Respiración celular
La respiración celular es el proceso mediante el cual las células convierten los azúcares en energía. Para crear ATP y otras formas de energía para impulsar las reacciones celulares, las células requieren combustible y un aceptor de electrones que impulsa el proceso químico de convertir la energía en una forma utilizable.
Descripción general de la respiración celular
Los eucariotas, incluidos todos los organismos multicelulares y algunos organismos unicelulares, utilizan la respiración aeróbica para producir energía. La respiración aeróbica utiliza oxígeno, el aceptor de electrones más poderoso disponible en la naturaleza.
La respiración aeróbica es un proceso extremadamente eficiente que permite a los eucariotas tener funciones vitales complicadas y estilos de vida activos. Sin embargo, también significa que requieren un suministro constante de oxígeno o no podrán obtener energía para mantenerse con vida.
Los organismos procarióticos como las bacterias y las arqueobacterias pueden utilizar otras formas de respiración, que son algo menos eficientes. Esto les permite vivir en ambientes donde los organismos eucariotas no podrían, porque no requieren oxígeno.
A continuación se ilustran ejemplos de diferentes vías de cómo los organismos descomponen los azúcares:
En este sitio se pueden encontrar artículos más detallados sobre respiración aeróbica y respiración anaeróbica. Aquí daremos una descripción general de los diferentes tipos de respiración celular.
Ecuación de respiración celular
Ecuación de respiración aeróbica
La ecuación para la respiración aeróbica muestra que la glucosa se combina con oxígeno y ADP para producir dióxido de carbono, agua y ATP:
C 6 H 12 O 6 (glucosa) + 6O 2 + 36 ADP (empobrecido ATP) + 36 P i (grupos fosfato) → 6CO 2 + 6H 2 O + 36 ATP
Puede ver que una vez que se descompone por completo, las moléculas de carbono de la glucosa se exhalan como seis moléculas de dióxido de carbono.
Ecuación de fermentación de ácido láctico
En la fermentación del ácido láctico, una molécula de glucosa se descompone en dos moléculas de ácido láctico. La energía química que se almacenó en los enlaces de glucosa rotos se traslada a los enlaces entre el ADP y un grupo fosfato.
C 6 H 12 O 6 (glucosa) + 2 ADP (empobrecido ATP) + 2 P i (grupos fosfato) → 2 CH 3 CHOHCOOH (ácido láctico) + 2 ATP
Ecuación de fermentación alcohólica
La fermentación del alcohol es similar a la fermentación del ácido láctico en que el oxígeno no es el aceptor final de electrones. Aquí, en lugar de oxígeno, la célula usa una forma convertida de piruvato para aceptar los electrones finales. Esto crea alcohol etílico, que es el que se encuentra en las bebidas alcohólicas. Los cerveceros y destiladores utilizan células de levadura para crear este alcohol, que son muy buenas en esta forma de fermentación.
C 6 H 12 O 6 (glucosa) + 2 ADP (empobrecido ATP) + 2 P i (grupos fosfato) → 2 C 2 H 5 OH (alcohol etílico) + 2 CO 2 + 2 ATP
Pasos de respiración celular
Paso 1
La glucólisis es el único paso que comparten todos los tipos de respiración. En la glucólisis, una molécula de azúcar como la glucosa se divide por la mitad, generando dos moléculas de ATP.
La ecuación de la glucólisis es:
C 6 H 12 O 6 (glucosa) + 2 NAD + + 2 ADP + 2 P i → 2 CH 3 COCOO− + 2 NADH + 2 ATP + 2 H 2 O + 2H +
El nombre «glucólisis» proviene del griego «glyco», que significa «azúcar» y «lisis» que significa «dividir». Esto puede ayudarlo a recordar que la glucólisis es el proceso de dividir un azúcar.
En la mayoría de las vías, la glucólisis comienza con glucosa, que luego se divide en dos moléculas de ácido pirúvico. Estas dos moléculas de ácido pirúvico se procesan posteriormente para formar diferentes productos finales, como alcohol etílico o ácido láctico.
Paso 2
La reducción es la siguiente parte del proceso. En términos químicos, «reducir» una molécula significa agregarle electrones.
En el caso de la fermentación del ácido láctico, NADH dona un electrón al ácido pirúvico, lo que da como resultado los productos finales de ácido láctico y NAD +. Esto es útil para la célula porque el NAD + es necesario para la glucólisis. En el caso de la fermentación alcohólica, el ácido pirúvico sufre un paso adicional en el que pierde un átomo de carbono en forma de CO 2. La molécula intermedia resultante, llamada acetaldehído, se reduce luego para producir NAD + más alcohol etílico.
Paso 3
La respiración aeróbica lleva estos procesos a otro nivel. En lugar de reducir directamente los intermedios del ciclo de Krebs, la respiración aeróbica utiliza oxígeno como receptor final de electrones. Pero primero, los electrones y protones unidos a los portadores de electrones (como NADH), se procesan a través delcadena de transporte de electrones. Esta cadena de proteínas dentro de la membrana mitocondrial utiliza la energía de estos electrones para bombear protones a un lado de la membrana. Esto crea una fuerza electromotriz, que es utilizada por el complejo proteicoATP sintasa parafosforilar una gran cantidad de moléculas de ATD, creando ATP.
Productos de respiración celular
ATP
El principal producto de cualquier respiración celular es la molécula de trifosfato de adenosina (ATP). Esta molécula almacena la energía liberada durante la respiración y permite que la célula transfiera esta energía a varias partes de la célula. El ATP es utilizado por varios componentes celulares como fuente de energía. Por ejemplo, una enzima puede necesitar energía de ATP para combinar dos moléculas. El ATP también se usa comúnmente en transportadores, que son proteínas que funcionan para mover moléculas a través de la membrana celular.
Dióxido de carbono
El dióxido de carbono es un producto universal creado por la respiración celular. Normalmente, el dióxido de carbono se considera un producto de desecho y debe eliminarse. En una solución acuosa, el dióxido de carbono crea iones ácidos. Esto puede reducir drásticamente el pH de la célula y eventualmente hará que cesen las funciones celulares normales. Para evitar esto, las células deben expulsar activamente el dióxido de carbono.
Otros productos
Si bien el ATP y el dióxido de carbono son producidos regularmente por todas las formas de respiración celular, los diferentes tipos de respiración dependen de diferentes moléculas para ser los aceptores finales de los electrones utilizados en el proceso.
Propósito de la respiración celular
Todas las células necesitan poder obtener y transportar energía para impulsar sus funciones vitales. Para que las células sigan viviendo, deben poder operar maquinaria esencial, como bombas en sus membranas celulares que mantienen el entorno interno de la célula de una manera adecuada para la vida.
La «moneda de energía» más común de las células es el ATP, una molécula que almacena mucha energía en sus enlaces de fosfato. Estos enlaces se pueden romper para liberar esa energía y provocar cambios en otras moléculas, como las necesarias para impulsar las bombas de membrana celular.
Debido a que el ATP no es estable durante largos períodos de tiempo, no se utiliza para el almacenamiento de energía a largo plazo. En cambio, los azúcares y las grasas se utilizan como una forma de almacenamiento a largo plazo, y las células deben procesar constantemente esas moléculas para producir nuevo ATP. Este es el proceso de la respiración.
El proceso de respiración aeróbica produce una gran cantidad de ATP de cada molécula de azúcar. De hecho, ¡cada molécula de azúcar digerida por una célula vegetal o animal produce 36 moléculas de ATP! En comparación, la fermentación generalmente solo produce 2-4 moléculas de ATP.
Los procesos de respiración anaeróbica utilizados por bacterias y arqueobacterias producen cantidades más pequeñas de ATP, pero pueden tener lugar sin oxígeno. A continuación, analizaremos cómo los diferentes tipos de respiración celular producen ATP.
Tipos de respiración celular
Respiración aeróbica
Los organismos eucariotas realizan la respiración celular en sus mitocondrias, orgánulos que están diseñados para descomponer los azúcares y producir ATP de manera muy eficiente. Las mitocondrias a menudo se denominan «la fuente de energía de la célula» porque son capaces de producir mucho ATP.
La respiración aeróbica es tan eficiente porque el oxígeno es el aceptor de electrones más poderoso que se encuentra en la naturaleza. El oxígeno «ama» a los electrones, y su amor por los electrones los «empuja» a través de la cadena de transporte de electrones de las mitocondrias.
La anatomía especializada de las mitocondrias, que reúne todos los reactivos necesarios para la respiración celular en un pequeño espacio dentro de la célula, delimitado por una membrana, también contribuye a la alta eficiencia de la respiración aeróbica.
En ausencia de oxígeno, la mayoría de las células eucariotas también pueden realizar diferentes tipos de respiración anaeróbica, como la fermentación del ácido láctico. Sin embargo, estos procesos no producen suficiente ATP para mantener las funciones vitales de la célula y, sin oxígeno, las células eventualmente morirán o dejarán de funcionar.
Fermentación
La fermentación es el nombre que se le da a muchos tipos diferentes de respiración anaeróbica, que son realizadas por diferentes especies de bacterias y arqueobacterias, y por algunas células eucariotas en ausencia de oxígeno.
Estos procesos pueden utilizar una variedad de aceptores de electrones y producir una variedad de subproductos. Algunos tipos de fermentación son:
- Fermentación alcohólica: este tipo de fermentación, realizada por células de levadura y algunas otras células, metaboliza el azúcar y produce alcohol y dióxido de carbono como subproductos. Por eso las cervezas son gaseosas: durante la fermentación, sus levaduras liberan gas dióxido de carbono, que forma burbujas, y alcohol etílico.
- Fermentación del ácido láctico: este tipo de fermentación lo realizan las células musculares humanas en ausencia de oxígeno y algunas bacterias. Los seres humanos utilizan la fermentación del ácido láctico para hacer yogur. Para hacer yogur, se cultivan bacterias inofensivas en la leche. El ácido láctico producido por estas bacterias le da al yogur su distintivo sabor agrio y también reacciona con las proteínas de la leche para crear una textura espesa y cremosa.
- Fermentación con ácido propiónico: este tipo de fermentación lo realizan algunas bacterias y se utiliza para hacer queso suizo. El ácido propiónico es responsable del distintivo sabor a nuez del queso suizo. Las burbujas de gas creadas por estas bacterias son responsables de los agujeros que se encuentran en el queso.
- Acetogénesis: la acetogénesis es un tipo de fermentación realizada por bacterias, que produce ácido acético como subproducto. El ácido acético es el ingrediente distintivo del vinagre que le da su sabor y olor agrio y penetrante. Curiosamente, las bacterias que producen ácido acético utilizan alcohol etílico como combustible. Esto significa que para producir vinagre, una solución que contiene azúcar debe fermentarse primero con levadura para producir alcohol y luego fermentarse nuevamente con bacterias que convierten el alcohol en ácido acético.
Metanogénesis
La metanogénesis es un tipo único de respiración anaeróbica que solo pueden realizar las arqueobacterias. En la metanogénesis, un carbohidrato fuente de combustible se descompone para producir dióxido de carbono y metano.
La metanogénesis es realizada por algunas bacterias simbióticas en el tracto digestivo de humanos, vacas y algunos otros animales. Algunas de estas bacterias pueden digerir la celulosa, un azúcar que se encuentra en las plantas y que no se puede descomponer mediante la respiración celular. ¡Las bacterias simbióticas permiten que las vacas y otros animales obtengan algo de energía de estos azúcares que de otro modo no serían digeribles!
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