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• Miguel Fierro

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RESPIRACION CELULAR

Los seres vivos necesitan de un consumo constante de energía, que las células emplean en forma de energía química. La respiración celular, proceso utilizado por la mayoría de las células animales y vegetales, es la degradación de biomoléculas (glucosa, lípidos, proteínas) para que se produzca la liberación de energía necesaria, y así el organismo pueda cumplir con sus funciones vitales. Mediante la degradación de la glucosa (glucólisis) se forma ácido pirúvico. Este ácido se desdobla a dióxido de carbono y agua, generándose 36 moléculas de ATP. La respiración celular es una parte del metabolismo, más precisamente del catabolismo, en la cual la energía presente en distintas biomoléculas es liberada de manera controlada. Durante la respiración, parte de esa energía es utilizada para sintetizar (fabricar) ATP, que a su vez es empleado en el mantenimiento y desarrollo del organismo (anabolismo). La respiración celular es un proceso mediante el cual las células de los organismos oxidan nutrientes de los alimentos para que liberen energía. Como resultado, el carbono presente en dichos nutrientes queda oxidado, es decir, se transforma en dióxido de carbono que es eliminado por medio de la respiración a la atmósfera. Para que se realice la respiración celular es fundamental la presencia de oxígeno (respiración aeróbica). Los animales lo toman de la atmósfera a través de órganos especializados (pulmones, branquias). Los vegetales lo hacen mediante un aparato denominado estomas, ubicados en las hojas y que será explicado más adelante. La respiración se efectúa durante las 24 horas. La cantidad de oxígeno que los vegetales absorben de la atmósfera a raíz del proceso respiratorio es menor que la que desprenden al efectuar la fotosíntesis, y el dióxido de carbono que desprenden también es menor a la cantidad que absorben. Durante la noche, momento en que los vegetales no realizan la fotosíntesis, ocurre lo contrario. Mientras que la fotosíntesis provee los hidratos de carbono necesarios para las plantas, la respiración celular es el proceso donde la energía contenida en esos hidratos de carbono es liberada de manera controlada. En la respiración aeróbica, la degradación de glucosa comprende una serie de reacciones. Sin embargo, la ecuación química general se puede representar con la siguiente fórmula, inversa a la de la fotosíntesis:

La respiración celular se lleva a cabo dentro de las mitocondrias, pequeños organelos ubicados en el citoplasma de las células vegetales y animales. Estas estructuras, de forma oblonga y aplastada, procesan el oxígeno y convierten a los carbohidratos, ácidos grasos y proteínas de los alimentos en energía. Mitocondria

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La respiración celular puede dividirse en dos tipos, según sea la presencia de oxígeno. -Respiración aerobia o aeróbica: hace uso del O2 como aceptor último de los electrones desprendidos de las sustancias orgánicas. Es la forma más extendida de respiración, propia de la mayoría de las bacterias y de los organismos eucariotas. Es por ello que a los seres que requieren de oxígeno se los llama aerobios. -Respiración anaerobia o anaeróbica: no interviene el oxígeno, sino que se emplean otros aceptores finales de electrones, generalmente minerales. La respiración anaeróbica está presente en algunos organismos procariotas, en general habitantes de suelos y sedimentos, y de vital importancia en los ciclos biogeoquímicos de los elementos. Al no requerir de oxígeno se los denomina anaerobios.Algunas especies de bacterias, denominadas facultativas, se adaptan y sobreviven ante la presencia o ausencia de oxígeno en el medio que las rodea. En párrafos anteriores se mencionó que los vegetales realizan el intercambio de gases a través de los estomas. Los estomas (del griego: “stoma” = boca) son dos grandes células oclusivas rodeadas de células acompañantes, que dan lugar a pequeños poros en las hojas de las plantas. Se localizan en ambas caras de la hoja, aunque en general hay mayor cantidad de estomas en la cara inferior (envés). La separación que se produce entre las dos células regula el tamaño total del poro. Por medio de los estomas se produce el intercambio gaseoso con el medio ambiente. El oxígeno y dióxido de carbono son intercambiados con la atmósfera a través de estos poros, permitiendo que se desarrollen los procesos de fotosíntesis y respiración de las plantas. Sin embargo, su apertura también provoca la pérdida de agua en forma de vapor, a través de un mecanismo denominado transpiración. Es por ello que la apertura o cierre de los estomas está cuidadosamente regulada por factores ambientales como la luz, la concentración de dióxido de carbono o la disponibilidad de agua para las plantas. Los estomas se abren cuando la intensidad de la luz aumenta, y se cierran cuando disminuye.

Fotografía de un estoma

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Intercambio de gases en fotosíntesis y respiración vegetal

Diferencias entre fotosíntesis y respiración celular

Similitudes entre fotosíntesis y respiración celular

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RESPIRACION CELULAR 1. 2. 3. 4.

Introducción Respiración celular Tipos de respiración celular La mitocondria y sus partes Ciclo de Krebs

INTRODUCCIÓN La respiración celular constituye el proceso más importante dentro de la célula, el cual abordaremos en pequeña medida pero de manera significativa. Esta investigación toma en cuenta a todos aquellos que de alguna manera participan aunque sea de forma mínima en la respiración celular. Hablar de respiración celular es referirnos a un proceso bioquímico del cual nos ramificaremos a dos tipos de respiración celular: aeróbica y anaeróbica. En este proceso interfieren factores químicos capaces de ser procesados dentro de las células, y que en gran medida constituyen las bases para que la respiración celular se lleve a cabo.

RESPIRACIÓN CELULAR 4

La respiración celular es el conjunto de reacciones bioquímicas que ocurren en la mayoría de las células. También es el conjunto de reacciones químicas mediante las cuales se obtiene energía a partir de la degradación de sustancias orgánicas, como los azúcares y los ácidos principalmente. Comprende dos fases: * PRIMERA FASE: Se oxida la glucosa (azúcar) y no depende del oxígeno, por lo que recibe el nombre de respiración anaeróbica y glucolisis, reacción que se lleva a cabo en el citoplasma de la celula. * SEGUNDA FASE: Se realiza con la intervención del oxígeno y recibe el nombre de respiración aeróbica o el ciclo de krebs y se realiza en estructuras especiales de las células llamadas mitocondrias. Tanto que es una parte del metabolismo, concretamente del catabolismo, en el cual la energía contenida en distintas biomoléculas, como los glúcidos (azúcares, carbohidratos), es liberado de manera controlada. IMPORTANCIA: - Crecimiento - Transporte activo de sustancias energéticas - Movimiento, ciclosis - Regeneración de células - Síntesis de proteínas - División de células

TIPOS DE RESPIRACIÓN CELULAR RESPIRACIÓN ANAERÓBICA: La respiración anaeróbica es un proceso biológico de oxidorreducción de azúcares y otros compuestos. Lo realizan exclusivamente algunos grupos debacterias. En la respiración anaeróbica no se usa oxígeno sino para la misma función se emplea otra sustancia oxidante distinta, como el sulfato.No hay que confundir la respiración anaeróbica con la fermentación, aunque estos dos tipos de metabolismo tienen en común el no ser dependiente del oxigeno. Todos los posibles aceptores en la respiración anaeróbica tienen un potencial de reducción menor que el O2, por lo que se genera menor energía en el proceso. ETAPAS: * Glucólisis * Fermentación GLUCÓLISIS .- También denominado glicólisis, es la secuencia metabólica en la que se oxida en la glucólisis, cuando hay ausencia de oxígeno, la glucólisis es la única vía que produce ATP en los animales. Está presente en todas las formas de vías actuales. Es la primera parte del metabolismo energético y en las células eucariotas en donde ocurre el citoplasma. Por lo tanto es una secuencia compleja de reacciones que se efectuan en el citosol de una celula mediante las cuales una molécula de glucosa se desdobla en dos moléculas de acido piruvico. De manera que la glucolisis consta de dos pasos principales: *Activacion de la glucosa. * Producción de energía. IMPORTANCIA: Permite a los músculos esqueléticos realizar su contracción.

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FERMENTACIÓN.- Es un proceso catabólico de oxidación completa, siendo el producto final de un compuesto orgánico. La fermentación típica es llevada acabo por las levaduras. También unos metazoos y plantas menores son capaces de producirla. El proceso de fermentación anaeróbica se produce en la ausencia de oxigeno como aceptor final de los electrones del NADH producido en la glucólisis. En los seres vivos la fermentación es un proceso anaeróbico y en el no interviene la cadena respiratoria que son propios del micro organismo como lasbacterias y levaduras. Además en la industria d ela fermentación puede ser oxidativa, es decir como presencia de oxigeno, pero es una oxidación aeróbica incompleta, como la producción de acido acético apartir del etanol. La fermentación puede ser naturales cuando las condiciones ambientales permitan la interacción del microorganismo, sustratos orgánicos susceptibles, o artificiales, cuando el hombre propicia condiciones y en contacto referido. USOS:

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El conocimiento de la dieta a través del desarrollo de una diversidad de sabores, aromas y texturas en los substratos de los alimentos. Preservación de cantidades substanciales de alimentos a través del acido lácteo, alcohólico, acido acético y fermentación alcalinas.

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La fermentación tiene algunos usos exclusivos para los alimentos pueden producir nutrientes importantes o eliminar autonutrientes. TIPOS DE FERMENTACIÓN:

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Fermentación acetica Fermentación alcoholica Fermentación butirica Fermentación de la glicerina Fermentación lactica Fermentación putrica RESPIRACIÓN AERÓBICA: Es un tipo de metabolismo energetico en el que los seres vivos extraen energía de moléculas organicas como la glucosa, por un proceso complejo en donde el carbono queda oxidado y en el que el aire es el oxidante empleado. La respiración aerobica es propia de los organismo eucariontes en general y de algunos tipos de bacterias.



La susecion de reacciones quimicas que ocurren dentro de las celulas mediante las cuales se realiza las descomposición final de las moléculas en los alimentos y en la que se produce CO2 y H2O. Se realiza solo en el proceso de oxigeno. Consiste en la degradacion de los piruvatos producidos durante la glucosis hasta CO2 y H2O como obtención de 34 a 36 ATP.



IMPORTANCIA: Participa en la respiración celular formando ATP. REACCIONES AERÓBICAS.



Las reacciones aerobicas ocurre en la mitocondria y son: 1. 2. 3.

Formación del acetilo Transferencia del acetilo Actividades en matriz Ciclo de krebs

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Cadena respiratoria 4. 5.

Transporte de electrones Fosforilacion oxidativa (actividad de crestas)

LA MITOCONDRIA Y SUS PARTES

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CICLO DE KREBS: Propuesto por Hans A. Krebs en 1937 quien descubrio el ciclo estudiando suspensiones de papillas del músculo pectoralde la paloma que peçresebta un elevado ritmo respiratorio. El ciclo de krebs (tambien llamado ciclo del acido citrico o ciclo de lso acidos tricarboxilicos) es una serie de reacciones quimicas de gran importancia, que forman parte de la respiración celular en toda las celulas aerobicas, es decir que utilizan oxigeno. En organismo aerobico el ciclo de krebs es parte de la via catabolica que realizan oxidación de hidratos de carbono, acidos graos y aminoácidos hasta producir CO2 y H2O, liberando energía en forma utilizable. El ciclo de krebs tambien proporciona recurso para muchas biomoleculas tales como ciertos animoacidos. Por ello se considera una via anfibolica, es decir que es catabolico y anabolica al mismo tiempo. UBICACIÓN Tiene lugar en tres partes:

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Matriz mitocondrial En las eucariotas En el citoplasma de eucariotas

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CICLO DE KREBS:

Este trabajo está dedicado: A nuestra profesora, que con paciencia y esmero nos educa, para poder sobrellevar los obstáculos que nos da la vida.

Jhonny Valle Ayuque

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LA RESPIRACION CELULAR Índice •

1.- Introducción

•

2.- Características

•

3.- La glucólisis

•

4.- El ciclo de Krebs

•

5.- La cadena de transporte electrónico

•

6.- La quimiosíntesis

INTRODUCCIÓN La respiración celular es un proceso catabólico para la obtención de energía que tiene lugar tras la glucolisis. En él se produce la oxidación completa de los átomos de carbono en el CICLO DE KREBS.

Los electrones procedentes de esta oxidación son transferidos a LA CADENA DE TRANSPOTE ELECTRÓNICO.

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La síntesis de ATP se produce mediante las ATPasas en la membrana mitocondrial interna.

CARACTERÍSTICAS •

Es una vía que requiere de la presencia de Oxígeno molecular.

•

Ocurre en la mitocondria de la célula

•

Oxida al acido pirúvico convirtiéndole en agua y tres moléculas de CO2

•

En el proceso se obtienen 36 moléculas de ATP

LA GLUCÓLISIS

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Es la primera parte del metabolismo energético y en las células eucariotas en donde ocurre el citoplasma. Este proceso se realiza en tres etapas: •

Etapa de fosforilación requiere aporte energético

•

Etapa de oxidación que rinde energía y poder reductor

•

Etapa en la que se restituye a la célula el ATP consumido en la primera fase.

EL CICLO DE KREBS El ciclo de Krebs (también llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos) es una ruta metabólica. El ciclo consume netamente 1 acetil-CoA y produce 2 CO2. También consume 3 NAD+ y 1 FAD, produciendo 3 NADH + 3 H+ y 1 FADH2a

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LA CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO En este proceso los electrones presentes en las moléculas de NADH y FADH2 son cedidos a unas moléculas transportadoras de electrones y pasan de unas a otras a favor de gradiente de potencial de oxido reducción hasta un aceptor final de electrones, en este proceso se libera energía que se emplea en establecer un gradiente quimiostático para la posterior sintesis de ATP.

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QUIMIOSÍNTESIS

Morales, Ferrán (2010). La respiración celular. Consultado el 11/09/12. Rescatado de http://www.slideshare.net/moralesferran/la-respiracion-celular

Capítulo 5. Glucólisis y respiración celular Panorama general de la oxidación de la glucosa 1. En los sistemas vivos, la oxidación de la glucosa se desarrolla en dos etapas principales: la glucólisis y la respiración celular. La glucólisis ocurre en el citoplasma. La respiración, que incluye el ciclo de Krebs y el transporte de electrones, tiene lugar en la membrana celular de las células procariontes y en las mitocondrias de las células eucariontes. 2. En la glucólisis y en el ciclo de Krebs, las coenzimas NAD+ y FAD aceptan átomos de hidrógeno provenientes de la glucosa y se reducen a NADH y FADH2, respectivamente. En la etapa final de la respiración, estas coenzimas ceden sus electrones a la cadena respiratoria. Fig. 5-3. Esquema global de la oxidación de la glucosa

Durante la glucólisis, la glucosa se transforma enácido pirúvico. Se produce una pequeña cantidad de ATP a partir de ADP y fosfato y son transferidos algunos electrones (e-) y sus protones acompañantes (H+) a las enzimas aceptoras de electrones. En presencia de oxígeno, el ácido pirúvico entra en el ciclo de Krebs donde se sintetiza más ATP y se transfieren más electrones y protones a las coenzimas. Estas coenzimas aceptoras de electrones transfieren su carga a la cadena transportadora de electrones a lo largo de la cual, paso a paso, los electrones caen a niveles inferiores de energía. A medida que esto ocurre, se fabrica más ATP. Al final de la cadena transportadora, los electrones se reúnen con los protones y se combinan con el oxígeno y se forma agua. En ausencia de oxígeno, el ácido pirúvico puede convertirse en ácido láctico o en etanol. Este proceso, llamado fermentación, no produce ATP pero regenera las moléculas decoenzima aceptoras de electrones, necesarias para que la glucólisis continúe.

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Primera etapa, varios pasos: la glucólisis 3. La glucólisis ocurre prácticamente en todas las células vivas. Cada uno de sus pasos es catalizado por una enzima específica. Fig. 5-4. Los pasos de la glucólisis 1. El grupo fosfato terminal se transfiere desde el ATP al carbono en la posición 6 de la glucosa y se forma glucosa 6-fosfato. 2. La molécula se reorganiza. La glucosa se transforma en fructosa. 3. La fructosa 6-fostato gana un segundo fosfato que proviene de otro ATP y se produce fructosa 1,6 bifosfato. 4. El azúcar de seis carbonos se escinde en dos moléculas de tres carbonos: la dihidroxiacetona fosfato y el gliceraldehído fosfato. 5. Las moléculas de gliceraldehído fosfato se oxidan, o sea, pierden los átomos de hidrógeno con sus electrones, y el NAD+ se reduce a NADH y H+. Un ionfosfato se une a la posición 1 del gliceraldehído fosfato. 6. El fosfato se libera de la molécula de bifosfoglicerato y reacciona con una molécula de ADP y se forma ATP. 7. El grupo fosfato remanente se transfiere de la posición 3 a la posición 2. 8. Se elimina una molécula de agua del compuesto de tres carbonos. 9. El fosfato se transfiere a una molécula de ADP y se forma otra molécula de ATP. 4. En el primer paso de la glucólisis, la glucosa se divide en dos moléculas de tres carbonos (ácido pirúvico), que pueden seguir dos vías: aeróbica o anaeróbica. El proceso se inicia con energía proveniente de dos moléculas de ATP. 5. En presencia de O2, la degradación de la glucosa implica la oxidación progresiva del ácido pirúvico a CO2 y agua. Durante el proceso se forman dos NADH y cuatro ATP. 6. La glucólisis anaeróbica ocurre en ausencia de O2. Consiste en la conversión del ácido pirúvico en alcohol etílico (fermentación alcohólica) o en ácido láctico (fermentación láctica). Estas vías generan en total dos moléculas de ATP, que representan el 5% de lo que se genera por la vía aeróbica.

Un paso intermedio: la oxidación del ácido pirúvico 7. El ácido pirúvico producido por la glucólisis aeróbica es transportado del citoplasma a la matriz mitocondrial. Allí participa en una reacción de oxidación que genera un grupo acetilo y una molécula de CO2, mientras que un NAD+ se reduce a NADH. 8. Cada grupo acetilo se une momentáneamente a la coenzima A, para formar acetil-CoA. Este paso constituye el nexo entre la glucólisis y el ciclo de Krebs.

Segunda etapa: pasos por el ciclo de Krebs 9. Cada acetilo que entra en el ciclo de Krebs se combina con una molécula de cuatro carbonos (ácido oxalacético) y forma una de seis (ácido cítrico). 10. En el curso de este ciclo se liberan dos moléculas de CO2, que no pertenecen a la molécula de glucosa original, y se producen una de ATP, tres de NADH y una de FADH2. Fig. 5-9. El ciclo de Krebs En este ciclo, los carbonos donados por el grupo acetilo se oxidan a CO2 y los electrones pasan a los transportadores de electrones. Al igual que en la glucólisis, en cada paso interviene una enzima específica. La coenzima A es el nexo entre la oxidación del ácido pirúvico y el ciclo de Krebs. En el curso de estos pasos, parte de la energía liberada por la oxidación de los enlaces CH y CC se usa para convertir ADP en ATP (una molécula por ciclo), y parte se usa para producir NADH y H+ a partir del NAD (tres moléculas por ciclo). Además, una fracción de la energía se utiliza para reducir un segundo transportador de electrones, el FAD. Por cada giro del ciclo, se forma una molécula de FADH2 a partir de FAD. No se requiere O2 para el ciclo de Krebs: los electrones y los protones eliminados en la oxidación del carbono son aceptados por el NAD+ y el FAD. Se necesitan dos vueltas del ciclo para completar la oxidación de una molécula de glucosa. Así, el rendimiento

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energético total del ciclo de Krebs para una molécula de glucosa es dos moléculas de ATP, seis moléculas de NADH y dos moléculas de FADH2.

La etapa final: el transporte de electrones 11. Luego de la oxidación total de la glucosa, la mayor parte de la energía almacenada permanece en los electrones del NADH y el FADH2. Esos electrones son conducidos luego a un nivel energético inferior a través de la secuencia de reacciones de oxidorreducción que constituyen la cadena respiratoria. Los pasos de esta cadena son catalizados por enzimas unidas a citocromos. Fig. 5-10. Representación esquemática de la cadena transportadora de electrones Las moléculas que se indican, mononucleótido de flavina (FMN), coenzima Q (CoQ) y los citocromosb, c, a y a3, son los principales transportadores de electrones de la cadena. Al menos otras nueve moléculas transportadoras funcionan como intermediarias además de las que se muestran aquí. Los electrones transportados por el NADH entran en la cadena cuando son transferidos al FMN, que entonces se reduce. Casi instantáneamente, el FMN cede los electrones a la CoQ. El FMN vuelve así a su forma oxidada, lista para recibir otro par de electrones, y la CoQ se reduce. La CoQ entonces pasa los electrones al siguiente aceptor, y vuelve a su forma oxidada. El proceso se repite en sentido descendente. Los electrones, al pasar por la cadena respiratoria, van saltando a niveles energéticos sucesivamente inferiores. Los electrones que son transportados por el FADH 2 se encuentran en un nivel energético ligeramente inferior que los del NADH. En consecuencia, entran en la cadena de transporte más abajo, a la altura de la CoQ. Los electrones finalmente son aceptados por el oxígeno, que se combina con protones (iones hidrógeno) en solución, y se forma agua. 12. La fosforilación oxidativa es la síntesis de ATP con el uso de la energía liberada por los electrones a lo largo de la cadena respiratoria. Por cada molécula de NADH se forman tres de ATP; por cada molécula de FADH2, dos de ATP. Ocurre a través del acoplamiento quimiosmótico, un proceso que abarca dos acontecimientos: el establecimiento de un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna y la síntesis de ATP con el uso de la energía potencial almacenada en el gradiente.

Rendimiento energético global 13. A partir de la oxidación de una molécula de glucosa se producen a lo sumo 38 de ATP, repartidas de la siguiente manera: la glucólisis produce ocho ATP (seis provienen de la oxidación de los dos NADH, los otros dos se forman directamente); la conversión del ácido pirúvico en acetil-CoA produce seis ATP (provenientes de dos NADH); el ciclo de Krebs produce 24 ATP (18 provienen de seis NADH; cuatro, de dos FADH 2; los dos restantes se forman directamente). 14. El 40% de la energía libre producida en la oxidación de la glucosa se retiene en forma de moléculas de ATP. En otras palabras, el proceso tiene una eficiencia del 40%.

Regulación de glucólisis y respiración 15. Concentraciones altas de ATP inhiben la fosfofructocinasa, una de las enzimas de la glucólisis, mediante un mecanismo de retroalimentación. El ATP es también un inhibidor alostérico del primer paso del ciclo de Krebs. La reacción que produce acetil-CoA está regulada negativamente por la concentración de su producto. Por otra parte, cuando los requerimientos energéticos de la célula disminuyen, no se consume ATP; de esta manera, no se regenera ADP y el flujo electrónico disminuye.

Otras vías catabólicas 16. Las grasas, las proteínas y los hidratos de carbono diferentes de la glucosa son transformados por distintas vías que están conectadas con el ciclo de Krebs.

Vías de síntesis 17. Los distintos intermediarios de la glucólisis y el ciclo de Krebs pueden ser precursores para el proceso de biosíntesis. Las vías biosintéticas son diferentes de las catabólicas.

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Fig. 5-14. Vías principales del catabolismo y el anabolismo en la célula

Shnek, Curtis, et al. (2007). Glucólisis y respiración celular. Biología. 7ª Edición. Editorial Médica Panamericana. Consultado el 11/09/12. Rescatado de http://www.curtisbiologia.com/node/90

La respiración celular: las reacciones de la matriz mitocondrial Respiración celular

Es el conjunto de reacciones en las cuales el ác. pirúvico producido por la glucólisis es desdobla a CO2 y H2O y se producen 36 ATP. En las células eucariotas la respiración se realiza en la mitocondria. Se da en dos etapas: OXIDACIÓN DEL PIRUVATO CICLO DEL ÁC. TRICARBOXÍLICO

El "problema" con la fermentación es que, al usar moléculas orgánicas como aceptores terminales de electrones y tener que eliminar como residuo al producto resultante (ác. láctico / etanol), se pierde la energía potencial de esos compuestos. La solución alternativa es usar alguna molécula no orgánica que pueda aceptar electrones y convertirse así en una molécula reducida. El oxígeno es perfecto para esto, porque luego de recibir los electrones se combina con dos protones convirtiéndose así en el residuo líquido perfecto para el ambiente: H2O. Nota: la respiración depende de la disponibilidad de receptor externo de los electrones. Tan pronto como el mismo desaparece, la respiración cesa. A diferencia, la fermentación, donde el aceptor es interno (por ej. piruvato) y es un producto del desdoblamiento de la glucosa, el aceptor estará disponible en tanto exista alimento para oxidar. 17

La Mitocondria y el Sistema transportador de electrones

Las reacciones se llevan a cabo dentro de la mitocondria. Recuerde que este orgánulo de doble membrana presenta una matriz fluida rodeada por una membrana con crestas y un espacio intermembrana limitado por la memb. interna y otra externa. Paso 1: Oxidación del piruvato

Es el lazo entre la glucólisis y la respiración celular Es un complejo de reacciones catalizado por un sistema de enzimas localizado en la membrana mitocondrial interna. Resumen de los eventos: El piruvato difunde hasta la matriz de la mitocondria, cruzando ambas membranas. Cada ác. pirúvico reacciona con la coenzima-A, desdoblándose en CO2 y un grupo acetilo de dos carbonos que se une inmediatamente a la coenzima-A formándo acetil coenzima-A (acetilCoA) que entrará al ciclo de los ác. tricarboxílicos. En esta reacción se forma un NAD + H2

Nota: La Acetil-CoA puede también producirse a partir de lípidos ( por beta oxidación) o del metabolismo de ciertos aminoácidos. Su formación es un nodo importante del metabolismo central. Paso 2: Ciclo de los ácidos tricarboxílicos

Este ciclo, también conocido como Ciclo de Krebs o Ciclo del ác. cítrico tiene esencialmente la función de completar el metabolismo del piruvato derivado de la glicólisis. Las enzimas del ciclo de los ácidos 18

tricarboxílicos (Krebs) están localizadas en la matriz de la mitocondria (unas pocas de estas enzimas están la membrana interna de la mitocondria). Su punto de partida es el Acetil-CoA, obteniéndose CO2 y transportadores de electrones reducidos.

Detalles y animación del Ciclo de los Ácidos Tricarboxílicos Para empezar el ciclo: Acetil-CoA (2-C) + oxalacetato (4-C) -------> + ácido cítrico (6-C, tres grupos ácidos ) Isomerización del citrato a isocitrato (6-C, tres grupos ácidos ) Oxidación -------> alfa-cetoglutárico (5-C) + CO2 + NADH Oxidación -------> succinil-CoA (4-C) + CO2 + NADH Fosforilación a nivel de sustrato succinil-CoA (4-C) + GDP -------> succinato (4-C) + GTP (Note: GTP con ADP se puede interconvertir en ATP) 5. La oxidación -------> fumarato (4-C) + FADH2 6. convierte el fumarato en maleato, una nueva oxidación -------> oxalacetato (4-C) + NADH 1. 2. 3. 4.

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Etapas siguientes:

Balance de un ciclo: Acetil-CoA (2-C) + 3 NAD+ + FAD -------> 2 CO2 + 3NADH + FADH2 + ATP Balance para una molécula de glucosa que se convierte en 2 piruvatos, luego en 2 Acetil-CoA y luego a CO2 en la vía el ciclo de los ácidos tricarboxílicos , con todo el NADH y el FADH convertidos en ATP por la respiración: 1 glucosa + 38 ADP + 38 Pi -------> 6 CO2 + 38 ATP Nota: 2 de los NADH son formados en el citoplasma durante la glicólisis. Para ser transportados a la matriz mitocondrial para ser posteriormente oxidado por la cadena transportadora de electrones, tienen que pasar por medio de transporte activo al interior de la mitocondria , Esto "cuesta" 1 ATP per NADH. Por lo tanto el balance final resulta en 36 ATP por glucosa y no 38 ATP. Sencillo resumen del metabolismo Balance del Ciclo de los Ácidos Tricarboxílicos

El ciclo de los ácidos tricarboxílicos completa la oxidación del carbono del piruvato a su forma más oxidada (CO2); los electrones originalmente en los enlaces C-H pasan por los portadores NADH y FADH para ser usados en la respiración. La eficiencia de la respiración llega casi al 40%. de la energía presente inicialmente en la molécula de glucosa, y es conservada en forma de ATP; el resto se libera como calor Si bien las células pueden transferir electrones directamente desde el NADH al oxígeno, esto produciría directamente la liberación de la energía como calor. Si los electrones se transfieren directamente al oxígeno: NADH + O2 -------> NAD + H2O Go' = - 52 kcal/mol 20

Si el NADH tiene ~52 kcal de energía, y solo son necesarias 7,3 kcal para hacer un ATP, se puede calcular en 52/7,3 = ~ 7 ATP por NADH si la conversión de energía fuese de un 100% de eficiencia. En la práctica las células han desarrollado sistemas que le permiten obtener hasta un 40% de eficiencia (~3 ATP/NADH) bajo condiciones óptimas. Continuación: cadena respiratoria--> En este punto la célula ha ganado solo 4 ATP, 2 en la glucólisis y dos en el ciclo de Krebs, sin embargo ha capturado electrones energéticos en 10 NADH2 y 2 FADH2. estos transportadores depositan sus electrones en el sistema de transporte de electrones localizado en la membrana interna de la mitocondria. Universidad Nacional del Nordeste (2008). La respiración celular. Hipertextos del área de biología. Consultado el 11/09/12. Rescatado de http://www.biologia.edu.ar/metabolismo/met5.htm

Respiración celular Traducido y modificado por Manuel Martínez Peláez, de Graham Kent, del Smith College Colegio de Ciencias y Humanidades, plantel Naucalpan, 1999

Introducción La respiración celular es el proceso por el cual la energía química de las moléculas "alimento" es liberada y parcialmente capturada en la forma de Adenosín Trifosfato (ATP). Los carbohidratos, grasas y proteínas, pueden ser usados como combustibles en la respiración celular, pero la glucosa es el ejemplo más común para examinar las reacciones y caminos involucrados.

Debido a que los libros de texto ofrecen abundante información de los detalles de las reacciones químicas en la respiración celular, esta página se centrará en como 21

la energía química de la glucosa es convertida en ATP y donde ocurre la respiración en la célula.

Se puede dividir a la respiración celular en tres procesos metabólicos: glicólisis, ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa. Cada uno de ellos se lleva a cabo en una región específica de la célula.

1. La glicólisis se lleva a cabo en el citosol. 2. El ciclo de Krebs se realiza en la matriz de la mitocondria. 3. La fosforilación oxidativa, por la vía de la cadena de transporte de electrones es llevada a cabo en la membrana interna de la mitocondria. En la ausencia del oxígeno, la respiración consiste de dos caminos metabólicos: glicólisis y fermentación. Ambos se efectúan en el citosol.

En la glicólisis, el azúcar de 6 carbonos (glucosa) es roto en dos moléculas de tres carbonos llamadas piruvato. Este cambio va acompañado de la ganancia neta de 2 moléculas de ATP y de 2 moléculas de NADH.

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El ciclo de Krebs se lleva a cabo en la matriz de la mitocondria y genera un conglomerado de energía química (ATP, NADH y FADH2) de la oxidación del piruvato, el producto final de la glicólisis.

El Piruvato es transportado dentro de la mitocondria y pierde bióxido de carbono para formar la Acetil Coenzima A (Acetil CoA), una molécula de dos carbonos. Cuando la acetil CoA es oxidada a bióxido de carbono en el ciclo de Krebs, la energía química es liberada y capturada en forma de NADH, FADH2 y ATP.

Fosforilación oxidativa por la vía de la cadena de transporte de electrones La cadena de transporte de electrones permite la liberación de una gran cantidad de energía química almacenada en el NAD+ reducido (NADH) y FAD reducido (FADH2). La energía liberada es capturada en la forma de un ATP (3 ATP por NADH y 2 ATP por FADH2). 23

NADH + H+ + 3 ADP + 3 Pi + 1/2 O2 FADH2 + 2 ADP + 2 Pi + 1/2 O2

NAD+ + H2O + 3 ATP FAD+ + H2O + 2 ATP

La cadena de transporte de electrones (CTE) consiste de una serie de moléculas, mayormente proteínas, embedidas en la membrana interna de la mitocondria.

Fermentación Todas las células están capacitadas para sintetizar ATP por el proceso de la glicólisis. En muchas células, si el oxígeno no está presente, el piruvato es metabolizado en un proceso llamado fermentación.

La fermentación complementa a la glicólisis y hace posible producir ATP continuamente en la ausencia del oxígeno. Por la oxidación del NADH producido en la glicólisis, la fermentación regenera el NAD+, el cual interviene otra vez en para producir más ATP.

Glucosa y energía La energía química almacenada en la glucosa mas ATP en la respiración aeróbica que en la respiración sin oxígeno (glicólisis y fermentación).

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Cada molécula de glucosa puede generar entre 36-38 moléculas de ATP en la respiración aeróbica, pero solamente 2 moléculas de ATP en la respiración sin oxígeno (a través de la glicólisis y la fermentación).

Kent, Graham (2007). Respiración celular. Smith College. Consultado el 11/09/12. Rescatado de http://www.maph49.galeon.com/respcel/intro.html

Respiración M.C Roberto Zamora Bustillos Respiración celular  Una serie de reacciones mediante las cuales las célula degrada moléculas orgánicas y produce energía.  Todas las células vivas llevan a cabo respiración celular para obtener la energía necesaria para sus funciones.

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 Se utiliza glucosa como materia prima, la cual se metaboliza a CO2 y H2O, produciendo energía.

 Las moléculas de ATP son la fuente de energía que se usan como combustibles para llevar a cabo el metabolismo celular. Estas están formadas por:  Adenina  Ribosa  3 grupos fosfatos

 La respiración celular se divide en pasos y sigue distintas rutas en presencia o ausencia de oxigeno.  Respiración aeróbica- en presencia de oxigeno.  Respiración anaeróbica- en ausencia de oxigeno.

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Glucólisis  Es el primer paso de la respiración celular y ocurre en el citoplasma de la célula.  A partir de una molécula de glucosa, se producen dos moléculas de piruvato.  En ausencia de oxigeno, luego de la glucólisis se lleva a cabo fermentación.

 La glucólisis se divide en dos partes:  Una molécula de glucosa se divide en dos moléculas de glutaraldehido-3-fosfato.

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 Estas dos moléculas se convierten en dos moléculas de piruvato. Durante la glucólisis se producen dos moléculas de ATP.

Respiración celular aeróbica  Es el conjunto de reacciones en las cuales el acido piruvico producido por la glucólisis se transforma en CO2 y H2O.  En el proceso se producen 36 moléculas de ATP.  En las células eucariota este proceso ocurre en el mitocondrio en dos etapas llamadas el Ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones. Ciclo de Krebs

En el ciclo de Krebs se produce: 4 CO2, 6NADH, 2FADH y 2 ATP por cada molecula inicial de glucosa 28

Cadena de transporte de electrones  Los electrones producidos en glucólisis y en el ciclo de Krebs pasan a niveles mas bajos de energía y se libera energía para formar ATP.  El ultimo aceptador de electrones de la cadena de oxigeno.  En la cadena se producen 34 moléculas de ATP a partir de una molécula inicial de glucosa.

ATP total en respiración aeróbica Source

Number ATP Produced

Glycolysis

2 ATP

Transport of NADH into Matrix.

-2 ATP

Krebs Cycle (ATP & GTP)

2 ATP

Electron Transport (NADH & FADH2)

34 ATP

NET TOTAL

36 ATP

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Respiración celular anaeróbica  Ocurre en ausencia de oxigeno.  No es tan eficiente como la respiración aeróbica, ya que solo produce 2 moléculas de ATP, pero al menos permite obtener alguna energía a partir del piruvato que se produce en glucólisis.  Hay dos tipos de respiración anaeróbica:  Fermentación láctica  Fermentación alcohólica Fermentación láctica  Ocurre en algunas bacterias y gracias a este proceso obtenemos productos como el yogurt, queso, etc.  Sucede también cuando hay deficiencia de oxigeno en le músculo humano.

Fermentación alcohólica  Este tipo de fermentación ocurre en levaduras y algunas bacterias.  Produce CO2 y alcohol etílico, ambos son usados en la producción del pan y de la cerveza.

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Zamora Bustillos, Roberto (2010). Respiración celular. ITESCAM, México. Consultado el 11/09/12. Rescatado de www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r23261.PPT

Las cuatro etapas de la respiración celular Escrito por

Mark Kennan | Traducido por Maria Della Cella Figueredo

La respiración celular es el proceso por el cual la célula se desglosa en glucosa con oxígeno para almacenar la energía como ATP (adenina trisfofato). La energía del ATP se usa para ayudar a la célula a cumplir funciones diarias como el crecimiento, la división y reparación de sí misma. La glucosa puede ser creada a través de un proceso de fotosíntesis en las células de las plantas o también puede ser engestada en las células animales. El oxígeno puede ser absorbido o inhalado. Una provisión consistente tanto de glucosa como de oxígeno son necesarias para la celular para sobrevivir. Las cuatro etapas de la respiración celular son la glucólisis, la etapa de transición, el ciclo ácido crítico y la cadena de transporte de electrones. A través de este proceso, se crean 38 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa.

Respiración celular La respiración celular es el proceso por el cual la célula se desglosa en glucosa con oxígeno para almacenar la energía como ATP (adenina trisfofato). La energía del ATP se usa para ayudar a la célula a cumplir funciones diarias como el crecimiento, la división y reparación de sí misma. La glucosa puede ser creada a través de un proceso de fotosíntesis en las células de las plantas o también puede ser engestada en las células animales. El oxígeno puede ser absorbido o inhalado. Una provisión consistente tanto de glucosa como de oxígeno son necesarias para la celular para sobrevivir. Las cuatro etapas de la respiración celular son la glucólisis, la etapa de transición, el ciclo ácido crítico y la cadena de transporte de electrones. A través de este proceso, se crean 38 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa.

Glucólisis La glucosa se desglosa en el citoplasma de la célula durante la etapa de glucólisis. Dos grupos de fosfato se adjuntan a la molécula de glucosa y ésta se divide en dos compuestos idénticos. Un ion de hidrógeno con dos electrones se desprende de cada uno de estos compuestos y se adjunta a un nicotinamida adenina dinucleótido para formar el NADH. Dos átomos

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de hidrógeno extras se desprenden y se unen con el oxígeno para formar agua. El carbón compuesto remanente se desglosa en dos moléculas de piruvato. En esta etapa se adquieren dos moléculas de ATP.

Etapa de transición y el ciclo de Krebs La etapa de transición se lleva a cabo en la mitocóndrias. El piruvato se combina con el NAD+ para formar el NADH y moléculas de acetil coenzima A. El próximo paso es el ciclo de Krebs, también conocido como el ciclo de ácido cítrico. En éste ciclo, los átomos de hidrógeno se desprenden de las moléculas de acetil coenzima A para usar los electrones y poder crear ATP. Algunas veces, todo el remanente de las moléculas de acetil coenzima A es carbón, el cual se combina con el oxígeno para formar dióxido de carbono que es emitido como un desecho. El ciclo de Krebs crea cuatro moléculas de ATP.

Cadena de transporte de electrones El NADH que ha sido creado en las etapas de respiración celular anteriores libera los electrones a la cadena de transporte de electrones. Cada molécula consecutiva en la cadena tiene una atracción más fuerte al electrón, así que éste continúa a través de la cadena hasta que alcanza un átomo de oxígeno al final, donde se forma agua y es liberada. En el camino, libera energía que se usa para crear moléculas de ATP. La cadena de transporte de electrones crea 32 moléculas de ATP.

Kennan, Mark (2012). Las cuatro etapas de la respiración celular. Consultado el 11/09/12. Rescatado de http://www.ehowenespanol.com/cuatro-etapas-respiracion-celular-como_35291/

PROCESOS METABÓLICOS RELACIONADOS CON LA MITOCÓNDRIA. LOCALIZACIÓN DE LOS PROCESOS RESPIRATORIOS Estructura de la mitocondria Las mitocondrias son organelos membranosos, visibles al microscopio óptico con el auxilio de técnicas histológicas como es la hematoxilina férrica y otras técnicas histoquímicas para detectar enzimas que este orgánulo presenta. Se localizan en aquellos sitios donde se requiere el aporte de energía, como es por ejemplo asociadas junto a las invaginaciones basales de células cilíndricas, así como en las superficies baso laterales, próximas a los sitios donde se localizan las bombas sodio/ potasio, las cuales necesitan gran aporte energético. Son muy abundantes en células metabólicamente activas como son: las células musculares estriadas esqueléticas y cardíacas, los hepatocitos, las células absortivas asociadas a las superficies basales y baso laterales, como es por ejemplo el caso de las células epiteliales cilíndricas absortivas de los intestinos delgado y grueso. En la mitocondria se distinguen diferentes componentes; los mismos compartimentos y membranas de la mitocondria crean una subdivisión funcional de la misma. 32

Membrana mitocondrial interna: La MIM es una estructura especializada que es impermeable a la mayoría de los iones pequeños, incluidos el H+, el Na+ u el K+, moléculas pequeñas como el ATP, el ADP, el piruvato y otros metabolitos importantes a la función mitocondrial. Los transportadores especializados o sistemas transportadores se requieren para mover los iones o moléculas a través de esta membrana. La membrana interna mitocondrial presenta proyecciones llamadas crestas mitocondriales, que incrementan el área superficial de la membrana. Estas crestas pueden ser aplanadas o tubulares. En las crestas de la Membrana Interna mitocondrial se localizan las enzimas y complejos respiratorios, entiéndase las enzimas de la cadena de transporte de electrones y de la fosforilación oxidativa que veremos más adelante. Matriz de la mitocondria: La solución tipo gel que se encuentra en el interior de la mitocondria está constituida por un 50% de proteínas. Estas moléculas incluyen las enzimas responsables de la oxidación del piruvato, de aminoácidos, de ácidos grasos (beta oxidación), y los metabolitos intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo de Krebs. Parte de las reacciones de la síntesis de urea y del grupo hemo ocurren en la matriz de la mitocondria. Además, la matriz contiene NAD+ y FAD (las formas oxidadas de las dos coenzimas que son requeridas como aceptores de hidrógeno) y de ADP y Pi que son utilizados para formar el ATP. NOTA: la matriz también contiene ARN mitocondrial y ADN (ARNmt y ADNmt) y ribosomas mitocondriales. Membrana mitocondrial externa: La membrana externa mitocondrial es lisa y rica en un grupo de poros especiales que la hacen libremente permeable a la mayoría de los iones y moléculas de pequeño tamaño. El metabolismo mitocondrial como parte del metabolismo general de la célula. La respiración celular Cuando se habla de respiración, se piensa de inmediato en el intercambio de gases que ocurre a nivel de los pulmones: le entrada de oxígeno y la salida de dióxido de carbono .Prácticamente las mitocondria consumen casi todo el oxígeno que respiramos, en una de las etapas de la respiración celular que se denomina cadena de transporte de electrones. Concepto: se entiende por respiración celular al proceso mitocondrial de la oxidación del grupo acetilo de la Acetil CoA a dióxido de carbono, agua y ATP. 33

Importancia: la respiración celular permite obtener la casi totalidad de la energía metabólicamente útil que requiere el organismo para mantener sus funciones vitales: el ATP. Sin energía no puede existir la vida. Procesos que integran la respiración celular: La respiración celular es la parte del metabolismo celular integrado por tres procesos metabólicos mitocondriales: el Ciclo de Krebs, le Cadena de Transporte de Electrones y la Fosforilación Oxidativa. Mediante este proceso de la respiración celular se oxida el Acetil CoA obtenido de cualquiera de los tres grupos fundamentales de nutrientes: lípidos, carbohidratos y proteínas. Cada uno de los productos finales de la respiración celular revela el origen del mismo:   

CO2 se forma en el Ciclo de Krebs, H2O se forma en la Cadena de Transporte de Electrones. ATP se forma en la Fosforilación Oxidativa.

FUNCIÓN ESPECÍFICA DE LOS PROCESOS DE LOS PROCESOS QUE INTEGRAN LA RESPIRACIÓN CELULAR El ciclo de Krebs El ciclo de Krebs está formado por ocho reacciones que integran una vía metabólica cerrada en la que participan 8 enzimas, de las cuales 7 se encuentran en la matriz mitocondrial y una es común a este proceso y a la cadena de transporte de electrones ubicada en la membrana interna de la mitocondria. La actividad metabólica del ciclo puede ser vista en sus dos vertientes: la anabólica y la catabólica. Por tal motivo, se dice que el ciclo tiene carácter anfibólico. El carácter catabólico del ciclo será analizado en relación con la respiración celular. El carácter anabólico lo ejemplifica la participación de algunos de sus intermediarios en la síntesis de sustancias, como los grupos HEMO necesarios en la formación de hemoproteínas como la Hemoglobina y los citocromos, que se estudiarán en la cadena de transporte de electrones. Otro intermediario del ciclo es la fuente de acetil CoA citoplasmática utilizada en la síntesis de ácidos grasos y colesterol, lo que puede explicar como los excesos de ingestión de carbohidratos pueden llevar a las personas a la obesidad por incremento del depósito de estos ácidos grasos en forma de triacilglicéridos en el tejido adiposo, y al incremento de la síntesis de colesterol que tan estrecha relación tiene con la ateroesclerosis. Otros metabolitos intermediarios son precursores de aminoácidos que participan en la síntesis de proteínas o donan sus 34

grupos aminos a la síntesis de bases nitrogenadas presentes en los nucleótidos. Durante el ayuno prolongado, voluntario o involuntario las proteínas de los tejidos son degradados a sus aminoácidos constituyentes y las cadenas carbonadas de los mismos o productos de sus catabolismo confluyen en los intermediarios del ciclo, pero donde solo uno de ellos sale de la mitocondria para sintetizar glucosa por medio de la glucogénesis. Más adelante, se señalarán los nombres exactos de cada uno de los metabolitos que pueden asumir los aspectos de carácter anabólico del ciclo de Krebs. Se comenzará ahora el análisis de su vertiente catabólica, estudiando las reacciones del ciclo y destacando la enzima que participa en cada reacción. Reacciones del ciclo de KREBS: La oxidación del acetil CoA en el ciclo de Krebs obliga a destacar cuáles pueden ser los orígenes del acetilCoA. En condiciones normales de salud y nutrición, la fuente principal del mismo es la descarboxilación del ácido pirúvico (piruvato) en la mitocondria. La fuente fundamental de piruvato es el catabolismo de la glucosa en la vía glucolítica. La beta oxidación de los ácidos grasos es una fuente de acetil CoA, muy utilizada en el tejido muscular en reposo. La degradación de los cuerpos cetónicos en los tejidos extrahepáticos también produce acetil CoA.

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1.- La citrato sintasa. Esta enzima cataliza una reacción de condensación del carbono del grupo metilo del acetil-CoA con el carbono cetónico (C-2) del oxaloacetato (OAA) formando el citrato. La variación de energía libre es de -8.0 kcal/mol. Si se forma citrato en exceso se desvía para transformar acetil- CoA desde la mitocondria al citoplasma y utilizarse en la biosíntesis de ácidos grasos y de colesterol. 2. Aconitasa La isomerización del citrato a Isocitrato por la aconitasa es estereoespecífica; ocurre un desplazamiento del grupo -OH del carbono central del citrato generando el Isocitrato. Esta reacción se produce en 36

dos etapas: primero una deshidratación con formación de un intermediario que da el nombre a la enzima y una segunda etapa donde ocurre una incorporación de los elementos del agua a ese intermediario y se forma el Isocitrato. La aconitasa es una de varias enzimas de la mitocondria que contiene hierro no hemínico. Esta proteína contiene hierro inorgánico y azufre, conocido como los centros de hierro- azufre. 3. Isocitrato dehidrogenasa. El Isocitrato es descarboxilado oxidativamente a alfa- cetoglutarato por la Isocitrato dehidrogenasa, (ICDH). Hay dos enzimas de ICDH diferentes. La ICDH del ciclo de Krebs que utiliza NAD+ como cofactor, mientras la otra utiliza NADP+, ambas presentes en la matriz mitocondrial pero la segunda se encuentra además en el citoplasma. ICDH cataliza el paso limitante del ciclo así como la primera reacción productora de NADH. Además se produce una molécula de CO2. El ciclo se regula a nivel de la ICDH por los poderosos efectores alostéricos negativos NADH y ATP y por los efectores positivos isocitrato, ADP y AMP. La carga energética celular es un factor importante que regula el flujo de carbonos a través del ciclo de Krebs. 4. El complejo de la alfa- cetoglutarato dehidrogenasa. El alfacetoglutarato es descarbixilado oxidativamente a succinil -CoA por la ácetoglutarato deshidrogenasa. Esta reacción genera el segundo C02 y el segundo NADH. Este complejo multienzimático es muy similar al del piruvato deshidrogenasa. Requiere de 5 cofactores: el pirofosfato de tiamina (PPT9, el ácido lipoico, FAD, NAD+ y la coenzima A en su mecanismo de acción .La ácetoglutarato deshidrogenasa no está sujeta a modificación covalente, pero si a la regulación alostérica que es bastante compleja, con la actividad regulada por el Ca2+ como efector alostérico positivo y como efectores negativos: ATP, GTP, NADH y succinil CoA. Se puede decir que el control de la enzima recae en la carga energética, la proporción de NAD+/NADH, y los niveles de sustratos y productos. 5. La succinil CoA sintetasa (succinil tioquinasa). La conversión de succinil CoA a succinato por la succinil tioquinasa involucra el uso de la 37

hidrólisis del tioester de alta- energía de succinil- CoA para dirigir la síntesis de un nucleótido, en un proceso conocido como fosforilación a nivel de sustrato. La condensación acoplada a esta reacción de GDP y Pi produce GTP. Este GTP es utilizado en una transfosforilación por otra enzima que lo transfiere a un ADP y forma un ATP. 6. La succinato deshidrogenasa (SDH). La deshidrogenasa del succinato cataliza la oxidación del succinato a fumarato con la reducción del grupo prostético de la enzima. Aquí el FAD se transforma en FADH2. 7. La fumarasa (la hidratasa del fumarato). La reacción catalizada es específica para la forma trans del fumarato que se convierte en Lmalato. Esta reacción es reversible. 8. Malato deshidrogenasa (MDH). El L- malato es el substrato específico para la MDH que forma el oxalacetato, en la última reacción del ciclo de Krebs. En esta reacción se forma el tercer NADH. La variación de energía libre es de aproximadamente +7 kcal/mol, indicando la naturaleza muy desfavorable de la reacción en el sentido de la producción de oxalacetato. La reacción de la citrato sintasa que condensa el oxaloacetato a la acetil CoA y tiene una energía libre normal de aproximadamente -8 kcal/mol, es la responsable para impulsar la reacción da la MDH en la dirección del oxalacetato. El cambio global de energía libre normal es aproximadamente -1 kcal/mol para la conversión de malato a oxaloacetato. En esta reacción el producto de esta enzima genera el sustrato de la primera, dándole el carácter cíclico a esta vía metabólica. La estequiometría global del ciclo de Krebs es: Acetil -CoA +3NAD*+ FAD +GDP + Pi + 2H2O --- 2CO2 +3NADH+ FADH2 +GTP + 2H* + HSCoA El aspecto anabólico del ciclo de Krebs: El succinil-CoA y el alfacetoglutarato son también metabolitos importantes fuera del Ciclo de Krebs. En particular el alfa- cetoglutarato representa un metabolito que une la entrada y salida de átomos de carbono del ciclo y lo vincula al 38

metabolismo de los aminoácidos. El alfa- cetoglutarato también es importante para la lanzadera del malato- aspartato. El succinil- CoA, junto con la glicina, contribuye con todo el carbono y los átomos de nitrógeno requeridos para la biosíntesis del grupo hemo. También es de importancia en el metabolismo de los cuerpos cetónicos en los tejidos extrahepáticos. La salida de malato hacia el citoplasma permite la formación de glucosa. El citrato es la fuente de acetil CoA citoplasmático que participa en la síntesis de ácidos grasos y colesterol. La anaplerosis: La salida de estos metabolitos para cumplir funciones de carácter anabólico pudiera disminuir la actividad del ciclo si no existieran las reacciones de relleno (anapleróticas) en la que juega un papel relevante la piruvato carboxilasa, enzima que cataliza la carboxilación del ácido pirúvico: Piruvato + CO2 + ATP -------- oxalacetato +ADP +Pi Regulación. La regulación del ciclo de Krebs se puede resumir en la regulación que se ejerce a nivel de tres de las enzimas que integran el mismo: la citrato sintasa, la isocitrato deshidrogenasa y el complejo de la á- cetoglutarato deshidrogenasa. El consumo de energía como resultado de las reacciones boisintéticas, los transportes activos, el mantenimiento del tono muscular, entre otros, provocan la hidrólisis del ATP a ADP y Pi. El incremento de la concentración de ADP acelera las reacciones que llevan a la producción del ATP por el mecanismo de fosforilación oxidativa. Bajos niveles de ADP y Pi limitan la capacidad de formación del ATP por fosforilación oxidativa ya que estos son los sustratos de la ATP sintasa. La relación {ATP} / {ADP + Pi} se conoce como a carga energética de la célula y se relaciona consecuentemente con el control respiratorio de la producción de energía. Significado particular del ciclo de Krebs dentro del proceso respiratorio: El ciclo de Krebs suministra los electrones y protones que alimentan la cadena de transporte de electrones; los electrones finalmente son aceptados por el oxígeno, lo que produce a la formación de agua y el gradiente de protones. La cadena respiratoria El transporte de electrones. Las moléculas ricas en energía, tales como la glucosa, son metabolizadas por medio de una serie de reacciones de oxidación que rinden finalmente CO2 y agua. Los 39

intermediarios metabólicos de estas reacciones donan electrones a coenzimas específicas: NAD+ y al FAD, para formar coenzimas reducidas ricas en energía química, el NADH y el FADH2. Estas coenzimas reducidas pueden, de hecho, donar un par de electrones a un grupo especializado de transportadores de electrones, que colectivamente se denomina como la cadena de transporte de electrones, descrita en esta sección. En la medida en que los electrones pasan a través de los diferentes transportadores de electrones, ellos pierden mucha de la energía libre que poseen. Tres de los complejos que forman parte de esta cadena de transporte de electrones actúan como bombas de protones posibilitando que parte de esta energía pueda ser capturada y almacenada por medio de la producción de ATP a partir del ADP y el fosfato inorgánico Pi). Este último proceso es conocido como la fosforilación oxidativa y se describirá más adelante en esta propia sección. El resto de la energía libre no atrapa para la formación de ATP se libera en forma de calor. La cadena da transporte de electrones está presente en la membrana interna de la mitocondria y es la vía final común por la cual los electrones derivados de los diferentes combustibles del cuerpo fluyen hacia el oxígeno. El transporte de electrones y la síntesis de ATP por la fosforilación oxidativa ocurren continuamente en todos los tejidos que contienen mitocondrias. Organización de la cadena de transporte de electrones: A partir de la membrana interna mitocondrial pueden ser obtenidos por técnicas bioquímicas 5 complejos enzimáticos, llamados complejos I, II, III, IV y V. Los complejos del I al IV integran la llamada cadena de transporte de electrones, mientras que el complejo V que cataliza la síntesis del ATP efectúa la fosforilación oxidativa. Cuando se habla de cadena respiratoria se considera incluidos los 5 complejos. Los cuatro primeros complejos (I, II, III y IV) aceptan o donan electrones a transportadores específicos y a metales especialmente configurados. Existen transportadores de electrones relativamente móviles, tal como la coenzima Q y el citocromo c, que actúan como conectores entre los complejos. Cada transportador en la cadena de transporte de electrones puede recibir electrones de un donante de electrones y puede subsecuentemente donar los electrones al próximo transportador de electrones de la cadena. Estos electrones finalmente se combinan con el oxígeno y dos protones para formar agua. Este requerimiento de oxígeno hace el proceso de transporte de electrones la

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llamada cadena respiratoria, la cual es responsable de la mayor utilización del oxígeno por el cuerpo. IMAGEN DE LA CADENA RESPIRATORIA

Reacciones de la cadena de transporte de electrones: Con la excepción de la coenzima Q, todos los miembros de la cadena son proteínas. Estas proteínas pueden funcionar como enzimas, como es el caso de las deshidrogenasas, otras pueden contener hierro como parte de un centro hierro- azufre, otras pueden estar coordinadas con una porfirina como son los citocromos, o pueden contener cobre como el complejo de los citocromos a + a3. 1.

1. Formación de NADH: el NAD+ es reducido a NADH por deshidrogenasas que sustraen dos átomos de hidrógenos de sus sustratos. Por ejemplo: las deshidrogenasas del ciclo de Krebs pueden ilustrar este mecanismo. Los dos electrones y un protón son transferidos al NAD+

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(realmente es un ion hidruro: H -) formándose NADH más un protón libre, H+. SH2 + NAD+ ---------- S + NADH - H2. NADH deshidrogenasa: el protón libre más el ión hidruro transportado por el NADH son transferidos al complejo I (NADH deshidrogenasa) de la cadena de transporte de electrones, que esta incluido dentro de la membrana interna de la mitocondria. Este complejo tiene firmemente unido una molécula de flavín mononucleótido (FMN), una coenzima ya estudiada en cofactores enzimáticos y estructuralmente relacionada con el FAD. El FMN acepta los dos átomos de hidrógeno y los dos electrones donados por el NADH H+. De esta forma se reduce a FMNH2. L a NADH deshidrogenasa también contiene varios átomos de hierro apareados con átomos de azufre formando los llamados centros hierro- azufre. Estos últimos son necesarios para la transferencia de los átomos de hidrógeno al siguiente transportador de la cadena de transporte de electrones: la ubiquinona o coenzima Q. 3.

3. Coenzima Q: la coenzima Q es un derivado de quinona con una larga cola de isoprenoide. Es también llamada Ubiquinona debido a su presencia ubicuota en los sistemas biológicos. La coenzima Q acepta los hidrógenos y los electrones del FMNH2 de la NADH deshidrogenasa como del FADH2 producido por la succinato deshidrogenasa (Complejo II) y las acetil CoA deshidrogenasas.

4.

4. Los citocromos: los restantes miembros de la cadena de transporte

de electrones son los citocromos. Cada uno de ellos contiene un grupo hemo derivado de un anillo de porfirina con un átomo de hierro que puede cambiar su estado de oxidación. A diferencia de los grupos hemo de la hemoglobina, el átomo de hierro de los citocromos es reversiblemente convertido de estado férrico (Fe3+) a ferroso (Fe2+) como parte normal de su función como transportador reversible de electrones. Los electrones son transportados de forma ordenada de un complejo a otro, pasando a lo largo de la cadena desde la CoQ hacia los citocromos b y c (complejo III) y de este hacia el complejo IV (citocromos a + a3). 5. Los citocromos a + a3: estos citocromos son los últimos transportadores de electrones en los cuales el hierro del grupo hemo tiene un ligando libre que puede reaccionar directamente con el oxígeno

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molecular. En este sitio, los electrones transportados, el oxígeno molecular y los protones libres son unidos formándose agua. Los citocromos a + a3 (complejo IV) son conocidos como la citocromo oxidasa. Este complejo presenta unido átomos de cobre que son requeridos en la compleja reacción de formación de agua. Inhibidores de la cadena de transporte de electrones: Diversos inhibidores han sido utilizados para estudiar el mecanismo íntimo de la cadena de transporte de electrones y los procesos acoplados a la misma. Ellos tienen sus sitios específicos de acción. Todos estos compuestos impiden el paso de los electrones a lo largo de la cadena por unión a transportadores específicos y de esta forma bloquean la reacción de oxido- reducción. Todos los transportadores antes del sitio de bloqueo se encontrarán de forma reducida mientras que los localizados después del sitio de inhibición se encontrarán oxidados. Como el transporte de electrones y la fosforilación oxidativa están firmemente acoplados, los inhibidores sitio específicos de la cadena de transporte de electrones también inhiben la síntesis de ATP como efecto secundario como se estudiara más adelante. La hipoxia perinatal que puede ocurrir durante el paso del feto de forma retardada por el canal de parto, disminuye el aporte de oxígeno al cerebro y por ende la producción de ATP. Estos problemas durante el trabajo de aparto pueden conllevar trastornos irreversibles en el sistema nervioso central (SNC).

Inhibidores de la cadena de transporte de electrones. Inhibidor Sitio de acción Amital Complejo I: bloquean el paso de electrones del citocromo b al citocromo c Rotenona Complejo III: bloquea el paso de electrones del citocromo b al Actinomicina A citocromo c. Cianuro Monóxido de Complejo I: bloquean el paso de electrones de la citocromo oxidasa al Carbono oxígeno molecular. Azida sódica.

Liberación de energía libre durante el transporte de electrones: La energía libre es liberada en la medida que los electrones van pasando a lo largo de la cadena de transporte de electrones, desde un donante a un 43

aceptor. Los electrones pueden ser transferidos en diferentes formas, como por ejemplo, como hidruros (:H-) al NAD +; como átomos de hidrógeno (H-) al FMN o como electrones (e-) directamente a los citocromos. La fosforilaciôn oxidativa La transferencia de electrones en la cadena de transporte de electrones es energéticamente favorecida debido a que el NADH es un donante de electrones fuerte y el oxígeno molecular es un aceptor ávido de electrones. Sin embargo, el flujo de los electrones desde el NADH hacia el oxígeno no resulta directamente en la síntesis de ATP. El funcionamiento de las b0mbas de protones en los complejos I, II y IV es fundamental para la generación del gradiente de protones que permitirá aprovechar la energía del mismo para la síntesis del ATP.

TEORÌA QUIMIOSMÒTICA La teoría quimiosmôtica (también conocida como teoría de Mitchell) explica como la energía libre generada por el transporte de electrones es empleada para producir ATP a partir de ADP y Pi: 1. Las bombas protónicas: el transporte de electrones está acoplado a fosforilaciôn del ADP por medio del transporte de protones (H+) a través de la membrana interna mitocondrial, desde la matriz hacia el espacio intermembranoso. Este proceso crea un gradiente eléctrico a través de la membrana interna mitocondrial (más cargas positivas sobre la superficie externa de la MIM que en la superficie interna ) y un gradiente de pH (la parte externa de la MIM presentará menor pH que la matriz). La energía generada por este gradiente de protones es suficiente para dirigir la síntesis de ATP. Así, el gradiente de protones sirve como un intermediario común que acopla la oxidación con la fosforilaciôn. Sólo bombean protones los complejos I, II y IV. La generación del gradiente de protones desde la matriz hacia el espacio intermembranoso va disminuyendo paulatinamente el pH del espacio intermembranoso, esa disminución tiene un pH limite que al alcanzarse provoca la transformación de la ATPasa (complejo V) que se refleja en la apertura de un canal en al fracción Fo que permite el paso de protones desde el espacio intermembranoso hacia la matriz. Corresponde a la fracción F1 de la enzima la síntesis del ATP a partir de ADP y Pi . 44

2. La ATP sintasa: el complejo enzimático de la ATP sintasa 8complejo V) sintetiza ATP empleando la energía del gradiente de protones generado por la cadena de transporte de electrones. La teoría quimiosmôtica propone que después que, los protones han sido transferidos hacia el espacio intermembranoso ellos regresan a la matriz mitocondrial pasando a través de un canal en el complejo de la ATP sintasa, resultando en la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi, y al mismo tiempo disipando los gradientes de pH y eléctricos que se habían formado por el bombeo de protones hacia dicho espacio. La ATP sintasa, fijada en las crestas da la membrana interna de la mitocondria, consta de dos porciones importantes: *La subunidad catalítica F1, un oligòmero de 5 cadenas polipeptìdicas, a3b3 se. *El complejo Fo formado por proteínas integrales de la membrana que median el transporte de protones. 3. La oligomicina: esta droga se une al tallo de la ATP sintasa cerrando el canal de protones e impidiendo le reentrada de protones en la matriz mitocondrial. Debido a que los gradientes de pH y eléctricos no pueden disiparse en presencia de seta droga, el transporte de electrones se detiene ya que no se pueden bombear más protones contra el gradiente. El transporte de electrones y la fosforilaciôn oxidativa son dos procesos fuertemente acoplados, y al inhibirse la fosforilaciôn se inhibe la oxidación. 4. Proteínas desacopladot(r)as: las UCP existen en las membranas internas mitocondriales de los mamíferos, incluidos los humanos. Estas proteínas crean un salidero o fuga de protones, esto es, ellas dejan que los protones reingresen a la matriz mitocondrial sin que la energía pueda ser utilizada para la síntesis del ATP. La energía es liberada en forma de calor. UCPI, también llamada termogenina es la responsable de la activación de la oxidación de los ácidos grasos y la producción de calor en los adipositos de color pardo de los mamíferos. La grasa parda, a diferencia de la más abundante grasa de color blanco, gasta más del 90% de su energía respiratoria en la termogénesis en respuesta al frío, en el nacimiento y durante el celo en animales que realizan hibernación. Sin embargo, los humanos tienen poca grasa parda (excepto los recién nacidos, que presentan en la región de la nuca abundante cantidad, y 45

cuya función se relaciona con el mantenimiento de la temperatura de la cabeza). La UCPI no parece jugar un papel importante en el balance de energía. Existen otras proteínas desacopladot(r)as (UCP2 y 3) cuyo significado ha sido controversial. 5. Desacopladores sintéticos: el transporte de electrones y la fosforilaciôn oxidativa pueden ser desacoplados por compuestos que incrementan la permeabilidad de la MIM a los protones. El ejemplo clásico de estas sustancias es el 2,4 – dinitrofenol, un transportador de protones lipofìlico que difunde rápidamente a través de la membrana mitocondrial. Estos desacopladores causan un incremento de la velocidad del transporte de electrones sin poder establecer un gradiente de protones. La energía producida por el transporte de electrones es liberad en forma de calor y no es utilizada para la síntesis de ATP. Altas dosis de aspirina (así como otros salicilatos) desacoplan la fosforilaciôn oxidativa. Esto explica la fiebre que acompaña las sobredosis tóxicas de setas sustancias. Con la utilización de las sustancias que afectan el normal funcionamiento de la cadena de transporte de electrones y de la fosforilaciôn oxidativa se pone de relieve la unidad funcional de estos procesos. Si disminuye cualquiera de ellos, disminuyen todos, y por ende las oxidaciones biológicas. BALANCE ENERGÈTICO La oxidación de un mol de acetil CoA produce a nivel del Ciclo de Krebs. 1. La oxidación de 3 moles de NADH (alimenta el complejo I). 2. La oxidación de 1 mol de succinato (alimenta el complejo II). 3. Una fosforilaciôn a nivel de sustrato. Si se considera que la alimentación de la cadena respiratoria a través del complejo I rinde 3 ATP, se obtendrán 9 ATP; la alimentación de la cadena respiratoria a través del complejo II rinde 2 ATP; una fosforilación a nivel del sustrato rinde un GTPm, que posteriormente genera un ATP; esto hace un total de 12 ATP por cada molécula de acetil CoA que se oxide a CO.HO.

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