Catabolismo celular eucaritoa MC I Medio Una de las más grandes maravillas de la evolución consiste en la capacidad para generar energía celular de una manera altamente eficiente. Esta ventaja provee a los organismos capaces de utilizar el oxígeno en este proceso (aeróbicos) de una maquinaria productora de ATP que no se detiene jamás en la vida de la célula, otorgando grandes cantidades de ATP en un proceso dividido en etapas conocidas en conjunto como la respiración celular. Módulo común http://www.puntajenacional.cl
La célula III Catabolismo celular eucarionte 2 2 Hemos descrito en guías anteriores la morfología y función de muchos componentes celulares, como organelos y la membrana plasmática. En esta guía (y la siguiente) analizaremos dos organelos dejados en el tintero: las mitocondrias y los cloroplastos. Un importante tema para la comprensión de la dinámica celular es De dónde proviene la energía? Qué se necesita y cómo se obtiene? A lo largo de esta guía intentaremos dar algunas respuestas a dichas preguntas. El metabolismo celular Se define como metabolismo al conjunto de reacciones bioquímicas que permiten a la célula vivir. Existen dos grupos de reacciones pertenecientes al metabolismo celular: - Catabolismo: Degradación de grandes moléculas hasta sus constituyentes. - Anabolismo: Síntesis de biomoléculas desde moléculas monoméricas Así, las reacciones para obtener energía celular en forma de ATP son consideradas catabólicas, pues degradan glucosa, ácidos grasos o aminoácidos (moléculas grandes) para convertirlas en ATP (una molécula relativamente pequeña y simple). El ATP o Adenosin Trifosfato es una molécula formada por la base nitrogenada Adenina, una ribosa y tres grupos fosfato. El enlace que existe entre el segundo y tercer grupo fosfato almacena una gran cantidad de energía. Es por eso que las enzimas que utilizan ATP (ATPasas) rompen este enlace para liberar su energía. La naturaleza concibió al ATP como la moneda energética básicamente porque es muy estable, es pequeña y puede ser estabilizada para poder controlar su transporte y uso mejor. Además su hidrólisis por ATPasas no libera moléculas tóxicas para la célula, sino que libera ADP (adenosin difosfato) y Pi (Pirofosfato inorgánico), los productos necesarios para su síntesis. Aunque se verá en guías ulteriores, la diferencia entre el metabolismo eucariota y procariota es la abundancia de organelos participantes en la formación de ATP, proporcional a la demanda energética. La diferencia entre el catabolismo vegetal y animal no existe. El metabolismo es diferente dependiendo si se utiliza oxígeno (metabolismo aeróbico, prácticamente todos los seres vivos salvo las Archaebacterias y procariotas anaeróbicos) o si utilizan otro aceptor de electrones, como azufre, proceso llamado metabolismo anaeróbico (sin oxigeno) A continuación se describirá el organelo principal encargado de la producción eficiente de ATP: Las mitocondrias. Las mitocondrias Las mitocondrias son organelos eucariotas encargados de producir ATP de manera eficiente (en presencia de O 2 ). Para cumplir esta función poseen una estructura característica constituida por: - Membrana externa: Lugar donde existen receptores y transportadores especializados.
- Espacio intermembrana: Lugar donde se encuentra la Piruvato deshidrogenasa, enzima encargada de llevar a cabo la acetilación de la Coenzima A, un punto clave en la producción efectiva de ATP. - Membrana interna: Forma pliegues llamados crestas mitocondriales. En esta membrana esta incrustada la cadena respiratoria de la fosforilación oxidativa. - Matriz mitocondrial: Es el espacio más interno de la mitocondria. Posee una batería enzimática para el ciclo de Krebs, así como un par de copias de DNA circular propio de la mitocondria, RNAs, etc. 3 Hasta hace pocos años se pensaba que todas las mitocondrias de un organismo provienen de la madre. Si bien el porcentaje es muy alto (aprox. 99%), no es total. Se han encontrado enfermedades mitocondriales heredadas por padres, aunque los casos son muy pocos. La estructura de la mitocondria, así como su DNA, recuerda mucho a una célula procariota aeróbica. Se cree que el origen de estos organelos es por endosimbiosis serial. Descrita la estructura de las mitocondrias, comenzaremos con la descripción de la producción de energía en la célula eucariota por la rama común, es decir, por la oxidación de la glucosa, mejor conocida como respiración celular. La respiración celular consiste en una serie de pasos mediados por enzimas para convertir una molécula de glucosa a cierto número de moléculas de ATP. Posee cuatro etapas, las cuales son: 1. Glucólisis 2. Acetilación de la CoA 3. Ciclo de Krebs 4. Fosforilación oxidativa La glucólisis
4 La glucólisis (<gluco> azúcar; <lisis> ruptura: Ruptura del azúcar) es el primer paso por el que la glucosa se ve metabolizada para extraer su energía. Está compuesta por diez reacciones 4 bioquímicas, separadas en una primera fase de costos y una segunda fase de ganancias. El objetivo de esta etapa es generar dos moles de acido pirúvico (o piruvato) a partir de un mol de glucosa. El ácido pirúvico será el encargado de transmitir la energía de la glucosa a las etapas siguientes. Para la PSU no estudiaremos las diez reacciones ni sus intermediarios, solo nos interesa el producto inicial y final de esta etapa, así como los productos secundarios liberados. La reacción bioquímica global de la glucólisis es: Glucosa + 2ATP 4ATP + 2Piruvato + 2NADH
Entonces, el rendimiento neto de la glucólisis es, por mol de glucosa: 5 - ATP neto: 2 moléculas (se produjeron cuatro pero se gastaron dos) - Se libero NADH (Nicotinamida adenina dinucleotido reducido) - Se produjeron dos moléculas de piruvato Una de las moléculas citadas no había sido nombrada, y es porque no es tópico de la PSU salvo para esta guía. El NADH es un tipo de molécula de la familia de poderes reductores. Haciendo una analogía para facilitar su comprensión, los poderes reductores (NADH y FADH 2 ) son fichas de un casino intercambiables por cierta cantidad de dinero. En etapas siguientes se expondrá que el objetivo de las etapas que siguen es generar la mayor cantidad de poder reductor posible, para intercambiarlo por cierta cantidad de ATP al final. La glucólisis no requiere oxigeno, por lo que puede ser realizada por cualquier organismo, sea eucariota o procariota, aeróbico o anaeróbico. La única diferencia entre ellos es el destino del piruvato, que se verá en la próxima guía. La acetilación de la Coenzima A Es ahora donde las mitocondrias cobran un rol central en la producción eficiente de ATP. En esta etapa el piruvato entra a las mitocondrias, donde en el espacio intermembrana es metabolizado por un complejo enzimático llamado Piruvato deshidrogenasa, formando una molecula de Acetil Coenzima-A por mol de piruvato. Por mol de glucosa se forman dos moles de acetil-coa. NO SE PRODUCE ATP EN ESTA ETAPA. Los productos secundarios de este paso son dos moléculas de NADH y CO 2. Entonces, el rendimiento neto de la acetilación de la CoA es, por mol de glucosa: - 2 moles de acetil CoA - 2 moles de NADH - CO 2 El ciclo de Krebs (ciclo de los ácidos tricarboxílicos) El acetil CoA ingresa a la matriz mitocondrial a través de transportadores específicos, donde se integra a una cadena de nueve reacciones bioquímicas llamada el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, también conocido como el ciclo de Krebs. Al igual que la glucólisis, no detallaremos las reacciones pertenecientes al ciclo, porque no serán preguntadas en la PSU. Sin embargo, es importante saber que el lugar donde el acetil-coa se incorpora es reaccionando con una molecula llamada oxalacetato para formar citrato. Luego el citrato pasa por una serie de reacciones, volviendo nuevamente a convertirse en oxalacetato. Este punto del catabolismo es común entre el uso de glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos como fuente de energía. Cada uno se integra en un punto especial del ciclo. El objetivo neto del ciclo de Krebs no es generar ATP, sino que es generar una cantidad considerable de poder reductor.
6 6 De esa manera, el rendimiento neto del ciclo de Krebs por mol de piruvato (para considerar el mol de glucosa hay que multiplicar todo por dos) - Producción de una molécula de ATP (en forma de GTP) - Producción de 3 moléculas de NADH - Producción de una molécula de FADH2 - Liberación de CO 2 La fosforilación oxidativa
Finalmente es tiempo de intercambiar todo el poder reductor producido en las tres etapas anteriores por ATP. La fosforilación oxidativa se define como la etapa en la cual, con la energía otorgada por los poderes reductores, se sintetiza la mayor cantidad de ATP de todo el proceso. 7 Esta etapa ocurre en la membrana interna de la mitocondria, y está a cargo de unas proteínas especiales llamadas citocromos, conformantes de la cadena transportadora de electrones mitocondrial. Existen cuatro complejos citocromo, cada uno con una estructura y función particular, que no profundizaremos en esta guía. Lo que se debe comprender en este proceso es el concepto de energía protón-motriz, necesaria para la síntesis de ATP. La función de la cadena transportadora de electrones es aumentar la cantidad de protones (H + ) en el espacio intermembrana, aumentando el gradiente electroquímico del mismo. Ese gradiente eléctrico y potencial es utilizado por una enzima llamada ATP sintasa (complejo V), que utiliza tres protones, bombeándolos a la matriz mitocondrial, para general la energía necesaria para transformar el ADP y el Pi en ATP. Lo que realizan los poderes reductores es entregar electrones a la cadena, otorgando la energía necesaria para generar cierto número de moléculas de ATP. En etapas, el transporte de realiza de la siguiente manera: 5. Entrega de electrones al primer complejo de parte del poder reductor. Bombeo de protones al espacio intermembrana 6. Entrega de electrones al segundo complejo desde el primero. Bombeo de protones al espacio intermembrana. 7. Entrega de electrones al tercer complejo desde el segundo. Bombeo de protones al espacio intermembrana. 8. Entrega de electrones al cuarto complejo desde el tercero. Bombeo de protones al espacio intermembrana. Captación por parte del O 2 de los electrones transportados, formando H 2 O. 9. Síntesis de ATP por parte de la ATP sintasa. Cada NADH aporta la energía suficiente para formar 3 moles de ATP (en realidad son 2,5)
Cada FADH2 aporta la energía suficiente para formar 2 moles de ATP (en realidad 8 son 1,5) 8 En resumen, el rendimiento neto de la fosforilación oxidativa es, por mol de glucosa: - Síntesis de 30 moléculas de ATP - Liberación de agua Recuento final y resumen En la siguiente tabla se expone la cantidad producida de cada elemento a lo largo de la oxidación de la glucosa, por mol de la misma: Elemento Glucólisis Acetilación de Ciclo de Fosforilación SUMA la CoA Krebs oxidativa TOTAL CO 2 0 Si Si 0 H 2 O 0 0 0 2 moles 2 moles NADH 2 moles 2 moles 6 moles 0 10 moles FADH 2 0 0 2 moles 0 2 moles ATP 2 moles 0 2 moles 34 moles 38 moles Piruvato 2 moles 0 0 0 2 moles Ha quedado evidenciado que la incorporación de las mitocondrias como entes productores de energía celular tornó mucho más eficiente dicho proceso que en las bacterias fermentadoras (donde solo se producen dos moles de ATP). Cabe señalar que es posible encontrar este tipo de producción de energía en algunas bacterias, donde los componentes de las mitocondrias se encuentran libres en el citoplasma o incrustados en la membrana plasmática. En este proceso pueden haber diferencias mínimas entre diferentes tipos de células eucariotas, como las neuronas, sin embargo no es tópico de la PSU. Ejemplo de ejercicio PSU: MC Cuál de las siguientes opciones establece correctamente la relación entre una de las etapas de la respiración celular y el lugar donde se realiza? a) Glicólisis matriz mitocondrial b) Fosforilación oxidativa citoplasma. c) Formación de acetil CoA citoplasma d) Fosforilación oxidativa matriz mitocondrial. e) Síntesis de ATP membrana mitocondrial interna Extraído del modelo oficial de ciencias DEMRE, 2010. La respuesta correcta en este caso es la alternativa e). La alternativa a) es incorrecta, puesto que la glucólisis ocurre en el citoplasma. La alternativa b) también es incorrecta, puesto que la Fosforilación oxidativa ocurre en la membrana interna de las mitocondrias. La alternativa c) es incorrecta, puesto que la formación de acetil CoA
ocurre en el espacio intermembrana de las mitocondrias. La alternativa d) es incorrecta, dado que en ese lugar ocurre el ciclo de Krebs. Finalmente la e) es correcta debido a que en la membrana mitocondrial interna se encuentra la ATP sintasa, la enzima encargada de la síntesis de ATP. 9 Tip PSU Lo importante para la PSU sobre esta guía es saber en qué etapas se produce ATP y en cuanta cantidad. También se debe comprender la diferencia entre usar oxigeno y la que existe entre procariotas aeróbicas y eucariotas.