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Cap. 7 Respiración Celular y Fermentación
Cosechando la energía
ü El arreglo de los átomos en las moléculas orgánicas representa energía potencial.
ü Los organismos obtienen energía para mantener los procesos de vida transformando esa energía
potencial almacenada en moléculas orgánicas (producto de fotosíntesis). La transformación se lleva a
cabo en trayectos catabólicos.
ü Los trayectos catabólicos liberan la energía almacenada en las moléculas orgánicas, parte de la
energía se utiliza para realizar trabajo y parte se disipa como calor.
ü Los trayectos catabólicos también suplen materia prima orgánica para la síntesis de moléculas
biológicas.
ü Respiración celular es un trayecto catabólico oxidativo.
Glucosa + O2 ® CO2 + H2O + energía + calor
ü Consiste de cuatro etapas: glucólisis, decarboxilación oxidativa / translocación de piruvato, ciclo de
Krebs y fosforilación oxidativa (acoplada a la cadena de transporte de electrones)
Reacciones Redox - reacciones químicas en las cuales ocurre la transferencia parcial o completa de
electrones de un reactante a otro.
ü Oxidación = pérdida parcial o completa de electrones
ü Reducción = ganancia parcial o completa de electrones
Transferencia completa – formación de enlaces iónicos
· Na + Cl ® Na+ + Cl-Na = se oxida, agente reductor -Cl = se reduce, agente oxidante.
Transferencia parcial - cambio en el grado en el cual se están compartiendo los
electrones
ü Cuando metano reacciona con oxígeno para formar bióxido de carbono,
los electrones terminan más lejos del carbono y más cerca de oxígeno
(alta electronegatividad)
• Carbono ha perdido parcialmente los electrones en el enlace –
oxidación.
• Los enlaces C-H, representan electrones con mucha energía potencial
• Los electrones están “lejos” de los núcleos de C y H.
• Oxidación se identifica como “pérdida” de enlaces con H.
• Mientras más enlaces C-H tenga una molécula mayor es la energía que almacena.
• Grasas > carbohidratos > proteínas
ü Cuando oxígeno (O2) reacciona con el hidrógeno de metano para formar agua, los electrones en el
enlace terminan más cerca de oxígeno (en agua).
• Oxígeno ha ganado parcialmente los electrones. Oxígeno se reduce.
• Los enlaces O-H, representan electrones con poca energía potencial.
• Los electrones están cerca del núcleo de O.
• Reducción se identifica como “ganancia” de enlaces con H.
*Los electrones liberan energía cuando se acercan a átomos electronegativos.*
*Oxígeno es muy electronegativo y es uno de los agentes oxidantes más potentes*
Dra. Ramírez
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Cap. 7 Respiración Celular y Fermentación
Reacción general respiración celular: C6H12O6 + 6O2 à 6CO2 + 6H2O + Energy (ATP + heat)
ü
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ü
Glucosa se oxida completamente hasta CO2 y oxígeno se reduce formando agua.
La reacción es altamente exergónica (D G of −686 kcal/mol de glucosa)
En un solo paso la mayor parte de la energía se perdería como calor.
La oxidación ocurre en una serie de pasos, cada uno catalizado por una enzima específica.
Los electrones (-H, enlaces con hidrógeno) se le remueven poco a poco.
Los electrones no se transfieren directamente a oxígeno si no a la coenzima NAD+ (nicotinamide
adenine dinucleotide)
Enzimas conocidas como dehidrogenasas oxidan
parcialmente a glucosa (u otra molécula orgánica)
removiendo dos átomos de hidrógeno.
ü La enzima transfiere 2 electrones y un protón (H+) a NAD+.
ü El otro protón (H+) se libera a la solución.
NAD+ actúa como un agente oxidante (transportador de
electrones) en muchos de los pasos durante el catabolismo
de glucosa.
Los electrones que transporta NADH conservan gran parte de la energía
NADH = energía almacenada
NADH llevará los electrones hasta la cadena de transporte de electrones. En esta, hay varios pasos
antes de que los electrones lleguen a oxígeno.
GLUCÓLISIS
ü Glucólisis es un trayecto catabólico de 10 pasos en el cual se oxida parcialmente a glucosa.
ü Ocurre en el citosol.
ü Puede ocurrir en ausencia de oxígeno.
ü Glucosa (C6) se rompe en 2 moléculas de 3 carbonos (piruvato).
ü No se produce CO2.
ü Incluye dos fases:
ü fase de inversión de energía
ü Se invierten 2 ATPs (fosforilación de glucosa) para proveer energía de activación.
ü Se rompe glucosa en 2 moléculas de 3 carbonos
ü fase de producción de energía
ü Se produce 4 ATP por medio de fosforilación a nivel de sustrato, 2 ATPs NETOS
ü Se oxida NAD+, se producen 2 NADH
ü Productos: 2 piruvatos, 2 NADH, 2 ATPs netos
Dra. Ramírez
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TRANSLOCACIÓN
DE
PIRUVATO
/
DECARBOXILACIÓN OXIDATIVA
ü Si hay oxígeno, piruvato entra a la mitocondria.
ü El transporte de piruvato hacia la mitocondria ocurre
por medio de una proteína de transporte.
ü Una vez está en la matriz un complejo
multienzimático cataliza las siguientes reacciones:
(por cada piruvato)
üDecarboxilación - se produce 1 CO2
üOxidación - se produce 1 NADH
üSe acopla a la coenzima A – se produce acetil
CoA.
ESTRUCTURA DE LA MITOCONDRIA
ü Las mitocondrias
son organelos
rodeados por una
doble membrana
(membrana externa
y membrana interna). La membrana interna forma dobleces o cristas.
ü Contiene dos compartimientos separados. Entre la membrana externa y
la interna se forma el espacio intermembranal y entre los dobleces de la
membrana interna se encuentra la matriz mitocondrial.
CICLO DE KREBS O CICLO DE ÁCIDO CÍTRICO
ü El ciclo de Krebs solo ocurre en presencia de O2 –
aeróbico.
ü Ocurre en la matriz mitocondrial.
ü Se completa la oxidación de glucosa degradando acetil
CoA hasta CO2.
ü Toma 2 vueltas en el ciclo de Krebs para oxidar
completamente la glucosa.
ü Por cada vuelta:
ü
Entran 2 carbonos (grupo acetilo)
ü
Se liberan 2 moléculas de CO2
ü
Ocurre fosforilación a nivel de sustrato – 1 ATP
ü
Se producen 3 NADH y 1 FADH2
ü
Se regenera oxaloacetato.
Dra. Ramírez
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CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES / QUIMIOSMOSIS / FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
ü Respiración celular produce un total aproximado de ~38 ATPs. Solamente 4 mediante fosforilación a
nivel de sustrato, el resto mediante fosforilación oxidativa.
ü La cadena de transporte de electrones consiste de varias moléculas (principalmente proteínas)
organizadas en la membrana mitocondrial interna.
o Los dobleces o cristas aumentan el área de superficie, aumentando la eficiencia del proceso.
o Los componentes de la cadena se organizan en orden ascendente de electronegatividad. Al
final de la cadena se encuentra oxígeno como último aceptador de electrones (más
electronegativo).
ü Los electrones viene transportados en NADH, pocos en FADH2 (en FADH2 tienen menos energía libre
y son entregados a nivel más bajo en la cadena, menos ATP).
o A medida que se mueven los
electrones a través de los componentes
de la cadena, liberan energía
o La energía liberada se utiliza para
bombear protones hacia el espacio
intermembranal.
o Se forma un gradiente electroquímico
de protones (fuerza motriz de
protones). Diferencia de concentración
y separación de cargas.
o Los protones regresan a la matriz a
través de un canal en la sintasa de
ATP.
o La sintasa utiliza el flujo de protones
(exergónico) para fosforilar ADP.
o ATP no se sintetiza directamente. La
síntesis de ATP está acoplada al
mecanismo descrito que es conocido
como QUIMIOSMOSIS.
o Quimiosmosis:
mecanismo
de
acoplamiento de energía que utiliza la
energía almacenada en forma del
gradiente de protones a través de una
membrana para realizar trabajo celular.
§ Ejemplo: En respiración celular
la energía en el gradiente de
protones acopla las reacciones
de redox que ocurren en la
cadena de transporte de
electrones a la síntesis de ATP.
Dra. Ramírez
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Cap. 7 Respiración Celular y Fermentación
Gradiente electroquímico a través de la membrana mitocondrial interna (similar ocurre a través de las
membranas tilacoideas)
Fuerza
motriz de
protones
Resumen:
*Flujo principal de electrones: glucosa à NADH à cadena de transporte de electrones à Oxígeno
*Flujo principal de energía: glucosa à NADH à cadena de transporte de electrones à fuerza motriz de
protones à ATP.
FERMENTACIÓN
ü Fermentación es un trayecto metabólico en el cual algunas células pueden oxidar glucosa
(parcialmente) en ausencia de oxígeno (condiciones anaeróbicas). En
ausencia de oxígeno la fosforilación oxidativa NO puede ocurrir.
ü Repasando: durante glucólisis
o glucosa se oxida parcialmente produciendo 2 moléculas de
piruvato, con NAD+ como agente oxidante
o se producen 2 ATps netos (fosforilación a nivel de sustrato)
ü Se puede generar ATP a partir de glucosa (por glucólisis) siempre y
cuando haya NAD+ que pueda oxidar parcialmente a glucosa. (Si no
hay NAD+, glucólisis NO puede continuar).
ü Bajo condiciones anaeróbicas, los trayectos de fermentación reciclan el
NAD+ transfiriendo los electrones de NADH a piruvato o a derivados de
piruvato.
o Fermentación alcohólica
o Ej. Levadura producción de cerveza y vino
o Piruvato se convierte en etanol
o Se recicla NAD+
o Glucólisis puede continuar
o Productos: 2 Etanol, 2 CO2, 2 NAD+, 2 ATPs
o Fermentación láctica
o Ej. Bacterias y hongos producción de queso y yogurt
Dra. Ramírez
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o
Ej. Células musculares bajo actividad alta,
globulos rojos
o NADH reduce directamente a piruvato
produciendo lactato.
o Productos: 2 lactatos, 2 NAD+, 2 ATPs
ü Respiración celular es más eficiente 38 ATPs.
ü Los productos de fermentación: lactato y etanol, todavía
contienen energía almacenada aunque no disponible.
REGULACIÓN DEL TRAYECTO
ü Mecanismos de retroinformación negativa se utilizan para regular respiración celular. Depende de los
niveles de ATP en la célula.
ü Regulación alostérica de la enzima clave: fosfofructocinasa (3 paso glucólisis)
o Inhibidores: ATP, citrato
o Activadores: ADP, AMP
Dra. Ramírez
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