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Lección 13: Respiración Celular y Fermentación

• La respiración celular es un proceso que incluye la respiración aeróbica y anaeróbica
• El proceso general de respiración aeróbica se resume como: compuesto orgánico + oxígeno → CO2 + agua + energía
• La dieta común de los animales contiene almidón, un polisacárido que se puede descomponer en una molécula simple.
• La fórmula general es: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energía (ATP + calor)
• Este proceso es exergónico, con un cambio de energía libre estándar (ΔG) de -686 kcal/mol.

Reacciones Redox

• Las reacciones químicas pueden ocurrir mediante transferencia de electrones, llamadas reacciones de oxidación-reducción (reacciones redox)
• La pérdida de electrones por una sustancia se considera oxidación.
• La adición de electrones a una sustancia se considera reducción.
• El metano (CH4) y el oxígeno (O2) reaccionan para formar dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O), liberando energía.

Recolecciónde energía escalonada a través de NAD+

• La respiración celular no oxida la glucosa de una vez, sino que lo hace por etapas catalizadas por enzimas.
• NAD+ (nicotinamida adenina dinucleótido) es un derivado de la vitamina niacina (vitamina B3).
• NAD+ es un compuesto formado por dos nucleótidos unidos por fosfato.
• La nicotinamida y la adenina son bases nitrogenadas.

¿Cómo el NAD+ atrapa electrones de la Glucosa?

• La enzima deshidrogenasa quita dos átomos de hidrógeno (2 protones y 2 electrones) del sustrato.
• Los dos electrones y un protón son transferidos a la coenzima NAD+, que se reduce a NADH.
• El protón restante se libera a la solución acuosa circundante.

¿Qué es la fosforilación a nivel de sustrato?

• Es una forma de síntesis de ATP.
• Ocurre cuando se transfiere un grupo fosfato desde una molécula de sustrato a ADP.
• Una molécula de sustrato es una molécula orgánica producida como intermediario durante el catabolismo de la glucosa.

Respiración Aeróbica

• La respiración aeróbica implica cuatro vías importantes: glucólisis, oxidación de piruvato, ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa.
• Estas vías trabajan en conjunto para descomponer la glucosa y producir ATP.

Glucólisis

• La glucólisis recoge energía química mediante la oxidación de la glucosa a piruvato.
• La glucosa, una molécula de 6 carbonos, se divide en dos moléculas de 3 carbonos de piruvato.
• El proceso se divide en dos fases: fase de inversión de energía y fase de pago de energía.
• El proceso produce 2 moléculas de ATP, 2 NADH y 2 piruvato.

Oxidación de Piruvato

• El piruvato es oxidado en la mitocondria, pasando por un transporte activo.
• El proceso conlleva la descarboxilación del piruvato y la formación de acetil-CoA.
• Cada piruvato se convierte a acetil-CoA y produce una molécula de CO2, un NADH y un acetil CoA por molécula de piruvato.

Ciclo de Krebs

• Hay una adición de una molécula de agua que reorganiza los enlaces.
• Se transfieren dos hidrógenos a FAD, formando FADH2 y oxidando el succinato.
• El isocitrato se oxida, reduciendo NAD+ a NADH.
• El compuesto resultante pierde un CO2
• El compuesto restante se une a la coenzima A mediante un enlace inestable, produciendo succinil-CoA.
• El ciclo produce 2 moléculas de CO2, 3 NADH, 1 FADH2 y un GTP (que se convierte en ATP).
• El ciclo de Krebs produce energía en forma de electrones de alta energía (NADH y FADH2) y una molécula de ATP.

Oxidación Fosforilativa

• La oxidación fosforilativa implica dos partes: la cadena de transporte de electrones y la quimiosmosis.
• La cadena de transporte de electrones es un proceso que transfiere electrones de alta energía desde moléculas de NADH y FADH2 al oxígeno (el aceptor final).
• La quimiosmosis utiliza el gradiente de protones generado en la cadena de transporte de electrones para impulsar la síntesis de ATP.
• El proceso genera aproximadamente 26-28 moléculas de ATP por molécula de glucosa.

Cadena Transporte de Electrones (CTE)

• Se compone de diversas enzimas que existen como complejos multiproteicos numerados del I al IV.
• Las enzimas incluyen NADH deshidrogenasa, succinato deshidrogenasa, citocromo bc1 y citocromo c oxidasa.
• Incluye componentes prostéticos como flavinas, grupos hierro-azufre y citocromos.
• Acepta electrones y los cede al aceptor final (oxígeno).

Flujo de Electrones en CTE

• Los electrones de NADH y FADH2 son transferidos a la cadena de transporte de electrones.
• Los electrones pasan a través de la cadena, lo que implica una serie de reacciones redox.
• Después de pasar por un grupo de enzimas, se produce una reducción de NAD/FAD. El oxígeno es el aceptor final y acepta los electrones y H generando agua.

Quimiosmosis

• La quimiosmosis es el proceso mediante el cual la energía almacenada en un gradiente de protones se utiliza para realizar trabajo.
• Estas enzimas generan ATP, bombeando nutrientes y desechos en la membrana.

Sintetasa de ATP

• El complejo de la sintetasa de ATP es una enzima multi-subunidad que cataliza la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico utilizando un gradiente de protones.
• Los protones fluyen a través de la sintetasa de ATP, haciendo rotar el rotor.
• El giro del rotor causa el cambio de forma de las subunidades del rotor, lo cual activa los sitios catalíticos en la cabeza, produciendo ATP.
• Los protones siguen el gradiente, desde el espacio intermembranoso hasta la matriz mitocondrial.
• Cada NADH produce aproximadamente 2,5 moléculas de ATP y cada FADH2 produce aproximadamente 1,5 moléculas de ATP.

Eficiencia de la Respiración Aeróbica

• La oxidación completa de una molécula de glucosa a dióxido de carbono y agua libera alrededor de 686 kcal/mol de energía.
• Se genera aproximadamente entre 32 y 38 moléculas de ATP por molécula de glucosa.
• Convierte alrededor de un 34% de la energía almacenada en la glucosa en energía química (ATP).

Respiración Anaeróbica y Fermentación

• La respiración anaeróbica es un proceso metabólico que ocurre en ausencia de oxígeno.
• La fermentación es un tipo de respiración anaeróbica.
• En la respiración anaeróbica, no se utiliza el oxígeno como aceptor final de electrones.
• Los agentes aceptores son diferentes de lo que ocurre en la respiración aeróbica. La eficiencia de producción de ATP es menor que en la respiración aeróbica.

Fermentación

• La fermentación regenera NAD+ utilizado en la glucólisis.
• Hay dos tipos principales de fermentación: fermentación alcohólica y fermentación láctica.
• La fermentación alcohólica produce etanol y dióxido de carbono.
• La fermentación láctica produce ácido láctico.

¿Qué ocurre en los músculos durante el ejercicio intenso?

• El metabolismo del azúcar para producir ATP supera el suministro de oxígeno a la sangre.
• Como resultado, se activa la fermentación láctica.
• El ácido láctico se acumula en los músculos, causando dolor y fatiga.
• El ácido láctico es transportado luego al hígado, donde se convierte de nuevo en piruvato.

Catabolismo de nutrientes

• La dieta humana consiste en macromoléculas como carbohidratos, proteínas y grasas.
• El catabolismo de macromoléculas implica la degradación de estas moléculas en unidades más pequeñas.
• Los carbohidratos se degradan en glucosa, fructosa y galactosa.
• Las proteínas se degradan en aminoácidos.
• Las grasas se degradan en ácidos grasos.

Oxidación de aminoácidos

• Los aminoácidos se descomponen en sus componentes.
• El grupo amino se elimina para formar amoníaco.
• El resto de la molécula entra al ciclo de Krebs en forma de intermediarios metabólicos como acetil-CoA, piruvato y oxaloacetato
• Entonces produce ATP, NADH y FADH2 que luego se utilizan en la cadena de transporte de electrones para generar más ATP.

Oxidación de ácidos grasos

• El proceso se llama beta oxidación.
• Los ácidos grasos se rompen en fragmentos de dos carbonos, que se transforman en acetil-CoA.
• Luego, el acetil-CoA entra al ciclo de Krebs.
• Las grasas son excelentes combustibles debido a su alto contenido de energía por gramo.
• Sin embargo, la pérdida de peso es difícil debido al alto contenido calórico por gramo de grasa.