respiración celular, lecturas.pdf

(1)

PowerPoint Lectures for

Biology, Seventh Edition

Neil Campbell and Jane Reece

Lectures by Chris Romero

Chapter 9 Cellular Respiration:

(2)

La vida es trabajo

• Las células vivas requieren energía de fuentes

externas

• Algunos animales, como el panda gigante,

(3)

(4)

• La energía fluye en un ecosistema como luz

del sol y sale de él como calor

• La fotosíntesis genera moléculas de oxígeno y

moléculas orgánicas, que se utilizan en la respiración celular

• Las células utilizan la energía química

(5)

ECOSYSTEM

Light energy

Photosynthesis in chloroplasts

Cellular respiration in mitochondria

Organic molecules+ O2 CO₂+ H₂O

ATP

powers most cellular work Heat

(6)

Las vías catabólicas producen energía mediante la oxidación de combustibles orgánicos

• Varios procesos son fundamentales para la

(7)

• El desglose de las moléculas orgánicas es exergónico

• La fermentación es una degradación parcial de los

azúcares que se produce sin oxígeno

• La respiración celular consume moléculas orgánicas y

oxígeno y produce ATP

• Aunque los carbohidratos, las grasas y las proteínas son

consumidos como combustible, es útil aprender los pasos de la respiración celular siguiendo el rastro de la glucosa, combustible que las células usan con mayor frecuencia:

(8)

Reacciones redox: oxidación y reducción

• La transferencia de electrones durante las

reacciones químicas libera energía almacenada en moléculas orgánicas

• Esta energía liberada se utiliza en última

(9)

• Las reacciones químicas que transfieren electrones entre los reactivos se llaman reacciones de oxidación-reducción, o reacciones redox

• En la oxidación, una sustancia pierde electrones, o se oxida

• En la reducción, una sustancia gana electrones, o se reduce

Xe- _{+ Y} _{X + Y}_e

-becomes oxidized (loses electron)

(10)

• El donador de electrones se llama el agente

reductor

• El receptor de electrones se denomina el

(11)

• Algunas reacciones redox no transfieren

electrones pero cambian la distribución de electrones en los enlaces covalentes

• Un ejemplo es la reacción entre metano y

(12)

LE 9-3

Reactants

becomes oxidized

becomes reduced

Products

H

Methane (reducing

agent)

Oxygen (oxidizing

agent)

Carbon dioxide Water

H C H

H

O O O C O H O H

(13)

respiración celular

• Durante la respiración celular, el combustible

(como la glucosa) se oxida y el oxígeno se reduce:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ 6CO₂ + 6H₂O + Energy

becomes oxidized

(14)

La obtención de energía paso a paso a través del NAD+ y la cadena de transporte de electrones

• En la respiración celular, la glucosa y otras moléculas

orgánicas se descomponen en una serie de pasos

• Los electrones de compuestos orgánicos generalmente se

transfieren primero a NAD +, una coenzima

• Como aceptor de electrones, NAD + funciona como un

agente oxidante durante la respiración celular

• Cada NADH (la forma reducida de NAD +) representa

(15)

NAD+

Nicotinamide (oxidized form)

Dehydrogenase 2e–+ 2H+

2e–+ H+

NADH H+

H+

Nicotinamide (reduced form) + 2[H]

(from food)

(16)

• NADH pasa los electrones a la cadena de transporte de electrones

• A diferencia de una reacción incontrolada, la cadena de transporte de electrones pasa

electrones en una serie de pasos en lugar de una reacción explosiva

• Oxygen saca los electrones de la cadena de una caída en rendimiento energético

(17)

2 H+ _{+ 2}_e–

2 H

(from food via NADH)

Controlled release of energy for synthesis of ATP ATP ATP ATP

2 H+ 2 e–

H₂O

+ 1_/₂ _O

2 1_/₂ _O

2

H₂ +

1_/₂ _O 2

H₂O

Explosive release of heat and light

(18)

Las etapas de la respiración celular

• La respiración celular tiene tres etapas:

* La glucólisis (degrada la glucosa en dos moléculas de piruvato)

* El ciclo del ácido cítrico (completa la descomposición de la glucosa)

* La fosforilación oxidativa (se lleva a cabo la mayor parte de la síntesis de ATP

• El proceso que genera la mayor parte del ATP se llama fosforilación oxidativa, ya que es alimentado por reacciones redox

(19)

Mitochondrion Glycolysis

Pyruvate Glucose

Cytosol

ATP

(20)

LE 9-6_2

Mitochondrion Glycolysis

Cytosol

ATP

Substrate-level phosphorylation

ATP

Substrate-level phosphorylation

(21)

Mitochondrion Glycolysis Pyruvate Glucose Cytosol ATP Substrate-level phosphorylation ATP Substrate-level phosphorylation Citric acid cycle ATP Oxidative phosphorylation Oxidative phosphorylation: electron transport and chemiosmosis Electrons carried via NADH Electrons carried via NADH and

(22)

(23)

• En la fosforilación oxidativa se produce el 90%

del ATP generado por la respiración celular

• Una pequeña cantidad de ATP se forma en la

(24)

LE 9-7

Enzyme

ADP

P Substrate

Product

Enzyme

(25)

oxidación de glucosa a piruvato

• La glucólisis ("división de azúcar")

descompone la glucosa en dos moléculas de piruvato

• La glucólisis ocurre en el citoplasma y tiene

dos fases principales:

* Fase de inversión de la Energía * Fase recompensa Energía

(26)

LE 9-8

Fase de inversión de energía Glucose

2 ATP used 2 ADP + 2 P

4 ADP + 4 P 4 ATP formed

2 NAD+_{+ 4}_e– _{+ 4 H}+

Fase de compensación de energ

+ 2 H+

2 NADH

2 Pyruvate + 2 H₂O

2 Pyruvate + 2 H₂O 2 ATP

2 NADH + 2 H+

Glucose 4 ATP formed – 2 ATP used 2 NAD+ + 4 e– + 4 H+

(27)

Glucose

ATP

ADP

Hexokinase

ATP ATP ATP Glycolysis Oxidation

phosphorylation Citric

acid cycle

(28)

LE 9-9a_2

Glucose

ATP

ADP

Hexokinase

(29)

2 NAD+

Triose phosphate dehydrogenase

+ 2 H+

NADH 2

1, 3-Bisphosphoglycerate 2 ADP

2 ATP

Phosphoglycerokinase

Phosphoglyceromutase

(30)

LE 9-9b_2

2 NAD+

Triose phosphate dehydrogenase

+ 2 H+

NADH 2

1, 3-Bisphosphoglycerate 2 ADP

2 ATP

Phosphoglycerokinase

Phosphoglyceromutase

2-Phosphoglycerate 3-Phosphoglycerate

2 ADP

2 ATP

Pyruvate kinase 2 H2O

Enolase

Phosphoenolpyruvate

(31)

moléculas orgánicas que genera energía

• Antes de que el ciclo del ácido cítrico puede

(32)

LE 9-10

CYTOSOL

Pyruvate

NAD+

MITOCHONDRION

Transport protein

NADH + H+

Coenzyme A CO₂

(33)

• El ciclo del ácido cítrico, también llamado el ciclo de Krebs, se lleva a cabo dentro de la matriz

mitocondrial

• El ciclo oxida el combustible orgánico derivado de piruvato, generando un ATP, 3 NADH y 1 FADH2 por turno

(34)

LE 9-11

Pyruvate

(from glycolysis,

2 molecules per glucose)

ATP ATP ATP

Glycolysis Oxidation phosphorylation Citric acid cycle NAD+ NADH + H+

CO₂ CoA Acetyl CoA CoA CoA Citric acid

cycle 2 CO2

3 NAD+

+ 3 H+

NADH 3

ATP

ADP + P_i FADH₂

(35)

•

catalizadas por una enzima específica

• El grupo acetilo de la acetil CoA se une el ciclo

mediante la combinación con oxaloacetato, formando citrato

• Los siguientes siete pasos descomponer el citrato de nuevo a oxaloacetato, haciendo el proceso un ciclo

• El NADH y FADH2 transportan su carga de electrones de alta energía hacia la cadena de transporte de

(36)

LE 9-12_1

ATP ATP ATP Glycolysis Oxidation

phosphorylation Citric

acid cycle

Citric acid cycle

Citrate

Isocitrate Oxaloacetate

Acetyl CoA

(37)

ATP ATP ATP Glycolysis Oxidation phosphorylation Citric acid cycle Citric acid cycle Citrate Isocitrate Oxaloacetate Acetyl CoA

H2O

CO2

NAD+

NADH + H+

a-Ketoglutarate

CO2

NAD+

NADH + H+

(38)

LE 9-12_3

H2O

CO2

NAD+

NADH + H+

a-Ketoglutarate

CO2

NAD+

NADH + H+

(39)

H2O

CO2

NAD+

NADH + H+

a-Ketoglutarate

CO2

NAD+

NADH + H+

Succinyl CoA Succinate GTP GDP ADP ATP FAD FADH2 P_i Fumarate

H2O

Malate NAD+

(40)

Durante la fosforilación oxidativa, la quimiósmosis acopla el transporte de electrones con la síntesis de ATP

• Después de la glucólisis y el ciclo del ácido

cítrico, NADH y FADH2 representan la mayor parte de la energía extraída de los alimentos

• Estos dos transportadores de electrones donar

electrones a la cadena de transporte de

(41)

• La cadena de transporte de electrones está en

las crestas de la mitocondria

• La mayor parte de los componentes de la

cadena son proteínas que existen en complejos multiproteicos

• Los transportistas alternan estados reducidas y

oxidadas como aceptar y donar electrones

• Los electrones caen en la energía libre a

(42)

LE 9-13

ATP ATP ATP Glycolysis Oxidative phosphorylation: electron transport and chemiosmosis Citric acid cycle NADH 50 FADH2 40 FMN Fe•S I _FAD Fe•S II III Q Fe•S Cyt b 30

20

Cyt c Cyt c1

Cyt a Cyt a3

IV 10 0 Multiprotein complexes F ree ener g y ( G ) rela tiv e to O 2 (kc al/ mo l)

H2O O2

(43)

• La cadena de transporte de electrones no

genera ATP

• La función de la cadena es romper la gran

caída libre de energía de los alimentos a O2 en pasos más pequeños que liberan energía en

(44)

Quimiósmosis: el mecanismo de acoplamiento de energía

• La transferencia de electrones en la cadena de transporte

de electrones hace que las proteínas para bombear H + desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana

• H + a continuación, se mueve hacia atrás a través de la

membrana, pasando a través de canales en la ATP sintasa

• ATP sintasa utiliza el flujo exergónica de H + para conducir

la fosforilación de ATP

• Este es un ejemplo de quimiosmosis, el uso de la energía

(45)

INTERMEMBRANE SPACE

H+ _H+

H+ H

+ H+ H+ H+ H+ ATP MITOCHONDRAL MATRIX ADP + P i

Un rotor dentro de la membrana gira en sentido de las agujas del reloj cuando el H+ fluye a través de él a favor del gradiente de H+.

Un estator anclado en la membrana

mantiene el pomo estacionario

(46)

• La energía almacenada en un gradiente de H + a través de una pareja de membrana de las

reacciones redox de la cadena de transporte de electrones a la síntesis de ATP

• El gradiente de H + se refiere como una fuerza

protón-motriz, haciendo hincapié en su capacidad para hacer el trabajo

(47)

Protein complex of electron carriers

H+

ATP ATP ATP Glycolysis _{phosphorylation:}Oxidative

electron transport and chemiosmosis Citric acid cycle H+ Q III I II FAD FADH2

+ H+

NADH NAD+

(carrying electrons from food) Inner mitochondrial membrane Inner mitochondrial membrane Mitochondrial matrix Intermembrane space H+ H+

Cyt c

IV

2H+₊1_/₂_O

2 H2O

ADP +

H+

ATP ATP synthase

Electron transport chain

Electron transport and pumping of protons (H+_),

Which create an H+_{gradient across the membrane}

P_i

Chemiosmosis

ATP synthesis powered by the flow of H+_{back across the membrane}

(48)

Un balance de la producción de ATP mediante la respiración celular

• Durante la respiración celular, la mayor parte

de la energía fluye en esta secuencia:

• glucosa NADH cadena de transporte de

electrones fuerza motriz proteónica ATP

• Alrededor del 40% de la energía en una

(49)

CYTOSOL Electron shuttles

span membrane 2 NADH or 2 FADH2

MITOCHONDRION Oxidative phosphorylation: electron transport and chemiosmosis 2 FADH2

2 NADH 6 NADH

Citric acid cycle 2 Acetyl CoA 2 NADH Glycolysis Glucose 2 Pyruvate

+ 2 ATP

by substrate-level phosphorylation

+ 2 ATP

by substrate-level phosphorylation

+ about 32 or 34 ATP

by oxidation phosphorylation, depending on which shuttle transports electrons form NADH in cytosol

(50)

La fermentación permite que algunas células produzcan ATP sin emplear oxígeno

• La respiración celular requiere O2 para producir ATP

• La glucólisis puede producir ATP, con o sin O2 (en condiciones aeróbicas o anaeróbicas)

(51)

• La fermentación se compone de glucólisis más

reacciones que regenerar NAD +, que puede ser reutilizado por la glucólisis

• Dos tipos comunes son la fermentación

(52)

• En la fermentación de alcohol, el piruvato se

convierte en etanol en dos etapas, con liberación de CO2

• La fermentación del alcohol por la levadura se

utiliza en la industria cervecera, la elaboración del vino, y hornear

(53)

CO₂

+ 2 H+

2 NADH

2 NAD+

2 Acetaldehyde 2 ATP

2 ADP + 2 P_i

2 Pyruvate

2

2 Ethanol

Alcohol fermentation

(54)

• En la fermentación del ácido láctico, el piruvato se reduce a NADH, la formación de lactato como

producto final, sin liberación de CO2

• La fermentación del ácido láctico por algunos

hongos y bacterias se utiliza para hacer queso y yogur

• Células musculares humanas utilizan la

(55)

CO₂

+ 2 H+

2 NADH

2 NAD+

2 ATP

2 ADP + 2 P_i

2 Pyruvate 2

2 Lactate

Lactic acid fermentation

(56)

Fermentación y respiración celular

• Ambos procesos utilizan la glucólisis para

oxidar los combustibles orgánicos a glucosa y otros a piruvato

• Los procesos tienen diferentes aceptores de

electrones final: una molécula orgánica (por ejemplo, piruvato) en fermentación y O2 en la respiración celular

• La respiración celular produce mucho más

(57)

• Bacterias de la levadura y muchos son anaerobios facultativos, lo que significa que pueden sobrevivir utilizando la fermentación o la respiración celular

• En un anaerobio facultativo, el piruvato es una

(58)

LE 9-18

CYTOSOL

No O₂ present Fermentation

Ethanol or lactate

Acetyl CoA

MITOCHONDRION O₂ present

Cellular respiration

(59)

• La glucólisis se produce en casi todos los

organismos

• La glucólisis probablemente evolucionó en

(60)

La glucólisis y el ciclo de Krebs se conectan con muchas otras vías metabólicas

• Gycolysis y el ciclo del ácido cítrico son los

(61)

• Las vías catabólicas embudo electrones de muchas clases

de moléculas orgánicas en la respiración celular

• La glucólisis acepta una amplia gama de hidratos de

carbono

• Las proteínas deben ser digeridas a los aminoácidos;

grupos amino pueden alimentar la glucólisis o el ciclo del ácido cítrico

• Las grasas se digieren al glicerol (utilizado en la glucólisis)

y ácidos grasos (utilizados en la generación de acetil CoA) Un gramo de grasa oxidada produce más del doble de

(62)

LE 9-19

Oxidative phosphorylation Proteins

NH₃

Amino

acids Sugars Carbohydrates

Glycolysis Glucose

Glyceraldehyde-3- P

Pyruvate

Acetyl CoA

Fatty acids Glycerol

(63)

• El cuerpo utiliza pequeñas moléculas para

construir otras sustancias

• Estas pequeñas moléculas pueden provenir

(64)

Regulación de la respiración celular a través de mecanismos de retroalimentación

• Inhibición por retroalimentación es el mecanismo más común para el control de la respiración

celular

• Si la concentración de ATP comienza a caer, la respiración se acelera; cuando hay un montón de ATP, la respiración se ralentiza

• Control del catabolismo se basa principalmente en la regulación de la actividad de las enzimas en

(65)

Oxidative phosphorylation Glycolysis

Pyruvate

Acetyl CoA Fructose-6-phosphate

Phosphofructokinase Fructose-1,6-bisphosphate

–

Inhibits

ATP Citrate

Inhibits Stimulates

AMP