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5.1: Introducción - Biología

5.1: Introducción - Biología


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La glucosa es el carbohidrato preferido de las células. En solución, puede cambiar de una cadena lineal a un anillo.

La energía se almacena en los enlaces de los carbohidratos. La sustancia química de la gaulteria (salicilato de metilo) se excita con estos electrones excitados y emite fluorescencia en una longitud de onda azul visible. Este fenómeno se llama triboluminiscencia.

Glucólisis

La glucosa es el carbohidrato preferido de las células. Glucólisis (glico - azúcar; lisis - división) es un proceso universal de todas las células que ocurre en el citosol mediante el cual la glucosa (un azúcar de 6 carbonos) se divide en dos moléculas de piruvatos (una molécula de 3 carbonos) para generar ATP y NADH reducido. ATP (trifosfato de adenosina) es la moneda de energía de la célula que almacena energía química en 3 enlaces fosfato de alta energía. NADH (dinucleótido de nicotinamida y adenina reducido) es un portador de electrones de alta energía que actúa como coenzima en las reacciones y como una especie de batería recargable. El estado sin carga que no transporta electrones de alta energía se llama NAD+.

La glucólisis es la división de la glucosa en 2 moléculas de piruvato para generar 2 moléculas de NADH y 2ATP.

El ATP contiene 3 fosfatos de alta energía y actúa como moneda de energía celular.

NADH es la forma reducida de NAD +. Los electrones de alta energía asociados con la forma reducida vienen con un átomo de hidrógeno.

Fermentación

En ausencia de oxígeno, las células pueden decidir utilizar el piruvato de la glucólisis para generar rápidamente moléculas de ATP adicionales en un proceso llamado fermentación. Fermentación es el proceso anaeróbico de reducir el piruvato para generar ATP. Este proceso utiliza el NADH generado a partir de la glucólisis como agentes reductores. La fermentación es un proceso familiar que ocurre en la levadura para generar etanol. En otros organismos, como los humanos, la fermentación da como resultado la producción de ácido láctico. Tanto el ácido láctico como el etanol son tóxicos, pero esto ayuda a las células a generar ATP cuando se requiere energía rápidamente. La fermentación también genera CO2 como molécula de desecho, ya que el piruvato se descompone en un compuesto de 2 carbonos.

La fermentación en levadura genera ATP en ausencia de oxígeno pero produce poco ATP a costa del NADH reducido. Crédito: Davidcarmack (CC-BY-SA)

La reacción preparatoria

En presencia de O2, los organismos aeróbicos utilizarán una reacción de descarboxilación de piruvato en el citosol. Esta reacción genera una molécula de Acetil-CoA de la coenzima A que puede entrar en las mitocondrias.

La coenzima A (CoA) se carga con un grupo acetilo (compuesto de 2 carbonos) para generar acetil-CoA y un CO2.

Cuando hay un exceso de carbohidratos, la Acetil-CoA se utiliza como punto de partida para el almacenamiento de energía a largo plazo en la síntesis de lípidos.

Mitocondrias

Las mitocondrias son la central eléctrica de las células eucariotas. Se derivan de un proceso descrito por el teoría endosimbiótica por lo que los procariotas aeróbicos fueron engullidos por un proto-eucariota. En este arreglo mutualista, el procariota desintoxicaba al mortal O2 gas en el medio ambiente y lo usó para descomponer completamente la glucosa para producir muchas moléculas de ATP. La evidencia de esta teoría proviene de la replicación independiente de las mitocondrias, el ADN mitocondrial de tipo bacteriano, los ribosomas mitocondriales de tipo bacteriano, los lípidos bacterianos que se encuentran en la membrana interna y la naturaleza eucariota de la membrana externa. Las mitocondrias son genómicamente similares a las bacterias del orden Rickettsiales. Algunas bacterias de este orden todavía son de vida libre y algunas son patógenos intracelulares.

Crédito: Kelvinsong (CC-BY-SA 3.0)

Respiración aeróbica

Respiración celular. El lado izquierdo es la glucólisis (anaeróbica). El lado derecho es lo que ocurre en presencia de oxígeno en eucariotas. Las reacciones aeróbicas ocurren dentro de las mitocondrias después de ser alimentadas con moléculas de Acetil-CoA de la reacción preparatoria citoplasmática. Crédito: RegisFrey (CC-BY-SA 3.0)

Acetil-CoA ingresa a la matriz mitocondrial donde se usa en el Ciclo de Krebs (también conocido como ciclo del ácido tricarboxílico (TCA), también conocido como ciclo del ácido cítrico). Para cada piruvato, hay 2 vueltas del ciclo donde NADH adicional y otro portador de electrones de alta energía FADH2 (dinucleótido de flavina y adenina). Los electrones almacenados por NADH y FADH2 se transfieren a proteínas llamadas citocromos que tienen centros metálicos para conducir estos electrones. En el proceso de mover estos electrones, los citocromos en este Cadenas de transporte de electrones(ETC) potencia el movimiento de protones hacia el espacio intermembrana. El término de estos electrones es un O2 molécula que se reduce a 1/2 H2O moléculas. Este movimiento aparente de las moléculas de agua de la síntesis química se denomina quimiosmosis. Un canal en la membrana llamado ATP sintasa actúa como una puerta de entrada para el H+ de vuelta a la matriz, pero use este movimiento para convertir ADP en ATP.

Primer plano de la Cadena de transporte de electrones (ETC) que tiene lugar en la membrana interna de las mitocondrias. Aquí es donde se utiliza el oxígeno como aceptor final de electrones. Reducción de 1/2 O2 da como resultado la generación de una molécula de agua (quimiosmosis). Crédito: Jeremy Seto (CC-BY-NC-SA 3.0)

Piscina metabólica

Las vías catabólicas implicadas en la glucólisis y el ciclo de Krebs constituyen la piscina metabólica que proporciona componentes básicos para otras reacciones anabólicas en la célula. Un exceso de carbohidratos puede resultar en una acumulación de moléculas de acetil-CoA. Si hay un gran exceso de Acetil-CoA, los grupos acetilo pueden dedicarse a la síntesis de ácidos grasos para el almacenamiento de energía a largo plazo. Los productos glicolíticos también pueden ser el punto de partida para la síntesis de aminoácidos. Se puede usar 3-fosfoglicerato para sintetizar glicina, cisteína y serina. El piruvato se puede utilizar para generar alanina, valina y leucina. El oxaloacetato del ciclo de Krebs se puede utilizar como punto de partida para el aspartato, lisina, asparagina, metionina, treonina e isoleucina. El glutamato y la glutamina se sintetizan a partir de α-cetoglutarato formado durante el ciclo de Krebs. Si bien la mayoría de los 20 aminoácidos se pueden sintetizar de novo, hay 9 aminoácidos esenciales en humanos que no se pueden sintetizar en cantidad suficiente y por lo tanto deben obtenerse de la dieta. Estos aminoácidos esenciales incluyen histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptófano y valina.


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