Flujo de energía. Light energy ECOSYSTEM. Photosynthesis in chloroplasts. Organic molecules + O 2 CO 2 + H 2 O. Cellular respiration in mitochondria

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2 Flujo de energía ECOSYSTEM Light energy CO 2 + H 2 O Photosynthesis in chloroplasts Cellular respiration in mitochondria Organic molecules + O 2 ATP powers most cellular work Heat energy ATP

3 Rutas catabólicas y oxidación de compuestos orgánicos Procesos catabólicos Fermentación Respiración aeróbica Compuestos orgánicos + O 2 CO 2 + H 2 O + energía Energía potencial Energía potencial Desperdicios + ATP y calor Como ocurre la degradación de glucosa para la liberación de energía?

4 Rutas catabólicas y oxidación de compuestos orgánicos Oxidación= pérdida parcial o completa de electrones Reducción= ganancia parcial o completa de electrones becomes oxidized becomes reduced Agente reductor Agente oxidante Reacciones de Redox Aunque no haya perdida de electrones pero si hay cambio en el grado de compartido de electrones

5 Rutas catabólicas y oxidación de compuestos orgánicos Transferencia parcial de electrones Cambio en el grado en el cual se están compartiendo los electrones. Reactants Products becomes oxidized becomes reduced Oxígeno =Un agente oxidante muy poderoso Methane (reducing agent) Oxygen (oxidizing agent) Carbon dioxide Water

6 Rutas catabólicas y oxidación de compuestos orgánicos Energía potencial en los enlaces covalentes Cuando movemos los electrones a niveles más lejos del núcleo más energía. más cerca del núcleo menos energía. Los electrones en el enlace se relocalizan a niveles más cerca del núcleo pierden energía potencial. Esta energía se utiliza para la síntesis de ATP.

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8 Rutas catabólicas y oxidación de compuestos orgánicos Respiración celular oxida Agente reductor reduce Agente oxidante Proceso redox en el cual se transfieren hidrógenos (H) de glucosa a oxígeno. Transferencia de e- al átomo mas electronegativo causa perdida de energía potencia Los carbohidratos y las grasas son grandes reservorios de e- Alto contenido de H que puede reaccionar con Oxígeno y liberar energía al compartir sus e-

9 Rutas catabólicas y oxidación de compuestos orgánicos Moléculas estables por la barrera de energía de activación Enzimas bajan energía de activación y azúcar se oxida en pasos Cada paso esta catalizado por una enzima especifica Los e- no pasan directamente de H a O sino que se pasan a un intermediario Coenzyma NAD + (Nicotinamide adenine dinucleotide) Aceptador de electrones Agente oxidante

10 Oxidación de compuestos orgánicos 2 e + 2 H + Dehydrogenase 2 e + H + NADH H + Fig. 9-4 NAD + + 2[H] Reduction of NAD + Oxidation of NADH Nicotinamide (reduced form) + H + Nicotinamide (oxidized form)

11 Rutas catabólicas y oxidación de compuestos orgánicos Oxidación H R C R x + NAD + dehidrogenasa R C R x + NADH + H + OH Nota: 2H 2e - + 2H + O Agente oxidante reducción e - que se transfieren de glucosa a NAD + pierden poca energía potencial por lo que NAD + termina almacenando energía que luego se puede convertir a ATP. NADH representa energía almacenada Flujo de electrones: Moléculas orgánicas NADH cadena de transporte de electrones oxígeno

12 Rutas catabólicas y oxidación de compuestos orgánicos H / 2 O 2 2 H 1 / 2 O 2 (from food via NADH) Controlled release of 2 H e energy for synthesis of ATP Explosive release of heat and light energy 1 / 2 O 2 (a) Uncontrolled reaction (b) Cellular respiration

13 Rutas catabólicas y oxidación de compuestos orgánicos

14 Rutas catabólicas y oxidación de compuestos orgánicos Los electrones se transfieren aceptadores de electrones. La transferencia ocurre en pasos en los cuales se controla la liberación de energía Transportadores de electrones NADH y FADH 2

15 Rutas catabólicas y oxidación de compuestos orgánicos Respiración celular: 1. Glucólisis 2. Ciclo de Krebs 3. Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa

16 Las etapas de Respiración celular Electrons carried via NADH Glycolysis Glucose Pyruvate Cytosol ATP Substrate-level phosphorylation Fig

17 Rutas catabólicas- Respiración celular Electrons carried via NADH Electrons carried via NADH and FADH 2 Glucose Glycolysis Pyruvate Citric acid cycle Cytosol Mitochondrion ATP Substrate-level phosphorylation ATP Substrate-level phosphorylation Fig

18 Rutas catabólicas- Respiración celular Fig Electrons carried via NADH Electrons carried via NADH and FADH 2 Glucose Glycolysis Pyruvate Citric acid cycle Oxidative phosphorylation: electron transport and chemiosmosis Cytosol Mitochondrion ATP Substrate-level phosphorylation ATP Substrate-level phosphorylation ATP Oxidative phosphorylation

19 Respiración celular-síntesis de ATP Cómo ocurre la síntesis? Fosforilación a nivel de sustrato Cadena de transporte de electrones acoplada a fosforilación oxidativa.

20 Respiración celular-síntesis de ATP Fosforilación a nivel de sustrato En presencia de enzimas específicas ocurre una reacción en la cual se transfiere directamente el grupo fosfato de un sustrato o compuesto a ADP. 10% ATP producido Fig. 9-7 Enzyme Enzyme ADP P Substrate + ATP (no es P i ) Product

21 Respiración celular-síntesis de ATP Cadena de transporte de electrones acoplada a fosforilación oxidativa. 90% ATP producido

22 Respiración celular-síntesis de ATP Transportadores de electrones Cadena de transporte de electrones

23 Rutas catabólicas- Respiración celular Fig Electrons carried via NADH Electrons carried via NADH and FADH 2 Glucose Glycolysis Pyruvate Citric acid cycle Oxidative phosphorylation: electron transport and chemiosmosis Cytosol Mitochondrion ATP Substrate-level phosphorylation ATP Substrate-level phosphorylation ATP Oxidative phosphorylation

24 Respiración celular- Glucólisis Transporte de electrones vía NADH Glycolysis Ocurre en el citosol Oxidación parcial de glucosa Glucosa hasta piruvato Glucose Pyruvate Puede ocurrir en ausencia de oxígeno Cytosol ATP Fosforilación a nivel de sustrato

25 Respiración celular- Glucólisis Reactantes C 6 H 12 O 6 2ATP 4ADP 4P i 2NAD+ Productos 2 Piruvatos (C 3 H 4 O 3 ) 2ADP 2P i 4ATP 2NADH 2H + 2H 2 O Nota: 2 ATP neto

26 Respiración celular- Glucólisis Fase de inversión de energía Fase de retribución de energía

27

28 Paso 3 1 Enzima fosfofructocinasa enzima alostérica que controla glucólisis

29 Pasos 7 y 10, Fosforilación a nivel de sustrato

30 Respiración celular- Glucólisis transición ciclo de Acido Cítrico Electrons carried via NADH Electrons carried via NADH and FADH 2 Glucose Glycolysis Pyruvate Citric acid cycle Cytosol Mitochondrion ATP Substrate-level phosphorylation ATP Substrate-level phosphorylation

31 Respiración celular- Glucólisis transición ciclo de Acido Cítrico CYTOSOL MITOCHONDRION NAD + NADH + H + 2 Pyruvate 1 3 CO 2 Coenzyme A Acetyl CoA Transport protein Si hay oxígeno, piruvato ( Acido Piruvico) entra a la mitocondria. Ocurre la translocación de piruvato hacia la mitocondria por medio de una proteína de transporte Decarboxilación oxidativa la oxidación de piruvato a acetil CoA. Se produce CO 2

32 Respiración celular- Glucólisis transición ciclo de Acido Cítrico Translocación de piruvato hacia la mitocondria Decarboxilación oxidativa Reactantes 2 piruvatos 2 coenzimas A 2 NAD + Productos 2 Acetil CoA 2CO 2 2NADH 2H +

33 Respiración celular- Ciclo de Acido Cítrico o Ciclo de Krebs Electrons carried via NADH Electrons carried via NADH and FADH 2 Glucose Cytosol Glycolysis ATP Pyruvate Fosforilación a nivel de sustrato Mitochondrion Citric acid cycle ATP Fosforilación a nivel de sustrato Solo ocurre en presencia de O 2 aeróbico. Ocurre en la matriz mitocondrial. Se completa la oxidación de glucosa degradando acetil CoA hasta CO 2. Se produce ATP por medio de fosforilación a nivel de sustrato. Se produce NADH y FADH 2

34 Respiración celular- Ciclo de Acido Cítrico o Ciclo de Krebs Reactantes 2AcetilCoA 6NAD + 2FAD 2ADP 2P i 2H 2 O Productos 4CO 2 6NADH 6H + 2FADH2 2ATP 2CoA

35 Respiración celular- Ciclo de Acido Cítrico o Ciclo de Krebs Acetyl CoA Por cada vuelta H 2 O NADH +H + NAD + 7 Malate Fumarate 6 8 Oxaloacetate 1 Citric acid cycle CoA SH CoA SH Citrate 2 CoA SH 4 H 2 O Isocitrate NAD + 3 CO 2 NADH + H + -Ketoglutarate Entran 2 carbonos Se oxidan 2 carbonos CO 2 Ocurre fosforilación a nivel de sustrato. Se regenera oxaloacetato. Toma 2 vueltas en el ciclo de Krebs para oxidar completamente la glucosa. FADH 2 FAD Succinate ADP GTP GDP ATP 5 P i Succinyl CoA NAD + NADH + H + CO 2 GTP-En tejidos animales- ATP-Plantas, bacterias y algunas células animales

36 Respiración celular- Ciclo de Acido Cítrico o Ciclo de Krebs Pyruvate NAD + NADH + H + Acetyl CoA CoA Citric acid cycle CO 2 CoA CoA 2 CO 2 Reactantes 2AcetilCoA 6NAD + 2FAD 2ADP 2P i 2H 2 O Productos 4CO 2 6NADH 6H + 2FADH2 2ATP 2CoA FADH 2 FAD 3 3 NAD + NADH + 3 H + ADP + P i ATP

37 Respiración celular- Cadena de Transporte de electrones y fosforilación oxidativa Electrons carried via NADH Electrons carried via NADH and FADH 2 Glycolysis Glucose Pyruvate Cytosol Mitochondrion Citric acid cycle Oxidative phosphorylation: electron transport and chemiosmosis ATP ATP ATP Substrate-level phosphorylation Substrate-level phosphorylation Oxidative phosphorylation Responsable de la producción de la mayoría de las moléculas de ATP. La transferencia de electrones a lo largo de una cadena de transporte de electrones está acoplada a la síntesis de ATP. Mayoría de la energía extraída de glucosa está en NADH y FADH 2.

38 Respiración celular- Cadena de Transporte de electrones y fosforilación oxidativa Componentes en la membrana mitocondrial interna Acoplamiento de estructura y función

39 Respiración celular- Cadena de Transporte de electrones y fosforilación oxidativa NADH e NAD + FMN Fe S FADH 2 e 2 FAD FAD Fe S Q Cyt b Fe S Multiprotein complexes Cyt c 1 Cyt c Cyt a IV Cyt a 3 Cadena de transporte de electrones Está compuesto de transportadores de electrones. Están insertados en la membrana interna de la mitocondria. Están organizados en orden ascendente de electronegatividad e (from NADH or FADH 2 ) Último aceptador de electrones es O H / 2 O 2 H 2 O

40 Respiración celular- Cadena de Transporte de electrones y fosforilación oxidativa Reactantes NADH 3ADP 3P i ½ O 2 FADH 2 2ADP 2P i Productos NAD + 3ATP H 2 O FAD 2ATP H 2 O ½ O 2

41 Respiración celular- Cadena de Transporte de electrones y fosforilación oxidativa

42 Respiración celular- Cadena de Transporte de electrones y fosforilación oxidativa Quimiosmosis = Mecanismo que acopla el flujo de electrones al proceso de fosforilación oxidativa. Reacción química (fosforilación) Proceso de transporte (osmosis)

43 Respiración celular- Cadena de Transporte de electrones y fosforilación oxidativa INTERMEMBRANE SPACE Internal rod Rotor Catalytic knob ADP + P i H + Stator ATP MITOCHONDRIAL MATRIX Sintetasa de ATP Complejo de enzimas insertada en múltiples copias en las cristas. El paso de electrones a lo largo de la cadena de electrones crea un gradiente de protones (H + ). Los protones se mueven desde la matriz, atraviesan la membrana mitocondrial interna y se acumulan el espacio intermembranal.

44 Respiración celular- Cadena de Transporte de electrones y fosforilación oxidativa INTERMEMBRANE SPACE Internal rod Rotor Catalytic knob H + Stator Sintetasa de ATP utiliza la energía potencial de este gradiente de protones permitiendo que los mismos se difundan hacia la matriz. La energía se utiliza para la síntesis de ATP (fosforilación de ADP). ADP + P i ATP MITOCHONDRIAL MATRIX

45 Respiración celular- Cadena de Transporte de electrones y fosforilación oxidativa Fuerza motriz de protones = Gradiente electroquímico Alta concentración de H+ (gradiente químico) Diferencia en voltage (gradiente eléctrico)

46 Respiración celular- Cadena de Transporte de electrones y fosforilación oxidativa Flujo principal de energía ocurre de la siguiente forma: Glucosa NADH cadena de transporte de electrones fuerza motriz de protones ATP

47 Respiración celular- Cadena de Transporte de electrones y fosforilación oxidativa

48 Respiración celular- Cadena de Transporte de electrones y fosforilación oxidativa Proceso FNS (ATP netos) Coenzima reducida FO Glucólisis 2 ATP 2 NADH 4 6 ATP Oxidación Piruvato Ciclo de Krebs 2 NADH 6 ATP 6 2 ATP 6 NADH 18 ATP 2 FADH 2 4 ATP Total Total FNS - fosforilación a nivel de sustrato FO fosforilación oxidativa

49 Respiración celular- Fermentación Glucose CYTOSOL Glycolysis No O 2 present: Fermentation Pyruvate O 2 present: Aerobic cellular respiration Ethanol or lactate MITOCHONDRION Acetyl CoA Citric acid cycle

50 Respiración celular- Fermentación 2 ADP + 2 P i 2 ATP Glucose Glycolysis 2 Pyruvate 2 NAD + 2 NADH + 2 H + 2 CO 2 2 Ethanol 2 Acetaldehyde (a) Alcohol fermentation 2 ADP + 2 P i 2 ATP Glucose Glycolysis 2 NAD + 2 NADH + 2 H + 2 Pyruvate 2 Lactate (b) Lactic acid fermentation

51 Respiración celular- Fermentación En músculos activos se lleva a cabo fermentación láctica. Acumulación de ácido láctico, responsable en parte del dolor luego de ejercicios en exceso.

52 Respiración celular- Regulación Glucose Inhibits Glycolysis Fructose-6-phosphate Phosphofructokinase Fructose-1,6-bisphosphate AMP Stimulates + Inhibits Pyruvate ATP Acetyl CoA Citrate Citric acid cycle Oxidative phosphorylation

53 Respiración celular- Regulación Proteins Carbohydrates Fats Amino acids Sugars Glycerol Fatty acids Glycolysis Glucose Glyceraldehyde-3- P NH 3 Pyruvate Acetyl CoA Citric acid cycle Oxidative phosphorylation

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