Respiracion Celular PDF

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Respiración Celular: Producción de EnergíaQuímica


The giant panda is consuming fuel to power the work of life


Light energy

ECOSYSTEM

CO2 + H2O

Photosynthesisin chloroplasts

Cellular respirationin mitochondria

Organicmolecules + O2

ATP

powers most cellular work

Heatenergy

Flujo de Energía y Reciclaje Químico en los Ecosistemas

• Luz solar provee energía.

• La Energía es atrapada en moléculas orgánicas.

• Los organismos utilizan lasmoléculas orgánicas para obtenerenergía.


Catabolismo

• Vías Metabólicas que liberan Energía.

– Fermentación

• Degradación parcial de azúcares en ausenciade oxígeno (anaeróbica).

– Respiración Celular

• Rompimiento completo de azúcares en presenca de oxígeno (aeróbica).

• Ocurre en la mitocondria en celúlas eucariotes.


Respiración Celular

Compuestos Orgánicos + Oxígeno

Bióxiodo de Carbono + Agua+ Energía(ATP + calor)

(azúcares, grasas, proteínas)



Glucosa + Oxígeno

Bióxido de Carbono + Agua + Energía

∆G = -686kcal/mole



C6H12O6 + 6O2

6CO2 + 6H2O + Energía(ATP y calor)

∆G = -686kcal/mole


Electrones en la Respiración Celular

• Respiración Celular no oxida a la Glucosa en un sola etapa.

– La Glucosa y otros compuestos energéticosreaccionan lentamente en una serie de estapas, cada una catalizada por unaenzima específica.

– Una etapa clave es que los atomos de hidrógeno son liberados de la Glucosa y son enviados primero a una Coenzima llamadaNAD+ (dinucleótido de nicotinamida adenina).


NAD+ and NADH

• Deshidrogenasa (enzima) libera 2 átomos de hidrógeno de la glucosa y pasan los electrónesy un proton al NAD+ y libera H+.

|

|

|

|

red. ox. ox. red.

H-C-OH + NAD+ C=O + NADH + H+


NAD+

H

O

OO O–

OO O–

O

O

O

P

P

CH2

CH2

HO OHH

HHO OH

HO

H

H

N+

C NH2

HN

H

NH2

N

N

Nicotinamide(oxidized form)

NH2+ 2[H](from food)

Dehydrogenase

Reduction of NAD+

Oxidation of NADH

2 e– + 2 H+

2 e– + H+

NADH

OH H

N

C +

Nicotinamide(reduced form)

N

NAD+ como un Transporte de Electrón

H+

H+

NAD + funciona como un agente oxidante en muchas etapasde redox durante el catabolismo de la glucosa.


Sistema de Transporte de Electrones

• La célula transfierelos electrones al oxígeno en variasetapas.

• Se necesita ∆G >7.3kcal/mole en cualquier etapa parasintetizar ATP.


Sistema de Transporte de Electrones

• Se localiza en la membrana interna de la mitocondria.

– Los electrones entran en cadena al NADH.

– Una vez que entran incrementan la electronegatividad de la moléculas en la cadena finalizando con oxígeno.

– Oxígeno captura electrones (y H+) paraformar H2O.



• Produccion de energía.

• Reacciones oxidación/reducción.

• Respiración Celular

– Glucólisis

– Ciclo del Ácido Cítrico.

– Cadena de transporte de electrones y Fosforilación Oxidativa.

• Relaciona procesos metabólicos.


Respiración Celular: Vista General

Glycolsis

Glucose Pyruvate

ATP

Substrate-levelphosphorylation

Mitochondrion



ATP


Mitochondrion

Glycolsis

Glucose Pyruvate

ATP


Citric acid cycle



Electronscarried

via NADH

Glycolsis

Glucose Pyruvate

ATP


Electrons carried via NADH and

FADH2

Citric acid cycle

Oxidativephosphorylation:electron transport

andchemiosmosis

ATPATP


Oxidativephosphorylation

Mitochondrion


Electron shuttlesspan membrane

CYTOSOL 2 NADH

2 FADH2

2 NADH 6 NADH 2 FADH22 NADH

Glycolysis

Glucose2

Pyruvate

2AcetylCoA

Citricacidcycle

Oxidativephosphorylation:electron transport

andchemiosmosis

MITOCHONDRION

by substrate-levelphosphorylation

by substrate-levelphosphorylation

by oxidative phosphorylation, dependingon which shuttle transports electronsfrom NADH in cytosol

Maximum per glucose:About

36 or 38 ATP

+ 2 ATP + 2 ATP + about 32 or 34 ATP

or

Producción de ATP por Mólecula de Glucosa en cada Etapa de la Respiración Celular.


Generación de ATP

• Nivel Sustrato.

– La enzima transfiere fosfato a partir de unamólecula órganica al ADP, produciendo ATP.

• Fosforilación Oxidativa.

– La energía de los electrones “jala” a la móleculas órganicas utilizadas para sintetizarATP.


A Nivel Sustrato: Fosforilación.

Enzimas transfieren fosfato a partir de una mólecula órganicaal ADP, formando el ATP.


Glucólisis

• Glucosa, azúcar de 6 carbonos, que se separa en dos móleculas de azúcar de 3 carbones.

– Pequeñas azúcares son oxidadas y restructuradas paraformar 2 móleculas de piruvato.

• Las 10 etapas en la glúcolisis son catalizadas por unaenzima específica.

• Glucólisis se divide en 2 etapas:

– Fase de Inversion de energía.

– Fase de Pago de energía.


Glycolysis Citricacidcycle


ATP ATP ATP

2 ATP

4 ATP

used

formed

Glucose

2 ATP + 2 P

4 ADP + 4 P

2 NAD+ + 4 e- + 4 H + 2 NADH + 2 H+

2 Pyruvate + 2 H2O

Energy investment phase

Energy payoff phase

Glucose 2 Pyruvate + 2 H2O

4 ATP formed – 2 ATP used 2 ATP

2 NAD+ + 4 e– + 4 H + 2 NADH + 2 H+

La Energía entra y sale de la Glucólisis

Net


Glucólisis: Fase de Inversión de Energía

H OH

ATP

ADP

Hexokinase

Glucose-6-phosphate

1

H H

H

HH

OHOH

HOOH

Glucose

OCH2OH

CH2OH H

O H

OHHOOH

P

H

Glycolysis Citircacidcycle


ATP ATP ATP



Dihydroxyacetonephosphate

Glyceraldehyde-3-phosphate

H H

H

HH

OHOH

HOOH

CH2OH H

H

HO H

OHHO

OH

P

CH2O P

H

OH

HO

HO

HHO

CH2OH

P O CH2 O CH2 O P

HOH

HO

HOH

OP CH2

C O

CH2OH

HCCHOHCH2

O

O P

ATP

ADP

Hexokinase

Glucose

Glucose-6-phosphate

Fructose-6-phosphate

ATP

ADP

Phosphoglucoisomerase

Phosphofructokinase

Fructose-1, 6-bisphosphate

Aldolase

Isomerase

1

2

3

4

5

O

H

CH2OHGlycolysis Citirc

acidcycle


ATP ATP ATP



62 NAD+

NADH2+ 2 H+

Triose phosphatedehydrogenase

2 P i

2P C

CHOHO

P

O

CH2 O

2 O–

1, 3-Bisphosphoglycerate2 ADP

2 ATP

Phosphoglycerokinase

CH2 O P

2

CCHOH

3-Phosphoglycerate

Phosphoglyceromutase

O–

CC

CH2OHH O P

8

7

O

2-Phosphoglycerate

O



2 NAD+

NADH2+ 2 H+

Triose phosphatedehydrogenase

2 P i

2P C

CHOHO

P

O

CH2 O

2 O–

1, 3-Bisphosphoglycerate2 ADP

2 ATP

Phosphoglycerokinase

CH2 O P

2

CCHOH

3-Phosphoglycerate

Phosphoglyceromutase

O–

CC

CH2OH

H O P

2-Phosphoglycerate

2 H2O2 O–

Enolase

CC

OPO

CH2Phosphoenolpyruvate

2 ADP

2 ATPPyruvate kinase

O–

CC

OO

CH3

2

6

8

7

9

10

Pyruvate

O


Resúmen del Proceso de la Glucólisis

• Glucosa 2 Piruvato

– Ocurre en el Citosol.

– No requiere oxígeno.

• Energía

– 2 ATP invierten

– 4 ATP generan, + 2 NADH

– Ganancia neta de 2 ATP + 2 NADH


Destino del Piruvato

• Tres posibles resultados:

– Ciclo del Ácido Cítrico.

– Fermentación Alcohólica.

– Fermentation Ácido Láctico.


Ciclo Ácido Cítrico

• >75% de la energía original de la glucosaesta presente en 2 móleculas de piruvato.

• Si el oxígeno esta presente:

– El piruvato es metabolizado completamentehasta CO2 por enzimas del Ciclo del ÁcidoCítrico en la mitocondria.


CYTOSOL MITOCHONDRION

NADH + H+NAD+

2

31

CO2 Coenzyme APyruvateAcetyle CoA

S CoA

C

CH3

O

Transport protein

O–

O

O

C

C

CH3

Conversión de piruvato a Acetil CoA, la uniónentre Glucólisis y el Ciclo del Ácido Cítrico.


Ciclo del Ácido Cítrico.

• Conocido también como:

– Ciclo de Ácido Tricarboxilico.

– Ciclo de Krebs.

• En honor de Hans Krebs.

• Responsable de establecerlas vías metabolicas en los1930’s.

• Premio Nobel en 1953.


NAD+

Ciclo del Ácido Cítrico: Vista General

ATP

2 CO2

3 NAD+

3 NADH

+ 3 H+

ADP + P i

FAD

FADH2

Citricacidcycle

CoA

CoAAcetyle CoA

NADH+ H+

CoA

CO2

Piruvato(glucólisis,2 moleculas porr glucosa)

ATP ATP ATP

Glycolysis Citricacidcycle



Vista General del Ciclo del Ácido Cítrico

– Acetato de la acetil CoA se combina con el oxaloacetato para formar citrato.

– Finalmente, el oxaloacetato es reciclado y el acetato es liberado en forma de CO2.

– Cada ciclo produce (por acetil CoA)

• 1 ATP mediante fosforilación.

• 3 NADH

• 1 FADH2 (otro transportador de electrones)



Acetyl CoA

Oxaloacetate

CitrateIsocitrate

S CoA

CoA SH

H2O

C

CH3

O

O C COO–

CH2

COO–

COO–

CH2

HO C COO–

CH2

COO–

COO–

COO–

CH2

HC COO–

HO CH

1

2

Glycolysis Oxidativephosphorylation

Citircacidcycle

ATP ATP ATP



Acetyl CoA

Citrate

α-Ketoglutarate

Isocitrate

Citricacidcycle

S CoA

CoA SH

NADH

NADH

NAD+

NAD+

CO2

CO2

CoA SH

CoAS

H2O

C

CH3

O

C COO–

COO–

COO–

CH2

HO C COO–

CH2

COO–

COO–

COO–

CH2

HC COO–

HO CH

COO–

CH2

CH2

C O

COO–

CH2

CH2

C O

COO–

1CH2

SUCCINYLCoA

+ H+

+ H+

1

2

3

4

Oxaloacetate


Citircacidcycle

ATP ATP ATP


Acetyl CoA

Oxaloacetate

Citrate

Fumarate

SuccinateSuccinyl

CoA

α-Ketoglutarate

Isocitrate

S CoA

CoA SH

NADH

NADH

FADH2

FAD

GTP GDP

NAD+

ADP

P i

NAD+

CO2

CO2

CoA SH

CoA SH

CoAS

+ H+

H2O

C

CH3

O

O C COO–

CH2

COO–

COO–

CH2

HO C COO–

CH2

COO–

COO–

COO–

CH2

HC COO–

HO CH

COO–

CH

HCCOO–

COO–

CH2

CH2

COO–

COO–

CH2

CH2

C O

COO–

CH2

CH2

C O

COO–


ATP

Citircacidcycle

ATP ATP ATP

1

2

3

4

5

6


+ H+

Citricacidcycle



Acetyl CoA

NADH

Oxaloacetate

CitrateMalate

Fumarate

SuccinateSuccinyl

CoA

α-Ketoglutarate

Isocitrate

Citricacidcycle

S CoA

CoA SH

NADH

NADH

FADH2

FAD

GTP GDP

NAD+

ADP

P i

NAD+

CO2

CO2

CoA SH

CoA SH

CoAS

H2O

+ H+

+ H+ H2O

C

CH3

O

O C COO–

CH2

COO–

COO–

CH2

HO C COO–

CH2

COO–

COO–

COO–

CH2

HC COO–

HO CHCOO–

CH

CH2

COO–

HO

COO–

CH

HCCOO–

COO–

CH2

CH2

COO–

COO–

CH2

CH2

C O

COO–

CH2

CH2

C O

COO–

1

2

3

4

5

6

7

8


NAD+

ATP

Citircacidcycle

ATP ATP ATP

+ H+


Resúmen del CicloÁcido Cítrico

Por PorPiruvato: Glucosa:

3 CO2 6 CO24 NADH + H+ 8 NADH + H+

1 FADH2 2 FADH21 ATP 2 ATP


Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa

Glycolysis Citircacidcycle


ATP ATP ATP

H2O

O2

NADH

FADH2

FMNFe•S Fe•S

Fe•S

O

FAD

Cyt b

Cyt c1Cyt c

Cyt aCyt a3

2 H + + 1⁄2

III

III

IV

Multiproteincomplexes

0

10

20

30

40

50

Free

ene

rgy

(G) r

elat

ive

to O

2 (k

cl/m

ol)

• Los electrones son llevados por el NADH y transferidos a unaprimera mólecula en la cadena de transporte de electrones, flavoproteína.


•Otros componentes incluyenalgunos Citocromos (proteínas) y un transportador de lípidos.

• Los electrones del FADH2 tienen poca energía libre y son añadidos en la parte final de la cadena. Cytochromes

Cadena Respiratoriay Fosforilación

Oxidativa


• Electrones finalmente pasanal O2

• Nota: No se ha generadoATP !?!

• El movimiento de electrones a los largo de la cadena de transporte de electrones y contribuye a la quimiósmosis y síntesis de ATP.

Cadena Respiratoriay Fosforilación

Oxidativa


La Mitocondria, sitio de la Respiración

1-10µm in length


Quimiósmosis

• La energía del electron es utilizada para“bombear” electrones a través de la membranainterna de la mitocondria.

– Se establece un gradiente de concentración de protones.

• Este gradiente de energía se usa para sintetizarATP.

– La síntesis de ATP se lleva a cabo fuera de la Rx.

• La síntesis de ATP a partir de ADP y Pi


Quiósmosis une el Cadena de Transportede Electrones a la Síntesis de ATP


electron transportand chemiosmosis

Glycolysis

ATP ATP ATP

InnerMitochondrialmembrane

H+

H+H+

H+

H+

ATPP i

Protein complexof electron carners

Cyt c

I

II

III

IV

(Carrying electronsfrom food)

NADH+

FADH2

NAD+

FAD+ 2 H+ + 1/2 O2

H2O

ADP +

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

which create an H+ gradient across the membrane

ChemiosmosisATP synthesis powered by the flowOf H+ back across the membrane

ATPsynthase

Q

Oxidative phosphorylation

Intermembranespace

Innermitochondrialmembrane

Mitochondrialmatrix

Citircacidcycle


• La síntesis de moleculas de ATP son solamentecolocadas The ATP synthase molecules are the only place that will allow H+ to diffuse back to the matrix.

– Este flujo exorgónico de H+ es utilizado por la enzima para generar ATP.

– Esta unión de Rxs. redox de la cadena de transporte de electrones para sintetizar ATP esllamada quimiósmosis.

Quimiósmosis


•Desarrollado por Peter Mitchell

– Ganador del Premio Nobel de Química en 1978.

– Propuso la quimiosmosis, idea radical que no fue del agradode muchos científicos.

Quimiósmosis


• Principal método de producción de energía en lo organismos.

– Mitocondria.

– Cloroplastos.

– Bacteria – establece un gradiente de protonesa través de la ,membrana celular parasintetizar ATP y bombear iones, nutrientes y desechos.

Quimiósmosis


Resúmen de la Respiración Celular


Resúmen de la Respiración Celular

– Una glucosa (6-C) oxida a 6 móleculas de CO2.

– 2 ATP a partir del nivel de sustrato de fosforilaciónen la glucólisis.

– 2 ATP a partir del nivel de sustrato en el Ciclo del Ácido Cítrico.

– Cada NADH genera un máximo de 3 ATP

• 10 NADH = máximo de 30 ATP

– Cada FADH2 genera 2 ATP

• 2 FADH2 = 4 ATP

– Posibles ATP (Totales) = 38


• Oxidación completa de la glucosa libera 686 kcal por mole.

– Formación de cada ATP require al menos7.3 kcal/mole.

– Eficiencia

• 7.3 kcal/mole x 38 ATP/glucose = 277kcal/mole glucose

• 277/686 = 40%.

– Aproximadamente el 60% se pierdecomo calor.

Eficiencia de la Respiración Celular



• Producción de energía.

• Reacciones Oxidación/Reducción.

• Respiración Celular

– Glucólisis

– Ciclo Ácido Cítrico

– Cadena de Transporte de Electrones y Fosforilación Oxidativa.

• Procesos Metabólicos relacionados.


Destino del Metabolismo del Piruvato

• Tres posibles:

– Ciclo del Ácido Cítrico - respiración aerobica

– Fermentación Alcohólica - anaeróbica

– Fermentación Ácido Láctico - anaeróbica


Fermentación

Fermentaciónregenera NAD+.

Piruvato se convierteen alcohol y regeneraNAD+.

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Fermentación Ácido LácticoSimilar a la fermentaciónalcóholica

Llevadas a cabo por algunoshongos y bacterias –producción de queso y yogurt

Células musculares producenácido láctico cuando el O2es limitado – quizás cause fatiga.

Ácido Láctico (lactato) esconvertido a piruvato en el hígado

in liver


Fermentación Vs. Respiración Celular

• Fermentación - anaerobica (O2 ausente)

• Respiración Celular - aerobica (O2 presente)

• Fermentación deja mucha energía en la glucosa, que no es utilizada.

– 2 ATP de fermentación alcóholica o láctica.

– 38 ATP de respiración celular.


Piruvato como unión clave en el Catabolismo.


Conexiones en las Vías Metabólicas

• La glucosa no es común en nuestra dieta.

– Otras vías metabólicas alimentan de moléculasa la Glucólisis y el Ciclo del Ácido Cítrico parala producción de energía.


Amino acids

Sugars Glycerol Fattyacids

GlycolysisGlucose

Glyceraldehyde-3- P

Pyruvate

Acetyl CoA

NH3

Citricacidcycle


FatsProteins Carbohydrates

El Catabolismo de Varias Móleculas Alimenticias

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