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W2017_Lecture_13_reading - Biología

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Fermentación y regeneración de NAD +

Resumen de la sección

Esta sección analiza el proceso de fermentación. Debido al gran énfasis en este curso en el metabolismo del carbono central, la discusión sobre la fermentación se enfoca comprensiblemente en la fermentación del piruvato. Sin embargo, algunos de los principios básicos que cubrimos en esta sección se aplican igualmente bien a la fermentación de muchas otras moléculas pequeñas.

El propósito de la fermentación

La oxidación de una variedad de pequeños compuestos orgánicos es un proceso que utilizan muchos organismos para acumular energía para el mantenimiento y el crecimiento celular. La oxidación de la glucosa a través de la glucólisis es una de esas vías. Varios pasos clave en la oxidación de glucosa a piruvato implican la reducción del transbordador de electrones / energía NAD+ a NADH. Al final de la sección 5.3, se le planteó el desafío de tratar de averiguar qué opciones podría tener la celda para volver a oxidar el NADH a NAD.+ para evitar consumir los pools disponibles de NAD+ y así detener la glucólisis. Dicho de otra manera, durante la glucólisis, las células pueden generar grandes cantidades de NADH y agotar lentamente sus suministros de NAD.+. Si la glucólisis continúa, la célula debe encontrar una forma de regenerar NAD.+, ya sea por síntesis o por alguna forma de reciclaje.

En ausencia de cualquier otro proceso, es decir, si consideramos solo la glucólisis, no es inmediatamente obvio lo que podría hacer la célula. Una opción es intentar poner los electrones que una vez fueron despojados de los derivados de la glucosa nuevamente en el producto corriente abajo, el piruvato o uno de sus derivados. Podemos generalizar el proceso describiéndolo como el retorno de electrones a la molécula de la que una vez fueron extraídos, generalmente para restaurar los depósitos de un agente oxidante. Esto, en resumen, es fermentación. Como veremos en una sección diferente, el proceso de respiración también puede regenerar las piscinas de NAD.+ de NADH. Las células que carecen de cadenas respiratorias o en condiciones en las que el uso de la cadena respiratoria es desfavorable pueden elegir la fermentación como un mecanismo alternativo para obtener energía de moléculas pequeñas.

Un ejemplo: fermentación de ácido láctico

Un ejemplo cotidiano de una reacción de fermentación es la reducción de piruvato a lactato mediante la reacción de fermentación del ácido láctico. Esta reacción debería serle familiar, se produce en nuestros músculos cuando nos esforzamos durante el ejercicio. Cuando nos esforzamos, nuestros músculos requieren grandes cantidades de ATP para realizar el trabajo que les estamos exigiendo. A medida que se consume el ATP, las células musculares no pueden satisfacer la demanda de respiración, O2 se vuelve limitante y NADH se acumula. Las células necesitan deshacerse del exceso y regenerar el NAD.+, por lo que el piruvato sirve como aceptor de electrones, generando lactato y oxidando NADH a NAD+. Muchas bacterias utilizan esta vía como una forma de completar el NADH / NAD+ ciclo. Es posible que esté familiarizado con este proceso en productos como el chucrut y el yogur. La reacción química de la fermentación del ácido láctico es la siguiente:

Piruvato + NADH ↔ ácido láctico + NAD+

La fermentación del ácido láctico convierte el piruvato (un compuesto de carbono ligeramente oxidado) en ácido láctico. En el proceso, NADH se oxida para formar NAD+.
Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

Historia energética para la fermentación de piruvato a lactato

Un ejemplo (aunque un poco largo) de historia energética para la fermentación del ácido láctico:

Los reactivos son piruvato, NADH y un protón. Los productos son lactato y NAD+. El proceso de fermentación da como resultado la reducción de piruvato para formar ácido láctico y la oxidación de NADH para formar NAD.+. Los electrones de NADH y un protón se utilizan para reducir el piruvato a lactato. Si examinamos una tabla de potencial de reducción estándar, vemos en condiciones estándar que una transferencia de electrones de NADH al piruvato para formar lactato es exergónica y, por lo tanto, termodinámicamente espontánea. Las etapas de reducción y oxidación de la reacción están acopladas y catalizadas por la enzima lactato deshidrogenasa.

Un segundo ejemplo: fermentación alcohólica

Otro proceso de fermentación familiar es la fermentación alcohólica, que produce etanol, un alcohol. La reacción de fermentación del alcohol es la siguiente:

La fermentación del etanol es un proceso de dos pasos. El piruvato (ácido pirúvico) se convierte primero en dióxido de carbono y acetaldehído. El segundo paso, convierte el acetaldehído en etanol y oxida el NADH en NAD+.
Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

En la primera reacción, se elimina un grupo carboxilo del ácido pirúvico, liberando dióxido de carbono como gas (algunos de ustedes pueden estar familiarizados con esto como un componente clave de varias bebidas). La segunda reacción elimina electrones de NADH, formando NAD+ y producir etanol (otro compuesto familiar, generalmente en la misma bebida) a partir del acetaldehído, que acepta los electrones.

Discusión sugerida

Escribe una historia de energía completa para la fermentación del alcohol. Proponer los posibles beneficios de este tipo de fermentación para el organismo de levadura unicelular.

Las vías de fermentación son numerosas.

Si bien las vías de fermentación de ácido láctico y fermentación de alcohol descritas anteriormente son ejemplos, hay muchas más reacciones (demasiado numerosas para repasar) que la naturaleza ha desarrollado para completar el NADH / NAD.+ ciclo. Es importante que comprenda los conceptos generales detrás de estas reacciones. En general, las células intentan mantener un equilibrio o una proporción constante entre NADH y NAD+; cuando esta relación se desequilibra, la celda lo compensa modulando otras reacciones para compensar. El único requisito para una reacción de fermentación es que utilice un pequeño compuesto orgánico como aceptor de electrones para NADH y lo regenere.+. Otras reacciones de fermentación conocidas incluyen la fermentación de etanol (como en la cerveza y el pan) y la fermentación propiónica (es lo que hace los agujeros en el queso suizo) y la fermentación maloláctica (es lo que le da al chardonnay un sabor más suave, más conversión de malato a lactato cuanto más suave es el sabor). vino). En la siguiente figura, puede ver una gran variedad de reacciones de fermentación que utilizan diversas bacterias para reoxidar NADH a NAD.+. Todas estas reacciones comienzan con piruvato o un derivado del metabolismo del piruvato, como el oxalacetato o el formiato. El piruvato se produce a partir de la oxidación de azúcares (glucosa o ribosa) u otras pequeñas moléculas orgánicas reducidas. También debe tenerse en cuenta que se pueden usar otros compuestos como sustratos de fermentación además del piruvato y sus derivados. Estos incluyen: fermentación de metano, fermentación de sulfuros o fermentación de compuestos nitrogenados como los aminoácidos. No se espera que memorice todos estos caminos. Sin embargo, se espera que reconozca una vía que devuelve electrones a los productos de los compuestos que originalmente se oxidaron para reciclar el NAD.+/ NADH y asociar ese proceso con la fermentación.

Varias vías de fermentación utilizando piruvato como sustrato inicial. En la figura, el piruvato se reduce a una variedad de productos a través de reacciones diferentes y, a veces, de varios pasos (las flechas punteadas representan posibles procesos de varios pasos). Todos los detalles no se muestran deliberadamente. El punto clave es apreciar que la fermentación es un término amplio que no se asocia únicamente con la conversión de piruvato en ácido láctico o etanol.
Fuente: Trabajo original Marc T. Facciotti

Una nota sobre el vínculo entre la fosforilación a nivel de sustrato y la fermentación

La fermentación ocurre en ausencia de oxígeno molecular (O2). Es un proceso anaeróbico. Observe que no hay O2 en cualquiera de las reacciones de fermentación que se muestran arriba. Muchas de estas reacciones son bastante antiguas, y se supone que son algunas de las primeras reacciones metabólicas generadoras de energía en evolucionar. Esto tiene sentido si consideramos lo siguiente:

  1. La atmósfera primitiva estaba muy reducida, con poco oxígeno molecular fácilmente disponible.
  2. Las moléculas orgánicas pequeñas y muy reducidas estaban relativamente disponibles, surgidas de una variedad de reacciones químicas.
  3. Este tipo de reacciones, vías y enzimas se encuentran en muchos tipos diferentes de organismos, incluidas bacterias, arqueas y eucariotas, lo que sugiere que se trata de reacciones muy antiguas.
  4. El proceso evolucionó mucho antes de que O2 se encontró en el medio ambiente.
  5. Los sustratos, moléculas orgánicas pequeñas muy reducidas, como la glucosa, estaban fácilmente disponibles.
  6. Los productos finales de muchas reacciones de fermentación son pequeños ácidos orgánicos, producidos por la oxidación del sustrato inicial.
  7. El proceso está acoplado a reacciones de fosforilación a nivel de sustrato. Es decir, las moléculas orgánicas reducidas pequeñas se oxidan y el ATP se genera primero mediante una reacción rojo / ox seguida de la fosforilación a nivel de sustrato.
  8. Esto sugiere que las reacciones de fermentación y fosforilación a nivel de sustrato evolucionaron conjuntamente.

Discusión sugerida

Si la hipótesis es correcta, que las reacciones de fosforilación y fermentación a nivel de sustrato evolucionaron conjuntamente y fueron las primeras formas de metabolismo energético que utilizaron las células para generar ATP, ¿cuáles serían las consecuencias de tales reacciones a lo largo del tiempo? ¿Y si estas fueran las únicas formas de metabolismo energético disponibles durante cientos de miles de años? ¿Y si las células estuvieran aisladas en un pequeño entorno cerrado? ¿Qué pasaría si los pequeños sustratos reducidos no se produjeran al mismo ritmo de consumo durante este tiempo?

Consecuencias de la fermentación

Imagínese el mundo donde la fermentación es el modo principal para extraer energía de moléculas pequeñas. A medida que las poblaciones prosperan, se reproducen y consumen la abundancia de pequeñas moléculas orgánicas reducidas en el medio ambiente, produciendo ácidos. Una consecuencia es la acidificación (disminución del pH) del medio ambiente, incluido el medio celular interno. Esto no es tan bueno, ya que los cambios en el pH pueden tener una profunda influencia en la función y las interacciones entre varias biomoléculas. Por lo tanto, era necesario desarrollar mecanismos que pudieran eliminar los diversos ácidos. Afortunadamente, en un ambiente rico en compuestos reducidos, la fosforilación y fermentación a nivel del sustrato pueden producir grandes cantidades de ATP.

Se hipotetiza que este escenario fue el inicio de la evolución de la F0F1 ATPasa, una máquina molecular que hidroliza ATP y transloca protones a través de la membrana (veremos esto nuevamente en la siguiente sección). Con la F0F1 La ATPasa, el ATP producido a partir de la fermentación, ahora podría permitir que la célula mantenga la homeostasis del pH al acoplar la energía libre de la hidrólisis del ATP al transporte de protones fuera de la célula. El lado negativo es que ahora las células están bombeando todos estos protones al medio ambiente, que ahora comenzará a acidificarse.

Discusión sugerida

Si la hipótesis es correcta, que la F0F1 La ATPasa también evolucionó conjuntamente con las reacciones de fermentación y fosforilación a nivel del sustrato, entonces, ¿qué pasaría con el tiempo en el medio ambiente? Si bien los pequeños compuestos orgánicos reducidos pueden haber sido inicialmente abundantes, si la fermentación "despegara" en algún momento, los compuestos reducidos se agotarían y el ATP también podría volverse escaso. Eso es un problema. Pensando con la rúbrica del desafío de diseño, defina el (los) problema (s) que enfrenta la celda en este entorno hipotético. ¿Cuáles son otros posibles mecanismos o formas en que la naturaleza podría superar el (los) problema (s)?

Oxidación de piruvato y ciclo de TCA

Descripción general del metabolismo del piruvato y el ciclo de TCA

En condiciones apropiadas, el piruvato se puede oxidar más. Una de las reacciones de oxidación más estudiadas que involucran piruvato es una reacción de dos partes que involucra NAD+ y una molécula llamada coenzima A, a menudo abreviada simplemente como "CoA". Esta reacción oxida el piruvato, conduce a la pérdida de un carbono por descarboxilación y crea una nueva molécula llamada acetil-CoA. La acetil-CoA resultante puede ingresar a varias vías para la biosíntesis de moléculas más grandes o puede dirigirse a otra vía del metabolismo central llamada ciclo del ácido cítrico, a veces también llamado ciclo de Krebs o ciclo del ácido tricarboxílico (TCA). Aquí, los dos carbonos restantes en el grupo acetilo pueden oxidarse más o servir de nuevo como precursores para la construcción de varias otras moléculas. Discutimos estos escenarios a continuación.

Los diferentes destinos del piruvato y otros productos finales de la glucólisis.

El módulo de glucólisis terminó con los productos finales de la glucólisis: 2 moléculas de piruvato, 2 ATP y 2 moléculas de NADH. Este módulo y el módulo sobre fermentación explorarán lo que la célula puede hacer ahora con el piruvato, ATP y NADH que se generaron.

Los destinos de ATP y NADH

En general, el ATP puede usarse o acoplarse a una variedad de funciones celulares que incluyen biosíntesis, transporte, replicación, etc. Veremos muchos ejemplos de este tipo a lo largo del curso.

Sin embargo, qué hacer con el NADH depende de las condiciones en las que la célula está creciendo. En algunos casos, la celda optará por reciclar rápidamente NADH de nuevo a NAD+. Esto ocurre a través de un proceso llamado fermentación en el que los electrones tomados inicialmente de los derivados de la glucosa se devuelven a más productos posteriores a través de otra transferencia redox (descrita con más detalle en el módulo sobre fermentación). Alternativamente, NADH se puede reciclar nuevamente en NAD+ donando electrones a algo conocido como cadena de transporte de electrones (esto se trata en el módulo sobre respiración y transporte de electrones).

El destino del piruvato celular

  • El piruvato se puede utilizar como aceptor terminal de electrones (directa o indirectamente) en reacciones de fermentación, y se analiza en el módulo de fermentación.
  • El piruvato podría secretarse de la célula como producto de desecho.
  • El piruvato podría oxidarse aún más para extraer más energía libre de este combustible.
  • El piruvato puede servir como un valioso compuesto intermedio que une algunas de las vías metabólicas centrales del procesamiento del carbono.

La mayor oxidación del piruvato.

En bacterias y arqueas que respiran, el piruvato se oxida aún más en el citoplasma. En las células eucariotas que respiran aeróbicamente, las moléculas de piruvato producidas al final de la glucólisis se transportan a las mitocondrias, que son lugares de respiración celular y albergan cadenas de transporte de electrones que consumen oxígeno (ETC en el módulo sobre respiración y transporte de electrones). Los organismos de los tres dominios de la vida comparten mecanismos similares para oxidar aún más el piruvato a CO2. El primer piruvato se descarboxila y se une covalentemente a coenzima A a través de tioéster enlace para formar la molécula conocida como acetil-CoA. Si bien la acetil-CoA puede alimentar muchas otras vías bioquímicas, ahora consideramos su papel en la alimentación de la vía circular conocida como Ciclo del ácido tricarboxílico, también conocido como el Ciclo de TCA, los Ciclo del ácido cítrico o la Ciclo de Krebs. Este proceso se detalla a continuación.

Conversión de piruvato en acetil-CoA

En una reacción de varios pasos catalizada por la enzima piruvato deshidrogenasa, el piruvato es oxidado por NAD+, descarboxilado y unido covalentemente a una molécula de coenzima A mediante un enlace tioéster. Recuerda: hay dos moléculas de piruvato producidas al final de la glucólisis por cada molécula de glucosa metabolizada; por lo tanto, dos de los seis carbonos se habrán eliminado al final de ambos pasos. La liberación de dióxido de carbono es importante aquí, esta reacción a menudo resulta en una pérdida de masa de la célulacomo el CO2 se difundirá o se transportará fuera de la celda y se convertirá en un producto de desecho. Además, una molécula de NAD+ se reduce a NADH durante este proceso por molécula de piruvato oxidada.

Discusión sugerida

Ya hemos discutido la formación de un enlace tioéster en otra unidad y conferencia. ¿Dónde fue esto específicamente? ¿Cuál fue el significado energético de este vínculo? ¿Cuáles son las similitudes y diferencias entre este ejemplo (formación de tioéster con CoA) y el ejemplo anterior de esta química?

Al entrar en la matriz mitocondrial, un complejo multienzimático convierte el piruvato en acetil CoA. En el proceso, se libera dióxido de carbono y se forma una molécula de NADH.

Discusión sugerida

Describa el flujo y la transferencia de energía en esta reacción utilizando un buen vocabulario (por ejemplo, reducido, oxidado, redox, endergónico, exergónico, tioéster, etc., etc.). Puede editar por pares: alguien puede iniciar una descripción, otra persona puede mejorarla, otra persona puede mejorarla más, etc.

En presencia de un adecuado aceptor terminal de electrones, el acetil CoA entrega (intercambia un enlace) su grupo acetilo a una molécula de cuatro carbonos, oxaloacetato, para formar citrato (designado como el primer compuesto del ciclo). Este ciclo recibe diferentes nombres: el ciclo del ácido cítrico (para el primer intermedio formado: ácido cítrico o citrato), el Ciclo de TCA (dado que el ácido cítrico o citrato e isocitrato son ácidos tricarboxílicos), y la ciclo de Krebs, después de Hans Krebs, quien identificó por primera vez los pasos en el camino en la década de 1930 en los músculos de vuelo de las palomas.

El ciclo del ácido tricarboxcílico (TCA)

En bacterias y arqueas, las reacciones en el ciclo de TCA ocurren típicamente en el citosol. En eucariotas, el ciclo de TCA tiene lugar en la matriz de las mitocondrias. Casi todas (pero no todas) las enzimas del ciclo del TCA son solubles en agua (no en la membrana), con la única excepción de la enzima succinato deshidrogenasa, que está incrustada en la membrana interna de la mitocondria (en eucariotas). A diferencia de la glucólisis, el ciclo de TCA es un ciclo cerrado: la última parte de la vía regenera el compuesto utilizado en el primer paso. Los ocho pasos del ciclo son una serie de reacciones redox, deshidratación, hidratación y descarboxilación que producen dos moléculas de dióxido de carbono, una de ATP y formas reducidas de NADH y FADH.2.

En el ciclo del TCA, el grupo acetilo del acetil CoA se une a una molécula de oxalacetato de cuatro carbonos para formar una molécula de citrato de seis carbonos. A través de una serie de pasos, el citrato se oxida, liberando dos moléculas de dióxido de carbono por cada grupo acetilo introducido en el ciclo. En el proceso, tres NAD+ las moléculas se reducen a NADH, una molécula de FAD se reduce a FADH2y se produce un ATP o GTP (según el tipo de célula) (mediante fosforilación a nivel de sustrato). Debido a que el producto final del ciclo de TCA también es el primer reactivo, el ciclo se ejecuta de forma continua en presencia de suficientes reactivos. (crédito: modificación del trabajo de “Yikrazuul” / Wikimedia Commons)

Pasos en el ciclo de TCA

Paso 1:

El primer paso del ciclo es una reacción de condensación que involucra al grupo acetilo de dos carbonos de acetil-CoA con una molécula de oxaloacetato de cuatro carbonos. Los productos de esta reacción son la molécula de citrato de seis carbonos y la coenzima libre A. Este paso se considera irreversible porque es muy exergónico. Además, la velocidad de esta reacción se controla mediante la retroalimentación negativa del ATP. Si los niveles de ATP aumentan, la velocidad de esta reacción disminuye. Si hay escasez de ATP, la tasa aumenta. Si aún no lo ha hecho, la razón se hará evidente en breve.

Paso 2:

En el segundo paso, el citrato pierde una molécula de agua y gana otra a medida que el citrato se convierte en su isómero, isocitrato.

Paso 3:

En el paso tres, el isocitrato es oxidado por NAD+ y descarboxilado. ¡Lleve un registro de los carbones! Este carbono ahora es más que probable que abandone la célula como desecho y ya no esté disponible para construir nuevas biomoléculas. Por tanto, la oxidación del isocitrato produce una molécula de cinco carbonos, α-cetoglutarato, una molécula de CO2 y NADH reducido. Este paso también está regulado por la retroalimentación negativa de ATP y NADH, y un efecto positivo de ADP.

Paso 4:

El paso 4 es catalizado por la enzima succinato deshidrogenasa. Aquí, el α-cetoglutarato se oxida aún más por NAD+. Esta oxidación conduce nuevamente a una descarboxilación y, por lo tanto, a la pérdida de otro carbono como desecho. Hasta ahora, dos carbonos han entrado en el ciclo de acetil-CoA y dos se han ido como CO2. En esta etapa, no hay ganancia neta de carbonos asimilados de las moléculas de glucosa que se oxidan a esta etapa del metabolismo. Sin embargo, a diferencia del paso anterior, la succinato deshidrogenasa, como la piruvato deshidrogenasa antes, acopla la energía libre de la reacción de descarboxilación y redox exergónica para impulsar la formación de un enlace tioéster entre el sustrato coenzima A y el succinato (lo que queda después de la descarboxilación). . La succinato deshidrogenasa está regulada por la inhibición por retroalimentación de ATP, succinil-CoA y NADH.

Discusión sugerida

Hemos visto varios pasos en esta y otras vías que están reguladas por mecanismos de retroalimentación alostérica. ¿Hay algo en común sobre estas reacciones? ¿Por qué podrían ser estos buenos pasos para regular?

Discusión sugerida

¡El enlace tioéster ha reaparecido! Utilice los términos que hemos estado aprendiendo (por ejemplo, reducción, oxidación, acoplamiento, exergónico, endergónico, etc.) para describir la formación de este enlace y por debajo de su hidrólisis.

Paso 5:

En el paso cinco, hay un evento de fosforilación a nivel de sustrato, donde el fosfato inorgánico (PI) se agrega a GDP o ADP para formar GTP (un equivalente de ATP para nuestros propósitos) o ATP. La energía que impulsa este evento de fosforilación a nivel de sustrato proviene de la hidrólisis de la molécula de CoA a partir de succinil-CoA para formar succinato. ¿Por qué se produce GTP o ATP? En las células animales existen dos isoenzimas (diferentes formas de una enzima que realiza la misma reacción), para este paso, dependiendo del tipo de tejido animal en el que se encuentren. Una forma se encuentra en tejidos que utilizan grandes cantidades de ATP, como el corazón y el músculo esquelético. Esta forma produce ATP. La segunda forma de la enzima se encuentra en tejidos que tienen una gran cantidad de vías anabólicas, como el hígado. Este formulario produce GTP. GTP es energéticamente equivalente a ATP; sin embargo, su uso está más restringido. En particular, el proceso de síntesis de proteínas utiliza principalmente GTP. La mayoría de los sistemas bacterianos producen GTP en esta reacción.

Paso 6:

El paso seis es otra reacción redox en la que el succinato es oxidado por FAD+ en fumarato. Dos átomos de hidrógeno se transfieren a FAD+, produciendo FADH2. La diferencia en el potencial de reducción entre el fumarato / succinato y el NAD+/ Las semirreacciones de NADH son insuficientes para producir NAD+ un reactivo adecuado para oxidar succinato con NAD+ en condiciones celulares. Sin embargo, la diferencia en el potencial de reducción con el FAD+/ FADH2 la media reacción es adecuada para oxidar el succinato y reducir el FAD+. A diferencia de NAD+, MODA+ permanece unido a la enzima y transfiere electrones a la cadena de transporte de electrones directamente. Este proceso es posible gracias a la localización de la enzima que cataliza este paso dentro de la membrana interna de la mitocondria o la membrana plasmática (dependiendo de si el organismo en cuestión es eucariota o no).

Paso 7:

Se agrega agua al fumarato durante el paso siete y se produce malato. El último paso en el ciclo del ácido cítrico regenera el oxalacetato oxidando el malato con NAD.+. En el proceso se produce otra molécula de NADH.

Resumen

Tenga en cuenta que este proceso oxida completamente 1 molécula de piruvato, un ácido orgánico de 3 carbonos, a 3 moléculas de CO2. Durante este proceso, 4 moléculas de NADH, 1 molécula de FADH2y se produce 1 molécula de GTP (o ATP). Para los organismos que respiran, esta es una fuente importante de energía, ya que cada molécula de NADH y FAD2 puede alimentarse directamente en la cadena de transporte de electrones y, como veremos pronto, las reacciones redox posteriores impulsarán energéticamente indirectamente la síntesis de ATP adicional. Esto sugiere que el ciclo de TCA es principalmente un mecanismo de generación de energía; evolucionado para extraer o convertir tanta energía potencial de la fuente de energía original en una forma que las células puedan usar, ATP (o el equivalente) o una membrana energizada. Sin embargo, y no lo olvidemos, el otro resultado importante de la evolución de esta vía es la capacidad de producir varias moléculas precursoras o sustrato necesarias para diversas reacciones catabólicas (esta vía proporciona algunos de los primeros componentes básicos para hacer moléculas más grandes). Como discutiremos a continuación, existe un fuerte vínculo entre el metabolismo del carbono y el metabolismo energético.

Enlace al aprendizaje

Haga clic aquí en cada paso del ciclo del ácido cítrico.

Historias de energía

Trabaja en la construcción de algunas historias de energía tú mismo

Hay algunas reacciones interesantes que involucran grandes transferencias de energía y reordenamientos de materia. Elija algunos. Vuelva a escribir una reacción en sus notas y practique la construcción de una historia de energía. Ahora tiene las herramientas para discutir la redistribución de energía en el contexto de ideas amplias y términos como exergónico y endergónico. También tiene la capacidad de comenzar a discutir el mecanismo (cómo ocurren estas reacciones) invocando catalizadores de enzimas. Consulte a su instructor y / o asistente técnico y consulte con sus compañeros de clase para realizar una autoevaluación sobre cómo le está yendo.

Conexiones a Carbon Flow

Una hipótesis que hemos comenzado a explorar en esta lectura y en clase es la idea de que el "metabolismo central" evolucionó como un medio para generar precursores de carbono para reacciones catabólicas. Nuestra hipótesis también establece que a medida que las células evolucionaron, estas reacciones se vincularon en vías: la glucólisis y el ciclo de TCA, como un medio para maximizar su efectividad para la célula. Un beneficio secundario de esta vía metabólica en evolución fue la generación de NADH a partir de la oxidación completa de la glucosa; vimos el comienzo de esta idea cuando hablamos de la fermentación. Ya hemos discutido cómo la glucólisis no solo proporciona ATP a partir de la fosforilación a nivel de sustrato, sino que también produce una red de 2 moléculas de NADH y 6 precursores esenciales: glucosa-6-P, fructosa-6-P, trios-P, 3-fosfoglicerato, fosfoenolfiruvato. y, por supuesto, piruvato. Si bien la célula puede usar ATP directamente como fuente de energía, el NADH presenta un problema y debe reciclarse nuevamente en NAD+, para mantener el ciclo en equilibrio. Como vemos en detalle en el módulo de fermentación, la forma más antigua en que las células lidian con este problema es utilizar reacciones de fermentación para regenerar NAD.+.

Durante el proceso de oxidación del piruvato a través del ciclo del TCA se forman 4 precursores esenciales adicionales: acetil-CoA, alfa-cetoglutarato, oxaloacetato y succinil-CoA. Tres moléculas de CO2 se pierden y esto representa una pérdida neta de masa para la célula. Sin embargo, estos precursores son sustratos para una variedad de reacciones catabólicas que incluyen la producción de aminoácidos, ácidos grasos y varios cofactores, como el hemo. Esto significa que la velocidad de reacción a través del ciclo de TCA será sensible a las concentraciones de cada intermedio metabólico (más sobre la termodinámica en clase). Un intermedio metabólico es un compuesto que se produce mediante una reacción (un producto) y luego actúa como sustrato para la siguiente reacción. Esto también significa que los intermediarios metabólicos, en particular los 4 precursores esenciales, pueden eliminarse en cualquier momento para reacciones catabólicas, si hay una demanda.

No todas las células tienen un ciclo de TCA funcional

Dado que todas las células requieren la capacidad de producir estas moléculas precursoras, se podría esperar que todos los organismos tuvieran un ciclo de TCA completamente funcional. De hecho, las células de muchos organismos NO tienen las enzimas para formar un ciclo completo; sin embargo, todas las células TIENEN la capacidad de producir los 4 precursores del ciclo del TCA que se mencionaron en el párrafo anterior. ¿Cómo pueden las células producir precursores y no tener un ciclo completo? Recuerde que la mayoría de estas reacciones son libremente reversibles, por lo tanto, si NAD+ se requiere para la oxidación de piruvato o acetil-CoA, entonces las reacciones inversas requerirían NADH. Este proceso a menudo se conoce como ciclo reductivo de TCA. Para impulsar estas reacciones a la inversa (con respecto a la dirección discutida anteriormente) se requiere energía, en este caso transportada por ATP y NADH. Si obtiene ATP y NADH conduciendo un camino en una dirección, es lógico pensar que conducirlo en reversa requerirá ATP y NADH como "entradas".

Discusión sugerida

¿Por qué es posible que algunos organismos no hayan desarrollado un ciclo de TCA completamente oxidativo? Recuerde, las células necesitan mantener un equilibrio en el NAD.+ a la relación NADH, así como las relaciones [ATP] / [AMP] / [ADP].

Enlaces adicionales

Aquí hay algunos enlaces adicionales a videos y páginas que pueden resultarle útiles.


Aprender antes de la conferencia: una estrategia que mejora los resultados del aprendizaje en una gran clase de introducción a la biología

Se ha demostrado que la participación activa de los estudiantes en las conferencias aumenta las ganancias de aprendizaje. Para crear tiempo para el aprendizaje activo sin desplazar el contenido, usamos dos estrategias para presentar material antes de la clase en un curso de introducción a la biología extenso. Se eliminaron de cuatro a cinco diapositivas de 2007/8 de cada una de las tres conferencias en 2009 y la información se introdujo en hojas de trabajo previas a la clase o videos narrados en PowerPoint. En clase, el tiempo creado al cambiar el material de la conferencia para aprender antes de las tareas de la conferencia (LBL) se utilizó para involucrar a los estudiantes en la aplicación de sus nuevos conocimientos. El aprendizaje se evaluó comparando el desempeño de los estudiantes en 2009 con el de 2007/8 en pares de preguntas relacionadas con LBL, emparejadas por nivel y formato. El porcentaje de estudiantes que respondieron correctamente cinco de las seis preguntas del examen relacionadas con LBL fue significativamente mayor (pag & lt 0,001) en 2009 frente a 2007/8. El aumento medio en el rendimiento fue del 21% en las seis preguntas relacionadas con LBL en comparación con & lt3% en todas las preguntas del examen no LBL. Los formatos de hoja de trabajo y video LBL fueron igualmente efectivos basados ​​en un diseño experimental cruzado. Estos resultados demuestran que los LBL combinados con ejercicios interactivos se pueden implementar de forma incremental y dan como resultado aumentos significativos en las ganancias de aprendizaje en grandes clases de introducción a la biología.