Respiración celular

Es un proceso ordenado y regulado, catalizado por enzimas, en el que la energía se libera por etapas. Es un proceso exergónico y que es dependiente del fosfato.
La energía que contiene los alimentos es transformada en calor y el resto es captado y utilizado para formar ATP, a partir de ADP y Pi.
El ATP tiene más energía que la molécula de ADP.
Mitocondrias: la combustión del alimento ocurre principalmente aquí. La forma de éstas es variable y depende del tipo celular como del estado funcional. Por lo general son filamentosas o granulosas. Se encuentran localizadas en las regiones de las células donde la demanda energética es mayor. Poseen dos membranas: una externa y la otra interna, esta presenta plegamientos, denominado crestas, el numero depende de la actividad de la celula, aumenta con el gasto energético.

El espacio entre membranas se llama intermembrana, en el centro se encuentra la matriz mitocondrial.
La membrana externa está compuesta por lípidos, teniendo mayor cantidad que la interna. Su concentración de colesterol es mayor al igual que el fosfatidilinositol. Es permeable a los electrolitos, agua, sacarosa.
La membrana interna tiene mayorproporción de proteínas que de lípidos, es poco permeable a iones y protones, se encuentran los transportadores específicos para ciertas sustancias como ATP, fosfatos, bicarbonato, entre las proteínas se encuentra los citocromos que interviene en el trasporte de electrones.
La matriz mitocondrial es un gel denso con concentración elevada de proteínas solubles que participan en el proceso de respiración celular y en la oxidación de ácidos grasos. Hay también ribosomas del tipo procarionte y ADN circular.
La respiración es un proceso de oxido- reducción, por el cual las moléculas orgánicas, especialmente la glucosa, son degradadas a CO2 y H2O en presencia de oxigeno. El objetivo es obtener ATP.
El pasaje de electrones desde la glucosa hacia el oxigeno es un proceso que ocurre a favor de los potenciales de oxido-reducción, desprendiendo energía.
La oxidación de la molécula de glucosa y la reducción del oxigeno ocurre en forma secuencial y en diferentes partes de la celula. Todo el proceso de divide en tres etapas:
Glucolisis: ocurre en el citoplasma, es un procesos catabólico, anaeróbico (no necesita oxigeno) y exergónico. Es un proceso en el cual hay ruptura del azúcar, constituido por 9 pasos enzimáticos, en los cuales una molécula de glucosa es parcialmente oxidada hasta la obtención de dos moléculas de acido pirúvico o piruvato. Cada paso enzimático esta catalizado por una enzima diferente, cada una de ellas se hallan en el citoplasma celular.
Parte de la energía liberada es utilizada para la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi.
Los electrones (y protones) que se producen, pasan a reducir al NAD y formar NADH +H. el NAD es una coenzima y a veces juega el papel de intermediario en el pasaje de electrones desde la glucosa al receptor final que es el oxígeno. Se forman 8 ATP.
El acido pirúvico viaja a la mitocondria en el cual hay gasto de energía, antes de pasar a la siguiente etapa (ciclo de Krebs), pasa por un proceso denominado decarboxilacion oxidativa en la que interviene una enzima que tiene varios cofactores, uno es la coenzima A. transformando en una molécula de acetilo o acetil-CoA (con dos átomos de carbono) activado, se desprende una molécula de CO2 y se reduce una molécula de NAD. Se forman 6 ATP.
Ciclo de Krebs: es una vía anfibólica porque actúa tanto en vías anabólicas como catabólicas. Se produce en la matriz mitocondrial, donde se libera energía. El compuesto inicial al terminar el ciclo se regenera, como en todos los ciclos. El compuesto inicial y final es el ácido oxalacético (4 carbonos). Este se une al acetilo originando un compuesto de 6 átomos de carbono. este ultimo sufre un total de siete pasos enzimáticos, en los cuales se regenera el acido oxalacético liberando CO2. Cada vuelta del ciclo de Krebs se reducen 3 moléculas de NAD, una molécula de FAD y una molécula de GTP. Por ciclo de Krebs se forman 24 ATP. Aquí se termina de degradar la glucosa.
Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa: (cadena de transporte de electrones) las moléculas de NADH + H formadas en la decarboxilacion oxidativa del acido pirúvico y en el ciclo de Krebs, se oxidan cediendo sus electrones (y protones) a una serie de aceptores (complejo de NADH + H, la ubiquinona, entre otros) que se encuentran en las crestasmitocondriales internas (aquí se produce este proceso). Cuando esto ocurre la molécula de NADH + H vuelve a su estado oxidado, NAD, participando nuevamente en los procesos como aceptor de electrones. De esta manera con sucesivas reacciones de oxido-reducción, los electrones van pasando de un aceptor a otro hasta llegar al oxigeno, quien se reduce y junto a los H+ del medio forman el agua.

Existen bacterias que hacen respiración anaeróbica. En ellas los electrones del NADH + H+ viajan a través de los transportadores de electrones ubicados en la membrana, hasta llegar al último aceptor de la cadena que no es O2, sino otro compuesto. La energía que se obtiene es mucho menor que la respiración aeróbica.
El modelo quimiosmótico: explica que la energía liberada durante el pasaje de electrones a través de la cadena de aceptores es utilizada para bombear protones hacia a uno de los lados de una membrana impermeable a ellos.
En la mitocondria, los electrones van desde el complejo NADH hacia el oxigeno, produciendo un bombeo activo de protones hacia la intermembrana, generando un gradiente electroquímico. Los protones que se acumulan en la intermembrana fluyen al interior de la mitocondria por medio del complejo ATPsintetasa. Esta es una proteína integral de la membrana interna, cumple función de canal de protones y función enzimática de ATPsintetasa.
La energía acumulada en el gradiente electroquímico se transforma en energía química, es decir que se sintetiza ATP a partir de ADP y Pi.
Por cada par de electrones transferidos desde el NADH + H+ hasta el oxigeno se producen alrededor 3 moléculas de ATP.
La energía de una molécula deglucosa alcanza para producir 38 moléculas de ATP.

Ciclo de Krebs como nudo del metabolismo celular: cumple otras funciones, además de ser el camino por el cual se oxidan los monosacáridos, ácidos grasos y aminoácidos para obtener energía, también es ruta de síntesis de estos compuestos.
De la biodegradación de los ácidos grasos: se obtiene 4 acetil, los cuales entran al ciclo de Krebs generando 3 moléculas de NADH, 1 molécula de FADH y 1 molécula de ATP, un total de 12 moléculas de ATP por cada acetilo.
De las proteínas: se hidrolizan los aminoácidos, se produce la desaminación de los aminos, obteniendo ácidos orgánicos que entran al ciclo de Krebs, produciendo 6 moléculas de ATP.
En nuestro cuerpo no existen algunas enzimas que intervienen en la producción de ciertos aminoácidos y ácidos grasos. Al no poder sintetizarlos debemos incorporarlos en la dieta: estos son los aminoácidos y ácidos grasos esenciales.

La obtención de energía en ausencia de oxigeno: existen muchos microorganismo que en ausencia de oxigeno son capaces de reoxidar el NADH + H, reduciendo las moléculas de acido pirúvico formada en la glucolisis. Este proceso de reoxidación se llama fermentación. Existen diferentes tipos de fermentación que se diferencian en el producto final obtenido.
Una de ellas es la fermentación láctica, cuyo producto final es el acido láctico. Este tipo ocurre en bacterias y en algunas células animales (glóbulos rojos y células musculares) cuando la disponibilidad de oxigeno es escasa. Otro tipo de fermentación es la alcohólica cuyo producto final es el alcohol etílico y que ocurre fundamentalmente en algunos hongos.En las fermentaciones solo se produce 2 moléculas de ATP.

Fotosíntesis: es el proceso biológico más importante, por dos razones:
1. Es el proceso por el cual las plantas utiliza la energía del sol para sintetizar el alimento que le permite mantenerse y mantener a los seres vivos en el planeta.
2. Durante este proceso se produce oxígeno.

Alimento: es aquel compuesto orgánico que puede ser degradado por un ser vivo para obtener la energía necesaria que necesita, y que sirve como materia para sintetizar los componentes de todas las células y los líquidos corporales. No cualquier compuesto orgánico puede ser alimento.

Las plantas, algas, cianobacterias y algunos organismos procariontes fabrican su propio alimento y lo respiran. Toman del medio sustancias inorgánicas (CO2) y agua, que son sus nutrientes. Utilizan la energía del sol, denominados fotoautótrofos. La síntesis de compuestos orgánicos a partir de compuestos inorgánicos utilizando la energía de la luz se denomina fotosíntesis. Libera sustancias orgánicas y oxigeno.
En las bacterias fotosintéticas (unicelulares) y en algas (casi todas pluricelulares) la fotosíntesis ocurre en todas las células del cuerpo. En cambio en los vegetales, ocurre en las hojas y los tallos jóvenes. La mayoría de estas se caracterizan por tener el color verde, debido a la presencia del pigmento, llamado clorofila (encargado de captar la energía del sol y transferirla para que se transforme en alimento). En algunos casos son de color marrón, rojo o amarillo, estos se debe a que poseen gran cantidad de otros pigmentos además de la clorofila.
Características de la luz:
El solemite una amplia gama de radiaciones electromagnéticas. En un extremo se encuentran las radiaciones de longitud de onda menor a 1 micrómetro y el otro extremo se encuentran las de longitud de onda del orden de kilómetros.
Las radiaciones de menor longitud de onda son: rayos gamma, los rayos X y los rayos UV. La longitud de la luz visible se mide entre 400 y 800 micrómetros. Las radiaciones de mayor longitud de onda son: infrarrojos, microondas y ondas de radio.
Cuanto menor es la longitud de onda mayor es la energía que posee.
La luz ésta formada por un conjunto de radiaciones electromagnéticas de diferentes longitudes de onda.
Las radiaciones de mayor longitud de onda que la luz visible, no modifican la estructura de las moléculas y solamente aumentan su energía cinética.
La luz es absorbida por la clorofila: esta es una porfirina, semejante al grupo hemo que forma parte de la molécula de Hb de nuestro cuerpo. La diferencia es que en el grupo hemo de la Hb lleva un ion Fe++ en su centro, en cambio la clorofila lleva ion Mg++, además posee una cola hidrofóbica de carbonos e hidrógenos.
La molécula de clorofila es anfipática. En los organismos fotosintéticos procariontes, la clorofila se encuentra embebida dentro de la membrana plasmática. En los organismos eucariontes, la clorofila está asociada a las membranas biológicas que se encuentra en el interior de organelas denominadas cloroplastos.
Cloroplastos: son organelas citoplasmáticas presentes en algunas células eucariontes, específicamente en las células de las hojas y tallos jóvenes de las plantas y en las células de las algas. Se ven con el microscopioóptico. Su tamaño varía dependiendo de la especie. Posee molécula de ADN circular y no asociada a proteínas.
Presenta tres tipos de membrana diferentes entre sí: dos membranas se encuentran limitando al cloroplasto y el tercer tipo de membrana se encuentra en el interior de la organela. Las dos membranas limitantes no presentan plegamientos ni pigmentos fotosintéticos, están separados por un espacio intermembranoso. La membrana es bastante permeable y actúa como filtro no especializado. La membrana interna es más selectiva y posee proteínas de transporte especializadas que regulan el pasaje de sustancias. Dentro de esta queda delimitado un espacio interno ocupado por un gel, llamado estroma (contiene proteínas solubles, algunas poseen acción enzimática).
Suspendido en el estroma se encuentra el tercer sistema de membrana denominada membrana tilacoidal, están replegadas sobre sí mismas, formando discos llamados tilacoides, se superponen como si fueran pilas de monedas, formando una estructura llamada granas.
Las membranas de los tilacoides son impermeables a los iones.
Se puede encontrar también en las membranas: ATPsintetasa, citocromos y plastoquinona.
Se multiplican por fisión binaria como lo hacen las bacterias. Estos están emparentados con las cianobacterias (bacterias que producen oxigeno).

Los fotosistemas: son complejos macromoleculares embebidos en las membranas tilacoides.
Se conocen dos tipos de fotosistemas que se diferencian con el tipo de clorofila que hay en su centro de reacción.
El fotosistema I (FI): se caracteriza por poseer moléculas de clorofila que captan ondas de 700 micrómetros de longitud.Este es responsable de la fotosíntesis de las llamadas bacterias verdes.
El fotosistema II (FII): tiene en su centro de reacción moléculas de clorofila que absorben ondas 680 micrómetros de longitud. Responsables de la fotosíntesis en las llamadas bacterias purpuras.
Ambos están presentes en la membrana celular de las cianobacterias y en los tilacoides de los cloroplastos. Los FI se encuentran principalmente en las membranas más externas de las granas, y los FII se encuentran en las membranas del interior de las granas.

Fotosíntesis: es un proceso de oxido-reducción.
Luz
6CO2 + 6H2O  C6 (H2O)6 + 6O2
H de C
Se observa que durante el proceso de fotosíntesis, los átomos de carbono no solo se unen formando cadenas carbonadas, sino que se reducen, es decir ganan hidrogeno (un átomo de hidrogeno está formado por un protón H+ y un electrón e-) y se oxidan, o sea pierden protones y electrones.
La sustancia que se oxida en la fotosíntesis es el agua, perdiendo 2 H+ y dos electrones y liberando oxigeno. Para que se reduzca el CO2 (formar glucosa) y la oxidación del O2 (formar agua) es necesaria la energía lumínica.
Esta se produce en dos etapas:
Etapa fotoquímica o luminosa: depende de la luz, se desarrolla en las granas de los cloroplastos y en las laminillas de las cianobacterias.
En las células eucariotas, esta etapa ocurre en los discos tilacoides de los cloroplastos, en las células procariotas ocurre en la membrana plasmática.
La energía de la luz es aprovechada para formar ATP y reducir NADP+ para formar NADPH + H+ los electrones que reducen el NADP+ provienen de laoxidación del agua. Se forma oxigeno. Sustancias que intervienen la ferredoxina que se encuentra localizada en la membrana del tilacoide. Aceptores involucrados: plastoquinona, citocromos b6-f.
Cuando la luz incide sobre los cloroplastos, las moléculas de pigmento de los complejos antena de ambos fotosistemas se excitan y transfieren su energía a las moléculas de su respectivo centro de reacción.
La oxidación de las moléculas de agua es uno de los procesos menos conocido de la fotosíntesis. Este proceso es endergónico.

Síntesis de ATP: el pasaje de electrones desde el FII al FI ocurre a favor de un gradiente de potenciales de oxido reducción de manera que a medida los electrones fluyen a través de la cadena de electrones se libera energía. Esta energía es aprovechada para sintetizar ATP a partir de ADP y Pi.
Modelo quimiosmótico: de Peter Mitchell, propuso: que a medida que los electrones fluyen de un compuesto potencial de oxido-reducción negativo a otro más positivo, la energía liberada se utiliza para bombear protones; ese bombeo se hace a través de una membrana biológica que resulta ser impermeable a los protones. Creándose una diferencia de pH y de potencial eléctrico a ambos lados de la misma. Los protones acumulados solo pueden fluir a través de la membrana por canales especiales. Formados por proteínas integral de la membrana formada por varias subunidades. Esta proteína también es una enzima que tiene actividad ATPsintetasa.
A medida que los protones fluyen a través de los canales especiales disipando el gradiente, la energía potencial acumulada se transforma en energía química, es decir se sintetiza ATPa partir de ADP y Pi.
Ocurre lo mismo con los cloroplastos, con el traspaso de electrones desde el FII al FI, se produce un bombeo de protones hacia el interior de los tilacoides. Fluyendo hacia el estroma. La síntesis del ATP ocurre del lado del estroma.

Etapa bioquímica o etapa oscura: no dependen directamente de la luz, pero son necesarios el NADPH + H formados en la etapa anterior.
Las moléculas de CO2 que se encuentran en los cloroplastos son reducidas y ensambladas con los electrones apartados por el NADPH + H. En las células eucariotas ocurre en el estroma del cloroplasto, en las células procariotas se produce en el citoplasma.
Consiste en la reducción del CO2 y en la posterior síntesis de hidratos de carbono. Ésta síntesis se produce a través de reacciones químicas encadenadas en un ciclo denominado ciclo de Calvin-Benson. Por cada ciclo se fija un carbono para la formación de glucosa.
El CO2 que se encuentra en el aire ingresa al interior de las células de las hojas (a interior de los cloroplastos) por difusión simple. Una vez que ingresa en el estroma, cada molécula de CO2 se une a un compuesto llamado ribulosa 1-5 difosfato (posee 5 carbonos) por la acción de una enzima llamada rubisco (ribulosa 1-5 difosfato carboxilasa). Esta es capaz de fijar tres moléculas de CO2 por segundo. De esta unión se forma un compuesto inestable de 6 átomos de carbono, que rápidamente se parte en dos moléculas de 3 átomos de carbono: el acido 3-fosfoglicérico. Cada de una de ellas es fosforilada con una molécula de ATP y reducida por los electrones que aporta el NADPH + H, transformándose en una molécula degliceraldehido-3-fosfato.
Por cada 6 moléculas de CO2 fijadas se producen 12 moléculas del compuesto mencionado.
De 12 moléculas de este compuesto, se reordenan 10 para regenerar 6 moléculas de ribulosa 1-5 difosfato. Este proceso consume 6 moléculas de ATP. Mientras que las restantes se forman hidratos de carbono.
Algunas veces si queda este compuesto en el estroma, se utiliza para unir y formar glucosa para luego ser polimerizadas y formar almidón. O en otros casos son enviadas al citoplasma, donde son utilizados para transformarlos en sacarosa.
Sustratos de la etapa fotoquímica: agua, NAD, ADP + P, “luz”.
Productos de la etapa fotoquímica: oxigeno, NADPH, ATP.
Sustratos de la etapa bioquímica: CO2, NADPH, ATP.
Productos de la etapa bioquímica: glucosa, NAD, ADP + P.
La fotosíntesis en un proceso anabólico, regulado y endergónico.
H2O + CO2  O2 + glucosa
Sustratos  productos
Los factores que afectan este proceso: intensidad de la luz, la temperatura y la concentración de CO2.
Cuando la concentración de CO2 es elevada, la enzima trabaja normalmente. Pero cuando la concentración es baja la enzima rubisco cataliza la unión de una sola molécula de ribulosa 1-5 difosfato con una molécula de oxigeno en el estroma. Generando que se separe en un compuesto de dos átomos de carbono (acido glioxílico) y una molécula de tres átomos de carbono (acido fosfoglicérico). El primer compuesto es transferido a la mitocondria donde es transformado en dos moléculas de CO2. Este proceso se lo llama fotorrespiración. Porque ocurre en presencia de luz y porque en su transcurso, la planta absorbe O2 y libera CO2. Cuanto mayor es laintensidad de la fotorrespiración, menor es la síntesis de CO2.