dónde ocurren
los distintos pasos metabólicos?. ¿Cuál de los dos cultivos se desarrollará más
notablemente?. Fundamente.
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13- ¿Cuál es el destino de la energía obtenida en el proceso de respiración celular?
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14- ¿De qué manera intervienen las enzimas en el proceso respiratorio?. Cuál es su
importancia?. Fundamente.
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15- Explique porqué el Ciclo de Krebs es el eje metabólico central de la bioquímica de las
células vivientes.
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16- Lea el Marco teórico y responda.
Las neuronas y los hepatocitos son las células que mayor cantidad de proteínas
sintetizan. Esto se corresponde con un alto número de mitocondrias en su citoplasma.
Por el contrario, los eritrocitos maduros no poseen estructuras mitocondriales.
a) ¿Cómo obtiene ATP cada una de las células mencionadas?.
b) ¿Cuál es el rendimiento por molécula de glucosa en cada caso?. Relaciónelo con
la función de las células mencionadas.
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17- Discuta la siguiente afirmación. ( Relacione con concepto aprendidos
anteriormente).
“La cantidad de mitocondrias depende del estado funcional de la célula. Por ejemplo,
las células musculares, nerviosas, hepáticas, requieren un alto gasto de energía y por
lo tanto poseen un gran número de mitocondrias”.
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PARA INTEGRAR..
El químico inglés Joseph Priestley (1733-1804) puso al descubierto una de las más
grandes relaciones entre la química y la vida
Realizó los siguientes ensayos:
Después de sus observaciones Priestley escribió:
“Una vez que cierta cantidad de aire se ha convertido en nociva debido a los animales que
respiran en él, por tanto tiempo como es posible, yo no conozco ningún método que haya
sido descubierto para transformarlo de nuevo en aire respirable. Es evidente, sin embargo,
que debe haber algún medio natural para realizar este propósito...”
Teniendo en cuenta lo visto ¿Qué solución propondría para lograr que el ratón pueda vivir
dentro de la campana de vidrio?.(Relacionar con el efecto purificador de los vegetales en la atmósfera).
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CONCLUSION:
a) Redacte con sus palabras una síntesis integradora de los temas desarrollados en esta
guía. Puede confeccionar un mapa conceptual.
b) Construya un GLOSARIO con la terminología técnica involucrada en el instructivo.
c) ¿Recuerda algún trabajo práctico de laboratorio referido a los temas de este módulo?
d) Lea y observe atentamente los siguientes textos y esquemas.
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INTRODUCCIÓN
La energía lumínica es capturada por las plantas verdes y otros organismos
fotosintéticos, que la transforman en energía química fijada en moléculas como la glucosa
(ver Unidad 6, Fotosíntesis). Estas moléculas son luego degradadas dentro de las células,
liberando energía química y calor al sistema metabólico. Los procesos metabólicos mediante
los cuales los organismos convierten
la energía de las moléculas
orgánicas en energía utilizable en
forma de ATP, son procesos de
degradación que integran la vía de
la respiración celular.
Respiración Celular y
Respiración Externa
La respiración externa, consiste
en un intercambio gaseoso entre
el organismo y su medio
ambiente; se incorpora oxígeno,
que es transportado a las
células, y se elimina el dióxido
de carbono liberado por ellas.
La respiración celular, es una
sucesión de reacciones químicas
intracelulares, destinadas a
degradar moléculas orgánicas,
que producen energía e
implican,, en general, el
consumo de oxígeno.
Casi todas las células pueden
metabolizar una gran variedad de
moléculas orgánicas para producir
ATP. Analizaremos el metabolismo
de la molécula de glucosa, ya que
casi todos los seres vivos
metabolizan glucosa para obtener
energía. Además, algunas, células,
como las neuronas del cerebro
humano, dependen de manera casi
exclusiva de la glucosa como
fuente de energía.
Flujo de energía y ciclo de la materia en el ecosistema.
La fotosíntesis, en los cloroplastos, produce el oxígeno y la
glucosa que se terminará de degradar en las mitocondrias
de plantas y animales, produciendo ATP. Durante el
proceso, se disipa energía calórica al ambiente.
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Respiración Externa
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El metabolismo de la glucosa es menos
complejo que el metabolismo de otras moléculas
orgánicas. Pero, aún cuando las células utilizan
otras moléculas orgánicas como fuentes de
energía, en general las convierten a glucosa o a
otros compuestos que entran en las vías del
metabolismo de la glucosa.
Metabolismo de la glucosa
Respiración Celular
Relación entre la respiración externa o
ventilación y la respiración celular.
Los organismos fotosintéticos almacenan la
energía de la luz solar en la glucosa.
Luego, durante el desdoblamiento de esa
glucosa, la energía se libera y es atrapada en los
enlaces de alta energía de la molécula de ATP.
Sin embargo, durante las sucesivas
transformaciones energéticas, se produce una
inevitable disipación de energía en forma de calor,
tal como se enuncia en la Segunda Ley de la
Termodinámica (ver Unidad 3, Energía).
A pesar de esto, las células pueden extraer
una gran cantidad de energía útil, en forma de ATP,
a partir de la ruptura total de la glucosa en dióxido
de carbono y agua.
La ecuación química que describe, en forma general y simplificada, la vía de
degradación de la glucosa, es la siguiente:
6 C6H12O6 + 6 O2
6 CO2 + 6 H2O + energía
Qué ocurre cuando, durante la respiración celular, se degrada la glucosa? Este es
un proceso de oxido-reducción o redox, al igual que lo es la fotosíntesis (ver Unidad 3,
Acoplamiento energético y Unidad 6, Fotosíntesis).
Cuando las moléculas de glucosas se oxidan cuando se degradan, en presencia de
02 , liberando C02., esto es, pierden electrones junto con iones hidrógeno (H+). Mientras
tanto, el O2, se reduce a agua cuando los electrones e iones H+ se le adicionan.
La respiración
celular es un
proceso redox,
en el que la
glucosa se
oxida a CO2
y el O2 se
reduce a agua.
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El ambiente y la degradación de nutrientes
El mecanismo de degradación de nutrientes depende del tipo de célula que lo realice
y del ambiente en que el organismo se encuentre. Las células que se encuentran en un
ambiente rico en oxígeno se valen de la respiración aeróbica, que requiere de la
presencia de oxígeno molecular. Durante este tipo de respiración, los nutrientes se
degradan hasta convertirse en dióxido de carbono y agua. Las células no pueden realizar
esta transformación mediante una sola reacción química, ya que ninguna enzima cataliza el
ataque directo de las moléculas de oxigeno sobre las de nutrientes.
En los ambientes en los que el oxígeno es escaso (suelos, aguas contaminadas,
etc.), se utilizan mecanismos que no requieren de este gas, pero resultan menos eficientes
en la obtención de energía. Algunas bacterias usan el mecanismo de respiración
anaeróbica, que representa una clara ventaja en ambientes cuya concentración de oxigeno
es escasa, como suelos y estanques. En este proceso de degradación se reducen
compuestos inorgánicos, como nitratos o sulfatos, en lugar de oxigeno.
Los organismos que sólo pueden sobrevivir en
ambientes que poseen una adecuada proporción. de
oxigeno, como la mayoría de las plantas y animales
terrestres y acuáticos, realizan la respiración aeróbica
y se denominan aeróbicos estrictos.
Las bacterias que no requieren del oxígeno
como aceptor final de hidrógeno, son organismos
anaeróbicos.
Existen células que, ante la escasez de oxigeno,
pueden recurrir a la fermentación, como las levaduras
y ciertos músculos de mamíferos; se las conoce como
células facultativas.
Algunos organismos utilizan un
tercer
mecanismo
llamado
fermentación, cuyos productos finales
de degradación son sustancias
orgánicas y no dióxido de carbono;
este proceso rinde muy poca energía,
pero
es
usado
por
diversos
organismos como bacterias, células de
músculos
de
mamíferos
sobreexigidas, glóbulos rojos adultos, etc.
La respiración aeróbica, la anaeróbica y la fermentación son vías metabólicas que
involucran reacciones redox.
La fermentación es la única de las vías mencionadas que se lleva a cabo
enteramente en el citoplasma. La respiración anaeróbica involucra pliegues de la membrana
plasmática, y la respiración aeróbica requiere de la presencia de las mitocondrias para
poder realizarse.
El tamaño, la
estructura, la
organización interna y
ciertos componentes
mitocondriales (una
molécula de ADN
circular desnudo,
ribosomas de 70 S y
los pliegues de
membrana)
proporcionan
Vía probable para la evolución mitocondrial
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suficiente evidencia como para suponer que las mitocondrias evolucionaron a partir de
procariontes de vida libre, capaces de degradar materia orgánica. Éstos habrían sido
incorporadas por células eucariontes, con la que establecieron una relación simbiótica.
Esta hipótesis está sustentada, también, por el hecho de que las mitocondrias poseen
información para sintetizar la mayoría de sus proteínas, y son capaces de duplicarse en
forma similar a la de las bacterias, independientemente de la célula que las contiene.
Asimismo, se supone que los cloroplastos han tenido un mecanismo semejante de
evolución, a partir de procariontes fotosintéticos primitivos.
Las mitocondrias están delimitadas por una membrana externa lisa, cuya estructura
responde al modelo del mosaico fluido , separada de una membrana interna por un espacio
que mide de 60 a 100 Amgstrons.
membrana externa
espacio intermembrana
matriz
cresta
Esquema de la ultraestructura
mitocondrial. Se observa la
membrana externa, la interna
plegada en crestas y el espacio
delimitado por la membrana
interna conteniendo la matriz.
Las mitocondrias son organelas
presentes en “todas” las células eucariontes.
En ellas se lleva a cabo la respiración
aeróbica a partir de la degradación de
compuestos orgánicos. Por lo tanto aquellas
células que tienen un gran requerimiento
energético tienen un elevado número de
mitocondrias.
Poseen una membrana externa y una
interna plegada en crestas El espacio interior
delimitado por la membrana interna contiene
la matriz mitocondrial. En células con alta
actividad metabólica, como las células
musculares, las crestas ocupan la mayor parte
del espacio, disminuyendo el área de la matriz.
La matriz mitocondrial contiene las
enzimas que catalizan el Ciclo de Krebs. En
las crestas se observan, además de citocromos,
otras moléculas transportadoras de electrones,
y la enzima ATP-sintetasa. Estos constituyentes
particulares de la membrana interna de la
mitocondria son los responsables de los
procesos de la cadena de transporte de
electrones y la fosforilación oxidativa que
determinan la síntesis de ATP.
GLUCÓLISIS
La glucólisis o "ruptura de la glucosa" es un proceso universal, es decir ocurre en
todos los tipos celulares. Esto hace suponer que es muy antiguo en la evolución, ya que se
lleva a cabo en el citoplasma todas las células : procariontes, eucariontes, autótrofas o
heterótrofas.
Consiste, básicamente, en la partición de una molécula de glucosa -un compuesto
de seis carbonos- en dos moléculas de ácido pirúvico -un compuesto de tres carbonos-.
Esta ruptura o degradación de la glucosa implica la liberación de energía química contenida
en los enlaces de la molécula.
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El proceso completo consiste en la realización de nueve pasos o reacciones
catalizadas enzimáticamente y, por lo tanto, sujetas regulación. Se puede decir que esta
serie de reacciones se agrupan en dos etapas : la etapa de activación de la glucosa y la
etapa de ganancia de energía.
En la primera etapa, se requiere gasto de ATP de la célula para la primera y tercera
reacción. Esto permite, a la molécula de glucosa, “activarse”, es decir, ganar dos fosfatos
que utilizará para partirse.
En la segunda etapa se libera energía suficiente para la
formación de cuatro ATP por cada molécula de glucosa, previo “activar” las moléculas de
tres carbonos con Pi (fosfato inorgánico, no proveniente de ATP).
carbono
Pi
Esquema de las reacciones de la “glucólisis”.
Partiendo de una molécula de glucosa, el balance final de la glucólisis es la ganancia
neta de dos moléculas de ATP y la formación de dos moléculas de NADH, nucleótido
reducido que resulta de la ganancia de dos hidrógenos (reducción) por parte del nucleótido
NAD+. Dichos hidrógenos provienen de la
ruptura de la glucosa que los libera
(oxidación).
En las células, generalmente, la
glucosa se encuentra como almidón o
glucógeno, según se trate de organismos
vegetales o anímales. Por esto, a la
ganancia de ATP de la glucólisis debe
sumarse la que resulta de la ruptura del
polisacárido.
Moléculas del inicio y del fin de la glucólisis.
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EL CICLO DE KREBS
Ya en el l900 los biólogos sabían que, en presencia de oxígeno, las células
producían dióxido de carbono y agua. Luego de conocido experimentalmente este hecho,
los esfuerzos se dirigieron a definir los procesos y patrones metabólicos de la oxidación del
pirúvico, que se encuentra en su forma iónica o piruvato.
En 1937, el bioquímico Hans Krebs describió el Ciclo del Ácido Cítrico, o Ciclo de los
Ácidos Tricarboxílicos, que, en su honor, fue luego llamado Ciclo de Krebs.
Actualmente se sabe que este ciclo es el responsable de la oxidación de las dos
terceras partes de los compuestos carbonados (glúcidos y lípidos, por ejemplo) en la
mayoría de las células. Sus productos principales son el dióxido de carbono (C02) y las
coenzimas reducidas NADH y .FADH2. Posteriormente, a través de la cadena respiratoria,
los electrones transportados por estas coenzimas son utilizados para reducir una molécula
de oxígeno (que forma agua) y para la producción de ATP.
El ácido pirúvico, producto de la degradación citoplasmática de la glucosa, ingresa a
la matriz mitocondrial donde sufre la pérdida de un átomo de carbono. Esta reacción está
catalizada por un complejo enzimático llamado piruvato-deshidrogenasa, que oxida al ácido
pirúvico y lo transforma en un compuesto de dos carbonos, el grupo acetilo. Esta reacción
de oxidación está acoplada a una reducción de la coenzima NAD (que se transforma en
NADH) y la unión del grupo acetilo a una coenzima transportadora, la coenzima A (CoA). De
esta forma queda formado un compuesto llamado Acetil-CoA capaz de ingresar al Ciclo de
Krebs.
El nexo entre Gucólisis
y Ciclo de Krebs.
1: cada pirúvico pierde
un CO2 y pasa a ser
ácido acético. 2: se
genera NADH por la
oxidación del acético, y
se le une la coenzima A.
4: se forma Acetil-CoA,
que entrará al Ciclo de
Krebs.
Este mecanismo no es el único capaz de producir Acetil-CoA para el ciclo de Krebs.
Los ácidos grasos, que previamente se oxidan en la matriz mitocondrial mediante un
proceso llamado beta-oxidación, son convertidos en grupos acetilo que posteriormente se
unen a la CoA, formando el complejo Acetil-CoA, ingresando al Ciclo de Krebs para
completar su total oxidación.
Los aminoácidos, resultantes de la hidrólisis proteica, también pueden ingresar al
Ciclo de Krebs para obtener energía. Existe un proceso común a todos los aminoácidos
llamado desaminación, en el que éstos pierden su grupo amino, el que posteriormente es
eliminado del organismo por excreción. Para la degradación oxidativa de los veinte
aminoácidos diferentes, existen varias vías catabólicas que convergen, finalmente, en
algunos puntos terminales: ácido pirúvico, Acetil-CoA o intermediarios del ciclo de Krebs (de
acuerdo a la estructura de su grupo R).
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El ciclo de Krebs comienza con la unión de grupo Acetil-CoA con un compuesto de
cuatro carbonos, el ácido oxalacético. En esta reacción se produce la liberación de la CoA y
da como resultado la formación de un ácido con seis átomos de carbono, el ácido cítrico.
Luego sucede una serie de reacciones secuenciales, cada una de ellas mediada por una
enzima específica, donde los dos átomos de carbono, ingresados al ciclo como grupos
acetilo, son eliminados en forma de CO2 y se regenera la molécula inicial de ácido
oxalacético.
Ciclo de Krebs
La Acetil-CoA se une al oxalacético que se encuentra en la matriz mitocondrial, y forman el ácido
cítrico. Éste pierde un CO2 y un H+ que va al NAD+, conviertiéndode en alfa-cetoglutárico. Éste
pierde otro CO2 y otro H+ y da energía para formar un GTP, convirtiéndose en succínico. Ëste
pierde dos H+ y forma el málico, que vuelve a perder H+ y regenera el oxalacético, que reinicia el
Ciclo.
En una de las reacciones del ciclo se produce una molécula de GTP (guanidín trifosfato), a través de la fosforilación del GDP. Al igual que el ATP, el GTP es un nucleótido
portador de enlaces de alta energía. Su función como, intermediario energético, le permite
tomar energía en reacciones catabólicas, o cederla en reacciones anabólicas. Esta energía
almacenada en forma temporaria en estos enlaces podrá ser utilizada, en reacciones
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción.
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anabólicas, que requieran energía, como por ejemplo en alguno de los pasos de la
biosíntesis de proteínas.
Pero el hecho más destacable reside en la reducción de las coenzimas NAD y FAD,
que portarán hidrógenos, como resultado de sucesivas oxidaciones de los compuestos
intermediarios del ciclo.
CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES
Cómo se convierte en ATP la energía contenida en las coenzimas reducidas?
La producción de ATP es el resultado de una serie de reacciones metabólicas que se
llevan a cabo en la membrana interna de la mitocondria y que se corresponde con dos
procesos íntimamente relacionados: la cadena de transporte de electrones y la fosforilación
oxidativa.
La cadena de transporte de electrones está formada por una secuencia de más de
15 moléculas ubicadas en la membrana interna de la mitocondria. Las mismas son capaces
de tomar o ceder electrones, reduciéndose y oxidándose alternativamente. Para citar sólo un
ejemplo, mencionaremos los citocromos. Hasta el momento se conocen cinco citocromos
diferentes que constituyen una familia de proteínas. Todas ellas contienen un anillo hemo,
con un átomo de hierro. Este átomo puede cambiar su estado de oxidación, pasando de
hierro III a hierro lI, en la medida que tome o ceda un electrón. Cada molécula
transportadora en la cadena tiene una afinidad mayor por el electrón que la anterior.
espacio
intermembrana
transportador
de e-
membrana interna
mitocondrial
complejo
proteico
matriz mitocondrial
Cadena de transporte de electrones y Fosforilación Oxidativa
Los electrones cedidos por el NADH+H+ son transportados a través del complejo de proteínas de
la membrana interna mitocondrial. Los H+ salen al espacio intermembrana y son luego
bombeados por la ATP-sintetasa, proporcionando la energía para formar ATP. Los H+ son
atraídos por el O2al final de la cadena, formando H2O.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción.
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Este hecho posibilita el transporte, en forma de cascada, hacia niveles energéticos
menores. De este modo el electrón es transportado, de un aceptor a otro, hasta llegar a su
aceptor final que es el oxígeno y presenta la mayor afinidad por éste.
Recordemos que este oxígeno, aceptor final en la cadena de transporte de
electrones, proviene de la atmósfera. Es transportado hasta cada una de las células del
organismo, ingresando por difusión simple, a través de la bicapa fosfolipídica, atravesando
luego (por el mismo mecanismo de transporte) las membranas mitocondriales.
Cuando se inicia la cadena de transporte de electrones, las coenzimas reducidas
NADH+H+ y FADH2 transfieren sus hidrógenos a los aceptores, oxidándose.
A través de diferentes experiencias se llegó a- identificar los tres mayores complejos
enzimáticos en la cadena respiratoria. La coenzima NADH+H+ (reducida) deja sus
electrones en un complejo llamado NADH-deshidrogenasa, formado por doce cadenas
polipeptídicas, capaces de aceptar electrones y transferirlos al siguiente aceptor, la
ubiquinona. Esta enzima es una pequeña molécula liposoluble que cede el electrón a un
segundo gran complejo enzimático, el B-CI. Este último transfiere el electrón al citocromo
C, proteína periférica de membrana. Por último, el electrón pasa a un tercer complejo
enzimático llamado
citocromo oxidasa y llega al oxígeno, que queda cargado
negativamente y de esta forma puede recibir los hidrógenos para formar agua.
Es necesario destacar la separación de los átomos de hidrógeno (provenientes del
NADH+H+ y del FADH2 ) en protones y electrones. Como se describió anteriormente, los
electrones pasan a través de una serie de transportadores hasta llegar al oxigeno, mientras
los protones atraviesan la membrana mitocondrial interna y son retenidos en el espacio
intermembrana, que separa las membranas interna y externa de la mitocondria. Esta
separación del hidrógeno en protones y electrones y la acumulación de los protones en el
espacio intermembrana trae como consecuencias:
la generación de un gradiente de concentración de protones que produce un pH
diferente, significativamente menor que en el resto de la célula (más ácido).
un potencial de membrana, gradiente electroquímico o energía potencial, capaz de
ser utilizado en la fosforilación del ADP para obtener ATP. Este gradiente puede ser
medido en milivoltios.
Algunos venenos, como el cianuro y el monóxido de carbono, se asocian al complejo de
la citocromo oxidasa, impidiendo el pasaje de electrones hasta el oxígeno. El resultado es el
bloqueo de la cadena respiratoria y el consiguiente desacople de la fosforilación oxidativa,
impidiendo la producción de ATP.
FOSFRILACIÓN OXIDATIVA
Entre las proteínas de la membrana de las crestas mitocondriales, se encuentra una
enzima que cataliza la síntesis de ATP. Esta enzima, llamada ATP-sintetasa, es un complejo
proteico que permite el pasaje de protones desde el espacio intermembrana hacia la matriz
mitocondrial. Como una turbina hidroeléctrica, que convierte la energía potencial del agua
contenida en una represa en energía eléctrica, la ATP-sintetasa convierte la energía del
gradiente electroquímico producido por la concentración de protones, en energía química,
contenida en el ATP. A este proceso se lo denomina fosforilación oxidativa.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción.
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H+
La ATP-sintetasa es una
enzima compleja, formada por
aproximadamente nueve cadenas
polipeptídicas
diferentes,
conocidas como F0 F1 ATPasa.
Cinco de estos polipéptidos forman
una cabeza esférica, llamada F1
ATPasa. El resto de las cadenas
pólipeptidicas, Fo ATPasa, se
encuentran íntimamente asociadas
a la membrana. Ambos complejos
forman un canal que permite el
pasaje de protones desde el
espacio intermembrana hacia la
matriz de la mitocondria.
F1
membrana interna
mitocondrial
F0
Esquema de la estructura de la ATPasa
H+
Para explicar la formación de ATP o fosforilación oxidativa, J. Mitchell ha propuesto
la Hipótesis Quimiosmótica, que postula que el pasaje de electrones es el responsable de la
conversión del gradiente electroquímico en la energía química necesaria para sintetizar ATP
(ver Unidad 6, El fotosistema II genera ATP ). Los protones que se encuentran en este
momento en la matriz de la mitocondria, se combinan con el oxígeno (último aceptor de la
cadena de transporte de electrones) y forman agua.
La Hipótesis Quimiosmótica se sustenta en los siguientes fundamentos:
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La cadena respiratoria, en la membrana interna de la mitocondria, transporta
electrones, bombeando al mismo tiempo protones desde la matriz hacia el espacia
intermembrana.
El complejo enzimático ATP-sintetasa transporta protones a través de la membrana
interna, funcionando en forma reversible: puede utilizar la energía de la hidrólisis de
ATP para bombear protones, o bien, si existe un gradiente de protones lo
suficientemente grande, los protones fluyen a través de este complejo, produciendo
la síntesis de ATP.
La membrana mitocondrial interna es impermeable a la mayoría de los aniones y
cationes, especialmente H+ y OH-.
La membrana mitocondrial interna posee una serie de proteínas transportadoras
específicas que permiten el ingreso y salida de metabolitos esenciales.
Como se menciona en uno de los postulados de la Teoría Quimiosmótica, la membrana
interna de la mitocondria es prácticamente impermeable. Existe una serie de proteínas
transportadoras que forman parte de su estructura y, en algunos casos, transportan
activamente moléculas específicas en contra de sus gradientes electroquímicos. Por
ejemplo, el ADP y el Pi, sustratos fundamentales para la síntesis de ATP, que se transportan
hacia la matriz mitocondrial.
Se ha comprobado que por cada
molécula de ADP que ingresa a la matriz
se consume una molécula de ATP. Del
mismo modo, existen sistemas acoplados
que ingresan protones. El transporte de
piruvato hacia la matriz mitocondrial
también está asociado al ingreso de
protones.
A través de estas evidencias
puede explicarse el carácter bidireccional
de la ATP -sintetasa. Este complejo
enzimático es capaz de hidrolizar ATP
provocando un transporte de H+ hacia el
espacio intermembrana, induciendo de
esta forma, un elevado gradiente
electroquímico. Por otra parte, cuando
este gradiente llega al nivel necesario, se
produce un pasaje de H+ hacia la matriz
de la mitocondria que genera la suficiente
energía para sintetizar ATP.
Otra molécula que no puede atravesar la
membrana
mitocondrial interna es el
NADH+H+. La glucólisis produce NADH+H+
que, para volver a su estado oxidado, deben
transferir sus protones y electrones ingresando a
la mitocondria. Esta coenzima, de grandes
dimensiones, no cuenta con transportadores
específicos en la membrana interna. En lugar de
ello, presenta una forma particular de ingreso en
la que actúan los mismos intermediarios del
Ciclo de Krebs. Así, el oxalacetato toma los
protones del NADH, oxidándolo a NAD+ y
convirtiéndose en malato, capaz de atravesar la
membrana. En la matriz, el malato se reoxida a
oxalacetato, reduciendo, en una reacción
acoplada, una molécula de NAD+ a NADH+H+
para ingresar a la cadena de transporte de
electrones.
El oxalacetato puede salir
nuevamente de la matriz hacia el citoplasma,
previa conversión en aspartato.
Por el
contrario, la membrana externa mitocondrial es
permeable a todos los compuestos.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción.
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Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción.
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EFICIENCIA DE LA RESPIRACION CELULAR
Cada par de electrones cedidos por el NADH+H+ provee la energía necesaria para
formar tres moléculas de ATP. El FADH2 rinde una cantidad menor de energía, ya que
genera dos moléculas de ATP. Teniendo en. cuenta que todos los NADH+H+ y los FADH2
producidos en la oxidación total de una molécula de glucosa ingresan a la cadena de
transporte de electrones, el rendimiento energético de la respiración celular aeróbica podría
resumirse de la siguiente manera:
PROCESO
Glucólisis
Decarboxilación oxidativa
Ciclo de Krebs
RENDIMIENTO
ENERGÉTICO
2 ATP
--2 GTP
COENZIMA
REDUCIDA
2 NADH+H+
2 NADH+H+
6 NADH+H+
2 FADH2
Total de ATP producido
CANTIDAD
TOTAL DE ATP
8 ATP
6 ATP
18 ATP
4 ATP
2 GTP (ATP)
38 ATP
A través de cálculos teóricos, se estableció que la oxidación total de la glucosa
produce 686 Kcal. En la oxidación celular por vía aeróbica se producen 38 ATP, lo que
equivale a 380 Kcal. El resto se disipa en forma de calor. Esto indica que la eficiencia del
proceso celular es de un 55% aproximadamente. Si se compara con el rendimiento de
cualquier maquinaria fabricada por el ser humano (eléctrica o con otros tipos de
combustible), que posee una eficiencia del 10 al 20%, es fácil comprender el alto grado de
eficacia de este proceso. Mientras que en las oxidaciones “no biológicas” gran parte de la
energía se transforma en calor u otras formas no útiles de energía, en las células, los
mecanismos oxidativos se realizan a través de conversiones graduales, involucrando gran
cantidad de intermediarios. Esto permite almacenar diminutas porciones de energía y, a
través de reacciones acopladas, gran parte de la energía contenida en los combustibles
orgánicos.
VÍAS ANAERÓBICAS
Como se expresó anteriormente, las células utilizan diferentes vías para obtener
energía a partir de la degradación de nutrientes. Pueden realizar respiración aeróbica,
respiración anaeróbica y fermentación. En todos estos procesos se oxida glucosa, ácidos
grasos y otros compuestos orgánicos, cuyos electrones, de alto contenido energético, se
transfieren a la coenzima NAD+, que se reduce hasta convertirse en NADH+H+. Lo que
ocurre con estos electrones difiere de una vía a otra.
En la respiración aeróbica, los electrones liberados por las moléculas de nutrientes
son aceptados finalmente por oxígeno molecular. Durante la respiración anaeróbica, los
electrones reducen compuestos, inorgánicos como el nitrato o el sulfato. En la fermentación,
el aceptor final de electrones no es un compuesto inorgánico como en la respiración
anaeróbica, sino que se trata de sustancias orgánicas que, tras la adición de dichos
electrones, formarán etanol o ácido láctico. Hay, por lo tanto, fermentación alcohólica y
fermentación láctica.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción.
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Tanto la respiración anaeróbica como la fermentación, dependen de las reacciones
de la glucólisis y no requieren de la presencia de oxígeno. Estos mecanismos son
utilizados, generalmente, por células que no poseen mitocondrias, como las procariontes o
los glóbulos rojos maduros de los mamíferos.
Por otra parte, protistas eucariontes como las levaduras, pueden realizar tanto la
respiración aeróbica como la fermentación alcohólica, según la disponibilidad de oxigeno
(organismos facultativos). Algunos hongos y células musculares de vertebrados respiran
aeróbicamente y, en caso de demanda extrema de energía y escasa disponibilidad de
oxígeno, recurren a la fermentación láctica.
El metabolismo ferrnentativo es menos eficiente que el aeróbico debido a que las moléculas
combustibles se oxidan en forma parcial, es decir, no se degradan totalmente.
ácido pirúvico
(proveniente de la
glucólisis)
acetaldehído
etanol
Reactivo y productos de la Fermentación Alcohólica.
En algunos organismos, el piruvato se transforma en acetaldehído y luego en etanol,
en ausencia de oxígeno.
Cuando se priva de oxígeno a organismos facultativos como las levaduras, éstas
realizan, tras la glucólisis, una reacción por la cual se desprende una molécula de C02 de la
del piruvato, formándose acetaldehído. Este es e1 compuesto que acepta los electrones que
transporta el NADH formado durante la glucólisis, y se transforma en alcohol etílico o etanol.
La coenzima se oxida a NAD+, que puede reutilizarse en la degradación de mas glucosa. El
rendimiento neto de este proceso es de 2 ATP, que se obtuvieron durante la glucólisis. La
formación de etanol no aporta energía sino que tiene 1a finalidad de reoxida coenzima para
que pueda volver a utilizarse
Estas reacciones anaeróbicas son la base de la producción de la cerveza, vino y
otras bebidas alcohólicas. Las levaduras son usadas también en la industria panadera, ya
que producen CO2 gaseoso que provoca el aumento de volumen de la masa .
Ciertas bacterias, hongos y otras células llevan a cabo la fermentación láctica, que
consiste en la transformación de piruvato en lactato (forma iónica del ácido láctico) por la
adición de dos hidrógenos que le transfiere el NADH+H+ formado durante la glucólisis.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción.
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Reactivo y productos de
la Fermentación Láctica
En algunos organismos, el
piruvato se transforma en
ácido láctico, en ausencia
de oxígeno.
ácido pirúvico
(de la glucólisis)
ácido láctico
Este proceso es utilizado para la fabricación de yoghurt y otros productos lácteos
similares, ya que lo realizan bacterias que degradan la glucosa presente en la leche. Ocurre,
también, en células musculares sometidas a gran actividad, lo que ocasiona que el oxígeno
que llega a ellas sea insuficiente para mantener la alta tasa de oxidación de combustibles
requerida. El lactato que se forma comienza a acumularse y, si la situación persiste, el
músculo no lo alcanza a degradar lo suficientemente rápido produciendo la fatiga muscular
que provoca el calambre.
La menor eficiencia energética de la fermentación ocasiona la necesidad de una gran
cantidad de combustible, por lo que las células deben degradar rápidamente muchas
moléculas del mismo a fin de compensar la poca cantidad de energía obtenida en el
proceso. Para realizar el mismo trabajo que una célula aeróbica, la célula que utiliza la
fermentación necesita veinte veces la cantidad de glucosa que usa aquélla. Es por ello .
que las células musculares, que metabolizan por medios fermentativos durante períodos
cortos, deben almacenar grandes cantidades de glucosa en forma de glucógeno.
NUDO METABÓLICO
Si bien en la escala zoológica existen numerosas variantes con respecto a los
mecanismos de digestión y absorción de nutrientes, nos limitaremos, en la siguiente
descripción, a los vertebrados.
Tras la ingestión, se produce, por hidrólisis enzimática, la ruptura de
macromoléculas, liberándose los elementos estructurales que la componen. Este proceso se
llama digestión extracelular
y se realiza en el tubo digestivo. De esta forma, los
polisacáridos se degradan a monosacáridos; las proteínas a aminoácidos; los lípidos a
ácidos grasos y glicerol, y los ácidos nucleicos a nucleótidos. Estos productos intermedios
llegan, a través de la circulación sanguínea, a las células. Allí serán convertidas en otros
productos, o bien, continuarán su degradación para obtener energía química.
Los monosacáridos seguirán su vía catabólica hasta la producción de CO2, H2O y
liberación de ATP (Ciclo de Krebs, cadena respiratoria y fosforilación oxidativa). Cuando la
célula tiene exceso de ATP, la glucosa puede seguir distintas rutas metabólicas. Puede, a
través de una vía anabólica, transformarse en glucógeno (polisacárido de reserva
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción.
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energética en tejido hepático y muscular), es decir, se produce la glucogenogénesis. En los
vegetales, la vía anabólica equivalente determina la formación de almidón.
Otra vía catabólica de la glucosa, consiste en generar, a través del ciclo de las pentosas
NADPH v pentosas, que se usarán en la síntesis de ácidos nucleicos.
mitocondria
Nudo Metabólico
La degradación de glúcidos, lípidos y proteínas producen Acetil-CoA, que ingresa al
Ciclo de Krebs para producir GTP y coenzimas reducidas. Estas entran a la Cadena
respiratoria t producen ATP para el trabajo celular.
Si disminuye el nivel de glucosa en sangre, el glucógeno se transforma nuevamente
en glucosa para mantener el equilibrio, proceso conocido como glucogenolisis {ruta
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción.
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catabólica del glucógeno). Cuando se agota el glucógeno, la célula puede obtener glucosa
a partir de otras sustancias como el ácido láctico proveniente del metabolismo fermentativo
muscular. Este proceso se llama gluconeogénesis.
Como se indicó anteriormente, los ácidos grasos también pueden entrar al Ciclo de
Krebs luego del proceso catalítico de la beta-oxidación, para dar como productos finales
C02, H20 y ATP. Otra posibilidad consiste en la combinación de estos ácidos para formar
triglicéridos y acumularse en el tejido adiposo como reserva energética.
Algunos aminoácidos se usan, normalmente, para sintetizar proteínas, mientras que
otros pierden el grupo amino (desaminación) y se transforman en una molécula
hidrocárbonada a partir de la cual puede obtenerse energía, vía Ciclo de Krebs, o glucosa
vía gluconeogénesis. Sólo cuando se han agotado las reservas de energía acumuladas
como glucógeno o triglicéridos el organismo recurre a la degradación de proteínas para
obtener energía.
Dado que todos los procesos mencionados involucran tanto vías anabólicas. Como
catabólicas y tienen en común la formación o degradación de Acetil-CoA, se atribuye al
Ciclo de Krebs el carácter de “vía anfibólica”. Esto significa que el mismo puede funcionar
como vía catabólica dando como productos agua, dióxido de carbono y ATP o como vía
anabólica produciendo Acetil-CoA, molécula precursora de glúcidos, lípidos o aminoácidos.
El funcionamiento en uno u otro sentido dependerá del estado energético de la célula.
Cuando hay un exceso de ATP producido por una disminución en su consumo, la
cadena de transporte de electrones se satura, impidiendo la reoxidación de coenzimas.
Estas se acumulan provocando el mensaje químico necesario para que el Ciclo de Krebs
actúe en reversa y promueva la formación de moléculas orgánicas complejas utilizando
la energía del ATP producido y el poder reductor de las coenzimas acumuladas. Cuando
se consume el exceso de ATP, se activan las vías catabólicas, que restablecen el
equilibrio.
De este modo el Ciclo de Krebs actúa como un verdadero nudo en el cual convergen
todas las vías metabólicas.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción.
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Integrando . . .
Las reacciones generales de la formación de la glucosa en la fotosíntesis, a partir de
CO2 y H2O, y las reacciones de la degradación completa de la glucosa a C02 y H2O, en la
glucólisis y respiración aeróbica, integran procesos que, en la naturaleza, son
complementarios.
Es importante destacar que, el 02 liberado a la atmósfera como subproducto de la
fotosíntesis, es utilizado por todos los seres vivos aeróbicos para el proceso de respiración
y, el C02 liberado por ésta a la atmósfera, tanto por autótrofos como por heterótrofos, es el
utilizado por los productores para fotosintetizar.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción.
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PROBLEMAS de APLICACIÓN
1. Esquematice una mitocondria y señale las estructuras que la componen.
2. Cuál de las siguientes secuencias de procesos de la respiración celular aeróbica
presenta el orden correcto ? Justifique.
a.
b.
c.
d.
3.
glucólisis – cadena respiratoria – ciclo de Krebs
formación de piruvato – formación de Acetil-CoA – fosforilación oxidativa
formación de Acetil-CoA – fosforilación oxidativa - formación de FADH2
glucólisis – fosforilación oxidativa - formación de FADH2
La teoría quimiosmótica explica la formación de ATP en las mitocondrias. Complete el
siguiente esquema e indique:
a. La dirección del flujo de protones
b. El destino final de los protones
c. El tipo de transformación energética realizado
d. La ubicación del ATP formado.
4. Una molécula de glucosa contiene seis carbonos y al oxidarse completamente rinde 38 ATP.
Una unidad de seis carbonos correspondiente a una molécula de ácido grado rinde,
aproximadamente, 51 ATP.
a. Explique por qué la glucosa es utilizada por las células antes que las grasas.
b. Indique cuál de las siguientes sustancias propondría como fuente de energía inmediata:
sacarosa, leucina, ácido esteárico.
5. Cuántas moléculas de ATP podrán sintetizarse a partir de la oxidación de 10 NADH + H+? Y
de dos FADH2?
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción.
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AUTOEVALUACIÓN
1. La membrana externa de la
mitocondria :
a. es más selectiva que la interna
b. es menos selectiva que la interna
c. es donde se localizan las proteínas de
la cadena de transporte de electrones
d. presenta pliegues que aumentan la
superficie de intercambio
2. ¿Cuál de las siguientes series de
moléculas es común a los procesos de
respiración aeróbica y a la fermentación?
a. Glucosa, NADP+ , ATP y ác. pirúvico.
b. Glucosa, NAD+, ATP y ác. pirúvico.
c. Glucosa, NAD+, GTP y etanol.
d. Glucosa, ác. pirúvico, ATP y ác.
láctico.
3. En un organismo de respiración
aeróbica, el oxígeno proveniente del aire
puede encontrarse en:
a. el dióxido de carbono liberado en el
ciclo de Krebs.
b. las moléculas de glucosa formadas en
el ciclo de Calvin.
c. el ATP generado en la fosforilación
oxidativa.
d. en las moléculas de agua generadas
en la cadena respiratoria.
4. Si se cultivan células animales
facultativas con ácido pirúvico que posee
carbono radioactivo, en un medio carente
de oxígeno, la radiactividad se detectará
posteriormente en:
a. la acetil- CoA
b. el CO2
c. el ácido láctico
d. el ácido cítrico
5. En cuál de los siguientes procesos
ocurre reducción de FAD+?
a. la glucólisis.
b. el Ciclo de Krebs.
c. la cadena respiratoria.
d. la formación del piruvato.
6. La mitocondria es:
a. una organela del sistema vacuolar
citoplasmático en la que se realiza la
fotosíntesis.
b. una bacteria fotosintética que vive en
simbiosis con la célula.
c. una organela que realiza procesos
catabólicos produciendo oxígeno.
d. una organela que posee ADN circular
y ribosomas.
7. Señale la opción correcta con respecto
a la fermentación:
a. permite oxidar nuevamente el NADH2
b. permite obtener la misma ganancia
energética que la respiración.
c. es un proceso en que se degrada
totalmente a la glucosa.
d. es un proceso que sólo ocurre en
procariontes.
8. El bombeo de H+ en la membrana de
las crestas mitcondriales:
a. se produce con H+ provenientes del
NADPH
b. genera ATP por oxidación de ADP + P
c. se detendrá en ausencia de un aceptor
final de electrones
d. genera ADP + P por reducción del ATP
9. El Ciclo de Krebs:
a. genera coenzimas reducidas
potencialmente energéticas
b. se inicia en la matriz mitocondrial a
partir de la glucosa
c. se inicia en el citoplasma a partir de la
glucosa
d. genera GDP + P a partir de GTP
10. La vía de la glucólisis:
a. genera 38 ATP por cada glucosa
b. es una vía catabólica oxidativa
c. ocurre sólo en células con mitocondrias
d. no requiere de ATP por ser catabólica