¡Descarga Respiración celular ~ y más Diapositivas en PDF de Biología solo en Docsity!
1 Glucólisis
1.1 INTRODUCCIÓN A LA GLUCÓLISIS
La respiración celular involucra la producción de ATP usando la energía liberada por la oxidación de la glucosa, grasa y otras sustancias. Si la glucosa es el sustrato, la primera etapa de la respiración celular es una ruta metabólica llamada glucólisis. La ruta es catalizada por enzimas en el citoplasma. La glucosa se oxida parcialmente en la ruta y produce una pequeña cantidad de ATP. Se realiza oxidación parcial sin el uso de oxígeno, de modo que la glucólisis pueda formar parte de la respiración aeróbica y anaeróbica.
1.2 LA OXIDACIÓN Y LA REDUCCIÓN EN LA RESPIRACÓN CELULAR
La respiración cellar involucra muchas reacciones de oxidación y reducción. La tabla (abajo) compara la forma en las cuales las sustancias químicas se pueden oxidar y reducir.
Comparación de oxidación y reducción Reacciones de oxidación Reacciones de reducción Adición de átomos de oxígeno a una sustancia.
Remoción de átomos de oxígeno desde una sustancia. Remoción de átomos de hidrógeno desde una sustancia.
Adición de átomos de hidrógeno a una sustancia. Pérdida de electrones desde una sustancia.
Adición de electrones a una sustancia.
Los transportadores de hidrógeno aceptan los átomos de hidrógeno removidos desde sustancias en la respiración celular. El transportador de hidrógeno más comúnmente usado es el NAD+^ (nicotinamida adenina dinucleótido). Los átomos de hidrógeno contienen un protón y un electrón. Cuando los átomos de hidrógeno son removidos desde una sustancia respiratoria, el NAD+^ acepta los electrones desde los átomos y los protones desde uno de ellos.
NAD+^ + 2H NADH + H+
La tabla (abajo) muestra ecuaciones para algunos de los cambios químicos que son parte de la respiración celular. Es posible usar la información de la tabla (arriba) para deducir si cada uno de ellos es una oxidación, una reducción o ambas.
Ejemplos de oxidaciones y reducciones en respiración celular Fe3+^ + electrón Fe2+ Fe2+^ Fe3+^ + electrón succinato + FAD fumarato + FADH 2 malato + NAD+^ oxaloacetato + NADH + H+ piruvato + NADH + H+^ lactato + NAD+
1.3 RESUMEN DE LA GLUCÓLISIS
Una glucosa se convierte en dos piruvatos. Dos moléculas de ATP son usadas por glucosa, pero se producen cuatro, de modo que hay una producción total de dos moléculas de ATP. Dos NAD
son convertidos en dos NADH + H
Hexosa bifosfato
2 ATP 2 ATP
Fosforilación
Etapas de la glucólisis Hexosa (glucosa)
Lisis
Oxidación
Formación de ATP
2 moléculas de piruvato
2 moléculas de triosa fosfato
2 NAD+ 2 NADH + H+
4 ADP
4 ATP
1.3 LA CONVERSIÓN DE GLUCOSA EN PIRUVATO EN LA GLUCÓLISIS
Hay Cuatro e tapas principales en la glucólisis:
- Dos grupo fosfato son agregados a una molécula de glucosa para formar hexosa bifosfato. La adición de un grupo fosfato se llama fosforilación. Dos moléculas de ATP dan los grupos de fosfato. La fosforilación aumenta el nivel de energía de la hexosa y esto hace posible las reacciones subsecuentes.
- Glucosa bifosfato se rompe ara formar dos moléculas de triosa fosfato. El rompimiento de moléculas se llama lisis.
- Dos átomos de hidrógeno son removidos de cada molécula triosa fosfato. Esto es una oxidación. La energía liberada por la oxidación es usada para unir a otro grupo fosfato, produciendo un compuesto de 3 carbonos llevando 2 grupos fosfato. NAD + es el transportador de hidrógeno que capta a los átomos de hidrógeno.
- El piruvato se forma por la remoción de dos grupos fosfato y pasándolos a ADP. Esto resulta en la formación de ATP.
La figura (a la derecha) muestra las etapas principales de la glucólisis.
2 El Ciclo de Krebs
Las enzimas en la matriz de la mitocondria catalizan un ciclo de reacciones llamado el ciclo de Krebs. Estas reacciones sólo pueden ocurrir si el oxígeno está disponible y asó sin parte de la
respiración celular aeróbica, pero no de la anaeróbica.
2.1 EL ROL CENTRAL DE LA ACETIL COA EN EL METABOLISMO
Los grupos acetil (CH 3 CO) son el sustrato usado en el ciclo de Krebs. Un transportador llamado CoA (coenzima A) capta los grupos acetil producidos en el metabolismo y los lleva para ser usados en el ciclo.
Grupo acetil + CoA acetil CoA
El ATP es producido directamente en una de las reacciones. Esta reacción es fosforilación a nivel de sustrato. La figura (abajo) es un síntesis del ciclo de Krebs.
3 Fosforilación Oxidativa
3.1 LA CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES
La cadena de transporte de electrones es una serie carriers de electrones, ubicados en la membrana interna de la mitocondria. El NADH almacena dos electrones en el primer carrier de la cadena. Los electrones vienen desde las reacciones de oxidación en etapas tempranas de respiración celular. Los dos electrones pasan a lo largo de la cadena de carriers debido a que pierden energía cada vez que pasan desde un carrier a otro. A tres puntos lo largo de la cadena energía suficiente es liberado por el ATP para hacer por la ATP sintetasa. Como esta producción de ATP deriva en energía liberada por la oxidación, es llamada fosforilación oxidativa. La ATP sintetasa también se ubica en la membrana mitocondrial interna. El FADH 2 también alimenta electrones en la cadena de transporte de electrones, pero a una etapa ligeramente más tardía que el NADH y a sólo dos etapas es suficiente energía liberada para la producción de ATP por los electrones desde el FADH 2.
3.2 EL ROL DEL OXÍGENO
Al término de la cadena del transporte de electrones los electrones son dados al oxígeno. Al mismo tiempo el oxígeno acepta iones hidrógeno, para formar agua. Esto sucede en la matriz, en la superficie de la membrana interna. Esto es solamente la etapa en la cual el oxígeno es usado en la respiración celular. Si no hay oxígeno disponible, el flujo de electrones a lo largo de cadena de transporte de electrones se detiene el NADH + H+^ no pueden ser convertidos en NAD+^. Los suministros de NAD+^ en la mitocondria se liberan y la reacción de síntesis y el ciclo de Krebs no pueden continuar. La glucólisis puede continuar porque la conversión de piruvato en lactato o etanol y dióxido de carbono produce tanto NAD+^ como el usado en la glucólisis. Sin embargo, mientras la respiración celular aeróbica da una cantidad aproximada a las 30 moléculas de ATP por glucosa, la glucólisis produce sólo dos. De esta manera el oxígeno incrementa enormemente el suministro de ATP.
Resumen del ciclo de Krebs acetil CoA CoA
oxaloacetato (C 4 )
NADH + H+
NAD +
FADH 2 FAD
ATP ADP
CO 2
NADH + H+
NAD + NADH + H
CO 2
NAD +
citrato (C 6 )
C 4
C 5
La figura (abajo) muestra la cadena de transporte de electrones y el rol del oxígeno como el aceptor final de electrones.
3.3 EL PASO DESDE EL TRANSPORT E DE ELECTRONES A LA SÍNTESIS DE ATP
La energía liberada en el paso de electrones a lo largo de la cadena de transporte de electrones es usada para bombear protones (H+) a través de la membrana mitocondrial interna en el espacio entre las membranas internas y externas. Se forma un gradiente de concentración, que un almacén de energía potencial. La ATP sintetasa, ubicada en la membrana mitocondrial interna, transporta a los protones de regreso a través de la membrana bajo el gradiente de concentración. A medida que los protones pasan a través de la membrana liberan energía y ésta es usada por la ATP sintetasa para producir ATP. La transición desde la síntesis de ATP al transporte de electrones vía gradiente de concentración de protones es llamada quimiosmosis. La figura (a la derecha) muestra algunas características de la ATP sintetasa.
Matriz de la mitocondria
Membrana mitocondrial interna
Espacio entre las membranas interna y externa
La cadena de transporte de electrones de la mitocondria
NADH
NAD
2e-
H+
2e-
H+
2e-
H+
2e-
½ O 2 + 2H+
2e-
H 2 O
H+
H+
Estructura de la ATP sintetasa
H+
H+
El movimiento de H+ a través de la membrana causa que esta parte de la ATP sintetasa rote. Esta rotación conduce a la producción de ATP.
ADP + P
ATP
El ADP es fosforilado a ATP en tres sitios activos idénticos
Estas partes de la ATP sintetasa están en una posición fija.
Membrana mitocondrial interna
5 Luz y Fotosíntesis
La fotosíntesis es el proceso que las plantas, algas y algunas bacterias usan para producir todos los compuestos orgánicos que necesitan. La fotosíntesis involucra muchas reacciones químicas. Algunas de ellas necesitan un suministro continuo de luz y también son llamadas reacciones dependientes de la luz. Otras reacciones necesitan luz indirectamente, pero pueden permanecer por algún tiempo en la oscuridad. Éstas son llamadas reacciones independientes de la luz. La glucosa, los aminoácidos y otros compuestos orgánicos se producen en las reacciones independientes. Las reacciones dependientes de luz producen compuestos intermedios que son usados en las reacciones independientes de luz. En la oscuridad estos compuestos intermedios son gradualmente consumidos.
5.1 EL ESPECTRO DE ACCIÓN DE LA FOTOSÍNTESIS
Un espectro es un rango de longitudes de onda de radiación electromagnética. El espectro de luz es el rango de longitudes de onda desde 400 nm hasta 700 nm. Cada longitud de onda es un color puro de luz:
400-525 violeta-azul 525-625 verde-amarillo 625-700 naranjo-rojo
La eficiencia de la fotosíntesis no es la misma en todas las longitudes de onda de luz. La eficiencia es el porcentaje de luz de una longitud de onda que es usada en la fotosíntesis. La figura (arriba a la derecha) es un gráfico que muestra el porcentaje de uso de las longitudes de onda de luz en la fotosíntesis. Este gráfico es llamado espectro de acción de la fotosíntesis. El gráfico muestra
que la luz violeta y azul son usadas con mayor eficacia y la luz roja también es usada eficientemente. La luz verde es usada con mucha menor eficiencia.
5.2 EL ESPECTRO DE ABSORCIÓN DE LOS PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS
El espectro de acción de la fotosíntesis se explica considerando las propiedades de la absorción de luz de los pigmentos fotos intéticos. La mayoría de los pigmentos absorben algunas longitudes de onda mejor que otras. La figura (a la derecha) muestra el porcentaje de las longitudes de onda de luz visible que son absorbidas por dos formas comunes de clorofila. Este gráfico se llama espectro de absorción de estos elementos. El gráfico muestra fuertes
similitudes con el espectro de acción para la fotosíntesis.
? La mayor absorción ocurre en el rango violeta-azul. ? También hay un nivel de absorción alto en el rango rojo del espectro. ? Hay una menor absorción en el rango amarillo-verde del espectro. La mayor parte de esta luz se refleja.
6 Reacciones Dependientes de la Luz
6.1 ABSORCIÓN DE LUZ
La clorofila absorbe la luz y la energía desde que la luz libera un electrón en la molécula de clorofila a un nivel alto de energía. El electrón a un nivel energético alto es un electrón excitado y la clorofila es fotoactivada. En simples moléculas de clorofila el electrón excitado pronto baja a su nivel original, reemitiendo la energía. La clorofila se ubica en las membranas tilacoides y se organiza en grupos de cientos de cientos de moléculas, llamados fotosistemas. Hay dos tipos de fotosistemas, los fotosistemas I y II. Los electrones excitados desde la absorción de fotones de luz en cualquier lugar del fotosistema han pasado de molécula a molécula hasta que encuentran una molécula de clorofila especial en la reacción central del fotosistema. Esta clorofila pasa el electrón excitado a una cadena de transportadores de electrones.
6.2 PRODUCCIÓN DE ATP
Un electrón excitado desde la reacción central del fotosistema II es pasado a lo largo de la cadena de carriers en la membrana tilacoidal (más abajo). Pierde un poco de su energía cada vez que pasa desde un carrier al próximo. En una etapa, es liberada suficiente energía para hacer una molécula de ATP. La transición del transporte de electrones a la síntesis de ATP es mediante quimiosmosis, al igual que en la mitocondria. El flujo de electrones causa que un protón sea empujado a través de la membrana tilacoidal en el fluido ubicado dentro del tilacoide. Se crea un gradiente de protones. La ATP sintetasa, ubicadas en las membranas tilacoidales, deja que los protones bajen el gradiente de concentración a través de las membranas y usen la energía liberada para sintetizar ATP. La producción de ATP usando la energía desde un electrón excitado del fotosistema II se llama fotofosforilación no cíclica. En la página XX se muestra un método alternativo de fotofosforilación.
Algunas algas contienen grandes cantidades de pigmentos accesorios. Por ejemplo, el luche ( Laminaria saccharina ) contiene caroteno y fucoxantina en adición a la clorofila y también puede absorber y usar todas las longitudes de onda de luz con la misma eficacia en la fotosíntesis. El gráfico
Hay algunas diferencias entre el espectro de acción y el espectro de absorción. Mientras se absorbe poca luz por la clorofila en el rango verde-amarillo, hay poca fotosíntesis. Esto se debe a los pigmentos accesorios, incluyendo xantofila y caroteno, los cuales absorben longitudes de onda que no puede la clorofila.
a la a derecha muestra la acción y el espectro de absorción para el luche. El color del luche puede deducirse desde los datos.
7 Reacciones Independientes de la Luz
7.1 EL CICLO DE KALVIN
Las reacciones independientes de luz tienen lugar en el estroma del cloroplasto. La primera reacción involucra un azúcar de cinco carbonos, ribulosa bifosfato (RuBP). La RuBP también es un producto de las reacciones independientes de luz, las cuales además forman un ciclo, el ciclo de Calvin. Hay muchos nombres alternativos para los compuestos intermedios en el ciclo de Calvin. El glicerato-3-fosfato algunas veces también es llamado 3-fosfoglicerato. El glicerato- 3-fosfato a veces se abrevia como GP, lo cual puede ser confundido gliceraldehído-3-fosfato, que es una forma de triosa fosfato o con glucosa fosfato. La abreviación GP debería ser evitada.
7.2 LA FIJACIÓN DE CARBONO
El dióxido de carbono es un sustrato esencial en las reacciones independientes de luz. Éste entra a la clorofila por difusión. En el estroma del cloroplasto el dióxido decarbono se combina con la ribulosa bifosfato (RuBP), un azúcar de cinco carbonos, en una reacción de carboxilación. La reacción es catalizada por la enzima ribulosa bifosfato carbixilasa, usualmente llamada rubisco. Se presentan grandes cantidades de rubisco en el estroma, debido a que trabaja más lentamente y la reacción que cataliza es una muy importante. El producto de la reacción es un compuesto de 6 carbonos, el cual inmediatamente se rompe para formar dos moléculas de glicerato-3-fosfato. Esto es además el primer producto de la fijación del carbono.
7.3 REGENERACIÓN DE RBBP
Para continuar con la fijación del carbono, se debe producir una molécula de RuBP para reemplazar a la que se ha usado. Para generar RuBP se usa la triosa fosfato. Mediante una serie de reacciones, cinco moléculas de triosa fosfato se convierten en tres moléculas de RuBp. Este proceso requiere el uso de energía en forma de ATP. Las reacciones pueden ser resumidas usando ecuaciones donde se muestre sólo el número de átomos de carbono en cada molécula de azúcar.
C4 + C3 C
C6 + C3 C4 + C
C4 + C4 C
C7 + C3 C5 + C
De las seis moléculas de triosa fosfato formadas en las reacciones independientes de luz, cinci deben ser convertidas a RuBP.
7.4 LA SÍNTESIS DE CARBOHIDRATOS
El glicerato-3-fosfato formado en la reacción de fijación del carbono, es un ácido orgánico. Esto es convertido en un carbohidrato mediante una reacción de reducción. Para realizar esta reacción es necesario hidrógeno y es suministrado por NADPH. La energía también es necesitada y suministrada por el ATP. El NADPH y el ATP son producidos en las reacciones dependientes de luz de fotosíntesis. El glicerato-3-fosfato se reduce a un azúcar de tres carbonos, triosa fosfato (TF). La unión de dos moléculas de triosa produce glucosa fosfato. El almidón, la forma almacenada de carbohidrato en las plantas, se forma en el estroma por condensación de muchas moléculas de glucosa fosfato.
8 Los Factores Limitantes en la Fotosíntesis
8.1 EL CONCEPTO DE LOS FACTORES LIMITANTES
La intensidad de la luz, la concentración de dióxido de carbono y la temperatura son tres factores que pueden determinar la velocidad de la reacción. Si el nivel de uno de estos factores se cambia, la tasa fotosintética cambia. Usualmente, si cambia sólo uno de los factores, afectará a la tasa fotosintética de una planta en un momento determinado. Este es el factor que está más cercano a su mínimo y es llamado factor limitante. El cambio del factor limitante incrementa o disminuye la tasa, pero los cambios no tienen efecto en otros factores. Esto ocurre por que la fotosíntesis es un complejo proceso que involucra muchos pasos. La tasa total de fotosíntesis en una planta es determinada por la tasa del cualquier paso que esté sucediendo más lentamente en un momento determinado. Esto se llama paso limitante de la tasa. Los tres factores limitantes afectan a diferentes pasos limitantes de la tasa. Las figuras de las páginas 12 y 13 del Tema 2 muestran la relación entre cada uno de los factores limitantes y la tasa fotosintética.
8.1 EL EFECTO DE LA INTENSIDAD DE LUZ
A intensidades bajas de luz, hay una carencia de productos de las reacciones dependientes de luz, NADPH y ATP. El paso limitante de la tasa en el ciclo de Calvin es punto donde se reduce el glicerato-3-fosfato. A altas intensidades de luz algún otro factor es el limitante. A menos que una planta sea expuesta intensamente a la sombra, o el sol salga o se oculte, la intensidad de luz no es usualmente el factor limitante.
9 Cloroplastos
El cloroplasto es otro ejemplo de la estrecha relación entre estructura y función. La figura (abajo) es una micrografía electrónica de un cloroplasto. La figura (más abajo) es un dibujo del mismo cloroplasto, etiquetado para mostrar cuán adaptado está para realizar su función.
