Liberación de la Energía

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1 Sesión 05 Liberación de la Energía Capítulo 8

2 Los músculos de las piernas de estos ciclistas requieren de glucosa y oxígeno para obtener la energía que necesitan. (Imagen en recuadro) Johann Mühlegg es uno de los atletas de élite penalizados por aumentar artificialmente el suministro de oxígeno a sus células para mejorar el desempeño atlético.

3 Obtención de Energía de los Carbohidratos La mayoría de organismos convierten energía química de los carbohidratos a energía química en ATP. Las plantas producen ATP a partir de la glucosa producida en la fotosíntesis. Las células de otros organismos hacen ATP al metabolizar carbohidratos, grasas y proteínas

4 Glucosa Durante la descomposición de la glucosa (respiración celular), todas las células liberan la energía solar que originalmente fue capturada por las plantas en la fotosíntesis y la usan para producir ATP.

5 Descripción general de la descomposición de la glucosa La ecuación general de la respiración celular para que se realice la completa descomposición de la glucosa es: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 à 6CO 2 + 6H 2 O + ATP

6 Descripción general de la descomposición de la glucosa Las reacciones iniciales para descomponer la glucosa son: Glucólisis Respiración celular

7 Respiración aeróbica Se efectúa en las mitocondrias (de las células eucarióticas). Requiere de oxígeno. Descompone el piruvato en dióxido de carbono y agua. Produce entre 34 y 36 moléculas adicionales de ATP, dependiendo del tipo de célula.

8 membrana externa compartimiento intermembranal mitocondria membrana interna crestas matriz Una mitocondria: Las membranas mitocondriales interna y externa encierran dos compartimientos dentro de la mitocondria.

9 Funcionamiento de las mitocondrias Las mitocondrias producen ATP por respiración aeróbica Las cadenas de transferencia de electrones en las membranas mitocondriales configuran un gradiente de H + que impulsan la formación de ATP Hay más de 40 enfermedades mitocondriales La Ataxia de Friedreich, es causada por una mutación de un gen mitocondrial, que resulta en debilidad muscular, problemas de visión y desórdenes cardíacos Abejas africanizadas tienen mitocondrias más grandes, son más agresivas y con mayor capacidad de dispersión

10 Resumen del metabolismo de la glucosa

11 Evolución de la atmósfera de la tierra La respiración aeróbica, que usa oxígeno y libera más ATP que la fermentación, evolucionó hasta que los primeros fotoautótrofos liberaron O 2 y cambiaron la atmósfera de la Tierra Respiración aeróbica Ruta metabólica que requiere oxígeno para la descomposición de los carbohidratos para producir ATP Fotótrofo Autótrofo fotosintético

12 Pasado y Presente Concepción artística de cómo la tierra fue modificada permanentemente por la evolución de la fotosíntesis y la respiración aeróbica

13 Respiración Aeróbica Esta ecuación resume la respiración aeróbica: C 6 H 12 O 6 (glucosa) + O 2 (oxígeno) CO 2 (dióxido de carbono) + H 2 O (agua) Notar que la respiración aeróbica requiere oxígeno (producto de la fotosíntesis) y produce dióxido de carbono y agua (materiales primarios para la fotosíntesis)

14 Energía, Fotosíntesis, y Respiración energía CO 2 H 2 O glucosa O 2 energía

15 Glucólisis: inicio de la descomposición de la glucosa Glucólisis, el primer estadío de la respiración aeróbica y de la fermentación, se da en el citoplasma Las enzimas usan 2 ATP para convertir 1 molécula de glucosa, o de otro azúcar de seis carbonos, en 2 moléculas de piruvato glucosa piruvato Glucólisis

16 Requieren ATP 1 Una enzima (hexokinasa), transfiere un grupo fosfato del ATP a la glucosa, se forma glucosa-6-phosfato. 2 Un grupo fosfato de otro ATP es transferido a la glucosa-6-fosfato. La molécula resultante es inestable y se divide en dos moléculas de tres carbonos. Las moléculas son interconvertibles, las podemos llamar a ambas PGAL (fosfogliceraldehido). Se han invertido dos ATP en las reacciones. Se genera ATP Pasos de la Glucólisis 3 Las enzimas unen un fosfato a cada una de las dos PGAL, y transfieren dos electrones y un ion hidrógeno de cada PGAL al NAD +. Se forman dos PGA (fosfoglicerato) y dos NADH. 4 Las enzimas transfieren un grupo fosfato de cada PGA al ADP, se forman dos ATP por fosforilación a nivel de sustrato. La inversión original de dos ATP se recuperó. 6 5 Las enzimas transfieren un grupo fosfato de cada uno de los dos intermediarios (PEP: fosfoenolpiruvato) al ADP. Se forman otros dos ATP por fosforilación a nivel de sustrato. Se forman dos moléculas de Piruvato. En resumen, la glucólisis genera dos NADH, dos ATP (neto) y dos piruvato a partir de cada molécula de glucosa. Dependiendo del tipo de célula y de las condiciones ambientales, el piruvato puede participar en el segundo estadío de la respiración aeróbica o puede ser usado en otras vías, tales como la fermentación

17 Productos de la Glucólisis La Glucólisis genera 2 NADH, 2 ATP (neto) y 2 piruvato por cada molécula de glucosa Dependiendo del tipo de célula y de las condiciones ambientales, el piruvato puede participar en el segundo estadío de la respiración aeróbica o puede ser usado en otras vías, tales como la fermentación

18 Segunda Etapa: Formación de Acetyl-CoA y Ciclo de Krebs mitocondria citoplasma Membrana externa Membrana interna matriz 2 piruvato de la Glucólisis se convierten a 2 acetil-coa y 2 CO 2 El Acetil CoA entra al ciclo de Krebs donde se descompone en CO 2 Por cada dos moléculas de piruvato que se descomponen se forman dos ATP y se reducen 10 coenzimas (8 NAD + y 2 FAD).

19 Formación de Acetil CoA y Ciclo de Krebs 1 Una enzima rompe una molécula de piruvato en un grupo acetilo de dos átomos de carbono y produce CO 2.. La coenzima A se une al grupo acetilo (produciendo Acetil-CoA). El NAD+ se combina con los iones hidrógeno y los electrones para formar NADH. 2 El ciclo de Krebs empieza cuando un átomo de carbono se transfiere de la Acetil-CoA al oxaloacetato. Se forma Citrato, y se regenera la coenzyme A. 3 Un átomo de carbono es removido de un intermediario y deja la célula como CO 2. El NAD + se combina con los iones de hidrógeno y los electrones liberados para formar NADH. 4 Un átomo de carbono se remueve de otro intermediario y deja la célula como CO 2, y se forma otro NADH Los tres átomos de carbono del Piruvato ya han abandonado la célula como CO 2 Krebs Cycle 8 Las etapas finales del ciclo de Krebs regeneran oxaloacetato. 7 El NAD + se combina con los iones de hidrógeno y los electrones produciendo NADH. 6 La coenzima FAD se combina con los iones de hidrógeno y los electrones produciendo FADH 2. 5 Se forma un ATP por fosforilación a nivel de sustrato

20 Reacciones fundamentales en la matriz mitocondrial 1 El piruvato libera CO 2 y reacciona con la coenzima A (CoA) para formar acetil CoA. Durante esta reacción, se agrega un electrón energético al NAD+ para formar NADH.

21 Reacciones fundamentales en la matriz mitocondrial 2 Cuando la acetil CoA entra en el ciclo de Krebs, la coenzima A se libera. El ciclo de Krebs produce una molécula de ATP, tres moléculas de NADH, una de FADH 2 y dos de CO 2 por cada acetil CoA. Puesto que cada molécula de glucosa produce dos moléculas de piruvato, la producción total de energía por molécula de glucosa en la matriz es de dos ATP, ocho NADH y dos FADH 2.

22 El gran rendimiento de energía de la respiración aeróbica La tercera etapa de la respiración aeróbica, la fosforilación acoplada al transporte de electrones, también ocurre dentro de la mitocondria, en la membrana interna Se forman muchos ATP en la fosforilación acoplada al transporte de electrones

23 Fosforilación acoplada al transporte de electrones citoplasma Membrana externa Espacio entre las membranas Membrana interna matriz Oxígeno (O 2 ) El NADH y el FADH 2 entregan electrones a la cadena de transporte de electrones en la membrana interna de la mitocondria. 2 El flujo de electrones a través de la cadena hace que se bombeen iones de hidrógeno (H +) de la matriz hacia el espacio entre las membranas 3 La actividad de la cadena de transporte de electrones hace que se forme un gradiente a través de la membrana interna mitocondrial 4 Los hidrógeno fluyen de regreso hacia la matriz a través de la ATP sintetasa que impulsa la formación de ATP a partir de ADP y de fosfato inorgánico 5 El oxígeno (O 2 ) acepta los electrones y los iones hidrógeno al final de la cadena de transporte de electrones en la mitocondria y forma AGUA

24 La cosecha de energía En total, la respiración aerobica típicamente produce 36 ATP por cada molécula de glucosa. 4 ATP se forman en la primera y segunda etapa y 32 en la tercera etapa. 32 ATP se forman típicamente en la tercera etapa, pero el rendimiento varía Por ejemplo: en cerebro y músculos esqueléticos es de 38 ATP, no 36

25 Cadena de transporte de electrones Los NADH y los FADH 2 entregan sus electrones energéticos a las proteínas de la cadena de transporte de electrones integrada a la membrana mitocondrial interna. Al final de la cadena de transporte de electrones (ETC), los electrones agotados se combinan con iones hidrógeno y oxígeno para formar H 2 O.

26 Quimiósmosis 1. La energía se libera de los electrones a medida que bajan por la cadena de transporte de electrones. 2. La energía liberada se utiliza para bombear iones hidrógeno a través de la membrana interna. Los iones hidrógeno se acumulan en el compartimiento intermembrana.

27 Quimiósmosis 3. Los iones hidrógeno forman un gradiente de concentración a través de la membrana, una forma de energía almacenada. 4. Los iones hidrógeno se desplazan a la matriz, mediante enzimas sintetizadoras de ATP. Este proceso se llama quimiósmosis.

28 Quimiósmosis 5. Conforme fluyen, los iones hidrógeno suministran la energía para sintetizar de 32 a 34 moléculas de ATP a partir de ADP +P. 6. El ATP entonces se difunde fuera de la mitocondria y suministra la mayor parte de la energía que la célula necesita.

29 Cadena de transporte de electrones de las mitocondrias Las moléculas de NADH y FADH 2 depositan sus electrones energéticos en los componentes de la cadena de transporte de electrones. Conforme los electrones pasan a través de cada componente de la cadena, parte de su energía se utiliza para bombear iones hidrógeno de la matriz al interior del compartimiento intermembranoso. Esto crea un gradiente de iones hidrógeno que permite impulsar la síntesis de ATP. Al final de la cadena de transporte de electrones, los electrones cuya energía se ha agotado se combinan con iones hidrógeno y con oxígeno en la matriz para formar agua.

30 A Primera etapa: Glucosa se convierte en 2 piruvato; 2 NADH y se forman 4 ATP. B Segunda etapa: otras 10 coenzimas aceptan electrones y los iones hidrógeno. C Tercera etapa: Las Coenzimas que fueron reducidas en las dos primeras etapas dan electrones y iones hidrógeno a la cadena de transferencia de electrones. Energía perdida por los electrones durante su flujo a través de las cadenas se usa para mover los H+ a través de la membrana. Glucólisis oxígeno Ciclo de Krebs citoplasma Membrane externa Espacio entre las membranas Membrane interna matriz En resumen: la cosecha de energía

31 Descripción general de la descomposición de la glucosa Si hay oxígeno presente, ocurre la RESPIRACIÓN CELULAR. Si no hay oxígeno presente, la glucólisis es seguida de la fermentación. El piruvato se convierte ya sea en lactato, o bien, en etanol y CO 2.

32 Fermentación Alcohólica El piruvato que se formó en la glucólisis se convierte en alcohol etílico o etanol 1. La molécula de piruvato de 3 átomos de carbono, se separa en dioxido de carbono (CO 2 ) y acetaldehído (molécula de 2 átomos de carbono) 2. Los electrones e iones hidrógeno se transfieren del NADH al acetaldehído, formando NAD + y etanol Los panaderos utilizan la capacidad de fermentación alcohólica de la levadura Saccharomyces cerevisiae, para elaborar el pan (descomponen los carbohidratos de la masa y producen CO 2 ). Las levaduras convierten el azúcar de las uvas en vino

33 Fermentación Alcohólica

34 Fermentación Láctica

35 Fermentación En condiciones anaeróbicas, el piruvato se convierte en lactato o etanol, este proceso se llama fermentación. La fermentación no produce más ATP, pero es necesaria para regenerar las moléculas portadoras de electrones de alta energía NAD +, que se reutilizan durante la glucólisis y deben estar disponibles para que ésta continúe.

36 Fermentación v Algunas células fermentan el piruvato para formar ácidos. v Las células de los músculos humanos pueden llevar a cabo la fermentación. Las condiciones anaeróbicas producidas cuando los músculos consumen el O 2 más rápidamente de lo que puede ser suministrado (por ejemplo, al correr). El lactato (ácido láctico) producido del piruvato.

37 1. Glucólisis seguida por fermentación del lactato

38 2. Glucólisis seguida por fermentación del lactato

39 3. Glucólisis seguida por fermentación láctica

40 Fermentación Durante el esfuerzo final de un corredor, el aparato respiratorio y el sistema circulatorio no pueden suministrar oxígeno a los músculos de sus piernas con la rapidez suficiente para satisfacer la demanda de energía, por lo que la glucólisis debe proveer el ATP. En los músculos, la fermentación del ácido láctico sigue a la glucólisis cuando no hay oxígeno disponible.

41 Fermentación Varios microorganismos fermentan el piruvato en otros ácidos (como en la producción del queso, yogur, y crema agria). Otros microorganismos únicamente llevan a cabo la fermentación (en vez de la respiración aeróbica).

42 etanol Glucólisis seguida por fermentación alcohólica

43 Fermentación La glucosa se fermenta en etanol y CO 2. Los vinos espumosos se preparan mezclando la levadura con el azúcar de las uvas; el CO 2 produce las burbujas. El pan se prepara mezclando levadura, azúcar, y harina; las burbujas de CO 2 hacen que la masa se esponje.

44 Productos de la Fermentación Alcohólica é Las levaduras llevan acabo la fermentación alcohólica.

45 Fermentación El pan se esponja cuando las levaduras fermentadoras liberan CO 2, lo que convierte la glucosa en etanol. La masa de la izquierda se elevó al doble de su volumen, como se observa en la imagen de la derecha, en unas cuantas horas.

46 Fermentación Láctica en Músculos Los músculos esqueléticos tienen dos tipos de fibras: rojas y blancas El ATP se produce primariamente por respiración aeróbica en las fibras de músculo rojo (con mucha mioglobina, proteína que almacena oxígeno), cuyas actividades sustantivas requieren resistencia. La fermentación láctica se dá en las fibras blancas, que tienen pocas mitocondrias y casi nada de mioglobina, de tal forma que en ellas casi no se dá la respiración aerobia. Esta ruta proporciona ATP rápidamente, pero por poco tiempo, por lo que se utiliza para actividades como carreras cortas e intensas o para levantamiento de pesas.

47 Lactato en los Músculos

48 Cómo influyen en el funcionamiento de los organismos Los procesos metabólicos de las células dependen de la generación de ATP (el cianuro mata al evitar esto). Las células de los músculos cambian de la fermentación a la respiración celular aeróbica, dependiendo de la disponibilidad de O 2.

49 Otras Rutas Metabólicas También otras moléculas, diferentes de los carbohidratos, son fuente común de energía para el cuerpo de los animales Otras rutas pueden convertir los lípidos y las proteínas de la dieta, a moléculas que pueden entrar sea en la glucólisis o en el ciclo de Krebs

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