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Respiración aeróbica

Definición

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

Todas las células utilizan la respiración para convertir el combustible en energía que se puede utilizar 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 reacciones químicas. A menudo se le conoce como 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 involucradas en la generación de ATP.

Respiración aeróbica
Una descripción general de las etapas de la respiración aeróbica.

Aeróbico vs anaeróbico

Similitudes

Tanto la respiración aeróbica como la anaeróbica son métodos para generar energía. Ambos también comienzan de la misma manera, con el proceso de glucólisis. «Glucólisis» significa literalmente «división del azúcar» e implica romper una molécula de azúcar en dos moléculas más pequeñas.

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

En las células que tienen oxígeno y la respiración aeróbica puede continuar, 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, diferentes químicas respiratorias pueden tomar diferentes caminos:

  • Las células que utilizan 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 se ven privadas de oxígeno pero que normalmente no utilizan la respiración anaeróbica, como nuestras propias células musculares, pueden dejar los productos finales de la glucólisis por ahí, obteniendo solo dos ATP por molécula de azúcar que dividen. Este es un método ineficaz para obtener energía mediante la 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 oxígeno para la respiración, pero pasan a un tren de transporte de electrones, pueden utilizar un aceptor de electrones diferente, como sulfato o 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 se hacen las bebidas alcohólicas y el pan.

La respiración aeróbica, por otro lado, envía el piruvato sobrante de la glucólisis por una ruta química muy diferente, cuyos pasos se describen en detalle a continuación.

Pasos de la respiración aeróbica

Ecuación general

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

1 glucosa + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O + 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 se pueden dividir en cuatro etapas, que se describen a continuación.

Glucólisis

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:

6 H 12 O 6 + 2 ADP + 2 PI + 2 NAD + → 2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + 2 H 2 O

Este proceso reduce el cofactor NAD + a NADH. Esto es importante, como más tarde en el proceso de la respiración celular, NADH se encenderá la formación de mucho más ATP a través de las mitocondrias de la cadena de transporte de electrones.

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

Descarboxilación oxidativa de piruvato

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

La descarboxilación oxidativa, a veces denominada reacción de enlace o reacción 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 la acetil-CoA es un combustible ideal para el ciclo del ácido cítrico, que a su vez puede impulsar el proceso de fosforilación oxidativa en las mitocondrias, que produce grandes cantidades de ATP.

También se crea más NADH en esta reacción. Esto significa más combustible para crear más ATP más adelante en el proceso de respiración celular.

Ciclo del ácido cítrico

Ciclo del ácido cítrico
Los pasos del ciclo del ácido cítrico ( ciclo de Krebs )

El ciclo del ácido cítrico, también llamado ciclo del ácido tricarboxílico o ciclo de Krebs, es una serie de reacciones redox que comienzan con 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 general es la siguiente:

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

La reacción ocurre dos veces para cada molécula de glucosa, ya que hay dos piruvatos y, por lo tanto, se generan dos moléculas de Acetil CoA para ingresar al ciclo del ácido cítrico.

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

En resumen, para 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 de suministro de energía primaria de la respiración aeróbica. Utiliza las membranas plegadas dentro de las mitocondrias de la célula para producir grandes cantidades de ATP.

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

En este proceso, NADH y FADH 2 donan los electrones que obtuvieron de la glucosa durante los pasos previos de la respiración celular a la cadena de transporte de electrones en la membrana de la mitocondria.

La cadena de transporte de electrones consta de varios complejos de proteínas que están incrustados en la membrana mitocondrial, incluidos el complejo I, Q, el complejo III, el citocromo C y el complejo IV.

Todos estos, en última instancia, sirven para pasar electrones de niveles de energía más altos a más bajos, recolectando la energía liberada en el proceso. Esta energía se utiliza para impulsar 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 se puede utilizar para impulsar otros procesos.

Los protones que se transportan a través de la membrana utilizando la energía recolectada de NADH y FADH 2 “quieren” pasar a través de las proteínas del canal desde su área de alta concentración a su área de baja concentración.

Específicamente, las proteínas del canal son síntesis de ATP, que son enzimas que producen ATP. Cuando los protones atraviesan la ATP sintasa, impulsan la formación de ATP.

Este proceso es la razón por la que las mitocondrias se conocen como «las centrales eléctricas de la célula». La cadena de transporte de electrones de la mitocondria hace que casi el 90% de todo el ATP producido por la célula se descomponga en los alimentos.

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

Fosforilación oxidativa
El proceso de fosforilación oxidativa.

Respiración aeróbica y pérdida de peso

La respiración aeróbica es el proceso mediante el cual muchas células, incluida la nuestra, producen energía utilizando alimentos y oxígeno. También da lugar al dióxido de carbono, del que nuestros cuerpos deben deshacerse.

La respiración aeróbica es la razón por la que necesitamos tanto comida como oxígeno, ya que ambos son necesarios para producir el ATP que permite que nuestras células funcionen. Inhalamos O 2 y exhalamos la misma cantidad de moléculas de CO 2 . ¿De dónde vino el átomo de carbono? Proviene de los alimentos, como el azúcar y la grasa, que ha ingerido.

Esta es también la razón por la que respira más fuerte y más rápido mientras realiza actividades para quemar calorías. Su cuerpo está usando tanto oxígeno como azúcar a un ritmo más rápido de lo normal y está produciendo más ATP para alimentar sus células, junto con más residuos de CO 2 .

Aunque nuestras células normalmente usan oxígeno para la respiración, cuando usamos ATP más rápido de lo que llevamos moléculas de oxígeno a nuestras células, nuestras células pueden realizar respiración anaeróbica para satisfacer sus necesidades durante unos minutos.

Dato curioso: ¡La acumulación de lactato a partir de la respiración anaeróbica es una de las razones por las que los músculos pueden sentirse adoloridos después de un ejercicio intenso!

Ejercicio intenso
La acumulación de ácido láctico a partir de la respiración anaeróbica puede causar dolor después de 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 de soporte vital, como el crecimiento, la reparación y el mantenimiento. Por ejemplo, el ATP potencia la acción de la bomba de sodio-potasio, que nos permite movernos, pensar y percibir el mundo que nos rodea. ¡El ATP potencia las acciones de muchas enzimas y las acciones de muchas otras proteínas que sostienen la vida!

Descubre además todo sobre la respiración celular aquí.

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