Biología, Capítulo 8: Respiración Celular PDF

BIOLOGY ELEVENTH EDITION Capítulo 8: Respiración Celular: Vías de Liberación de Energía © 2019 Cengage. All rights reserved.  Objetivos 1. Discu...

BIOLOGY ELEVENTH EDITION Capítulo 8: Respiración Celular: Vías de Liberación de Energía © 2019 Cengage. All rights reserved.  Objetivos 1. Discutir la importancia de la respiración celular para los seres vivos. 2. Escribir la ecuación general de la respiración celular, mostrando los reactivos que se oxidan y los que se reducen. 3. Mencionar y dar un breve resumen de las cuatro etapas de la respiración aeróbica. 4. Indicar en que región de la célula eucariota ocurre cada una de las etapas de la respiración aeróbica. 5. Explicar la formación de ATP, NADH y FADH2 en cada etapa de la respiración aeróbica. 6. Definir quimiosmosis y explicar cómo se forma el gradiente de protones de hidrógeno para sintetizar ATP. 7. Resumir como proteínas y lípidos entran en la ruta metabólica de la respiración aeróbica. 8. Comparar y contrastar respiración aeróbica y fermentación, incluyendo los mecanismos de formación de ATP, el aceptador final de electrones y2 los productos finales. © 2019 Cengage. All rights reserved. Alimento para energía © 2019 Cengage. All rights reserved.  Repaso Metabolismo es la suma de reacciones químicas que se llevan a cabo en un organismo. – Se pueden dividir en dos clases: § Catabolismo o Moléculas complejas son degradadas en moléculas simples o Liberan energía: reacciones exergónicas § Anabolismo o Moléculas complejas son sintetizadas a partir de moléculas simples. o Requieren energía: reacciones endergónicas 4 © 2019 Cengage. All rights reserved.  Respiración Celular La respiración celular es la conversión de la energía química almacenada en la molécula de glucosa (entre otras) en forma de ATP. – La energía química presente en el ATP es utilizada para impulsar reacciones endergónicas en la célula El ATP transfiere la energía almacenada mediante la transferencia de grupos fosfato. 5 © 2019 Cengage. All rights reserved.  Respiración Organismal La respiración celular difiere del proceso de respiración organismal. – Ejemplo - ventilación – Intercambio de O2 y CO2 entre un organismo y su medio ambiente 6 © 2019 Cengage. All rights reserved.  Tipos de Respiración Celular: Rutas Anaeróbicas Respiración Anaeróbica – No requiere O2 – Solo organismos unicelulares son anaeróbicos estrictos – Bajo rendimiento de ATP Fermentación – Un mecanismo para el reciclaje de NADH 7 © 2019 Cengage. All rights reserved.  Tipos de Respiración Celular: Ruta Aeróbica Respiración aeróbica – Requiere O2 – Utiliza mecanismos celulares complejos asociados a membranas celulares – En bacterias, ocurre en el citoplasma y en pliegues de la membrana plasmática – En eucariotas, ocurre en el citoplasma y en las mitocondrias 8 © 2019 Cengage. All rights reserved.  Respiración Celular: Ecuación General C6H12O6 + 6O2 + 6H2O → 6CO2 + 12H2O + Energía (ATP) Puede ser resumida de la siguiente manera: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Energía (ATP) 9 © 2019 Cengage. All rights reserved.  La energía química presente en la glucosa es liberada en pequeñas cantidades durante la respiración celular. La liberación controlada de energía permite una utilización más eficiente de la misma. 10 © 2019 Cengage. All rights reserved.  Reacciones Generales Las reacciones de la respiración celular son en su mayoría reacciones de reducción – oxidación: – Deshidrogenación § 2 H+ y 2 e- son transferidos de un sustrato a una coenzima como NAD+ y FAD – Descarboxilación § Parte de un grupo carboxilo (-COOH) es removido de un sustrato como CO2 – Reacciones de preparación § Una molécula es rearreglada para su subsiguiente deshidrogenación o descarboxilación 11 © 2019 Cengage. All rights reserved.  Fosforilaciones El ATP se sintetiza a partir del ADP mediante fosforilaciones. – Dos tipos: § Fosforilación a nivel de sustrato o Transferencia de un grupo fosfato de un compuesto fosforilado a ADP § Fosforilación quimiosmótica (oxidativa) o La energía de un gradiente de concentración de protones (H+) es utilizada para sintetizar ATP a partir de ADP y Pi 12 © 2019 Cengage. All rights reserved. Fosforilación a Nivel de Sustrato 13 © 2019 Cengage. All rights reserved. Mitocondria 14 © 2019 Cengage. All rights reserved.  Etapas de la Respiración Celular Citoplasma: 1. Glucólisis La glucosa es degradada a piruvato mediante fosforilaciones y deshidrogenaciones. Se libera NADH y ATP Mitocondria: 2. Etapa preparatoria o de transición (Formación de acetil coenzima A, reacción puente) Degradación de piruvato a acetil-coenzima A (CoA) Son liberados NADH y CO2 3. Ciclo de Krebs (Ciclo de ácido tricarboxílico o ciclo de ácido cítrico) Se libera NADH, FADH2, CO2 y ATP 15 © 2019 Cengage. All rights reserved.  Etapas de la Respiración Celular Mitocondria: 4. Cadena de transporte de electrones y fosforilación quimiosmótica (oxidativa) – Un flujo de e- alimentado por NADH y FADH2 a partir del ciclo de Krebs. – Oxígeno se combina con hidrógeno para producir agua. – La fosforilación quimiosmótica de ADP a ATP ocurre como resultado del rompimiento de un gradiente de concentración de protones (H+) a través de la membrana interna de la 16 mitocondria. © 2019 Cengage. All rights reserved.  Las cuatro etapas de respiración aeróbica La mitocondria recibe los productos de glucólisis y produce más energía en forma de ATP © 2019 Cengage. All rights reserved. Resumen de Respiración Aeróbica 18 © 2019 Cengage. All rights reserved.  Introducción a la Glucolisis Glucolisis Ocurre en el citosol Metaboliza la glucosa (6 carbonos) en 2 moléculas de 3 carbonos cada una: 2 piruvatos No requiere oxígeno; procede bajo condiciones aeróbicas o anaeróbicas Ganancia neta: 2 ATP y 2 NADH Dos fases principales: Reacciones Endergónicas que requieren ATP Reacciones Exergónicas que producen ATP y NADH © 2019 Cengage. All rights reserved. 1. Glucolisis 20 © 2019 Cengage. All rights reserved. © 2019 Cengage. All rights reserved. Figure 8-4a p172 © 2019 Cengage. All rights reserved. Figure 8-4b p173  Glucólisis en detalle Etapa 1: Inversión de Energía Glucosa: C-C-C-C-C-C Enzima Proceso Hexocinasa ATP ADP Fosforilación Glucosa-6-fosfato: C-C-C-C-C-C-P Fosfoglucoisomerasa Rearreglo Fructosa-6-fosfato: C-C-C-C-C-C-P Fosfofructocinasa ATP ADP Fosforilación Fructosa-1,6-bifosfatada: P-C-C-C-C-C-C-P Aldolasa Rompimiento Isomerasa P-C-C-C C-C-C-P Isomerizar Fosfato de dihidroxiacetona Gliceraldehído – 3 fosfato 23 No es útil energéticamente Usado en el siguiente paso © 2019 Cengage. All rights reserved. Glucólisis, Etapa 2: Captura de Energía Multiplicar todos estos pasos por 2 Enzima Proceso Gliceraldehído 3-fosfato C-C-C-P Gliceraldehído 3-fosfato NAD+ NADH Fosforilación Oxidativa deshidrogenasa Pi Ácido 1,3-difosfoglicérico P-C-C-C-P Fosfoglicerocinasa ADP ATP Desfosforila esqueleto de C Fosforilación a nivel de sustrato Ácido 3-fosfoglicérico C-C-C-P Fosfogliceromutasa Isomerización Ácido 2-fosfoglicérico C-C-P-C Enolasa Deshidratación (remoción de H2O) Ácido 2-fosfoenolpirúvico C-C-P-C Cinasa de piruvato ADP ATP Fosforilación a nivel de sustrato 24 Piruvato: ácido pirúvico C-C-C “Alimenta” las reacciones en la mitocondria © 2019 Cengage. All rights reserved. © 2019 Cengage. All rights reserved. Fig. 8-4a (1), p. 178 © 2019 Cengage. All rights reserved. Fig. 8-4a (2), p. 178 © 2019 Cengage. All rights reserved. Fig. 8-4b (1), p. 179 © 2019 Cengage. All rights reserved. Fig. 8-4b (2), p. 179  Glycolysis Formation Citric acid cycle Electron of acetyl transport and coenzyme A chemiosmosis Glucose Pyruvate © 2019 Cengage. All rights reserved. Fig. 8-5, p. 180 2. Formaciónde Acetil-CoA El piruvato es convertido a un grupo acetato mediante una descarboxilación oxidativa. Se libera dióxido de carbono La oxidación del grupo acetato, acoplada con la coenzima A, causa el enlace entre CoA y el grupo acetato Deshidrogenasa de piruvato (compuesta por 72 cadenas de polipéptidos) Se forma acetil CoA © 2019 Cengage. All rights reserved. 3. Ciclo de Ácido Cítrico, Ciclo de Krebs Dos carbonos del grupo acetato se combinan con los cuatro carbonos del oxaloacetato para producir ácido cítrico (6 carbonos) El ácido cítrico se rompe 2 veces, liberando CO2 y NADH Un compuesto de 4 carbonos es rearreglado para liberar FADH2, NADH y ATP © 2019 Cengage. All rights reserved. Ciclo de Krebs © 2019 Cengage. All rights reserved. Figure 8-7 p175  1 8 2 7 6 3 5 4 © 2019 Cengage. All rights reserved. Figure 8-7 p175  Ciclo de Krebs: Primeros Dos Pasos Dos átomos de C son añadidos al oxaloacetato (4C) Se produce citrato (6C) El citrato es rearreglado en isocitrato (6C) 34 © 2019 Cengage. All rights reserved.  Ciclo de Krebs: Pasos 3, 4 y 5 Dos NADH son producidos La CoA es añadida en el lugar de la fosforilación, y ese fosfato pasa a GDP y lo transforma en GTP, el fosfato pasa de GTP a ADP y lo convierte a ATP; el producto final es succinato Coenzyme A 35 © 2019 Cengage. All rights reserved.  Ciclo de Krebs: Pasos 6, 7 y 8 Succinato es deshidrogenado por FADH2 para producir fumarato El fumarato es rearreglado e hidrogenado para producir malato El malato es oxidado por NAD+ para producir oxaloacetato 36 © 2019 Cengage. All rights reserved.  Glucose Fatty acids 8 Malate 1 dehydrogenase Acetyl coenzyme A Oxaloacetate Citrate synthase Coenzyme A Malate 7 Fumarase 2 Citrate Aconitase CITRIC ACID Fumarate CYCLE Succinate dehydrogenase Isocitrate Isocitrate dehydrogenase 6 3 Coenzyme A Succinate Coenzyme A α -Ketoglutarate α - Ketoglutarate Succinyl CoA dehydrogenase synthetase 5 4 © 2019 Cengage. All rights reserved. Stepped Art Succinyl coenzyme A Fig. 8-7, p. 181  Catabolismo de Glucosa Cuando el ciclo de Krebs da dos vueltas, la glucosa es catabolizada a: – 6 CO2 – 10 NADH – 2 FADH2 – 2 ATP del ciclo de Krebs Anteriormente: – Glucólisis § 2 ATP netos – Formación Acetil CoA § 2 CO2 § 2 NADH 38 © 2019 Cengage. All rights reserved.  4. Sistema de Transporte de Electrones Transportadores de electrones embebidos en la membrana interna de la mitocondria de células eucariotas y en la membrana plasmática de procariotas aeróbicos Cada uno en la forma oxidativa o reductora Aceptan y donan electrones (reacciones redox) Pierden energía 39 © 2019 Cengage. All rights reserved.  Miembros del STE FMN- Mononucleótido de flavina flavo proteína Lípido ubiquinona: Coenzima Q o CoQ Proteínas de sulfuro-hierro Proteínas combinadas con hierro: citocromos – Aceptan y donan e-: Fe+2, Fe+3 40 © 2019 Cengage. All rights reserved.  STE de la membrana mitocondrial Complejo I: Ubiquinona oxidoreductasa – Acepta e- del NADH Complejo II: Succinato – ubiquinona reductasa – Acepta e- del FADH2 Complejo III: Ubiquinona citocromo c oxidoreductasa – Acepta e- de la ubiquinona reducida y los pasa al citocromo c Complejo IV: Citocromo c oxidasa – Acepta e- del citocromo c y utiliza estos e- para reducir el oxígeno molecular para producir agua 41 © 2019 Cengage. All rights reserved. © 2019 Cengage. All rights reserved. Figure 8-8 p177 © 2019 Cengage. All rights reserved. Figure 8-10 p178  Modelo Quimiosmótico Peter Mitchell, bioquímico británico, desarrollo modelo en 1961 – Premio Nobel en Química, 1978 Investigaciones basadas en bacterias aeróbicas Cadena de transporte de electrones en la membrana plasmática de bacterias comparable a membrana interna del mitocondrio Mitocondrio – H+ pasan a través del complejo I, III y IV (localizados en la membrana interna) – Formación de gradiente de H+ en el espacio intermembranoso, por tanto, pH ácido – Difusión de H+ a través del complejo V: ATP sintetasa (proceso exergónico) – Síntesis de ATP a partir de ADP y Pi © 2019 Cengage. All rights reserved. © 2019 Cengage. All rights reserved. Figure 8-11 p179  Presupuesto de ATP Glucólisis y ciclo de Krebs producen poco ATP por sí solos La mayor parte de la energía proviene de las reacciones redox en las que están envueltos NADH y FADH2. Solo 4 ATP se producen por fosforilación a nivel de sustrato, 32 – 34 se producen por fosforilación 46 oxidativa © 2019 Cengage. All rights reserved.  36 – 38 ATP Células del hígado, riñones, corazón – Moléculas de NADH producidas en glucolisis son muy grandes y no pueden atravesar la membrana mitocondrial (ATP y ADP tienen proteínas acarreadoras para pasar a través de la membrana) – Los e- son transferidos desde el NADH del citoplasma a los NAD+ de la matriz y luego al STE – Se sintetizan 3 ATP Células esqueletales, cerebrales, etc. – Requieren más energía por tanto los e- están en un nivel más bajo de energía cuando entran al STE – Son aceptados por ubiquinona en vez de NAD+ – Se sintetizan 2 ATP 47 © 2019 Cengage. All rights reserved.  Células regulan respiración aeróbica Regulado por cantidad de ADP y P disponible Síntesis de ATP continua hasta que la mayoría del ADP ha sido convertido a ATP – Fosforilación oxidativa disminuye Glucolisis regulado por retroalimentación Enzima fosfofructocinasa tiene dos sitios alostéricos – Inhibida por alta concentración de ATP – Estimulada por AMP © 2019 Cengage. All rights reserved.  Las moléculas biológicas entran a la respiración celular por distintos pasos Proteínas – Aminoácidos Carbohidratos – Monosacáridos Grasas – Glicerol – Ácidos Grasos 49 © 2019 Cengage. All rights reserved.  Piruvato Piruvato es una molécula metabólica clave En presencia de O2, va a la mitocondria En ausencia de O2, alimenta la fermentación En organismos anaeróbicos (bacteria, levaduras), lleva a la producción de etanol; en el músculo lleva a la producción de ácido láctico 50 © 2019 Cengage. All rights reserved.  Fermentación Fermentación etanólica en levaduras (izquierda) Permite que la glucólisis continué el reciclaje de NADH a NAD+ 51 © 2019 Cengage. All rights reserved. Respiración aeróbica, Respiración anaeróbica y Fermentación © 2019 Cengage. All rights reserved. Table 8-2, p. 188