Respiración Celular: Proceso y Fases Clave

Estructura Celular y Función

• Presenta la estructura celular y su función, preparado por Andrea Vaca de 1º de grado.

Mitocondrias

• Las mitocondrias se encargan de la respiración celular y contienen ADN.

Estructura de la Mitocondria

• Tiene una doble membrana.
• Posee crestas.
• Contiene matriz, ribosomas y ADN.

Funciones de la Mitocondria

• Realiza la respiración celular
• Capta y libera iones de Ca2+
• Regula el Ca en el citosol.

Semi-autónoma

• Contiene ADN y puede fusionarse o dividirse.
• Participan microtúbulos de retículo endoplasmático

Mitocondrias en Células Vegetales

• Las células vegetales poseen mitocondrias.

Estructura de la Membrana Mitocondrial

• Membrana externa: permeable a ATP, NAD y CoA debido a la presencia de porinas y enzimas.
• Espacio intermembranoso: similar al citosol debido a la presencia de la porina.
• Membrana límite interna: con dos dominios (P3:L1-15), proteínas de importación de proteínas mitocondriales, crestas o M.I. cristalina; es altamente impermeable.
• Matriz mitocondrial o Mitosol: de consistencia de gel, alta concentración de proteínas solubles en agua, ribosomas y ADN circular.

Metabolismo en la Matriz Mitocondrial

• El piruvato reacciona con la coenzima A (CoA) para formar acetil CoA y liberar CO2.
• Se suman dos electrones energizados y un ión hidrógeno al NAD+ para formar NADH.
• El acetil CoA entra al ciclo de Krebs, se libera CoA para volver a utilizarse
• El ciclo de Krebs produce un ATP, tres NADH, un FADH2 y dos CO₂ a partir de cada acetil CoA.

Teoría Endosimbiótica

• El plegamiento de la membrana plasmática de un procariota ancestral dio lugar a componentes endomembranosos, incluyendo el núcleo y el retículo endoplasmático.
• En un primer evento endosimbionte, el eucariota ancestral consumió bacterias aerobias que evolucionaron hasta convertirse en mitocondrias.
• En un segundo evento endosimbiótico, el eucariota primitivo consumió bacterias fotosintéticas que evolucionaron en cloroplastos.

Respiración Celular

• Conjunto de procesos catabólicos que permiten convertir el alimento en energía.
• Existen tres etapas metabólicas: Etapa I, Etapa II, Etapa III
• La vía catabólica (flechas verdes hacia la derecha) convergen para formar metabolitos comunes y conducir a la síntesis de ATP en la etapa III
• Las vías anabólicas (flechas azules hacia la izquierda) comienzan a partir de ciertos precursores en la etapa III y utiliza ATP para sintetizar gran variedad de materiales celulares

Metabolismo de Carbohidratos en Eucariotas

• Las reacciones de la glucólisis generan piruvato y NADH en el citosol.
• En ausencia de O2, el NADH reduce el piruvato a lactato (u otro producto de fermentación).
• El NAD+ formado en la reacción se reutiliza en la glucólisis.
• En presencia del O2, el piruvato se mueve hacia la matriz mitocondrial, donde se descarboxila y se une a la coenzima A (CoA), generando NADH
• El NADH producido dona sus electrones a un compuesto que entra en la membrana mitocondrial interna.
• El acetil CoA pasa a través del ciclo del TCA, generando NADH y FADH2.
• Los electrones en NADH y FADH2 pasan a lo largo de la cadena transportadora de electrones, compuesta por transportadores incrustados en la membrana mitocondrial interna, al oxígeno molecular.

Glucólisis

• Consiste en la transformación de glucosa a piruvato en el citoplasma (citosol).
• Produce 2 piruvatos, 2 ATP y 2 NADH.

Elementos de la Glucólisis

• Activación de la glucosa: se gasta la energía de dos moléculas de ATP para convertir glucosa en fructosa bifosfato.
• Cosecha de energía: las dos moléculas de G3P producen cuatro moléculas de ATP y dos de NADH.
• La glucólisis produce dos moléculas netas de ATP y dos de NADH por cada glucosa.

Reacciones de la Glucólisis

• Se energiza una molécula de glucosa por la adición de un fosfato energizado del ATP.
• La molécula se reorganiza levemente y forma fructosa 6-fosfato.
• Se agrega un segundo fosfato de otro ATP.
• La molécula fructosa-1,6 bifosfato se degrada en DHAP y G3P (cada una con un fosfato unido).
• La molécula de DHAP se reorganiza a G3P.

Reacciones Consecutivas de G3P

• Se donan dos electrones y un ion a NAD+ para formar NADH, y un fosfato inorgánico se une al carbono.
• Las moléculas resultantes de 1,3-bifosfoglicerato tienen dos fosfatos energizados.
• Un fosfato de cada bifosfoglicerato se transfiere al ADP para formar ATP, obteniéndose una ganancia neta de dos ATP.
• El segundo fosfato se transfiere al ADP para formar ATP y queda el piruvato como producto.

Resumen de la Glucólisis

• La glucosa es fosforilada a expensas de un ATP, formando fructosa 1,6 bifosfato.
• Luego se fosforila otra vez a expensas de un segundo ATP.
• Los dos grupos fosfatos están situados en los dos terminales (C1, C6) de la cadena de la fructosa.
• El bifosfato de seis carbonos se divide en dos monofosfatos de tres carbonos.
• El aldehído de tres carbonos se oxida a un ácido, y los electrones eliminados se usan para reducir la coenzima NAD+ a NADH
• El ácido C1 se fosforila, formando un acil fosfato que tiene un alto potencial de transferencia de grupo fosfato.
• Se forman dos ATP por cada glucosa oxidada
• Ocurre la reorganización y deshidratación del sustrato para formar un enol fosfato en la posición C2 que tiene un alto potencial de transferencia del grupo fosfato.

Reacción Neta de la Glucólisis

• Glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

Piruvato Quinasa

• Enzima que cataliza la reacción en la que los dos sustratos, fosfoenolpiruvato (PEP) y ADP, se unen para formar un complejo enzima-sustrato (ES).
• El complejo conduce a la formación de los productos piruvato y ATP.

Respiración Celular (Visión General)

• Involucra la glucólisis, el ciclo de Krebs y la cadena transportadora de electrones.
• La glucosa se convierte en dos ácidos pirúvicos en la glucólisis.
• El ciclo de Krebs y la cadena transportadora ocurren en la mitocondria, con síntesis de ATP a nivel de substrato.
• Se producen 32 ATP en la cadena transportadora de electrones.

Respiración Celular Aeróbica

• Involucra dos etapas: Ciclo TCA y Cadena de transporte de electrones.
• El ciclo TCA se desarrolla en el mitosol, mientras que la Cadena de transporte ocurre en la cresta mitocondrial.

Acetilación

• Es la transformación de Piruvato a Acetil.
• Ocurre en el mitosol o matriz mitocondrial.
• Produce 2 NADH y no produce ATP.

Oxidación del Piruvato

• Se elimina un grupo carboxilo del piruvato para liberar dióxido de carbono.
• NAD+ se reduce a NADH.
• El grupo acetilo se transfiere a la coenzima A, resultando en Acetil CoA.

Descarboxilación del Piruvato

• El ácido pirúvico (C3) es descarboxilado en el citoplasma, liberando NADH.
• En la matriz mitocondrial, el Acetil CoA (C2) entra al ciclo del ácido cítrico.
• Se liberan 3 NADH + H+, 1 FADH2 y 1 ATP durante el ciclo.

Ciclo de Krebs

• Es la transformación de Acetil + Oxalacetato en Citrato.
• Ocurre en el mitosol o matriz mitocondrial.
• Produce: 6 NADH, 2 FADH2, 2 ATP

Formación de Acetil Coenzima A

• El piruvato se degrada para formar CO₂ y un grupo acetilo. El grupo acetilo se une al CoA para formar acetil CoA.
• Simultáneamente, NAD+ recibe dos electrones energizados y un ión hidrógeno para formar NADH. El acetil CoA entra en el ciclo de Krebs.

Etapas del Ciclo de Krebs

• El acetil CoA dona su grupo acetilo a una molécula de oxaloacetato, que tiene cuatro carbonos.
• El agua dona hidrógeno a la molécula de CoA y oxígeno a la del citrato.
• El citrato se reorganiza para formar isocitrato.
• El isocitrato libera CO2 y forma α-cetoglutarato.
• El NAD+ capta dos electrones energéticos y un H+ para formar NADH.
• El α-cetoglutarato desprende CO2 y forma succinato.
• El NAD+ capta dos electrones energizados y un H+ para formar NADH y una molécula de ATP capta energía adicional.

Más Etapas del Ciclo de Krebs

• El succinato se convierte en fumarato.
• El FAD capta dos electrones energizados y dos H+ para formar FADH2.
• El fumarato se convierte en malato, que contiene otros dos hidrógenos y un oxígeno adicional, tomado del agua.
• El malato se convierte en oxaloacetato.
• El NAD+ capta dos electrones energizados y un H+ para formar NADH.

Fosforilación Oxidativa

• Ubicación: Cresta mitocondrial
• Producto: Abundante ATP
• Función: Crear un gradiente de concentración para formar ATP

Fosforilación Oxidativa y ATP

• El último aceptor de electrones e H+ es el oxígeno que forma agua metabólica.
• 1 NADH = 2.5 = 3 ATP
• 1 FADH2 = 1.5 = 2 ATP

Proceso de Fosforilación Oxidativa

• Los sustratos (isocitrato y succinato) se oxidan y los electrones se transfieren a las coenzimas NAD+ o FAD para formar NADH o FADH2.
• Estos electrones de alta energía son transferidos a través de una cadena transportadora de electrones.
• La energía liberada se usa para translocar los protones desde la matriz al espacio intermembranoso
• Se establece un gradiente de protones electroquímico a través de la membrana mitocondrial interna.
• En un segundo paso, los protones se mueven a través de la síntesis del complejo ATP.
• La energía almacenada en el gradiente se utiliza para sintetizar ATP.

Reacciones de la Fosforilación Oxidativa

• Se produce un ciclo impulsado por el gradiente electroquímico de protones.
• El anillo de subunidades c rota dentro de la membrana.
• El péptido Asp61 juega un papel importante.
• Las subunidades alfa y beta catalíticas de la ATP sintasa se unen al ATP, ADP e iones de fosfato.

Mecanismo de Cambio y Fijación para Síntesis de ATP

• Al comienzo del ciclo, el sitio está en la conformación abierta (O) y los sustratos ADP y P₁ entran al sitio.
• El movimiento de protones a través de la membrana induce un cambio a la conformación libre (L) en la que los sustratos están unidos de manera débil.
• El movimiento de protones adicionales induce un cambio a la conformación tensa (T), donde la afinidad por los sustratos aumenta y se unen fuertemente.
• El ADP y P₁ se condensan espontáneamente para formar un ATP unido de manera fuerte.
• El movimiento de protones adicionales induce un cambio a la conformación abierta (O), disminuyendo la afinidad por el ATP, permitiendo su liberación.

Membranas y Componentes Mitocondriales

• La respiración celular se lleva a cabo en proximidad a diversos componentes de la mitocondria.
• Se incluyen la membrana externa, el espacio intermembranoso, la membrana interna y la matriz.
• Además, se incluyen ciclo del ácido cítrico (Krebs), la cadena de electrones, y ATP sintasa.

Reducción del Oxígeno Molecular

• El oxígeno molecular se reduce a agua, lo que incluye semireacciones y potenciales de reducción asociados.

Respiración Celular Anaeróbica

• Ocurre en organismos que no tienen mitocondrias como bacterias anaeróbicas.
• Produce menor cantidad de ATP, dependiendo del organismo.
• El Oxígeno no es el último aceptor de electrones, pueden haber otros iones como S o CO2.
• No se produce agua metabólica.
• Ocurre respiración anaeróbica en el cuerpo humano.

Fermentación

• Láctica: ocurre en músculos, neuronas, algunas bacterias; produce 2 ATP, 2 NADH, Lactato por glucólisis.
• Alcohólica: ocurre en bacterias, hongos, levaduras; produce 2 ATP, 2 NADH y alcohol, liberando CO2.

Fermentación Láctica

• La glucosa se convierte en dos lactatos, produciendo 2 ATP y 2 NADH en el citosol

Fermentación Alcohólica

• La glucosa se convierte en etanol y CO2, produciendo 2 ATP y 2 NADH en el citosol.

Explora las características de la membrana celular en respiración, el propósito de la respiración celular y la glucólisis. Analiza la transformación de piruvato a Acetil-CoA, el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa. Diferencias entre respiración aeróbica y anaeróbica.