RESPIRACIÓN CELULAR 4to A y B BIOLOGÍA
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Respiración celular
La respiración celular es el conjunto de reacciones bioquímicas por las cuales determinados compuestos orgánicos son degradados completamente, por oxidación, hasta su conversión en sustancias inorgánicas, proceso que rinde energía (en forma de ATP) aprovechable por la célula. Los substratos habitualmente usados en el proceso son la glucosa, otros hidratos de carbono, ácidos grasos, inclusoaminoácidos, cuerpos cetónicos u
otros compuestos orgánicos. En los animales estos combustibles pueden
provenir del alimento, de los que se extraen durante la digestión, o de las reservas corporales. En las plantas su origen pueden ser asimismo las reservas, pero también la glucosa obtenida durante la fotosíntesis.
La respiración celular, como componente del metabolismo, es un proceso catabólico, en el cual la energía contenida en los substratos usados
como combustible es liberada de manera controlada. Durante la misma,
buena parte de la energía libre desprendida en estas reacciones exotérmicas es incorporada a la molécula de ATP (o de nucleótidos trifosfato equivalentes), que puede ser a continuación utilizada en los procesos endotérmicos, como son los de mantenimiento y desarrollo celular [anabolismo]
Su ecuación general es la siguiente (respiración aeróbica):
Tipos de respiración celular
Existen dos tipos de respiración, en función del aceptor final de electrones; ambas tienen en común la existencia de una cadena transportadora de electrones.
- Respiración aeróbica. El aceptor final de electrones es el oxígeno molecular, que se reduce a agua. La realizan la inmensa mayoría de células, incluidas las humanas. Los organismos que llevan a cabo este tipo de respiración reciben el nombre de organismos aeróbicos.
- Respiración anaeróbica. El aceptor final de electrones es una molécula inorgánica distinta del oxígeno, más raramente una molécula orgánica. Es un tipo de metabolismo poco común exclusivo de ciertosmicroorganismos. No debe confundirse con la fermentación, proceso también anaeróbico pero en el que no interviene nada parecido a una cadena transportadora de electrones.
Glucólisis
| Reacción global de la glucólisis1 |
|---|
   + |
Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2 2Piruvato + 2NADH + 2ATP + 2H+ + 2H2O |
La glucólisis o glicolisis (del griego glycos, azúcar y lysis, ruptura), es la vía metabólica encargada de oxidar la glucosa con la finalidad de obtener energía para la célula. Consiste en 10 reacciones enzimáticas consecutivas que convierten a la glucosa en dos moléculas de piruvato, el cual es capaz de seguir otras vías metabólicas y así continuar entregando energía al organismo.
El tipo de glucólisis más común y más conocida es la vía de Embden-Meyerhof, explicada inicialmente por Gustav Embden yOtto Meyerhof.
El término puede incluir vías alternativas, como la vía de
Entner-Doudoroff. No obstante, glucólisis se usa con frecuencia como
sinónimo de la vía de Embden-Meyerhof. Es la vía inicial del catabolismo (degradación) de carbohidratos.
Durante la glucólisis se obtiene un rendimiento neto de dos moléculas de ATP y dos moléculas de NADH;
el ATP puede ser usado como fuente de energía para realizar trabajo
metabólico, mientras que el NADH puede tener diferentes destinos. Puede
usarse como fuente de poder reductor en reacciones anabólicas; si hay oxígeno, puede oxidarse en la cadena respiratoria, obteniéndose tres ATPs; si no hay oxígeno, se usa para reducir el piruvato a lactato (fermentación láctica), o a CO2 y etanol(fermentación alcohólica), sin obtención adicional de energía.
La glucólisis es la forma más rápida de conseguir energía para una
célula y, en el metabolismo de carbohidratos, generalmente es la primera
vía a la cual se recurre. Se encuentra estructurada en 10 reacciones
enzimáticas que permiten la transformación de una molécula de glucosa a
dos moléculas de piruvato mediante un proceso catabólico.
La glucólisis es una de las vías más estudiadas, y generalmente se
encuentra dividida en dos fases: la primera, de gasto de energía y la
segunda fase, de obtención de energía.
La primera fase consiste en transformar una molécula de glucosa
en dos moléculas de gliceraldehído (una molécula de baja energía)
mediante el uso de 2 ATP. Esto permite duplicar los resultados de la
segunda fase de obtención energética.
En la segunda fase, el gliceraldehído se transforma en un compuesto de alta energía, cuya hidrólisis genera una molécula de ATP, y como se generaron 2 moléculas de gliceraldehído, se obtienen en realidad dos moléculas de ATP. Esta obtención de energía se logra mediante el acoplamiento de una reacción fuertemente exergónica después de una levemente endergónica. Este acoplamiento ocurre una vez más en esta fase, generando dos moléculas de piruvato. De esta manera, en la segunda fase se obtienen 4 moléculas de ATP.
En la segunda fase, el gliceraldehído se transforma en un compuesto de alta energía, cuya hidrólisis genera una molécula de ATP, y como se generaron 2 moléculas de gliceraldehído, se obtienen en realidad dos moléculas de ATP. Esta obtención de energía se logra mediante el acoplamiento de una reacción fuertemente exergónica después de una levemente endergónica. Este acoplamiento ocurre una vez más en esta fase, generando dos moléculas de piruvato. De esta manera, en la segunda fase se obtienen 4 moléculas de ATP.
Luego de que una molécula de glucosa se transforme en 2 moléculas de
piruvato, las condiciones del medio en que se encuentre determinarán la
vía metabólica a seguir.
Funciones
Las funciones de la glucólisis son:
- La generación de moléculas de alta energía (ATP y NADH) como fuente de energía celular en procesos de respiración aeróbica (presencia de oxígeno) y fermentación (ausencia de oxígeno).
- La generación de piruvato que pasará al ciclo de Krebs, como parte de la respiración aeróbica.
- La producción de intermediarios de 6 y 3 carbonos que pueden ser utilizados en otros procesos celulares.
Ciclo de Krebs
El ciclo de Krebs (también llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos) es una ruta metabólica, es decir, una sucesión de reacciones químicas, que forma parte de la respiración celular en todas las células aeróbicas. En células eucariotas se realiza en la mitocondria. En las procariotas, el ciclo de Krebs se realiza en el citoplasma, específicamente en el citosol.
En organismos aeróbicos, el ciclo de Krebs es parte de la vía catabólica que realiza la oxidación de glúcidos, ácidos grasos y aminoácidoshasta producir CO2, liberando energía en forma utilizable (poder reductor y GTP).
El metabolismo oxidativo de glúcidos, grasas y proteínas frecuentemente
se divide en tres etapas, de las cuales, el ciclo de Krebs supone la
segunda. En la primera etapa, los carbonos de estas macromoléculas dan
lugar a moléculas de acetil-CoA de dos carbonos, e incluye las vías catabólicas de aminoácidos (p. ej. desaminación oxidativa), la beta oxidación de ácidos grasos y la glucólisis. La tercera etapa es la fosforilación oxidativa, en la cual el poder reductor (NADH y FADH2) generado se emplea para la síntesis de ATP según la teoría del acomplamiento quimiosmótico.
El ciclo de Krebs también proporciona precursores para muchas biomoléculas, como ciertos aminoácidos. Por ello se considera una víaanfibólica, es decir, catabólica y anabólica al mismo tiempo.
El Ciclo de Krebs fue descubierto el por el alemán Hans Adolf Krebs, quien obtuvo el Premio Nobel.
Visión simplificada y rendimiento del proceso
- El paso final es la oxidación del ciclo de Krebs, produciendo un oxaloacetato y dos CO2.
- El acetil-CoA reacciona con una molécula de oxaloacetato (4 carbonos) para formar citrato (6 carbonos), mediante una reacción de condensación.
- A través de una serie de reacciones, el citrato se convierte de nuevo en oxaloacetato.
- Durante estas reacciones, se substraen 2 átomos de carbono del citrato (6C) para dar oxalacetato (4C); dichos átomos de carbono se liberan en forma de CO2
- El ciclo consume netamente 1 acetil-CoA y produce 2 CO2. También consume 3 NAD+ y 1 FAD, produciendo 3 NADH + 3 H+ y 1 FADH2.
- El rendimiento de un ciclo es (por cada molécula de piruvato): 1 ATP, 3 NADH +3H+, 1 FADH2, 2CO2.
- Cada NADH, cuando se oxide en la cadena respiratoria, originará 2,5 moléculas de ATP (3 x 2,5 = 7,5), mientras que el FADH2 dará lugar a 1,5 ATP. Por tanto, 7,5 + 1,5 + 1 GTP = 10 ATP por cada acetil-CoA que ingresa en el ciclo de Krebs.
- Cada molécula de glucosa produce (vía glucólisis) dos moléculas de piruvato, que a su vez producen dos acetil-CoA, por lo que por cada molécula de glucosa en el ciclo de Krebs se produce: 4CO2, 2GTP, 6 NADH + 6H + , 2 FADH2; total 32 ATP.
Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa LUEGO DE LA GLUCÓLISIS Y DEL CICLO DE KREBS SE PRODUCE ESTA ETAPA PARA FINALIZAR EL PROCESO DE RESPIRACIÓN AERÓBICA
En las mitocondrias, el sistema que aporta la energía para la síntesis
de ATP por la ATPsintetasa utiliza el flujo de protones H+ para su
activación, lo que se conoce como cadena respiratoria o cadena de
transporte de electrones.
La cadena está formada por una serie de enzimas diseñadas por la evolución para aceptar y ceder electrones, o sea, que su función es la de reducirse (aceptar electrones) y oxidarse (perder electrones). El aceptor final de los electrones que viajan por la cadena respiratoria es el oxígeno. De hecho, la mayor parte del oxígeno que nosotros respiramos se usa para aceptar los electrones que pasan por la cadena respiratoria; después de que un átomo de oxígeno recibe dos electrones, éste reacciona con dos H+ y forma una molécula de agua.
La cadena está formada por una serie de enzimas diseñadas por la evolución para aceptar y ceder electrones, o sea, que su función es la de reducirse (aceptar electrones) y oxidarse (perder electrones). El aceptor final de los electrones que viajan por la cadena respiratoria es el oxígeno. De hecho, la mayor parte del oxígeno que nosotros respiramos se usa para aceptar los electrones que pasan por la cadena respiratoria; después de que un átomo de oxígeno recibe dos electrones, éste reacciona con dos H+ y forma una molécula de agua.
1. Glucólisis.
2. Formación de acetil coenzima A.
3. Ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico.
4. Cadena respiratoria.
LA "OTRA" RESPIRACIÓN ... Respiración anaerobia o fermentación
Muchos organismos (especialmente microorganismos) sobreviven en los
intestinos de los animales, en el suelo profundo, en sedimentos u otros
sitios donde el oxígeno está casi, o totalmente, ausente. Aun en algunas
de nuestras células corporales resisten breves periodos a la ausencia
de oxígeno.
Probablemente en condiciones anaerobias evolucionaron la vida y la glucólisis, produciéndose por cada molécula de glucosa dos moléculas de ácido pirúvico, el cual puede seguir diferentes caminos: la fermentación alcohólica, la láctica, la acética y la respiración aerobia.
Probablemente en condiciones anaerobias evolucionaron la vida y la glucólisis, produciéndose por cada molécula de glucosa dos moléculas de ácido pirúvico, el cual puede seguir diferentes caminos: la fermentación alcohólica, la láctica, la acética y la respiración aerobia.
Fermentación láctica
Se realiza en los músculos de nuestro organismo, sobre todo cuando se hace ejercicio de manera exagerada, ya que aunque la respiración celular aerobia proporciona más ATP que la glucólisis, se encuentra limitada por la capacidad del organismo para brindar oxígeno a sus células musculares, y cuando sus músculos están desprovistos de oxígeno no dejan de trabajar de manera inmediata. En lugar de eso, la glucólisis continúa durante un tiempo proporcionando sus escasas dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa y generando ácido pirúvico y NADH, entonces, el ácido pirúvico (C3H4O3) se vuelve aceptor del hidrógeno y se forma el ácido láctico (C3H6O3). Sin embargo, el ácido láctico es tóxico en concentraciones elevadas, por lo que pronto causa malestar intenso y fatiga, haciendo que el individuo disminuya su ritmo o se detenga y mientras descansa respira rápidamente para restituir el suministro de oxígeno, haciendo que el ácido láctico se vuelva a convertir en ácido pirúvico, lo que no ocurre en las células musculares sino en el hígado.
Fermentación alcohólica
Se lleva a cabo en muchos microorganismos como las levaduras del género Saccharomyces. Después de que se obtienen las dos moléculas de ácido pirúvico (C3H4O3), éstas se degradan hasta formar dos moléculas de CO2, dos moléculas de alcohol etílico (C2H6O) y más dos moléculas de ATP.
La
fermentación alcohólica se utiliza en la industria en la fabricación de
diferentes tipos de bebidas alcohólicas y en la elaboración de pan,
donde el alcohol se evapora y el CO2 provoca que el pan esponje. Algunos
otros microorganismos realizan otros tipos de fermentación, se produce
ácido acético o alcohol. Otros más respiran anaerobiamente desechando
metano u otros productos. La respiración anaerobia se considera
ineficiente porque produce poca energía, se obtienen dos moléculas de
ATP por cada molécula de glucosa.
Se realiza en los músculos de nuestro organismo, sobre todo cuando se hace ejercicio de manera exagerada, ya que aunque la respiración celular aerobia proporciona más ATP que la glucólisis, se encuentra limitada por la capacidad del organismo para brindar oxígeno a sus células musculares, y cuando sus músculos están desprovistos de oxígeno no dejan de trabajar de manera inmediata. En lugar de eso, la glucólisis continúa durante un tiempo proporcionando sus escasas dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa y generando ácido pirúvico y NADH, entonces, el ácido pirúvico (C3H4O3) se vuelve aceptor del hidrógeno y se forma el ácido láctico (C3H6O3). Sin embargo, el ácido láctico es tóxico en concentraciones elevadas, por lo que pronto causa malestar intenso y fatiga, haciendo que el individuo disminuya su ritmo o se detenga y mientras descansa respira rápidamente para restituir el suministro de oxígeno, haciendo que el ácido láctico se vuelva a convertir en ácido pirúvico, lo que no ocurre en las células musculares sino en el hígado.
Fermentación alcohólicaSe lleva a cabo en muchos microorganismos como las levaduras del género Saccharomyces. Después de que se obtienen las dos moléculas de ácido pirúvico (C3H4O3), éstas se degradan hasta formar dos moléculas de CO2, dos moléculas de alcohol etílico (C2H6O) y más dos moléculas de ATP.
La
fermentación alcohólica se utiliza en la industria en la fabricación de
diferentes tipos de bebidas alcohólicas y en la elaboración de pan,
donde el alcohol se evapora y el CO2 provoca que el pan esponje. Algunos
otros microorganismos realizan otros tipos de fermentación, se produce
ácido acético o alcohol. Otros más respiran anaerobiamente desechando
metano u otros productos. La respiración anaerobia se considera
ineficiente porque produce poca energía, se obtienen dos moléculas de
ATP por cada molécula de glucosa.