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Definición de respiración celular
La respiración celular es un proceso metabólico que consta de una serie de pasos para convertir la energía química (azúcar) en una forma de energía utilizable (ATP) en la célula.
- Las reacciones involucradas en la respiración celular son reacciones catabólicas que involucran la descomposición de moléculas orgánicas más grandes en formas más pequeñas.
- El proceso general de la respiración celular se lleva a cabo en una serie de pasos que se especializan en la degradación de moléculas específicas.
- La respiración celular es una base de vida que ocurre en todas las formas de vida. En la mayoría de los organismos multicelulares, la respiración celular se produce en forma de respiración aeróbica.
- El proceso de respiración celular implica la ruptura de enlaces de alta energía, que liberan energía en forma de ATP.
- Técnicamente, la respiración celular es una reacción de combustión, pero el proceso en la célula ocurre de manera lenta y controlada para liberar energía a través de una serie de reacciones.
- La mayoría de las reacciones en la respiración celular son reacciones redox en presencia de agentes oxidantes fuertes como el oxígeno molecular.
- La energía química producida durante la respiración celular se almacena en forma de ATP que libera energía al romper el enlace del tercer grupo fosfato durante procesos como biosíntesis, locomoción y transporte activo de moléculas.
- Durante el proceso de respiración celular intervienen diferentes biomoléculas y estructuras.
- De manera similar, un conjunto diferente de enzimas cataliza diferentes pasos de la respiración celular, todos los cuales se encuentran dentro de la célula.
¿Qué es ATP?
- El trifosfato de adenosina (ATP) es un compuesto inorgánico que actúa como una molécula portadora de energía al capturar la energía producida a partir de reacciones químicas.
- El ATP es una molécula de nucleótidos que consta de tres unidades estructurales principales; base nitrogenada, adenina, unidad de azúcar, ribosa y tres grupos fosfato unidos al esqueleto de la ribosa.
- El ATP no actúa como una unidad de almacenamiento de energía como los carbohidratos y las proteínas, sino que actúa como una lanzadera para liberar energía durante las actividades que consumen energía.
- La liberación de energía por el ATP ocurre como resultado de la ruptura de los enlaces fosfato para formar moléculas de ADP o AMP.
- La mayor parte del ATP en la célula se sintetiza en las mitocondrias, ya que se considera la fuente de energía de la célula, mientras que algo de ATP podría producirse en el citoplasma.
¿Qué es NAD?
- El difosfato de adenina de nicotinamida (NAD) es una coenzima que desempeña un papel central en la respiración celular, ya que actúa como medio de transporte de electrones.
- La molécula consta de dos unidades de nucleótidos donde una contiene adenina como base nucleotídica y la otra contiene la unidad de nicotinamida. Además, dos grupos fosfato están unidos a las unidades de nucleótidos.
- NAD sale en dos formas diferentes basadas en su estado de oxidación NAD + es el estado oxidado y NADH es el estado reducido.
- El NAD participa en reacciones redox en las que se reduce al aceptar electrones y se oxida al donar esos electrones a otras moléculas.
- Se sintetiza en el cuerpo a partir de unidades más pequeñas de aminoácidos como el triptófano y el ácido aspártico.
¿Qué es FAD?
- El dinucleótido de flavina adenina (FAD) es una coenzima metabólica que participa en varias reacciones enzimáticas del cuerpo como portador de electrones.
- El FAD es similar en estructura al NAD con dos unidades de nucleótidos, donde uno consiste en adenina como base de nitrógeno mientras que el otro consiste en unidades de flavina.
- El FAD se sintetiza en el cuerpo a partir de riboflavina y dos moléculas de ATP. La fosforilación de riboflavina por ATP da como resultado la formación de FMN. La transferencia de una unidad AMP desde ATP da como resultado la formación de FAD.
- En el caso de la respiración celular, el FAD involucrado existe en dos estados de oxidación; FADH y FADH 2 .
- Debido a sus múltiples estados de oxidación, las moléculas de FAD están involucradas en la transferencia de electrones de una molécula a otra.
Ubicación de la respiración celular
- La respiración celular, como su nombre indica, tiene lugar en células individuales para producir energía para la célula en particular.
- Dentro de la célula eucariota, el proceso comienza en el citoplasma . El primer paso de la respiración celular, la glucólisis , tiene lugar en el citoplasma, ya que las enzimas necesarias para la glucólisis están presentes en el citoplasma.
- Los resultados finales de los pasos de la glucólisis se transportan a las mitocondrias de la célula, donde tienen lugar el resto de los pasos de la respiración celular.
- Los siguientes pasos, como el ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa , ocurren en la membrana externa e interna de las mitocondrias.
- En el caso de las células procariotas, sin embargo, todos los pasos de la respiración celular ocurren en el citoplasma, ya que no tienen orgánulos celulares definidos .
Ecuaciones de respiración celular
Los pasos y reacciones involucrados en la respiración celular pueden ser diferentes en diferentes tipos de respiración celular.
Ecuación de respiración aeróbica
- En la respiración aeróbica, una molécula de glucosa se combina con una molécula de oxígeno y ADP para formar dióxido de carbono, agua y energía. La respiración aeróbica es la vía más eficiente de respiración celular que produce la mayor cantidad de ATP.
- La ecuación general de la respiración aeróbica es:
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 36ADP + 36Pi → 6CO 2 + 6H 2 O + 36ATP
Ecuación de respiración anaeróbica
- En la respiración anaeróbica, la ecuación involucrada depende de la vía utilizada. Las vías anaeróbicas son menos eficientes que la respiración aeróbica, ya que producen una menor cantidad de ATP.
- En la fermentación alcohólica, una molécula de glucosa se degrada en alcohol etílico, dióxido de carbono y energía. El proceso tiene lugar en ausencia de oxígeno.
- La ecuación general de la respiración anaeróbica es:
C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Pi → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 + 2ATP
- En la fermentación del ácido láctico, una molécula de glucosa se degrada en ácido láctico y energía. Esta respiración también ocurre en ausencia de oxígeno.
C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Pi → 2 C 3 H 6 O 3 + 2ATP
Tipos de respiración celular
1. Respiración aeróbica
- La respiración aeróbica es un tipo de respiración celular que implica la descomposición de moléculas complejas de alta energía en presencia de oxígeno para producir energía en forma de ATP.
- La respiración aeróbica da como resultado la oxidación completa de los carbohidratos para producir la máxima cantidad de energía.
- La respiración aeróbica es el tipo de respiración celular más eficiente que ocurre en la mayoría de eucariotas y algunos procariotas.
- La molécula de oxígeno en la respiración aeróbica actúa como aceptor final de electrones, lo que resulta en la producción eficiente de ATP.
- La eficiencia de la respiración aeróbica es mayor que la anaeróbica porque el doble enlace en la molécula de oxígeno ayuda al proceso de producción de ATP.
- La respiración aeróbica es un proceso mucho más largo que implica el intercambio de gas oxígeno y dióxido de carbono.
- La respiración aeróbica es diferente de la respiración anaeróbica en que el piruvato formado al final de la glucólisis entra en el ciclo de Kreb para una mayor degradación.
- Los productos finales de la respiración aeróbica son dióxido de carbono y agua junto con ATP después de la adición del grupo fosfato a las moléculas de ADP.
- Además, otras moléculas ricas en energía como NADH y FADH 2 también se producen durante la respiración aeróbica, que produce ATP a través de la cadena de transporte de electrones.
- Teóricamente, se formarán 36 ATP al final de la respiración aeróbica; sin embargo, se pierde algo de energía debido a una fuga de la membrana.
2. Respiración anaeróbica
- La respiración anaeróbica es un tipo de respiración celular que ocurre en ausencia de oxígeno en organismos procariotas para producir un ácido o alcohol como producto final.
- En la respiración anaeróbica, otras moléculas o iones como el sulfato o el nitrato actúan como aceptor de electrones final en lugar del oxígeno.
- El subproducto de la respiración anaeróbica depende de diferentes formas de respiración anaeróbica.
- La respiración o fermentación anaeróbica es de diferentes tipos según los aceptores de electrones y los subproductos.
- La fermentación alcohólica implica la descomposición de los carbohidratos para producir alcohol y dióxido de carbono como subproductos.
- La fermentación del ácido láctico es la fermentación de carbohidratos para formar ácido láctico por las bacterias del ácido láctico en ausencia de oxígeno.
- La metanogénesis es un tipo único de respiración anaeróbica donde los subproductos son metano y dióxido de carbono.
- La respiración anaeróbica es más común en procariotas que residen en ambientes con poco oxígeno, como las superficies de aguas profundas.
- La respiración anaeróbica es menos eficiente que la respiración aeróbica porque el aceptor de electrones final en la respiración anaeróbica tiene un potencial de reducción menor que las moléculas de oxígeno.
- Sin embargo, la respiración anaeróbica es importante para los ciclos biogeoquímicos de elementos como azufre, carbono y nitrógeno.
- El proceso de respiración anaeróbica tiene lugar en el citoplasma de la célula, ya que las enzimas necesarias para el proceso están presentes en el citoplasma.
Lea también: 11 diferencias entre la respiración aeróbica y anaeróbica
Pasos de respiración celular
1. Glucólisis
- La glucólisis es el primer paso en la respiración celular donde la molécula de glucosa se cataboliza para formar piruvato a través de una serie de 10 pasos.
- La glucólisis es el paso inicial del metabolismo de la glucosa, que es la vía común tanto en la respiración aeróbica como anaeróbica.
- La secuencia general de reacción en la glucólisis puede diferir de una especie a otra en su regulación y el destino del piruvato.
- Durante la glucólisis, el compuesto de seis carbonos como la glucosa se descompone en dos compuestos de tres carbonos (piruvato) con la liberación de 2 moléculas de ATP.
- En la respiración aeróbica, la glucólisis es el preludio del ciclo del ácido cítrico y la cadena de transporte de electrones, que son responsables de la producción de la mayoría de los ATP.
- El producto de la glucólisis puede proceder en una de tres vías diferentes según la disponibilidad de oxígeno y las actividades metabólicas.
Se puede escribir un resumen del proceso de glucólisis de la siguiente manera:
C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Pi + 2NAD + → 2C 3 H 4 O 3 + 2H 2 O + 2ATP + 2NADH + 2H +
En palabras, la ecuación se escribe como:
Glucosa + ADP + Pi + NAD → Piruvato + Agua + ATP + NADH + Iones de hidrógeno
Leer más: Glucólisis : definición, ecuación, enzimas, 10 pasos con diagrama
2. Oxidación de piruvato
- La oxidación del piruvato es el segundo paso de la respiración aeróbica que se produce y representa uno de los tres posibles destinos de las moléculas de piruvato.
- Las moléculas de piruvato son los productos finales de la glucólisis, que es una vía común en la respiración tanto aeróbica como anaeróbica.
- El destino del piruvato está determinado por la disponibilidad de oxígeno y las condiciones metabólicas.
- La oxidación del piruvato ocurre en presencia de oxígeno después de que las moléculas de piruvato se mueven a las mitocondrias desde el citoplasma.
- El piruvato derivado de la glucólisis se deshidrogena para producir acetil Co-A y CO 2 mediante el complejo enzimático piruvato deshidrogenasa. La enzima se encuentra en la matriz mitocondrial de eucariotas y el citoplasma de procariotas.
- La oxidación del piruvato actúa como vínculo entre la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico en el caso de la respiración aeróbica.
- Durante la oxidación del piruvato, se forman un total de 3 ATP (después de la entrada de NADH a la cadena de transporte de electrones).
La reacción general de oxidación del piruvato se puede resumir como:
Piruvato Coenzima A + NAD → Acetil Co-A + NADH
3. Ciclo del ácido cítrico
- El ciclo del ácido cítrico o ciclo de Kreb es el proceso de oxidación completa de acetil CoA para liberar dióxido de carbono y moléculas de agua.
- Es la vía más universal para el metabolismo aeróbico de moléculas ricas en energía.
- Las reacciones del ciclo proporcionan electrones a la cadena de transporte de electrones, lo que reduce el oxígeno mientras genera ATP.
- Este ciclo es importante no solo para el metabolismo de los carbohidratos sino también para otras biomoléculas como los aminoácidos y los ácidos grasos.
- El ciclo solo puede ocurrir en presencia de oxígeno, ya que moléculas ricas en energía como NAD + y FAD pueden recuperar ATP de su forma reducida mediante la transferencia de electrones a oxígeno molecular.
- Hay dos propósitos principales del ciclo del ácido cítrico, que incluyen la disposición de átomos de carbono e hidrógeno y la conversión de energía química potencial en energía metabólica en forma de ATP.
- Se forman un total de 12 ATP durante la oxidación completa de una sola molécula de acetil Co-A.
- De las 12 moléculas de ATP, solo una molécula de ATP se produce directamente a partir del ciclo; el resto se genera tras la entrada de moléculas de alta energía en la cadena de transporte de electrones.
La reacción general del ciclo del ácido cítrico se puede resumir como:
CH 3 CO-SCoA + 3NAD + + FAD + GDP + Pi + 2H 2 O → 2CO 2 + CoA-SH + 3NADH + FADH 2 + GTP + 2H +
Leer más: ciclo de Krebs / ciclo del ácido cítrico / ciclo TCA con pasos y diagrama
4. Fosforilación oxidativa
- Fosforilación oxidativa o cadena de transporte de electrones en el paso final de la respiración aeróbica que consiste en una cadena de reacciones redox para sintetizar moléculas de ATP.
- Durante el proceso, los electrones generados en el ciclo del ácido cítrico se transfieren del compuesto orgánico al oxígeno y, al mismo tiempo, liberan energía en forma de ATP.
- El transporte de electrones ocurre entre cuatro grandes complejos de proteínas que están presentes en la membrana mitocondrial interna.
- La cadena consta de una serie de proteínas con grupos prostéticos fuertemente unidos que son capaces de aceptar y donar electrones en virtud de sus múltiples estados de oxidación.
- El número de ATP sintetizado durante la fosforilación oxidativa depende de la molécula rica en energía que pasa por los electrones. Porque, por ejemplo, NADH produce 3 moles de ATP, mientras que FADH produce 2 moles de ATP.
- La fosforilación oxidativa es esencial para el metabolismo de todas las biomoléculas ya que todas las reacciones metabólicas convergen en esta etapa.
- Existen diferentes grupos químicos que actúan como portadores de electrones durante el transporte de electrones a través de la cadena. Además, hay cuatro complejos enzimáticos importantes que catalizan la transferencia.
Un resumen de las reacciones en la cadena de transporte de electrones es:
NADH + 1 / 2O 2 + H + + ADP + Pi → NAD + + ATP + H 2 O
Leer más: fosforilación oxidativa
¿Qué es la fermentación?
1. Fermentación de ácido láctico
- La fermentación del ácido láctico es un tipo de fermentación (respiración anaeróbica) en la que compuestos orgánicos complejos como la glucosa se convierten en ácido láctico mientras liberan cierta cantidad de energía celular.
- La fermentación del ácido láctico comienza con la glucólisis que descompone una sola molécula de glucosa en dos moles de piruvato.
- En presencia de oxígeno, el piruvato formado sufre una oxidación de piruvato para formar dióxido de carbono.
- Pero en ausencia de oxígeno o en presencia de oxígeno limitado, el piruvato así formado sufre diferentes formas de fermentación.
- La fermentación del ácido láctico ocurre en algunos organismos anaeróbicos que viven en ambientes con poco oxígeno o en las células musculares durante el ejercicio.
- La enzima involucrada en la fermentación del ácido láctico es la deshidrogenasa láctica que cataliza la conversión de piruvato en ácido láctico junto con la oxidación de NADH en NAD + .
- El NAD + formado en la fermentación del ácido láctico produce 2ATP a través de la cadena de transporte de electrones.
- El ácido láctico producido durante la fermentación del ácido láctico en las células musculares se acumula en el músculo. Luego, el ácido láctico pasa al hígado, donde se convierte nuevamente en piruvato para que pueda utilizarse durante la respiración aeróbica.
- Además de ser una vía para el metabolismo, la fermentación del ácido láctico también se considera un método deseable para procesar y conservar vegetales porque el método es de bajo costo y produce sabores diversificados y altamente aceptados.
- Las bacterias fermentadoras de ácido láctico son de importancia industrial ya que participan en la producción de yogur, queso y otros productos lácteos.
2. Fermentación alcohólica
- La siguiente vía común de respiración anaeróbica es la fermentación alcohólica en la que la molécula de carbohidrato se oxida parcialmente para formar alcohol como subproducto.
- La conversión de piruvato en alcohol etílico en la fermentación alcohólica es un proceso de dos pasos donde uno es una reacción de oxidación y el otro es una reacción de reducción.
- El paso inicial de la fermentación alcohólica es el mismo tanto en la respiración aeróbica como en la fermentación del ácido láctico. El sustrato en la fermentación alcohólica, como en la fermentación del ácido láctico, es el piruvato.
- En el primer paso, las moléculas de piruvato producidas a partir de la glucólisis se descarboxilan mediante la acción catalítica de la piruvato descarboxilasa para producir acetaldehído.
- A continuación, el acetaldehído se reduce a etanol mediante NADH en presencia de una enzima alcohol deshidrogenasa.
- El NADH se oxida para formar NAD + , que produce ATP a través de una cadena de transporte de electrones.
- Los productos finales de la fermentación alcohólica son el etanol y el dióxido de carbono.
- La producción de alcohol a partir de carbohidratos es industrialmente importante para la producción de bebidas alcohólicas como cerveza y vino.
- La fermentación alcohólica es el modo de respiración celular en levaduras y otros microorganismos.
- Sin embargo, la acumulación de grandes cantidades de alcohol puede ser perjudicial para algunos microorganismos.
¿Qué es la metanogénesis?
- La metanogénesis es una forma única de respiración anaeróbica que implica la descomposición de moléculas de carbohidratos en dióxido de carbono metano como subproductos.
- La mayoría de los organismos que respiran a través de la metanogénesis pertenecen al dominio Archea y viven en estrecha asociación con bacterias anaeróbicas.
- La metanogénesis es un proceso metabólico esencial en tales organismos, ya que es el paso final de la descomposición de la biomasa.
- Es un proceso anaeróbico y el aceptor de electrones terminal en la metanogénesis es un compuesto de carbono. Los aceptores de electrones comunes en la metanogénesis son el ácido acético o el dióxido de carbono.
- Además de ayudar en la descomposición de grandes moléculas orgánicas complejas, la metanogénesis también es importante para la descomposición de la materia orgánica.
- Durante las etapas avanzadas de la biodescomposición, todos los demás aceptores de electrones, excepto el dióxido de carbono, se agotan. En tal caso, la materia orgánica restante se degrada por metanogénesis donde el dióxido de carbono actúa como aceptor de electrones.
- La metanogénesis también la realizan algunas bacterias simbióticas que existen en el tracto digestivo de los rumiantes. Esto permite la digestión de materia orgánica que de otro modo no sería degradada por el ganado.
Productos de respiración celular
1. ATP
- El producto más importante de la respiración celular es el ATP o energía.
- Los ATP son moléculas portadoras que almacenan energía en forma de enlaces de fosfato que luego se liberan después de romper esos enlaces cuando es necesario.
- El ATP se convierte en ADP después de la liberación de energía. Las moléculas de ADP vuelven a ganar energía para formar moléculas de ATP.
- La capacidad de la molécula para romperse continuamente y formar enlaces de fosfato permite que una sola molécula de ATP se utilice varias veces para transportar energía de un lugar a otro.
- La eficiencia de la respiración celular está determinada por el número de moléculas de ATP producidas al final del proceso.
- En la respiración aeróbica, se forman un total de 36 ATP al final del proceso. El número es bastante bajo en el caso de la respiración anaeróbica.
2. Dióxido de carbono
- El dióxido de carbono es un producto universal de toda la respiración celular. Se considera un producto de desecho y, por lo tanto, se elimina de las celdas de alguna manera.
- La presencia de grandes cantidades de dióxido de carbono en la célula podría inducir toxicidad ya que aumenta el pH del citoplasma.
- En presencia de agua, el dióxido de carbono puede formar ácido carbónico, que puede ser tóxico para algunas células.
- La liberación de dióxido de carbono de la célula es principalmente un proceso activo y requiere cierta cantidad de energía.
3. Otros productos
- Además de ATP y dióxido de carbono, también se forman otros productos durante la respiración celular, que depende del tipo de respiración celular.
- En el caso de la fermentación o respiración anaeróbica, los productos comunes incluyen ácido acético, alcohol etílico, metano, ácido láctico, ácido propiónico, etc.
- Las moléculas de agua también se forman durante la respiración aeróbica después de la captura de electrones por las moléculas de oxígeno.
Propósito de la respiración celular
- El propósito más importante de la respiración celular es la producción de la energía requerida para diferentes propósitos en la célula.
- Los productos finales e intermedios de la respiración celular se pueden utilizar para la biosíntesis de diversas biomoléculas en el cuerpo.
- La respiración celular también es una parte esencial del ciclo del carbono que funciona como un sistema de gestión de residuos naturales.
- Los pasos involucrados en la respiración celular también son importantes para el metabolismo de otras biomoléculas como aminoácidos y ácidos grasos.
- Además, otros productos de la respiración celular tienen diferentes aplicaciones industriales.
- Los procesos de respiración anaeróbica como la fermentación alcohólica y la fermentación del ácido láctico son industrialmente importantes para producir diversos productos comerciales.
Dr. Martin Passen, a dedicated nutrition educator with a master’s in nutrition education and nearing completion of a clinical nutrition and dietetics master’s. Passionate about sharing valuable information effectively.