UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular Els organismes precisen energia per mantenir les seves funcions En el procés de fotosíntesi (autotrofisme) es genera matèria orgànica i oxigen que es usat en el procés de respiració cel lular. En el procés de respiració cel lular (heterotrofisme), les cèl lules usen la matèria orgànica, rica en energia, per produir ATP que facilita les funcions dels organismes.

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

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular Reducció. Oxidació. Reaccions redox. (record de conceptes) L energia es genera en un conjunt de reaccions en les que es llibera energia de mica en mica. Les reaccions de reducció-oxidació (redox) consisteixen en la tranferència d electrons entre productes. Oxidació: una substància perd electrons Reducció: una substància guanya electrons

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 3. Met. i energia, 2: Respiració cel lular

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 3. Met. i energia, 2: Respiració cel lular A certes reaccions redox no es perden electrons, sinó que hi ha intercanvis d àtoms d hidrogen. Quan un compost perd H, s oxida Quna un compost guanya H, es redueix.

LE 9-3 UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 3. Met. i energia, 2: Respiració cel lular Reactants Products becomes oxidized CH 4 + 2 O 2 CO 2 + Energy + 2 H 2 O H becomes reduced H C H O O O C O H O H H Methane (reducing agent) Oxygen (oxidizing agent) Carbon dioxide Water

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 3. Met. i energia, 2: Respiració cel lular

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 3. Met. i energia, 2: Respiració cel lular A la respiració cel lular, la glucosa és oxidada I l oxigen reduït. becomes oxidized C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + Energy becomes reduced

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 3. Met. i energia, 2: Respiració cel lular Obtenció d energia a la respiració cel lular L energia s obté a partir de la glucosa i altres composts. L allibarament d energia no es fa d un cop, sinó per escalons

H 2 + 1 /2 O 2 2 H + 1 /2 O 2 (from food via NADH) Free energy, G Explosive release of heat and light energy Free energy, G 2 H + + 2 e Controlled release of energy for synthesis of ATP ATP ATP ATP 2 e 2 H + 1 /2 O 2 H 2 O H 2 O Uncontrolled reaction Cellular respiration

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular Transportadors d energia Els transportadors d energia són el NAD, NADH, FAD, FADH2 ATP

u1 UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular 4. La respiració cel lular La respiració cel lular té dues vies d obtenció d energia: Aeròbica (Respiració cel lular), en presència d oxigen Fermentació, sense presència d oxigen Respiració anaeròbica, bactèries

Diapositiva 14 u1 uib; 03/11/2009

LE 9-18 Glucose CYTOSOL Pyruvate No O 2 present Fermentation O 2 present Cellular respiration Ethanol or lactate Acetyl CoA MITOCHONDRION Citric acid cycle

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular Fases Fases de la respiració cel lular Glucolisi. Es romp la molècula de glucosa en dues de piruvat. Ciclo de Krebs (Cicle de l àcid cítric). Es completa la ruptura de la glucosa Cadena respiratòria (fosforilació oxidativa). Alta producció d energia

Glycolysis Glucose Pyruvate Cytosol Mitochondrion ATP Substrate-level phosphorylation

Glucose Glycolysis Pyruvate Citric acid cycle Cytosol Mitochondrion ATP ATP Substrate-level phosphorylation Substrate-level phosphorylation

3 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 ATP ATP Substrate-level phosphorylation Substrate-level phosphorylation Oxidative phosphorylation

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular La respiració cel lular a eucariotes i procariotes Eucariota Citoplasma Glucolisi Fermentació Matriu mitocondrial Cicle de Krebs Oxidació piruvats Procariota Citoplasma Glucolisi Fermentació Cicle de Krebs Membrana Oxidació piruvats Transport electrons Membrana interna mitoc Transport d electrons

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular Glucolisi Glucolisi Consisteix en la transformació de glucosa en 2 molècules de piruvat. Passa al citoplasma Produeix 2 molècules d ATP 2 molècules de NADH

LE 9-9a_1 Glycolysis Citric acid cycle Oxidation phosphorylation Glucose ATP ATP ATP ATP Hexokinase ADP Glucose-6-phosphate

LE 9-9a_2 Glycolysis Citric acid cycle Oxidation phosphorylation Glucose ATP ATP ATP ATP Hexokinase ADP Glucose-6-phosphate Phosphoglucoisomerase Fructose-6-phosphate ATP ADP Phosphofructokinase Fructose- 1, 6-bisphosphate Aldolase Isomerase Dihydroxyacetone phosphate Glyceraldehyde- 3-phosphate

LE 9-9b_1 2 2 NAD + Triose phosphate dehydrogenase NADH + 2 H + 1, 3-Bisphosphoglycerate 2 ADP 2 ATP Phosphoglycerokinase 3-Phosphoglycerate Phosphoglyceromutase 2-Phosphoglycerate

LE 9-9b_2 2 2 NAD + Triose phosphate dehydrogenase NADH + 2 H + 1, 3-Bisphosphoglycerate 2 ADP 2 ATP Phosphoglycerokinase 3-Phosphoglycerate Phosphoglyceromutase 2-Phosphoglycerate 2 H 2 O Enolase Phosphoenolpyruvate 2 ADP 2 ATP Pyruvate kinase Pyruvate

Energy investment phase Glucose Glycolysis Citric acid cycle Oxidative phosphorylation 2 ADP + 2 P 2 ATP used Energy payoff phase ATP ATP ATP 4 ADP + 4 P 4 ATP formed 2 NAD + + 4 e + 4 H + 2 NADH + 2 H + 2 Pyruvate + 2 H 2 O Net Glucose 2 Pyruvate + 2 H 2 O 4 ATP formed 2 ATP used 2 NAD+ + 4 e + 4 H + 2 ATP 2 NADH + 2 H +

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular Fermentació En absència d oxigen es pot degradar el glucosa en un procés de fermentació. Es produeiex ATP, però el rendiment és molt inferior al de la respiració cel lular Hi ha molts de tipus de fermentació i es produeix a molts d organismes. Les més conegudes: làctica i alcohòlica Sembla que és un vestigi evolutiu de quan l atmosfera inicial era abundant en CO2 i escassa en O2.

LE 9-18 Glucose CYTOSOL Pyruvate No O 2 present Fermentation O 2 present Cellular respiration Ethanol or lactate Acetyl CoA MITOCHONDRION Citric acid cycle

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular Fermentació alcohòlica A la fermentació alcohòlica es transforma la glucosa en etanol en dues passes. La ganància és de 2 molècules d ATP El procés passa a diversos organismes: Llevats (fongs). S usa per la producció de begudes alcohòliques: vi, vingre i cervesa

LE 9-17a 2 ADP + 2 P i 2 ATP Glucose Glycolysis 2 Pyruvate 2 NAD + 2 NADH + 2 H + 2 CO 2 2 Ethanol 2 Acetaldehyde Alcohol fermentation

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular Fermentació làctica A la fermentació làctica es transforma la glucosa en lactat (àcid làctic). Es produeixen 2 molècules d ATP La realitzen bacteris i fongs que són usats per produir iogurs i formatges. A les cèl lules muscular humanes, en absència d oxigen, es produeix la fermentació làctica. Funciona quan a causa d un esforç físic important s esgota l oxigen present a la cèl lula.

LE 9-17b 2 ADP + 2 P i 2 ATP Glucose Glycolysis 2 NAD + 2 NADH + 2 H + 2 2 Pyruvate CO 2 2 Lactate Lactic acid fermentation

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular Cicle de Krebs Cicle de Krebs Cicle del àcid cítric Cicle dels àcids tricarboxílics El primer pas consisteix en la transformació del piruvat en acetil CoA, el qual comença el conjunt de reaccions del cicle

CYTOSOL MITOCHONDRION NAD + NADH + H + Pyruvate CO 2 Coenzyme A Acetyl Co A Transport protein

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular Cicle de Krebs La finalitat del cicle de Krebs és obtenir energia. En el cicle es generen per cada volta del cicle: 1 ATP 3 NADH 1 FADH2

Pyruvate (from glycolysis, 2 molecules per glucose) NAD + NADH + H + Acetyl CoA CoA CO 2 CoA Glycolysis Citric acid cycle Oxidation phosphorylation ATP ATP ATP CoA Citric acid cycle 2 CO 2 FADH 2 FAD 3 3 NAD + NADH + 3 H + ADP + P i ATP

LE 9-12_1 Glycolysis Citric acid cycle Oxidation phosphorylation ATP ATP ATP Acetyl CoA H 2 O Oxaloacetate Citrate Isocitrate Citric acid cycle

LE 9-12_2 Glycolysis Citric acid cycle Oxidation phosphorylation ATP ATP ATP Acetyl CoA H 2 O Oxaloacetate Citrate Isocitrate Citric acid cycle CO 2 NAD + NADH + H + α-ketoglutarate NAD + CO 2 Succinyl CoA NADH + H +

LE 9-12_3 Glycolysis Citric acid cycle Oxidation phosphorylation ATP ATP ATP Acetyl CoA H 2 O Oxaloacetate Citrate Isocitrate Citric acid cycle CO 2 NAD + Fumarate NADH + H + α-ketoglutarate FADH 2 FAD NAD + CO 2 Succinate GTP GDP P i Succinyl CoA NADH + H + ADP ATP

LE 9-12_4 Glycolysis Citric acid cycle Oxidation phosphorylation ATP ATP ATP Acetyl CoA NAD + NADH + H + Oxaloacetate H 2 O Malate Citrate Isocitrate H 2 O Citric acid cycle CO 2 NAD + NADH Fumarate + H + α-ketoglutarate FADH 2 FAD NAD + CO 2 Succinate GTP GDP P i Succinyl CoA NADH + H + ADP ATP

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular Cadena respiratòria Cadena respiratòria Fosforilació oxidativa El NADH i el FADH2, extreuen l energia de la glucosa Aquests compost s integren a la cadena respiratòria iniciant un procés de transferència d electrons. L energia que produeix aquesta cadena de reaccions s usa per sintetitzar ATP. Aquest conjunt de reaccions passa a la membrana interna del mitocondri

NADH 50 FADH 2 Free energy (G) relative to O2 (kcal/mol) 40 FMN 30 20 I Fe S FAD Fe S II Q Cyt b Fe S III Multiprotein complexes Cyt c 1 Cyt c Cyt a IV Cyt a 3 Glycolysis Citric acid cycle Oxidative phosphorylation: electron transport and chemiosmosis ATP ATP ATP 10 0 2 H + + 1 /2 O 2 H 2 O

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular Quimiòsmosi La cadena respiratòria no genera ATP de forma directa Funciona facilitant la caiguda d electrons des de la glucosa (i altres composts) a l oxigen, fraccionant tota l energia en petites quantitats que són més aprofitables per a les reaccions.

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular L hidrogen format a la cadena respiratòria passa de l espai interior de les membranes mitocondrials a la matriu a través d una bomba iònica formada per ATP sintetasa. Atravessa els porus de l enzim. L ATP sintetasa usa el fluxe d H+ per formar ATP (quimiòsmosi)

LE 9-15 Inner mitochondrial membrane Glycolysis Citric acid cycle Oxidative phosphorylation: electron transport and chemiosmosis ATP ATP ATP H + H + Intermembrane space Protein complex of electron carriers H + Cyt c H + Q IV Inner mitochondrial membrane I NADH + H + NAD + (carrying electrons from food) II FADH 2 III FAD 2H + + 1 /2 O 2 H 2 O ADP + P i H + ATP synthase ATP Mitochondrial matrix Electron transport chain Electron transport and pumping of protons (H + ), Which create an H + gradient across the membrane Oxidative phosphorylation Chemiosmosis ATP synthesis powered by the flow of H + back across the membrane

LE 9-14 INTERMEMBRANE SPACE H + H + H + H + H + A rotor within the membrane spins as shown when H + flows past it down the H + gradient. H + H + A stator anchored in the membrane holds the knob stationary. A rod (or stalk ) extending into the knob also spins, activating catalytic sites in the knob. H + ADP + P i MITOCHONDRAL MATRIX ATP Three catalytic sites in the stationary knob join inorganic phosphate to ADP to make ATP.

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 3. Met. i energia, 2: Respiració cel lular Balanç de la produció energètica a la respiració cel lular Aproximadament el 40% de l energia de cada molècula de glucosa es transferida per formar ATP. Amb un rendiment de 38 ATP (aprox) per cada molècula. Glucosa NADH Cadena respiratòria H+ ATP

CYTOSOL Electron shuttles span membrane 2 NADH or 2 FADH 2 MITOCHONDRION 2 NADH 2 NADH 6 NADH 2 FADH 2 Glycolysis 2 Glucose Pyruvate 2 Acetyl CoA Citric acid cycle Oxidative phosphorylation: electron transport and chemiosmosis + 2 ATP + 2 ATP + about 32 or 34 ATP by substrate-level phosphorylation by substrate-level phosphorylation by oxidation phosphorylation, depending on which shuttle transports electrons form NADH in cytosol Maximum per glucose: About 36 or 38 ATP

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular La respiració cel lular produïda per diverses vies metabòliques La glucolisi i el cicle de Krebs es poden connectar a diverses vies metabòliques. Glúcids Lípids Proteïnes Es descomposen en les seves molècules bàsiques i s integren a la glucolisi i al cicle en diversos nivells.

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

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular Regulació i control de la respiració. Hem vist abans (III. 2.) mecanismes de control de l activitat metabòlica. A la respiració es produeix un cas d inhibició per retroalimentació. Quan l organisme gasta energia i es consumeix molt d ATP augmenta el ritme de respiració amb l objectiu d augmentar la producció d ATP. En el cas contrari es produeix una inhibició de l activitat per retroalimentació.

LE 9-20 Glucose Inhibits Glycolysis Fructose-6-phosphate Phosphofructokinase Fructose-1,6-bisphosphate AMP Stimulates + Inhibits Pyruvate ATP Acetyl CoA Citrate Citric acid cycle Oxidative phosphorylation

UD. III. BIOLOGIA CEL LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel lular Relació entre processos anabòlics i catabòlics