Respiracion Celular

- Su función fundamental es la obtención de la energía.

- La respiración celular es un proceso que convierte la energía química de los azucares y otras moléculas en energía química bajo la forma de ATP.

- Todas la células que utilizan o₂ en la obtención de energía a partir de la glucosa por ejemplo las células musculares, en ellas, la ecuación química de la respiración celular es:

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Las moléculas de glucosa y O₂ (reactivos) se desdoblan y sus átomos se reagrupan para formar los productos CO₂ y H₂O.

La respiración celular no es capaz de recuperar toda la energía de la glucosa de una manera aprovechable. La célula acumula solo 40% de la energía de la glucosa en moléculas de ATP, la mayor parte del resto se convierte en calor.


La respiración posee dos pasos que la constituyen
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1. La glucolisis: tiene lugar en el fluido citoplasmático de la célula, fuera de los organelos. La glucolisis da inicio a la respiración al romper la molécula de glucosa en dos moléculas de un compuesto denominado acido pirúvico.
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2. El ciclo de krebs: tiene lugar dentro de las mitocondrias, completa la ruptura de la glucosa al descomponer un derivado del acido pirúvico hasta dióxido de carbono.

Las mitocondrias son organelos que llevan a cabo la respiración celular, en donde la energía química de los alimentos es convertida en la energía química de una molécula llamada ATP quien es la fuente principal de energía para el trabajo celular, por tal motivo es de gran importancia la mitocondria en la célula.

Estructura de la mitocondria:

1. Membrana externa

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.

2. Membrana interna

El espacio entre las membranas internas y externas forma un compartimiento lleno de fluido.
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3. Matriz mitocondrial: fluido ubicado en el segundo compartimiento quien está rodeado por la membrana interna.
Muchas de las reacciones químicas de la respiración celular se llevan a cabo en la matriz mitocondrial. Las enzimas que producen el ATP se encuentran en la matriz mitocondrial.

4. Crestas: son pliegues que aumentan el área superficial de la membrana, lo cual favorece la capacidad de la mitocondria para producir ATP.

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 de la respiración celular, una de las etapas de la ruptura de una molécula de alimento; Vital para el sistema metabólico.

Glucolisis significa “ruptura del alimento”, es el proceso universal de obtención de energía en la materia viva.

La glucolisis comienza con una molécula de glucosa y culmina con dos moléculas de acido pirúvico.
La glucosa posee 6 átomos de carbono y el acido pirúvico posee también 6 átomos de carbono, 3 en cada molécula.

El proceso de la glucolisis está compuesto por 9 pasos químicos. Durante estos pasos, se forman una serie de compuestos orgánicos. Mientras tienen lugar estas reacciones, la célula produce dos moléculas de ATP por fosforilacion a nivel de fosfato y reduce dos moléculas de NAD⁺, formando dos moléculas de NADH.

El proceso de la glucolisis se lleva a cabo en dos fases:

Fase Preparatoria

Pasos 1 -3

• Tres reacciones quimicas convierten en una molecula del intermediario Fructuoso 1.6 - difosfato
  
• Se transfiere un grupo fosfato con alto contenido de energia del ATP a otra molecula.
  
• La celula invierte dos moleculas de ATP para activar una molecula combustible, al ser activada se vuelve menos estable y mas reactiva.
  

Paso 4

• Se parte la fructuosa 1.6 - difosfato en 2 intermediarios de 3 carbonos cada uno.
  

Paso 5

• Se presenta una reaccion redox.
  
• La celula obtiene su primera porcion de energia.


• Se transfiere atomos de hidrogeno, cuando el G3P se oxida y el NAD+ se reduce a NADH.
  
  

Fase de Ganancia

Pasos 6 - 9

• Por cada molecula de glucosa, se produce dos moleculas de acido piruvico y cuatro moleculas de ATP.
  

De este modo la energía extraída de la glucosa durante la glucolisis es almacenada en una combinación de ATP y NADH. La célula puede utilizar el ATP inmediatamente pero para utilizar la energía contenida en el NADH, los electrones de NADH deben pasar cuesta abajo por la cadena de transporte de electrones.

Los compuestos que se forman entre el reactivo inicial, la glucosa y el producto final, el acido pirúvico se denominan intermediarios.

Cada paso químico conduce al siguiente.La célula debe gastar un poco de energía para dar inicio a la glucolisis. También son esenciales las enzimas específicas que catalizan cada uno de los pasos químicos.

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El sitio donde tiene lugar el ciclo de krebs es en la mitocondria.

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.

Cada molécula del acido pirúvico es sometido a un cambio químico:

1. Se oxida, a la vez que una molécula de NAD⁺ de reduce a NADH

2. Se le quita un átomo de carbono y se libera CO2

3. Un compuesto denominado coenzima A, derivado de la vitamina B, se une al fragmento de dos carbonos que queda del acido pirúvico para formar una molécula denominada acetil coenzima A.

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.

Reacción 1: Citrato sintasa (De oxalacetato a citrato)

El sitio activo de la enzima, activa el acetil-CoA para hacerlo afín a un centro carbonoso del oxalacetato. Como consecuencia de la unión entre las dos moléculas, el grupo tioéster (CoA) se hidroliza, formando así la molécula de citrato.

La reacción es sumamente exoergónica (ΔG'°=-31.4 kJ/mol), motivo por el cual este paso es irreversible. El citrato producido por la enzima, además, es capaz de inhibir competitivamente la actividad de la enzima. Incluso estando la reacción muy favorecida, porque es exoergónica, la citrato sintasa puede ser perfectamente regulada. Este aspecto tiene una notable importancia biológica, puesto que permite una completa regulación del ciclo de Krebs completo, convirtiendo a la enzima en una especie de marcapasos del ciclo.

Reacción 2: Aconitasa (De citrato a isocitrato)

La aconitasa cataliza la isomerización del citrato a isocitrato, por la formación de cis-aconitato. La enzima cataliza también la reacción inversa, pero en el ciclo de Krebs tal reacción es unidireccional a causa de la ley de acción de masa: las concentraciones (en condiciones estándar) de citrato (91%), del intermediario cis-aconitato (3%) y de isocitrato (6%), empujan decididamente la reacción hacia la producción de isocitrato.

En el sitio activo de la enzima está presente un clúster hierro-azufre que, junto a algunos residuos de aminoácidos polares, liga el sustrato. En concreto, la unión al sustrato se asegura por la presencia de un resto de serina, de arginina, de histidina y de aspartato, que permiten sólo la unión estereospecifica del citrato 1R,2S, rechazando la forma opuesta.

Reacción 3: Isocitrato deshidrogenasa (De isocitrato a oxoglutarato)

La isocitrato deshidrogenasa mitocondrial es una enzima dependiente de la presencia de NAD+ y de Mn2+ o Mg2+. Inicialmente, la enzima cataliza la oxidación del isocitrato a oxalsuccinato, lo que genera una molécula de NADH a partir de NAD+. Sucesivamente, la presencia de un ión bivalente, que forma un complejo con los oxígenos del grupo carboxilo en posición alfa, aumenta la electronegatividad de esa región molecular. Esto genera una reorganización de los electrones en la molécula, con la consiguiente rotura de la unión entre el carbono en posición gamma y el grupo carboxilo adyacente. De este modo se tiene una descarboxilación, es decir, la salida de una molécula de CO2, que conduce a la formación de α-cetoglutarato, caracterizado por dos carboxilos en las extremidades y una cetona en posición alfa con respecto de uno de los dos grupos carboxilo.

Reacción 4: α-cetoglutarato deshidrogenasa (De oxoglutarato a Succinil-CoA)

Después de la conversión del isocitrato en α-cetoglutarato se produce una segunda reacción de descarboxilación oxidativa, que lleva a la formación de succinil CoA. La descarboxilación oxidativa del α-chetoglutarato es muy parecida a la del piruvato, otro α-cetoácido.

Ambas reacciones incluyen la descarboxilación de un α-cetoácido y la consiguiente producción de una unión tioéster a alta energía con la coenzima A. Los complejos que catalizan tales reacciones son parecidos entre ellos.

La α-cetoglutarato deshidrogenasa (o, más correctamente, oxoglutarato deshidrogenasa), está compuesta de tres enzimas diferentes:
* Subunidad E1: las dos cetoglutarato deshidrogenasas.
* Subunidad E2: la transuccinilasa.
(La subunidad E1 y E2 presentan una gran homología con las de la piruvato deshidrogenasa.)
* Subunidad E3: la dihidrolipoamida deshidrogenasa, que es el mismo polipéptido presente en el otro complejo enzimático.

Reacción 5: Succinil-CoA sintetasa (De Succinil-CoA a succinato)

La energía procedente del tioéster viene convertida en energía ligada a una unión fosfato. El primer paso de la reacción genera un nuevo intermediario a alta energía, conocido como succinil fosfato. Sucesivamente, una histidina presente en el sitio catalítico remueve el fosfato de la molécula glucídica, generando el producto succinato y una molécula de fosfohistidina, que dona velozmente el fosfato a un nucleósido difosfato, recargándolo a trifosfato. Se trata del único paso del ciclo de Krebs en el que se produce una fosforilación a nivel de sustrato.

Reacción 6: Succinato deshidrogenasa (De succinato a fumarato)

La parte final del ciclo consiste en la reorganización de moléculas a cuatro átomos de carbono hasta la regeneración del oxalacetato. Para que eso sea posible, el grupo metilo presente en el succinato tiene que convertirse en un carbonilo. Como ocurre en otras rutas, por ejemplo en la beta oxidación de los ácidos grasos, tal conversión ocurre mediante tres pasos: una primera oxidación, una hidratación y una segunda oxidación. Estos tres pasos, además de regenerar oxalacetato, permiten la extracción ulterior de energía mediante la formación de FADH2 y NADH.

La primera reacción de oxidación es catalizada por el complejo enzimático de la succinato deshidrogenasa, la única enzima del ciclo que tiene como aceptor de hidrógeno al FAD en vez de al NAD+. El FAD es enlazado de modo covalente a la enzima por un residuo de histidina. La enzima se vale del FAD ya que la energía asociada a la reacción no es suficiente para reducir el NAD+.

Reacción 7: Fumarasa (De fumarato a L-malato)

La fumarasa cataliza la adición en trans de un protón y un grupo OH- procedentes de una molécula de agua. La hidratación del fumarato produce L-malato.

Reacción 8: Malato deshidrogenasa (De L-malato a oxalacetato)

La última reacción del ciclo de Krebs consiste en la oxidación del malato a oxalacetato. La reacción, catalizada por la malato deshidrogenasa, utiliza otra molécula de NAD+ como aceptor de hidrógeno, produciendo NADH.

La energía libre de Gibbs asociada con esta última reacción es decididamente positiva, a diferencia de las otras del ciclo. La actividad de la enzima es remolcada por el consumo de oxalacetato por parte de la citrato sintasa, y de NADH por parte de la cadena de transporte de electrones.

La quimiosmosis es la etapa final de la respiracion celular, es la cadena transportadora de electrones la cual esta edificada en la membrana interna de la mitocondria y la sintesis de ATP.

Específicamente, se relaciona con la generación de ATP mediante el movimiento de iones hidrógeno a través de la membrana interna mitocondrial y de la membrana de los tilacoides de los cloroplastos.

Los pliegues presentes en la mitocondria (crestas) aumentan el area de superficie para efectuar el proceso, proporcionandoel espacio para muchas copiasde la cadena de transporte de electrones y muchos complejos de ATP sintasa.

Uno de los productos que se produce en el proceso de la quimiosmosis es el H2O que proviene de cada atomo de O2 que se combina con dos electones y dos moleculas de H2.

La mayoria de las moleculas transportadoras reciden en 3 complejos proteinicos que atraviesan la membrana interna de la mitocondria. Todos los transportadores unen y liberan electrones mediante reacciones redox. Los complejos de proteinas utilizan la energia liberada de los electrones para transportar activamente iones de H+ desde un lado al otro de la membrana.

Los iones de H+ tienden a ser empujados hacia el interior de la matriz a traves de la membran por medio de la energia cinetica de la gradente. Los iones solo pueden pasar a traves de una proteina especial.

A medida que los iones H+ se mueven a traves de esa entrada, su flujo promueve las sintesis del ATP, produciendo asi energia.

Lactica:

El ácido láctico se forma a partir del ácido pirúvico, por acción de una variedad de microorganismos y también por algunas células animales cuando el O₂ es escaso o está ausente
La fermentación láctica es causada por algunos hongos y bacterias. El ácido láctico más importante que producen las bacterias es el lactobacillus.

La presencia del ácido láctico, producido durante la fermentación láctica es responsable del sabor amargo, y de mejorar la estabilidad y seguridad microbiológica del alimento. Este ácido láctico fermentado es responsable del sabor amargo de productos lácteos como el queso, yogurt y el kéfir.

En los musculos en excesiva actividad y con una respiración inadecuada, se produce fermentación, el NADH se oxida y el ácido pirúvico se reduce. Las moléculas de NAD⁺ producidas en esta reacción se reciclan en la secuencia glucolítica. Sin este reciclado, la glucólisis no puede seguir adelante. Esta acumulación de ácido láctico da como resultado dolor y fatiga muscular.

Alcoholica

A la falta de oxígeno, el ácido pirúvico puede convertirse en etanol o ácido láctico según el tipo de célula. La fermentación alcohólica, comienza después de que la glucosa entra en la celda. La glucosa se degrada en un ácido pirúvico. Este ácido pirúvico se convierte luego en CO2 y etanol. Los seres humanos han aprovechado este proceso para hacer pan, cerveza, y vino.

En estos tres productos se emplea el mismo microorganismo que es: la levadura común o lo Saccharomyces cerevisae.

Durante el proceso de fermentación de pan, el azúcar es convertida en alcohol etílico y dióxido de carbono. El dióxido de carbono formará burbujas, que serán atrapadas por el gluten del trigo que causa que el pan se levante. Debido a la rapidez con que se fermenta el pan, se requieren apenas pocas cantidades de alcohol, cuya mayoría se evapora durante el proceso de levitación.

Los responsables de la fermentación alcohólica de los vinos son las Saccharomyces. El jugo de uva contiene altos niveles de azúcar en forma natural. Estos azúcares se transformar en alcohol y dióxido de carbono. La fermentación natural puede producir vino con alcohol de hasta 16 por ciento