lunes, 24 de noviembre de 2014

Respiración Celular en la Fermentación del Mosto-Vino



LA RESPIRACIÓN CELULAR EN LA FERMENTACIÓN DEL MOSTO-VINO

La respiración celular consta de las siguientes fases:
- Glicólisis (color gris).
- Ciclo de Krebs (color azul).
- Transporte de electrones y Fosforilación oxidativa (color morado).

En la glucólisis, de una molécula de glucosa se obtienen dos de pirúvico y tras la descarboxilación el pirúvico se transforma en Acetil-CoA y, de esta manera, se incorporará al ciclo de Krebs.

También otras moléculas como ácidos grasos y aminoácidos, se incorporan al ciclo de Krebs en forma de Acetil-CoA. El que se incorporen unas u otras moléculas dependerá de lo que disponga la levadura en el mosto-vino.

- Acetil-CoA: Es una molécula muy importante en el metabolismo celular. La acetil coenzima A es una molécula intermediaria clave en el metabolismo que interviene en un gran número de reacciones bioquímicas o rutas metabólicas (tanto anabólicas como catabólicas). Se forma cuando una molécula de coenzima A acepta un grupo acetil.

Rutas catabólicas:
. Descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico. El ácido pirúvico sufre una descarboxilación oxidativa en el complejo piruvato deshidrogenasa de la matriz mitocondrial, antes de entrar al ciclo de Krebs, y un grupo carboxilo es eliminado en forma de dióxido de carbono, quedando un grupo acetilo (-CO-CH3) con dos carbonos que es aceptado por la coenzima A y se forma acetil-CoA, que es, por tanto, un compuesto clave entre la glucólisis y el ciclo de Krebs. Esta reacción es imprescindible para que la oxidación de los glúcidos (glucógeno, glucosa) continúe por la vía aerobia (ciclo de Krebs, cadena respiratoria, fosforilación oxidativa). De este modo puede aprovecharse toda la energía contenida en dichos nutrientes, con obtención de una cantidad máxima de ATP.
. Beta oxidación de los ácidos grasos. Los ácidos grasos son escindidos en fragmentos de dos carbonos que son aceptados por el coenzima A originando acetil-CoA que ingresa en el ciclo de Krebs.

Rutas anabólicas (biosíntesis):
. Gluconeogénesis: síntesis de glucosa a partir de precursores no glucídicos.
. Biosíntesis de ácidos grasos.
. Biosíntesis de aminoácidos.
. Síntesis del neurotransmisor acetilcolina (de gran importancia en las placas motoras, para estimular las contracciones musculares), con ayuda de la colina y una enzima específica que cataliza la unión.

- Efecto Pasteur: consiste en la inhibición de la fermentación por la respiración. Ocurre cuando la levadura se encuentra en presencia de oxigeno, utiliza la respiración celular ya que, es mucho más rentable energéticamente (36 a 38 ATP/glucosa); ATP que utiliza para su propio crecimiento y reproducción, en detrimento de la producción de alcohol. Según este efecto, la fermentación alcohólica quedaría inhibida por la presencia de oxígeno y que además tiene un balance energético de solo 2 ATP. Según esto, sería conveniente airear el mosto para conseguir una población de levaduras adecuada que inicie la fermentación alcohólica.

La aireación es importante para las levaduras porque éstas en presencia de oxígeno sintetizan ácidos grasos insaturados y ergosterol, que se integran  las membranas celulares y hacen  que las levaduras sean más permeables y pueda entrar la glucosa en la célula.

Las primeras generaciones de levaduras tienen suficiente ergosterol,  pero posteriormente necesitan oxigeno para sintetizarlo y que de este modo las levaduras puedan agotar los azúcares. Por tanto la aireación esta indicada a partir del 1º día de iniciada la Fermentación Alcohólica

- Efecto Crabtree: este efecto nos indica que cuando la concentración de azúcar es elevada, la levadura S. cerevisiae sólo metaboliza los azúcares por vía fermentativa, aunque haya presencia de oxígeno. En esta situación, la respiración es imposible, ya que las enzimas del Ciclo de Krebs quedan inhibidos por la alta concentración de azúcar.

¿QUÉ ES LA RESPIRACIÓN CELULAR?

La respiración celular o respiración interna es el conjunto de reacciones bioquímicas por las cuales determinados compuestos orgánicos son degradados completamente, por oxidación, hasta convertirse en sustancias inorgánicas, proceso que rinde energía (en forma de ATP) aprovechable por la célula. Existen dos tipos de respiración celular:

- Respiración aeróbica: El aceptor final de electrones es el oxígeno molecular, que se reduce a agua. La realizan la inmensa mayoría de células, incluidas las humanas. Los organismos que llevan a cabo este tipo de respiración reciben el nombre de organismos aeróbicos.

- Respiración anaeróbica: El aceptor final de electrones es una molécula inorgánica distinta del oxígeno, más raramente una molécula orgánica. Es un tipo de metabolismo muy común en muchos microorganismos, especialmente procariotas. No debe confundirse con la fermentación, proceso también anaeróbico, pero en el que no interviene nada parecido a una cadena transportadora de electrones.


CICLO DE KREBS

Características:
- El ciclo del Krebs se conoce también como ciclo del ácido cítrico.
- Es la ruta metabólica a través de la cual el ácido pirúvico, generado en la glucólisis, se incorpora en forma de Acetil-CoA. Previamente, el pirúvico se une a la coenzima-A, se elimina una molécula de CO2 y, de esta manera se genera Acetil-CoA.
- Los electrones de alta energía obtenidos en las sucesivas oxidaciones del ciclo de Krebs se utilizan para formar NADH+H+ y FADH2, los cuales, más tarde, entrarán en la cadena respiratoria para generar ATP.
- Sólo se obtiene 1 ATP por cada molécula de Acetil-CoA en dicho ciclo, pero se obtienen 3 NADH+H+ y 1FADH2. Previamente, en el paso del pirúvico a acetil-CoA se produce 1 NADH+ H+.
- Este ciclo, no sólo va a ser la última etapa de la degradación de los azucares, sino de otros compuestos orgánicos, como los ácidos grasos y determinados aminoácidos, que van a ser también degradados a Acetil-CoA e integrados en el Ciclo de Krebs. Es, por lo tanto, la vía fundamental para la degradación de la mayoría de los compuestos orgánicos.
- Este ciclo se realiza en la matriz de la mitocondria.

Fases del Ciclo de Krebs: (Las diferentes reacciones que completan las dos fases del Ciclo de Krebs y las transformaciones que se producen).


FASE 1: INTRODUCCIÓN Y PÉRDIDA DE DOS ÁTOMOS DE CARBONO

La fase 1 del ciclo de Krebs comprende la unión del Acetil-CoA con el oxalacetato para formar el ácido cítrico (o citrato), el cual se metabolizará a succinil-CoA.

La oxidación no se produce en la molécula de Acetil-CoA, (2C) sino que ésta se une al oxalacetato, (4C) generando una molécula citrato, (6C) y, sobre esta molécula, se producirá la oxidación de dos carbonos. Al ácido cítrico se debe el nombre del Ciclo de Krebs o del Citrato o del Cítrico.

En su mecanismo se producen dos descarboxilaciones oxidativas consecutivas, perdiéndose dos carbonos en forma de 2 CO2 y 4 electrones en forma de 2 NADH+H+, dando lugar al succinil-CoA (4C) que, aunque tiene 4 carbonos, es una molécula distinta a la molécula aceptora original que es el oxalacetato (4C).

Una oxidación es una pérdida de electrones e hidrógenos. (Ambos van asociados).

- Desde el acetil-CoA hasta succinil-CoA se generan en forma 2 NADH+H+ en poder reductor
- Desde la transformación del pirúvico hasta succinil-CoA se generan en forma 3 NADH+H+ en poder reductor


Paso 1: introducción de dos átomos de carbono en forma de acetil-CoA.

- Transformación del pirúvico en Acetil-CoA con la participación del complejo de la enzima piruvato deshidrogenasa que está formado por tres enzimas: E1 + E2 + E3.
- Se genera 1 NADH.
- Ocurre en la matriz de la mitocondria y la reacción es irreversible.
- A continuación, comienza la Fase 1.


Reacción 1ª: unión de la acetil-CoA con el ácido oxalacético para formar el ácido cítrico.

- En este proceso se recupera la CoA-SH.
- Interviene la enzima citrato-sintetasa.
- Es una reacción irreversible.
- Se consume una molécula de H2O.


Reacción 2ª: transformación del ácido cítrico en su isómero, el ácido isocítrico, con la intervención de la enzima aconitasa.

- La reacción consiste en una deshidratación y una hidratación sucesivas, a través del intermediario cis-aconitato deshidratado, que se mantiene unido al enzima.
- La reacción es reversible en condiciones fisiológicas (ΔG ≈ 0).


Reacción 3ª: descarboxilación oxidativa del ácido isocítrico que se transforma en α-cetoglutárico con la formación de CO2 y NADH+H+.

- Participa la enzima isocitrato deshidrogenasa.
- Es la primera de las dos descarboxilaciones oxidativas del ciclo.
- La reacción es irreversible en condiciones fisiológicas (ΔG<0 br="">
Reacción 4ª: descarboxilación oxidativa del ácido α-cetoglutárico formándose CO2 NADH+H+ y succinil CoA.



 Reacción 4ª: descarboxilación oxidativa del ácido α-cetoglutárico formándose CO2 NADH+H+ y succinil CoA.

- Reacción catalizada por el complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa (compuesto de tres actividades enzimáticas y análogo al complejo de la piruvato deshidrogenasa).
- Es la segunda descarboxilación oxidativa del ciclo.
- La reacción es irreversible en condiciones fisiológicas (ΔG<0 br="">



FASE 2: REGENERACIÓN DEL OXALACETATO

Esta fase 2 del ciclo de Krebs comprende la transformación del succinil-CoA hasta el oxalacetato.

Se transforma la molécula succinil-CoA (4C) en oxalacetato (4C) produciendo un ATP (o GTP), y dos oxidaciones más que extraen 4 electrones adicionales en forma de 1 NADH+H y 1 FADH2.

El ciclo del ácido cítrico consta de 8 etapas enzimáticas que oxidan la unidad acetilo (2C) a 2 CO2, conservándose parte de la energía libre, liberada en el proceso de oxidación, en forma de 3 NADH+H+, 1 FADH2 y 1 ATP (ó 1 GTP), por molécula de pirúvico.

El valor de la energía libre obtenida en la respiración celular es de ΔGº´= -686 kcal/mol.

Se produce una molécula en el paso de isocítrico al α-cetoglutárico, y otra en el paso del α-cetoglutárico al succinil CoA. Se producen, pues, dos moléculas de CO2.

Consta esta fase de los siguientes pasos:

Reacción 5ª: Transformación del Succinil-CoA en acido succínico con desprendimiento de un GTP (ATP).

- Reacción catalizada por la succinil-CoA sintetasa.
- Es una reacción reversible en condiciones fisiológicas (ΔG ≈ 0).

El succinil-CoA, es un compuesto de elevada energía, y dicha energía se invertirá en una fosforilación a nivel de sustrato; el nucleótido sintetizado es ATP. Es el único ATP que se genera en el ciclo.


Reacción 6ª: Oxidación del ácido succínico a ácido fumárico.

Transformación del ácido succínico a fumárico.

- Reacción catalizada por la succinato deshidrogenasa. La reacción es reversible en condiciones fisiológicas (ΔG ≈ 0).
- Es una deshidrogenación dependiente de FAD en el que el succinato se oxida (pierde dos hidrógenos) y el FAD se reduce (gana dos hidrógenos).


 Reacción 7ª: Hidratación de un doble enlace carbono-carbono.

- Adición de agua al doble enlace formándose el ácido málico con la acción de la fumarasa.
- La reacción es reversible (ΔG ≈ 0).


 Reacción 8ª: Una deshidrogenación que regenera el oxalacetato.

- La reacción consiste en que el málico se oxida (pierde dos hidrógenos) y el NAD se reduce (gana dos hidrógenos). El resultado es la formación del oxalacetato.
- Reacción final del ciclo catalizada por la malato deshidrogenasa.
- Esta reacción es altamente endergónica en condiciones estándar, (ver valor de ΔG°' positivo en la figura) pero, in vivo, se decanta hacia la derecha, hacia la formación del oxalacetato, debido a la reacción de la citrato sintetasa (altamente exergónica) que mantiene los niveles de oxalacetato en la mitocondria muy bajos ya que, como te he indicado, la citrato sintetasa unirá todo el oxalacético generado con un nuevo Acetil-CoA para formar un nuevo citrato y continuar con un nuevo ciclo.


TRANSPORTE DE ELECTRONES Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

- Transporte de electrones: Como su nombre indica consiste en un transporte de electrones desde las coenzimas reducidas, NADH+H+ o FADH2, hasta el oxigeno. Tiene lugar en la membrana de las crestas mitocondriales.

De manera coloquial, esos electrones viajan unidos a los hidrógenos, así pues cuando se pierden los electrones, los hidrógenos quedan cargados positivamente, H+.

- Finalidad: NADH+H+ y FADH2, serán oxidadas en la cadena respiratoria con el importante objetivo de obtener ATP. La obtención del ATP se conoce como fosforilación oxidativa. Al mismo tiempo, se recuperarán las coenzimas transportadoras de electrones en su forma oxidada, (NAD+ y FAD+) lo que permitirá la oxidación de nuevas moléculas de glucosa y de otras sustancias orgánicas. Como producto de desecho se obtendrá agua.

- El oxígeno es el último aceptor de los electrones en la cadena respiratoria de la respiración celular: 2H+ + O + 2e- → 2H+ + O= → 1 H2O. Los dos hidrógenos procedentes del NADH+H o FADH2 ceden sus dos electrones a la cadena de transporte de electrones, y quedan cargados positivamente 2 H+. Los electrones a su paso por dicha cadena generan ATP y, al final de la misma, se unen al oxígeno que queda cargado negativamente O=, este se unirá con dos H+ y generará una molécula de H2O.

- Mecanismo: Las crestas mitocondriales tienen la estructura de toda membrana biológica, es una doble capa lipídica.

Empotradas en la doble capa lipídica se encuentran diferentes sustancias transportadoras de electrones formando la cadena respiratoria. Éstas están asociadas formando grandes complejos que se suceden en este orden:

- Complejo I (NADH deshidrogenasa). Coenzima Q (Co-Q). Complejo II (Citocromo bc1). Citocromo c (cit c).
- Complejo III (Citocromo oxidasa). Complejo ATP sintetasa (a veces denominada como Complejo IV).


El mecanismo es el siguiente:
- En la membrana de las crestas mitocondriales se va a realizar un transporte de electrones desde el NADH+H+ o el FADH2 hasta el oxigeno.
- Este transporte de electrones va a liberar energía que se utiliza para generar un transporte de protones (H+) por parte de los complejos I, II y III, desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana de la mitocondria.
- Por cada dos electrones cedidos por el NADH+H, salen 6 hidrógenos desde la matriz hacia el espacio intermembrana, dos por cada complejo (I, II, III), ya que cada uno de ellos es capaz de bombear dos hidrógenos. La salida de estos hidrógenos genera un gradiente electroquímico capaz de generar una fuerza protomotriz entre la matriz y el espacio intermembrana que hace que, de nuevo, los hidrógenos sean devueltos a la matriz mitocondrial a través del complejo ATP sintetasa.

Este paso, por el complejo ATP sintetasa; servirá para sintetizar ATP, 1 ATP por cada dos protones (H+) bombeados del espacio intermembrana a la matriz mitocondrial.

Este mecanismo se basa en la hipótesis quimiosmótica, sostenida por el investigador P. Mitchell, que es la que goza de mayor prestigio, y que puede, además, explicar la síntesis de ATP.

¿Cuántos hidrógenos son capaces de bombear el NADH+H+ y el FADH2?:
- El NADH+H+ reduce, cede sus dos electrones, al Complejo I y luego al Complejo II y III, por lo que bombeará 6 H+ y se obtendrán 3 ATP por cada molécula de NADH+H+.
- El FADH2 no puede reducir al complejo I y cede sus dos electrones a la Co-Q, por lo que solo le quedan Complejo II y el Complejo III para bombear hidrógenos, y serán 4 H+ los bombeados y, por tanto, dos ATP los conseguidos. Esta es la razón por la que el FADH2 solo genera 2 ATP.
- Los electrones serán cedidos finalmente al oxígeno que junto con dos hidrógenos, presentes en la matriz mitocondrial darán una molécula de H2O.


El balance energético total de la oxidación de la glucosa:
- Glucosa (C6H12O6) + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 36-38 ATP.
- En el ciclo de Krebs incluido el paso de pirúvico a acetil-CoA se generan 30 ATP.
- El valor de la energía libre obtenida en la respiración celular es: ΔGº´= -686 kcal/mol.
- En algunas células la incorporación del NADH+H+,obtenido en la glucólisis, desde el citoplasma a la cadena de electrones genera 2 ATP en lugar de 3 ATP, según se incorporen a la coenzima Q o al Complejo I respectivamente, por lo que el rendimiento energético total será de 36 ATP si se incorpora a la coenzima Q o de 38 ATP si la hace al Complejo I.
- Rendimiento energetico real, en ATP, de la respiración celular: Si, ΔGº´ = -686 kcal/mol y 1 ATP equivale a 7,3 kcal/mol.
Tomamos como valor del rendimiento de ATP en la respiración celular de 36 ATP: 36 x 7,3 = 262,8 kcal. Rendimiento: (262,8 x 100) : 686 = 38,3 %.
- La respiración celular, a pesar de tener un rendimiento tan bajo, es el proceso más eficiente para los seres vivos. El 38-39 % se utiliza en forma de ATP y lo emplean los seres vivos para mantener sus funciones vitales; el 61 % restante se pierde en forma de calor.
- El balance del ciclo de Krebs por molécula de acetil-CoA es: 3 NADH+H, 1FADH2, 1

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