ud. iii. biologia cel·lular. ll. iii. 4. met. i energia,...
TRANSCRIPT
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
UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel·lular
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
UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 3. Met. i energia, 2: Respiració cel·lular
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
UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 3. Met. i energia, 2: Respiració cel·lular
A la respiració cel·lular, la glucosa és oxidada I l’oxigen reduït.
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + Energybecomes oxidized
becomes reduced
UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 3. Met. i energia, 2: Respiració cel·lular
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
UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel·lular
Transportadors d’energia
Els transportadors d’energia són el
NAD, NADH,
FAD, FADH2
ATP
UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel·lular
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
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
ATP
Substrate-levelphosphorylation
Citricacidcycle
Mitochondrion
Glycolysis
PyruvateGlucose
Cytosol
ATP
Substrate-levelphosphorylation
ATP
Substrate-levelphosphorylation
Citricacidcycle
ATP
Oxidativephosphorylation
Oxidativephosphorylation:electron transport
andchemiosmosis
Electronscarried
via NADH
Electrons carriedvia NADH and
FADH2
3
UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel·lular
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
UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel·lular
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
Glycolysis Oxidationphosphorylation
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
Oxidativephosphorylation
ATPATPATP
UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel·lular
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
UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel·lular
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
UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel·lular
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
UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel·lular
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
UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel·lular
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
Glycolysis Oxidationphosphorylation
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
Glycolysis Oxidationphosphorylation
Citricacidcycle
Citricacidcycle
Citrate
Isocitrate
Oxaloacetate
Acetyl CoA
H2O
LE 9-12_2
ATP ATP ATP
Glycolysis Oxidationphosphorylation
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
Glycolysis Oxidationphosphorylation
Citricacidcycle
Citricacidcycle
Citrate
Isocitrate
Oxaloacetate
Acetyl CoA
H2O
CO2
NAD+
NADH
+ H+
αααα-Ketoglutarate
CO2NAD+
NADH
+ H+SuccinylCoA
Succinate
GTP GDP
ADP
ATP
FAD
FADH2
P i
Fumarate
LE 9-12_4
ATP ATP ATP
Glycolysis Oxidationphosphorylation
Citricacidcycle
Citricacidcycle
Citrate
Isocitrate
Oxaloacetate
Acetyl CoA
H2O
CO2
NAD+
NADH
+ H+
αααα-Ketoglutarate
CO2NAD+
NADH
+ H+SuccinylCoA
Succinate
GTP GDP
ADP
ATP
FAD
FADH2
P i
Fumarate
H2O
Malate
NAD+
NADH
+ H+
UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel·lular
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
UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel·lular
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.
UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel·lular
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.
UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 3. Met. i energia, 2: Respiració cel·lular
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:
UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel·lular
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
Oxidativephosphorylation
Proteins
NH3
Aminoacids
Sugars
Carbohydrates
Glycolysis
Glucose
Glyceraldehyde-3- P
Pyruvate
Acetyl CoA
Fattyacids
Glycerol
Fats
UD. III. BIOLOGIA CEL·LULAR. Ll. III. 4. Met. i energia, 2: Respiració cel·lular
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
Oxidativephosphorylation
Glycolysis
Glucose
Pyruvate
Acetyl CoA
Fructose-6-phosphate
Phosphofructokinase
Fructose-1,6-bisphosphate
–
Inhibits
ATP Citrate
Inhibits
Stimulates
AMP
+
–