Iván Ferrer Rodríguez, Ph.D. Catedrático Respiración celular y fermentación Capítulo 9, Reece, Urry, Cain, Wasserman, Minorsky, Jackson, 2009 Campbell Biology 9 th Edition
Respiración celular Respiración celular ocurre en tres partes: 1) Glucólisis 2) Ciclo de Krebs 3) Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa. 2
Introducción Los compuestos orgánicos almacenan energía química (potencial) en sus arreglos de átomos. La célula degrada estos compuestos orgánicos complejos en moléculas más simples que tienen menos energía. La célula usa parte de la energía generada o liberada al degradar los compuestos orgánicos para hacer trabajo en la célula. Parte de la energía se pierde en forma de calor. 3
Trabajo celular En la célula se hacen tres clases de trabajo: Mecánico - mover cilios y flagelos. Transporte - mover sustancias a través de la membrana contra gradiente. Químico - síntesis de polímeros a partir de monómeros. 4
Reacciones anabólicas El metabolismo es el conjunto de todas las reacciones químicas (miles) que ocurren en el cuerpo. Se puede dividir en reacciones anabólicas y catabólicas. 1) Anabólica - se consume energía para producir moléculas complejas a partir de moléculas simples. Ejemplo 1: Fotosíntesis ( G = 686 Kcal/mol). 6CO 2 + 6H 2 O + energía solar C 6 H 12 O 6 + O 2. Reacción endergónica porque se absorben 686 kcal/mol glucosa. Fotosíntesis es proceso mediante el cual las plantas consumen energía del sol y la convierten en energía química contenida en los enlaces de las moléculas de azúcar. 5
Reacciones catabólicas El metabolismo es el conjunto de todas las reacciones químicas (miles) que ocurren en el cuerpo. Se puede dividir en reacciones anabólicas y catabólicas. 2) Catabólica - se libera energía rompiendo moléculas complejas en moléculas más simples. Ejemplo 1: Respiración celular. C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + energía (ATP + calor). Reacción exergónica porque se liberan 686 kcal/mol glucosa. Respiración celular - es un proceso mediante el cual la célula convierte la energía presente en los nutrientes en energía en forma de ATP. 6
Reacciones catabólicas En este proceso de respiración celular se requiere oxígeno como aceptador final de electrones, por eso se denomina respiración aerobia. En respiración anaerobia no se requiere oxígeno como aceptador final de electrones. Sustancias inorgánicas como nitratos (NO3 - ) o sulfatos (SO4 2- ) actúan como aceptador final de electrones. Respiración celular no se refiere al proceso que ocurre en animales comúnmente donde se absorbe y expulsa aire por los pulmones. 7
Reacciones catabólicas 2) Catabólica - se libera energía rompiendo moléculas complejas en moléculas más simples. Ejemplo 2: Fermentación Proceso donde se degradan azúcares a moléculas simples, pero en ausencia de O 2. Es menos eficiente que el proceso de respiración celular. Las reacciones catabólicas y anabólicas están conectadas a través de la molécula de ATP. 8 El ATP es la molécula que almacena temporeramente la energía que se libera en las reacciones exergónicas y la hace disponible para las reacciones endergónicas.
Reacciones catabólicas Figura 9.2 Fotosíntesis: 6CO 2 + 6H 2 O + energía solar C 6 H 12 O 6 + O 2. Respiración celular: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + energía (ATP + calor). Qué organelo es considerado la casa energética de la célula? Flujo de energía y reciclaje químico en ecosistemas. 9 Qué molécula es considerada la moneda energética de la célula?
Reacciones catabólicas Figura 9.2 Mitocondria - organelo eucariota donde ocurre parte del proceso de respiración celular. En la respiración se usan los productos orgánicos y el O 2 de la fotosíntesis como combustible para la respiración celular y se genera ATP. Flujo de energía y reciclaje químico en ecosistemas. 10 Los desechos metabólicos de la respiración, CO 2 y H 2 O, son las sustancias que usa el cloroplasto para el proceso de fotosíntesis.
Cómo se genera el ATP? El enlace del último fosfato puede ser hidrolizado: ATP ADP + Pi + energía. ATP La trasferencia del grupo fosfato del ATP es el principal responsable del trabajo celular. La transferencia del grupo fosfato a otra molécula se conoce como fosforilación porque se transfiere un grupo fosfato. 11 La molécula fosforilada sufre una serie de cambios y se torna activa y realiza el trabajo.
Fosforilación La molécula fosforilada sufre una serie de cambios y se torna activa y realiza el trabajo. Ejemplos: 1) Proteínas transportadoras en la membrana se tornan activas cuando están fosforiladas. 2) Proteínas motoras se tornan activas cuando están fosforiladas. 3) Reactivos químicos se tornan activos cuando están fosforilados. Cuando realiza el trabajo, la molécula fosforilada pierde el grupo fosfato. Este fosfato estará libre para acoplarse a otra molécula de ADP y formar ATP. 12
Reacciones redox Para entender el proceso respiración, hay que conocer los términos reducción y oxidación. En las reacciones químicas ocurren transferencias de electrones (e - ) de un átomo a otro. Estas transferencias liberan energía y se usa para sintetizar ATP. Reacción redox Oxidación Na + Cl Na + Cl - Reducción 13 Estas trasferencias de e - se conocen como reacciones de reducción y oxidación o reacciones redox.
Reacciones redox La reacción en la que una sustancia pierde electrones se conoce como oxidación. En este ejemplo, el sodio (Na) pierde una carga negativa (e - ), por eso se torna positivo. Reacción redox Oxidación Na + Cl Na + Cl - Reducción 14
Reacciones redox La reacción donde una sustancia gana electrones se conoce como reducción. En este ejemplo, el cloro (Cl) gana una carga negativa (e - ), por eso se torna negativo. Reacción redox Oxidación Na + Cl Na + Cl - Reducción 15
Reacciones redox Ambas reacciones siempre ocurren juntas, en las reacciones redox, no puede haber una sin la otra. Al donante de electrones (Na), se le conoce como agente reductor. Al recipiente de electrones (Cl), se le conoce como agente oxidante. Reacción redox Oxidación Na + Cl Na + Cl - Reducción 16
Reacciones redox En resumen: Reacción redox El sodio pierde electrones, se oxida. El que se oxida se denomina agente reductor. Oxidación Na + Cl Na + Cl - Reducción El cloro gana electrones, se reduce. El que se reduce se denomina agente oxidante. 17
Reacciones redox No siempre ocurre transferencia completa de electrones. Combustión de metano Algunas a veces ocurre un cambio o re-arreglo de los electrones que se comparten. El metano (CH 4 ) tiene enlaces covalentes. Cuando CH 4 con reacciona con O 2, los electrones presentes en el hidrógeno dejan el carbono (pérdida de electrones = oxidación) y se van para el O 2 (ganancia de electrones = reducción). 18
Reacciones redox Como el oxígeno es tan electronegativo, es uno de los agentes oxidantes más potentes. Combustión de metano La oxidación de metano por oxígeno es la reacción que ocurre en la estufa. También la combustión de la gasolina es una reacción redox, que libera energía y empuja los pistones. 19
Reacciones redox La explosión de una estación de gasolina, no mueve el motor de un carro. Combustión de metano La oxidación paulatina del combustible, si mueve los pistones porque se va liberando la energía lentamente, paso a paso. La oxidación de la glucosa en el proceso de respiración celular NO ocurre como una explosión, en un solo paso. 20 La oxidación de la glucosa es un proceso de muchos pasos, cada uno catalizado por una enzima.
Reacciones redox En varios de los pasos del proceso de respiración celular se remueven hidrógenos (e - ) de glucosa, pero no se transfieren directamente a O 2, participa un intermediario. El intermediario aceptador de electrones es una enzima llamada dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD + ). Reacción redox Oxidación C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + ATP Reducción 21
Reacciones redox Los hidrógenos (e - ) pasan primero a NAD + y la reducen. Cuando NAD pierde los electrones se oxida, es una reacción reversible (ver Figura 9.4). Oxidación H-C-OH + NAD + Dehidrogenasa C=O + NADH + H + Carga positiva Oxidado Agente oxidante Reducción Neutral Reducido NAD funciona como agente oxidante durante la respiración. El otro protón se libera al medio ambiente. 22
23 NAD NADH
NAD NADH Cómo los electrones que se extraen del alimento y pasan a NADH llegan finalmente al oxígeno? a) El hidrógeno y oxígeno se combinan para formar agua en una reacción exergónica donde se libera una gran cantidad de energía. La energía se libera cuando los electrones del H 2 se acercan al átomo de O 2. b) En respiración celular, se juntan los electrones del H 2 con el O 2 en la cadena de transporte de electrones. c) La cadena transporte de electrones son moléculas, principalmente proteínas que están presentes en la membrana interna del mitocondria. 24
Mitocondria Figura 6.17 Organelo de doble membrana, con bicapa de fosfolípidos y proteínas. Membrana externa es suave. Membrana interna tiene invaginaciones llamadas crestas. Dos regiones principales: Espacio entre dos membranas (intermembranal). Espacio contenido dentro de la membrana interna (matriz). 28
Respiración celular La Figura 9.6 resume respiración celular en tres partes: 1) Glucólisis 2) Ciclo de Krebs 3) Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa. 29
Glucólisis Ocurre en el citosol (el citoplasma, pero sin incluir los organelos). Comienza con la degradación de glucosa y termina con dos moléculas de piruvato. Se produce ATP mediante fosforilación a nivel de sustrato (se describirá en detalle más adelante). Puede ocurrir en presencia o ausencia de oxígeno. 30
Ciclo de Krebs Ocurre en la matriz del mitocondria. Descompone el piruvato a CO 2 (el CO 2 representa partes de moléculas orgánicas oxidadas). Se produce ATP mediante fosforilación a nivel de sustrato. Puede ocurrir sólo en presencia de oxígeno. 31
Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa Ocurre en las crestas del mitocondria. Acepta electrones del rompimiento de moléculas de los primeros dos pasos. Los electrones pasan por la cadena de transporte de electrones y al final se combinan con O 2. Se produce ATP mediante fosforilación oxidativa. Puede ocurrir sólo en presencia de oxígeno. 32
Respiración celular Respiración celular ocurre en tres partes: 1) Glucólisis 2) Ciclo de Krebs 3) Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa. 33
34 Glucólisis: Figura 9.9
Glucólisis 1. Glucosa entra a la célula y es fosforilada por la enzima hexokinasa: Figura 9.9 Añade fosfato a la azúcar (se consume o gasta un ATP). La carga del fosfato provoca que la azúcar quede atrapada porque la membrana es impermeable a los iones. El fosfato hace que la azúcar sea más reactiva. 35
Glucólisis 2. Glucosa-6-fosfato se re-arregla para convertirse un isómero, fructosa-6-fosfato. Figura 9.9 36
Glucólisis 3. Fosfofructokinasa añade otro grupo fosfato al azúcar. Figura 9.9 Se consume o gasta un segundo ATP. Se forma fructosa 1-6 bi-fosfato. 37
Glucólisis 4. Una aldolasa convierte fructosa 1,6 bi-fosfato en dos moléculas de tres carbono cada una: Fosfato de dihidroxiacetona Gliceraldehído-3-fosfato Figura 9.9 De este punto en adelante, considerar las reacciones en duplicado. 38
Glucólisis 5. Una isomerasa cataliza la interconversión entre las dos azúcares de tres carbonos. Figura 9.9 El gliceraldehído-3-fosfato es utilizado en el próximo paso. De este punto en adelante, considerar las reacciones en duplicado. 39
Glucólisis 6. El gliceraldehído-3-fosfato es convertido a 1,3 bi-fosfoglicerato mediante una reacción enzimática. Figura 9.9 Se oxida la azúcar por la transferencia de electrones a NAD + formando NADH. Se producen dos NADH. 40
Glucólisis 7. Se produce ATP mediante fosforilación a nivel de sustrato. Figura 9.9 Se producen dos ATP. 41
Glucólisis 8. Se re-localiza el grupo fosfato. Figura 9.9 42
Glucólisis 9. Una enolasa causa la formación de un doble enlace y extracción de agua para formar fosfoenolpiruvato Figura 9.9 43
Glucólisis 10. Fosfoenolpiruvato es convertido en piruvato produciendo más ATP. Se producen dos ATP. Figura 9.9 Ocurre mediante fosforilacion a nivel de sustrato. Al final, la molécula de glucosa es convertida en dos (2) moléculas de piruvato. 44
Resumen de glucólisis No hay liberación de CO 2. Figura 9.9 Se producen dos (2) NADH: Gliceraldehído-3-fosfato 1,3- bifosfoglicerato (se produce un NADH). La reacción ocurre dos veces (se produce otro NADH). La energía almacenada en NADH pueden ser convertidas a ATP en la cadena de transporte de electrones. 45 En la cadena de transporte de electrones se producen 3 ATP por cada NADH.
Resumen de glucólisis Se producen cuatro (4) ATP: 1,3-bifosfoglicerato 3 fosfoglicerato (se produce un ATP). La reacción ocurre dos veces (se produce otro ATP). Fosfoenolpiruvato piruvato (se produce otro ATP). La reacción ocurre dos veces (se produce otro ATP). Figura 9.9 La glucólisis libera menos de 1/4 de la energía almacenada en glucosa, la mayor energía permanece en el piruvato. 46
Glucólisis En glucólisis también se consumen dos moléculas de ATP. Figura 9.9 Glucólisis puede ser en presencia o ausencia de oxígeno. La utilización de piruvato en el próximo paso (Ciclo de Krebs) y la producción de energía a partir del NADH sólo pueden ocurrir en presencia de oxígeno. 47
Respiración celular Respiración celular ocurre en tres partes: 1) Glucólisis 2) Ciclo de Krebs 3) Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa. 48
49 Procesamiento de piruvato
Procesamiento de piruvato Si hay oxígeno disponible en la célula: Figura 9.10 1) El piruvato entra a la matriz del mitocondria, donde va a ocurrir oxidación del piruvato en el ciclo de Krebs. Se remueve el grupo carboxilo en forma de CO 2 (primera liberación de CO 2 mediante descarboxilación). 50 El fragmento restante de dos carbonos es oxidado a un compuesto llamado acetato.
Procesamiento de piruvato Si hay oxígeno disponible en la célula: Figura 9.10 2) Ocurre transferencia de electrones a NAD + y ocurre reducción de NAD + a NADH. Esta reacción ocurre dos veces (2 NADH). En la cadena de transporte de electrones se producen 3 ATP por cada NADH. 51
Procesamiento de piruvato Si hay oxígeno disponible en la célula: Figura 9.10 3) Un compuesto llamado coenzima A, que contiene azufre y que es derivado de la vitamina B, se pega al acetato y se forma Acetylcoenzima A. Acetylcoenzima A entra en la próxima etapa, el Ciclo de Krebs. 52
Respiración celular Respiración celular ocurre en tres partes: 1) Glucólisis 2) Ciclo de Krebs 3) Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa. 53
55 Krebs: Figura 9.11
Ciclo de Krebs Se producen seis (6) NADH: Isocitrato -cetoglutarato (se produce un NADH). -cetoglutarato succinil CoA (se produce un segundo NADH). Malato oxaloacetato (se produce un tercer NADH). Figura 9.11 El ciclo ocurre dos veces (se producen en total 6 NADH). 56 En la cadena de transporte de electrones se producen 3 ATP por cada NADH.
Ciclo de Krebs Se producen dos (2) ATP: Succinil CoA succinato (se produce un GTP). Ocurre fosforilación a nivel de sustrato (GDP + Pi GTP). Figura 9.11 GTP es un compuesto similar a ATP. GTP transfiere su fosfato (Pi) a ADP para formar ATP (ADP + Pi ATP). 57 El ciclo ocurre dos veces (se producen en total 2 ATP).
Ciclo de Krebs Se producen (2) FADH2: Succinato fumarato (se produce un FADH2). El ciclo ocurre dos veces (se producen en total 2 FADH2). Figura 9.11 FAD es un dinucleótido de falvina y adenina (FAD FADH2). FAD es un aceptador de electrones similar al NAD. 58 En la cadena de transporte de electrones se producen 2 ATP por cada FADH2.
Respiración celular Respiración celular ocurre en tres partes: 1) Glucólisis 2) Ciclo de Krebs 3) Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa. 59
60 Cadena de transporte: Figura 9.13
Cadena de transporte de electrones Son moléculas en la membrana interna del mitocondria. Figura 9.11 La mayoría son proteínas. Contienen grupos prostéticos no proteicos enlazados y los mismos son esenciales para la función de estas enzimas. 61
Cadena de transporte de electrones 1) Los electrones transferidos a NADH en glucólisis y Krebs se transfieren a la primera molécula de la cadena de electrones, Flavoproteina o FMN. Figura 9.11 Tiene grupo prostético llamado mononucleótido de flavina. 62
Cadena de transporte de electrones 2) Los electrones pasan a: Figura 9.11 Una proteína que contiene hierro y azufre (FeS). Ubiquinona (Q), es un lípido. La mayoría de los otros componentes son citocromos (cyt). 63
Cadena de transporte de electrones 3) Los citocromos: Figura 9.11 Tienen grupo prostético llamado heme, el cual tiene 4 anillos orgánicos rodeando un átomo de Fe. Se parece a la estructura de la hemoglobina, pero en el citocromo lo que se transportan son electrones. 64
Cadena de transporte de electrones 4) El último citocromo de la cadena (cyt a 3 ) transfiere los electrones a oxígeno (O 2 ) y se forma agua. Figura 9.11 65
Cadena de transporte de electrones 5) La cadena de transporte de electrones no hace ATP directamente. Figura 9.11 Su función es facilitar la caída de electrones de los alimentos hasta el oxígeno y liberar la energía paso por paso. Se libera la energía de modo tal que sea manejable. 66
67 Sintasa de ATP: Figura 9.14
Formación de ATP en la cadena de transporte de electrones En la membrana del mitocondria hay muchas copias del complejo enzimático llamado sintasa de ATP. Figura 9.14 También está en la membrana del cloroplasto y membrana celular procariota. 68
Formación de ATP en la cadena de transporte de electrones La sintasa de ATP tiene tres partes proteicas: Figura 9.14 Componente cilíndrico dentro de la membrana. Bastón (rod) que conecta ambas partes. Protuberancia (knob) que está en la matriz del mitocondria. 69
Formación de ATP en la cadena de transporte de electrones El cilindro gira cuando pasan los H + a través de él. Figura 9.14 Esto hace que el bastón gire y se activa el sitio catalítico del knob, que es el componente que une el fosfato inorgánico a ADP para hacer ATP. 70 El mecanismo mediante el cual se transportan los electrones (H + ) a través del canal de la sintasa de ATP y a la misma vez se forman las moléculas de ATP se conoce como quimioosmosis.
Conexión entre transporte de electrones a través de la membrana y la síntesis de ATP Los electrones se transportan y se bombean a través de la membrana. Figura 9.15 Como resultados del transporte de electrones se forma ATP. Recodar que los electrones son transferidos en el átomo de H. 71 H-C-OH + NAD + enzima deshidrogenasa C=O + NADH + H +
Fosforilación oxidativa Este mecanismo mediante el cual se forma este ATP se produce conoce como fosforilación oxidativa. Figura 9.15 A través de este mecanismo se producen la mayoría de los ATP en el proceso de respiración celular. Es fosforilación porque se añade fosfato y es oxidativa porque ocurre en presencia de oxígeno. 72
73 Fosforilación oxidativa
Fosforilación a nivel de sustrato Hay otro mecanismo de formación de ATP, que se conoce como fosforilación a nivel de sustrato. Figura 9.7 En esta reacción el ATP se hace por transferencia directa de un grupo fosfato desde un sustrato hasta el ADP. ADP + P i ATP. 74
Fosforilación a nivel de sustrato En este ejemplo, el donante de fosfato es fosfoenolpiruvato (PEP), que es un producto intermediario que se forma en glucólisis. Figura 9.7 A través de este mecanismo se producen un mínimo de los ATP en el proceso de respiración celular. 75
Resumen de formación de ATP en la célula Glucólisis: Se producen 2 NADH: Se producen 4 ATP, se gastan 2 ATP, ganancia neta 2 ATP Ciclo de Krebs: Se producen seis (6) NADH: Se producen dos (2) ATP: Se producen dos (2) FADH 2 : Oxidación del piruvato: Se producen 2 NADH Fosforilación oxidativa y total: 10 NADH x 3 ATP: 30 ATP 2 FADH2 x 2 ATP 4 ATP 4 ATP directos: 4 ATP 38 ATP 76
Fermentación Es un proceso catabólico mecanismo mediante el cual se producen cantidades limitadas de ATP a partir de glucosa, sin utilizar la cadena de transporte de electrones. Recuerden que: Glucólisis puede ocurrir en presencia o ausencia de oxígeno. La utilización de piruvato en el Ciclo de Krebs y la producción de energía a partir del NADH en la cadena de transporte de electrones sólo pueden ocurrir en presencia de oxígeno. Se recicla el NAD + cuando el NADH deposita los electrones en la cadena de transporte de electrones. 77
Fermentación Es un proceso que bajo condiciones anaerobias. Es un proceso donde se degradan parcialmente las azúcares a moléculas más simples, pero en ausencia de O 2. Es menos eficiente que el proceso de respiración celular. Es una extensión de glucólisis, si hay oxígeno ocurre respiración, si no hay oxígeno ocurre fermentación. 78
Formas comunes de fermentación 1) Fermentación alcohólica: Figura 9.17 Piruvato es convertido en etanol en ausencia de oxígeno. Dos pasos principales: Decarboxilación - se remueve CO 2 del piruvato y se produce acetaldehido. 79 Reducción - acetaldehido es reducido (ganancia de electrones) a etanol, a través de la intervención de NADH, que se oxida a NAD +.
Formas comunes de fermentación 1) Fermentación alcohólica: Figura 9.17 Se regenera el NAD + que se necesita en glucólisis. Se puede producir ATP en glucólisis. Llevada a cabo por levaduras en la producción de cervezas y vinos Llevada a cabo por bacterias. 80
Formas comunes de fermentación 2) Fermentación ácido láctica Piruvato es convertido en lactato en ausencia de oxígeno. Es una reducción directa por NADH, de piruvato a lactato. Se regenera el NAD + que se necesita en glucólisis. Se puede producir ATP en glucólisis. 81 Llevada a cabo por hongos y bacterias, se utiliza para hacer productos lácteos como quesos y yogur.
Formas comunes de fermentación 2) Fermentación ácido láctica Cuando en O 2 está escaso, las células del músculo hacen ATP mediante la formación de ácido láctico. El lactado se acumula en el tejido y se produce dolor. El lactato es llevado por la sangre hasta el hígado donde se convierte otra vez en piruvato. Ocurre durante ejercicio intenso cuando el rompimiento de azúcares es más rápido que el suplido de oxígeno de la sangre. 82
83 Resumen