Respiración aeróbica

Definición

La respiración aeróbica es el proceso por el cual los organismos utilizan el oxígeno para convertir el combustible, como las grasas y los azúcares, en energía química. Por el contrario, la respiración anaeróbica no utiliza oxígeno.

La respiración es utilizada por todas las células para convertir el combustible en energía que puede ser utilizada para impulsar los procesos celulares. El producto de la respiración es una molécula llamada trifosfato de adenosina (ATP), que utiliza la energía almacenada en sus enlaces de fosfato para impulsar las reacciones químicas. A menudo se le llama la «moneda» de la célula.

La respiración aeróbica es mucho más eficiente y produce ATP mucho más rápidamente que la respiración anaeróbica. Esto se debe a que el oxígeno es un excelente aceptor de electrones para las reacciones químicas implicadas en la generación de ATP.

Aeróbica vs Anaeróbica

Similitudes

Tanto la respiración aeróbica como la anaeróbica son métodos de generación de energía. También ambos comienzan de la misma manera, con el proceso de la glucólisis. «Glucólisis» significa literalmente «división del azúcar», y consiste en romper una molécula de azúcar en dos moléculas más pequeñas.

En el proceso de la glucólisis, se consumen dos moléculas de ATP y se producen cuatro. Esto resulta en una ganancia neta de dos moléculas de ATP producidas por cada molécula de azúcar descompuesta a través de la glucólisis. Aquí es donde terminan las similitudes entre la respiración aeróbica y la anaeróbica.

En las células que tienen oxígeno y la respiración aeróbica puede proceder, una molécula de azúcar se descompone en dos moléculas de piruvato. En las células que no tienen oxígeno, la molécula de azúcar se descompone en otras formas, como el lactato.

Diferencias

Después de la glucólisis, las diferentes químicas de la respiración pueden tomar algunos caminos diferentes:

• Las células que utilizan la respiración aeróbica continúan su cadena de transferencia de electrones en un proceso altamente eficiente que termina produciendo 38 moléculas de ATP de cada molécula de azúcar.
• Las células que están privadas de oxígeno pero que no utilizan normalmente la respiración anaeróbica, como nuestras propias células musculares, pueden dejar los productos finales de la glucólisis en reposo, obteniendo sólo dos ATP por cada molécula de azúcar que dividen. Este es un método ineficiente de obtener energía por respiración.
• Las células que están hechas para la respiración anaeróbica, como muchos tipos de bacterias, pueden continuar la cadena de transferencia de electrones para extraer más energía de los productos finales de la glucólisis.

Después de la glucólisis, las células que no utilizan el oxígeno para la respiración, sino que proceden a un tren de transporte de electrones pueden utilizar un aceptor de electrones diferente, como el sulfato o el nitrato, para impulsar su reacción.

Estos procesos representan un tipo de respiración anaeróbica llamada «fermentación». Algunos tipos de reacciones de fermentación producen alcohol y dióxido de carbono. Así es como se hacen las bebidas alcohólicas y el pan.

La respiración aeróbica, por otro lado, envía el piruvato sobrante de la glucólisis por un camino químico muy diferente, cuyos pasos se discuten en detalle a continuación.

Pasos de la respiración aeróbica

Ecuación general

La ecuación de la respiración aeróbica describe los reactivos y productos de todos sus pasos, incluyendo la glucólisis. Esa ecuación es:

1 glucosa + 6 O2 → 6 CO2+ 6 H2O + 38 ATP

En resumen, 1 molécula de glucosa de seis carbonos y 6 moléculas de oxígeno se convierten en 6 moléculas de dióxido de carbono, 6 moléculas de agua y 38 moléculas de ATP. Las reacciones de la respiración aeróbica pueden dividirse en cuatro etapas, que se describen a continuación.

Glicólisis

La glucólisis es la primera etapa de la respiración aeróbica y ocurre en el citoplasma de la célula. Implica la división de 1 molécula de azúcar de seis carbonos en 2 moléculas de piruvato de tres carbonos. Este proceso crea dos moléculas de ATP.

La ecuación general es la siguiente:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 PI + 2 NAD+ → 2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

Este proceso reduce el cofactor NAD+ a NADH. Esto es importante, ya que más adelante en el proceso de respiración celular, el NADH impulsará la formación de mucho más ATP a través de la cadena de transporte de electrones de la mitocondria.

En la siguiente etapa, el piruvato se procesa para convertirlo en combustible para el ciclo del ácido cítrico, utilizando el proceso de descarboxilación oxidativa.

Descarboxilación oxidativa del piruvato

2 (Piruvato- + Coenzima A + NAD+ → Acetil CoA + CO2 + NADH)

La descarboxilación oxidativa, a veces denominada reacción de enlace o de transición, es el enlace entre la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico. El piruvato se transfiere a la matriz mitocondrial a través de una proteína conocida como piruvato translocasa. Aquí, el piruvato se combina con la coenzima A para liberar una molécula de dióxido de carbono y formar acetil-CoA.

Esta reacción de transición es importante porque el acetil-CoA es un combustible ideal para el ciclo del ácido cítrico, que a su vez puede alimentar el proceso de fosforilación oxidativa en la mitocondria, que produce enormes cantidades de ATP.

En esta reacción también se crea más NADH. Esto significa más combustible para crear más ATP posteriormente en el proceso de respiración celular.

Ciclo del ácido cítrico

El ciclo del ácido cítrico, también llamado ciclo del ácido tricarboxílico o ciclo de Krebs, es una serie de reacciones redox que comienza con el Acetil CoA. Estas reacciones tienen lugar en la matriz de las mitocondrias de las células eucariotas. En las células procariotas, tiene lugar en el citoplasma. La reacción global es la siguiente:

2 (ACETIL COA + 3 NAD+ + FAD + ADP + PI → CO2 + 3 NADH + FADH2 + ATP + H+ + COENZIMA A)

La reacción se produce dos veces por cada molécula de glucosa, ya que hay dos piruvatos y por tanto dos moléculas de Acetil CoA generadas para entrar en el ciclo del ácido cítrico.

Se crean tanto NADH como FADH2 – otro portador de electrones para la cadena de transporte de electrones. Todo el NADH y el FADH2 creados en los pasos anteriores entran ahora en juego en el proceso de fosforilación oxidativa.

En resumen, por cada ronda del ciclo, dos carbonos entran en la reacción en forma de Acetil CoA. Estos producen dos moléculas de dióxido de carbono. Las reacciones generan tres moléculas de NADH y una molécula de FADH. Se produce una molécula de ATP.

Fosforilación oxidativa

La fosforilación oxidativa es la etapa primaria de provisión de energía de la respiración aeróbica. Utiliza las membranas plegadas dentro de las mitocondrias de la célula para producir enormes cantidades de ATP.

34 (ADP + PI+ NADH + 1/2 O2 + 2H+ → ATP + NAD+ + 2 H2O)

En este proceso, el NADH y el FADH2 donan los electrones que obtuvieron de la glucosa durante los pasos anteriores de la respiración celular a la cadena de transporte de electrones en la membrana de la mitocondria.

La cadena de transporte de electrones está formada por una serie de complejos proteicos que están incrustados en la membrana mitocondrial, entre los que se encuentran el complejo I, el Q, el complejo III, el citocromo C y el complejo IV.

Todos ellos sirven, en última instancia, para pasar los electrones de los niveles de energía más altos a los más bajos, cosechando la energía liberada en el proceso. Esta energía se utiliza para alimentar las bombas de protones, que impulsan la formación de ATP.

Al igual que la bomba de sodio-potasio de la membrana celular, las bombas de protones de la membrana mitocondrial se utilizan para generar un gradiente de concentración que puede utilizarse para alimentar otros procesos.

Los protones que se transportan a través de la membrana utilizando la energía cosechada del NADH y el FADH2 «quieren» pasar a través de las proteínas de canal desde su zona de alta concentración hasta su zona de baja concentración.

Específicamente, las proteínas de canal son sintetizadores de ATP, que son enzimas que fabrican ATP. Cuando los protones pasan a través de la ATP sintasa, impulsan la formación de ATP.

Este proceso es la razón por la que se hace referencia a las mitocondrias como «las centrales eléctricas de la célula». La cadena de transporte de electrones de la mitocondria fabrica casi el 90% de todo el ATP que produce la célula a partir de la descomposición de los alimentos.

Este es también el paso que requiere oxígeno. Sin moléculas de oxígeno que acepten los electrones agotados al final de la cadena de transporte de electrones, éstos retrocederían y el proceso de creación de ATP no podría continuar.

Respiración aeróbica y pérdida de peso

La respiración aeróbica es el proceso por el que muchas células, incluida la nuestra, producen energía utilizando alimentos y oxígeno. También da lugar a dióxido de carbono, del que nuestro cuerpo debe deshacerse.

La respiración aeróbica es la razón por la que necesitamos tanto alimentos como oxígeno, ya que ambos son necesarios para producir el ATP que permite a nuestras células funcionar. Inhalamos O2 y exhalamos el mismo número de moléculas de CO2. ¿De dónde viene el átomo de carbono? Viene de los alimentos, como el azúcar y la grasa, que has ingerido.

Esta es también la razón por la que respiras más fuerte y más rápido mientras realizas actividades para quemar calorías. Su cuerpo está utilizando tanto el oxígeno como el azúcar a un ritmo más rápido de lo normal y está produciendo más ATP para alimentar sus células, junto con más producto de desecho de CO2.

Aunque nuestras células normalmente utilizan el oxígeno para la respiración, cuando utilizamos el ATP más rápido de lo que estamos recibiendo las moléculas de oxígeno a nuestras células, nuestras células pueden realizar la respiración anaeróbica para suplir sus necesidades durante unos minutos.

Dato curioso: la acumulación de lactato procedente de la respiración anaeróbica es una de las razones por las que los músculos pueden sentirse doloridos tras un ejercicio intenso

Función de la respiración aeróbica

La respiración aeróbica proporciona energía para alimentar todos los procesos celulares. Las reacciones producen ATP, que luego se utiliza para impulsar otras funciones que mantienen la vida, como el crecimiento, la reparación y el mantenimiento. Por ejemplo, el ATP impulsa la acción de la bomba de sodio-potasio, que nos permite movernos, pensar y percibir el mundo que nos rodea. El ATP impulsa la acción de muchas enzimas y de otras innumerables proteínas que mantienen la vida.

Cuestionario

Bibliografía