Reacciones de Óxido-Reducción

Las reacciones metabólicas son impulsadas por la energía química que proporcionan dos grupos de biomoléculas:

  • Coenzimas NADH, NADPH y FADH2, que suministran la energía de óxido-reducción.
  • Nucleótidos trifosfato (ATP, y en menor medida GTP) que almacenan energía en sus enlaces fosfóricos.

Dentro del primer grupo, hablamos de coenzimas que intervienen en la transferencia de electrones, de manera que la oxidación y la reducción se dan de manera simultánea y acoplada:

  • Oxidación: un compuesto se oxida cuando pierde electrones, y en ocasiones también hidrógenos.
  • Reducción: un compuesto se reduce cuando gana electrones y, a veces, también hidrógenos.

Este mecanismo de obtención de energía por reacciones de óxido-reducción es el mayoritario en la célula. Si la energía que se obtiene es lo suficientemente grande (25KJ), se puede fosforilar el ADP obteniendo ATP. Si ocurre en el cloroplasto hablamos de fosforilación fotosintética, y si ocurre en la mitocondria, de fosforilación oxidativa.

Ribosomas

Composición Química

Partículas ribonucleoprotéicas: formadas por ARNr y proteínas estructurales.

Presentes en:

  • El citoplasma de células procariotas y eucariotas.
  • Asociados a la membrana del retículo endoplasmático rugoso en eucariotas.
  • En la matriz (interior) mitocondrial y en el estroma (interior) de los cloroplastos.

Dos subunidades (la grande y la pequeña) y se clasifican según su coeficiente de sedimentación:

  • Ribosomas 70S (50S+30S) en citoplasma de procariotas, mitocondrias y cloroplastos.
  • Ribosomas 80S (60S+40S) en citoplasma de eucariotas, adosados al RER y a la cara citoplasmática de la membrana nuclear externa.

Función

Participan en la síntesis de proteínas. Normalmente existen varios traduciendo un ARNm (polirribosoma o polisoma).

Respiración Celular

Proceso catabólico de oxidación completa de una glucosa que se transforma, en presencia de O2, en varias moléculas de CO2 y H2O.

Oxidación

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6 H2O + Energía (38 ATP)

Reducción

Etapas de la Respiración Celular

  • Glucólisis: Una molécula de glucosa (6 átomos de carbono) se convierte en dos moléculas de ácido pirúvico (3 átomos de carbono) con la formación de ATP y NADH.
  • Formación de acetilcoenzima A: Las dos moléculas de ácido pirúvico se convierten en ácido acético en la mitocondria, se une a la coenzima A y forma acetil-CoA. Se produce NADH y se libera CO2.
  • Ciclo de Krebs: El ácido acético del acetil-CoA se oxida a CO2. Se liberan electrones y H+ (que se utilizan para reducir moléculas de NAD+ y FAD+) y energía para la síntesis de ATP.
  • Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa: Los electrones y H+ procedentes de la oxidación de la glucosa y que fueron capturados por NADH y FADH2 en las etapas anteriores, se transfieren a la cadena respiratoria y se transportan hasta el oxígeno, que se reduce hasta formar H2O. Durante el transporte se desprende energía que se emplea para sintetizar ATP a partir de ADP+Pi (fosforilación oxidativa).

Glucólisis

La glucólisis constituye un conjunto de reacciones catabólicas que degradan una molécula de glucosa, de seis átomos de carbono, hasta dos moléculas de ácido pirúvico, molécula de tres átomos de carbono según se resume esquemáticamente en la siguiente ecuación global:

Glucosa (6C) + 2ADP + 2NAD+→ 2 Ác. Pirúvico (3C) + 2 ATP + 2 NADH

Respiración Anaerobia

En esta ruta, las moléculas orgánicas se degradan completamente. El aceptor final de electrones es otra molécula inorgánica diferente del oxígeno, como, por ejemplo, sulfatos, nitratos, carbonatos…

Fermentación

La fermentación es la forma más sencilla y primitiva para obtener energía. Las moléculas orgánicas no se degradan completamente siendo el aceptor final de electrones una molécula orgánica. Este proceso no requiere oxígeno. Consiste en la reducción del ácido pirúvico, que acepta los electrones que transporta el NADH obtenido en la glucólisis. El objetivo de esta ruta es el de reponer NAD+: cuando no hay oxígeno, para que así la glucólisis pueda volver a comenzar. En el proceso de fermentación, únicamente la glucólisis aporta ATP. Hay varios tipos de fermentaciones, entre ellas:

  • La fermentación alcohólica: En ella, el piruvato (ác. pirúvico) obtenido en la glucólisis se transforma en etanol y CO2.
  • La fermentación láctica: En ella, el aceptor final de electrones es el lactato (o ácido láctico).

Respiración Aerobia

La respiración aerobia es la oxidación y la degradación completa de una molécula de glucosa, hasta formar CO2 y H2O. El aceptor final de electrones es una molécula orgánica. Se libera mucha energía, que se acumula en forma de ATP.

Consta de dos etapas: el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa.

  • Durante el ciclo, se producen una serie de reacciones en las que el Acetil-CoA se degrada, liberándose sus dos átomos de carbono en forma de CO2, como producto de desecho.
  • Las reacciones del ciclo producen electrones, que son captados por el NAD+, que se reduce a NADH, y por el FAD, que se reduce a FADH2.
  • Además, se produce la síntesis de dos moléculas de ATP.

Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa

La fosforilación oxidativa es la oxidación de las moléculas NADH y FADH2. Los electrones que ceden avanzan por una cadena de transporte electrónico, en la membrana interna de la mitocondria, liberando su energía, que se utiliza para la síntesis de ATP. El aceptor final de los electrones es el O2, que se reduce, y forma H2O. Cada NADH oxidado produce tres moléculas de ATP, y cada FADH2 oxidado, dos moléculas de ATP.

Fotosíntesis

Fase Luminosa

La fase luminosa o fotoquímica puede presentarse en dos modalidades: con transporte acíclico de electrones o con transporte cíclico de electrones. En la acíclica se necesitan los dos fotosistemas el I y el II. En la cíclica sólo el fotosistema I.

Fase Biosintética

En la fase biosintética se usa la energía (ATP y NADPH), obtenidos en la fase luminosa para sintetizar materia orgánica a partir de inorgánica. La fuente de carbono es el CO2, la fuente de nitrógeno son los nitratos y nitritos y la de azufre los sulfatos.

El proceso de síntesis de compuestos de carbono fue descubierta por Melvin Calvin y por ello se llama el ciclo de Calvin.