TECNICATURA EN PRODUCCIÓN VEGETAL INTENSIVA
Fisiología vegetal
Clase 5: Respiración Celular
INTRODUCCIÓN
Ecosistema en miniatura. Mini jardín en una botella sellada 53 años
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Este ecosistema en miniatura comenzó en 1960 como un entretenimiento, David Latimer aficionado a las plantas quiso saber cuánto tiempo son capaces de soportar las plantas sin riego y con cuidados básicos. 53 años más tarde esta planta, una tradescantia, sigue viva y ha pasado a ser la joya de la familia Latimer.
1- ¿Cómo es posible que el organismo viva sin intercambio de materia?
2- ¿Cómo es posible que haga la respiración celular? ¿Un animal sería capaz de sobrevivir?
3- ¿ Viviría la planta si el frasco no fuera transparente?
4- ¿Es necesario regarla?
La mayoría de las células pueden metabolizar una variedad de moléculas orgánicas para producir energía en forma de ATP. Todas las funciones vitales están mediadas por catalizadores biológicos que hacen más eficiente esta reacción, llamadas enzimas. La planta al crecer requiere de energía para crear nuevas estructuras y para ello degrada el alimento que creo en la fotosíntesis.
En este momento nos centraremos en la degradación de la glucosa por tres razones: Primera, prácticamente todas las células metabolizan la glucosa para obtener energía, por lo menos parte del tiempo. Aunque los vegetales tienen una reserva de almidón, las células son incapaces de digerir esta molécula y deben transformarla en glucosa en primer lugar. Segunda, el metabolismo de la glucosa es menos complejo que el metabolismo de la mayoría de las demás moléculas orgánicas. Por último, cuando utilizan otras moléculas orgánicas como fuentes de energía, las células por lo general convierten primero las moléculas en glucosa o en otros compuestos que siguen el camino del metabolismo de ésta.
Además de la glucosa otra molécula importante para el metabolismo es el oxígeno. Podemos observar que la planta es capaz de sobrevivir debido a que realiza procesos de síntesis y degradación constantemente. La planta realiza fotosíntesis (eliminando O2 al ambiente) y respiración celular (tomando ese O2 y liberando CO2 y H2O). Los productos de una reacción son los reactivos de la otra, esto hace que la planta pueda preservarse en dicho ecosistema durante un largo tiempo.
En situaciones donde el oxígeno no es suficiente se puede recurrir a otro proceso para la obtención de energía. Dicho proceso se conoce como fermentación.
GLUCÓLISIS
Para iniciar el proceso vamos a comenzar explicando al degradación de la molécula de glucosa
La figura resume las etapas principales del metabolismo de la glucosa (molécula de 6 carbonos). Las reacciones iniciales para “descomponer” la glucosa se conocen en conjunto como glucólisis (del griego “separar lo dulce”). La glucólisis, que ocurre en el citosol y no requiere de oxígeno, “descompone” la glucosa en piruvato (una molécula de 3 carbonos), captando la energía en dos moléculas de ATP. Si no hay oxígeno presente (condiciones anaeróbicas), la glucólisis va seguida de la fermentación, que no produce energía química adicional.
Cuando sí hay oxígeno presente (condiciones aeróbicas), la mayoría de los seres vivos utilizan un proceso llamado respiración celular para transformar el piruvato en dióxido de carbono y agua. En las células eucariotas (hongos, protistas, plantas y animales), la respiración celular se efectúa en las mitocondrias.
FÓRMULA GENERAL DEL PROCESO GLUCOSA+2 NAD+2Pi +2ADP------------NADH+2 ATP+2 PIRUVATO |
CICLO DE KREBS
1-Activación del piruvato
Recordemos que el piruvato es el producto final de la glucólisis y que se sintetiza en el citosol. Pero este no puede ingresar a la mitocondria por lo que debe transformarse para iniciar el ciclo de Krebs. La molécula de 3 carbonos se oxida, liberando una molécula de CO2 y queda una molécula de 2 Carbonos llamada grupo acetilo. En esta reacción exergónica el hidrógeno reduce un NAD a NADH.
El grupo acetilo es aceptado por un compuesto llamado Coenzima A y pasa a llamarse acetil-coa. A diferencia del Piruvato este compuesto si puede pasar a través de la membrana de la mitocondria.
2- Ciclo de Krebs
La siguiente etapa está formada por un conjunto de reacciones que forman una vía cíclica que se conoce como ciclo de Krebs, llamado así en honor a su descubridor, Hans Krebs. Durante el ciclo de Krebs, cada acetil CoA participa en varios reordenamientos químicos que terminan en la liberación de dos moléculas de CO2.
Durante esta secuencia de reacciones, la energía química de cada grupo acetilo se capta en forma de un ATP y cuatro portadores de electrones: tres NADH y un FADH2. En este punto la glucosa original se ha convertido totalmente en CO2.
RESUMEN DE LA ACTIVACIÓN DEL PIRUVATO Y EL CICLO DE KREBS
FÓRMULA GENERAL DEL PROCESO 2 PIRUVATO+8 NAD+2 GDP+2 Pi +2 FAD--------- 2 CO2+8 NADH+2 FADH+2 GTP
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CADENA RESPIRATORIA
(FOSFORILACIÓN OXIDATIVA)
La función principal de los procesos explicados hasta ahora es suministrar el hidrógeno de la molécula de glucosa para este momento. Cada NAD+ y cada FAD+ recogen los H necesarios para que, al liberar su energía se sinteticen moléculas de ATP. Esta síntesis de ATP recibe el nombre de fosforilación oxidativa y se produce enteramente en las crestas mitocondriales en la llamada cadena transportadora de electrones (CTE).
Básicamente está compuesto por 2 procesos:
1) Los electrones son transportados a lo largo de la membrana, de un complejo de proteínas transportador a otro de menor de energía (complejo I, II, III)
2) Los protones son transportados a través de la membrana, lo que significa que son pasados desde el interior o matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana provocando un gradiente de protones. El oxígeno es el aceptor final del electrón y al combinarlo con ellos se produce agua.
GLUCOLISIS |
GLUCOSA+2 NAD+2Pi→ NADH+2 ATP+2 PIRUVATO |
CICLO DE KREBS |
2 PIRUVATO+8 NAD+2 GTP+2 Pi+2 FAD→6 CO2+8 NADH+2 FADH + 2GTP |
CADENA RESPIRATORIA |
10 NADH+2 FADH+34 ADP+34 Pi+6O2→10 NAD+2 FAD+34 ATP+6 H2O |
FÓRMULA GENERAL DE LA RESPIRACIÓN CELULAR |
GLUCOSA + 38 ADP + 38 Pi + 6 CO2→ 6 CO2 + 38 ATP + 6 H2O |
CUESTIONES PARA REPASAR
1- Te dejamos estas preguntas como guía de lectura, el responderlas va a ayudar a que identifiques mejor cada parte de los procesos. Puedes ayudarte del capítulo 11 de Azcón Bieto. “Fijación del Dióxido de Carbono y síntesis de fotoasimilados”
¿Qué es el proceso de Respiración Celular?
¿Qué es la Glucolisis?
¿Dónde ocurre este proceso?
¿Qué proceso debe ocurrir previamente al Ciclo de Krebs para que el Piruvato (3C) ingrese a la Mitocondria?
¿Qué es el Ciclo de Krebs?
¿Qué ocurrió con los átomos de Hidrógeno producidos por la oxidación sucesiva de la molécula de glucosa?
¿Qué es la Cadena Respiratoria?
¿Cuáles son los procesos Anaeróbicos?
¿Qué es la fermentación? ¿Cuáles son los dos tipos?
2- Imagínate que vas a un supermercado y encuentras frutas de esta manera empaquetadas. ¿Por qué son empaquetadas de esta manera? ¿Se cumplen las mismas condiciones que el frasco visto al inicio de la guia? ¿por qué?
Se llama fermentación a un proceso de oxidación incompleta, que no requiere de oxígeno para tener lugar, y que arroja una sustancia orgánica como resultado. Es un proceso de tipo catabólico, es decir, de transformación de moléculas complejas a moléculas sencillas y generación de energía química en forma de ATP
La fermentación consiste en un proceso de glucólisis (ruptura de la molécula de glucosa) que produce piruvato (ácido pirúvico) y que al carecer de oxígeno como receptor de los electrones sobrantes del NADH producido, emplea para ello una sustancia orgánica que deberá reducirse para así reoxidar el NADH a NAD+, obteniendo finalmente un derivado del sustrato inicial que se oxida. Dependiendo de dicha sustancia final, habrá diversos tipos de fermentación.
FERMENTACION LACTICA
Consiste en una oxidación parcial de la glucosa, llevada a cabo por bacterias lácticas o por las células musculares animales (cuando se quedan sin oxígeno para respirar). Este proceso genera ATP pero también ácido láctico, lo cual produce al acumularse, la sensación dolorosa de fatiga muscular.
ECUACIÓN GENERAL DE LA FERMENTACIÓN LÁCTICA |
GLUCOSA+2 ADP + 2Pi→2 ÁCIDOS LÁCTICO + 2 ATP |
FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA
Llevada a cabo por las levaduras principalmente, produce a partir de ciertos azúcares una cantidad de alcohol etanol, dióxido de carbono y ATP. Este es el proceso empleado para producir las bebidas alcohólicas.
La fermentación alcohólica es llevada a cabo por las levaduras, sirve para la fabricación de bebidas alcohólicas (como el vino o la cerveza), y el CO2 procedente de la fermentación, es utilizado para hacer crecer el pan y otros alimentos.
La principal finalidad de una fermentación alcohólica, es la producción de energía de tipo anaeróbica (con ausencia de oxígeno) para microorganismos como las levaduras, en el caso de ver el proceso desde la perspectiva microbiana, pero si lo hacemos desde la perspectiva humana, el proceso es de tipo bioquímico, con la finalidad de producir etanol.
Para dar lugar a este proceso, se fragmentan moléculas de azúcares, obteniendo así la energía necesaria para que el microorganismo viva, pues como productos de desecho, este proceso da alcohol y CO2. La principal característica de los microorganismos que realizan este tipo de fermentación es el lugar donde viven, que suelen ser ambientes libres de oxígeno, sobretodo mientras se realiza la reacción química, por lo cual se dice que la fermentación alcohólica es un proceso totalmente anaeróbico.
ECUACIÓN GENERAL DE LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA |
GLUCOSA+2 ADP + 2Pi→2 ETANOL + 2 CO2 + 2 ATP |
ACTIVIDAD
1- Imagínate que te vas a dedicar a hacer vinos, compras unos barriles, colocas los materiales necesarios (uva, levaduras, azúcar, agua) y esperas que el proceso ocurra.
¿Que esperarias encontrar y por que?
Luego de 10 días revisas los barriles y notas que no tuviste éxito en tu primer intento de hacer vino
¿Que puede haber fallado?
2- Recordar el ejemplo del corredor ¿Hizo fermentación en algún momento? ¿Dónde? ¿Por qué?
