ud. iii. biologia cel·lular. ll. iii. 4. met. i energia,...

UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel·lular


Els organismes precisen energia per mantenir les seves funcions

En el procés de fotosíntesi (autotrofisme) es genera matèria orgànica i oxigen que es usat en el procés de respi ració cel·lular.

En el procés de respiració cel·lular (heterotrofisme) , les cèl·lules usen la matèria orgànica, rica en energia , per produir ATP que facilita les funcions dels organismes.

ECOSYSTEM

Lightenergy

Photosynthesisin chloroplasts

Cellular respirationin mitochondria

Organicmolecules

+ O2CO2 + H2O

ATP

powers most cellular work

Heatenergy


Reducció. Oxidació. Reaccions redox. (record de conceptes)

L’energia es genera en un conjunt de reaccions en l es que es llibera energia de mica en mica.

Les reaccions de reducció-oxidació (redox) consisteixen en la tranferència d’electrons entre productes.

Oxidació : una substància perd electrons

Reducció : una substància guanya electrons


A certes reaccions redox no es perden electrons, si nó que hi ha intercanvis d’àtoms d’hidrogen.

Quan un compost perd H, s’oxida

Quna un compost guanya H, es redueix.

UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 3. Met. i energia, 2: Respiració cel·lularLE 9-3

Reactants

becomes oxidized

becomes reduced

Products

H

Methane(reducing

agent)

Oxygen(oxidizing

agent)

Carbon dioxide Water

H C H

H

O O O OC OH H

CH4 2 O2+ ++CO2 Energy 2 H2O


A la respiració cel·lular, la glucosa és oxidada I l’oxigen reduït.

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + Energybecomes oxidized

becomes reduced


Obtenció d’energia a la respiració cel·lular

L’energia s’obté a partir de la glucosa i altres co mposts.

L’allibarament d’energia no es fa d’un cop, sinó pe r escalons

2 H+ + 2 e–

2 H

(from food via NADH)

Controlledrelease ofenergy for

synthesis ofATP ATP

ATP

ATP

2 H+

2 e–

H2O

+ 1/2 O21/2 O2H2 +

1/2 O2

H2O

Explosiverelease of

heat and lightenergy

Cellular respirationUncontrolled reaction

Fre

e en

ergy

, G

Fre

e en

ergy

, G


Transportadors d’energia

Els transportadors d’energia són el

NAD, NADH,

FAD, FADH2

ATP


4. La respiració cel·lular

La respiració cel·lular té dues vies d’obtenció d’e nergia:

Aeròbica (Respiració cel·lular) , en presència d’oxigen

Fermentació , sense presència d’oxigen

Respiració anaeròbica, bactèries

u1

Diapositiva 14

u1 uib; 03/11/2009

LE 9-18

Pyruvate

Glucose

CYTOSOL

No O2 presentFermentation

Ethanolor

lactate

Acetyl CoA

MITOCHONDRION

O2 presentCellular respiration

Citricacidcycle

UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel·lularFases

Fases de la respiració cel·lular

Glucolisi . Es romp la molècula de glucosa en dues de piruvat .

Ciclo de Krebs (Cicle de l’àcid cítric). Es completa la ruptura de la glucosa

Cadena respiratòria (fosforilació oxidativa). Alta producció d’energia

Mitochondrion

Glycolysis

PyruvateGlucose

Cytosol

ATP

Substrate-levelphosphorylation

Mitochondrion

Glycolysis

PyruvateGlucose

Cytosol

ATP


ATP


Citricacidcycle

Mitochondrion

Glycolysis

PyruvateGlucose

Cytosol

ATP


ATP


Citricacidcycle

ATP

Oxidativephosphorylation

Oxidativephosphorylation:electron transport

andchemiosmosis

Electronscarried

via NADH

Electrons carriedvia NADH and

FADH2

3


Eucariota Procariota

CitoplasmaGlucolisiFermentació

CitoplasmaGlucolisiFermentacióCicle de Krebs

Matriu mitocondrialCicle de KrebsOxidació piruvats

MembranaOxidació piruvatsTransport electrons

Membrana interna mitocTransport d’electrons

La respiració cel·lular a eucariotes i procariotes


Glucolisi

Glucolisi

Consisteix en la transformació de glucosa en 2 molècules de piruvat.

Passa al citoplasma

Produeix

2 molècules d’ATP

2 molècules de NADH

LE 9-9a_1

Glucose

ATP

ADP

Hexokinase

ATP ATP ATP

Glycolysis Oxidationphosphorylation

Citricacidcycle

Glucose-6-phosphate

LE 9-9a_2

Glucose

ATP

ADP

Hexokinase

ATP ATP ATP


Citricacidcycle

Glucose-6-phosphate

Phosphoglucoisomerase

Phosphofructokinase

Fructose-6-phosphate

ATP

ADP

Fructose-1, 6-bisphosphate

Aldolase

Isomerase

Dihydroxyacetonephosphate

Glyceraldehyde-3-phosphate

LE 9-9b_1

2 NAD+

Triose phosphatedehydrogenase

+ 2 H+

NADH2

1, 3-Bisphosphoglycerate

2 ADP

2 ATPPhosphoglycerokinase

Phosphoglyceromutase

2-Phosphoglycerate

3-Phosphoglycerate

LE 9-9b_2

2 NAD+

Triose phosphatedehydrogenase

+ 2 H+

NADH2

1, 3-Bisphosphoglycerate

2 ADP

2 ATPPhosphoglycerokinase

Phosphoglyceromutase

2-Phosphoglycerate

3-Phosphoglycerate

2 ADP

2 ATPPyruvate kinase

2 H2OEnolase

Phosphoenolpyruvate

Pyruvate

Energy investment phase

Glucose

2 ATP used2 ADP + 2 P

4 ADP + 4 P 4 ATP formed

2 NAD+ + 4 e– + 4 H+

Energy payoff phase

+ 2 H+2 NADH

2 Pyruvate + 2 H 2O

2 Pyruvate + 2 H 2O

2 ATP

2 NADH + 2 H+

Glucose

4 ATP formed – 2 ATP used

2 NAD+ + 4 e– + 4 H+

Net

Glycolysis Citricacidcycle


ATPATPATP


Fermentació

En absència d’oxigen es pot degradar el glucosa en un procés de fermentació .

Es produeiex ATP, però el rendiment és molt inferio r al de la respiració cel·lular

Hi ha molts de tipus de fermentació i es produeix a molts d’organismes.

Les més conegudes: làctica i alcohòlica

Sembla que és un vestigi evolutiu de quan l’atmosfera inicial era abundant en CO 2 i escassa en O 2.

LE 9-18

Pyruvate

Glucose

CYTOSOL

No O2 presentFermentation

Ethanolor

lactate

Acetyl CoA

MITOCHONDRION

O2 presentCellular respiration

Citricacidcycle


Fermentació alcohòlica

A la fermentació alcohòlica es transforma la glucos a en etanol en dues passes.

La ganància és de 2 molècules d’ATP

El procés passa a diversos organismes:

Llevats (fongs).

S’usa per la producció de begudes alcohòliques: vi, vingre i cervesa

LE 9-17a

CO2+ 2 H+

2 NADH2 NAD+

2 Acetaldehyde

2 ATP2 ADP + 2 P i

2 Pyruvate

2

2 Ethanol

Alcohol fermentation

Glucose Glycolysis


Fermentació làctica

A la fermentació làctica es transforma la glucosa en lactat (àcid làctic).

Es produeixen 2 molècules d’ATP

La realitzen bacteris i fongs que són usats per pro duir iogurs i formatges.

A les cèl·lules muscular humanes, en absència d’oxi gen, es produeix la fermentació làctica.

Funciona quan a causa d’un esforç físic important s ’esgota l’oxigen present a la cèl·lula.

LE 9-17b

CO2+ 2 H+

2 NADH2 NAD+

2 ATP2 ADP + 2 P i

2 Pyruvate

2

2 Lactate

Lactic acid fermentation

Glucose Glycolysis


Cicle de Krebs

Cicle de Krebs

Cicle del àcid cítric

Cicle dels àcids tricarboxílics

El primer pas consisteix en la transformació del pi ruvat en acetil CoA, el qual comença el conjunt de reacci ons del cicle

CYTOSOL

Pyruvate

NAD+

MITOCHONDRION

Transport protein

NADH + H+

Coenzyme ACO2

Acetyl Co A


Cicle de Krebs

La finalitat del cicle de Krebs és obtenir energia.

En el cicle es generen per cada volta del cicle:

1 ATP

3 NADH

1 FADH2

Pyruvate(from glycolysis,2 molecules per glucose)

ATP ATP ATP


CitricacidcycleNAD+

NADH+ H+

CO2

CoA

Acetyl CoACoA

CoA

Citricacidcycle

CO22

3 NAD+

+ 3 H+

NADH3

ATP

ADP + P i

FADH2

FAD

LE 9-12_1

ATP ATP ATP


Citricacidcycle

Citricacidcycle

Citrate

Isocitrate

Oxaloacetate

Acetyl CoA

H2O

LE 9-12_2

ATP ATP ATP


Citricacidcycle

Citricacidcycle

Citrate

Isocitrate

Oxaloacetate

Acetyl CoA

H2O

CO2

NAD+

NADH

+ H+

αααα-Ketoglutarate

CO2NAD+

NADH

+ H+SuccinylCoA

LE 9-12_3

ATP ATP ATP


Citricacidcycle

Citricacidcycle

Citrate

Isocitrate

Oxaloacetate

Acetyl CoA

H2O

CO2

NAD+

NADH

+ H+


CO2NAD+

NADH

+ H+SuccinylCoA

Succinate

GTP GDP

ADP

ATP

FAD

FADH2

P i

Fumarate

LE 9-12_4

ATP ATP ATP


Citricacidcycle

Citricacidcycle

Citrate

Isocitrate

Oxaloacetate

Acetyl CoA

H2O

CO2

NAD+

NADH

+ H+


CO2NAD+

NADH

+ H+SuccinylCoA

Succinate

GTP GDP

ADP

ATP

FAD

FADH2

P i

Fumarate

H2O

Malate

NAD+

NADH

+ H+


Cadena respiratòria

Cadena respiratòria

Fosforilació oxidativa

El NADH i el FADH2, extreuen l’energia de la glucos a

Aquests compost s’integren a la cadena respiratòria iniciant un procés de transferència d’electrons. L’energia que produeix aquesta cadena de reaccions s’usa per sintetitzar A TP.

Aquest conjunt de reaccions passa a la membrana int erna del mitocondri

ATP ATP ATP

GlycolysisOxidative

phosphorylation:electron transportand chemiosmosis

Citricacidcycle

NADH

50

FADH2

40 FMN

Fe•S

I FAD

Fe•S II

IIIQ

Fe•S

Cyt b

30

20

Cyt c

Cyt c1

Cyt a

Cyt a3

IV

10

0

Multiproteincomplexes

Fre

e en

ergy

(G

) re

lativ

e to

O2

(kca

l/mol

)

H2O

O22 H+ + 1/2


Quimiòsmosi

La cadena respiratòria no genera ATP de forma direc ta

Funciona facilitant la caiguda d’electrons des de l a glucosa (i altres composts) a l’oxigen, fraccionant tota l’energia en petites quantitats que són més aprofitables per a les reacc ions.


L’hidrogen format a la cadena respiratòria passa de l’espai interior de les membranes mitocondrials a la matriu a través d’una bomba iònica formada per ATP sintetasa. Atrav essa els porus de l’enzim.

L’ATP sintetasa usa el fluxe d’H+ per formar ATP (q uimiòsmosi)

LE 9-15

Protein complexof electroncarriers

H+

ATP ATP ATP

GlycolysisOxidative

phosphorylation:electron transportand chemiosmosis

Citricacidcycle

H+

Q

IIII

II

FADFADH2

+ H+NADH NAD+

(carrying electronsfrom food)

Innermitochondrialmembrane

Innermitochondrialmembrane

Mitochondrialmatrix

Intermembranespace

H+

H+

Cyt c

IV

2H+ + 1/2 O2 H2O

ADP +

H+

ATP

ATPsynthase

Electron transport chainElectron transport and pumping of protons (H +),

Which create an H + gradient across the membrane

P i

ChemiosmosisATP synthesis powered by the flow

of H+ back across the membrane

Oxidative phosphorylation

LE 9-14

INTERMEMBRANE SPACE

H+ H+

H+H+

H+

H+

H+

H+

ATP

MITOCHONDRAL MATRIX

ADP+

Pi

A rotor within the membrane spins as shown when H+ flows past it down the H +

gradient.

A stator anchored in the membrane holds the knob stationary.

A rod (or “stalk”) extending into the knob also spins, activating catalytic sites in the knob.

Three catalytic sites in the stationary knob join inorganic phosphate to ADP to make ATP.


Balanç de la produció energètica a la respiració cel·lular

Aproximadament el 40% de l’energia de cada molècula de glucosa es transferida per formar ATP. Amb un rendiment de 38 ATP (aprox) per cada molècula.

Glucosa NADH Cadena respiratòria H+ ATP

CYTOSOL Electron shuttlesspan membrane 2 NADH

or2 FADH2

MITOCHONDRION

Oxidativephosphorylation:electron transport

andchemiosmosis

2 FADH22 NADH 6 NADH

Citricacidcycle

2AcetylCoA

2 NADH

Glycolysis

Glucose2

Pyruvate

+ 2 ATP

by substrate-levelphosphorylation

+ 2 ATP

by substrate-levelphosphorylation

+ about 32 or 34 ATP

by oxidation phosphorylation, dependingon which shuttle transports electronsform NADH in cytosol

About36 or 38 ATPMaximum per glucose:


La respiració cel·lular produïda per diverses vies metabòliques

La glucolisi i el cicle de Krebs es poden connectar a diverses vies metabòliques.

Glúcids

Lípids

Proteïnes

Es descomposen en les seves molècules bàsiques i s’ integren a la glucolisi i al cicle en diversos nivells .

Citricacidcycle


Proteins

NH3

Aminoacids

Sugars

Carbohydrates

Glycolysis

Glucose

Glyceraldehyde-3- P

Pyruvate

Acetyl CoA

Fattyacids

Glycerol

Fats


Regulació i control de la respiració.

Hem vist abans (III. 2.) mecanismes de control de l ’activitat metabòlica. A la respiració es produeix un cas d’in hibició per retroalimentació.

Quan l’organisme gasta energia i es consumeix molt d’ATP augmenta el ritme de respiració amb l’objectiu d’au gmentar la producció d’ATP.

En el cas contrari es produeix una inhibició de l’a ctivitat per retroalimentació.

LE 9-20

Citricacidcycle


Glycolysis

Glucose

Pyruvate

Acetyl CoA

Fructose-6-phosphate

Phosphofructokinase

Fructose-1,6-bisphosphate

–

Inhibits

ATP Citrate

Inhibits

Stimulates

AMP

+

–


Relació entre processos anabòlics i catabòlics

ud. iii. biologia cel·lular. ll. iii. 4. met. i energia,...

Documents