Una explicación sobre la respiración celular

Transcripción

1 Una explicación sobre la respiración celular Todos necesitamos energía para funcionar y obtener esta energía de los alimentos que comemos. La forma más eficiente para las células para captar energía almacenada en los alimentos es a través de la respiración celular, Una ruta catabólica para la producción de trifosfato de adenosina (ATP). El ATP es una molécula de alta energía, se consume por las células de trabajo. La respiración celular se produce tanto en las células eucariotas y procariotas. Consta de tres etapas principales: La Respiración Celular y sus Etapas Mediante la fotosíntesis se capta la energía del sol y, junto con el aporte de moléculas inorgánicas, se almacena como glucosa. La reserva de energía generada en el proceso fotosintético es utilizada después en todas las actividades y funciones orgánicas de los mismos autótrofos, por ejemplo en las plantas para fabricar nuevos tejidos (hojas, frutos, flores, semillas) o sintetizar enzimas, fitohormonas y compuestos de defensa, como las toxinas. Asimismo, esta energía es utilizada por los heterótrofos, a través de la alimentación a lo largo de las redes y tramas tróficas, para realizar todas sus funciones vitales. Para utilizar esta reserva de energía, las células descomponen la glucosa, liberan la energía contenida en esta molécula y la utilizan para producir ATP. La descomposición completa de la glucosa, proceso conocido también como metabolismo de la glucosa, produce mucho ATP Y libera como residuos finales CO2 y H2O, los mismos reactivos originales de la fotosíntesis:

2 Gran parte de la energía contenida en la glucosa es transformada a energía calórica durante el metabolismo, la que es liberada a la atmósfera. Una fracción menor de la energía de la glucosa es utilizada como energía química para la fabricación de nuevas estructuras y para el funcionamiento de los organismos. El metabolismo que posibilita la descomposición completa de la glucosa en células eucariontes se conoce como respiración celular, que se realiza en el citoplasma y en las mitocondrias. Este proceso comprende tres etapas: glucólisis, ciclo de Krebs y la cadena transportadora de electrones. Glucólisis Se realiza en el citoplasma de la célula y es un proceso anaeróbico, es decir, que no requiere la presencia de oxígeno. En esta etapa, la molécula de glucosa es dividida en 2 moléculas de ácido pirúvico, de 3 carbonos cada una, y esta división libera energía suficiente para sintetizar 4 ATP Y 2 NADH (portador de electrones). Sin embargo, la producción neta es de 2 ATP porque la glucólisis requiere 2 ATP para ocurrir. El ácido pirúvico producto de la glucólisis puede seguir dos rutas metabólicas diferentes: En ausencia de oxígeno (ambiente anaeróbico) se produce la fermentacióndel ácido pirúvico. Este puede transformarse en lactato (fermentación láctica), lo que ocurre habitualmente en las células musculares cuando hay esfuerzo físico, alta demanda energética y poco oxígeno disponible, o en etanol (fermentación etílica), lo que ocurre cuando las levaduras transforman el jugo de uva en vino. En presencia de oxígeno (ambiente aeróbico), el ácido pirúvico ingresa a las mitocondrias y se desarrolla la respiración celular.

3 Ciclo de Krebs o Ciclo del Ácido Cítrico Este proceso se realiza en las mitocondrias, tanto en la matriz como en el compartimiento intermembranoso, y requiere la presencia de oxígeno. Se produce cuando el ácido pirúvico generado en la glucólisis entra en la mitocondria y en este proceso es transformado en acetil coenzima A, liberando una molécula de CO2, que sale de la célula. Luego, el acetil coenzima A entra al ciclo de Krebs y experimenta cambios que dan origen a 2 moléculas de CO2. Como consecuencia de estas reacciones se obtienen 3 moléculas de NADH, una de FADH2 (molécula portadora de electrones) y una molécula de ATP. Como en la glucólisis se producen dos moléculas de ácido pirúvico por la degradación de una molécula de glucosa, se forman dos moléculas de acetil coenzima A y, por ende, los productos generados se multiplican por dos, generándose 6 NADH, 2 FADH2 Y 2 ATP. Cadena transportadora de electrones Terminado el ciclo de Krebs, se da inicio a la cadena transportadora de electrones, formada por un grupo de enzimas ubicadas en la membrana intema de la mitocondria, que aceptan y transfieren electrones. En esta cadena, tanto NADH como FADH2 ceden sus electrones, produciendo energía que es utilizada para bombear H+ al interior del compartimiento intermembranoso, donde se acumulan. Los electrones se unen al oxígeno, aceptor final de la cadena, formando una molécula de agua. Debido al flujo de electrones, más la energía proporcionada por los NADH y FADH2 se forman moléculas de ATP: por cada NADH se forman 3 ATP Y por cada FADH2 se sintetizan 2 ATP. Haciendo un balance total de las reacciones ocurridas en la glucólisis y la respiración celular, se puede decir que se producen 38 ATP como balance neto por cada molécula de glucosa degradada íntegramente. Otra explicación puede ser de la siguiente manera: Glucólisis: Glucólisis significa literalmente "los azúcares de división." La glucosa, un azúcar de carbono de seis, se divide en dos moléculas de un azúcar de carbono tres. En el proceso, dos moléculas de ATP, dos moléculas de ácido pirúvico y dos de "alta energía" de electrones llevar a moléculas de NADH se producen. La glucólisis puede ocurrir con o sin oxígeno. En presencia de oxígeno, la glucólisis es la primera etapa de la respiración celular. Sin oxígeno, la glucólisis permite a las células para que pequeñas cantidades de ATP. Este proceso se denomina fermentación.

4 El ciclo del ácido cítrico: El ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs comienza después de las dos moléculas de azúcar de carbono producido en la glucólisis tres se convierten en un compuesto ligeramente diferentes (acetil-coa). A través de una serie de pasos intermedios, varios compuestos capaces de almacenar "alta energía" electrones se producen junto con dos moléculas de ATP. Estos compuestos, conocidos como dinucleótido nicotinamida adenina (NAD) y flavina adenina dinucleótido (FAD), se reducen en el proceso. Estas formas reducidas llevar a la "alta energía" electrones a la siguiente etapa. El ciclo del ácido cítrico se produce sólo cuando el oxígeno está presente pero que no utiliza oxígeno directamente. Transporte de electrones: De transporte de electrones requiere oxígeno directamente. El transporte de electrones "cadena" es una serie de transportadores de electrones en la membrana de las mitocondrias en las células eucariotas. A través de una serie de reacciones, la "alta energía" electrones son pasados al oxígeno. En el proceso, se forma un gradiente, y en última instancia, el ATP es producido. Máximo rendimiento de ATP: En resumen, las células procariotas puede producir un máximo de 38 moléculas de ATP, mientras que las células eucariotas puede producir un máximo de 36. En las células eucariotas, las moléculas de NADH producido en la glucólisis pasar a través de la membrana mitocondrial, que los "costos" de dos moléculas de ATP. Después de la glucólisis se lleva a cabo en el citoplasma de la célula, las moléculas de ácido pirúvico de viajes en el interior de la mitocondria. Una vez que el ácido pirúvico es el interior, el dióxido de carbono es removido enzimáticamente de cada molécula de ácido pirúvico de carbono y tres para formar ácido acético. La enzima se combina el ácido acético con una enzima, coenzima A, para producir acetil coenzima A, también conocida como acetil CoA. Una vez que la acetil-coa se forma, comienza el ciclo de Krebs. El ciclo se divide en ocho etapas, cada una de las cuales se explican a continuación.

5 Diagrama del Ciclo de Krebs Paso 1 La subunidad ácido acético de la acetil-coa se combina con el oxalacetato para formar una molécula de citrato. El acetil coenzima A actúa sólo como un transportador de ácido acético a partir de una enzima a otro. Después del paso 1, la coenzima es liberado por la hidrólisis de modo que puede combinar con otra molécula de ácido acético para comenzar el nuevo ciclo de Krebs. Paso 2 La molécula de ácido cítrico, se somete a una isomerización. Un grupo hidroxilo y una molécula de hidrógeno se eliminan de la estructura de citrato en forma de agua. Los dos átomos de carbono forman un doble enlace hasta que la molécula de agua se vuelve a añadir. Sólo ahora, el grupo hidroxilo y la molécula de hidrógeno se invierten en lo que respecta a la estructura original de la molécula de citrato. Así, se forma isocitrato. Paso 3 En este paso, la molécula de isocitrato es oxidado por una molécula de NAD. La molécula de NAD se reduce por el átomo de hidrógeno y el grupo hidroxilo. El NAD se une con un átomo de hidrógeno y se lleva el átomo de hidrógeno otros dejando un grupo carbonilo. Esta estructura es muy inestable, por lo que una molécula de CO 2 se libera la creación de alfa-cetoglutarato. Paso 4 En este paso, nuestro amigo, la coenzima A, vuelve a oxidar la molécula de alfa-cetoglutarato. Una molécula de NAD se reduce de nuevo para formar NADH y se va con otro de hidrógeno. Esta inestabilidad hace que un grupo carbonilo para ser lanzado como el dióxido de carbono y un enlace tioéster se forma en su lugar entre la primera alfa-cetoglutarato y la coenzima A para crear una molécula de succinil-coenzima A compleja. Paso 5 Una molécula de agua vierte sus átomos de hidrógeno a la coenzima A. Luego, un grupo fosfato flotantes libres desplaza coenzima A y forma un enlace con el complejo succinil. El fosfato es transferido a una molécula del PIB para producir una molécula de energía de GTP. Se deja atrás una molécula de succinato. Paso 6 En este paso, succinato es oxidado por una molécula de FAD (dinucleótido de adenina flavina). La FAD elimina dos átomos de hidrógeno a partir de la succinato y las fuerzas de un doble enlace para formar entre los dos átomos de carbono, creando así fumarato.

6 Paso 7 Una enzima añade agua a la molécula de fumarato para formar malato. El malato se crea mediante la adición de un átomo de hidrógeno a un átomo de carbono y la adición de un grupo hidroxilo a un carbono junto a un grupo carbonilo terminal. Paso 8 En este paso final, la molécula de malato es oxidado por una molécula de NAD. El carbono que lleva el grupo hidroxilo se convierte ahora en un grupo carbonilo. El producto final es oxalacetato que luego se puede combinar con acetil-coenzima A y comenzar el ciclo de Krebs de nuevo. Resumen En resumen, tres grandes eventos ocurren durante el ciclo de Krebs. Uno de GTP (trifosfato de guanosina) que finalmente se produce dona un grupo fosfato al ADP para formar un ATP, tres moléculas de NAD se reducen, y una molécula de FAD se reduce. Aunque una molécula de GTP lleva a la producción de un ATP, la producción de la reducción de NAD y FAD son mucho más importantes en la celda de energía de generación de proceso. Esto se debe a NADH y FADH 2 donan sus electrones a un sistema de transporte de electrones que genera grandes cantidades de energía mediante la formación de muchas moléculas de ATP. 8 Reacciones con dos Sub-Reacciones para poder describir mucho mejor cada paso del ciclo de krebs y entender en que consiste cada paso de este proceso. También se mencionan los productos de este ciclo, para relacionar esta ruta metabolica con la glucólisis que es la fase anterior a esta. Reacción 1: Citrato sintasa (De oxalacetato a citrato) La CoA transfiere un grupo acetilo de 2C para el Oxalacetato de 4C. Esto forma la molécula de citrato de 6 C Sub-Reacción 1.1: el acido cítrico pierde agua y forma el aconitato. Reacción 2: Aconitasa (De citrato a isocitrato) El aconitato recoge el agua y con esto El citrato se reorganiza para formar isocitrato de 6C. Reacción 3: Isocitrato deshidrogenasa (De isocitrato a oxoglutarato) La enzima deshidrogenasa mitocondrial depende de la presencia de NAD + y de Mn 2+ o Mg 2+. Primero es catalizada la oxidación del isocitrato a oxalsuccinato, lo que produce una molécula de NADH a partir de un NAD +. Sub-Reacción 3.1: Después se produce una descarboxilación, es decir, la salida de una molécula de CO2, que conduce a la formación de alfa- cetoglutarato de 5C, caracterizado por dos carboxilos en las extremidades y una cetona en posición alfa con respecto de uno de los dos grupos carboxilo.

7 Reacción 4: alfa- cetoglutarato deshidrogenasa (De oxoglutarato a Succinil- CoA) Después de la conversión del isocitrato en alfa- cetogluarato se produce una segunda reacción de descarboxilación oxidativa (consiste en la unión de una CoA con el alfa- cetoglutarato), que lleva a la formación de succinil CoA. 5- succinil- CoA sintetasa (De succinil- CoA a succinato) La CoA se retira del succinil CoA lo que produce al succinato. 6- enzima succinato deshidrogenasa (de succinato a fumarato) Mediante la oxidación del succinato al encontrarse con una molécula de FAD se forma el fumarato y un nuevo compuesto que es el FADH2. 7- Enzima fumarasa (De fumarato a L- malato) El fumarato Reacciona con el agua mediante la enzima Fumarasa formando el malato. 8-Enzima Malato deshidrogenasa (De malato a oxalacetato) En esta última reacción el malato se oxida al encontrarse con un NAD + formando el oxalocetato y un NADH +. Productos del Ciclo de krebs: Por cada molécula de piruvato se producen: 1 ATP, 3 NADH, 1 FADH2 y 2 CO 2 (el CO2 es expulsado por los pulmones al respirar). Pero esto cambia ya que teniendo en cuenta que en el proceso de la glucolisis se producen 2 moléculas de piruvato por molécula de glucosa. Por lo que el ciclo de krebs produce por cada molécula de glucosa: 2 ATP, 6 NADH, 2 FADH Y 4 CO 2.