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BLOQUE II: ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR BIOLOGÍA COLEGIO ECOS 2º BACHILLERTO 5.- Célula eucariótica. Función de nutrición. 5.1.- Concepto de nutrición. Nutrición autótrofa y heterótrofa. El término nutrición celular puede ser definido como el conjunto de procesos que permiten la introducción de alimento en la célula y la posterior conversión de los nutrientes que contienen en energía y en las biomoléculas necesarias para el mantenimiento de las funciones vitales. Los requisitos para la supervivencia de un organismo vivo se reducen a cinco puntos básicos: Una fuente ambiental de carbono para construir el esqueleto carbonado de sus biomoléculas. Dependiendo de la fuente de carbono, los organismos se clasifican en: Autótrofos, si asimilan el CO2 ambiental, es decir, obtienen sus moléculas orgánicas a partir del dióxido de carbono. Heterótrofos, si como materia primitiva utilizan moléculas orgánicas sencillas, es decir, obtienen sus moléculas orgánicas a partir de otras moléculas orgánicas previamente sintetizadas. Una fuente ambiental de hidrógeno para reducir moléculas que, al aceptarlo, alcancen un elevado potencial de reducción. Según la fuente de hidrógeno que precisan, los organismos son: Litótrofos, si el hidrógeno procede de sustancias inorgánicas (H2O, H2S). Organótrofos, si precisan de moléculas más complejas. Una fuente primaria de energía que haga posible esa reducción. Distinguimos: Fotótrofos, si aprovechan la luz – energía luminosa – directamente para obtener ATP. Quimiótrofos, si solo pueden servirse de energía química, es decir, sintetizan ATP gracias a la energía química contenida en los enlaces de las moléculas que oxidan. Un aceptor último de los hidrógenos que permita la oxidación del aceptor anterior, con la consiguiente liberación de energía que hará posible la síntesis de biomoléculas. Se clasifican en: Aerobios, si el oxígeno es el aceptor último. Anaerobios, si es otra sustancia la que finalmente recibe los electrones. Un suministro ambiental de agua, sales minerales y de nitrógeno. CLASIFICACIÓN LITÓTROFOS (Autótrofos) ORGANÓTROFOS (Heterótrofos) CLASES DE ORGANISMOS SEGÚN TIPO DE NUTRICIÓN FOTÓTROFOS QUIMIÓTROFOS FOTOLITÓTROFOS QUIMIOLITÓTROFOS Bacterias fotosintéticas del azufre, Bacterias quimiosintéticas todos los vegetales con clorofila FOTOORGANÓTROFOS QUIMIOORGANÓTROFOS Bacterias purpúreas no sulfurosas Muchas bacterias, todos los animales, todos los hongos 5.2.- Ingestión. Biología celular Organología y fisiología celular -1- BLOQUE II: ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR BIOLOGÍA COLEGIO ECOS 2º BACHILLERTO La membrana plasmática es el tamiz a través del cual la célula controla el tráfico de productos que intercambia con el medio y por tanto con las demás células de su entorno. Los intercambios celulares pueden ser no observables morfológicamente – se conocen también como fenómenos de permeabilidad –, o por el contrario morfológicamente observables (endocitosis – fagocitosis y pinocitosis – y exocitosis). Mediante todas estas modalidades de intercambio, la célula puede mantener una composición química, eléctrica y osmótica muy diferente a la del medio que la rodea. 5.2.1.- Permeabilidad celular: difusión y transporte. Los fenómenos de permeabilidad consisten en el intercambio de pequeñas moléculas e iones. Por tanto, el término permeabilidad selectiva puede ser definido como control del intercambio de sustancias. Existen dos modalidades: permeabilidad pasiva y activa. En el transporte pasivo, las sustancias atraviesan libremente la membrana siguiendo las leyes de la libre difusión y de la ósmosis. Este tipo de transporte puede llevarse a cabo mediante difusión simple o difusión facilitada. En el transporte activo, las sustancias no siguen las leyes de la libre difusión y aparecen más concentradas en el interior de la célula o en el medio circundante. En este caso el intercambio se realiza con gasto de energía. La naturaleza de la membrana condiciona el transporte de moléculas a su través. Debido a la organización molecular de la membrana plasmática, se impide que escape el contenido hidrosoluble de la célula y además condiciona la difusión de cualquier molécula a tres propiedades: solubilidad relativa en grasa (moléculas apolares difunden más rápidamente), - tamaño (moléculas pequeñas difunden más fácilmente), - carga iónica (moléculas cargadas e iones no difunden). La difusión depende del gradiente de concentración y del gradiente eléctrico; gradiente electroquímico. El agua y los gases difunden libremente a través de la membrana. Las moléculas liposolubles y las moléculas polares pequeñas no cargadas, difunden fácilmente a través de las membranas, se abren paso entre los lípidos anfipáticos que integran las bicapas lipídicas de las mismas. De esta forma, atraviesan pasivamente la membrana en ambas direcciones, según gradiente electroquímico. Dos ejemplos característicos de este transporte son los gases y el agua. tensión. Los gases (O2 y CO2) se intercambian entre medio y células atendiendo a diferencias de El agua es otra sustancia que presenta capacidad pasiva para atravesar libremente la membrana plasmática. Introducimos el término de presión osmótica: fuerza absorbente, existente en todas las soluciones, mediante la cual entre dos medios con distinta concentración, el agua tiende a pasar desde el medio menos concentrado al más concentrado. Los mecanismos de difusión simple no implican exclusivamente a pequeñas moléculas como los gases o el agua. Existen otras sustancias, urea, glicerol, etc; que también se intercambian pasiva y rápidamente gracias a la existencia de canales hidrofílicos, en la membrana plasmática, que están constituidos por proteínas transmembrana. Estas proteínas constituyen dispositivos a modo de poros fijos instalados en el espesor de la bicapa. Estos poros pueden permanecer permanentemente abiertos o bien, abrirse esporádicamente como respuesta a una señal extracelular. En este último caso se habla de canales regulados por ligandos o proteínas canal Existen otra serie de sustancias, como por ejemplo la glucosa, que atraviesan la membrana combinándose con una proteína de la misma que hace el papel de transportador específico “carriers”. La proteína transportadora se une a la sustancia que va a ser transportada a un lado de la membrana y lo suelta en el otro. Los mecanismos de difusión simple y facilitada siguen las leyes de la difusión y las sustancias son transportadas a favor de gradiente electroquímico. No obstante, la difusión facilitada muestra una serie de características muy específicas que no se observan en los procesos de difusión simple. Así, el Biología celular Organología y fisiología celular -2- BLOQUE II: ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR BIOLOGÍA COLEGIO ECOS 2º BACHILLERTO transportador conlleva una alta especificidad y presenta un fenómeno de saturación para concentraciones elevadas de sustrato. Existen substancias que ni por su potencial eléctrico ni por su gradiente de concentración, podrían atravesar libremente la membrana plasmática, no obstante estas substancias la atraviesan aún en contra de su gradiente electroquímico; ello es debido a que se valen de un mecanismo de transporte activo que implica un gasto de energía. El transporte activo supone la existencia de transportadores de carácter proteico en el espesor de la membrana a los que se unen las substancias que van a ser transportadas. Estos transportadores actúan como bombas metabólicas que impulsan las substancias transportadas en contra de sus gradientes electroquímicos, realizando un gasto de energía. El transporte es debido a que la proteína transportadora sufre un cambio alostérico o conformacional, gracias al cual transfiere el substrato de uno a otro lado de la membrana. Estos cambios conformacionales llevan aparejado un gasto energético, normalmente a través de la hidrólisis de ATP, que es necesario para que el proceso se lleve a cabo. El transporte de substancias mediante proteínas de membrana específicas puede ser de dos tipos: uniporte y cotransporte. El uniporte consiste en el transporte de un único substrato de un lado al otro de la membrana. En el cotransporte el transporte de una substancia depende del transporte secuencial de un segundo substrato. Este segundo tipo a su vez presenta dos modalidades: unidireccional o simporte, los dos substratos son transportados en la misma dirección; bidireccional o antiporte, los dos substrato son transportados en direcciones contrarias. En la membrana plasmática de prácticamente todas las células existen transportadores que bombean los iones en contra se sus gradientes electroquímicos. Este es el caso del Na + y el K+, que son transportados por una bomba Na/K existente en la mayoría de las membranas de las células animales. Se trata de un transportador proteico asociado a la membrana plasmática y constituido por tres subunidades que en conjunto forman un complejo que atraviesa la bicapa lipídica con zonas que Biología celular Organología y fisiología celular -3- BLOQUE II: ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR BIOLOGÍA COLEGIO ECOS 2º BACHILLERTO dan al medio exterior y otras dan al hialoplasma. Se trata de una ATPasa que necesita hidrolizar ATP para realizar su función de transporte, la cual se lleva a cabo mediante un mecanismo tipo antiporte. El mecanismo de transporte mediante el cual la bomba ingresa 2 K+ por cada 3 Na+ que saca de la célula, es el siguiente: 1) Unión de 3 Na+ a la proteína transportadora por el lado hialoplasmático. 2) Fosforilación del transportador por hidrólisis de ATP en el lado hialoplasmático. 3) La fosforilación del transportador induce un cambio conformacional que transfiere los Na+, a través de la bicapa lipídica, hacia el medio externo. A la vez que esto ocurre, 2 K+ se unen a la proteína transportadora en la parte externa. 4) La proteína se defosforila y el cambio conformacional que ello conlleva, por una parte transfiere los K+ hacia el lado hialoplasmático y por otra parte, devuelve la proteína a su configuración original. 5.2.2.- Endocitosis: pinocitosis y fagocitosis. Existen una serie de intercambios morfológicamente observables. Son mecanismos mediante los cuales tiene lugar el intercambio de macromoléculas y partículas a través de la membrana plasmática. Existen dos tipos de intercambios: exocitosis y endocitosis; esta última presenta a su vez dos variedades: pinocitosis y fagocitosis. En el proceso de endocitosis el intercambio tiene lugar desde el medio hacia el interior celular. Existen dos variedades en función de que la endocitosis corresponda a líquidos – pinocitosis – o sólidos – fagocitosis –. Biología celular Organología y fisiología celular -4- BLOQUE II: ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR BIOLOGÍA COLEGIO ECOS 2º BACHILLERTO La pinocitosis consiste en la ingestión por parte de la célula de líquidos o solutos disueltos, mediante la formación de pequeñas vesículas (vesículas pinocíticas) a partir de la membrana plasmática. Es la forma en que ingieren el alimento la mayoría de las células. La pinocitosis de fase líquida, es un tipo de endocitosis inespecífica. Dentro de la célula, las vesículas pueden seguir diferentes destinos: - fusionarse con lisosomas, proceso de alimentación, atravesar el citoplasma y expulsar su contenido por exocitosis, proceso de transporte. Sin embargo, la mayoría de las células necesitan procurarse del medio determinadas moléculas muy específicas que les son necesarias para la realización de determinadas funciones. Este tipo de endocitosis específica se consigue gracias a un mecanismo de endocitosis mediada por receptor. Los receptores son proteínas transmembrana que poseen un centro de unión sobresaliendo hacia el exterior de la bicapa lipídica. En este centro de unión encajan determinados ligandos, que son substancias que se encuentran en el caldo extracelular que baña la célula. La unión del ligando al receptor provoca una invaginación de la membrana plasmática. Se forma así una vesícula, el endosoma, que encierra el complejo receptor/ligando, el cual de esta forma, es introducido en la célula. Una vez el complejo receptor/ligando se ha introducido en la célula, sus componentes se separan quedando libre el ligando y recuperándose el receptor, junto con el sector de membrana plasmática que lo contiene, para que pueda ejercer de nuevo su acción. La fagocitosis corresponde a un tipo de endocitosis en la que la célula, mediante la emisión de pseudópodos, internaliza substancias sólidas. Normalmente las substancias ingeridas son estructuras complejas tales como macromoléculas de gran tamaño e incluso asociaciones de éstas. Este mecanismo es utilizado por la célula con fines alimenticios o defensivos. En éste último caso, un ejemplo característico lo constituyen ciertas células defensivas del sistema inmunológico de vertebrados superiores, los macrófagos, que fagocitan virus y bacterias u otros elementos extraños que hayan podido penetrar en el organismo. 5.3.- Digestión celular. Orgánulos implicados. La digestión celular es un proceso de degradación de moléculas por enzimas digestivas. Los lisosomas participan activamente en los procesos de digestión celular. Dependiendo de la función que desempeñen en dichos procesos, así como la naturaleza de los sustratos, se clasifican en: Biología celular Organología y fisiología celular -5- BLOQUE II: ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR BIOLOGÍA COLEGIO ECOS 2º BACHILLERTO o Fagolisosomas. Se forman cuando el lisosoma primario se une a material sólido procedente del exterior. Este material extracelular es englobado por la célula mediante la formación de vesículas fagocíticas, llamadas fagosomas, a las que se unen lisosomas primarios para originar las vacuolas digestivas. Presenta un interior heterogéneo, consecuencia de la degradación del contenido del fagosoma. Al proceso de digestión de material extracelular sólido se llama heterofagia. Representa un mecanismo de interés en la defensa de la célula frente al ataque de bacterias, virus, y agentes tóxicos; así mismo, juega un importante papel en los procesos de nutrición celular. o Autolisosomas. Se forman cuando los lisosomas se unen a sustancias o estructuras de la propia célula, a las que se encargan de degradar. Los lisosomas vierten su contenido lítico al interior de las vesículas formadas, degradando los materiales o estructuras que hubiesen incluido. Se trata de un proceso de autolisis celular, denominado autofagia. La autofagia tiene lugar en una serie de situaciones tales como la renovación celular y la desdiferenciación. o Cuerpos multivesiculares. Se forman por la unión de lisosomas primarios a vesículas de pinocitosis, pequeñas vesículas endocíticas que contienen material líquido procedente del exterior celular. Las vesículas pinocíticas son englobadas por lisosomas primarios, originándose así cuerpos multivesiculares. Se trata fundamentalmente de un mecanismo con significado de nutrición. 1.- lisosomas; 2.- vesícula pinocítica; 3.- fagosoma; 4.- cuerpo multivesicular; 5.- fagolisosoma; 6.- aparato de Golgi. A.pinocitosis. B.- fagocitosis. C.- exocitosis por vesícula de secreción. Algunos de los substratos no pueden ser digeridos y quedan en el interior del lisosoma. A dichos lisosomas con restos indigeribles se les denomina cuerpos residuales y poseen un significado de desecho en la célula. Tales lisosomas de carácter terciario, pueden fundir su membrana con la membrana plasmática de la célula y mediante exocitosis, expulsar su contenido al exterior; así mismo, puede suceder que permanezcan en el interior de la célula, en cuyo citoplasma se van acumulando. La función que desarrollan los lisosomas corresponde fundamentalmente a la digestión intracelular de diferentes substratos. No obstante, en determinados tipos celulares, puede suceder que el contenido de los lisosomas sea vertido al exterior, efectuándose la digestión fuera de la célula. Dos ejemplos característicos lo constituyen espermatozoides y osteoclastos. 5.4.- Exocitosis y secreción celular. En la exocitosis el intercambio tiene lugar desde el interior celular hacia el medio externo. Materiales del interior celular, almacenados o transportados por vesículas rodeadas de membrana, son expulsados fuera de la célula mediante la fusión de dichas vesículas intracelulares con la membrana plasmática. La membrana de la vesícula intracelular se agrega temporalmente a la membrana plasmática y luego se recupera específicamente por endocitosis. Al proceso de exocitosis de macromoléculas se le denomina secreción. Biología celular Organología y fisiología celular -6- BLOQUE II: ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR BIOLOGÍA COLEGIO ECOS 2º BACHILLERTO 5.5.- Metabolismo. 5.5.1. Concepto de metabolismo, catabolismo y anabolismo. El metabolismo es el conjunto de reacciones bioquímicas que tienen lugar en la célula, comprende las reacciones catabólicas que degradan las biomoléculas con obtención de energía y las anabólicas destinadas a la obtención de moléculas con gasto de energía. Una ruta o vía metabólica es un proceso formado por una cadena de reacciones enzimáticas sucesivas. Cada una de las sustancias que intervienen en una ruta metabólica, y sufre transformaciones durante el proceso, recibe el nombre de metabolito. Pueden distinguirse dos tipos de reacciones metabólicas: Catabolismo: conjunto de reacciones que sirven para descomponer o degradar, de forma oxidativa, sustancias y al hacerlo desprenden o liberan energía. Por tanto, transforman sustancias complejas en otras más sencillas. Anabolismo: conjunto de reacciones que sirven para sintetizar sustancias y necesita para ello energía proveniente, generalmente, del catabolismo. Por tanto, sirve para transformar sustancias sencillas en otras más complejas, que la célula puede emplear después para formar materia propia o para descomponerlas de nuevo. 5.5.2. Aspectos generales del metabolismo: reacciones de oxidorreducción y ATP. Algunas características de las reacciones metabólicas son: Biología celular Organología y fisiología celular -7- BLOQUE II: ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR BIOLOGÍA COLEGIO ECOS 2º BACHILLERTO o Las reacciones metabólicas están acopladas energéticamente a través del ATP. Cuando existe energía disponible, una molécula de adenosín difosfato (ADP) se emplea para unir un tercer grupo fosfato y así obtener adenosín trifosfato (ATP). El enlace así constituido es altamente energético, luego la rotura de este enlace liberará gran cantidad de energía. Por eso el ATP es conocido como la “moneda energética” (ADP + Pi + Energía ↔ ATP). o Las reacciones metabólicas son reacciones de oxidorreducción. El catabolismo es un proceso de oxidación, mientras que el anabolismo es un proceso de reducción. Por tanto, se trata de reacciones de oxidorreducción: una molécula se oxida si pierde electrones, al tiempo que otra toma esos electrones para reducirse. En muchas reacciones bioquímicas sucede que los electrones van ligados a protones en forma de hidrógeno. Por tanto, una sustancia que pierde hidrógeno se oxida y la que lo capta se reduce. En otras ocasiones, la pérdida de electrones va ligada a la acumulación de átomos de oxígeno en la molécula oxidada (incorporación de O2 oxida; pérdida de O2 reduce). o Las reacciones metabólicas tienen una secuencia encadenada y están catalizadas por enzimas. o Las reacciones metabólicas están compartimentadas. 5.5.3. Estrategias de obtención de energía: energía química y energía solar. Atendiendo al método que emplea determinados organismos para obtener energía en forma de ATP, a partir de fuentes varias, podemos clasificarlos en: - Fotótrofos: emplean la energía luminosa (sol) para obtener ATP. Llevan a cabo un proceso fotosintético. - Quimiótrofos: sintetizan ATP gracias a la energía química (reacciones) contenida en los enlaces de las moléculas que oxidan mediante un desarrollo quimiosintético. 5.5.4. Características generales del catabolismo celular: convergencia metabólica y obtención de energía. El catabolismo es el conjunto de reacciones metabólicas cuya finalidad consiste en proporcionar a la célula los siguientes recursos: precursores metabólicos, ATP y poder reductor (NADH y NADPH). Para poder obtener estos recursos, la célula debe tomar de su entorno nutrientes y energía, y someterlos a una serie de transformaciones: reacciones catabólicas. La célula debe disponer de una última molécula a la que pueda cederle los electrones o los hidrógenos desprendidos en las rutas de oxidación. Según sea la naturaleza del aceptor de electrones, los seres vivos se pueden clasificar como aeróbicos o aerobios, si el aceptor es el oxígeno molecular, anaeróbicos o anaerobios, si es otra molécula. 5.5.4.1. GLUCÓLISIS. La glucólisis o ruta de Embden-Meyerhof, ocurre en el citosol y no requiere la presencia de oxígeno. Es una secuencia de reacciones en la que una molécula de glucosa (seis átomos de carbono) se transforma en dos moléculas de ácido pirúvico (tres átomos de carbono cada una). Transcurre en una serie de etapas: Biología celular Organología y fisiología celular -8- BLOQUE II: ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR BIOLOGÍA COLEGIO ECOS 2º BACHILLERTO 1. Fosforilación de la glucosa (glucosa glucosa 6fosfato). Se consume una molécula de ATP. 2. Isomerización de la glucosa 6-fosfato a fructosa 6fosfato. 3. Fosforilación de la fructosa 6-fosfato (fructosa 6-fosfato fructosa 1,6-bifosfato). Se gasta una molécula de ATP. 4. Escisión de la fructosa 1,6-bifosfato en dos triosas (dihidroxiacetona fosfato y gliceraldehído 3-fosfato) que coexisten en equilibrio. X 2 todo el proceso restante 5. Oxidación y fosforilación del gliceraldehído 3-fosfato (gliceraldehído 3-fosfato ácido 1,3-bifosfoglicérico). Se reduce el NAD+ NADH. Es el punto clave de la ruta: si el NADH no vuelve a oxidarse, la ruta se detendrá. 6. Desfosforilación del ácido 1,3-bifosfoglicérico (ácido 1,3-bifosfoglicérico ácido 3-fosfoglicérico). Se forma una molécula de ATP. 7. Isomerización del ácido 3- fosfoglicérico (ácido 3fosfoglicérico ácido 2-fosfoglicérico). 8. Formación de un doble enlace: ácido 2-fosfoglicérico ácido fosfoenol pirúvico. Se libera una molécula de agua. 9. Desfosforilación del ácido fosfoenol pirúvico (ácido fosfoenol pirúvico ácido pirúvico). Se produce una molécula de ATP. Las reacciones descritas tienen lugar en prácticamente todas las células vivas (procariotas y eucariotas). El balance energético global que presenta la glucólisis es el siguiente: Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ 2 Ácido pirúvico + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O El ácido pirúvico, en función de las condiciones del medio, podrá llevar a cabo dos vías: En condiciones aeróbicas, entra en la mitocondria de las células eucariotas para que se realice el proceso de respiración celular. En condiciones anaeróbicas, ya sea en bacterias o en células eucariotas, se obtiene energía a partir del ácido pirúvico por medio de las fermentaciones, que ocurren en el citosol. Claves de la glucólisis Suministra a la célula seis precursores metabólicos. Tiene lugar en el citosol. Produce ATP por fosforilación a nivel del sustrato. Genera poder reductor. Su eficacia energética es baja. No requiere la presencia de oxígeno. Es una ruta metabólica muy antigua. 5.5.4.2. FERMENTACIÓN. Biología celular Organología y fisiología celular -9- BLOQUE II: ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR BIOLOGÍA COLEGIO ECOS 2º BACHILLERTO El metabolismo fermentativo es un proceso de oxidación incompleta de los compuestos orgánicos, ya que no se libera toda la energía química que contienen. Las reacciones de oxidación se producen en ausencia de oxígeno, es decir, el aceptor final de los hidrógenos no es el oxígeno, sino una molécula orgánica sencilla. La síntesis de ATP tiene lugar exclusivamente por fosforilación a nivel de sustrato. Las fermentaciones suceden en el citosol. Los sustratos de fermentación son generalmente glúcidos, si bien existen bacterias capaces de realizar una fermentación de proteínas y aminoácidos. En las fermentaciones tiene lugar varias etapas de oxidación del sustrato hasta obtener un producto intermediario que, seguidamente, es reducido para dar el producto final. Entre las fermentaciones de la glucosa más conocidas se encuentran: Fermentación alcohólica o etílica. La producción de etanol está vinculada a células eucariotas vegetales, hongos y bacterias, porque la enzima fundamental del proceso, la piruvato descarboxilasa, solo parece encontrarse en estos organismos. En este proceso a partir del ácido pirúvico (3C), obtenido durante la glucólisis, se libera CO2 y se forma un compuesto de dos carbonos: etanol. El balance energético global es de 2 ATP. Fermentación láctica. En este tipo de fermentación se origina ácido láctico (3C) a partir del ácido pirúvico (3C) procedente de la glucólisis. De esta forma se regenera el NAD+, necesario para que prosiga la glucólisis. El proceso está catalizado por la enzima lactato deshidrogenasa. El balance energético total es de 2 ATP. Son muy numerosas las bacterias que realizan esta fermentación. Destaca la familia de los Lactobacillus (L. lactis, L. bulgaricus, L. casei, L. bifidus, etc) presentes en una amplia gama de productos lácticos (leche fermentada, yogurt, queso). 5.5.4.3. -OXIDACIÓN DE LOS ÁCIDOS GRASOS. Los ácidos grasos son degradados por oxidación del carbono β. Se oxidan en las mitocondrias. Deben ser activados antes de su entrada en la matriz mitocondrial. La adenosina trifosfato (ATP) impulsa la formación de un enlace tioéster entre el grupo carboxilo de un ácido graso y el grupo sulfhidrilo del CoA. Esta reacción de activación tiene lugar en la membrana externa mitocondrial, donde es catalizada por la acil-CoA sintetasa. El resultado de este proceso es una molécula acil-CoA: ácido graso+ ATP <--> aciladenilato <--> acil-CoA. Biología celular Organología y fisiología celular - 10 - BLOQUE II: ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR BIOLOGÍA COLEGIO ECOS 2º BACHILLERTO Los ácidos grasos se activan en la membrana externa mitocondrial y se oxidan en la matriz mitocondrial. Puesto que las moléculas de acil-CoA de cadena larga no atraviesan fácilmente la membrana interna mitocondrial, es necesario un mecanismo especial de transporte por medio de la carnitina. Un acil-CoA saturado se degrada mediante una secuencia repetitiva de cuatro reacciones: oxidación ligada a flavina adenina dinucleótido (FAD), hidratación, oxidación ligada al NAD+ y tiólisis por CoA. Como resultado de estas reacciones, la cadena del ácido se acorta en dos átomos de carbono y se genera FADH2, NADH y acetil-CoA. David Green, Severo Ochoa y Feodor Lynen realizaron una importante contribución para la interpretación de esta serie de reacciones conocida como vía de la β-oxidación: 1. Oxidación del acil-CoA por una acil-CoA deshidrogenasa para dar un enoil-CoA con un doble enlace trans entre los carbonos C-2 y C-3. 2. Hidratación del doble enlace entre C-2 y C-3 por la enoil-CoA hidratasa, para formar L-3hidroxiacil-CoA. 3. Oxidación que convierte el grupo hidroxilo de C-3 en un grupo ceto y genera NADH. Esta oxidación está catalizada por la L-3-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa siendo el compuesto resultante el 3-cetoacil-CoA. 4. Escisión del 3-cetoacil-CoA por el grupo tiol de una segunda molécula de CoA, que produce acetil-CoA y un acil-CoA acortado en dos átomos de carbono. Esta escisión tiolítica es la catalizada por la β-cetotiolasa. El acetil-CoA se incorpora directamente al ciclo de Krebs, mientras que acil-CoA acortado experimenta después otro ciclo de oxidación que se inicia con la reacción catalizada por la acil-CoA deshidrogenasa. La β-oxidación consigue que de un ácido graso saturado se liberen, dentro de la mitocondria, tantas unidades de acetil-CoA como permita su número par de átomos de carbono. Para la oxidación de los ácidos grasos no saturados, se requieren una isomerasa y una reductasa para degradar una amplia gama de ácidos grasos insaturados. 5.5.4.4. RESPIRACIÓN AERÓBICA: CICLO DE KREBS, CADENA RESPIRATORIA Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA. Mediante la respiración celular, el ácido pirúvico formado durante la glucólisis se oxida completamente a CO2 y H2O, en presencia de oxígeno, para liberar más energía a la célula. Este Biología celular Organología y fisiología celular - 11 - BLOQUE II: ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR BIOLOGÍA COLEGIO ECOS 2º BACHILLERTO proceso se desarrolla en etapas sucesivas que tienen lugar en los diferentes compartimentos de la mitocondria. Oxidación del ácido pirúvico. El ácido pirúvico formado en la glucólisis en el citoplasma celular, pasa a la matriz mitocondrial uniéndose a transportadores específicos que le permitan atravesar las dos membranas mitocondriales (externa e interna). Una vez en el interior de la mitocondria, se produce la descarboxilación oxidativa, reacción catalizada por un complejo multienzimático llamado piruvato deshidrogenasa que consta de dos etapas: a) Pérdida del grupo carboxilo, que se transforma en CO2. b) Formación de un grupo acilo (CH3-CO-). El grupo acilo se une momentáneamente a un coenzima A, originándose el acetil Co-A. La aparición de este compuesto marca la conexión entre la glucólisis y el ciclo de Krebs. En esta reacción se forma una molécula de NADH a partir de la reducción de una molécula de NAD+. Como a partir de cada molécula de glucosa que entra en la glucólisis se producen dos piruvatos, en este paso se obtienen dos moléculas de NADH por cada molécula de glucosa. Ciclo de Krebs. También llamado ciclo de los ácidos tricarboxílicos (CAT) o ciclo del ácido cítrico, consiste en una cadena cíclica de reacciones, en cada una de las cuales interviene una enzima específica, que producen la oxidación completa de los grupos acetilo hasta CO2. El ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz mitocondrial y desempeña, así mismo, las siguientes funciones: - Obtención de poder reductor: NADH y FADH2. - Obtención de precursores metabólicos. - Obtención de energía en forma de GTP. Las etapas en las que se puede dividir el ciclo de Krebs son: Biología celular Organología y fisiología celular - 12 - BLOQUE II: ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR BIOLOGÍA COLEGIO ECOS 2º BACHILLERTO 1. Condensación del oxalacetato con el acetil Co-A para formar citrato (6C). 2. Isomerización del citrato a isocitrato. 3. El isocitrato se oxida y descarbolixa hasta alfa-cetoglutarato (5C). Pérdida de un átomo de carbono en forma de CO2. En este paso se forma poder reductor: NADH. 4. Descarboxilación oxidativa del alfa-cetoglutarato para formar succinil-CoA (4C). Se libera un CO2 y el NAD+ acepta electrones, reduciéndose a NADH + H+. 5. Paso de succinil Co-A a succinato. Se produce una rotura del enlace entre el succinato y la coenzima A, liberándose la energía suficiente para sintetizar GTP. 6. Oxidación del succinato a fumarato. El FAD se reduce FADH2. 7. Hidratación del fumarato para formar malato. 8. Oxidación del malato para originar oxalacetato. El NAD+ se reduce formándose NADH + H+. En cada vuelta del ciclo se genera una molécula de GTP, tres de NADH y una de FADH2. Cada vuelta del ciclo consume un grupo acetilo y regenera un ácido oxalacético, que puede iniciar otro nuevo ciclo. Se necesitan dos vueltas del ciclo para oxidar al máximo una molécula de glucosa, ya que de cada una se obtienen dos de ácido pirúvico en la glucólisis. Por tanto, por cada molécula de glucosa en el ciclo de Krebs se forman dos moléculas de GTP, seis de NADH y dos de FADH2. El GTP transfiere su grupo fosfato al ADP, produciendo una molécula de ATP. En realidad, en el ciclo de Krebs se obtiene poca energía en forma de moléculas fosforiladas, pero sí mucha en forma de nucleótidos reducidos (NADH, FADH2). La reacción neta del ciclo del ácido cítrico es: Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O 2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP + 3 H+ + CoA Biología celular Organología y fisiología celular - 13 - BLOQUE II: ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR BIOLOGÍA COLEGIO ECOS 2º BACHILLERTO Cadena respiratoria. La molécula de glucosa que inició la glucólisis se encuentra completamente oxidada. Parte de su energía se ha utilizado en la síntesis de ATP. Sin embargo, los electrones presentes en las moléculas de NADH y FADH2 “descienden” a favor de un gradiente de potenciales de oxidorreducción, mediante unas moléculas transportadoras de electrones, hasta un aceptor final de electrones. Éstos, al “caer” a niveles energéticos más bajos, liberan energía, que será acoplada a la fosforilación del ADP para obtener ATP. En la membrana mitocondrial interna se localiza un conjunto de moléculas que constituye la cadena transportadora de electrones. Estas moléculas transportadoras pueden reducirse (aceptar electrones) y oxidarse (ceder electrones), y se hallan dispuestas según un gradiente de potenciales de oxidorreducción. La cadena respiratoria está formada por sistemas de complejos proteicos situados en la membrana mitocondrial interna en los organismos eucarióticos: - Complejo NADH deshidrogenasa (I). - Ubiquinona o coenzima Q (II). - Complejo citocromo b-c1 (III). - Complejo citocromo–oxidasa (IV). Básicamente el mecanismo de acción es el siguiente: El primer complejo transfiere dos electrones del NADH a la ubiquinona. Además, aprovecha la energía de dicha transferencia para sacar tres protones de la matriz mitocondrial al espacio perimitocondrial. El segundo complejo va a transferir electrones al tercer complejo, pero no es capaz de transferir protones. A este nivel entran los electrones del FADH2, por lo que el resultado final es que la oxidación del NADH puede generar un ATP más que la del FADH2. El tercer complejo acepta los electrones cedidos por la ubiquinona y los cede al último complejo enzimático de la cadena transportadora. Aprovecha la energía de éste proceso para translocar cuatro protones al espacio intermembranoso. El cuarto complejo transfiere los electrones recibidos del complejo citocromo b-c1 al oxígeno molecular y bombea dos protones al espacio perimitocondrial. Los electrones llegan hasta el oxígeno que se combina con dos protones, para formar agua que sale de la mitocondria y de la célula. El oxígeno es imprescindible ya que sin él, el último miembro de la cadena no podría volver a oxidarse una vez reducido, pues no tendría ningún par redox al cual poder entregar los electrones. Gracias a que el oxígeno procedente del ambiente acepta los electrones, no se bloquea el proceso. Biología celular Organología y fisiología celular - 14 - BLOQUE II: ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR BIOLOGÍA COLEGIO ECOS 2º BACHILLERTO Fosforilación oxidativa. Cuando los electrones se mueven a través de la cadena transportadora, van saltando a niveles energéticos inferiores y paralelamente se va liberando energía. Esta energía se emplea para fabricar ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (Pi), en un proceso denominado fosforilación oxidativa. Los componentes de la cadena transportadora de electrones se encuentran ordenados en la membrana mitocondrial interna formando complejos bien diferenciados. Cuando los electrones van pasando de un nivel energético a otro inferior, los complejos proteicos (I, III y IV) emplean la energía que se libera para bombear protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. Como la membrana mitocondrial interna es impermeable a los protones, el bombeo de estos consigue que se establezca un gradiente electroquímico entre la matriz y el espacio intermembrana, capaz de generar una fuerza protomotriz que proporciona energía aprovechable para hacer funcionar cualquier proceso que esté acoplado a un canal por el que puedan circular los protones a favor de gradiente hacia la matriz. Las partículas F (ATPasas, ATPsintetasas o partículas elementales) forman esos canales a través de los cuales pueden fluir los protones. Cada partícula F presenta una porción F0, anclada en la membrana de la cresta, y otra F1 que sobresale hacia la matriz. Cuando el flujo de protones pasa a través de esta compleja estructura hacia la matriz se produce un cambio conformacional en la partícula F y cataliza la síntesis del ATP en el lado de la matriz mitocondrial, a partir de ADP y fosfato. Por cada tres protones que fluyen a través del complejo ATPsintetasa se forma una molécula de ATP. Como el flujo de protones es impulsado por el gradiente electroquímico, este proceso tiene carácter quimiosmótico. 5.5.4.5. BALANCE ENERGÉTICO DEL CATABOLISMO DE LA GLUCOSA. Biología celular Organología y fisiología celular - 15 - BLOQUE II: ORGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR BIOLOGÍA COLEGIO ECOS 2º BACHILLERTO La glucólisis rinde dos moléculas de ATP directamente y dos moléculas de NADH. En presencia de oxígeno, los electrones del NADH entran en la cadena transportadora de electrones, donde se producen dos moléculas de ATP por cada NADH. Por tanto, el rendimiento de la glucólisis es de 6 ATP. […En algunos casos, el NADH citosólico utiliza una vía diferente para entrar en la mitocondria, lo que permite rendir 3 ATP por cada NADH en la cadena respiratoria y en la glucólisis se produciría 8 ATP…] La conversión de ácido pirúvico en acetil-CoA, en la matriz mitocondrial, rinde dos moléculas de NADH por cada molécula de glucosa. Cuando los electrones de estas dos moléculas se transfieren a la cadena respiratoria se producen 6 ATP. En el ciclo de Krebs ingresan dos moléculas de acetil-CoA y se forman dos GTP (igual a 2 ATP), seis moléculas de NADH y dos FADH2. La transferencia de electrones de estas moléculas de poder reductor, a la cadena de transporte de electrones y posterior fosforilación, proporcionan 22 ATP. Por tanto, se genera un global de 24 ATP. Proceso Citoplasma Glucólisis 2 ATP 2 NADH Matriz mitocondrial Piruvato acetil-CoA Transporte electrónico 2 X (2 ATP) 2 X (3 ATP) 2 X(1 NADH) 2 X (1 ATP) Ciclo de Krebs 2 X (3 NADH) 6 X (3 ATP) 2 X (1 FADH2) 2 X (2 ATP) Balance energético global (por cada molécula de glucosa) 2 ATP 4 ATP 6 ATP 2 ATP 18 ATP 4 ATP 36 ATP El rendimiento medio total que produce la oxidación completa de una molécula de glucosa es de 36 moléculas de ATP. La oxidación de la glucosa produce unas 680 Kcal por mol de glucosa. El ATP formado en la mitocondria atraviesa la membrana mitocondrial interna a través de un transportador específico de la propia membrana, que acopla la salida de ATP con la entrada de ADP a la matriz mitocondrial. Biología celular Organología y fisiología celular - 16 -