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