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RESPIRACION CELULAR

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Resumen didáctico respiración celular






Esquema global de la oxidación de la glucosa

 La respiración celular es un proceso redox en el cual se transfiere hidrógeno de la glucosa al oxígeno

La glucosa se oxida  y el oxígeno se reduce

Durante  este proceso se reduce la energía potencial  de los electrones y   se libera  energía química
Así esta energía se utiliza para la síntesis de  ATP
Las reacciones químicas de la  respiración celular se agrupan en  cuatro fases:

 

    1. GLUCOLISIS
    2. FORMACIÓN DE ACETIL -  COENZIMA  A
    3. CICLO DEL ACIDO CITRICO O CICLO DE KREBS
    4. CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES  y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

     Glucólisis o ruta de Embden-Meyerhof

http://1.bp.blogspot.com/_FigIDhaqGWI/Sw8LUYhqMDI/AAAAAAAAAEE/z0HftqsYpnw/s1600/gluc%C3%B3lisis.gif

La glucólisis se localiza en el citosol y consiste en la degradación de glucosa, glucosa – 1 - fosfato o fructosa para formar ácido pirúvico. La glucólisis se puede considerar biológicamente como un proceso primitivo, ya que surgió antes de la aparición de los organelos celulares.

La glucólisis consiste de dos fases. En la primera fase se transforma la glucosa (C6) originando dos moléculas de tres carbonos (C3); en la segunda se oxidan las moléculas C3 transformándose en dos moléculas de ácido pirúvico, ATP y NADH + H+

Glucosa + 2 NAD+ + 2ADP + 2H2 PO 4 - wpe2.jpg (719 bytes) 2 Ác pirúvico + NADH + 2H+ + 2 ATP+ 2 H2O

Bajo condiciones anaeróbicas, sin participación del oxígeno molecular, el ácido pirúvico se transforma en alcohol etílico, mediante la fermentación alcohólica:

C6H 12O6 la_res3.jpg (773 bytes)2 CH3 – CO - COOH
glucosa                      ácido pirúvico.

 

2 CH3 – CO – COOH la_res3.jpg (773 bytes)2 C2H5 OH + 2 CO2
      ácido pirúvico                             alcohol etílico.

 

Cuando la glucosa es oxidada a alcohol etílico y anhídrido carbónico, se liberan 52 Kcal * mol-1 (217,71 KJ * mol-1). Muchos organismos pueden fermentar el ácido pirúvico en ácido láctico (fermentación láctica).

C6H 12O6 la_res3.jpg (773 bytes)2 ácido láctico + 52 Kcal * mol-1

En ciertas condiciones los tejidos vegetales pueden estar sujetos a bajas concentraciones de oxígeno (hipoxia) o ausencia total de oxígeno (anoxia). Condiciones que se dan bajo suelos inundados, en los que la concentración de oxígeno es muy baja, dificultando su difusión a las raíces, que entonces operan formando ácido láctico o alcohol etílico.

Podemos resumir la transformación de ácido pirúvico en el proceso glucolítico de la manera siguiente:

La fermentación alcohólica consiste de 11 reacciones enzimáticas, mostradas a continuación y en la Figura 1.


FIGURA 1.

    Es el proceso por el que la glucosa se degrada en dos moléculas de ácido pirúvico. Esta fase, que es totalmente anaeróbica, se produce en el citoplasma celular y consta de los siguientes pasos:

    1. Fosforilación de la glucosa en glucosa-6-fosfato por una molécula de ATP. Este proceso es necesario para que la glucosa de la sangre atraviese la membrana citoplasmática.
    2. Isomerización de la glucosa-6-fosfato en fructosa-6-fosfato
    3. Fosforilación de la fructosa-6-fosfato en fructosa-1,6-difosfato, para lo cual es necesario un nuevo ATP.
    4. Escisión de la fructosa-1,6-difosfato, mediante una aldolasa, en dihidroxiacetona-fosfato y gliceraldehído-3-fosfato.
    5. Solamente el gliceraldehído-3-fosfato puede servir de sustrato para la siguiente reacción de la glucólisis. Sin embargo, la dihidroxiacetona-fosfato puede sufrir una isomerización en gliceraldehído-3-fosfato, de modo que la glucólisis se multiplica por dos a prtir de aquí.
    6. El gliceraldehído-3-fosfato, mediante una fosforilación y una deshidrogenación, se convierte en ácido 1,3-difosfoglicérico, necesitándose fosfato inorgánico y la coenzima NAD+, que se reduce.
    7. Desfosforilación del  ácido 1,3-difosfoglicérico, formándose ácido 3-fosfoglicérico.ç
    8. Traspaso del grupo fosfato del ácido 3-fosfogicérico al carbono 2
    9. Aparición de un doble enlace entre los carbonos 2 y 3 del ácido 2-fosfoglicérico, formándose el ácido fosfoenolpirúvico (PEP)
    10. Transferencia del grupo fosfato del PEP al ADP para formar una molécula de ATP, obteniéndose ácido pirúvico.

glucolisis.jpg (117780 bytes)

 

BALANCE DE ATP EN LA GLUCOLISIS

En la reacción de fosforilación de la glucosa mediante la acción de la glucokinasa, con la formación de la glucosa 6 – P se consume una molécula de ATP; así mismo en la conversión de la fructosa - 6 – P a fructosa 1, 6 di – P, se consume otra molécula de ATP.

En la reacción No. 6 catalizada por la enzima fosfoglicerokinasa, en la que el ácido 1, 3 difosfoglicérico se convierte en Ác.3 – fosfoglicérico se producen dos moléculas de ATP, así mismo se forman otras dos moléculas de ATP en la reacción 9, en la que el ácido fosfoenolpirúvico se transforma en ácido pirúvico, catalizada por la enzima kinasa pirúvica.

El balance neto es: 4ATP producidos menos 2ATP consumidos = 2ATP, si la energía de hidrólisis del ATP varía entre 7 – 8 Kcal * mol-1 (29,3 – 33,5 KJ * mol-1), entonces el balance energético de la glucólisis es de 16 Kcal * mol-1 (71 KJ * mol-1).

La eficiencia de la glucólisis se puede calcular entonces de la siguiente forma: (16/686) *100=2.3%.

La energía almacenada en la glucosa es de 686 Kcal * mol-1, en la glucólisis, se conserva solamente 2,3% de esta energía en forma de ATP, como se calculó anteriormente.

       

El balance final de la glucólisis es:

            

    Formación de Acetil Co-A
    El piruvato producto final de la glucólisis contiene la mayor parte de la energía total de la molécula original de glucosa
    Cuando no hay oxígeno disponible la célula utiliza la vía de la fermentación
    El piruvato acepta electrones del NADH  y se convierte en ácido láctico o alcohol etílico
    Estas reacciones se realizan en el citoplasma
    En presencia de oxígeno las moléculas de piruvato  se degradan por completo durante etapas del ciclo del ácido cítrico.
    Las moléculas de piruvato se desplazan al interior de la mitocondria en donde se llevan a cabo las reacciones subsecuentes de la respiración celular
    Una vez que la molécula de piruvato entra en la mitocondria, se convierte en un compuesto llamado acetil coenzima A (acetil - CoA)
    La molécula de acetil - CoA puede entrar en el  ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs.
    El piruvato es sometido a un proceso de descarboxilación oxidativa
    Primero el grupo carboxilo se extrae en forma de dióxido de carbono el cual se difunde al exterior de la célula
    Luego el fragmento remanente compuesto por 2 átomos de C es oxidado
    Los hidrógenos que se han eliminado son  aceptados por el NAD+
    Finalmente  el fragmento oxidado un grupo acetilo se une a la coenzima A  (CoA)
    La reacción general de la formación de la coenzima A se expresa de la siguiente manera.

            

  • La coenzima A se produce en la célula a partir de una vitamina B el ácido pantoténico
    Los lípidos y los aminoácidos también pueden  someterse a degradación en acetil - CoA para entrar en este punto a la respiración celular
    La molécula original de glucosa se ha degradado hasta quedarse en dos grupos acetilo y dos moléculas de CO2
    Los hidrógenos extraídos han reducido al NAD+ y formaron NADH
    Se obtienen 4 moléculas de NADH 2 durante la glucólisis y 2 durante la  oxidación del piruvato

    Ciclo del Acido Cítrico o Ciclo de Krebs
    Este ciclo es la ruta final de la oxidación del piruvato, ácidos grasos y cadenas de los aminoácidos
    Se lleva a cabo en  la mitocondria
    Consta de ocho reacciones cada una es  catalizada  por una  enzima específica
    La    primera reacción del ciclo  ocurre cuando la acetil - CoA transfiere su grupo acetilo de 2 carbonos a un compuesto de 4 carbonos llamado oxalacetato, para formar citrato un compuesto de 6 carbonos. El citrato  pasa luego por una serie de transformaciones químicas, perdiendo primero un grupo carboxilo, y luego otro en forma de  CO2
    La mayor parte de la energía, disponible gracias a las reacciones oxidativas del ciclo, se transfieren a  electrones de alto contenido  energético en el  NADH
    Por cada acetilo que entra en el ciclo del ácido cítrico, se reducen tres moléculas de NAD+ a NADH
    En el paso 6 se transfieren electrones al FAD y no al NA
    En el curso del ciclo,  se eliminan 2 moléculas de CO2 y 8 átomos de Hidrógeno (8 protones y 8 electrones)
    El CO2 producido corresponde a los 2 átomos de carbono que entraron en el ciclo del ácido cítrico

  • ¿Por qué en estas reacciones se genera más hidrógeno del que entró en el ciclo con las moléculas de combustible?
    Estos hidrógenos provienen de moléculas de agua agregadas durante las reacciones del ciclo
    Para extraer hidrógeno de las moléculas de agua se requiere de energía, la cual es proporcionada por la ruptura de los enlaces químicos de la molécula de combustible
    Parte de esta energía se almacena en el hidrógeno así generado
    Por cada molécula de glucosa se producen dos piruvato por lo tanto, el ciclo debe ocurrir dos veces para procesar cada molécula de glucosa
    Al final de cada ciclo completo todo lo que resta es 1 molécula de oxalacetato de cuatro átomos de carbono y el ciclo está listo para una nueva vuelta
    Para esto, el piruvato ha perdido sus tres átomos de carbono, o al menos una proporción equivalente, y puede considerarse completamente consumido
    En cada vuelta del ciclo sólo  una  molécula  de  ATP se produce directamente por fosforilación a nivel de sustrato.

    Sistema de Transporte de Electrones

  • ¿Qué ocurre  con los átomos de hidrógeno sustraídos de la molécula de combustible durante la  glucólisis, la formación de acetil-CoA y las reacciones del ciclo del ácido cítrico?
    Primero los electrones se transfieren a un aceptor primario de hidrógeno que puede ser el NAD+ o el FAD
  • ¿Qué sucede con estos hidrógenos?
    Pasan al sistema de transporte de electrones
  • ¿Qué es el "Sistema de Transporte de Electrones"?
    El sistema de transporte  electrónico es una cadena de aceptores inserta en la membrana interna de la mitocondria
    Los hidrógenos pasan del NADH    al    FMN  primer aceptor de la cadena
    Al pasar de un aceptor a otro, los protones de hidrógeno se separan de sus electrones
    Los electrones son sometidos a una “cascada electrónica” en una serie de reacciones    redox
    Cuando los protones de  hidrógeno (H+)  se separan de sus electrones son liberados al medio que los rodea
    Los electrones que entran al sistema de transporte electrónico tienen un contenido más o menos alto de energía
    Cuando los electrones pasan por la cadena de aceptores de electrones pierden mucha de su energía
    Parte de la energía se utiliza para bombardear  protones a través de la membrana mitocondrial interna.
    Esto establece un gradiente electroquímico que atraviesa la membrana mitocondrial interna y proporciona la energía necesaria para la síntesis de ATP
    Los aceptores de electrones en la cadena incluyen FMN, ubiquinona (Q) y un grupo de proteínas llamadas citocromos
    Las moléculas de citocromo sólo aceptan los electrones   del   hidrógeno no el átomo completo
    Cada una de las diferentes variedades de   citocromos sostiene electrones en un nivel un poco diferente
  • En la cadena, los electrones  pasan de un citocromo a otro perdiendo energía en este proceso
    Al final, el último citocromo de la cadena, el citocromo a3  pasa los dos electrones al oxígeno molecular
    Los electrones se reúnen de manera simultánea con los protones la unión química del oxígeno y el hidrógeno produce agua
    El oxígeno es el aceptor final de hidrógeno en el sistema de transporte de   electrónico lo cual explica por qué se requiere de oxígeno.
  • ¿Qué sucede cuando hay deficiencia de oxígeno?
    Cuando no hay suficiente oxígeno el último citocromo queda unido al hidrógeno.
    Cuando eso ocurre, cada molécula aceptora de la cadena debe conservar sus electrones el sistema puede bloquearse hasta el NAD
    Como resultado de esto no puede producirse más ATP por medio de la cadena de transporte de electrones
    La falta de oxígeno no es el único factor que puede interferir en el sistema de transporte electrónico
    Algunas sustancias tóxicas como el cianuro, inhiben actividad normal del sistema de citocromos

Desde hace tiempo se sabe que la fosforilación oxidativa se lleva a cabo en la mitocondria y muchos experimentos han demostrado que la transferencia de electrones del NADH al oxígeno produce tres moléculas de ATP y por cada FADH2 se obtienen 2 ATP

  • ¿En qué forma se sintetiza el  ATP  a partir del  NADH  o el  FADH2?
    El transporte de electrones y la síntesis de ATP se acoplan mediante un gradiente protónico a través de la membrana mitocondrial. Según el modelo, la secuencia en la transferencia de electrones del NADH o del FADH2  al oxígeno, da lugar a un bombardeo de protones hacia el espacio intermembranoso de la membrana mitocondrial interna
    Los protones son bombardeados fuera de la matriz por tres complejos de transferencia de electrones; cada uno de ellos asociado con determinadas etapas del sistema de transporte de electrones.
    Esto crea una diferencia en la concentración de protones entre la matriz y el espacio intermembranoso, lo que representa una energía potencial.
    La membrana mitocondrial interna es  impermeable al paso de protones, los cuales pueden desplazarse, de regreso a la matriz mitocondrial, sólo a través de canales especiales en la membrana.
    Estos  canales  se  encuentran  en  la  ATP  sintetasa,  también  llamada complejo:
    F 0 - F1.
    La ATP sintetasa forma complejos, llamados crestas respiratorias los cuales se proyectan hacia adentro y fuera de la membrana mitocondrial.
    A medida que los protones se desplazan a favor de un gradiente eléctrico la ATP sintetasa utiliza la energía liberada a fin de producir ATP.
    La ATP sintetasa actúa como una turbina, convirtiendo una forma de energía en  otra.
    El gradiente protónico a través de la membrana mitocondrial interna acopla la fosforilación con la oxidación
    En el proceso de fosforilación oxidativa, la energía del potencial de transferencia de electrones del NAH (es decir, la capacidad de transferir electrones a otro compuesto) se convierte en energía potencial de transferencia de fosfatos del ATP (capacidad del ATP de transferir grupos fosfato a otros compuestos)
    El potencial de transferencia de electrones de un compuesto se refleja en su potencial redox, que se expresa en volts.
    El potencial redox del gas hidrógeno, H2, se define como potencial cero volts.
    Un compuesto con potencial redox negativo tiene menor afinidad electrónica y, por lo tanto, pierde electrones con mayor facilidad que el H2
    Un compuesto con un potencial redox positivo tiene mayor afinidad por sus electrones, y por lo tanto, acepta electrones con mayor facilidad que el H2.
     Un reductor fuerte como el NADH, tiene un potencial redox negativo, un agente oxidante como el O2 tiene un potencial redox positivo.
    La fuerza que conduce a la fosforilación oxidativa es el potencial de transferencia de electrones del NADH
ć
Lorenzo Minaya Zavaleta,
24 de oct. de 2011 11:49
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