Respiración Celular

                        

PRIMERA ETAPA

RUTA METABÓLICA ANAERÓBICA (en ausencia de oxígeno):

La respiración anaeróbica es un proceso biológico de oxidorreducción de azúcares y otros compuestos. Este proceso metabólico es realizado por algunos grupos de bacterias y células eucariotas en ausencia de oxígeno.

La respiración anaeróbica no utiliza oxígeno, pero el sulfato realiza la misma función como otra sustancia oxidante. 

No hay que confundir la respiración anaeróbica con la fermentación, aunque estos dos tipos de metabolismo tienen en común el no ser dependiente del oxígeno.

Todos los posibles aceptores en la respiración anaeróbica tienen un potencial de reducción menor que el O2, por lo que se genera menor energía en el proceso.

Existen distintos aceptores de electrones distintos al oxígeno. algunos ejemplos de microorganismo realizan tales procesos. Las bacterias no poseen mitocondria como es el caso de los eucariotas que si tienen, pero el proceso respiratorio ocurre en la membrana de la bacteria. Existen muchas bacterias que realizan este metabolismo como Pseudomonas, Bacillus, Echirichia coli, etc. 

Ejemplos de aceptores finales de electrones distintos del oxígeno:

a) Nitrato
b) Sulfato
c) Azufre
d) Tiosulfato
e) CO2

Ejemplo: Muchas bacterias anaeróbicas contienen las enzimas nitrato-reductasas que catalizan la reducción de nitrato a nitrito​
NO−
3 + 2e− + 2H+ → NO−
2 + H
2O

No obstante, el producto resultante (nitrito) es muy tóxico por lo que algunas especies de Pseudomonas y Bacillus pueden reducir el nitrato más allá del nivel de nitrito, hasta nitrógeno molecular:

2NO–
3 + 10e− + 12H+ → N
2 + 6H
2O

El resultado final, nitrógeno, es un gas inerte y no tóxico. Este proceso se conoce como desnitrificación que, si se produce en el suelo  se considera perjudicial para la agricultura ya que ocasiona la pérdida de los nitratos, necesarios para el crecimiento de las plantas.

ETAPAS DE UN PROCESO METABÓLICO EN CONDICIONES ANAERÓBICA (sin oxígeno):
Importante recordar que estas rutas no son procesos respiratorios. 
* Glucólisis
* Fermentación

GLUCÓLISIS 

También denominado glicólisis, es la secuencia metabólica o ruta metabólica responsable de oxidar la glucosa con el fin de adquirir energía para la célula. 

La glucólisis está presente en todas las formas de vías actuales. Es la primera parte del metabolismo energético.

Es un proceso metabólico (catabólico) de transformación de la glucosa en 2 moléculas de ácido pirúvico, 2 ATP, 2 NADH y ocurre en la célula, específicamente en el citoplasma (citosol).

Es importante mencionar que la glucosa proviene de los alimentos y pasan por todo el sistema digestivo hasta el intestino delgado. La saliva en la boca posee enzimas como la amilasa, que empiezan a transformar los carbohidratos (polisacáridos) de los alimentos como el almidón, en carbohidratos más sencillos como disacáridos hasta obtener monosacáridos para ser absorbidos en el intestino delgado por las microvellosidades. La insulina que se produce en el páncreas pasa a la sangre para ser transportada junto con la glucosa hasta la célula facilitando su ingreso a la célula. La insulina permite la entrada de la glucosa en la célula, para luego iniciar el proceso de glucólisis. Para que inicie la glucólisis en el citoplasma (citosol) de la célula, se necesitan 2 ATP iniciales.

 La glucólisis consta de 2 etapas o fases (AUDESIRK, 2017):

a)    Inversión de energía. En esta etapa la glucólisis se utilizan dos moléculas de ATP para transformar la molécula de glucosa en 2 moléculas de Gliceraldehido 3 fosfato. Las dos moléculas de ATP aportan un fosfato a cada molécula de G3P.

b)    Cosecha de energía. Durante esta etapa, las moléculas de G3P continúa transformándose hasta producir 2 piruvatos (ácido pirúvico), formando en esta etapa 2 moléculas de NADH, 4 moléculas de ATP.

·         Es importante destacar que los dos ATP utilizados inicialmente en la inversión de energía se consideran y se restan de los 4 ATP que se obtienen en la cosecha de energía para determinar finalmente que se obtienen solo 2 ATP netos.

El ácido pirúvico puede pasar a dos vías. Una de ellas no necesita oxígeno llamada fermentación en el citosol y la otra vía es el ciclo de Krebs, que sus productos son utilizados posteriormente en la cadena transportadora de electrones en presencia de oxígeno en las mitocondrias.

IMPORTANCIA: Permite a los músculos esqueléticos realizar su contracción.

FERMENTACIÓN

Es un proceso catabólico de oxidación completa, siendo el producto final de un compuesto orgánico. La fermentación  típica es llevada a cabo por las levaduras y bacterias. También unos metazoos y plantas menores son capaces de producirla. Nuestras células musculares realizan fermentación en ausencia de oxígeno y por la falta de energía para que se logre obtener ATP por medio de la glucólisis.

El proceso de fermentación se produce en la ausencia de oxígeno como aceptor final de los electrones del NADH producido en la glucólisis.

En los seres vivos, la fermentación es un proceso anaeróbico y en el no interviene la cadena respiratoria que son propios del micro organismo como las bacterias y levaduras.

Además en la industria de la fermentación puede ser oxidativa, es decir como presencia de oxigeno, pero es una oxidación aeróbica incompleta, como la producción de ácido acético a partir del etanol.

La fermentación puede ser naturales cuando las condiciones ambientales permitan la interacción del microorganismo, sustratos orgánicos susceptibles, o artificiales, cuando el hombre propicia condiciones y en contacto referido.

USOS:

• El conocimiento de la dieta a través del desarrollo de una diversidad de sabores, aromas y texturas en los substratos de los alimentos.

• Preservación de cantidades substanciales de alimentos a través del ácido lácteo, alcohólico, ácido acético y fermentación alcalinas.

TIPOS DE FERMENTACIÓN:

Fermentación acética: es la fermentación bacteriana por Acetobacter, un género de bacterias aeróbicas, que transforma el alcohol etílico en ácido acético, la sustancia característica del vinagre (producción del vinagre).  La fermentación acética del vino proporciona el vinagre debido a un exceso de oxígeno y es uno de los fallos del vino, un proceso que degrada sus cualidades.

Fermentación alcohólica: es un proceso biológico de fermentación en plena ausencia de aire (oxígeno "O₂"), originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono (azúcares) para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol (cuya fórmula química es: CH₃-CH₂-OH), dióxido de carbono (CO₂) en forma de gas.

                                   

Fermentación láctica: es una ruta metabólica anaeróbica que ocurre en el citosol de la célula, en la cual se oxida parcialmente la glucosa para obtener energía y donde el producto de desecho es ácido láctico.

  
 La fermentación láctica ocurre en el músculo y se observa lo siguiente:

Otros tipos de Fermentación

Fermentación de la Glicerina

Fermentación Butírica

TRANSFORMACIÓN Y RECICLAJE DEL ÁCIDO LÁCTICO EN EL HÍGADO

Observe algo curioso. Sabemos que el proceso de fermentación láctica ocurre en el músculo y la acumulación de ácido láctico produce dolor muscular cuando realizamos actividades física vigorosa. Al día siguiente aparecen las molestias, pero con los días desaparece este dolor. Las imágenes muestran como el cuerpo metaboliza el ácido láctico en el hígado, para luego reciclarlo y transformarlo en glucosa para continuar nuevamente en otro proceso glucolítico.

RESUMEN:
CUANDO NO HAY OXÍGENO

Si no hay oxígeno, la degradación que ocurrió de la glucosa pasa a un proceso llamado fermentación, que no genera energía química adicional. Durante la fermentación, el piruvato no entra en la mitocondria y permanece en el citosol conviertiendo piruvato a lactato, como por ejemplo en el músculo, formando ácido láctico. También puede el piruvato metabolizarse en etanol y Dióxido de carbono (CO₂), como por ejemplo en las bacterias y levaduras.

·         Por cada molécula de glucosa que ingresa a la célula durante la glucólisis se forman: 2 piruvatos.

·         Cuando ocurre la glucólisis se obtienen 2 moléculas de ATP Neto (finales).

·         El piruvato puede tomar la vía en ausencia de oxígeno o presencia de oxígeno.

·         Un piruvato utiliza un NADH durante la fermentación para transformar el piruvato.    El piruvato se transforma en etanol y dióxido de carbono en fermentación alcohólica. El piruvato se transforma en ácido láctico o lactato durante la fermentación láctica.     Al final por dos moléculas de piruvato utilizan dos NADH durante la fermentación (la imagen muestra el proceso). 

Durante la fermentación No se forman ATP. Solo se forma ATP en la glucólisis.

Observe en la imagen de la célula como ingresa la glucosa y recorre solo la ruta metabólica anaeróbica hasta la fermentación. Se puede observar a NADH dejar al hidrógeno y retornar al proceso de glucólisis como NAD+. Ocurre un ciclo anaeróbico y permite producir los dos ATP finales de la glucólisis.

 

SEGUNDA ETAPA

RESPIRACIÓN AERÓBICA (Ruta metabólica en presencia de oxígeno):

Es un tipo de metabolismo energético en el que los seres vivos extraen energía de moléculas orgánicas como la glucosa, por un proceso complejo en donde el carbono queda oxidado y en el que el aire es el oxidante empleado. La respiración aeróbica ocurre en las mitocondrias. Organelo responsable de la producción de la mayoría de las moléculas de ATP, por medio de la cadena transportadora de electrones presentes en la membrana mitocondrial de las crestas (Membranas internas).

La respiración aeróbica es propia de los organismos eucariontes en general y de algunos tipos de bacterias.

·         La sucesión de reacciones químicas que ocurren dentro de las células mediante las cuales se realiza la descomposición final de las moléculas en los alimentos y en la que se produce CO2 y H2O.

·         Se realiza solo en presencia de oxígeno. Consiste en la degradación de los piruvatos obteniendo 2 ATP producidos durante la glucolisis hasta CO2 y H2O. Debido a las dos moléculas de piruvato obtenidos en la glucólisis se producen 2 ATP y en la cadena transportadora de electrones obtenemos de 32 o 34 ATP. Al final podemos obtener de 36 o 38 ATP dependiendo en donde ocurre la respiración aeróbica.

El siguiente cuadro resumen la cantidad de ATP obtenido a partir de una molécula de glucosa. 

Proceso	Lugar en donde ocurre	Cantidad de ATP obtenido
Glucólisis	Citoplasma (Citosol)	2 ATP
Ciclo de Krebs	Matriz mitocondrial	2 ATP
Cadena Transportadora de Electrones (CTE)	Crestas Mitocondriales	32 o 34 ATP *
*Obtención de energía a partir de la descomposición de la glucosa: La descomposición libera 36 o 38 ATP, debido a que la glucólisis produce 2 moléculas de NADH en el citosol. Los electrones de estas moléculas de NADH deben ser transportados a la matriz mitocondrial antes de que se incorporen a la cadena de transporte de electrones. En la mayoría de las células eucariotas, la energía de una molécula de ATP se utiliza para transportar los electrones de cada molécula de NADH al interior de la matriz. Por consiguiente, las 2 moléculas  de NADH glucolítico producen sólo dos moléculas de ATP, en vez de tres habituales, durante el transporte de electrones. Sin embargo, las células cardíacas y hepáticas de los mamíferos utilizan un mecanismo diferente de transporte, que no consume ATP para el transporte de electrones. En estas células las 2 moléculas de NADH generadas durante la glucólisis producen tres ATP cada una, al igual que las moléculas mitocondriales NADH.
Respiración celular       (Resumen)	Célula	Total de ATP= 36 o 38

IMPORTANCIA:

Participa en la respiración celular formando ATP.

RESUMEN
CUANDO HAY OXÍGENO

La respiración se realiza con la intervención del oxígeno y recibe el nombre de respiración aeróbica y se realiza en estructuras especiales de las células (organelas) llamadas mitocondrias.

Tanto que es una parte del metabolismo, concretamente del catabolismo, en el cual la energía contenida en distintas biomoléculas, como los glúcidos (azúcares, carbohidratos), es liberado de manera controlada.
Si hay oxígeno, la segunda fase o etapa de la degradación de la glucosa continúa el proceso llamado respiración celular aeróbica. Las dos moléculas de piruvato producidas por el proceso de glucólisis ocurrido inicialmente, se degradan en seis moléculas de Dióxido de carbono (CO₂)  seis de agua (H₂O).  
Se usa oxígeno (O₂) en la última etapa de la respiración celular que produce 34 o 36 moléculas de ATP totales por cada dos moléculas de piruvato que entran a las mitocondrias, en donde obtenemos 2 ATP en el Ciclo de Krebs y 32 o 34 ATP en la cadena transportadora de electrones en las crestas mitocondriales. En las células eucariotas, las reacciones de respiración celular ocurren en las mitocondrias.

REACCIONES AERÓBICAS.

·         Las reacciones aeróbicas ocurre en la mitocondria y son:

1.      Formación del acetilo

2.     Transferencia del acetilo de actividades en la matriz

3.     Ciclo de Krebs

4.  Cadena respiratoria

5.    Transporte de electrones

6.     Fosforilación oxidativa (actividad de crestas)

LA MITOCONDRIA Y SUS PROCESOS METABÓLICOS EN LA CÉLULA 

Importante: son 36 ATP en las mitocondrias de nuestras células excepto en las células del tejido del corazón y las células hepáticas (células de los tejidos del hígado).       

EN PRESENCIA DE OXÍGENO

    La ruta metabólica de una molécula de piruvato al ingresar en el ciclo de Krebs o de ácidos tricarboxílicos se produce un ATP por cada molécula de piruvato que ingrese en donde se transforma en Acetil coenzima A (Acetil CoA). Debido a que la transformación de la glucosa produce dos piruvatos, entonces al final se forman dos ATP, por cada molécula de glucosa degradada o transformada.

     Los electrones que pasaron a la cadena transportadora de electrones en la membrana interna mitocondrial durante todo el proceso metabólico de la glucolisis y ciclo de Krebs, generan una fuerza llamada quimiósmosis como resultado de un gradiente de concentración con los protones de Hidrógeno en. Este gradiente formará de 32 o 34 ATP cuando pasan por el ATP sintetasa, en el proceso llamado fosforilación oxidativa.

     

      

   El oxígeno ingresa a la mitocondria y se dirige a la CTE o cadena transportadora de electrones en donde son utilizados por el oxígeno para unirse a los hidrógenos presentes en su alrededor para formar agua. El oxígeno actúa como aceptor final de electrones creando una corriente de electrones en la CTE para que continúen circulando para que puedan crear la fuerza necesaria (quimiosmosis) para producir los 32 o 34 ATP necesarios para realizar las funciones vitales de las células.

IMPORTANCIA METABÓLICA:

- Crecimiento

- Transporte activo de sustancias energéticas

- Movimiento

- Regeneración de células

- Síntesis de proteínas

- División de células



FOTOSÍNTESIS

PROCESO FOTOSINTÉTICO

Resumen
          

PROCESO FOTOSINTÉTICO
Fotosíntesis		Fase	Lugar en donde ocurre		Moléculas que Intervienen	Producto Final
		Lumínica	Ocurre en las membranas de las TILACOIDES, presentes en los cloroplastos.		Fotosistema II Utiliza Luz para crear un gradiente de Iones de H+ a partir del H2O. Los electrones viajan a través de la membrana de las tilacoides ADP	2H+ O2 (sub-producto) Síntesis de ATP
					Fotosistema I NADP+  2H+	NADPH
		Ciclo de Calvin	Ocurre en el ESTROMA de los cloroplastos. (Ciclo de Calvin)		3 CO2 (*) 9 ATP (*) 6 NADPH (*)	(G3P) (*) Gliceraldehido 3 fosfato 9 ADP (*) 6 NAP+  (*)
· El ciclo de Calvin fija el carbono del CO2 y produce 2 moléculas de G3P para obtener GLUCOSA. Para que se forme una molécula de Glucosa, deben ocurrir un ciclo 1/2 consecutivos para que se acumulen dos moléculas de G3P que formarán el carbohidrato mencionado. Es importante resaltar, que al ocurrir este proceso también se utilizarán el doble de ATP, es decir, 15 ATP. También se duplicaron la cantidad de NADPH a 12 y CO2 a 6.
Fotosíntesis	Ocurre en los cloroplastos de las células Fotoautótrofas (Plantas, algas y algunas  bacterias)			Total de moléculas formadas a partir de 2 ciclos de Calvin ₌ 1 molécula de Glucosa (C6H12O6)



La fotosíntesis es la conversión de materia inorgánica en materia orgánica gracias a la energía que aporta la luz. En este proceso la energía luminosa se transforma en energía química estable, siendo el adenosín trifosfato (ATP) la primera molécula en la que queda almacenada esa energía química. Luego en una segunda fase pasa a la molécula de glucosa. Molécula de gran energía acumulada.

El proceso inicia con el ingreso al organismo de Luz (fase lumínica), agua y dióxido de carbono.



a) El ingreso de la energía lumínica al centro ce reacción permite que se active un mecanismo, en donde la luz produce la ruptura de  los enlaces de la molécula de agua, generando un gradiente de concentración de protones de hidrógeno en las membranas tilacoidales y obteniendo como sub-producto oxígeno, que saldrá de la célula al ambiente o ser utilizado por la célula para la respiración celular. También se produce ATP para ser utilizado luego en el Ciclo de Calvin de la fase oscura. Todo esto ocurre en las tilacoides  de los cloroplastos en el fotosistema II.

b) El fotosistema I utiliza una molécula portadora de energía NADP+ para cargarse de electrones de H para ser utilizado también en la fase oscura (ciclo de Calvin), para formar glucosa. Ambos fotosistemas se realizan en la fase lumínica de la fotosíntesis.

c) La última etapa de la fotosíntesis se conoce como fase oscura, en donde se fija 3 moléculas de dióxido de carbono en el ciclo de Calvin con Ribulosa bifosfato (RuBP) por medio de una enzima llamada rubisco, para formar ácido fosfoglicérico (PGA), luego a esta molécula se ingresa 6 moléculas de ATP y 6 de NADPH para formar gliceraldehido 3 fosfato (G3P), que por  acumulación en un ciclo y medio, se formará o sintetizará glucosa (C₆H₁₂O₆)

  

La fotosíntesis es el proceso por el cual las plantas, algas y algunas bacterias transforman la energía del Sol en energía química.

 En el proceso de fotosíntesis intervienen los siguientes factores: la luz, clorofila, cloroplastos, agua y dióxido de carbono.

         Los cloroplastos están formados por una región externa, formada por doble membrana y otra región interna, que presenta una matriz líquida llamada estroma, donde se localizan las tilacoides.               Las moléculas del agua, en la fotosíntesis, son fuente de electrones, protones y del    oxígeno que se libera en el ambiente; el dióxido de carbono es la fuente de carbono para la formación de glucosa. La fijación del dióxido de carbono no quiere la presencia de luz.

Durante la fotosíntesis se presentan dos fases:

a) Fase luminosa que se realiza en la grana en donde están las Tilacoides en los cloroplastos y requiere luz, para iniciar el proceso fotosintético. 

Fotosistema I y II son los sitios en donde se inicia la fases luminosa de la fotosíntesis.

           En las reacciones no cíclicas del fotosistema II se produce el ATP, en el fotosistema I, la energía del electrón se utiliza para reducir el NADP a NADPH.

        

b) Ciclo de Calvin puede ocurrir en presencia de luz o no y se lleva a cabo en el estroma.



            En esta fase ocurre el Ciclo de Calvin, en donde se fija el carbono del Dióxido de Carbono para formar la Glucosa.

            El proceso fundamental de la fase oscura es la fijación del C a partir del CO_2, formándose primero glúcidos sencillos de los que derivarán el resto de compuestos orgánicos. Este proceso ocurre en la mayoría de las plantas a través de una secuencia cíclica de reacciones conocida como ciclo de Calvin o ciclo C₃.

          El ciclo se inicia a partir de un enzima de elevado peso molecular, la ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa (RuBisCo), enzima más abundante en la biosfera), que cataliza la incorporación al ciclo del CO₂ atmosférico, o del agua si se trata de plantas acuáticas.

Se distinguen tres etapas en el ciclo de Calvin:

 

1.    Carboxilación o Fijación del carbono:  mediante el enzima Rubisco, el CO₂ se fija a un azúcar preexistente, la ribulosa-1,5-difosfato, formándose un compuesto muy inestable de seis carbonos que se rompe inmediatamente en dos moléculas de 3-fosfoglicerato. En el ciclo de Calvin se usa la enzima rubisco para combinar una molécula de CO₂ con una RuBP. Como la fijación de carbono genera esta molécula de PGA con tres carbonos, el ciclo de Calvin es conocido también como ruta C₃.

      2.    Reducción o Síntesis de G3P: en una serie de reacciones catalizadas por enzimas, el 3-fosfoglicerato se reduce a gliceraldehido-3-fosfato consumiéndose el NADPH y el ATP que se obtuvieron en la fase luminosa.

       3.   Recuperación o Regeneración del RuBP: Una serie de reacciones catalizadas por enzimas que requieren de ATP de las reacciones luminosas, se usan 5 de las 6 moléculas de G3P para regenerar el RuBP, es decir, de cada seis moléculas de gliceraldehido-3-fosfato que se forman, una se considera el rendimiento neto de la fotosíntesis. Las otras cinco sufren una serie de transformaciones consecutivas en las que también se consume ATP, para regenerar la ribulosa 1,5-bifosfato, con la que se cierra el ciclo.

Los cloroplastos:

                          
Son organelos de doble membrana, presentes únicamente en las células vegetales y en protistas fotosintéticos (algas), los cuales almacenan el pigmento verde llamado clorofila que capta la luz solar. Los cloroplastos están constituidos de una membrana externa que delimita al organelo del citoplasma y rodea al estroma dentro del cual se encuentran sacos membranosos llamados tilacoides, que forman la membrana interna; éstos se apilan formando estructuras llamadas granas.

Pigmentos fotosintéticos:

Cromatografía. Medinate este proceso se obtienen los pigmentos fotosíntéticos de una planta.