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18.2: Descripción general de la respiración celular - Biología


Objetivos de aprendizaje

  1. Definir catabolismo y anabolismo y estado exergónico y endergónico.
  2. Definir metabolitos precursores y establecer sus funciones en el metabolismo.
  3. Defina lo siguiente:
    1. respiración celular
    2. aerobio
    3. anaeróbico
  4. Nombra una forma aeróbica y dos anaeróbicas de respiración celular.

Como se mencionó anteriormente, para crecer, funcionar y reproducirse, las células deben sintetizar nuevos componentes celulares como paredes celulares, membranas celulares, ácidos nucleicos, ribosomas, proteínas, flagelos, etc., y recolectar energía y convertirla en una forma que sea utilizable. para hacer trabajo celular.

El catabolismo se refiere al proceso exergónico mediante el cual la energía liberada por la descomposición de compuestos orgánicos como la glucosa puede usarse para sintetizar ATP, la forma de energía requerida para realizar el trabajo celular. El anabolismo es el proceso endergónico que utiliza la energía almacenada en el ATP para sintetizar los componentes básicos de las macromoléculas que forman la célula. Como puede verse, estos dos procesos metabólicos están estrechamente relacionados. Otro factor que vincula las vías catabólicas y anabólicas es la generación de metabolitos precursores. Los metabolitos precursores son moléculas intermedias en las vías catabólicas y anabólicas que pueden oxidarse para generar ATP o pueden usarse para sintetizar subunidades macromoleculares como aminoácidos, lípidos y nucleótidos.

En esta sección nos concentraremos principalmente en recolectar energía y convertirla en energía almacenada en ATP a través del proceso de respiración celular, pero también veremos algunos de los metabolitos precursores clave que se producen durante este proceso.

La respiración celular es el proceso que utilizan las células para convertir la energía de los enlaces químicos de los nutrientes en energía ATP. Dependiendo del organismo, la respiración celular puede ser aeróbica, anaeróbica o ambas. La respiración aeróbica es una vía exergónica que requiere oxígeno molecular (O2). Las vías exergónicas anaeróbicas no requieren oxígeno e incluyen la respiración anaeróbica y la fermentación. Ahora veremos estos tres caminos.

Resumen

  1. El catabolismo se refiere al proceso exergónico mediante el cual la energía liberada por la descomposición de compuestos orgánicos como la glucosa puede usarse para sintetizar ATP, la forma de energía requerida para realizar el trabajo celular.
  2. El anabolismo es el proceso endergónico que utiliza la energía almacenada en el ATP para sintetizar los componentes básicos de las macromoléculas que forman la célula.
  3. Los metabolitos precursores son moléculas intermedias en las vías catabólicas y anabólicas que pueden oxidarse para generar ATP o pueden usarse para sintetizar subunidades macromoleculares como aminoácidos, lípidos y nucleótidos.
  4. La respiración celular es el proceso que utilizan las células para convertir la energía de los enlaces químicos de los nutrientes en energía ATP.
  5. La respiración aeróbica es una vía exergónica que requiere oxígeno molecular (O2).
  6. Las vías exergónicas anaeróbicas no requieren oxígeno e incluyen la respiración anaeróbica y la fermentación.

Introducción

La planta de energía eléctrica de la figura 7.1 convierte la energía de una forma a otra que se puede utilizar más fácilmente. Este tipo de planta generadora parte de energía térmica subterránea (calor) y la transforma en energía eléctrica que será transportada a hogares y fábricas. Como una planta generadora, las plantas y los animales también deben tomar energía del medio ambiente y convertirla en una forma que sus células puedan utilizar. La masa y su energía almacenada ingresan al cuerpo de un organismo en una forma y se convierten en otra forma que puede alimentar las funciones vitales del organismo. En el proceso de fotosíntesis, las plantas y otros productores fotosintéticos toman energía en forma de luz (energía solar) y la convierten en energía química en forma de glucosa, que almacena esta energía en sus enlaces químicos. Luego, una serie de vías metabólicas, denominadas colectivamente respiración celular, extraen la energía de los enlaces de la glucosa y la convierten en una forma que todos los seres vivos pueden utilizar.

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    • Autores: Mary Ann Clark, Matthew Douglas, Jung Choi
    • Editor / sitio web: OpenStax
    • Título del libro: Biología 2e
    • Fecha de publicación: 28 de marzo de 2018
    • Ubicación: Houston, Texas
    • URL del libro: https://openstax.org/books/biology-2e/pages/1-introduction
    • URL de la sección: https://openstax.org/books/biology-2e/pages/7-introduction

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    Glucólisis

    La glucólisis es una vía metabólica que tiene lugar en el citosol de las células de todos los organismos vivos. Esta vía puede funcionar con o sin presencia de oxígeno. Las condiciones aeróbicas producen piruvato y las condiciones anaeróbicas producen lactato. En condiciones aeróbicas, el proceso convierte una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato (ácido pirúvico), generando energía en forma de dos moléculas netas de ATP. En realidad, se producen cuatro moléculas de ATP por glucosa, sin embargo, dos se consumen como parte de la fase preparatoria. Se requiere la fosforilación inicial de la glucosa para aumentar la reactividad (disminuir su estabilidad) para que la molécula sea escindida en dos moléculas de piruvato por la enzima Aldolasa. Durante la fase de pago de la glucólisis, cuatro grupos fosfato se transfieren al ADP mediante fosforilación a nivel de sustrato para producir cuatro ATP, y se producen dos NADH cuando se oxida el piruvato. La reacción general se puede expresar de esta manera:

    Glucosa + 2 NAD + + 2 Pi + 2 ADP → 2 piruvato + 2 NADH + 2ATP + 2 H + + 2 H2O + calor

    Comenzando con glucosa, se usa 1 ATP para donar un fosfato a glucosa para producir glucosa 6-fosfato. El glucógeno también puede transformarse en glucosa 6-fosfato con la ayuda de la glucógeno fosforilasa. Durante el metabolismo energético, la glucosa 6-fosfato se convierte en fructosa 6-fosfato. Se usa un ATP adicional para fosforilar la fructosa 6-fosfato en fructosa 1,6-difosfato con la ayuda de la fosfofructoquinasa. La fructosa 1,6 difosfato luego se divide en dos moléculas fosforiladas con tres cadenas de carbono que luego se degradan en piruvato.

    Fuera del citoplasma, entra en el ciclo de Krebs donde se encuentra el acetil CoA. Luego se mezcla con CO2 y produce 2 ATP, NADH y FADH. A partir de ahí, el NADH y FADH pasan a la NADH reductasa, que produce la enzima. El NADH tira de los electrones de la enzima para enviarlos a través de la cadena de transporte de electrones. La cadena de transporte de electrones tira de los iones H + a través de la cadena. De la cadena de transporte de electrones, los iones de hidrógeno liberados producen ADP para un resultado final de 32 ATP. 02 se atrae al electrón sobrante para producir agua. Por último, el ATP sale por el canal de ATP y sale de las mitocondrias.

    ¿Qué sucede con la energía almacenada en la glucosa durante la fotosíntesis? ¿Cómo utilizan los seres vivos esta energía almacenada? La respuesta es respiración celular. Este proceso libera la energía de la glucosa para producir ATP (trifosfato de adenosina), la molécula que impulsa todo el trabajo de las células.

    Etapas de la respiración celular

    La respiración celular implica muchas reacciones químicas. Las reacciones se pueden resumir en esta ecuación:

    Las reacciones de la respiración celular se pueden agrupar en tres etapas: glucólisis (etapa 1), el ciclo de Krebs, también llamado el ciclo del ácido cítrico (etapa 2), y transporte de electrones (etapa 3). Figura a continuación se ofrece una descripción general de estas tres etapas, que se analizan con más detalle en los conceptos que siguen. La glucólisis ocurre en el citoplasma de la célula y no requiere oxígeno, mientras que el ciclo de Krebs y el transporte de electrones ocurren en las mitocondrias y sí requieren oxígeno.

    La respiración celular tiene lugar en las etapas que se muestran aquí. El proceso comienza con una molécula de glucosa, que tiene seis átomos de carbono. ¿Qué le sucede a cada uno de estos átomos de carbono?

    Estructura de la mitocondria: clave para la respiración aeróbica

    La estructura de la mitocondria es clave para el proceso de aerobio (en presencia de oxígeno) la respiración celular, especialmente el ciclo de Krebs y el transporte de electrones. Un diagrama de una mitocondria se muestra en Figura debajo.

    La estructura de una mitocondria está definida por una membrana interna y externa. Esta estructura juega un papel importante en la respiración aeróbica.

    Como puedes ver en Figura arriba, una mitocondria tiene una membrana interna y externa. El espacio entre la membrana interna y externa se llama espacio intermembrana. El espacio encerrado por la membrana interna se llama matriz. La segunda etapa de la respiración celular, el ciclo de Krebs, tiene lugar en la matriz. La tercera etapa, el transporte de electrones, tiene lugar en la membrana interna.


    El primer paso de la respiración celular en todas las células vivas es la glucólisis, que puede tener lugar sin la presencia de oxígeno molecular. Si hay oxígeno presente en la célula, la célula puede posteriormente aprovechar la respiración aeróbica a través del ciclo de TCA para producir mucha más energía utilizable en forma de ATP que cualquier vía anaeróbica. Sin embargo, las vías anaeróbicas son importantes y son la única fuente de ATP para muchas bacterias anaeróbicas. Las células eucariotas también recurren a vías anaeróbicas si su suministro de oxígeno es bajo. Por ejemplo, cuando las células musculares están trabajando muy duro y agotan su suministro de oxígeno, utilizan la vía anaeróbica hacia el ácido láctico para continuar proporcionando ATP para la función celular.

    La glucólisis en sí produce dos moléculas de ATP, por lo que es el primer paso de la respiración anaeróbica. El piruvato, el producto de la glucólisis, se puede utilizar en la fermentación para producir etanol y NAD + o para la producción de lactato y NAD +. La producción de NAD + es crucial porque la glucólisis lo requiere y cesaría cuando se agotara su suministro, lo que provocaría la muerte celular. A continuación se muestra un esquema general de los pasos anaeróbicos. Sigue la organización de Karp.

    La respiración anaeróbica (tanto la glucólisis como la fermentación) tiene lugar en la parte líquida del citoplasma, mientras que la mayor parte del rendimiento energético de la respiración aeróbica tiene lugar en las mitocondrias. La respiración anaeróbica deja mucha energía en las moléculas de etanol o lactato que las células musculares no pueden utilizar y deben excretar. Una porción del lactato llegará al hígado a través del torrente sanguíneo y puede volver a convertirse en glucosa a través del ciclo de Cori. El etanol puede ser metabolizado por el hígado, pero es un precursor deficiente de la gluconeogénesis y puede provocar hipoglucemia.


    Resumen de la sección

    La respiración celular se controla mediante una variedad de medios. La entrada de glucosa en una célula está controlada por las proteínas de transporte que ayudan al paso de la glucosa a través de la membrana celular. La mayor parte del control de los procesos respiratorios se logra mediante el control de enzimas específicas en las vías. Este es un tipo de mecanismo de retroalimentación negativa que apaga las enzimas. Las enzimas responden con mayor frecuencia a los niveles de nucleósidos disponibles ATP, ADP, AMP, NAD + y FAD. Otros intermediarios de la vía también afectan a ciertas enzimas en los sistemas.


    Métodos en el metabolismo del metano, Parte B: Metanotrofia

    Michael C. Konopka,. Mary E. Lidstrom, en Métodos en enzimología, 2011

    2.3.1 Resumen

    Recientemente, se desarrolló un sistema para medir las tasas de respiración unicelular de células eucariotas en un microscopio (Molter et al., 2009). Cuenta con una serie de micropocillos en los que se siembran células individuales, cada uno de los cuales contiene una porfirina de platino que se utiliza para medir la concentración de oxígeno mediante determinaciones de la vida útil de la fosforescencia. Los pocillos se sellan por difusión con una tapa bajo carga y el consumo de oxígeno se mide a lo largo del tiempo (figura 10.5). Adaptar los pozos y los procedimientos para tener en cuenta el tamaño más pequeño y las tasas de respiración de las bacterias proporciona otro método para utilizar la respiración en el análisis de células individuales. El consumo real de oxígeno por una sola célula se mide directamente, en contraposición a una medición indirecta en cultivos a granel. Muchos de los detalles experimentales se han descrito para el sistema eucariota, por lo que aquí destacamos algunas de las principales diferencias para el sistema utilizado para las bacterias, así como los resultados de las células cultivadas en cultivo puro.

    Figura 10.5. Cámara de microobservación para detección de respiración. (A) El inserto de la cámara de microobservación es parte de una placa de platina que puede colocarse en cualquier platina diseñada para placas de micropocillos. Una tapa unida a un pistón bajará para sellar los pozos en el chip con presión. (B y C) La placa de la platina (1) tiene una ventana (6) que permite la observación con un objetivo de microscopio. La cámara de microobservación (2) está centrada sobre la ventana. Un soporte (5) ayuda a mantener el chip (4) en su lugar cuando la tapa (3) baja para sellar la matriz de micropocillos. (D) Cada chip tiene 16 matrices en una disposición de 4 × 4. Cada matriz es una disposición de micropocillos de 4 × 4 en una meseta elevada sobre el resto del chip para ayudar a sellar los micropocillos. Cada micropocillo tiene aproximadamente 2 pl de volumen y contiene la porfirina de platino que actúa como sensor de oxígeno. (E) Ejemplo de Metilomonas sp. Células LW13 marcadas con FM1-43 para mostrar los pocillos que contienen células individuales.


    Biología 171

    Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

    • Describir cómo la inhibición por retroalimentación afectaría la producción de un intermedio o producto en una vía.
    • Identificar el mecanismo que controla la tasa de transporte de electrones a través de la cadena de transporte de electrones.

    Respiración celular deben regularse para proporcionar cantidades equilibradas de energía en forma de ATP. La célula también debe generar una serie de compuestos intermedios que se utilizan en el anabolismo y catabolismo de macromoléculas. Sin controles, las reacciones metabólicas se detendrían rápidamente a medida que las reacciones hacia adelante y hacia atrás alcanzaran un estado de equilibrio. Los recursos se utilizarían de manera inapropiada. Una célula no necesita la cantidad máxima de ATP que puede producir todo el tiempo: a veces, la célula necesita derivar algunos de los intermediarios a vías para la producción de aminoácidos, proteínas, glucógeno, lípidos y ácidos nucleicos. En resumen, la célula necesita controlar su metabolismo.

    Mecanismos regulatorios

    Se utiliza una variedad de mecanismos para controlar la respiración celular. Existe algún tipo de control en cada etapa del metabolismo de la glucosa. El acceso de la glucosa a la célula se puede regular mediante las proteínas GLUT (transportador de glucosa) que transportan la glucosa ((Figura)). Diferentes formas de la proteína GLUT controlan el paso de la glucosa a las células de tejidos específicos.


    Algunas reacciones se controlan con dos enzimas diferentes, una para cada una de las dos direcciones de una reacción reversible. Las reacciones que son catalizadas por una sola enzima pueden llegar al equilibrio, deteniendo la reacción. Por el contrario, si dos enzimas diferentes (cada una específica para una dirección determinada) son necesarias para una reacción reversible, la oportunidad de controlar la velocidad de la reacción aumenta y no se alcanza el equilibrio.

    Varias enzimas involucradas en cada una de las vías, en particular, la enzima que cataliza la primera reacción comprometida de la vía, se controlan mediante la unión de una molécula a un sitio alostérico de la proteína. Las moléculas más comúnmente utilizadas en esta capacidad son los nucleótidos ATP, ADP, AMP, NAD + y NADH. Estos reguladores, efectores alostéricos, pueden aumentar o disminuir la actividad enzimática, según las condiciones predominantes. El efector alostérico altera la estructura estérica de la enzima, por lo general afectando la configuración del sitio activo. Esta alteración de la estructura de la proteína (la enzima) aumenta o disminuye su afinidad por su sustrato, con el efecto de aumentar o disminuir la velocidad de la reacción. Las señales de unión a la enzima. Esta unión puede aumentar o disminuir la actividad de la enzima, proporcionando un mecanismo de retroalimentación. Este tipo de control de retroalimentación es efectivo siempre que el químico que lo afecta esté unido a la enzima. Una vez que la concentración general de la sustancia química disminuye, se difunde lejos de la proteína y el control se relaja.

    Control de vías catabólicas

    Las enzimas, las proteínas, los transportadores de electrones y las bombas que intervienen en la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico y la cadena de transporte de electrones tienden a catalizar reacciones irreversibles. En otras palabras, si tiene lugar la reacción inicial, la vía se compromete a continuar con las reacciones restantes. La liberación de una actividad enzimática en particular depende de las necesidades energéticas de la célula (como se refleja en los niveles de ATP, ADP y AMP).

    Glucólisis

    El control de la glucólisis comienza con la primera enzima de la vía, la hexoquinasa ((Figura)). Esta enzima cataliza la fosforilación de la glucosa, lo que ayuda a preparar el compuesto para la escisión en un paso posterior. La presencia del fosfato cargado negativamente en la molécula también evita que el azúcar salga de la célula. Cuando se inhibe la hexoquinasa, la glucosa se difunde fuera de la célula y no se convierte en un sustrato para las vías respiratorias en ese tejido. El producto de la reacción de la hexoquinasa es la glucosa-6-fosfato, que se acumula cuando se inhibe una enzima posterior, la fosfofructoquinasa.


    La fosfofructoquinasa es la principal enzima controlada en la glucólisis. Los niveles altos de ATP o citrato o un pH más bajo y ácido disminuyen la actividad de la enzima. Puede ocurrir un aumento en la concentración de citrato debido a un bloqueo en el ciclo del ácido cítrico. La fermentación, con su producción de ácidos orgánicos como el ácido láctico, con frecuencia explica el aumento de la acidez en una célula; sin embargo, los productos de la fermentación no suelen acumularse en las células.

    El último paso de la glucólisis es catalizado por la piruvato quinasa. El piruvato producido puede proceder a ser catabolizado o convertido en el aminoácido alanina. Si no se necesita más energía y hay un suministro adecuado de alanina, la enzima se inhibe. La actividad de la enzima aumenta cuando aumentan los niveles de fructosa-1,6-bisfosfato. (Recuerde que la fructosa-1,6-bisfosfato es un intermedio en la primera mitad de la glucólisis). La regulación de la piruvato quinasa implica la fosforilación por una quinasa (piruvato quinasa), lo que da como resultado una enzima menos activa. La desfosforilación por una fosfatasa la reactiva. La piruvato quinasa también está regulada por ATP (un efecto alostérico negativo).

    Si se necesita más energía, más piruvato se convertirá en acetil CoA a través de la acción de la piruvato deshidrogenasa. Si se acumulan grupos acetilo o NADH, hay menos necesidad de reacción y la velocidad disminuye. La piruvato deshidrogenasa también está regulada por fosforilación: una quinasa la fosforila para formar una enzima inactiva y una fosfatasa la reactiva. La quinasa y la fosfatasa también están reguladas.

    Ciclo del ácido cítrico

    El ciclo del ácido cítrico se controla a través de las enzimas que catalizan las reacciones que producen las dos primeras moléculas de NADH (Revisión). Estas enzimas son isocitrato deshidrogenasa y α-cetoglutarato deshidrogenasa. Cuando se dispone de niveles adecuados de ATP y NADH, las tasas de estas reacciones disminuyen. Cuando se necesita más ATP, como se refleja en el aumento de los niveles de ADP, la tasa aumenta. La alfa-cetoglutarato deshidrogenasa también se verá afectada por los niveles de succinil CoA, un intermedio posterior del ciclo, lo que provocará una disminución de la actividad. Una disminución en la tasa de operación de la vía en este punto no es necesariamente negativa, ya que el aumento de los niveles de la vía αEl cetoglutarato no utilizado por el ciclo del ácido cítrico puede ser utilizado por la célula para la síntesis de aminoácidos (glutamato).

    Cadena de transporte de electrones

    Las enzimas específicas de la cadena de transporte de electrones no se ven afectadas por la inhibición por retroalimentación, pero la tasa de transporte de electrones a través de la vía se ve afectada por los niveles de ADP y ATP. Un mayor consumo de ATP por una célula está indicado por una acumulación de ADP. A medida que disminuye el uso de ATP, la concentración de ADP disminuye y ahora, el ATP comienza a acumularse en la célula. Este cambio en la concentración relativa de ADP a ATP hace que la célula ralentice la cadena de transporte de electrones.

    Vea más sobre la cadena de transporte de electrones y la síntesis de ATP viendo Electron Transport Chain: The Movie (Flash interactivo, video)

    Para obtener un resumen de los controles de retroalimentación en la respiración celular, consulte la (Figura).

    Resumen de los controles de retroalimentación en la respiración celular
    Ruta Enzima afectada Niveles elevados de efector Efecto sobre la actividad de la vía
    glucólisis hexoquinasa glucosa-6-fosfato disminución
    fosfofructoquinasa carga de baja energía (ATP, AMP), fructosa-6-fosfato a través de fructosa-2,6-bisfosfato incrementar
    carga de alta energía (ATP, AMP), citrato, pH ácido disminución
    piruvato quinasa fructosa-1,6-bisfosfato incrementar
    carga de alta energía (ATP, AMP), alanina disminución
    conversión de piruvato a acetil CoA piruvato deshidrogenasa ADP, piruvato incrementar
    acetil CoA, ATP, NADH disminución
    ciclo del ácido cítrico isocitrato deshidrogenasa ADP incrementar
    ATP, NADH disminución
    α-cetoglutarato deshidrogenasa iones de calcio, ADP incrementar
    ATP, NADH, succinil CoA disminución
    cadena de transporte de electrones ADP incrementar
    ATP disminución

    Resumen de la sección

    La respiración celular se controla mediante una variedad de medios. La entrada de glucosa en una célula está controlada por las proteínas de transporte que ayudan al paso de la glucosa a través de la membrana celular. La mayor parte del control de los procesos respiratorios se logra mediante el control de enzimas específicas en las vías. Este es un tipo de mecanismo de retroalimentación negativa que apaga las enzimas. Las enzimas responden con mayor frecuencia a los niveles de nucleósidos disponibles ATP, ADP, AMP, NAD + y FAD. Otros intermediarios de la vía también afectan a ciertas enzimas en los sistemas.

    Respuesta libre

    ¿Cómo afecta el citrato del ciclo del ácido cítrico a la glucólisis?

    El citrato puede inhibir la fosfofructoquinasa mediante regulación por retroalimentación.

    ¿Por qué los mecanismos de retroalimentación negativa podrían ser más comunes que los mecanismos de retroalimentación positiva en las células vivas?

    Los mecanismos de retroalimentación negativa en realidad controlan un proceso que puede apagarlo, mientras que la retroalimentación positiva acelera el proceso, permitiendo que la célula no lo controle. La retroalimentación negativa mantiene naturalmente la homeostasis, mientras que la retroalimentación positiva aleja al sistema del equilibrio.

    Glosario


    Respiración anaerobica

    Respiración anaeróbica (Fuente: Wikimedia) Este proceso ocurre como la reacción celular típica (la misma vía glicolítica y del ciclo de Krebs) pero solo difiere porque es utilizado por organismos como bacterias y arqueas donde el oxígeno no es el aceptor final de electrones. Más bien, estos organismos utilizan sulfatos o nitratos en su lugar.
    • Es importante tener en cuenta que si bien tanto la fermentación como los anaeróbicos ocurren en ausencia de oxígeno, la primera es solo una alternativa y extiende la glucólisis para producir energía, mientras que la segunda usa otras moléculas para completar el ciclo, ya que el organismo morirá en presencia de oxígeno. .
    • A diferencia de la respiración aeróbica que ocurre en las mitocondrias, la respiración aeróbica ocurre en el citosol.
    • El proceso de respiración anaeróbica genera solo 2 ATP por molécula de glucosa.

    Mirando hacia atrás en el proceso general, será evidente que los seres vivos deberían producir ATP, que a su vez impulsa todas las actividades metabólicas y de los organismos. Además, toda la ruta de la ecuación de la respiración celular es tan precisa que no puede continuar si falta una sola molécula o enzima. Imagínense la confusión metabólica si no es así.


    Ver el vídeo: BIOLOGÍA - Fotosíntesis y respiración celular CICLO FREE (Enero 2022).