7.7: Regulación de la respiración celular

Habilidades para Desarrollar

• Describir cómo la inhibición de retroalimentación afectaría a la producción de un intermedio o producto en una vía
• Identificar el mecanismo que controla la velocidad del transporte de electrones a través de la cadena de transporte de electrones

La respiración celular debe ser regulada para proporcionar cantidades equilibradas de energía en forma de ATP. La célula también debe generar una serie de compuestos intermedios que se utilizan en el anabolismo y catabolismo de las macromoléculas. Sin controles, las reacciones metabólicas se detendrían rápidamente a medida que las reacciones hacia adelante y hacia atrás alcanzarían un estado de equilibrio. Los recursos serían utilizados de manera inapropiada. Una célula no necesita la cantidad máxima de ATP que puede producir todo el tiempo: A veces, la célula necesita derivar algunos de los intermedios a vías para la producción de aminoácidos, proteínas, glucógeno, lípidos y ácidos nucleicos. En definitiva, la célula necesita controlar su metabolismo.

Mecanismos Regulatorios

Se utilizan diversos mecanismos para controlar la respiración celular. Existe algún tipo de control en cada etapa del metabolismo de la glucosa. El acceso de la glucosa a la célula se puede regular utilizando las proteínas GLUT que transportan glucosa (Figura\(\PageIndex{1}\)). Diferentes formas de la proteína GLUT controlan el paso de glucosa a las células de tejidos específicos.

Figura\(\PageIndex{1}\): GLUT4 es un transportador de glucosa que se almacena en vesículas. Una cascada de eventos que ocurre tras la unión de la insulina a un receptor en la membrana plasmática hace que las vesículas que contienen GLUT4 se fusionen con la membrana plasmática para que la glucosa pueda transportarse a la célula.

Algunas reacciones se controlan al tener dos enzimas diferentes, una cada una para las dos direcciones de una reacción reversible. Las reacciones que son catalizadas por una sola enzima pueden ir al equilibrio, deteniendo la reacción. En contraste, si dos enzimas diferentes (cada una específica para una dirección dada) son necesarias para una reacción reversible, la oportunidad de controlar la velocidad de la reacción aumenta, y no se alcanza el equilibrio.

Varias enzimas involucradas en cada una de las vías, en particular, la enzima que cataliza la primera reacción comprometida de la ruta, se controlan mediante la unión de una molécula a un sitio alostérico en la proteína. Las moléculas más utilizadas en esta capacidad son los nucleótidos ATP, ADP, AMP, NAD ⁺ y NADH. Estos reguladores, efectores alostéricos, pueden aumentar o disminuir la actividad enzimática, dependiendo de las condiciones prevalecientes. El efector alostérico altera la estructura estérica de la enzima, afectando generalmente la configuración del sitio activo. Esta alteración de la estructura de la proteína (la enzima) aumenta o disminuye su afinidad por su sustrato, con el efecto de aumentar o disminuir la velocidad de reacción. Las señales de unión a la enzima. Esta unión puede aumentar o disminuir la actividad de la enzima, proporcionando retroalimentación. Este tipo de control de retroalimentación es efectivo siempre y cuando el químico que lo afecta esté unido a la enzima. Una vez que la concentración general del químico disminuye, se difundirá lejos de la proteína, y el control se relajará.

Control de Vías Catabólicas

Las enzimas, proteínas, portadores de electrones y bombas que desempeñan un papel en la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico y la cadena de transporte de electrones tienden a catalizar reacciones no reversibles. Es decir, si la reacción inicial tiene lugar, la vía se compromete a proceder con las reacciones restantes. El hecho de que se libere una actividad enzimática particular depende de las necesidades energéticas de la célula (como se refleja en los niveles de ATP, ADP y AMP).

Glicólisis

El control de la glucólisis comienza con la primera enzima de la vía, la hexoquinasa (Figura\(\PageIndex{2}\)). Esta enzima cataliza la fosforilación de la glucosa, lo que ayuda a preparar el compuesto para la escisión en un paso posterior. La presencia del fosfato cargado negativamente en la molécula también impide que el azúcar salga de la célula. Cuando se inhibe la hexoquinasa, la glucosa se difunde fuera de la célula y no se convierte en un sustrato para las vías respiratorias en ese tejido. El producto de la reacción de la hexoquinasa es glucosa-6-fosfato, que se acumula cuando se inhibe una enzima posterior, la fosfofructoquinasa.

Figura\(\PageIndex{2}\): La vía de la glucólisis se regula principalmente en las tres etapas enzimáticas clave (1, 2 y 7) como se indica. Tenga en cuenta que los dos primeros pasos que están regulados ocurren temprano en la ruta e implican la hidrólisis de ATP.

La fosfofructoquinasa es la principal enzima controlada en la glucólisis. Los altos niveles de ATP, citrato o un pH más bajo y más ácido disminuyen la actividad de la enzima. Un aumento en la concentración de citrato puede ocurrir debido a un bloqueo en el ciclo del ácido cítrico. La fermentación, con su producción de ácidos orgánicos como el ácido láctico, frecuentemente explica el aumento de la acidez en una célula; sin embargo, los productos de fermentación no suelen acumularse en las células.

El último paso en la glucólisis es catalizado por la piruvato quinasa. El piruvato producido puede proceder a catabolizarse o convertirse en el aminoácido alanina. Si no se necesita más energía y la alanina está en el suministro adecuado, se inhibe la enzima. La actividad de la enzima aumenta cuando aumentan los niveles de fructosa-1,6-bisfosfato. (Recordemos que la fructosa-1,6-bisfosfato es un intermedio en la primera mitad de la glucólisis). La regulación de la piruvato quinasa implica la fosforilación por una quinasa (piruvato quinasa quinasa), lo que resulta en una enzima menos activa. La desfosforilación por una fosfatasa la reactiva. La piruvato quinasa también está regulada por ATP (un efecto alostérico negativo).

Si se necesita más energía, más piruvato se convertirá en acetil CoA a través de la acción de la piruvato deshidrogenasa. Si se acumulan grupos acetilo o NADH, hay menos necesidad de la reacción y la velocidad disminuye. La piruvato deshidrogenasa también está regulada por la fosforilación: una quinasa la fosforila para formar una enzima inactiva y una fosfatasa la reactiva. La quinasa y la fosfatasa también están reguladas.

Ciclo de ácido cítrico

El ciclo del ácido cítrico se controla a través de las enzimas que catalizan las reacciones que producen las dos primeras moléculas de NADH. Estas enzimas son isocitrato deshidrogenasa y α - cetoglutarato deshidrogenasa. Cuando se dispone de niveles adecuados de ATP y NADH, las tasas de estas reacciones disminuyen. Cuando se necesita más ATP, como se refleja en el aumento de los niveles de ADP, la tasa aumenta. La α -cetoglutarato deshidrogenasa también se verá afectada por los niveles de succinil Co—un intermedio posterior en el ciclo, causando una disminución en la actividad. Una disminución en la velocidad de operación de la vía en este punto no es necesariamente negativa, ya que los niveles aumentados del α-cetoglutarato no utilizado por el ciclo del ácido cítrico pueden ser utilizados por la célula para la síntesis de aminoácidos (glutamato).

Cadena de transporte de electrones

Las enzimas específicas de la cadena de transporte de electrones no se ven afectadas por la inhibición de retroalimentación, pero la velocidad de transporte de electrones a través de la ruta se ve afectada por los niveles de ADP y ATP. El mayor consumo de ATP por una célula se indica por una acumulación de ADP. A medida que disminuye el uso de ATP, la concentración de ADP disminuye, y ahora, el ATP comienza a acumularse en la célula. Este cambio es la concentración relativa de ADP a ATP que desencadena la célula para ralentizar la cadena de transporte de electrones.

Enlace al aprendizaje

Visite este sitio para ver una animación de la cadena de transporte de electrones y la síntesis de ATP.

Para un resumen de los controles de retroalimentación en la respiración celular, ver Tabla\(\PageIndex{1}\).

Tabla\(\PageIndex{1}\): Controles de retroalimentación en la respiración celular.

Camino	Enzima afectada	Niveles elevados de efector	Efecto sobre la actividad de la vía
glucólisis	hexoquinasa	glucosa-6-fosfato	disminuir
	fosfofructoquinasa	carga de baja energía (ATP, AMP), fructosa-6-fosfato vía fructosa-2,6-bisfosfato	aumentar
		carga de alta energía (ATP, AMP), citrato, pH ácido	disminuir
	piruvato quinasa	fructosa-1,6-bisfosfato	aumentar
		carga de alta energía (ATP, AMP), alanina	disminuir
conversión de piruvato a acetil CoA	piruvato deshidrogenasa	ADP, piruvato	aumentar
		acetil CoA, ATP, NADH	disminuir
ciclo del ácido cítrico	isocitrato deshidrogenasa	ADP	aumentar
		ATP, NADH	disminuir
	α -cetoglutarato deshidrogenasa	Iones calcio, ADP	aumentar
		ATP, NADH, succinilCoA	disminuir
cadena de transporte de electrones		ADP	aumentar
		ATP	disminuir

Resumen

La respiración celular se controla por una variedad de medios. La entrada de glucosa en una célula está controlada por las proteínas de transporte que ayudan al paso de la glucosa a través de la membrana celular. La mayor parte del control de los procesos respiratorios se logra a través del control de enzimas específicas en las vías. Este es un tipo de retroalimentación negativa, apagando las enzimas. Las enzimas responden con mayor frecuencia a los niveles de los nucleósidos disponibles ATP, ADP, AMP, NAD ⁺ y FAD. Otros intermedios de la vía también afectan a ciertas enzimas en los sistemas.

Glosario

Proteína GLUT

proteína integral de membrana que transporta glucosa