RESPIRACION CELULAR

 La respiración celular aerobia es el proceso que transforma la energía química de los alimentos en ATP en presencia de oxígeno. El oxígeno recibe electrones al final de una cadena de reacciones químicas, generando agua, dióxido de carbono y energía, además, en la respiración aeróbica se produce más energía en comparación con la respiración anaeróbica; sin embargo, tiene más pasos químicos, por lo que toma más tiempo realizarla, la respiración aeróbica es caract erística de las células eucariotas cuando tienen suficiente oxígeno, y la mayor parte tiene lugar en las mitocondrias, en si la respiración aerobia el el tipo de algunos micro-organismos que tienen la capacidad de vivir y desarrollar el oxígeno libre

Las reacciones que extraen energía de moléculas como la glucosa se llaman reacciones catabólicas. Eso significa que una molécula grande se rompe en moléculas más pequeñas. Por ejemplo, cuando la glucosa se fragmenta en presencia de oxígeno, se obtienen seis moléculas de dióxido de carbono y seis moléculas de agua. La reacción general de este proceso se puede escribir de la siguiente forma:

${\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6$start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript + $6{\text{O}}_2$6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript $\to$right arrow $6{\text{CO}}_2$6, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript + $6{\text{H}}_2\text{O}$6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text $\mathrm{\Delta }�=-686\text{kcal/mol}$delta, G, equals, minus, 686, start text, k, c, a, l, slash, m, o, l, end text

En una célula, esta reacción general se divide en muchos pasos más pequeños. La energía contenida en los enlaces de la glucosa se libera en pequeñas ráfagas y parte de la misma se captura en forma de adenosín trifosfato (ATP), una pequeña molécula que impulsa las reacciones dentro de la célula. Gran parte de la energía de la glucosa se disipa como calor, pero se captura suficiente para mantener el metabolismo de la célula en marcha.

Estructura del ATP.

_Imagen modificada de "ATP: Trifosfato de adenosina: Figura 1," de OpenStax College, Biology, CC BY 4.0._

Conforme una molécula de glucosa se descompone poco a poco, algunos de los pasos de degradación liberan energía que se captura directamente como ATP. En estos pasos, se transfiere un grupo fosfato de un intermediario de la vía a ADP en un proceso conocido como fosforilación a nivel de sustrato.

Sin embargo, muchos otros pasos producen ATP de manera indirecta. En estos pasos, los electrones de la glucosa se transfieren a pequeñas moléculas conocidas como acarreadores de electrones. Los acarreadores de electrones transportan a los electrones hacia un grupo de proteínas que se encuentra en la membrana interior de la mitocondria, llamada cadena de transporte de electrones. Al moverse a través de la cadena de transporte de electrones, estos se desplazan de niveles de energía más altos a niveles más bajos y al final se transfieren al oxígeno (y se forma agua).

Cuando un electrón pasa por la cadena de transporte de electrones, la energía que libera se utiliza para bombear protones (${\text{H}}^{+}$start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript) hacia el exterior de la matriz mitocondrial para formar un gradiente electroquímico. Cuando los ${\text{H}}^{+}$start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript fluyen por su gradiente, pasan a través de una enzima llamada ATP sintasa y proporcionan energía para la síntesis de ATP. Este proceso se conoce como fosforilación oxidativa. El siguiente diagrama muestra ejemplos de fosforilación oxidativa y a nivel de sustrato.

Los acarreadores de electrones, también llamados portadores de electrones, son pequeñas moléculas orgánicas que desempeñan un papel clave en la respiración celular. Su nombre es una buena descripción de su trabajo: recogen electrones de una molécula y los llevan a otra. En el diagrama anterior puedes ver que un acarreador de electrones traslada electrones de las reacciones de degradación de la glucosa a la cadena de transporte de electrones.

Hay dos tipos de acarreadores de electrones que son particularmente importantes en la respiración celular: NAD${}^{+}$start superscript, plus, end superscript (nicotinamida adenina dinucleótido, mostrado a continuación) y FAD (flavina adenina dinucleótido).

Estructuras químicas del NAD+ y del NADH. El NADH tiene un hidrógeno unido a un anillo nitrogenado, mientras que en el NAD+ ese mismo anillo carece de dicho hidrógeno y tiene una carga positiva.

Cuando NAD${}^{+}$start superscript, plus, end superscript y FAD recolectan electrones, también ganan uno o más átomos de hidrógeno y cambian a una forma ligeramente diferente:

${\text{NAD}}^{+}$start text, start color #6495ed, N, A, D, end color #6495ed, end text, start superscript, plus, end superscript $+$plus $2{\text{e}}^{-}$2, start text, e, end text, start superscript, minus, end superscript $+$plus $2{\text{H}}^{+}$2, start text, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text, start superscript, plus, end superscript $\to$right arrow $\text{NAD}$start text, start color #6495ed, N, A, D, end color #6495ed, end text$\text{H}$start text, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text $+$plus ${\text{H}}^{+}$start text, space, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text, start superscript, plus, end superscript

$\text{FAD}$start text, start color #28ae7b, F, A, D, end color #28ae7b, end text $+$plus $2{\text{e}}^{-}$2, start text, e, end text, start superscript, minus, end superscript $+$plus $2{\text{ H}}^{+}$2, start text, start color #9d38bd, space, H, end color #9d38bd, end text, start superscript, plus, end superscript $\to$right arrow ${}_{}$FADH2start text, start color #28ae7b, F, A, D, end color #28ae7b, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text, start subscript, start color #9d38bd, 2, end color #9d38bd, end subscript

Y cuando entregan electrones, regresan ordenadamente a su forma original:

$\text{NAD}$start text, start color #6495ed, N, A, D, end color #6495ed, end text$\text{H}$start text, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text $\to$right arrow ${\text{NAD}}^{+}$start text, start color #6495ed, N, A, D, end color #6495ed, end text, start superscript, plus, end superscript $+$plus $2{\text{e}}^{-}$2, start text, e, end text, start superscript, minus, end superscript $+$plus ${\text{H}}^{+}$start text, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text, start superscript, plus, end superscript

${\text{FAD}\text{H}}_2$start text, start color #28ae7b, F, A, D, end color #28ae7b, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text, start subscript, start color #9d38bd, 2, end color #9d38bd, end subscript $\to$right arrow $\text{FAD}$start text, start color #28ae7b, F, A, D, end color #28ae7b, end text $+$plus $2{\text{e}}^{-}$2, start text, e, end text, start superscript, minus, end superscript $+$plus $2{\text{ H}}^{+}$2, start text, start color #9d38bd, space, H, end color #9d38bd, end text, start superscript, plus, end superscript

Las reacciones en las que NAD${}^{+}$start superscript, plus, end superscript y FAD ganan o pierden electrones, son ejemplos de una clase de reacciones, llamadas reacciones redox. 

La respiración celular anaeróbica

La respiración celular anaerobia es similar a la respiración celular aerobia en que los electrones extraídos de una molécula de combustible pasan a través de una cadena de transporte de electrones para impulsar la síntesis de $\text{ATP}$start text, A, T, P, end text. Algunos organismos utilizan sulfato $({\text{SO}}_4^{2-})$left parenthesis, start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, 2, minus, end superscript, right parenthesis como aceptor final de electrones al final de la cadena de transporte, mientras que otros utilizan nitrato $({\text{NO}}_3^{-})$left parenthesis, start text, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, start superscript, minus, end superscript, right parenthesis, azufre o una de otras varias moléculas${}^1$start superscript, 1, end superscript.

¿Qué tipo de organismos usan la respiración celular anaeróbica? Algunos procariontes —bacterias y arqueas— que viven en ambientes con muy poco oxígeno dependen de la respiración anaeróbica para degradar combustibles. Por ejemplo, algunas arqueas metanogénicas pueden utilizar dióxido de carbono como su aceptor final de electrones y producen metano como producto de degradación. Los metanógenos se encuentran en la tierra y el sistema digestivo de rumiantes, un grupo de animales que incluye vacas y ovejas.

Del mismo modo, las bacterias y arqueas sulfato-reductoras utilizan sulfato como aceptor final de electrones y producen sulfuro de hidrógeno $({\text{H}}_2\text{S})$left parenthesis, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, S, end text, right parenthesis como producto de desecho. La siguiente imagen es una fotografía aérea de aguas costeras en la que las manchas verdes indican un crecimiento excesivo de bacterias sulfato-reductoras.

Fermentación

La fermentación es otra vía anaeróbica (no que requiere oxígeno) para degradar la glucosa, esta se realiza en muchos tipos de células y organismos. En la fermentación, la única vía de extracción de energía es la glucólisis, con uno o dos reacciones extras al final.

La fermentación y la respiración celular comienzan del mismo modo, con la glucólisis. Sin embargo, en la fermentación, el piruvato producido en la glucólisis no continúa su oxidación ni hacia el ciclo del ácido cítrico, y no funciona la cadena de transporte de electrones. Dado que la cadena de transporte de electrones no es funcional, el $\text{NADH}$start text, N, A, D, H, end text que se produce en la glucólisis no puede entregar allí sus electrones para regresar a ${\text{NAD}}^{+}$start text, N, A, D, end text, start superscript, plus, end superscript

Entonces, el propósito de las reacciones extras en la fermentación es regenerar el acarreador de electrones ${\text{NAD}}^{+}$start text, N, A, D, end text, start superscript, plus, end superscript a partir del $\text{NADH}$start text, N, A, D, H, end text producido en la glucólisis. Las reacciones adicionales logran esto dejando que el $\text{NADH}$start text, N, A, D, H, end text entregue sus electrones a una molécula orgánica (como el piruvato, producto final de la glucólisis). Esta entrega permite que continúe la glucólisis al asegurar un suministro constante de ${\text{NAD}}^{+}$start text, N, A, D, end text, start superscript, plus, end superscript.

La fermentación láctica

En la fermentación láctica, el $\text{NADH}$start text, N, A, D, H, end text transfiere sus electrones directamente al piruvato y se obtiene lactato como producto de degradación. El lactato, que es la forma desprotonada del ácido láctico, le da al proceso su nombre. Las bacterias que forman el yogur realizan la fermentación del ácido láctico al igual que los eritrocitos de tu cuerpo, los cuales no tienen mitocondrias y por lo tanto, no pueden llevar a cabo la respiración celular.