Con este blog que presentamos aqui queremos mostrar a todos antes que nada lo que hemos logrado aprender sobre los procesos de la produccion de ATP (energia) durante este curso de biologia. Con esto queremos compartir nuestros conocimientos con ustedes, para que se apoyen de esta informacion si asi lo requieren. En este blog explicaremos cada proceso que se genera en la respiracion celular, y todas las reacciones que suceden dentro de las mitocondrias principalmente. Hablaremos de la estructura de las mitocondrias, de que es la respiracion celular, de la glucolisis y las reacciones que ocurren durante este proceso, el ciclo de Krebs y las reacciones que se llevan a cabo aqui y por ultimo hablaremos de la fermentacion lactica y alcoholica. Para que entiendan bien cual es el proceso que es mas eficiente para la produccion de energia, al final les aclaramos en cual de estos procesos la produccion de ATP es mayor, por tanto sera mas eficiente.
Les agradecemos a todos por visitar nuestro blog, y esperamos que les sea de mucho uso.
Aqui les dejamos unos enlaces para videos que creemos que les pueden ayudar a entender mucho mas este tema.
Las mitocondrias están compuestas por una membrana externa lisa y una membrana interna plegada, los pliegues se conocen como crestas, las cuales aumentan la superficie de la membrana de la mitocondria, también posee una matriz, la cual es un liquido denso compuesto de proteínas, por lo que es viscoso, gran parte de ese contenido son enzimas cuya función es la degradación de ácidos grasos y piruvato (el piruvato es uno de los productos finales en la producción de ATP (energía) por parte de la mitocondria), también tiene ribosomas mitocondriales, ARN de transferencia mensajero y gránulos de matriz, los cuales son esféricos densos. Particularmente la mitocondria es un orgánulo celular que posee ADN mitocondrial diferente al ADN de la célula. La membrana externa es permeable para la mayoría de las moléculas pequeñas, pero la interna sólo permite el paso de ciertas moléculas como el ácido pirúvico y ATP y restringe el paso de otras. Esta permeabilidad selectiva de la membrana interna, tiene una importancia crítica porque capacita a las mitocondrias para destinar la energía de la respiración para la producción de ATP. La mayoría de las enzimas del ciclo de Krebs se encuentran en la matriz mitocondrial. Las enzimas que actúan en el transporte de electrones se encuentran en las membranas de las crestas. Es importante destacar que el ciclo de Krebs se lleva a cabo en la matriz mitocondrial; mientras que el transporte de electrones y la fosforilación oxidativa se producen a nivel de las crestas mitocondriales. Las membranas internas de las crestas están formadas por un 80 % de proteínas y un 20 % de lípidos. En las mitocondrias, el ácido pirúvico proveniente de la glucólisis, se oxida a dióxido de carbono y agua, completándose así la degradación de la glucosa. Las mitocondrias ayudan a la respiración celular en casi todas las células eucariotas. Este proceso se da convirtiendo la energía química de la comida como el azúcar en energía química de la molécula llamada ATP (adenosin trifosfato). El ATP es la principal fuente de energía para el trabajo celular.
Es un proceso exclusivamente celular. Consiste en la verdadera respiración. Consiste en un proceso de oxidación de nutrientes que permite retirar de ellos la energía que contienen los alimentos. Durante el proceso existe una reorganización de las moléculas y una gran actividad enzimática que permite almacenar alta cantidad de energía en estas moléculas. Como ya dijimos anteriormente en las mitocondrias es donde se ocurre este proceso que se da al convertir la energía química de los alimentos como el azúcar en energía química de la molécula llamada ATP. La respiración celular es una combustión biológica y puede compararse con la combustión de carbón, bencina, leña. En ambos casos moléculas ricas en energía son degradadas a moléculas más sencillas liberando energía. Tanto la respiración como la combustión son reacciones exergónicas (una reacción química que libera energía en forma de calor, luz. Son una forma de procesos exergonicos en general o procesos espontáneos)
Sin embargo existen importantes diferencias entre ambos procesos. En primer lugar la combustión es un fenómeno incontrolado en el que todos los enlaces químicos se rompen al mismo tiempo y liberan la energía en forma súbita, por el contrarío la respiración es la degradación del alimento con la liberación paulatina de energía, este control está ejercido por enzimas específicas. En segundo lugar la combustión produce calor y algo de luz, este proceso transforma energía química en calórica y luminosa. En cambio la energía liberada durante la respiración es utilizada fundamentalmente para la formación de nuevos enlaces químicos (ATP).
La respiración celular puede ser considerada como una serie de reacciones de óxido-reducción en las cuales las moléculas combustibles son paulatinamente oxidadas y degradadas liberando energía. La respiración ocurre en distintas estructuras celulares. La primera de ellas es la glucólisis que ocurre en el citoplasma. La segunda etapa dependerá de la presencia o ausencia de Oxigeno en el medio, determinando en el primer caso la respiración aeróbica (ocurre en las mitocondrias en presencia de oxigeno), y en el segundo caso la respiración anaeróbica o fermentación (ocurre en el citoplasma sin presencia de oxigeno).
La respiración celular se divide en tres etapas principales, las dos primeras etapas de la respiración celular son la glicolisis y el ciclo de krebs que son procesos exergonicos (liberan energía) y la tercera etapa es la cadena de transporte de electrones que incluye un proceso llamado quimiosmosis.
La glucolisis: da inicio a la respiración al romper la molécula de la glucosa en dos moléculas de un compuesto llamado acido piruvico.
El ciclo de krebs: tiene lugar dentro de las mitocondrias, completa la ruptura de la glucosa al descomponer un derivado del acido piruvico hasta dióxido de carbono.
Cadena de transporte de electrones: es una serie sucesiva de reacciones. Es una serie de transportadores de electrones que se encuentran en la membrana plasmática de bacterias, en la membrana mitocondrial o en las membranas tilacoides, estas producen ATP. Solo dos fuentes de energía son utilizadas por los organismos vivos: reacciones de oxido-reducción y la luz solar (fotosíntesis). Los organismos que utilizan las reacciones redox para producir ATP se les conoce con el nombre de quimiautotrofos, mientras que los que utilizan la luz solar se les conoce como fotoautotrofos. Ambos tipos de organismos utilizan sus cadenas de transporte de electrones para convertir la energía en ATP.
El transporte de electrones y la fosforilación oxídativa (se dan acopladamente). En este paso intervienen una cadena de transportadores de electrones que transportan los electrones de alta energía aceptados por el NADH y el FADH2 viajando cuesta abajo hacia el oxígeno. En tres puntos de su descenso por toda la cadena transportadora, se liberan grandes cantidades de energía que propulsan el bombeo de protones hacía el espacio intermembranoso de la mitocondria. Esto crea un gradiente electroquímico a través de la membrana interna. Cuando los protones atraviesan el complejo ATP sintetasa hacia la matriz, la energía liberada se utiliza para sintetizar moléculas de ATP. Este mecanismo por el cual se cumple la fosforilación oxidativa se conoce como hipótesis quimiosmótica.
QUIMIOSMOSIS
Quimiosmosis es la difusión de iones a través de una membrana. Específicamente, se relaciona con la generación de ATP mediante el movimiento de iones hidrógeno (protones o H+) a través de la membrana interna mitocondrial y de la membrana de los tilacoides de los cloroplastos.
Los protones se difunden desde un área de alta concentración a un área de baja concentración.Un gradiente de concentración electroquímico de protones a través de la membrana puede ser usado para crear ATP. Se evidencia un paralelismo con el proceso de ósmosis (difusión de agua a través de una membrana) y por esto fue denominado "quimiosmosis".
La ATP sintasa es la enzima que produce ATP por quimiosmosis. Permite el paso de protones a través, utilizando esa energía cinética para fosforilar ADP y así crear ATP. La generación de ATP por quimiosmosis ocurre en cloroplastos y mitocondrias, como también en algunas bacterias.
La teoría quimiosmótica:
Peter Mitchell propuso la "hipótesis quimiosmótica en 1961. La teoría sugiere esencialmente que la mayor parte de la síntesis de ATP en la respiración celular, viene de un gradiente electroquímico existente entre la membrana interna y el espacio intermembranal de la mitocondria, mediante el uso de la energía de NADH y FADH2 que se han formado por la ruptura de moléculas ricas en energía, como la glucosa.
Las moléculas como la glucosa, son metabolizadas para producir Acetil-CoA como un intermediario rico en energía. La oxidación de Acetil-CoA en la matriz mitocondrial está acoplada a la reducción de una molécula transportadora como NAD+ y FAD.
Los transportadores traspasan electrones a la cadena transportadora de electrones en la membrana mitocondrial interna, que luego los traspasan a otras proteínas en la cadena transportadora. La energía disponible en los electrones se usa para bombear protones desde la matriz, a través de la membrana mitocondrial interna, guardando energía en forma de un gradiente electroquímico transmembrana. Los protones se devuelven a través de la membrana interna, mediante la enzima ATP-sintasa. El flujo de protones de vuelta a la matriz mitocondrial mediante la ATP-sintasa, provee de suficiente energía para que el ADP se combine con Fósforo inorgánico para formar ATP. Los electrones y protones en la última bomba proteica de la cadena transportadora son llevados al Oxígeno (O2) para formar Agua (H2O).
La glucolisis es el rompimiento químico en varios pasos de una molécula de glucosa en dos moléculas de acido piruvico. La glucólisis, lisis o escisión de la glucosa, tiene lugar en una serie de nueve reacciones, cada una catalizada por una enzima específica, hasta formar dos moléculas de ácido pirúvico, con la producción simultanea de ATP. La ganancia neta es de dos moléculas de ATP, y dos de NADH por cada molécula de glucosa. Las reacciones de la glucólisis se realizan en el citoplasma y pueden darse en condiciones anaerobias, es decir en ausencia de oxígeno. Los primeros cuatro pasos de la glucólisis sirven para fosforilar (incorporar fosfatos) a la glucosa y convertirla en dos moléculas del compuesto de 3 carbonos gliceraldehído fosfato (PGAL). En estas reacciones se invierten dos moléculas de ATP a fin de activar la molécula de glucosa y prepararla para su ruptura.
los pasos de la glicolisis pueden ser agrupados en dos fases principales:
pasos 1-4 (fase de inversion de energia):
se consume energia. En esta fase el ATP es usado para energizar una molecula de glucosa, que estan listas para liberar energia.
pasos 5 - 9 ( fase de recompenza de energia):
cede energia para la celula. En esta fase dos moleculas NADH se producen para cada molecula inicial de glucosa, y 4 moleculas de ATP son generadas. Desde la primera fase se usan dos moleculas de ATP, se gana para la celula dos moleculas de ATP por cada molecula de glucosa que entra en la glicolisis.
REACCIONES QUE SE LLEVAN A CABO DURANTE LA GLUCOLISIS: La glucolisis tiene lugar en una serie de nueve reacciones.
Estas son:
Paso 1
La serie de reacciones glucolíticas se inicia con la activación de la glucosa
Glucosa + ATP = glucosa 6 fosfato + ADP
La reacción del ATP con la glucosa es exergónica. Parte de la energía liberada se conserva en el enlace que une al fosfato con la molécula de glucosa que entonces se energiza.
paso 2
La glucosa 6-fosfato sufre una reacción de reordenamiento catalizada por una isomerasa, con lo que se forma fructosa 6-fosfato.
paso 3
La fructosa 6-fosfato acepta un segundo fosfato del ATP, con lo que se genera fructosa 1,6-difosfato; es decir fructosa con fosfatos en las posiciones 1 y 6. La enzima que regula esta reacción es la fosfofructocinasa. Nótese que hasta ahora se han invertido dos moléculas de ATP y no se ha recuperado energía.
La fosfofructocinasa es una enzima alostérica, el ATP es un efector alostérico que la inhibe. La interacción alostérica entre ellos es el principal mecanismo regulador de la glucólisis. Si existe ATP en cantidades suficientes para otros fines de la célula, el ATP inhibe la actividad de la enzima y así cesa la producción de ATP y se conserva glucosa. Al agotar la célula la provisión de ATP, la enzima se desinhibe y se reanuda la degradación de la glucosa. Este es uno de los puntos principales del control de la producción de ATP.
paso 4
La fructosa 1,6 -difosfato se divide luego en dos azúcares de 3 carbonos, gliceraldehído 3-fosfatos y dihidroxiacetona fosfato. La dihidroxiacetona fosfato es convertida enzimáticamente (isomerasa) en gliceraldehído fósfato. Todos los pasos siguientes deben contarse dos veces para tener en cuenta el destino de una molécula de glucosa.
Debemos recordar que hasta el momento no se ha obtenido ninguna energía biológicamente útil. En reacciones siguientes, la célula recupera parte de la energía contenida en el PGAL.
paso 5
Las moléculas de PGAL se oxidan es decir, se eliminan átomos de hidrógeno con sus electrones, y el NAD+ se reduce a NADH. Esta es la primera reacción de la cual la célula cosecha energía. El producto de esta reacción es el fosfoglicerato. Este compuesto reacciona con un fosfato inorgánico (Pi) para formar 1,3 difosfoglicerato. El grupo fosfato recién incorporado se encuentra unido por medio de un enlace de alta energía.
paso 6
El fosfato rico en energía reacciona con el ADP (adenosin difosfato) para formar ATP. En total dos moléculas de ATP por molécula de glucosa. Esa transferencia de energía desde un compuesto con un fosfato, de alta energía se conoce como fosforfiación.
paso 7
El grupo fosfato remanente se transfiere enzimáticamente de la posición 3 a la posición 2 (ácido 2-fosfoglicérico).
paso 8
En este paso se elimina una molécula de agua del compuesto 3 carbono. Este reordenamiento interno de la molécula concentra energía en la vecindad del grupo fosfato. El producto es el ácido fosfoenolpirúvico (PEP).
paso 9
El ácido fosfoenolpirúvico tiene la capacidad de transferir su grupo fosfato a una molécula de ADP para formar ATP y ácido pirúvico. (Dos moléculas de ATP y ácido pirúvico por cada molécula de glucosa).
En la primera etapa se utilizan 2 ATP y la segunda produce 4 ATP y 2 NADH. Otros azúcares, además de la glucosa, como la manosa, galactosa y las pentosas, así como el glucógeno y el almidón, pueden ingresar en la glucólisis una vez convertidos en glucosa 6-fosfato.
El ácido pirúvico sale del citoplasma, donde se produce mediante glucólisis y atraviesa las membranas externa e interna de las mitocondrias. Antes de ingresar al Ciclo de Krebs, el ácido pirúvico, de 3 carbonos, se oxida. Los átomos de carbono y oxígeno del grupo carboxilo se eliminan como dióxido de carbono (descarboxilación oxidativa) y queda un grupo acetilo, de dos carbonos. En esta reacción exergónica, el hidrógeno del carboxilo reduce a una molécula de NAD+ a NADH.
Ahora la molécula original de glucosa se ha oxidado a dos moléculas de CO2, y dos grupos acetilos y, además se formaron 4 moléculas de NADH (2 en la glucólisis y 2 en la oxidación del ácido pirúvico). Cada grupo acetilo es aceptado por un compuesto llamado coenzima A dando un compuesto llamado acetilcoenzima A (acetil CoA). Esta reacción es el enlace entre la glucólisis y el ciclo de Krebs. El ciclo de Krebs también conocido como ciclo del ácido cítrico es la vía común final de oxidación del ácido pirúvico, ácidos grasos y las cadenas de carbono de los aminoácidos. La primera reacción del ciclo ocurre cuando la coenzima A transfiere su grupo acetilo (de 2 carbonos) al compuesto de 4 carbonos (ácido oxalacético) para producir un compuesto de 6 carbonos (ácido cítrico). El ácido cítrico inicia una serie de pasos durante los cuales la molécula original se reordena y continúa oxidándose, en consecuencia se reducen otras moléculas: de NAD+ a NADH y de FAD+ a FADH2. Además ocurren dos carboxilaciones y como resultado de esta serie de reacciones vuelve a obtenerse una molécula inicial de 4 carbonos el ácido oxalacético. El proceso completo puede describirse como un ciclo de oxalacético a oxalacético, donde dos átomos de carbono se adicionan como acetilo y dos átomos de carbono (pero no los mismos) se pierden como CO2. Dado que por cada molécula de glucosa inicial se obtienen dos de ácido pirúvico y, por lo tanto dos de acetil CoA, deben cumplirse dos vueltas del ciclo de Krebs por cada molécula de glucosa.En este proceso no se obtiene energía directamente bajo la forma de ATP (sólo se obtiene 1 GTP que es equivalente a 1 ATP). En cambio se obtienen cantidades de coenzimas reducidas (NADH y FADH2), y es a través de la oxidación posterior que se obtendrá la energía para sintetizar ATP. Cada coenzima NADH equivale a 3 ATP y cada coenzima FADH2 equivale a 2 ATP.
El ácido pirúvico puede tomar una de varias vías. Dos son anaeróbicas (sin oxígeno) y se denomina FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA y FERMENTACIÓN LÁCTICA. A la falta de oxígeno, el ácido pirúvico puede convertirse en etanol (alcohol etílico) o ácido láctico según el tipo de célula. Por ejemplo, las células de las levaduras pueden crecer con oxígeno o sin él. Al extraer jugos azucarados de las uvas y al almacenarlos en forma anaerobia, las células de las levaduras convierten el jugo de la fruta en vino al convertir la glucosa en etanol. Cuando el azúcar se agota las levaduras dejan de fermentar y en este punto la concentración de alcohol está entre un 12 y un 17 % según sea la variedad de la uva y la época en que fue cosechada. La formación de alcohol a partir del azúcar se llama fermentación.
Fermentación alcohólica
El ácido pirúvico formado en la glucólisis se convierte anaeróbicamente en etanol. En el primer caso se libera dióxido de carbono, y en el segundo se oxida el NADH y se reduce a acetaldehído. Otras células, como por ejemplo los glóbulos rojos, las células musculares y algunos microorganismos transforman el ácido Pirúvico en ácido láctico. En el caso de las células musculares, la fermentación láctica, se produce como resultado de ejercicios extenuantes durante los cuales el aporte de oxígeno no alcanza a cubrir las necesidades del metabolismo celular. La acumulación del ácido láctico en estas células produce la sensación de cansancio muscular que muchas veces acompaña a esos ejercicios.
Es una ruta metabólica anaeróbica que ocurre en el citosol de las 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, no se produce una aportación adecuada de oxígeno que permita el desarrollo de la respiración aeróbica. Cuando el ácido láctico se acumula en las células musculares produce síntomas asociados con la fatiga muscular. 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.
En esta reacción el NADH se oxida y el ácido pirúvico se reduce transformándose en ácido láctico.
La cantidad de energía liberada por la forforilacion oxidativa es elevada, comparada con la cantidad producida por la fermentación anaeróbica. La glucolisis produce solo 2 moleculas de ATP, en cambio entre 30 y 36 ATPs son producidos por la fosforilacion oxidativa de los 10 NADH y dos succinato obtenidos a través de la conversión de una molecula de glucosa en dióxido de carbono y agua. De todos estos procesos el que mas energia produce es el de la forforilacion oxidativa, ya que es la que mas moleculas de ATP produce. En cambio el ciclo de Krebs y la Glucolisis producen un numero mucho menor de ATP.
