Respiración Celular
A) Formación de Acetil-CoA
Para que el ácido pirúvico formado en la glucólisis pueda continuar su oxidación incorporándose al ciclo de Krebs, debe transformarse previamente en acetil-CoA. Para ello, en primer lugar, el ácido pirúvico entra en el interior de las mitocondrias y allí sufre una descarboxilación oxidativa, gracias a un complejo multienzimático llamado piruvato-deshidrogenasa, que actúa en dos etapas:
- Pérdida del grupo carboxilo, que se elimina en forma de CO2.
- Oxidación del grupo cetónico (-CO-) a grupo carboxilo (-COOH) al mismo tiempo que se forma un enlace rico en energía (aprovechando la energía liberada en la oxidación) con el coenzima A, por lo que el producto final de la reacción es el acetil-CoA. En esta oxidación se liberan 2 átomos de hidrógeno, que son captados por el NAD+, que se reduce a NADH + H+. Así, por cada molécula de glucosa inicial se producen 2 acetil-CoA, 2 CO2 y 2 (NADH + H+).
B) Ciclo de Krebs
El acetil-CoA se incorpora al ciclo de Krebs, también llamado ciclo del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos, donde se produce la oxidación completa del acetil-CoA hasta CO2. Por cada molécula de acetil-CoA que ingresa en el ciclo de Krebs, se obtienen:
- Dos moléculas de CO2 (la molécula de acetil-CoA (2C) queda totalmente degradada).
- Tres moléculas de NADH + H+ y una de FADH2, que permitirán posteriormente, la formación de ATP, por fosforilación oxidativa.
- Una molécula de GTP convertible en ATP. Para la degradación total de una molécula de glucosa son necesarias 2 vueltas al ciclo de Krebs.
C) Cadena Respiratoria. Fosforilación Oxidativa.
Hasta ahora la oxidación de la glucosa hasta CO2 ha suministrado muy poco ATP (sólo 2 moléculas en la glucólisis y otras 2 en el ciclo de Krebs); por fosforilación a nivel de sustrato. Sin embargo se han reducido varias moléculas de coenzimas, como el NAD+ y el FAD que se han convertido en NADH + H+ y FADH2 que tienen mucha energía. Por otra parte, aunque el ciclo de Krebs es propio de la respiración aerobia, el oxígeno no ha intervenido. Éste interviene en la última fase, como aceptor final de los e– captados por el NADH + H+ y el FADH2. Pero la transferencia de e– no se hace de forma inmediata, sino a través de una serie de transportadores que forman la cadena transportadora de electrones de moléculas orgánicas, que se reducen y oxidan, a medida que se van pasando los protones y electrones procedentes del NADH + H+ y el FADH2. Se han identificado 4 grandes complejos enzimáticos:
COMPLEJO NADH–DESHIDROGENASA
Transfieren simultáneamente e– y protones desde el NADH + H+ hasta el coenzima Q.
COMPLEJO COENZIMA Q
Esta molécula acepta protones y electrones del complejo anterior y se oxida al cederlos al siguiente complejo. También los e– y protones procedentes de FADH2 se incorporan al CoQ.
COMPLEJO CITOCROMO b-c1
Está formado por 2 citocromos b y c1 que transportan los 2 e– procedentes del CoQ. A partir de este punto no se transportan protones, éstos quedan en la matriz mitocondrial.
COMPLEJO CITOCROMO-OXIDASA
Los e– procedentes del complejo anterior pasan a través del citocromo C hasta el complejo citocromo-oxidasa formado por dos citocromos: el a (que posee hierro) y el a3 (que posee cobre). Este último es el encargado de ceder los e– al oxígeno molecular que se reduce al ión O2– y formando agua.
Fosforilación Oxidativa
La energía que los e– van perdiendo al pasar por las moléculas transportadoras de la cadena respiratoria se emplea para fosforilar el ADP y así sintetizar ATP. A este proceso se le llama fosforilación oxidativa y ocurre de la siguiente forma: la energía liberada por el transporte electrónico se utiliza para bombear protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso, a través de unas proteínas transportadoras localizadas en los complejos enzimáticos I, III y IV. De esta forma se genera un gradiente electroquímico de protones, es decir una diferencia de carga eléctrica a ambos lados de la membrana interna, que hace que los protones, en exceso en el espacio intermembranoso, vuelvan a la matriz mitocondrial y lo hacen a través de las ATPasas sintetizándose ATP. Por lo tanto, por cada NADH + H+ se obtienen 3 ATP, a partir de un FADH2 sólo se obtienen 2 ATP, ya que el FADH2 se incorpora a la cadena respiratoria en el coenzima Q.
Catabolismo de Lípidos
En concreto los triglicéridos o grasas, son la principal reserva de energía utilizada por las células. El catabolismo de las grasas comienza por la acción de las lipasas catalizando la hidrólisis del triglicérido en glicerina y ácidos grasos. La glicerina se puede transformar en dihidroxiacetona-fosfato y ésta se convierte fácilmente en gliceraldehído-3-fosfato, que se incorpora a la ruta de la glucólisis, degradándose completamente en el ciclo de Krebs y en la cadena respiratoria. Sin embargo los ácidos grasos siguen una ruta catabólica especial denominada β-oxidación.
β-Oxidación de los Ácidos Grasos
Los ácidos grasos obtenidos en el citoplasma entrarán en la mitocondria donde se oxidan totalmente mediante el proceso denominado β-oxidación, ya que la oxidación tiene lugar en el carbono β, consiguiéndose la ruptura del enlace que une este carbono con el α (el más próximo al carboxilo). De esta forma se van perdiendo pares de átomos de C que se desprenden en forma de acetil-CoA. Tradicionalmente la β-oxidación se representa por una espiral, llamada hélice de Lynen, donde cada vuelta implica la pérdida de una molécula de acetil-CoA.
Fotosíntesis
Fase Luminosa
Cuando un fotón lumínico es absorbido por una molécula de clorofila del complejo antena, la energía es transferida de una molécula a otra, terminando en la molécula del centro de reacción, donde un electrón del pigmento diana capta la energía y asciende a posiciones más alejadas del núcleo atómico saliendo del átomo, dejándolo ionizado. El pigmento queda con un defecto de electrones (oxidado). La molécula que se los repondrá se denomina primer dador de electrones. Los electrones perdidos, cargados con la energía del fotón, pasan a una molécula denominada primer aceptor de electrones y luego a una serie de aceptores que se reducen y oxidan sucesivamente, al captar y luego liberar dichos electrones, formándose la denominada cadena transportadora de electrones. Durante este proceso, la energía captada se invierte en introducir protones que al salir a través del complejo ATP-sintetasa, da lugar a la síntesis de ATP. En la membrana tilacoidal de los cloroplastos existen en realidad dos fotosistemas. (explicar) Al incidir 2 fotones sobre cualquiera de los fotosistemas, las dos moléculas de clorofila pierden cada una un electrón, quedando cargadas positivamente. Pero en este estado no pueden seguir funcionando, por lo que tienen que recuperar el electrón perdido. Dependiendo de cual sea el aceptor final de los electrones se distinguen dos procesos:
FLUJO NO CÍCLICO O ABIERTO DE ELECTRONES
El proceso se inicia, en la membrana de los tilacoides, con la llegada de 2 fotones al fotosistema II. Esto provoca la excitación de la clorofila P680, que pierde 2 electrones. Los electrones son captados por un aceptor primario, la feofitina, e irán pasando a otros aceptores. La clorofila P680 queda cargada positivamente, y reponer los electrones con los de la fotolisis del agua.
De esta manera una molécula de agua se escinde en 2 protones, 2 electrones y átomos de oxígeno. Por otro lado, los 2 electrones perdidos por la clorofila del PSII pasan por una cadena transportadora de electrones: son captados por la feofitina, luego pasan a la plastoquinona y ésta se los cede al complejo citocromo b6-f de éste los electrones pasan a la plastocianina Finalmente los electrones procedentes del PSII son captados por la clorofila del fotosistema I. Antes de captar los 2 electrones del PSII, el fotosistema I es estimulado por 2 fotones de luz que provocan que la clorofila P700 pierda 2 electrones, captados por la ferredoxina, la cual los transporta hacia la NADP reductasa, donde se incorporan dos protones procedentes del estroma para formar hidrógeno, que es recogido por un NADP+ que se reduce a NADPH + H+. Se obtiene así poder reductor, que será empleado en la síntesis de moléculas orgánicas durante la fase oscura. Por otra parte, la energía que se desprende durante el movimiento de electrones a través de la cadena transportadora que conecta el fotosistema II y el I, se utiliza para bombear protones desde el estroma al interior del tilacoide (complejo citocromo b6-f). Estos protones sumados a los procedentes de la fotolisis del agua, crean una diferencia de potencial electroquímico a ambos lados de la membrana, que hace que los protones salgan al estroma a través de las enzimas ATP-sintetasas, con la consiguiente síntesis de ATP (hipótesis quimiosmótica de Mitchell). Este proceso se denomina fotofosforilación y en él se forma ATP a partir de ADP y Pi. En resumen, en la transferencia no cíclica de electrones, a partir de una molécula de agua y 4 fotones de luz, se obtienen 1 molécula de NADPH + H+, ½ de O2 y 1 molécula de ATP. Esta cantidad de ATP no es suficiente para que se lleve a cabo la fase oscura, que como se verá más adelante requiere 3 moléculas de ATP por cada 2 de NADPH; este déficit se compensa con el flujo cíclico de electrones.
Síntesis de Proteínas
Activación de los Aminoácidos
Antes de que se inicie la síntesis de proteínas es preciso que los aminoácidos que van a ser unidos se activen. En esta fase previa, que tiene lugar en el citoplasma y no en los ribosomas, cada aminoácido se une a una molécula de ARNt específica para dar lugar a un aminoacil-ARNt. Esta unión la realiza la enzima aminoacil-ARNt-sintetasa y requiere energía (ATP).
Aminoacil-ARNt-sintetasa
El aminoácido queda unido por su grupo carboxilo al extremo 3′ del ARNt (concretamente al grupo -OH del extremo 3′ del último nucleótido, que siempre lleva adenina).
Traducción Propiamente Dicha
A) Iniciación
En primer lugar, el ARNm se une por su extremo 5′ a la subunidad menor del ribosoma. A continuación se fija el primer aminoacil ARNt, cuyo anticodón es UAC (complementario AUG). El aminoácido unido a este primer ARNt es la formil metionina (en procariotas es la metionina). Todas las proteínas inician su síntesis con uno de estos aminoácidos, pero posteriormente suelen ser eliminados. Por último a este complejo de iniciación (subunidad pequeña del ribosoma + el ARNm + el primer aminoacil-ARNt) se le une la subunidad mayor del ribosoma. La porción de ARNm cubierta por el ribosoma corresponde a dos codones. Sobre el primero de ellos, AUG, ya está situado el aminoacil-ARNt correspondiente, en el lugar denominado sitio P (lugar donde se localiza el ARNt que lleva unida la cadena peptídica en formación). La zona del segundo codón es el sitio A (lugar en el que se acopla cada nuevo aminoacil-ARNt). El proceso de iniciación requiere la ayuda de unos factores proteicos de iniciación y energía.
B) Elongación
Alargamiento de la cadena proteica y se inicia cuando un segundo aminoacil-ARNt, cuyo anticodón es complementario al codón situado a continuación del iniciador, «entra» en el ribosoma y ocupa el sitio A que estaba libre. El siguiente paso es la formación de un enlace peptídico entre los dos aminoácidos (soltándose el primer aminoácido de su ARNt), gracias a la enzima peptidil transferasa, localizada en la subunidad mayor del ribosoma. Después ocurre la translocación del ribosoma, el ARNm en sentido 5′ 3′. Como este desplazamiento es exactamente de tres bases, el primer ARNt abandona el ribosoma, y el peptidil-ARNt, que todavía se mantiene unido a su codón, pasa a ocupar el sitio P, quedando el sitio A libre. Sobre él se fijará un nuevo aminoacil-ARNt, y la cadena proteica irá creciendo. El proceso requiere unos factores de elongación (FE) y energía.
C) Terminación
La terminación de la cadena proteica tiene lugar cuando el ribosoma llega a un lugar del ARNm donde se encuentra un codón de terminación (UAA, UGA o UAG), que no es reconocido por ningún ARNt y sí por unos factores de liberación (FR), de naturaleza proteica, que se sitúan en el sitio A y hacen que la peptidil-transferasa separe, por hidrólisis, la cadena polipeptídica del ARNt. También en este proceso se utiliza la energía que proporciona el GTP.