LA RESPIRACIÓN CELULAR AERÓBICA Apunte basado en el artículo de Débora Frid: “Metabolismo, ATP y energía”
En las células permanentemente se necesita energía. Esto significa que en todo momento se están “gastando” moléculas de ATP. Por eso se deben formar n uevas moléculas de ATP, para recuperar las que fueron utilizadas. ¿De dónde se obtiene energía para formar ATP? De la degradación de ciertas moléculas a las que llamamos de manera genérica alimento . La mayor parte del ATP se obtiene como resultado de un proceso metabólico llamado respiración celular aeróbica . En las células eucariotas este proceso ocurre en las mitocondrias y en él participa el oxígeno incorporado del medio. La respiración celular incluye una serie de reacciones químicas en las que se libera energía contenida en las moléculas orgánicas de los alimentos. En este proceso, la glucosa y otras moléculas (como por ejemplo otros azúcares y los ácidos grasos) son degradadas, y como resultado se libera la energía que estaba contenida en los enlaces entre sus átomos. Esta energía se aprovecha en buena parte para la formación de moléculas de ATP a partir de moléculas de ADP y grupos fosfato (P) (Figura 1). La energía que no se puede aprovechar se libera al medio en forma de calor. DEGRADACIÓN DEL ALIMENTO
ENERGÍA
ADP + P
ATP Figura 1.
A través de la membrana plasmática entran a la célula numerosas nutrientes, entre ellos la glucosa, que es el principal combustible de todos los seres vivos. La glucosa es degradada d egradada en una serie de etapas, de manera gradual, hasta formar dióxido de carbono, agua y liberar energía, que será empleada en la formación de ATP. El proceso de respiración en el que se degrada completamente una molécula de glucosa se puede resumir con una ecuación general o con un esquema como el de la Figura 2: C6H12O6 + 6 O2 + 36 ADP + 36 P
6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP
UNA MOLÉCULA
6 MOLÉCULAS
6 MOLÉCULAS DE
6 MOLÉCULAS
DE GLUCOSA
DE OXÍGENO
DIÓXIDO DE CARBONO
DE AGUA
FIGURA 2. Esquema que representa la ecuación general de la respiración celular aeróbica. 1
Para estudiar el proceso podemos dividirlo en tres etapas: 1. Glucólisis 2. Descarboxilación del ácido pirúvico y ciclo de Krebs 3. Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa
1. LA GLUCÓLISIS Cada molécula de glucosa, después de una serie de reacciones, se transforma en dos moléculas que contienen tres átomos de carbono cada una: el ácido pirúvico. Si bien en algunas de estas reacciones se necesita invertir energía (a través de la ruptura de moléculas de ATP) también se libera energía que permite formar moléculas de ATP. El resultado neto de esta primera etapa es la formación de dos moléculas de ATP. Otro acontecimiento importante es que la glucosa se desprenden de algunos de sus átomos de hidrógeno (a este fenómeno lo llamamos oxidación ).). Esos átomos son aceptados por moléculas de una sustancia aceptora de hidrógenos denominada NAD (nicotinamida adenin dinucleótido), que se convierte en su forma reducida , el NADH (como veremos más adelante, estas moléculas de NADH participarán más tarde en la última etapa de la respiración celular, la cadena respiratoria). La glucólisis ocurre en el citoplasma de la célula, dado que allí se encuentran las enzimas encargadas de estas reacciones. 2. LA DESCARBOXILACIÓN DEL ÁCIDO PIRÚVICO Y EL CICLO DE KREBS El ácido pirúvico, o piruvato, pasa desde el citoplasma –donde se realizó la glucólisis- al interior de las mitocondrias o matriz mitocondrial (FIGURA 3), donde continúa su transformación. a)
b)
FIGURA 3: a) esquema de una mitocondria. b) microfotografía microfotografía de una mitocondria. En ambas imágenes se puede observar el interior de la organela. En primer lugar el ácido pirúvico, que contiene tres átomos de carbono, es transformado por una enzima de la matriz mitocondrial en una molécula de dos átomos de carbono llamada acetilo, y en una molécula de dióxido de carbono (CO2), que es la que contiene el tercer carbono. Esta es la reacción de descarboxilación del ácido pirúvico. El acetilo formado se combina momentáneamente con un compuesto conocido como coenzima A para continuar su proceso de degradación y oxidación. Esto ocurrirá durante un conjunto de reacciones que constituyen el ciclo de Krebs. Este ciclo es llevado a cabo por varias enzimas que también se encuentran en el interior de la mitocondria. Allí la coenzima A se desprende del acetilo y éste se combina con una 2
molécula de cuatro átomos de carbono, formándose así otra de seis carbonos. Este es el comienzo de un proceso cíclico en el cual se consigue la oxidación total de los dos átomos de carbono del acetilo, cada uno de los cuales se elimina en forma de dióxido de carbono. Al final de esta serie de reacciones se regenera la molécula inicial de cuatro carbonos (Figura 4). acetilo (molécula de 2 carbonos)
molécula de 4 carbonos
molécula de 6 carbonos
molécula de 5 carbonos
CO2
CO2
FIGURA 4: En el ciclo de Krebs se degrada el acetilo y se regeneran las moléculas intermediarias. El CO2 producido en esta etapa –tres moléculas por cada ácido pirúvico que entró en la mitocondria- se libera al exterior de la célula y luego al exterior del organismo. Una parte de la energía liberada en el ciclo de Krebs se usa para formar una molécula de ATP mediante la unión de un ADP y un grupo fosfato. Los átomos de hidrógeno obtenidos en las sucesivas oxidaciones (del ácido pirúvico primero y del acetilo después) se utilizan para formar varias moléculas de NADH (reducido) a partir de moléculas de NAD (oxidado). Recordemos que estamos siguiendo el proceso de degradación de una molécula de glucosa, por lo que todo lo descripto en esta segunda etapa sucede con cada una de las dos moléculas de ácido pirúvico que se formaron en la glucólisis. ¿Qué tenemos hasta acá? En primer lugar notemos que la molécula de glucosa fue degradada por degradada por completo : los seis átomos de carbono que contenía se liberaron en seis moléculas de CO 2 (tres por cada uno de las dos moléculas de ácido pirúvico que se formaron en la glucólisis). También fue oxidada por por completo : todos los átomos de hidrógeno que contenía esa glucosa original ahora están formando parte de los NADH. En cuanto al ATP, podemos decir que hasta ahora se formaron solo cuatro moléculas: dos en la glucólisis y una en cada ciclo de Krebs (dos ciclos por cada glucosa). Todavía no intervino el oxígeno, pero jugará un rol fundamental en la última etapa del proceso.
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3. LA CADENA RESPIRATORIA Y LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA En esta etapa los átomos de hidrógeno “arrancados” a la glucosa y almacenados en moléculas de NADH irán pasando por una serie de transportadores, situados en las crestas de la membrana interna de la mitocondria (ver Figura 3). La disposición de estos transportadores, uno al lado del otro como los eslabones de una cadena, permite que durante ese pasaje se libere una gran cantidad de energía, que se usa para formar muchas moléculas de ATP a partir de ADP y grupos fosfato. Esta reacción de formación de ATP acoplada a la cadena respiratoria se conoce como fosforilación oxidativa , y es la reacción más eficiente de formación de ATP, dado que por cada glucosa que inició el proceso se forman aproximadamente 32 moléculas de ATP 1. Al final de la cadena interviene el oxígeno (O2), que es el último aceptor de los hidrógenos. Al aceptarlos se reduce, formándose moléculas de agua (H2O). Por su parte, como las moléculas de NADH cedieron todos los átomos de hidrógeno que habían capturado, se regeneraron los NAD (oxidados). Estos eventos eventos se representan representan en la Figura Figura 5. De esta manera esta etapa etapa final cumple con dos funciones: por un lado la formación de gran cantidad de ATP, y por otro la regeneración del NAD, necesario para que puedan volver a ocurrir las etapas anteriores.
H2O
NADH H
H
cadena respiratoria
H
NAD
O2 energía
ADP + P
ATP
fosforilación oxidativa
FIGURA 5: El traspaso de átomos de hidrógeno desde las moléculas de NADH hacia las moléculas de oxígeno es un proceso exergónico.
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El químico estadounidense Paul D. Boyer y su colega inglés John E. Walker, investigaron y dilucidaron dilucid aron el mecanismo de la formación de ATP mediante la actividad de la enzima ATPsintetasa, y por este motivo obtuvieron el Premio Nobel de Química Quí mica en el año 1997. El premio fue compartido compar tido con el bioquímico danés Jens C. Skou, quien descubrió la bomba de sodio y potasio, que es la principal enzima ATPasa (consumidora de ATP) en las células. 4
Actividad
A partir de la lectura del apunte: a. ¿Cómo clasificás al proceso de respiración celular aeróbica según la materia? ¿y según la energía? Justificá tus respuestas. b. Para cada una de las tres etapas, armá su ecuación global (sustratos (sustratos productos). c. ¿Por qué se dice que en el proceso la degradación de la glucosa ocurre de manera gradual? Respondé analizando qué ocurre en cada etapa. d. Explicá con tus palabras cuál es el rol del NAD / NADH en este proceso.
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