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es la respiracion celilar como funciona
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Generalidades Las células llevan a cabo procesos para funcionar
normalmente, los cuales requieren energía.
La Respiración celular es una serie de reacciones
mediante las cuales la célula degrada moléculas orgánicas
y produce energía.
Todas las células vivas llevan a cabo respiración celular
para obtener la energía necesaria para sus funciones.
Generalidades Usualmente se usa glucosa como materia prima, la cual se
metaboliza a bióxido de carbono y agua, produciéndose
energía que se almacena como ATP (adenosin trifosfato). El ATP es la fuente de energía que se usa como combustible para
llevar a cabo el metabolismo celular.
La ecuación simplificada de la respiración celular es:
C6H12O6 + O2 → CO2 + H2O + ATP
glucosa oxígeno bióxido agua energía
de
carbono
Para el futuro ingeniero ambiental estas reacciones no solo son importantes para
comprender los procesos de obtención de energía en los organismos vivos si no
como mecanismos de descomposición de moléculas.
Generalidades ATP- formada por adenina, ribosa y tres grupos
fosfatos con enlaces ricos en energía.
Cuando la molécula se hidroliza, el fosfato terminal se separa para formar ADP (difosfato de adenosina) y se libera energía.
Generalidades La respiración celular se divide en pasos y sigue distintas
rutas en presencia o ausencia de oxígeno:
Respiración aeróbica- en presencia de oxígeno.
Respiración anaeróbica- en ausencia de oxígeno.
¡Ambos procesos comienzan con la glucólisis! De acuerdo al lugar donde se produce se denomina:
a) Etapa citosólica a través del proceso de la glicólisis
anaeróbica.
b) Etapa mitocondrial, a través del proceso de Respiración
Celular, la que se da en condiciones aeróbicas.
Generalidades COMPUESTO ORGANICO
Glicolisis
Fermentación Ciclo de Krebs
Presencia de oxigeno
Ausencia de oxigeno
ATP
ATP
Transporte de electrones
ATP
Generalidades
Glucólisis La glucólisis o glicolisis (del griego glycos, azúcar y
lysis, ruptura).
Es la vía metabólica encargada de oxidar la glucosa con la finalidad de obtener energía para la célula.
Es el primer paso de la respiración celular y consiste en una serie de reacciones que ocurren en el citoplasma de la célula y por las cuales, a partir de una molécula de glucosa, se producen dos moléculas de ácido pirúvico (piruvato).
glucosa + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ → 2 Ácidos pirúvicos + 2ATP + 2NADH + 2H+
Glucólisis Esta ruta presenta las siguientes características:
Todos los organismos llevan a cabo la glucólisis.
No requiere de oxígeno (Ruta anaeróbica).
Se lleva a cabo en el citoplasma de la célula
Todos los intermediarios entre glucosa y piruvato están fosforilados.
Se lleve a cabo en 10 pasos (hasta piruvato) cada uno catalizado por una
enzima diferente.
Durante la glucólisis se obtiene un rendimiento neto de dos moléculas
de ATP y dos moléculas de NADH;
La glucólisis es la forma más rápida de conseguir energía para una célula
y, en el metabolismo de carbohidratos, generalmente es la primera vía a
la cual se recurre.
Glucólisis
La glucólisis es una de las vías más estudiadas, y generalmente se encuentra dividida en dos fases: la primera, de gasto de energía y la segunda fase, de obtención de energía. La primera fase consiste en transformar una molécula de glucosa en
dos moléculas de gliceraldehído (una molécula de baja energía) mediante el uso de 2 ATP. Esto permite duplicar los resultados de la segunda fase de obtención energética.
En la segunda fase, el gliceraldehído se transforma en un compuesto de alta energía, cuya hidrólisis genera una molécula de ATP, y como se generaron 2 moléculas de gliceraldehído, se obtienen en realidad dos moléculas de ATP. Esta obtención de energía se logra mediante el acoplamiento de una reacción fuertemente exergónica después de una levemente endergónica. Este acoplamiento ocurre una vez más en esta fase, generando dos moléculas de piruvato. De esta manera, en la segunda fase se obtienen 4 moléculas de ATP.
Glucólisis
Glucólisis
Glucólisis
Glucólisis Funciones
Generación de moléculas de alta energía (2ATP y 2NADH) como fuente de energía celular en procesos de respiración aeróbica (presencia de oxígeno) y fermentación (ausencia de oxígeno).
La producción de intermediarios de 6 y 3 carbonos (piruvato) que pueden ser utilizados en otros procesos celulares.
Glicolisis El ATP puede ser usado como fuente de energía para realizar trabajo
metabólico, El NADH puede tener diferentes destinos;
puede usarse como fuente de poder reductor en reacciones anabólicas; si hay oxígeno, puede oxidarse en la cadena respiratoria, obteniéndose
cuatro ATPs (dos por cada NADH); si no hay oxígeno, se usa para reducir el piruvato a lactato (fermentación
láctica), o a CO2 y etanol (fermentación alcohólica), sin obtención adicional de energía.
El piruvato generado es capaz de seguir otras vías metabólicas y así continuar entregando energía al organismo: En ausencia de oxígeno, luego de la glucólisis se lleva a cabo fermentación
(respiración celular anaeróbica). En presencia de oxigeno el piruvato pasará al ciclo de Krebs (respiración
celular aeróbica) Algunas bacterias sólo llevan a cabo fermentación, mientras que la gran
mayoría de los organismos (incluidos los humanos) pueden llevar a cabo respiración celular aeróbica y anaeróbica.
En ausencia de oxígeno, luego de la glucólisis se lleva a cabo fermentación (respiración celular anaeróbica).
Respiración celular anaeróbica En los seres vivos, la fermentación es un proceso anaeróbico y
en él no interviene la mitocondria ni la cadena respiratoria.
Son propias de los microorganismos, como algunas bacterias y levaduras.
También se produce la fermentación en la mayoría de las células de los animales (incluido el hombre), excepto en las neuronas que mueren rápidamente si no pueden realizar la respiración celular; algunas células, como los eritrocitos, carecen de mitocondrias y se ven obligadas a fermentar; el tejido muscular de los animales realiza la fermentación láctica cuando el aporte de oxígeno a las células musculares no es suficiente para el metabolismo aerobio y la contracción muscular.
Respiración celular anaeróbica Desde el punto de vista energético, las fermentaciones son
muy poco rentables si se comparan con la respiración aerobia, ya que a partir de una molécula de glucosa sólo se obtienen 2 moléculas de ATP, mientras que en la respiración se producen 36. Esto se debe a la oxidación del NADH, que en lugar de penetrar en la cadena respiratoria, cede sus electrones a compuestos orgánicos con poco poder oxidante.
Hay dos tipos de respiración celular anaeróbica: fermentación láctica y
fermentación alcohólica.
Fermentación láctica La fermentación láctica es una ruta metabólica anaeróbica que
ocurre en el citosol de la célula, en la cual se oxida parcialmente la glucosa para obtener energía y donde el producto de desecho es el ácido láctico.
Este proceso lo realizan muchas bacterias (llamadas bacterias lácticas), hongos, algunos protozoos y muchos tejidos animales; en efecto, la fermentación láctica también se verifica en el tejido muscular cuando, a causa de una intensa actividad motora (deficiencia de oxigeno), no se produce una aportación adecuada de oxígeno que permita el desarrollo de la respiración aeróbica. Algunas células, como los eritrocitos, carecen de mitocondrias de manera que se ven obligadas a obtener energía por medio de la fermentación láctica; por el contrario, el parénquima muere rápidamente ya que no fermenta, y su única fuente de energía es la respiración aeróbica.
La acumulación del ácido láctico causa el dolor característico cuando ejercitamos los músculos excesivamente.
Yogurt
Ácido pirúvico + NADH + H+ → Acido láctico + NAD+
Fermentación láctica
En condiciones de ausencia de oxígeno (anaerobias), la fermentación responde a la necesidad de la célula de generar la molécula de NAD+, que ha sido consumida en el proceso energético de la glucólisis. En la glucólisis la célula transforma y oxida la glucosa en un compuesto de tres átomos de carbono, el ácido pirúvico, obteniendo dos moléculas de ATP; sin embargo, en este proceso se emplean dos moléculas de NAD+ que actúan como receptores de electrones y se reducen a NADH+H+. Para que puedan tener lugar las reacciones de la glucólisis productoras de energía es necesario reoxidar el NADH+H+; esto se consigue mediante la cesión de dos electrones del NADH+H+ al ácido pirúvico, que se reduce a ácido láctico.
Fermentación alcohólica La fermentación alcohólica es un proceso biológico
de fermentación en plena ausencia de aire (oxígeno - O2).
Originado por la actividad de algunos microorganismos (levaduras, ciertos hongos y algunas bacterias) que procesan los hidratos de carbono (por regla general azúcares: como pueden ser por ejemplo la glucosa, la fructosa, la sacarosa, el almidón, etc.) para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol (cuya fórmula química es: CH3-CH2-OH), dióxido de carbono (CO2) en forma de gas y unas moléculas de ATP que consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energético anaeróbico.
El etanol resultante se emplea en la elaboración vino, cerveza, sidra, el cava, etc. Aunque en la actualidad se empieza a sintetizar también etanol mediante la fermentación a nivel industrial a gran escala para ser empleado como biocombustible.
Vino
Pan
Cerveza
Fermentación alcohólica
La fermentación alcohólica tiene como finalidad biológica proporcionar energía anaeróbica a los microorganismos unicelulares en ausencia de oxígeno para ello disocian las moléculas de glucosa y obtienen la energía necesaria para sobrevivir, produciendo el alcohol y CO2 como desechos consecuencia de la fermentación. Las levaduras y bacterias causantes de este fenómeno son microorganismos muy habituales en las frutas y cereales y contribuyen en gran medida al sabor de los productos fermentados. Una de las principales características de estos microorganismos es que viven en ambientes completamente carentes de oxígeno (O2), máxime durante la reacción química, por esta razón se dice que la fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico.
Ácido pirúvico → acetaldehído + CO2
acetaldehído + NADH + H+ → etanol + NAD+
Ciclo de Krebs El ciclo de Krebs (también llamado ciclo del ácido
cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos) es una ruta metabólica, es decir, una sucesión de reacciones químicas, que forma parte de la respiración celular en todas las células aeróbicas. En células eucariotas se realiza en la mitocondria. En las procariotas, el ciclo de Krebs se realiza en el citoplasma, específicamente en el citosol.
El ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz mitocondrial en eucariota
Ciclo de Krebs El metabolismo oxidativo de glúcidos, grasas y
proteínas frecuentemente se divide en tres etapas:
En la primera etapa, los carbonos de estas macromoléculas dan lugar a moléculas de acetil-CoA de dos carbonos, e incluye las vías catabólicas de aminoácidos (p. ej. desaminación oxidativa), la beta oxidación de ácidos grasos y la glucólisis.
El ciclo de Krebs supone la segunda.
La tercera etapa es la fosforilación oxidativa, en la cual el poder reductor (NADH y FADH2) generado se emplea para la síntesis de ATP según la teoría del acomplamiento quimiosmótico.
Ciclo de Krebs
Ciclo de Krebs Ciclo de Krebs en la matriz mitocondrial.
El acetil-CoA (Acetil Coenzima A) es el principal precursor del ciclo. El ácido cítrico (6 carbonos) o citrato se fusiona en cada ciclo por condensación de un acetil-CoA (2 carbonos) con una molécula de oxaloacetato (4 carbonos). El citrato produce en cada ciclo una molécula de oxaloacetato y dos CO2, por lo que el balance neto del ciclo es:
Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O → CoA-SH + 3 (NADH + H+) + FADH2 + GTP + 2 CO2
Los dos carbonos del Acetil-CoA son oxidados a CO2, y la energía que estaba acumulada es liberada en forma de energía química: GTP y poder reductor (electrones de alto potencial): NADH y FADH2. NADH y FADH2 son coenzimas (moléculas que se unen a enzimas) capaces de acumular la energía en forma de poder reductor para su conversión en energía química en la fosforilación oxidativa.
El FADH2 de la succinato deshidrogenasa, al no poder desprenderse de la enzima, debe oxidarse nuevamente in situ. El FADH2 cede sus dos hidrógenos a la ubiquinona (coenzima Q), que se reduce a ubiquinol (QH2) y abandona la enzima.
Ciclo de Krebs
Ciclo de Krebs
Ciclo de Krebs
El ciclo de Krebs también proporciona precursores para muchas biomoléculas, como ciertos aminoácidos. Por ello se considera una vía anfibólica, es decir, catabólica y anabólica al mismo tiempo.
En organismos aeróbicos, el ciclo de Krebs es parte de la vía catabólica que realiza la oxidación de glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos hasta producir CO2, liberando energía en forma utilizable (poder reductor y GTP).
Ciclo de Krebs Molécula Enzima Tipo de reacción
Reactivos/ Coenzimas
Productos/ Coenzima
I. Citrato 1. Aconitasa Deshidratación H2O
II. cis-Aconitato 2. Aconitasa Hidratación H2O
III. Isocitrato 3. Isocitrato
deshidrogenasa Oxidación NAD+ NADH + H+
IV. Oxalosuccinato 4. Isocitrato
deshidrogenasa Descarboxilación
V. α-cetoglutarato 5. α-cetoglutarato deshidrogenasa
Descarboxilación oxidativa
NAD+ + CoA-SH
NADH + H+ + CO2
VI. Succinil-CoA 6. Succinil CoA
sintetasa Hidrólisis
GDP + Pi
GTP + CoA-SH
VII. Succinato 7. Succinato
deshidrogenasa Oxidación FAD FADH2
VIII. Fumarato 8. Fumarato
Hidratasa Adición (H2O) H2O
IX. L-Malato 9. Malato
deshidrogenasa Oxidación NAD+ NADH + H+
X. Oxalacetato 10. Citrato sintasa Condensación
CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES Es una serie de transportadores de electrones que mediante reacciones bioquímicas producen adenosin trifosfato (ATP) que es el compuesto energético que utilizan los seres vivos. Se encuentran en: • la membrana plasmática de bacterias, • la membrana interna mitocondrial o • las membranas tilacoidales, Sólo dos fuentes de energía son utilizadas por los organismos vivos que utilizan sus cadenas de transporte de electrones para convertir la energía en ATP.: Reacciones de óxido-reducción (redox). A los organismos que
utilizan las reacciones redox para producir ATP se les conoce con el nombre de quimioautótrofos
la luz solar (fotosíntesis). A los organismos que utilizan la luz solar para tal evento se les conoce como fotoautótrofos.
Cadena de transporte de electrones
La misión de la cadena transportadora de electrones es la de crear un gradiente electroquímico que se utiliza para la síntesis de ATP. Dicho gradiente electroquímico se consigue mediante el flujo de electrones entre diversas sustancias de esta cadena que favorecen en último caso la translocación de protones que generan el gradiente anteriormente mencionado. De esta forma podemos deducir la existencia de tres procesos totalmente dependientes: Un flujo de electrones desde sustancias individuales. Un uso de la energía desprendida de ese flujo de electrones que
se utiliza para la translocación de protones en contra de gradiente, por lo que energéticamente estamos hablando de un proceso desfavorable.
Un uso de ese gradiente electroquímico para la formación de ATP mediante un proceso favorable desde un punto de vista energético.
Cadena de transporte de electrones
Cadena de transporte de electrones
Cadena de transporte de electrones
Cadena de transporte de electrones
Cadena de transporte de electrones
Cadena de transporte de electrones
Cadena de transporte de electrones
Rendimiento energético global
NADH = 3 ATP
FADH2 = 2 ATP Glucolisis: ---------------------------- 2 ATP y 2 NADH = 8 ATP
Respiración:
de ácido pirúvico a Acetil CoA ------------ 2 x (1 NADH) = 6 ATP
Ciclo de Krebs --------------------------------- 2 x (1 ATP) = 2 ATP
2 x (3 NADH) = 18 ATP
2 x (1 FADH) = 4 ATP
Total -------------------------------------------------------- 38 ATP
RESUMEN. Producción de ATP En la respiración celular
aeróbica se producen
36 moléculas de ATP a
partir de una molécula
de glucosa, mientras
que en la ruta
anaeróbica sólo se
extraen 2 moléculas de
ATP a partir de una
molécula de glucosa.
