UNIDAD 7

OBJETIVOS:

- Indicar dónde ocurren las reacciones de la respiración celular.

- Resumir el proceso de la glucólisis señalando los principales

reactivos y productos.

- Interpretar el Ciclo de Krebs, los pasos previos a él y el

funcionamiento del sistema de transporte de electrones.

- Comparar la respiración aerobia con la anaerobia en términos de

producción de ATP.

- Indicar cómo se oxidan los productos del metabolismo de ácidos

grasos y aminoácidos.

CONTENIDOS:

- Reacciones redox.

- Glucólisis.

- Formación de acetil CoA.

- Ciclo de Krebs.

- Fosforilación oxidativa.

- Balance energético: total del proceso de respiración celular.

- Fermentación.

- Oxidación de ácidos grasos y aminoácidos.

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INTRODUCCIÓN

La energía lumínica es capturada por las plantas verdes y otros organismos

fotosintéticos, que la transforman en energía química fijada en moléculas como la glucosa (ver Unidad 6, Fotosíntesis). Estas moléculas son luego degradadas dentro de las células, liberando energía química y calor al sistema metabólico. Los procesos metabólicos mediante los cuales los organismos convierten la energía de las moléculas orgánicas en energía utilizable en forma de ATP, son procesos de degradación que integran la vía de la respiración celular.

Casi todas las células pueden metabolizar una gran variedad de moléculas orgánicas para producir ATP. Analizaremos el metabolismo de la molécula de glucosa, ya que casi todos los seres vivos metabolizan glucosa para obtener energía. Además, algunas, células, como las neuronas del cerebro humano, dependen de manera casi exclusiva de la glucosa como fuente de energía.

Respiración Celular y

Respiración Externa

La respiración externa, consiste en un intercambio gaseoso entre el organismo y su medio ambiente; se incorpora oxígeno, que es transportado a las células, y se elimina el dióxido de carbono liberado por ellas. La respiración celular, es una sucesión de reacciones químicas intracelulares, destinadas a degradar moléculas orgánicas, que producen energía e implican,, en general, el consumo de oxígeno.

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El metabolismo de la glucosa es menos complejo que el metabolismo de otras

moléculas orgánicas. Pero, aún cuando las células utilizan otras moléculas orgánicas como fuentes de energía, en general las convierten a glucosa o a otros compuestos que entran en las vías del metabolismo de la glucosa. Metabolismo de la glucosa

Los organismos fotosintéticos almacenan la energía de la luz solar en la glucosa. Luego, durante el desdoblamiento de esa glucosa, la energía se libera y es atrapada

en los enlaces de alta energía de la molécula de ATP. Sin embargo, durante las sucesivas transformaciones energéticas, se produce una

inevitable disipación de energía en forma de calor, tal como se enuncia en la Segunda Ley de la Termodinámica (ver Unidad 3, Energía).

A pesar de esto, las células pueden extraer una gran cantidad de energía útil, en forma de ATP, a partir de la ruptura total de la glucosa en dióxido de carbono y agua.

La ecuación química que describe, en forma general y simplificada, la vía de

degradación de la glucosa, es la siguiente:

6 C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + energía

Respiración celular y Respiración Externa

RESPIRACIÓN EXTERNA

PULMONES

CÉLULAS DEL CUERPO

O2 CO2

RESPIRACIÓN CELULAR

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Qué ocurre cuando, durante la respiración celular, se degrada la glucosa? Este es un proceso de oxido-reducción o redox, al igual que lo es la fotosíntesis (ver Unidad 3,

Acoplamiento energético y Unidad 6, Fotosíntesis). Cuando las moléculas de glucosas se oxidan cuando se degradan, en presencia de 02 , liberando C02., esto es, pierden electrones junto con iones hidrógeno (H+). Mientras tanto, el O2, se reduce a agua cuando los electrones e iones H+ se

le adicionan.

El ambiente y la degradación de nutrientes

El mecanismo de degradación

de nutrientes depende del tipo de célula que lo realice y del ambiente en que el organismo se encuentre. Las células que se encuentran en un ambiente rico en oxígeno se valen de la respiración aeróbica, que requiere de la presencia de oxígeno molecular. Durante este tipo de respiración, los nutrientes se degradan hasta convertirse en dióxido de carbono y agua. Las células no pueden realizar esta transformación mediante una sola

reacción química, ya que ninguna enzima cataliza el ataque directo de las moléculas de oxigeno sobre las de nutrientes.

En los ambientes en los que el oxígeno es escaso (suelos, aguas contaminadas, etc.), se utilizan mecanismos que no requieren de este gas, pero resultan menos eficientes en la obtención de energía. Algunas bacterias usan el mecanismo de respiración anaeróbica, que representa una clara ventaja en ambientes cuya concentración de oxigeno es escasa, como suelos y estanques. En este proceso de degradación se reducen compuestos inorgánicos, como nitratos o sulfatos, en lugar de oxigeno.

Algunos organismos utilizan un tercer mecanismo llamado fermentación, cuyos

productos finales de degradación son sustancias orgánicas y no dióxido de carbono; este proceso rinde muy poca energía, pero es usado por diversos organismos como bacterias, células de músculos de mamíferos sobre-exigidas, glóbulos rojos adultos, etc.

La respiración aeróbica, la anaeróbica y la fermentación son vías metabólicas que

involucran reacciones redox. La fermentación es la única de las vías mencionadas que se lleva a cabo

enteramente en el citoplasma. La respiración anaeróbica involucra pliegues de la membrana

Los organismos que sólo pueden sobrevivir en ambientes que poseen una adecuada proporción. de oxigeno, como la mayoría de las plantas y animales terrestres y acuáticos, realizan la respiración aeróbica y se denominan aeróbicos estrictos.

Las bacterias que no requieren del oxígeno como aceptor final de hidrógeno, son organismos anaeróbicos.

Existen células que, ante la escasez de oxigeno, pueden recurrir a la fermentación, como las levaduras y ciertos músculos de mamíferos; se las conoce como células facultativas.

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plasmática, y la respiración aeróbica requiere de la presencia de las mitocondrias para poder realizarse.

El tamaño, la

estructura, la organización interna y ciertos componentes mitocondriales (una molécula de ADN circular desnudo, ribosomas de 70 S y los pliegues de membrana) proporcionan suficiente evidencia como para suponer que las mitocondrias evolucionaron a partir de procariontes de vida libre, capaces de degradar materia orgánica. Éstos habrían sido incorporadas por células eucariontes, con la que establecieron una relación simbiótica. Esta hipótesis está sustentada, también, por el hecho de que las mitocondrias poseen información para sintetizar la mayoría de sus proteínas, y son capaces de duplicarse en forma similar a la de las bacterias, independientemente de la célula que las contiene. Asimismo, se supone que los cloroplastos han tenido un mecanismo semejante de evolución, a partir de procariontes fotosintéticos primitivos. Las mitocondrias están delimitadas por una membrana externa lisa, cuya estructura responde al modelo del mosaico fluido , separada de una membrana interna por un espacio que mide de 60 a 100 Amgstrons.

Vía probable para la evolución mitocondrial

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Las mitocondrias son organelas presentes en “todas” las células eucariontes. En ellas se lleva a cabo la respiración aeróbica a partir de la degradación de compuestos orgánicos. Por lo tanto aquellas células que tienen un gran requerimiento energético tienen un elevado número de mitocondrias. Poseen una membrana externa y una interna plegada en crestas El espacio interior delimitado por la membrana interna contiene la matriz mitocondrial. En células con alta actividad metabólica, como las células musculares, las crestas ocupan la mayor parte del espacio, disminuyendo el área de la matriz. La matriz mitocondrial contiene las enzimas que catalizan el Ciclo de Krebs. En las crestas se observan, además de citocromos, otras moléculas transportadoras de electrones, y la enzima ATP-sintetasa. Estos constituyentes particulares de la membrana interna de la mitocondria son los responsables de los procesos de la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa que determinan la síntesis de ATP.

membrana externa

cresta

matriz

Esquema de la ultraestructura mitocondrial. Se observa la membrana externa, la interna plegada en crestas y el espacio delimitado por la membrana interna conteniendo la matriz.

espacio intermembrana

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GLUCÓLISIS

La glucólisis o "ruptura de la glucosa" es un proceso universal, es decir ocurre en todos los tipos celulares. Esto hace suponer que es muy antiguo en la evolución, ya que se lleva a cabo en el citoplasma todas las células : procariontes, eucariontes, autótrofas o heterótrofas.

Consiste, básicamente, en la partición de una molécula de glucosa -un compuesto de seis carbonos- en dos moléculas de ácido pirúvico -un compuesto de tres carbonos-. Esta ruptura o degradación de la glucosa implica la liberación de energía química contenida en los enlaces de la molécula.

El proceso completo consiste en la realización de nueve pasos o reacciones catalizadas enzimáticamente y, por lo tanto, sujetas regulación. Se puede decir que esta serie de reacciones se agrupan en dos etapas : la etapa de activación de la glucosa y la etapa de ganancia de energía.

En la primera etapa, se requiere gasto de ATP de la célula para la primera y tercera reacción. Esto permite, a la molécula de glucosa, “activarse”, es decir, ganar dos fosfatos que utilizará para partirse. En la segunda etapa se libera energía suficiente para la formación de cuatro ATP por cada molécula de glucosa, previo “activar” las moléculas de tres carbonos con Pi (fosfato inorgánico, no proveniente de ATP).

Partiendo de una molécula de glucosa, el balance final de la glucólisis es la ganancia neta de dos moléculas de ATP y la formación de dos moléculas de NADH, nucleótido reducido que resulta de la ganancia de dos hidrógenos (reducción) por parte del nucleótido NAD+. Dichos hidrógenos provienen de la ruptura de la glucosa que los libera (oxidación).

carbono

P i

Esquema de las reacciones de la “glucólisis”.

Moléculas del inicio y del fin de la glucólisis.

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En las células, generalmente, la glucosa se encuentra como almidón o glucógeno, según se trate de organismos vegetales o anímales. Por esto, a la ganancia de ATP de la glucólisis debe sumarse la que resulta de la ruptura del polisacárido.

EL CICLO DE KREBS

Ya en el l900 los biólogos sabían que, en presencia de oxígeno, las células producían dióxido de carbono y agua. Luego de conocido experimentalmente este hecho, los esfuerzos se dirigieron a definir los procesos y patrones metabólicos de la oxidación del pirúvico, que se encuentra en su forma iónica o piruvato.

En 1937, el bioquímico Hans Krebs describió el Ciclo del Ácido Cítrico, o Ciclo de los Ácidos Tricarboxílicos, que, en su honor, fue luego llamado Ciclo de Krebs.

Actualmente se sabe que este ciclo es el responsable de la oxidación de las dos terceras partes de los compuestos carbonados (glúcidos y lípidos, por ejemplo) en la mayoría de las células. Sus productos principales son el dióxido de carbono (C02) y las coenzimas reducidas NADH y .FADH2. Posteriormente, a través de la cadena respiratoria, los electrones transportados por estas coenzimas son utilizados para reducir una molécula de oxígeno (que forma agua) y para la producción de ATP.

El ácido pirúvico, producto de la degradación citoplasmática de la glucosa, ingresa a

la matriz mitocondrial donde sufre la pérdida de un átomo de carbono. Esta reacción está catalizada por un complejo enzimático llamado piruvato-deshidrogenasa, que oxida al ácido pirúvico y lo transforma en un compuesto de dos carbonos, el grupo acetilo. Esta reacción de oxidación está acoplada a una reducción de la coenzima NAD (que se transforma en NADH) y la unión del grupo acetilo a una coenzima transportadora, la coenzima A (CoA). De esta forma queda formado un compuesto llamado Acetil-CoA capaz de ingresar al Ciclo de Krebs.

Este mecanismo no es el único capaz de producir Acetil-CoA para el ciclo de Krebs. Los ácidos grasos, que previamente se oxidan en la matriz mitocondrial mediante un proceso llamado beta-oxidación, son convertidos en grupos acetilo que posteriormente se unen a la CoA, formando el complejo Acetil-CoA, ingresando al Ciclo de Krebs para completar su total oxidación.

Los aminoácidos, resultantes de la hidrólisis proteica, también pueden ingresar al Ciclo de Krebs para obtener energía. Existe un proceso común a todos los aminoácidos llamado desaminación, en el que éstos pierden su grupo amino, el que posteriormente es eliminado del organismo por excreción. Para la degradación oxidativa de los veinte aminoácidos diferentes, existen varias vías catabólicas que convergen, finalmente, en

El nexo entre Gucólisis

y Ciclo de Krebs.

1: cada pirúvico pierde un CO2 y pasa a ser ácido acético. 2: se genera NADH por la oxidación del acético, y se le une la coenzima A. 4: se forma Acetil-CoA, que entrará al Ciclo de Krebs.

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algunos puntos terminales: ácido pirúvico, Acetil-CoA o intermediarios del ciclo de Krebs (de acuerdo a la estructura de su grupo R).

El ciclo de Krebs comienza con la unión de grupo Acetil-CoA con un compuesto de cuatro carbonos, el ácido oxalacético. En esta reacción se produce la liberación de la CoA y da como resultado la formación de un ácido con seis átomos de carbono, el ácido cítrico. Luego sucede una serie de reacciones secuenciales, cada una de ellas mediada por una enzima específica, donde los dos átomos de carbono, ingresados al ciclo como grupos acetilo, son eliminados en forma de CO2 y se regenera la molécula inicial de ácido oxalacético.

En una de las reacciones del ciclo se produce una molécula de GTP (guanidín tri-

fosfato), a través de la fosforilación del GDP. Al igual que el ATP, el GTP es un nucleótido portador de enlaces de alta energía. Su función como, intermediario energético, le permite

Ciclo de Krebs

La Acetil-CoA se une al oxalacético que se encuentra en la matriz mitocondrial, y forman el ácido cítrico. Éste pierde un CO2 y un H+ que va al NAD+, conviertiéndode en alfa-cetoglutárico. Éste pierde otro CO2 y otro H+ y da energía para formar un GTP, convirtiéndose en succínico. Ëste pierde dos H+ y forma el málico, que vuelve a perder H+ y regenera el oxalacético, que reinicia el Ciclo.

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tomar energía en reacciones catabólicas, o cederla en reacciones anabólicas. Esta energía almacenada en forma temporaria en estos enlaces podrá ser utilizada, en reacciones

anabólicas, que requieran energía, como por ejemplo en alguno de los pasos de la

biosíntesis de proteínas. Pero el hecho más destacable reside en la reducción de las coenzimas NAD y FAD,

que portarán hidrógenos, como resultado de sucesivas oxidaciones de los compuestos intermediarios del ciclo. CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES Cómo se convierte en ATP la energía contenida en las coenzimas reducidas?

La producción de ATP es el resultado de una serie de reacciones metabólicas que se llevan a cabo en la membrana interna de la mitocondria y que se corresponde con dos procesos íntimamente relacionados: la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa.

La cadena de transporte de electrones está formada por una secuencia de más de 15 moléculas ubicadas en la membrana interna de la mitocondria. Las mismas son capaces de tomar o ceder electrones, reduciéndose y oxidándose alternativamente. Para citar sólo un ejemplo, mencionaremos los citocromos. Hasta el momento se conocen cinco citocromos diferentes que constituyen una familia de proteínas. Todas ellas contienen un anillo hemo, con un átomo de hierro. Este átomo puede cambiar su estado de oxidación, pasando de hierro III a hierro lI, en la medida que tome o ceda un electrón. Cada molécula transportadora en la cadena tiene una afinidad mayor por el electrón que la anterior.

Este hecho posibilita el transporte, en forma de cascada, hacia niveles energéticos menores. De este modo el electrón es transportado, de un aceptor a otro, hasta llegar a su aceptor final que es el oxígeno y presenta la mayor afinidad por éste.

Cadena de transporte de electrones y Fosforilación Oxidativa

Los electrones cedidos por el NADH+H+ son transportados a través del complejo de proteínas de la membrana interna mitocondrial. Los H+ salen al espacio intermembrana y son luego bombeados por la ATP-sintetasa, proporcionando la energía para formar ATP. Los H+ son atraídos por el O2al final de la cadena, formando H2O.

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Recordemos que este oxígeno, aceptor final en la cadena de transporte de electrones, proviene de la atmósfera. Es transportado hasta cada una de las células del organismo, ingresando por difusión simple, a través de la bicapa fosfolipídica, atravesando luego (por el mismo mecanismo de transporte) las membranas mitocondriales.

Cuando se inicia la cadena de transporte de electrones, las coenzimas reducidas NADH+H+ y FADH2 transfieren sus hidrógenos a los aceptores, oxidándose.

A través de diferentes experiencias se llegó a- identificar los tres mayores complejos enzimáticos en la cadena respiratoria. La coenzima NADH+H+ (reducida) deja sus electrones en un complejo llamado NADH-deshidrogenasa, formado por doce cadenas polipeptídicas, capaces de aceptar electrones y transferirlos al siguiente aceptor, la ubiquinona. Esta enzima es una pequeña molécula liposoluble que cede el electrón a un segundo gran complejo enzimático, el B-CI. Este último transfiere el electrón al citocromo C, proteína periférica de membrana. Por último, el electrón pasa a un tercer complejo enzimático llamado citocromo oxidasa y llega al oxígeno, que queda cargado negativamente y de esta forma puede recibir los hidrógenos para formar agua.

Es necesario destacar la separación de los átomos de hidrógeno (provenientes del NADH+H+ y del FADH2 ) en protones y electrones. Como se describió anteriormente, los electrones pasan a través de una serie de transportadores hasta llegar al oxigeno, mientras los protones atraviesan la membrana mitocondrial interna y son retenidos en el espacio intermembrana, que separa las membranas interna y externa de la mitocondria. Esta separación del hidrógeno en protones y electrones y la acumulación de los protones en el espacio intermembrana trae como consecuencias:

� la generación de un gradiente de concentración de protones que produce un pH

diferente, significativamente menor que en el resto de la célula (más ácido).

� un potencial de membrana, gradiente electroquímico o energía potencial, capaz de ser utilizado en la fosforilación del ADP para obtener ATP. Este gradiente puede ser medido en milivoltios.

Algunos venenos, como el cianuro y el monóxido de carbono, se asocian al complejo de

la citocromo oxidasa, impidiendo el pasaje de electrones hasta el oxígeno. El resultado es el bloqueo de la cadena respiratoria y el consiguiente desacople de la fosforilación oxidativa, impidiendo la producción de ATP. FOSFRILACIÓN OXIDATIVA

Entre las proteínas de la membrana de las crestas mitocondriales, se encuentra una enzima que cataliza la síntesis de ATP. Esta enzima, llamada ATP-sintetasa, es un complejo proteico que permite el pasaje de protones desde el espacio intermembrana hacia la matriz mitocondrial. Como una turbina hidroeléctrica, que convierte la energía potencial del agua contenida en una represa en energía eléctrica, la ATP-sintetasa convierte la energía del gradiente electroquímico producido por la concentración de protones, en energía química, contenida en el ATP. A este proceso se lo denomina fosforilación oxidativa..

La ATP-sintetasa es una enzima compleja, formada por aproximadamente nueve cadenas polipeptídicas diferentes, conocidas como F0 F1 ATPasa. Cinco de estos polipéptidos forman una cabeza esférica, llamada F1 ATPasa. El resto de las cadenas pólipeptidicas, Fo ATPasa, se encuentran íntimamente asociadas a la membrana. Ambos complejos forman un canal que permite el pasaje de protones desde el espacio intermembrana hacia la matriz de la mitocondria.

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Para explicar la formación de ATP o fosforilación oxidativa, J. Mitchell ha propuesto la Hipótesis Quimiosmótica, que postula que el pasaje de electrones es el responsable de la conversión del gradiente electroquímico en la energía química necesaria para sintetizar ATP (ver Unidad 6, El fotosistema II genera ATP ). Los protones que se encuentran en este momento en la matriz de la mitocondria, se combinan con el oxígeno (último aceptor de la cadena de transporte de electrones) y forman agua. La Hipótesis Quimiosmótica se sustenta en los siguientes fundamentos:

� La cadena respiratoria, en la membrana interna de la mitocondria, transporta electrones, bombeando al mismo tiempo protones desde la matriz hacia el espacia intermembrana.

� El complejo enzimático ATP-sintetasa transporta protones a través de la membrana

interna, funcionando en forma reversible: puede utilizar la energía de la hidrólisis de ATP para bombear protones, o bien, si existe un gradiente de protones lo suficientemente grande, los protones fluyen a través de este complejo, produciendo la síntesis de ATP.

� La membrana mitocondrial interna es impermeable a la mayoría de los aniones y

cationes, especialmente H+ y OH-. � La membrana mitocondrial interna posee una serie de proteínas transportadoras

específicas que permiten el ingreso y salida de metabolitos esenciales.

membrana interna mitocondrial

F 1

F 0

H+ Esquema de la estructura de la ATPasa

H+

matriz mitocondrial

espacio intermembrana

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Como se menciona en uno de los postulados de la Teoría Quimiosmótica, la membrana

interna de la mitocondria es prácticamente impermeable. Existe una serie de proteínas transportadoras que forman parte de su estructura y, en algunos casos, transportan activamente moléculas específicas en contra de sus gradientes electroquímicos. Por ejemplo, el ADP y el Pi, sustratos fundamentales para la síntesis de ATP, que se transportan hacia la matriz mitocondrial.

Se ha comprobado que por cada

molécula de ADP que ingresa a la matriz se consume una molécula de ATP. Del mismo modo, existen sistemas acoplados que ingresan protones. El transporte de piruvato hacia la matriz mitocondrial también está asociado al ingreso de protones.

A través de estas evidencias puede explicarse el carácter bidireccional de la ATP -sintetasa. Este complejo enzimático es capaz de hidrolizar ATP provocando un transporte de H+ hacia el espacio intermembrana, induciendo de esta forma, un elevado gradiente electroquímico. Por otra parte, cuando este gradiente llega al nivel necesario, se produce un pasaje de H+ hacia la matriz de la mitocondria que genera la suficiente energía para sintetizar ATP.

Otra molécula que no puede atravesar la membrana mitocondrial interna es el NADH+H+. La glucólisis produce NADH+H+ que, para volver a su estado oxidado, deben transferir sus protones y electrones ingresando a la mitocondria. Esta coenzima, de grandes dimensiones, no cuenta con transportadores específicos en la membrana interna. En lugar de ello, presenta una forma particular de ingreso en la que actúan los mismos intermediarios del Ciclo de Krebs. Así, el oxalacetato toma los protones del NADH, oxidándolo a NAD+ y convirtiéndose en malato, capaz de atravesar la membrana. En la matriz, el malato se reoxida a oxalacetato, reduciendo, en una reacción acoplada, una molécula de NAD+ a NADH+H+ para ingresar a la cadena de transporte de electrones. El oxalacetato puede salir nuevamente de la matriz hacia el citoplasma, previa conversión en aspartato. Por el contrario, la membrana externa mitocondrial es permeable a todos los compuestos.

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EFICIENCIA DE LA RESPIRACION CELULAR

Cada par de electrones cedidos por el NADH+H+ provee la energía necesaria para formar tres moléculas de ATP. El FADH2 rinde una cantidad menor de energía, ya que genera dos moléculas de ATP. Teniendo en. cuenta que todos los NADH+H+ y los FADH2 producidos en la oxidación total de una molécula de glucosa ingresan a la cadena de transporte de electrones, el rendimiento energético de la respiración celular aeróbica podría resumirse de la siguiente manera:

PROCESO RENDIMIENTO ENERGÉTICO

COENZIMA REDUCIDA

CANTIDAD TOTAL DE ATP

Glucólisis 2 ATP 2 NADH+H+ 8 ATP

Decarboxilación oxidativa - - - 2 NADH+H+ 6 ATP

Ciclo de Krebs

2 GTP

6 NADH+H+ 2 FADH2

18 ATP 4 ATP 2 GTP (ATP)

Total de ATP producido 38 ATP

A través de cálculos teóricos, se estableció que la oxidación total de la glucosa produce 686 Kcal. En la oxidación celular por vía aeróbica se producen 38 ATP, lo que equivale a 380 Kcal. El resto se disipa en forma de calor. Esto indica que la eficiencia del proceso celular es de un 55% aproximadamente. Si se compara con el rendimiento de cualquier maquinaria fabricada por el ser humano (eléctrica o con otros tipos de combustible), que posee una eficiencia del 10 al 20%, es fácil comprender el alto grado de eficacia de este proceso. Mientras que en las oxidaciones “no biológicas” gran parte de la energía se transforma en calor u otras formas no útiles de energía, en las células, los mecanismos oxidativos se realizan a través de conversiones graduales, involucrando gran cantidad de intermediarios. Esto permite almacenar diminutas porciones de energía y, a través de reacciones acopladas, gran parte de la energía contenida en los combustibles orgánicos. VÍAS ANAERÓBICAS

Como se expresó anteriormente, las células utilizan diferentes vías para obtener energía a partir de la degradación de nutrientes. Pueden realizar respiración aeróbica, respiración anaeróbica y fermentación. En todos estos procesos se oxida glucosa, ácidos grasos y otros compuestos orgánicos, cuyos electrones, de alto contenido energético, se transfieren a la coenzima NAD+, que se reduce hasta convertirse en NADH+H+. Lo que ocurre con estos electrones difiere de una vía a otra.

En la respiración aeróbica, los electrones liberados por las moléculas de nutrientes son aceptados finalmente por oxígeno molecular. Durante la respiración anaeróbica, los electrones reducen compuestos, inorgánicos como el nitrato o el sulfato. En la fermentación, el aceptor final de electrones no es un compuesto inorgánico como en la respiración anaeróbica, sino que se trata de sustancias orgánicas que, tras la adición de dichos electrones, formarán etanol o ácido láctico. Hay, por lo tanto, fermentación alcohólica y fermentación láctica.

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Tanto la respiración anaeróbica como la fermentación, dependen de las reacciones de la glucólisis y no requieren de la presencia de oxígeno. Estos mecanismos son utilizados, generalmente, por células que no poseen mitocondrias, como las procariontes o los glóbulos rojos maduros de los mamíferos.

Por otra parte, protistas eucariontes como las levaduras, pueden realizar tanto la respiración aeróbica como la fermentación alcohólica, según la disponibilidad de oxigeno (organismos facultativos). Algunos hongos y células musculares de vertebrados respiran aeróbicamente y, en caso de demanda extrema de energía y escasa disponibilidad de oxígeno, recurren a la fermentación láctica. El metabolismo fermentativo es menos eficiente que el aeróbico debido a que las moléculas combustibles se oxidan en forma parcial, es decir, no se degradan totalmente.

Cuando se priva de oxígeno a organismos facultativos como las levaduras, éstas

realizan, tras la glucólisis, una reacción por la cual se desprende una molécula de C02 de la del piruvato, formándose acetaldehído. Este es e1 compuesto que acepta los electrones que transporta el NADH formado durante la glucólisis, y se transforma en alcohol etílico o etanol. La coenzima se oxida a NAD+, que puede reutilizarse en la degradación de mas glucosa. El rendimiento neto de este proceso es de 2 ATP, que se obtuvieron durante la glucólisis. La formación de etanol no aporta energía sino que tiene 1a finalidad de reoxida coenzima para que pueda volver a utilizarse

Estas reacciones anaeróbicas son la base de la producción de la cerveza, vino y otras bebidas alcohólicas. Las levaduras son usadas también en la industria panadera, ya que producen CO2 gaseoso que provoca el aumento de volumen de la masa .

Ciertas bacterias, hongos y otras células llevan a cabo la fermentación láctica, que

consiste en la transformación de piruvato en lactato (forma iónica del ácido láctico) por la adición de dos hidrógenos que le transfiere el NADH+H+ formado durante la glucólisis.

Reactivo y productos de la Fermentación Alcohólica. En algunos organismos, el piruvato se transforma en acetaldehído y luego en etanol, en ausencia de oxígeno.

ácido pirúvico (proveniente de la

glucólisis)

acetaldehído etanol

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Este proceso es utilizado para la fabricación de yoghurt y otros productos lácteos similares, ya que lo realizan bacterias que degradan la glucosa presente en la leche. Ocurre, también, en células musculares sometidas a gran actividad, lo que ocasiona que el oxígeno que llega a ellas sea insuficiente para mantener la alta tasa de oxidación de combustibles requerida. El lactato que se forma comienza a acumularse y, si la situación persiste, el músculo no lo alcanza a degradar lo suficientemente rápido produciendo la fatiga muscular que provoca el calambre.

La menor eficiencia energética de la fermentación ocasiona la necesidad de una gran cantidad de combustible, por lo que las células deben degradar rápidamente muchas moléculas del mismo a fin de compensar la poca cantidad de energía obtenida en el proceso. Para realizar el mismo trabajo que una célula aeróbica, la célula que utiliza la fermentación necesita veinte veces la cantidad de glucosa que usa aquélla. Es por ello . que las células musculares, que metabolizan por medios fermentativos durante períodos cortos, deben almacenar grandes cantidades de glucosa en forma de glucógeno. NUDO METABÓLICO

Si bien en la escala zoológica existen numerosas variantes con respecto a los mecanismos de digestión y absorción de nutrientes, nos limitaremos, en la siguiente descripción, a los vertebrados.

Tras la ingestión, se produce, por hidrólisis enzimática, la ruptura de macromoléculas, liberándose los elementos estructurales que la componen. Este proceso se llama digestión extracelular y se realiza en el tubo digestivo. De esta forma, los polisacáridos se degradan a monosacáridos; las proteínas a aminoácidos; los lípidos a ácidos grasos y glicerol, y los ácidos nucleicos a nucleótidos. Estos productos intermedios llegan, a través de la circulación sanguínea, a las células. Allí serán convertidas en otros productos, o bien, continuarán su degradación para obtener energía química.

Los monosacáridos seguirán su vía catabólica hasta la producción de CO2, H2O y liberación de ATP (Ciclo de Krebs, cadena respiratoria y fosforilación oxidativa). Cuando la célula tiene exceso de ATP, la glucosa puede seguir distintas rutas metabólicas. Puede, a través de una vía anabólica, transformarse en glucógeno (polisacárido de reserva

ácido pirúvico (de la glucólisis)

ácido láctico

Reactivo y productos de

la Fermentación Láctica En algunos organismos, el piruvato se transforma en ácido láctico, en ausencia de oxígeno.

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energética en tejido hepático y muscular), es decir, se produce la glucogenogénesis. En los vegetales, la vía anabólica equivalente determina la formación de almidón. Otra vía catabólica de la glucosa, consiste en generar, a través del ciclo de las pentosas NADPH v pentosas, que se usarán en la síntesis de ácidos nucleicos.

Si disminuye el nivel de glucosa en sangre, el glucógeno se transforma nuevamente

en glucosa para mantener el equilibrio, proceso conocido como glucogenolisis {ruta catabólica del glucógeno). Cuando se agota el glucógeno, la célula puede obtener glucosa a partir de otras sustancias como el ácido láctico proveniente del metabolismo fermentativo muscular. Este proceso se llama gluconeogénesis.

Esquema del Ciclo de Krebs como Nudo Metabólico

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Como se indicó anteriormente, los ácidos grasos también pueden entrar al Ciclo de Krebs luego del proceso catalítico de la beta-oxidación, para dar como productos finales C02, H20 y ATP. Otra posibilidad consiste en la combinación de estos ácidos para formar triglicéridos y acumularse en el tejido adiposo como reserva energética.

Algunos aminoácidos se usan, normalmente, para sintetizar proteínas, mientras que otros pierden el grupo amino (desaminación) y se transforman en una molécula hidrocárbonada a partir de la cual puede obtenerse energía, vía Ciclo de Krebs, o glucosa vía gluconeogénesis. Sólo cuando se han agotado las reservas de energía acumuladas como glucógeno o triglicéridos el organismo recurre a la degradación de proteínas para obtener energía. Dado que todos los procesos mencionados involucran tanto vías anabólicas. Como catabólicas y tienen en común la formación o degradación de Acetil-CoA, se atribuye al Ciclo de Krebs el carácter de “vía anfibólica”. Esto significa que el mismo puede funcionar como vía catabólica dando como productos agua, dióxido de carbono y ATP o como vía anabólica produciendo Acetil-CoA, molécula precursora de glúcidos, lípidos o aminoácidos. El funcionamiento en uno u otro sentido dependerá del estado energético de la célula.

De este modo el Ciclo de Krebs actúa como un verdadero nudo en el cual convergen

todas las vías metabólicas.

Cuando hay un exceso de ATP producido por una disminución en su consumo, la cadena de transporte de electrones se satura, impidiendo la reoxidación de coenzimas. Estas se acumulan provocando el mensaje químico necesario para que el Ciclo de Krebs actúe en reversa y promueva la formación de moléculas orgánicas complejas utilizando la energía del ATP producido y el poder reductor de las coenzimas acumuladas. Cuando se consume el exceso de ATP, se activan las vías catabólicas, que restablecen el equilibrio.

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Integrando . . .

Las reacciones generales de la formación de la glucosa en la fotosíntesis, a partir de

CO2 y H2O, y las reacciones de la degradación completa de la glucosa a C02 y H2O, en la glucólisis y respiración aeróbica, integran procesos que, en la naturaleza, son complementarios.

Es importante destacar que, el 02 liberado a la atmósfera como subproducto de la

fotosíntesis, es utilizado por todos los seres vivos aeróbicos para el proceso de respiración y, el C02 liberado por ésta a la atmósfera, tanto por autótrofos como por heterótrofos, es el utilizado por los productores para fotosintetizar.

LUZ

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Fundamente las siguientes afirmaciones:

a) Si se bloquea la cadena de transporte de electrones no se producirá ATP b) Si se bloquea el ingreso de oxígeno a la mitocondria no se producirá ATP c) El acoplamiento de la cadena de transporte de electrones y la fosforilación

oxidativa garantizan la reoxidación de las coenzimas y la producción de ATP. d) Si se marca un átomo de carbono perteneciente a una molécula de glucosa

éste podría encontrarse en una molécula de ácido graso. 2. Señale en el siguiente esquema la dirección del flujo de protones y explique . . . . . . brevemente las transformaciones energéticas que ocurren hasta la formación del ATP

3. Explique por qué una célula muscular humana es capaz de producir ATP en condiciones anaeróbicas.

4. Cuál es la ventaja adaptativa que presentan los glóbulos rojos humanos al realizar fermentación láctica?

5. Discuta la siguiente afirmación: “Los organismos facultativos pueden sobrevivir en ambientes aeróbicos o anaeróbicos”.

6. Relaciones los siguientes conceptos en un párrafo, en una secuencia ordenada:

Glucólisis – Cadena Respiratoria – Ciclo de Krebs – FADH2 – Fosforilación oxidativa – Acetil-CoA

7. Complete el siguiente cuadro:

RESPIRACION AEROBICA FERMENTACION Utilización de O2 ATP por cada Glucosa Localización Celular

8. Indique V o F y fundamente su respuesta:

“En las mitocondrias, solo se obtiene ATP a partir de la oxidación de hidratos de Carbono”

PROBLEMAS de APLICACIÓN

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PROBLEMAS DE INTEGRACIÓN FOTOSÍNTESIS-RESPIRACIÓN

1. En el siguiente dispositivo, se alimenta al sapo con alimento balanceado que contiene carbono marcado. Explique las posibles vías metabólicas que siguió el carbono hasta para ser localizado luego en el almidón de las hojas del vegetal.

2. Complete el siguiente esquema indicando las vías metabólicas correspondientes y el ciclo del CO2 y el O2.

3. Explique la dependencia que existe entre la fotosíntesis y respiración a través de los reactivos y productos de ambos procesos.

4. La fosforilación oxidativa en mitocondrias y cloroplastos es un proceso

quimiosmótico. Establezca semejanzas y diferencias entre ambos.

FOTOSINTESIS RESPIRACIÓN Energía lumínica

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1. La membrana externa de la mitocondria: a. es más selectiva que la interna b. es menos selectiva que la interna c. es donde se localizan las proteínas de

la cadena de transporte de electrones d. presenta pliegues que aumentan la

superficie de intercambio 2. ¿Cuál de las siguientes series de moléculas es común a los procesos de respiración aeróbica y a la fermentación? a. Glucosa, NADP+ , ATP y ác. pirúvico. b. Glucosa, NAD+, ATP y ác. pirúvico. c. Glucosa, NAD+, GTP y etanol. d. Glucosa, ác. pirúvico, ATP y ác.

láctico. 3. En un organismo de respiración aeróbica, el oxígeno proveniente del aire puede encontrarse en: a. el dióxido de carbono liberado en el

ciclo de Krebs. b. las moléculas de glucosa formadas en

el ciclo de Calvin. c. el ATP generado en la fosforilación

oxidativa. d. en las moléculas de agua generadas en la cadena respiratoria. 4. Si se cultivan células animales facultativas con ácido pirúvico que posee carbono radioactivo, en un medio carente de oxígeno, la radiactividad se detectará posteriormente en: a. la acetil- CoA b. el CO2 c. el ácido láctico d. el ácido cítrico 5. En cuál de los siguientes procesos ocurre reducción de FAD+? a. la glucólisis. b. el Ciclo de Krebs. c. la cadena respiratoria. d. la formación del piruvato.

6. La mitocondria es: a. una organela del sistema vacuolar

citoplasmático en la que se realiza la fotosíntesis.

b. una bacteria fotosintética que vive en simbiosis con la célula.

c. una organela que realiza procesos catabólicos produciendo oxígeno.

d. una organela que posee ADN circular y ribosomas.

7. Señale la opción correcta con respecto a la fermentación: a. permite oxidar nuevamente el NADH2 b. permite obtener la misma ganancia

energética que la respiración. c. es un proceso en que se degrada

totalmente a la glucosa. d. es un proceso que sólo ocurre en

procariontes. 8. El bombeo de H+ en la membrana de las crestas mitcondriales: a. se produce con H+ provenientes del NADPH b. genera ATP por oxidación de ADP + P c. se detendrá en ausencia de un aceptor final de electrones d. genera ADP + P por reducción del ATP 9. El Ciclo de Krebs: a. genera coenzimas reducidas potencialmente energéticas b. se inicia en la matriz mitocondrial a partir de la glucosa c. se inicia en el citoplasma a partir de la glucosa d. genera GDP + P a partir de GTP 10. La vía de la glucólisis: a. genera 38 ATP por cada glucosa b. es una vía catabólica oxidativa c. ocurre sólo en células con mitocondrias d. no requiere de ATP por ser catabólica

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