Respiración Aeróbica

¿Cuáles son las cuatro etapas de la respiración aeróbica?

La respiración aeróbica es el método principal por el que las células obtienen energía a partir de la glucosa y es frecuente en la mayoría de los organismos, incluido el ser humano. La respiración aeróbica consta de cuatro etapas distintas:

1. La glucólisis
2. La reacción de enlace
3. El ciclo de Krebs, también conocido como ciclo del ácido cítrico
4. La fosforilación oxidativa.

Durante estas etapas, la glucosa se descompone en dióxido de carbono y agua, liberando energía que se captura en moléculas de ATP. Veamos cada etapa en particular.

La glucólisis en la respiración aeróbica

La glucólisis es el primer paso de la respiración aeróbica y se produce en el citoplasma. Consiste en dividir una única molécula de glucosa de 6 carbonos en dos moléculas de piruvato de 3 carbonos. Durante la glucólisis también se produce ATP y NADH. Este primer paso también se comparte con los procesos de respiración anaeróbica, ya que no requiere oxígeno.

Durante la glucólisis se producen múltiples reacciones más pequeñas, controladas por enzimas, que tienen lugar en cuatro etapas:

1. Fosforilación de la glucosa - Antes de dividirse en dos moléculas de piruvato de 3 carbonos, la glucosa debe hacerse más reactiva. Esto se consigue añadiendo dos moléculas de fosfato, por lo que este paso se denomina fosforilación. Obtenemos las dos moléculas de fosfato dividiendo dos moléculas de ATP en dos moléculas de ADP y dos moléculas de fosfato inorgánico (Pi) (\(2ATP + 2 ADP + 2P_i\)). Esto se hace mediante hidrólisis, lo que significa que se utiliza agua para dividir el ATP. Esto proporciona la energía necesaria para activar la glucosa y reduce la energía de activación para la siguiente reacción controlada por enzimas.
2. Desdoblamiento de la glucosa fosforilada - En esta etapa, cada molécula de glucosa (con los dos grupos Pi añadidos) se desdobla en dos. Se forman así dos moléculas de triosa fosfato, una molécula de 3 carbonos.
3. Oxidación de la triosa fosfato - Una vez formadas estas dos moléculas de triosa fosfato, se elimina el hidrógeno de ambas. Estos grupos de hidrógeno se transfieren entonces a una molécula transportadora de hidrógeno, el NAD+. Se forma así el NAD reducido o NADH.
4. Producción de ATP - Las dos moléculas de triosa fosfato, recién oxidadas, se convierten en otra molécula de 3 carbonos llamada piruvato. Este proceso también regenera dos moléculas de ATP a partir de dos moléculas de ADP.

Fig. 2. Etapas de la glucólisis. Como ya hemos dicho, la glucólisis no es una reacción única, sino que se desarrolla en varias etapas que siempre ocurren juntas. Por eso, para simplificar el proceso de respiración aeróbica y anaeróbica, se agrupan bajo el nombre de "glucólisis".

La ecuación general de la glucólisis es:

\[C_6H_{12}O_6 + 2ADP + 2 P_i + 2NAD^+ \rightarrow 2C_3H_4O_3 + 2ATP + 2 NADH\].

Glucosa Piruvato

La reacción de enlace en la respiración aeróbica

Durante la reacción de enlace, las moléculas de piruvato de 3 carbonos producidas durante la glucólisis sufren una serie de reacciones diferentes tras ser transportadas activamente a la matriz mitocondrial. Las reacciones son las siguientes

1. Oxidación - El piruvato se oxida en acetato. Durante esta reacción, el piruvato pierde una de sus moléculas de dióxido de carbono y dos hidrógenos. El NAD absorbe los hidrógenos sobrantes y se produce NAD reducido (NADH). La nueva molécula de 2 carbonos formada a partir del piruvato se llama acetato.
2. Producción de acetil-coenzima A - A continuación, el acetato se combina con una molécula llamada coenzima A, que a veces se abrevia como CoA. Se forma Acetil Coenzima A de 2 carbonos.

En general, la ecuación para esto es

\[C_3H_4O_3 + NAD + CoA \ acetil \space CoA + NADH + CO_2\] en flecha recta.

Piruvato Coenzima A

El ciclo de Krebs en la respiración aeróbica

El ciclo de Krebs es la más compleja de las cuatro reacciones. Recibe su nombre del bioquímico británico Hans Krebs y presenta una secuencia de reacciones redox que tienen lugar en la matriz mitocondrial. Las reacciones pueden resumirse en tres pasos:

1. La acetilcoenzima A de 2 carbonos, producida durante la reacción de enlace, se combina con una molécula de 4 carbonos. Esto produce una molécula de 6 carbonos.
2. Esta molécula de 6 carbonos pierde una molécula de dióxido de carbono y una molécula de hidrógeno a través de una serie de reacciones diferentes. Esto produce una molécula de 4 carbonos y una única molécula de ATP. Este es el resultado de la fosforilación a nivel de sustrato.
3. Esta molécula de 4 carbonos se ha regenerado y ahora puede combinarse con una nueva acetil coenzima A de 2 carbonos, que puede comenzar de nuevo el ciclo.

\[2 Acetil CoA + 6NAD^+ + 2 FAD +2ADP+ 2 P_i \rightarrow 4 CO_2 + 6 NADH + 6 H^+ + 2 FADH_2 + 2ATP\].

Estas reacciones también dan lugar a la producción de ATP, NADH y _FADH2 como subproductos.

Fig. 3. Diagrama del ciclo de Krebs.

Fosforilación oxidativa en la respiración aeróbica

Es la etapa final de la respiración aeróbica. Los átomos de hidrógeno liberados durante el ciclo de Krebs, junto con los electrones que poseen, son transportados por el ^NAD+ y el FAD (cofactores que intervienen en la respiración celular) a una cadena de transferencia de electrones. Se producen las siguientes etapas:

1. Tras la eliminación de los átomos de hidrógeno de varias moléculas durante la glucólisis y el ciclo de Krebs, tenemos muchas coenzimas reducidas, como el NAD y el FAD reducidos.
2. Estas coenzimas reducidas donan los electrones que transportan estos átomos de hidrógeno a la primera molécula de la cadena de transferencia de electrones.
3. Estos electrones se mueven a lo largo de la cadena de transferencia de electrones utilizando moléculas portadoras. Se produce una serie de reacciones redox (oxidación y reducción), y la energía que liberan estos electrones provoca el flujo de iones H+ a través de la membrana mitocondrial interna y hacia el espacio intermembranal. Esto establece un gradiente electroquímico en el que los iones H+ fluyen de una zona de mayor concentración a otra de menor concentración.
4. Los iones H+ se acumulan en el espacio intermembrana. A continuación, se difunden de vuelta a la matriz mitocondrial a través de la enzima ATP sintasa, una proteína canalizadora con un orificio en forma de canal por el que caben los protones.
5. Cuando los electrones llegan al final de la cadena, se combinan con estos iones H+ y el oxígeno, formando agua. El oxígeno actúa como aceptor final de electrones, y el ADP y el Pi se combinan en una reacción catalizada por la ATP sintasa para formar ATP.

La ecuación general de la respiración aeróbica es la siguiente

\[C_6H_{12}O_6 + 6O_2\rightarrow 6H_2O + 6CO_2\].

Glucosa Oxígeno Agua Dióxido de carbono

Ecuación de la respiración aeróbica

Como hemos visto, la respiración aeróbica consiste en un montón de reacciones consecutivas, cada una con sus propios factores reguladores, y ecuaciones particulares. Sin embargo, hay una forma simplificada de representar la respiración aeróbica. La ecuación general de esta reacción productora de energía es

Glucosa + oxígeno \(\rightarrow\) Dióxido de carbono + agua + energía

o

_C6H12O6 + _6O2 + 38 ADP + 38_Pi \(\arrow\ derecha ) _6CO2 + _6H2O+ 38 ATP

¿Dónde tiene lugar la respiración aeróbica?

En las células animales, tres de las cuatro etapas de la respiración aeróbica tienen lugar en las mitocondrias. La glucólisis tiene lugar en el citoplasma, que es el líquido que rodea los orgánulos de la célula. Lareacción de enlace , elciclo de Krebs yla fosforilación oxidativa tienen lugar en las mitocondrias.

Como se muestra en la Fig. 4, las características estructurales de la mitocondria ayudan a explicar su papel en la respiración aeróbica. Las mitocondrias tienen una membrana interna y una membrana externa. Esta estructura de doble membrana crea cinco componentes distintos dentro de la mitocondria, y cada uno de ellos ayuda de alguna manera a la respiración aeróbica. A continuación describiremos las principales adaptaciones de las mitocondrias:

• Lamembrana mitocondrial externa permite el establecimiento del espacio intermembrana.
• El espacio intermembrana permite a la mitocondria retener protones que son bombeados fuera de la matriz por la cadena de transporte de electrones, característica de la fosforilación oxidativa.
• La membrana mitocondrial interna organiza la cadena de transporte de electrones y contiene la ATP sintasa, que ayuda a convertir el ADP en ATP.
• Las cr istae se refieren a los pliegues de la membrana interna. La estructura plegada de las cristae ayuda a ampliar la superficie de la membrana mitocondrial interna, lo que significa que puede producir ATP con mayor eficacia.
• La matriz es el lugar de la síntesis de ATP y también es el lugar del ciclo de Krebs.

¿Cuáles son las diferencias entre la respiración aeróbica y la anaeróbica?

Aunque la respiración aeróbica es más eficaz que la anaeróbica, tener la opción de producir energía en ausencia de oxígeno sigue siendo importante. Permite a los organismos y a las células sobrevivir en condiciones subóptimas o adaptarse a entornos con bajos niveles de oxígeno.