Respiración Celular

Organización estructural de la mitocondria

FOTOSÍNTESIS provee los carbohidratos necesarios para las plantas y los organismos de las cadenas alimenticias siguientes

La GLICÓLISIS y la RESPIRACIÓN CELULAR son los procesos por los cuales la energía contenida en los carbohidratos es liberada de manera controlada. Durante la respiración la energía libre que se libera es incorporada en la molécula de ATP, que puede ser inmediatamente reutilizado en el mantenimiento y desarrollo del organismo.

Desde el punto de vista químico, la respiración se expresa como la oxidación de la glucosa

C6H12O6  +  6 O2  + 6 H2O   6 CO2  +  12 H2O

El cambio de energía libre es de 686 kcal por mol (180 g de glucosa). A fin de evitar el daño celular (la incineración por la cantidad de calor generado), la energía es liberada en varios pasos

glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ 2 piruvatos + 2 ATP + 2 (NADH + H+)

Balance neto

Los dos NADH + H+  pasan a la cadena de transporte de electrones en ambiente aerobio y pueden dar más ATP, recuperándose el NAD+ en su forma oxidada.

Polisacáridos Disacáridos Monosacáridos

Dextrinas Maltotriosa Maltosa Lactosa Sacarosa

Intestino delgado

-dextrinasa -glucosidasa Lactasa Sacarasa

Almidón(Saliva y jugo pancreático)

-amilasa

Absorción glucosa galactosa fructosa manosa intestinal

ENTRADA DE MANOSA

D-Manosa

ATPHexoquinasa

Manosa-6P

Fructosa-6P

ADP

Fosfomanosaisomerasa

ENTRADA DE GALACTOSA

Galactosa

Glucosa-6P

Fosfoglucomutasa

Galactosa-1P

UDP-glu gal-1P uridiltransferasa

Glucosa-1P

UDP-Glucosa

UDP-Galactosa

UDP

UDP-Glucosa

UDP-galactosa4-epimerasa

UDP Glucosapirofosforilasa

UDP

Galactosaquinasa

ATP ADP

PPi

ENTRADA DE FRUCTOSA

D-Fructosa

ATPHexoquinasa

ADP

En músculo y riñón

Fructosa-6P

D-Fructosa

Fructosa-1P

Fructosa-1Paldolasa

En hígado

Gliceraldehído

Fructoquinasa

ATP ADP

Dihidroxiacetona-3P

ATPTriosa

quinasa ADP

Triosa-P isomerasa

Gliceraldehído-3P

Regulación de la vía glicoliticaLa vía glicolítica está regulada por:

1) Hexoquinasa2) Fosfofructoquinasa (el punto más importante,

enzima limitante de la velocidad)3) Piruvato quinasa

El mecanismo de regulación consiste en:

• interacciones alostéricas de ciertos compuestos que actúan como moduladores sobre las quinasa (regulación alostérica).

• mecanismo covalente: si se fosforila se activa y si se defosforila se inactiva

• Retroalimentación negativa

FosfofructoquinasaFosfofructoquinasaInh: ATP, citrato, pH Inh: ATP, citrato, pH Act: AMP, Fru 2,6 Act: AMP, Fru 2,6 BiPBiP

HexoquinasaHexoquinasaInh: G6PInh: G6P

Piruvato quinasaPiruvato quinasaInh: ATP, alaninaInh: ATP, alaninaAct: Fru1,6 BiPAct: Fru1,6 BiP

Regulación de la hexoquinasaHexoquinasa: enzima inhibida por su producto (G-6-P).

Niveles altos de G-6-P activan a la enzima glucógeno sintetasa.

Activada por PiMecanismo covalente: si se fosforila se activa y si se defosforila se inactiva

HexoquinasaInh: G6P

HEXOQUINASA es una enzima alostérica, presente en todos los tejidos (fosforila D-glucosa, D-manosa y D-fructosa)

-Inhibida por G6P (Retroalimentación negativa)-Activada covalentemente por Pi-Km 0,1 mM (Alta afinidad)

- la actividad de esta enzima depende de las concentraciones relativas de glucosa y glucosa 6 P, ya que al aumentar la glucosa en sangre, la actividad de esta enzima se incrementa, por lo que la velocidad de la glucólisis aumenta proporcionalmente.

-al disminuir los niveles de glucosa y al aumentar los niveles de glucosa 6P, la actividad disminuye debido a la escases de sustrato y aumento de producto. Éste último (glucosa 6P) es un modulador alostérico negativo de la hexoquinasa.

GLUCOQUINASA no es una enzima alostérica y se localiza en el hígado y páncreas (sólo fosforila D-glucosa)

-No es regulada- Km 10 mM (Baja afinidad)

- cuando la concentración de glucosa es alta, esta enzima continua fosforilando glucosa, la cual puede ser usada para la síntesis de glucógeno en el hígado (no es inhibida por el producto Glucosa 6P).

-si esta enzima tuviera un bajo Km (alta afinidad), continuaría convirtiendo glucosa a glucosa 6P en el hígado, haciendo que la glucosa no estuviera disponible para otros órganos (recuerde que después de las comidas, la glucosa llega primero al hígado antes que a los otros órganos, a través del sistema porta.)

Las hexosas se fosforilan y de esa manera quedan “atrapadas” en la célula.

Nivel elevado de AMP: carga energética baja, necesidad de síntesis de ATP GLICÓLISIS

Nivel bajo de AMP/citrato: carga energética alta, desconexión de la glicólisis GLUCONEOGÉNESIS

Ambas enzimas son reguladas en el hígado por la molécula señal fructosa-2,6-bifosfato:- activador alostérico de la fosfofructoquinasa (junto con AMP)- inhibidor alostérico de fructosa-1,6-bifosfatasa

-Una concentración alta de fructosa-2,6-bifosfato estimula la glicólisis-Una concentración baja de fructosa-2,6-bifosfato estimula la gluconeogénesis

En ayuno, se activa la gluconeogénesis en hígado para suministrar los niveles de glucosa en sangre necesarios para el cerebro y músculo

Regulación de la conversión fructosa-6-fosfato/ fructosa-1,6-bifosfato

La concentración de fructosa-2,6-bifosfato en la célula depende del balance entre:

-su síntesis (catalizada por la enzima fosfofructoquinasa2 (PFK2))-Su degradación (catalizada por la enzima fructosa bifosfatasa2 FBPasa2)

OH

PFK2(activa)

FBPasa(inactiva)

O-P-O -

FBPasa(activa)

PFK2(inactiva)

O

O-

fructosa-2,6-bifosfato

Activa la glicólisisInhibe la gluconeogénesis

fructosa-2,6-bifosfato

Activa la gluconeogénesisInhibe la glicólisis

ATP ADP

Proteína kinasa dependiente de

AMPc

Las dos actividades enzimáticas forman parte de una enzima bifuncional y están controladas por:fosforilación/defosforilación

Fructosa-6-fosfato

Fructosa-2,6-bifosfato

ATP

ADP

Pi

PFK2 FBPasa

Ciclo fútilo

Ciclo de sustrato

Carga energética alta o niveles de precursores de glucosa altos

GLICÓLISIS

GLUCONEOGÉNESIS

Regulación de la conversión fosfoenolpiruvato/piruvato

Piruvato quinasaInh: ATP, alaninaAct: Fru1,6 BiP

El término fermentación, en su acepción estricta, se refiere a la obtención de energía en ausencia de oxígeno y generalmente lleva agregado el nombre del producto final de la reacción

Fermentación

Producto Final Fermentación

Alcohol ALCOHÓLICA

Lactato LÁCTICA

Se requiere NADH, el que es aportado por la glicólisis.

Se lo encuentra en levaduras , otros hongos y algunas bacterias. La fermentación alcohólica es la base de las siguientes aplicaciones en la alimentación humana: pan, cerveza, vino y otras.

Fermentación alcohólica

Piruvato descarboxilasa

alcohol deshidrogenasa

Louis Pasteur

El Efecto Pasteur                                             El efecto Pasteur se produce en microorganismos capaces de realizar metabolismo fermentador y respiración aerobia (anaerobios facultativos).

-En presencia de O2 utilizan la respiración aeróbica, pero pueden emplear la fermentación si no hay O2 libre en su medio ambiente.

-Pasteur fue el primero en observar que el azúcar es convertido en alcohol y CO2 por levaduras en ausencia de aire, y que en presencia de aire se forma muy poco o nada de alcohol, siendo el CO2 el principal producto final de esta reacción aeróbica.

-Este efecto indica el mayor rendimiento energético de la respiración sobre la fermentación.

Lactato deshidrogenasa

Se produce en muchas bacterias (bacterias lácticas), también en algunos protozoos y en el músculo esquelético humano. Es responsable de la producción de productos lácteos acidificados ---> yoghurt, quesos, cuajada, crema ácida, etc. El ácido láctico tiene excelentes propiedades conservantes de los alimentos.

Fermentación LÁCTICA

Ciclo de Krebs

Es el lazo entre la glucólisis y la respiración celular Es un complejo de reacciones catalizado por un sistema de enzimas localizado en la membrana mitocondrial interna.

El piruvato difunde hasta la matriz de la mitocondria, cruzando ambas membranas.

Cada ác. pirúvico reacciona con la coenzima-A, desdoblándose en CO2 y un grupo acetilo de dos carbonos que se une inmediatamente a la  coenzima-A formando acetil coenzima-A (acetilCoA) que entrará al ciclo de los ác. tricarboxílicos.  En esta reacción se forma un NADH2

La Acetil-CoA puede también producirse a partir de lípidos ( por oxidación) o del metabolismo de ciertos aminoácidos.

Piruvato deshidrogenas

a

Etapas

Isomerización del citrato a isocitrato (6-C, tres grupos ácidos )

Oxidación -------> alfa-cetoglutárico (5-C) + CO2 + NADH2

Oxidación -------> succinil-CoA (4-C) + CO2 + NADH2

Fosforilación a nivel de sustrato succinil-CoA (4-C) + GDP -------> succinato (4-C) + GTP (Note: GTP con ADP se puede interconvertir en ATP)

La oxidación -------> fumarato (4-C) + FADH2 convierte el fumarato en malato, una nueva oxidación -------> oxalacetato (4-C) + NADH

Balance de un ciclo

Acetil-CoA (2-C) + 3 NAD+ + FAD -------> 2 CO2 + 3NADH2 + FADH2 + ATP

Ciclo de Krebs o de los ácidos tricarboxílicos

REGULACIÓN DEL CICLO DE KREBSEnzimas

-Reguladas por unión alostérica del ATP-Reguladas por retroalimentación negativa

ATP: producto de la vía e indicador del nivel energético de la célula.Piruvato DeshidrogenasaCitrato sintasaIsocitrato deshidrogenasa

-cetoglutarato deshidrogenasa

Retroalimentación negativa (cuando el nivel de poder reductor en la célula es elevado, el NADH actúa como inhibidor competitivo las enzimas que utilizan NAD+ como 2do sustrato)

Piruvato deshidrogenasa Citrato sintasaIsocitrato deshidrogenasa-cetoglutarato deshidrogenasa

Disponibilidad de sustrato

La producción de intermediarios en la glicólisis y el ciclo de Krebs sirven a la síntesis de numerosas moléculas

Cadena Respiratoria y Fosforilación

Oxidativa

• Productos liberados en el ciclo de Krebs y que entran luego a la cadena respiratoria son:

Por cada acetil-CoA que ingresa, se forman

•3 NADH *•1 FADH2 *

* Ambas moléculas participan en la transferencia de 2 electrones

Complejos de la cadena de transporteelectrónico mitocondrial

• Los transportadores de electrones se asocian a proteínas formando 4 complejos multienzimáticos embebidos en la membrana interna mitocondrial.

Complejo INADH-ubiquinona oxido reductasa

Complejo IISuccinatodeshidrogenasa Complejo III

Ubiquinona - cit c oxido reductasa

Complejo IVCitocromo oxidasa

Complejo INADH-ubiquinona oxido reductasa

Complejo IISuccinatodeshidrogenasa

Complejo IIIUbiquinona - cit c oxido reductasa

Complejo IVCitocromo oxidasa

• Transportadores de electrones propios de la cadena respiratoria:

• Flavinas Implicadas en transferencias

• Quinonas de 1 ó 2 electrones.

• Complejos hierro azufre Implicados en• Grupos hemo transferencia

de• Iones cobre 1 solo electrón.

La cantidad de ATP generado es distinta si los electrones ingresen por el Complejo I o II

Por cada fosfato que se une al ADP para dar ATP se requiere energía que liberan los electrones, que son aceptados finalmente por el ½ O2 con la consecuente formación de H2O. · Los electrones desde el NADH al O2 liberan energía suficiente para generar 3 ATP

Los electrones desde el FADH al O2 liberan energía suficiente para generar 2 ATP

En resumen: el resultado neto es que por cada NADH es posible generar 3 ATP, mientras que por cada FADH2 es posible generar 2 ATP.

Balance para una molécula de glucosa que se convierte en 2 piruvatos, luego en 2 Acetil-CoA y luego a CO2 en la vía el ciclo de los ácidos tricarboxílicos , con todo el NADH y el FADH convertidos en ATP por la respiración:

1 glucosa + 38 ADP + 38 Pi -------> 6 CO2 + 38 ATP

2 de los NADH son formados en el citoplasma durante la glicólisis. Estos NADH son transportados a la matriz mitocondrial y posteriormente oxidados por la cadena transportadora de electrones, pero * deben pasar por medio de transporte activo al interior de la mitocondria. Esto "cuesta" 1 ATP por NADH. * ingresan en el segundo complejo respiratorio Complejo II: succinato deshidrogenasa

Por lo tanto el balance final resulta en 36 ATP por glucosa y no 38 ATP.

Los inhibidores de la cadena respiratoria impiden el pasaje de electrones

Las moléculas que actúan como inhibidores impiden el flujo de e- entre los transportadores, y por lo tanto la síntesis de ATP. Estas moléculas pueden actuar como venenos.· El Amital (un barbitúrico) o la Rotenona (un insecticida) bloquean el flujo de e- desde el NADH a la CoQ, mientras la Antimicina (un antibiótico) lo hace entre CoQ y Cit b, y el cianuro, la azida y el monóxido de carbono actúan sobre la citocromo oxidasa.

La aplicación de estos inhibidores bloquea el pasaje de e- por la cadena respiratoria. De esta, forma “por detrás” del punto de inhibición los transportadores quedan reducidos..

Como consecuencia de esto no se produce ATP porque no se genera el gradiente protónico, ni agua porque los e- no llegan a reducir al O2: la cadena está interrumpida.

Los desacopladotes de la cadena respiratoria no impiden el pasaje de electrones

El Dinitrofenol (DNP) y la termogenina, entre otras moléculas, pueden actuar como desacopladores, es decir desacoplan el transporte de e- de la síntesis de ATP.

Los desacopladores disminuyen la generación del gradiente de H+ porque permiten que los H+ difundan desde el espacio intermembrana hacia la matriz. La membrana mitocondrial interna se hace entonces permeable a los H+, lo que interfiere con la generación del gradiente.

En presencia de desacopladores se consume oxígeno, porque no está alterado el transporte de e- a través de la cadena, pero se forman menos ATP porque no se establece normalmente el gradiente protónico.

Inhibidores de la cadena respiratoria y de la ATP sintetasa

La termogenina es una proteína presente en la membrana mitocondrial interna del tejido adiposo pardo. A través de esta proteína pasan los H+, de manera que se genera un gradiente protónico mucho menor, y por lo tanto la cantidad de ATP generado también es menor.

Como consecuencia de este desacople entre el transporte de e- y la fosforilación oxidativa, se libera energía como calor. El tejido adiposo pardo es abundante en animales que hibernan.

Termogenina y dinitrofenol son desacopladores de la fosforilación

oxidativa• El desacoplamiento regulado provoca la generación de

calor

UCP-1, proteína desacoplante o termogenina, es un poro que permite la salida de protones.

Atraviesa las membranas mitocondriales e incrementa la concentración de protones en la matriz

Inhibidores de la ATPasaHay moléculas que inhiben la síntesis de ATP, pero que no actúan sobre la cadena respiratoria. Por ejemplo la oligomicina, un antibiótico que interfiere en el transporte de protones. Esta molécula se une a la subunidad Fo de la ATPasa e impide de esta forma el pasaje de H+.