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Catabolismo aeróbico y anaeróbico
ACTIVIDADES PAU RESUELTAS
12.1. En la degradación aerobia de la glucosa hay tres etapas en las que se libera energía: glucólisis, ciclo de Krebs y cadena respiratoria.
a) Sin necesidad de fórmulas, explica brevemente las etapas de la glucólisis.
b) Resume el balance energético de cada una de las tres etapas mencionadas inicialmente, y el balance energético final del proceso respiratorio.
Actividad resuelta en el libro del alumno.
12.2. En algunos organismos, el ácido pirúvico procedente de la glucólisis sigue una ruta metabólica denominada fermentación, mediante la cual obtienen energía.
a) Señala las diferencias fundamentales entre fermentación y respiración celular.
b) ¿Qué microorganismos pueden realizar fermentaciones?
c) Menciona algún producto industrial que se obtenga por fermentación y que te resulte familiar (porque se consuma en tu casa, por ejemplo).
Actividad resuelta en el libro del alumno.
12.3. Indica el papel que representan en el metabolismo las siguientes moléculas: NADH, citocromo c, acetil-CoA, ADP.
Actividad resuelta en el libro del alumno.
ACTIVIDADES
12.4. El esquema mostrado representa el resumen de dos importantes rutas metabólicas. Responde razonadamente a las siguientes preguntas.
Glucosa -» ~> Pirúvico -> Acetil-CoA -4 I -» CO, + NADH +FADH,
a) ¿Qué nombre reciben las rutas metabólicas 1 y 2
b) ¿En qué lugar de la célula se desarrolla la ruta 1 y en qué lugar la ruta 2?
c) ¿Es necesario algún proceso adicional para obtener toda la energía, biológicamente utilizable, que contiene la molécula de glucosa?
d) En ciertas circunstancias, algunas células solo llevan a cabo la ruta número 1. Da una explicación a este hecho.
a) La ruta 1 es la glucólisis o ruta de Embden-Meyerhof, en la que una molécula de glucosa (seis átomos de carbono) se transforma en dos moléculas de ácido pirúvico (tres átomos de carbono cada una). El ácido pirúvico formado en la glucólisis sufre una oxidación, liberándose una molécula de CO2 y formándose un grupo acetilo que se une momentáneamente a un compuesto denominado coenzima A. De esta forma se origina el acetil-CoA, que marca la conexión entre la glucólisis y el ciclo de Krebs.
La ruta 2 es el ciclo de Krebs. Cada vuelta del ciclo consume un grupo acetilo, liberando dos moléculas de CO2, tres de NADH y una de FADH2.
b) La glucólisis ocurre en el citosol; el ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz de la mitocondria
c) Sí, ya que la mayor parte de la energía se encuentra en los electrones que fueron aceptados por el NAD+ y el FAD. Estos electrones procedentes de la glucólisis, la oxidación del ácido pirúvico y el ciclo de Krebs se encuentran aún en un nivel energético alto, siendo conducidos a través de una cadena de transporte electrónico o cadena respiratoria formada por aceptares, cada uno de los cuales es capaz de aceptar electrones a un nivel energético ligeramente inferior al precedente. Cuando los electrones se mueven a través de la cadena transportadora, van saltando a niveles energéticos inferiores y, paralelamente, se va liberando energía. Esta energía se emplea para fabricar ATP a partir de ADP, en un proceso denominado fosforilación oxidativa. El oxígeno es imprescindible en este proceso, ya que es el aceptar final de los electrones combinado con dos protones forma agua, que sale de la mitocondria y de la célula.
d) Algunas células solo llevan a cabo la ruta número 1, cuando el catabolismo ocurre en condiciones anaerobias, es decir, cuando el último aceptar de los hidrógenos (o de los electrones) no es el oxígeno, sino una molécula orgánica sencilla. Las rutas de degradación de la glucosa, en ese caso, se denominan fermentaciones. En un mismo organismo pluricelular pueden darse tanto rutas aerobias como anaerobias, según las condiciones ambientales de sus células. Este es el caso de la fibra muscular estriada de los vertebrados: en condiciones anaerobias producen ácido láctico, y de ese modo regeneran el NAD+. Pero es en el mundo de los microorganismos (levaduras y bacterias) donde encontramos una enorme variedad de rutas fermentativas de muy diversa índole.
12.5. Enumera y comenta los objetivos de las diferentes fases de la respiración celular sin tener que describir detalladamente cada una.
La glucólisis o ruta de Embden-Meyerhof es una ruta catabólica; ocurre en el citosol sin necesidad de oxígeno, y convierte una molécula de glucosa (seis átomos de carbono) en dos de ácido pirúvico (tres átomos de carbono). Es la ruta central del catabolismo de la glucosa en animales, plantas y microorganismos, y se considera la ruta más antigua utilizada por los seres vivos para obtener energía.
El balance energético de la glucólisis es idéntico para cualquier monosacárido, y es el siguiente: 1 Glucosa + 2 ADP + 2 P¡ + 2 NAD+ -> 2 Ácido pirúvico + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+
La respiración celular aerobia tiene lugar en condiciones aeróbicas, que es un proceso catabólico completo que tiene como finalidad la obtención de energía, y se da en la mayoría de las células. El ácido pirúvico formado durante la glucólisis se oxida completamente a CO2 y H2O en presencia de oxígeno. Este proceso de respiración se desarrolla en dos etapas sucesivas: el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria, que está asociada a la fosforilación oxidativa.
Etapa inicial: oxidación del ácido pirúvico. El ácido pirúvico, formado en la glucólisis en el citosol, pasa a la matriz mitocondrial atravesando las membranas mitocondriales externa e interna. Antes de comenzar el ciclo de Krebs, el ácido pirúvico sufre una oxidación, liberándose una molécula de CO2 y formándose un grupo acetilo. Cada grupo acetilo se une momentáneamente a un compuesto denominado coenzima A, originando el acetil-CoA.
Ácido pirúvico + CoA-SH + NAD+ -»Acetil-CoA + CO2 + NADH + H*
Ciclo de Krebs. Se caracteriza por una serie de reacciones que se desarrollan en la matriz mitocondrial a expensas de una serie de ácidos orgánicos que forman el denominado ciclo. Por cada molécula de acetil-CoA que entra en el ciclo, se obtiene 2 CO2, 3 NADH + 3 H+, 1 FADH2 y 1 GTP, que se transformará en ATP. La reoxidación de las coenzimas tiene lugar en la siguiente fase, obteniéndose ATP.
Cadena de transporte electrónico. Consta de una serie de aceptares, cada uno de los cuales es capaz de aceptar electrones a un nivel energético ligeramente inferior al precedente. A esta cadena de transporte electrónico se incorporan las coenzimas reducidas (NADH y FADH2) de las fases anteriores, siendo conducidos los electrones hasta un aceptar final, que en la mayoría de las células es el oxígeno, que, al reducirse, origina agua.
Fosforilación oxidativa. Es la producción de ATP en la mitocondria gracias a la energía liberada durante el proceso de transporte electrónico. Por cada dos electrones que pasan desde la coenzima NADH al oxígeno se forman tres moléculas de ATP a partir de ADP y P¡. Sin embargo, por cada dos electrones que pasan del FADH2 y entran en la cadena en un nivel energético menor, se forman dos moléculas de ATP.
12.6. Explica la frase siguiente: "En una célula eucariótica animal se pueden producir simultáneamente la fermentación y la respiración oxidativa. En ausencia de oxígeno, la fermentación es el único proceso que la célula puede utilizar para obtener energía".
Una de las características de las células eucarióticas es la compartimentación celular. Esta compartimentación consiste en la existencia de diferentes orgánulos y estructuras membranosas, que encierran distintos tipos de moléculas y enzimas en ambientes químicos con diferentes comportamientos. Este hecho permite que dichas células puedan llevar a cabo, simultáneamente, multitud de procesos metabólicos diferentes. Puesto que la fermentación es una vfa metabólica que se lleva a cabo en el citosol -en tanto que la respiración oxidativa se lleva a cabo en las mitocondrias-, es posible que la célula lleve a cabo estos dos procesos diferentes al mismo tiempo.
La respiración oxidativa es el proceso de degradación total de la glucosa para producir el máximo rendimiento energético (36 ATP). Este es el proceso que llevan a cabo las células de los organismos aerobios, ya que necesita de la presencia de oxígeno. La fermentación, en cambio, es un recurso de los organismos anaerobios y de las células en las que escasea el oxígeno, para conseguir energía a partir de la degradación parcial de la glucosa. La vía metabólica anaerobia por excelencia es la glucólisis, que consiste en una degradación parcial de la glucosa; por esta vía, tan solo se obtienen 2 ATP. Esta cantidad de energía es suficiente para algunos microorganismos y para algunas células de los organismos eucariontes (recordemos que las células de los organismos superiores están especializadas, y solo realizan unas funciones concretas dentro del organismo).
| En algunas ocasiones -como ocurre en las células del músculo estriado en situaciones de mayor esfuerzo-,! el aporte de oxígeno a la célula es insuficiente, y el ácido pirúvico no puede ser oxidado a acetil-CoA. Sin embargo, la glucólisis, al ser anaerobia, sigue produciendo ácido pirúvico y 2 ATP por cada molécula de glucosa; en esta situación, se ponen en marcha las fermentaciones. El objetivo de estas vías metabólicas no es producir energía, ya que el ATP se produce durante la glucólisis, sino regenerar el NAD+ utilizado en la glucólisis para que esta pueda continuar. Esto se debe a que el NAD+, como todas las coenzimas, se encuentra en el organismo en cantidades limitadas, por lo que es utilizado una y otra vez, oxidándose y reduciéndose alternativamente. Si todo el NAD* disponible se transformara en NADH, la glucólisis no podría continuar. En ausencia de oxígeno, la glucólisis es la única vía posible de producción energética y, por tanto, son las fermentaciones las que permiten que el proceso no se detenga.
12.7. Responde.
a) Cita un proceso metabólico que conduce a la formación de acetil-CoA.
b) De la degradación del radical acetilo la célula obtiene energía. Explica el proceso de forma esquematizada.
a) El producto final de la glucólisis es el ácido pirúvico, una molécula de tres átomos de carbono. La degradación parcial de una molécula de glucosa (glucólisis) da lugar a la formación de dos moléculas dej ácido pirúvico. En ausencia de oxígeno, este ácido se transforma en otras moléculas orgánicas. Sin embargo, en presencia de oxígeno se produce la degradación u oxidación del ácido pirúvico, en un pro ceso conocido como descarboxilación oxidativa, transformándose en acetil-CoA. Esta transformación es la primera fase de la respiración celular: Ác¡do
Ácido pirúvico + CoA-SH + NAD+ -> Acetil-CoA + CO2 + NADH + H+
b) La siguiente fase de la respiración celular aerobia es el ciclo de Krebs. Este se caracteriza por una serie de reacciones que se desarrollan a expensas de una serie de ácidos orgánicos que forman el denominado ciclo. Por cada molécula de acetil-CoA que entra en el ciclo, se obtienen 2 CO2, 3 NADH + 3 H+, 1 FADH2 y 1 GTP, que se transformará en ATP. El acetil-CoA es, en este caso, la molécula encargada de proporcionar átomos de carbono al ciclo.
Las reacciones que se producen en el ciclo liberan protones y electrones,que son aceptados por las coenzimas. Estas coenzimas reducidas (NADH, FADH2) ceden sus protones y electrones a la cadena respiratoria,reoxidándose así para poder ser utilizados nuevamente. La cadena de transporte electrónico consta de una serie de enzimas oxidorreductasas, que recogen los electrones de las coenzimas reducidas (NADH y FADH2) de las fases anteriores y los van pasando de una a otra hasta un aceptor final de electrones, el oxígeno molecular; este, al reducirse, origina agua.
Durante el transporte electrónico se producen saltos energéticos que liberan la energía suficiente para poder sintetizar ATP. Se denomina fosforilación oxidativa a la producción de ATP en la mitocondria, gracias a la energía liberada durante el proceso de transporte electrónico. El ATP es sintetizado gracias a la acción de la enzima ATP-sintetasa, que está ligada a la membra'ha interna de la mitocondria. Por cada dos electrones que pasan desde la coenzima NADH al oxígeno, se forman tres moléculas de ATP a partir de ADP y P¡. Sin embargo, por cada dos electrones que pasan del FADH2 y entran en la cadena en un nivel energético menor, se forman dos moléculas de ATP.
12.8. La siguiente figura representa una ruta central del metabolismo.
a) ¿De qué ruta se trata?
b) ¿Dónde tiene lugar?
c) ¿Qué productos se originan?
d) En la cadena respiratoria, ¿qué tipo de gradiente genera el flujo de electrones y cuál es su finalidad?
e) ¿Qué son las enzimas? Explica brevemente la regulación por retroinhibición (feedback o retroalimentación).
f) ¿De qué tipo de regulación se trata?
a) Se trata del ciclo de Krebs. Por el tipo de moléculas que participan, se denomina también ciclo de los ácidos tricarboxílicos o, simplemente, ciclo del ácido cítrico.
b) En la matriz mitocondrial, siempre y cuando haya suficiente oxígeno. Consiste en una cadena cíclica de reacciones, en cada una de las cuales interviene una enzima específica.
c) Cada vuelta del ciclo consume un grupo acetilo y regenera un ácido oxalacético que puede iniciar otro nuevo ciclo. Por cada molécula de acetil CoA que entra en el ciclo, se generan dos moléculas de CÜ2, una de GTP, tres de NADH y una de FADH2.
d) En la cadena respiratoria, los electrones son conducidos a través de una serie de aceptares, cada uno de los cuales es capaz de aceptar electrones a un nivel energético ligeramente inferior al precedente. Cuando los electrones se mueven a través de la cadena transportadora, van saltando a niveles energéticos inferiores y, paralelamente, se va liberando energía. Esta energía se emplea para fabricar ATP a partir de ADP, en un proceso denominado fosforilación oxidativa.
El mecanismo de la fosforilación oxidativa depende de la generación de un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna. Los componentes de la cadena transportadora de electrones se encuentran ordenados en la membrana, formando tres complejos diferenciados. Estos complejos son, además, auténticas bombas de protones. Cuando los electrones van pasando de un nivel energético a otro inferior, los complejos proteicos emplean la energía que se libera para bombear los protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. Como la membrana mitocondrial interna es impermeable a los protones, el bombeo de estos consigue que se establezca un gradiente electroquímico entre la matriz y el espacio intermembrana, capaz de generar una fuerza protomotriz de unos 230 mV; esta fuerza proporciona energía aprovechable para hacer funcionar cualquier proceso que esté acoplado a un canal por el que puedan circular los protones a favor de gradiente hacia la matriz.
Las partículas F forman esos canales por los que pueden fluir los electrones. Cada partícula F es un complejo enzimático ATP-sintetasa, con una porción F0 anclada en la membrana de la cresta y otra fi que sobresale hacia la matriz.
Cuando el flujo de protones pasa a través de esta compleja estructura hacia la matriz, se produce una rotación en la partícula F, y la síntesis del ATP cataliza en el lado de la matriz mitocondrial a partir de ADP y fosfato. Por cada tres protones que fluyen a través del complejo ATP-sintetasa se forma una molécula de ATP. Como el flujo de protones es impulsado por el gradiente electroquímico, este proceso tiene carácter quimiosmótico.
e) Las enzimas son, generalmente, proteínas que catalizan de forma específica determinadas reacciones bioquímicas, uniéndose a la molécula o metabolito que se va a transformar, la cual recibe el nombre de sustrato. Existen, además, otras enzimas de naturaleza ribonucleoproteica, denominadas ribozimas.
La región de la enzima donde se acomoda el sustrato es el centro activo. La unión entre enzima y sustrato implica un reconocimiento estérico, es decir, relacionado con la forma y el volumen del propio sustrato al que se une específicamente. Las enzimas se comportan como cualquier otro catalizador en cuanto a que:
- Disminuyen la energía de activación del proceso en el que intervienen, es decir, aceleran las reacciones bioquímicas.
- No cambian el signo ni la cuantía de la variación de la energía libre, solo aceleran procesos espontáneos. No pueden hacer que los procesos sean termodinámicamente más favorables.
- No modifican el equilibrio de una reacción, sino que aceleran su llegada.
- Al finalizar la reacción, quedan libres sin alterarse como cualquier otro catalizador, y pueden funcionar otras veces.
f) Existen diversas moléculas, denominadas ligandos o efectores, capaces de unirse específicamente a la enzima provocando en ella un cambio conformacional. Este cambio origina la transformación entre la forma inactiva de la enzima y la forma funcionalmente activa de la misma, o viceversa. Ambas conformaciones de la enzima son diferentes y estables. Estos ligandos se unen a la enzima en los denominados centros reguladores, que son diferentes al centro activo.
En la regulación por retroinhibición (feedback o retroalimentación), los productos de la reacción se comportan como ligandos inhibidores, inhibiendo la unión de moléculas de sustrato a la enzima y, por tanto, impidiendo la reacción enzimática. Estas enzimas, que son reguladas por el producto de la reacción, se denominan alostéricas. El alosterismo supone un importante mecanismo de regulación de la reacción enzimática.
12.9. Diferencia entre: fosforilación a nivel de sustrato y fosforilación oxidativa. Explicarlo sin la ayuda de dibujos.
La fosforilación a nivel de sustrato Es la síntesis de ATP acoplada a una reacción exergónicas sin intervención de la ATP-sintetasa
La fosforilación oxidativa es el nombre que se da a la formación de moléculas de ATP en la matriz mitocondrial a partir de ADP y fosfato inorgánico, gracias al complejo enzimático ATP sintetasa (partículas F0Fi ancladas en la membrana interna mitocondrial), que resultan activadas por el flujo de protones hacia la matriz a través de ellas, como consecuencia del gradiente electroquímico que se ha producido entre el espacio intermembrana y la matriz mitocondrial, gracias al bombeo de protones que previamente han realizado varias de las enzimas que intervienen en la cadena respiratoria localizada en las crestas mitocondriales. Por tanto, en la fosforilación oxidativa se almacena gran cantidad de energía (7,3 kcal por cada ATP formado).
12.10. Mitocondrias.
a) Dibuja el esquema de una mitocondria, poniendo nombre a sus partes.
b) Haz un esquema con las principales etapas de la degradación de la glucosa en una célula.
c) Explica las principales etapas de la degradación del ácido pirúvico -en presencia de oxígeno-durante la respiración celular.
Crestas mitocondriales
c) Cuando la degradación u oxidación del ácido pirúvico obtenido vía glucólisis se realiza en condiciones aeróbicas, tiene lugar la respiración celular.
La primera fase de la respiración celular es la oxidación del ácido pirúvico, que pasa del citoplasma celular a la matriz mitocondrial atravesando las membranas mitocondriales externa e interna. Se libera una molécula de CÜ2, formándose un grupo acetilo y una molécula de NADH a partir de la reducción de
una molécula de NAD+. Cada grupo acetilo se une momentáneamente a un compuesto denominado CoA-SH, originando el acetil coenzima A (acetil-CoA).
Ácido pirúvico + CoA-SH + NAD+ -> acetil-CoA + CO2 + NADH + H+a siguiente fase de la respiración celular aerobia es el ciclo de Krebs, que ocurre en la matriz mitocondrial. Este se caracteriza por una serie de reacciones que se desarrollan a expensas de una serie de ácidos orgánicos que forman el denominado ciclo. Por cada molécula de acetil-CoA que entra en el ciclo, se obtiene: 2 CO2, 3 NADH + 3 H+, 1 FADH2 y 1 GTP, que se transformará en ATP.
La reoxidación de las coenzimas tiene lugar al ceder estas sus electrones y protones a la cadena respiratoria, obteniéndose ATP. La cadena de transporte electrónico consta de una serie de enzimas oxido-rreductasas situadas en las crestas mitocondriales, que recogen los electrones de las coenzimas reducidas (NADH y FADhb) de las fases anteriores y los van pasando de una a otra hasta un aceptar final de electrones, el oxígeno molecular, que al reducirse origina agua.
Durante el transporte electrónico se producen saltos energéticos que liberan la energía suficiente para poder sintetizar ATP. Se denomina fosforilación oxidativa a la producción de ATP en la mitocondria, gracias a la energía liberada durante el proceso de transporte electrónico. El ATP es sintetizado gracias a la acción de la enzima ATP-sintetasa, que está ligada a la membrana interna de la mitocondria. Por cada dos electrones que pasan desde la coenzima NADH al oxígeno, se forman tres moléculas de ATP a partir de ADP y P¡. Sin embargo, por cada dos electrones que pasan del FADH2 y entran en la cadena en un nivel energético menor, se forman dos moléculas de ATP.
12.11. Observa el siguiente esquema de un orgánulo celular y responde a las siguientes preguntas.
a) ¿De qué orgánulo, que se encuentra en el citoplasma de las células, se trata?
b) ¿Qué procesos representan los señalados como 1, 2, 3, 4, 5? Explícalos brevemente.
c) ¿Cuál es el origen del ácido pirúvico?
a) Una mitocondria, orgánulo citoplasmático, presente permanentemente en las células eucarióticas, cuya función es fundamentalmente energética al intervenir en la respiración celular aerobia.
b) 1. p-oxidación de los ácidos grasos. En primer lugar, los ácidos grasos provenientes de la hidrólisis de los triacilglicéridos son activados, uniéndoseles la coenzima A (CoA) para formar el acil-CoA. A continuación, el acil-CoA penetra en la mitocondria, donde es degradado por el proceso de P-oxidación de los ácidos grasos. Esta ruta, denominada también hélice de Lynen, consiste en la eliminación de forma secuencia! de unidades de dos átomos de carbono, formándose acetil-CoA y quedando el resto del ácido graso activado, pero con dos carbonos menos. El acetil-CoA se incorpora directamente al ciclo de Krebs, mientras que el resto de acil-CoA -acortado en dos carbonos- experimenta un nuevo ciclo de o-xidación. Por tanto, la P-oxidación consigue que de un ácido graso saturado se liberen, dentro de la mitocondria, tantas unidades de acetil-CoA como permita su número par de átomos de carbono.
2. Transformación del ácido pirúvico en acetil-CoA. Se trata de una descarboxilación oxidativa. Es una reacción catalizada por un complejo multienzimático, denominado piruvato deshidrogenasa. En esta reacción se forma una molécula de NADH a partir de la reducción de una molécula de NAD+, liberándose una molécula de CC-2 y formándose un grupo acetilo. Cada grupo acetilo se une momentáneamente a la coenzima A, originando el acetil-CoA. La aparición de este compuesto marca la conexión entre la glucólisis y el ciclo de Krebs.
3. Ciclo de Krebs. Consiste en una cadena cíclica de reacciones, en cada una de las cuales interviene una enzima específica. En cada vuelta del ciclo se generan dos moléculas de CC-2, una de GTP que se transformará en ATP, tres de NADH y una de FADH2.
4. Cadena de transporte electrónico. Los electrones aceptados por el NAD* y el FAD se encuentran en un nivel energético alto. Durante el transporte electrónico, los electrones son conducidos a través de la cadena formada por aceptares, cada uno de los cuales es capaz de aceptar electrones a un nivel energético ligeramente inferior al precedente, hasta un aceptar final de electrones, el oxígeno molecular, que, al reducirse, origina agua. Los componentes de la cadena transportadora de electrones forman tres complejos diferenciados. Cuando los electrones van pasando de un nivel energético a otro inferior, los complejos proteicos emplean la energía que se libera para bombear los protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana.
5. Fosforilación oxidativa. Es la producción de ATP en la mitocondria, gracias a la energía liberada durante el proceso de transporte electrónico. El ATP es sintetizado gracias a la acción de la enzima ATP-sintetasa, que está ligada a la membrana interna de la mitocondria. Según la hipótesis quimiosmótica -la única comprobada experimentalmente y aceptada en la actualidad-, durante el transporte electrónico se produce un bombeo de protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. La disipación posterior de este gradiente quimiosmótico creado a través de la ATP-sintetasa proporcionará la energía suficiente para la producción de ATP. Por lo tanto, según esta teoría, la fosforilación oxidativa depende de la generación de un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna. Por cada dos electrones que pasan desde la coenzima NADH al oxígeno, se forman tres moléculas de ATP a partir de ADP y P¡. Por cada dos electrones que pasan del FADH2 y entran en la cadena en un nivel energético menor, se forman dos moléculas de ATP.
c) El piruvato es producto de la degradación parcial de una molécula de glucosa. La glucólisis o ruta de Embden-Meyerhof-Parnas es una ruta catabólica y oxidativa que convierte una molécula de glucosa (seis átomos de carbono) en dos de ácido pirúvico (tres átomos de carbono cada una). Es la ruta central del catabolismo de la glucosa en animales, plantas y microorganismos, y se considera la ruta más antigua utilizada por los Seres vivos para obtener energía. Es la primera fase de la respiración celular, en organismos aeróbicos y anaeróbicos. Tiene lugar en el hialoplasma celular, y consta de dos fases:
- Fase preparativa: Glucosa + 2 ATP -> 2 Gliceraldehído-3-fosfato.
- Fase oxidativa: 2 Gliceraldehído-3-fosfato —> 2 Ácido pirúvico + 4 ATP + 2 NADH.
12.12. Indica, según su orden de actuación, las rutas metabólicas que intervienen en el siguiente proceso, señalando qué finalidad tiene cada una de ellas en el metabolismo de los seres vivos:
Glucosa + 6 O2 -»6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP
El proceso representa la oxidación completa, en presencia de oxígeno, de una molécula de glucosa a CO2 y H2O. El rendimiento medio total de una molécula de glucosa es de 36 moléculas de ATP.
La primera etapa del proceso es la glucólisis; una ruta catabólica y oxidativa que transcurre en el citosol y convierte una molécula de glucosa (seis átomos de carbono) en dos de ácido pirúvico (tres átomos de carbono cada una).
1 Glucosa + 2 ADP + 2 P¡ + 2 NAD+ -» 2 Ácido pirúvico + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+
Si la degradación u oxidación del ácido pirúvico obtenido vía glucólisis se realiza en condiciones aeróbicas, tiene lugar la respiración celular. La transformación del ácido pirúvico en acetil-CoA es la primera fase de la respiración celular, y se realiza en la matriz mitocondrial.
Ácido pirúvico + CoA-SH + NAD+ -»Acetil-CoA + CO2 + NADH + H+
La siguiente fase de la respiración celular aerobia es el ciclo de Krebs. Este se caracteriza por una serie de reacciones que se desarrollan a expensas de una serie de ácidos orgánicos que forman el denominado ciclo. Por cada molécula de acetil-CoA que entra en el ciclo se obtienen dos moléculas de CO2, tres de NADH + H+, una molécula de FADH2 y una molécula de GTP, que se transformará en ATP.
La reoxidación de las coenzimas tiene lugar al ceder estas sus electrones y protones a la cadena respiratoria, obteniéndose ATP. La cadena de transporte electrónico consta de una serie de enzimas oxidorreductasas, que recogen los electrones de las coenzimas reducidas (NADH y FADH2) de las fases anteriores y los van pasando de una a otra hasta un aceptor final de electrones -el oxígeno molecular-, que, al reducirse, origina agua.
Durante el transporte electrónico se producen saltos energéticos que liberan energía suficiente para poder sintetizar ATP. Se denomina fosforilación oxidativa a la producción de ATP en la mitocondria, gracias a la energía liberada durante el proceso de transporte electrónico.
El ATP es sintetizado gracias a la acción de la enzima ATP-sintetasa, que está ligada a la membrana interna de la mitocondria. Por cada dos electrones que pasan desde la coenzima NADH al oxígeno se forman tres moléculas de ATP a partir de ADP y P¡. Sin embargo, por cada dos electrones que cede el FADH2 se forman dos moléculas de ATP, ya que dichos electrones entran en la cadena transportadora en un nivel energético menor.
12.13. Describe la respiración celular y explica brevemente su significado biológico.
¿Cuáles son las diferencias entre esta ruta metabólica y la glucólisis en condiciones anaerobias?
La respiración celular comprende el metabolismo de degradación oxidativa de moléculas orgánicas, y su finalidad es la obtención de la energía necesaria para que la célula realice sus funciones vitales.
La glucólisis o ruta de Embden-Meyerhof es una ruta catabólica y oxidativa que convierte una molécula de glucosa (seis átomos de carbono) en dos de ácido pirúvico (tres átomos de carbono). Es la ruta central del catabolismo de la glucosa en animales, plantas y microorganismos, y se considera la ruta más antigua utilizada por los seres vivos para obtener energía. El balance energético de la glucólisis es idéntico para cualquier monosacárido, y es el siguiente:
1 Glucosa + 2 NAD* + 2 ADP + 2 P¡ -» 2 Ácido pirúvico + 2 NADH + H+ + 2 ATP
La degradación u oxidación del ácido pirúvico continúa. Esta es distinta según las condiciones en las que se realice, dándose dos rutas metabólicas distintas. Si las condiciones son aeróbicas, tiene lugar la respiración celular; mientras que si son anaeróbicas, se produce la fermentación.
Vía aerobia. En condiciones aeróbicas, tiene lugar la respiración celular aerobia, que es un proceso catabólico completo que tiene como finalidad la obtención de energía, y se da en la mayoría de las células. La glucosa es oxidada a materia inorgánica, siendo los productos finales COa, H2O y ATP.
• Ciclo de Krebs. Reacciones que se desarrollan a expensas de una serie de ácidos orgánicos que forman el denominado ciclo. Por cada molécula de acetil-CoA que entra en el ciclo se obtienen dos moléculas de CO2, tres de NADH + 3 H+, una de FADH2 y una de GTP, que se transformará en ATP. La reoxidación de las coenzimas tiene lugar en la siguiente fase, obteniéndose ATP.
• Cadena de transporte electrónico. Consta de una serie de enzimas oxidorreductasas, que recogen los electrones de las coenzimas reducidas (NADH y FADH2) de las fases anteriores y los van pasando de una a otra hasta un aceptar final de electrones. En la mayoría de las células, este aceptar final es el oxígeno, que al reducirse origina agua.
• Fosforilación oxidativa. Es la producción de ATP en la mitocondria gracias a la energía liberada durante el proceso de transporte electrónico. Por cada coenzima NADH, se pueden obtener tres moléculas de ATP; pero en el caso del FADH2, sólo dos.
Para obtener el balance energético de la oxidación de una molécula de glucosa mediante un proceso respiratorio aerobio debemos tener en cuenta todas las fases:
Glucosa -> 2 Ácido pirúvico + 2 ATP + 2 NADH = 6 ATP
2 Ácido pirúvico -» 2 Acetil-CoA + 2 NADH = 6 ATP
2 Acetil-CoA -> 4 CO2 + 2 GTP + 6 NADH + 2 FADH2 = 24 ATP
Con lo que tenemos un total de 36 ATP/mol de glucosa.
En la respiración celular, la materia orgánica es degradada completamente a materia inorgánica y, por tanto, el balance energético del proceso es elevado.
Vía anaerobia. En condiciones anaeróbicas, el piruvato sigue la vía metabólica de las fermentaciones. Estas son procesos catabólicos en los que el aceptar final de electrones no es el oxígeno, sino una molécula orgánica que, al reducirse, se transforma en otra molécula orgánica. Son procesos catabólicos parciales, ya que los productos finales aún contienen enlaces de energía en sus moléculas.
Las dos fermentaciones más comunes son la alcohólica y la láctica, que se distinguen por la naturaleza de sus productos finales: alcohol etílico y ácido láctico, respectivamente.
Para obtener el balance energético de la oxidación de la glucosa por fermentación, hay que tener en cuenta que las coenzimas reducidas obtenidas en la glucólisis no ceden sus electrones a una cadena cuyo aceptar final es el oxígeno, sino que los ceden directamente a un compuesto orgánico que se reduce, y es el producto característico de cada fermentación (láctica, alcohólica, etc.). La degradación de la glucosa no es completa, y el producto final sigue siendo materia orgánica, siendo el balance energético mucho más bajo que mediante respiración. Es de 2 ATP/mol de glucosa, correspondiendo estas moléculas de ATP a las obtenidas en la glucólisis.
12.14. La respiración de las células musculares se lleva a cabo por dos vías metabólicas.
a) Explica cuáles son las dos, y las características que tiene cada una.
b) Sitúa en la estructura celular los diferentes procesos respiratorios.
a) y b) La respiración de las células musculares comienza con la glucólisis, ruta catabólica que ocurre en el citosol sin necesidad de oxígeno, que es una secuencia de reacciones en las que una molécula de glucosa (seis átomos de carbono) se transforma en dos moléculas de ácido pirúvico (tres átomos de carbono cada una).
En condiciones aerobias, las moléculas de NADH obtenidas en la glucólisis ceden sus electrones a la cadena de transporte electrónico que los conducirá hasta el oxígeno (Ü2), produciéndose agua y regenerándose NAD+, que se reutilízará en la glucólisis. En estas condiciones, el ácido pirúvico entra en la mitocondria y se transforma en grupos acetilo, que formarán el acetil coenzima A (acetil-CoA), que ingresará en la respiración celular.
En condiciones anaerobias, el NADH se oxida a NAD* mediante la reducción del ácido pirúvico, originando ácido láctico. Esta etapa hace posible que se produzca energía de forma anaeróbica, denominándose fermentación láctica, y ocurre en el citosol.
12.15. Responde.
a) Escribe la ecuación global de la respiración celular.
b) Enuncia -comenzando por el proceso de glucólisis- las tres fases en que se divide.
c) Define la glucólisis e indica si es un proceso aerobio o anaerobio.
d) Indica dónde se realiza cada una de las tres etapas de la respiración celular.
a) La ecuación global de la respiración celular es: Glucosa + 6 O2 -» 6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP
b) El proceso se divide en tres fases: la glucólisis, el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria.
c) La glucólisis o ruta de Embden-Meyerhof es una ruta catabólica y oxidativa que convierte una molécula de glucosa (seis átomos de carbono) en dos de ácido pirúvico (tres átomos de carbono). Es la ruta central del catabolismo de la glucosa en animales, plantas y microorganismos, y se considera la ruta más antigua utilizada por los seres vivos para obtener energía. Este proceso ocurre sin necesidad de oxígeno; por tanto, es anaerobio.
d) La glucólisis se verifica en el citosol.
El ciclo de Krebs transcurre en la matriz mitocondrial. El ácido pirúvico obtenido en la glucólisis pasa a la matriz mitocondrial atravesando las membranas mitocondriales externa e interna, sufriendo una oxidación y transformándose en acetil-CoA. La aparición de este compuesto marca la conexión entre la glucólisis y el ciclo de Krebs.
La cadena respiratoria se lleva a cabo en las crestas mitocondriales, ya que las enzimas implicadas en este proceso se localizan en la membrana interna de la mitocondria. Los electrones captados en los procesos anteriores se mueven a través de la cadena transportadora, saltando a niveles energéticos inferiores, y paralelamente se va liberando energía. Esta energía se emplea para fabricar ATP a partir de ADP, en un proceso denominado fosforilación oxidativa.
12.16. Explica dos diferencias (que no estén basadas en las diferentes moléculas que intervienen) entre el proceso de la glucólisis en condiciones aerobias y la oxidación completa de los ácidos grasos.
• En la glucólisis, las moléculas están activadas por fosforilación (quien inicia el proceso es la glucosa-6-fosfato), y en la p-oxidación están activadas por la Coenzima A (quien inicia el proceso es el acil~S-CoA).
• En la glucólisis, en condiciones aerobias, la degradación hasta ácido pirúvico (que es la glucólisis propiamente dicha) ocurre fuera de la mitocondria, y la p-oxidación transcurre en la matriz mitocondrial
12.17. De esta ruta responde:
a) ¿Cuál es el nombre de los metabolitos
b) De qué ruta se trata
c) En qué tipo de células y en qué lugar ocurre
d) Qué sucede en el paso 7
e) balance energéticvo de la ruta
a) 1-Gliceraldehido 3-fosfato ; 2. Dihidroxiacetona fosfato; 3: Ácido 3 fosfoglicérico; 4: Ácido piruvico; 5. Ácido láctico
b) La ruta es la glucólisis en condiciones anaerobias seguida de fermentación láctica.
c) Podría ocurrir en la célula muscular estriada en condiciones de insuficiente oxigenación. En cualquier caso, sucede toda ella fuera de la mitocondria, en el citosol o hialoplasma.
d) En el paso 7 ocurre la reducción del pirúvico a láctico, lo cual permite la reoxidación del NAD* que se había reducido por la oxidación del gliceraldehído 3-fosfato. Este paso es de capital importancia porque, si no se diera en estas condiciones, se bloquearía la glucólisis porque todo el NADH quedaría reducido. Recordemos que, como no hay oxígeno molecular suficiente, no puede "utilizarse" la mitocondria para reoxidar nucleótidos.
e) El balance energético de esta ruta es de 2 ATP por cada molécula de glucosa, ya que por cada una de ellas se obtienen dos de gliceraldehído y, por tanto, dos de ácido láctico. Como se han gastado dos ATP (de glucosa a fructosa 1,6 bisfosfato) y se producen 2 ATP dos veces, el balance es 2 ATP.
12.18. Sobre el diagrama adjunto se te plantean varias preguntas.
a) Nombre de los metabolitos 1, 2, 3 y 4.
b) ¿A qué ruta metabólica corresponde el proceso? ¿Dónde ocurre?
c) ¿Qué balance energético se espera de este fragmento? (especifica en qué condiciones).
d) Explica lo que sucede en el paso 5.
e)¿Qué sucede en el paso del metabolito 1 al 2? ¿Y del 2 al 3?
a) 1. Ácido oxalsuccfnico; 2. Ácido a-cetoglutárico; 3. Succinil~S-Coenzima A; 4. Ácido succínico.
b) Es un fragmento del ciclo de Krebs o ciclo de los ácidos tricarboxílicos; una de las dos rutas metabólicas que constituyen la respiración celular o respiración mitocondrial. Ocurre en la matriz mitocondrial.
c) De este único fragmento se obtiene 1 ATP, pero en las condiciones aerobias en que debe estar la mito-condria para que se realice la respiración celular; el NADH + H+ será reoxidado en la cadena respiratoria, y ese proceso rendirá 3 ATP mediante la fosforilación oxidativa. Por tanto, podemos decir que el balance total de este fragmento es de 4 ATP.
d) En el paso 5 se almacena parte de la energía desprendida al liberarse la molécula de HS-CoA en el nu-cleótido guanosintrifosfato, que incorpora una molécula de fosfato inorgánico (P¡), e inmediatamente se la transfiere a un ADP, obteniéndose así el ATP que hemos mencionado en el apartado anterior.
e) En los pasos del 1 al 2 y del 2 al 3 ocurren las dos descarboxilaciones posibles en el ciclo de Krebs, ya que ha ingresado en él una molécula de dos átomos de carbono: el acetilo unido a la coenzima A. La segunda descarboxilación es fuertemente energética, pues se reduce un NAD* y se incorpora transitoriamente la coenzima A al proceso.
12.19. Observa el esquema y explica lo que representa, relacionándolo con el proceso global que ocurre en la cresta mitocondrial.
El esquema representa la sección de una mitocondria en la que se distingue la matriz, la membrana interna y la externa.
Las bolitas blancas que están junto a la membrana interna en el lado de la matriz son las partículas F0Fi del complejo enzimático ATP sintetasa anclado en la membrana interna mitocondrial, que aparece dibujado con detalle en el lado derecho del esquema.
Centrándonos en el dibujo de la derecha, vemos que en la parte inferior se indica el flujo de protones hacia la matriz a través de la ATP sintetasa. Este flujo viene motivado por el gradiente electroquímico que se ha producido entre el espacio intermembrana (parte inferior del dibujo) y la matriz mitocondrial (parte superior), gracias al bombeo de protones que previamente han realizado varias de las enzimas que intervienen en la cadena respiratoria. Al pasar los protones por la enzima, esta se activa, y, en el lado de la matriz, cataliza la fosforilación del ADP con el fosfato inorgánico allí presente. De este modo, por cada enlace fosfato se almacenan 7,3 kcal. Este proceso es lo que se conoce con el nombre de fosforilación oxidativa.
12.20. Observa la secuencia de las reacciones expresadas en el esquema, y responde a las siguientes preguntas.
a) ¿De qué proceso se trata?
b) ¿En qué circunstancias tiene lugar?
c) Describe el proceso y comenta la secuencia de reacciones.
d) ¿Puedes establecer alguna comparación de la energía obtenida en este caso con la que se obtendría en otras formas de catabolizar la glucosa?
e) Cita procesos industriales en que estas transformaciones ocurran.
El esquema, presentado en el examen original de la PAU en dos líneas (lo cual puede desconcertar al alumno), es el proceso de la fermentación alcohólica, o etílica, de la glucólisis en condiciones anaerobias. Otra dificultad estriba en que la glucosa aparece en su forma abierta (proyección de Fischer), en lugar de la habitual fórmula en perspectiva de Haworth. Los 2 ATP indicados no se producen a la vez, sino en dos pasos diferentes de la ruta que aquí no se explicitan. Las dos moléculas de ácido pirúvico corresponden a una molécula de glucosa. Los átomos destacados en rojo, en el carboxilo del pirúvico, están anunciando el CÜ2 que se va a desprender en el paso siguiente al formarse el acetaldehído. La reoxidación del NAD, gracias a la reducción del acetaldehído a etanol, es fundamental para que siga transcurriendo la glucólisis, ya que, si todo el NAD estuviera reducido, se bloquearía el proceso. Hay que puntualizar que todo esto ocurre fuera de la mitocondria. Por tanto, las respuestas escuetas serían:
a) Se trata de la fermentación alcohólica.
b) Tiene lugar en el citoplasma de células, como las levaduras, fuera de la mitocondria y en condiciones anaerobias.
c) La glucosa, a través de varios pasos, rinde dos moléculas de ácido pirúvico y se almacena energía en 2 ATP. El pirúvico se reduce a acetaldehído con desprendimiento de CÜ2 (el dióxido de carbono de los lagares), y el acetaldehído se reduce a etanol, reoxidándose así el NAD que se había reducido previamente, lo cual permite que continúe degradándose la glucosa.
d) De este modo se obtienen 2 ATP por molécula de glucosa, mientras que en condiciones aerobias el pirúvico entraría en la mitocondria y se oxidaría hasta CÜ2 y H2Ü, lográndose un balance de 36 ATP por molécula de glucosa.
e) Estas transformaciones ocurren en procesos industriales como la fabricación del pan, del vino y de la cerveza
.UN PASO MÁS
12.21. La cerveza es un producto industrial procedente de la cebada. Las semillas de cebada se humedecen para que germinen, de forma que al iniciarse la germinación sus propias enzimas hidrolíticas rompen los polisacáridos de reserva (almidón fundamentalmente) en monosacáridos. Tras detener este proceso por calor, se obtiene la malta. Esta se somete a la acción de levaduras, que inicialmente se multiplican utilizando los azúcares del medio como fuente de carbono y de energía. Cuando se consume el oxígeno presente, las levaduras inician el proceso que conduce a la producción de la cerveza.
a) ¿Qué monosacárido se originará como resultado de la hidrólisis del almidón? ¿Qué tipos de enlaces deberán romper las enzimas hidrolíticas de las que se habla?
b) ¿Cuáles serán los productos finales de la utilización de los azúcares por las levaduras, una vez consumido el oxígeno?
c) Compare la eficacia, desde el punto de vista energético, de la etapa en que las levaduras tienen oxígeno disponible y la etapa en la que ya se ha consumido.
a) El monosacárido originado será la glucosa, porque tanto la amilosa como la amilopectina (polisacáridos integrantes del almidón) son polímeros de la a-glucosa. Los enlaces que deberán romperse por las hidrolasas serán enlaces covalentes; y ambos, O-glicosídicos: el enlace a 1—>4 de la maltosa (integrante de la amilosa y de la amilopectina) y el a 1—>6 de la isomaltosa (integrante de la amilopectina).
b) Una vez consumido el oxígeno, las levaduras realizarán la fermentación etílica, reduciendo el ácido pirúvico a acetaldehído con desprendimiento de CO2 que sale al ambiente, reduciendo el acetaldehído a etanol.
c) Mientras las levaduras tienen oxígeno disponible, pueden beneficiarse de la glucólisis en condiciones aerobias; por tanto, el ácido pirúvico entrará en la mitocondria y, transformado en acetilo y activado por la coenzima A, será oxidado completamente en el ciclo de Krebs y en las cadenas respiratorias a él asociadas, con un balance energético de 36 ATP por molécula de glucosa. Cuando hayan consumido el oxígeno, sucederá lo ya explicado en el apartado b), y el balance energético será el propio de la glucólisis en sentido estricto: 2 ATP por molécula de glucosa.
12.22. En una tertulia de televisión, discutían sobre dos lamentables accidentes. En el primero, unas personas habían muerto por haber entrado en el lagar de una bodega donde estaba fermentando el mosto. En el otro, unos jóvenes se habían intoxicado en un refugio de montaña por dormir con las ventanas cerradas junto a las brasas de una chimenea. Los invitados al programa decían que los dos accidentes tenían la misma causa. Tú, ¿qué opinas?
En el local cerrado del lagar se está produciendo la fermentación etílica con abundante desprendimiento de CC-2. Llega un momento en que su concentración es tan alta que no hay suficiente presión parcial de oxígeno para que lo capten los pulmones en cantidad necesaria, y por eso las personas se asfixiaron.
En el refugio de montaña, en las brasas se produce una combustión incompleta, la cual desprende CO (monóxido de carbono) que, en el grupo hemo de la hemoglobina, ocupa de forma estable el lugar "reservado" para el oxígeno molecular y con mayor afinidad que este. Por tanto, aunque en la habitación hubiera suficiente oxígeno, no lo podrían asimilar porque el CO había ocupado su sitio.
Aunque el lamentable resultado sea el mismo, el proceso en cada caso ha sido diferente.
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