El proceso por el cual las células degradan las moléculas de alimento
para obtener energía recibe el nombre de RESPIRACIÓN CELULAR.
La respiración celular es una reacción
exergónica, donde parte de la energía contenida en las moléculas de alimento es
utilizada por la célula para sintetizar ATP. Decimos parte de la energía porque
no toda es utilizada, sino que una parte se pierde.
Aproximadamente el 40% de la energía libre
emitida por la oxidación de la glucosa se conserva en forma de ATP. Cerca del
75% de la energía de la nafta se pierde como calor de un auto; solo el 25% se
convierte en formas útiles de energía. La célula es mucho más eficiente.
La respiración celular es una combustión
biológica y puede compararse con la combustión de carbón, bencina, leña. En
ambos casos moléculas ricas en energía son degradadas a moléculas más sencillas
con la consiguiente liberación de energía.
Tanto la respiración como la combustión
son reacciones exergónicas.
Sin
embargo, existen importantes diferencias entre ambos procesos. En primer lugar
la combustión es un fenómeno incontrolado en el que todos los enlaces químicos
se rompen al mismo tiempo y liberan la energía en forma súbita; por el contrario
la respiración es la degradación del alimento con la liberación paulatina
de energía. Este control está ejercido por enzimas específicas.
En segundo lugar, la combustión produce
calor y algo de luz. Este proceso transforma energía química en calórica y
luminosa. En cambio, la energía liberada durante la respiración es utilizada
fundamentalmente para la formación de nuevos enlaces químicos (ATP).
La respiración celular puede ser
considerada como una serie de reacciones de óxido-reducción en las cuales las
moléculas combustibles son paulatinamente oxidadas y degradadas liberando
energía. Los protones perdidos por el alimento son captados por coenzimas.
La respiración ocurre en distintas
estructuras celulares. La primera de ellas es la glucólisis que
ocurre en el citoplasma. La segunda etapa dependerá de la presencia o ausencia
de O2 en el medio, determinando en el primer caso la respiración
aeróbica (ocurre en las mitocondrias), y en el segundo caso la respiración
anaeróbica o fermentación (ocurre en el citoplasma).
RESPIRACIÓN AERÓBICA
En presencia de oxígeno, la etapa
siguiente de la degradación de la glucosa es la respiración, es decir la
oxidación escalonada del ácido pirúvico a dióxido de carbono y agua.
La respiración aeróbica se cumple en dos
etapas: el ciclo de Krebs y el transporte de electrones y la fosforilación
oxidativa (estos dos últimos procesos transcurren acopladamente).
En las células eucariotas estas reacciones
tienen lugar dentro de las mitocondrias; en las procariotas se llevan acabo en
estructuras respiratorias de la membrana plasmática.
Estructura de las Mitocondrias
Las mitocondrias están rodeadas por dos
membranas, una externa que es lisa y una interna que se pliega hacia adentro
formando crestas. Dentro del espacio interno de la mitocondria en torno a las
crestas, existe una solución densa (matriz o estroma) que contiene enzimas,
coenzimas, agua, fosfatos y otras moléculas que intervienen en la respiración.
La membrana externa es permeable para la
mayoría de las moléculas pequeñas, pero la interna sólo permite el paso de
ciertas moléculas como el ácido pirúvico y ATP y restringe el paso de otras.
Esta permeabilidad selectiva de la membrana interna, tiene una importancia
crítica porque capacita a las mitocondrias para destinar la energía de la
respiración para la producción de ATP.
La mayoría de las enzimas del ciclo de
Krebs se encuentran en la matriz mitocondrial. Las enzimas que actúan en el
transporte de electrones se encuentran en las membranas de las crestas.
Las membranas internas de las crestas
están formadas por un 80 % de proteínas y un 20 % de lípidos.
En las mitocondrias, el ácido pirúvico
proveniente de la glucólisis, se oxida a dióxido de carbono y agua,
completándose así la degradación de la glucosa.
El 95 % del ATP producido se genera, en la
mitocondria.
Las mitocondrias son consideradas
organoides semiautónomos, porque presentan los dos ácidos nucleicos (del tipo
procarionte) las crestas mitocondriales aparecen cubiertas por partículas en
forma de hongo, que tienen un tallo más fino que las unen a la membrana. Estas
estructuras son las llamadas partículas F1 y representan una porción de la ATP asa
especial que interviene en el acoplamiento entre la oxidación y la
fosforilación. Las partículas F1 se encuentran en la membrana interna, del lado
relacionado con la matriz; le confieren una asimetría característica
relacionada con la función de la ATP asa.
Para concluir, es importante destacar que el ciclo de Krebs se lleva a
cabo en la matriz mitocondrial; mientras que el transporte de electrones y la
fosforilación oxidativa se producen a nivel de las crestas mitocondriales.
En la fotosíntesis, la energía lumínica se convierte en química y se
fija carbono en compuestos orgánicos.
Los fotosintetizadores o autótrofos
elaboran hidratos de carbono a partir de CO2 y agua y liberan O2 a la
atmósfera. Son estos organismos los que mantienen estables las concentraciones
de CO2, y O2 atmosféricos.
En la respiración aeróbica los compuestos
orgánicos son degradados a CO2 y H2O con la concomitante producción de energía
química bajo la forma de ATP.
FOTOSÍNTESIS
En la primera etapa o etapa lumínica, la
energía del sol es captada por la clorofila y otros pigmentos accesorios,
provocando una serie de reacciones de óxido--reducción que propulsan la
síntesis de ATP; la reducción de la coenzima NADP a NADPH y la oxidación de
moléculas de H2O liberando O2 al medio. En la siguiente etapa o ciclo de Calvin
el NADPH y el ATP (productos de la anterior etapa) se utilizan para reducir al
CO2 que el vegetal toma del medio, a carbono orgánico. Si falta alguno de estos
sustratos, el proceso se detiene.
Son necesarias 6 vueltas al ciclo para
formar una molécula de glucosa partir de 2 moléculas de PGAL.
Este
compuesto también se puede utilizar como material inicial para elaborar
otros compuestos orgánicos que la célula necesita.
RESPIRACIÓN
La oxidación de la glucosa es una fuente
principal de energía en la mayoría de las células.
La primera fase de este proceso es la
glucólisis, en la cual la molécula de glucosa (6C), se escinde en dos moléculas
de ácido pirúvico (3C). Este paso produce un rendimiento neto de 2 moléculas de
ATP y dos moléculas de NADH.
La segunda fase de la degradación de la
glucosa es la respiración aeróbica que ocurre en tres etapas: ciclo de Krebs,
transporte de electrones y fosforilación oxidativa.
En
ausencia deO2 el ácido pirúvico de la glucólisis se convierte en etanol o ácido
láctico mediante fermentación. En el curso de la respiración las moléculas de
ácido pirúvico se fraccionan en grupos acetilos; los cuales ingresan al ciclo
de Krebs. En este ciclo los grupos acetilos se oxidan por completo a CO2, se
reducen cuatro aceptores de electrones (tres NAD+ y Un FAD) y se forma
GTP.
La etapa final de la respiración es el
transporte de electrones y la fosforilación oxidativa (se dan acopladamente).
En este paso intervienen una cadena de transportadores de electrones que
transportan los electrones de alta energía aceptados por el NADH y el FADH2
viajando cuesta abajo hacia el oxígeno.
