La respiración celular aeróbica se refiere al proceso mediante el cual los organismos vivos convierten los nutrientes en energía para que el cuerpo los use a través de la oxidación de los nutrientes. Durante la respiración aeróbica, las reacciones catabólicas convierten moléculas orgánicas complejas más grandes en ATP , la sustancia química que impulsa la mayoría de los procesos fisiológicos en el cuerpo. En otras palabras, la respiración es la forma clave en que una célula obtiene energía química para impulsar la actividad celular. El proceso de respiración aeróbica implica 4 pasos principales: la glucólisis, la producción de acetil-CoA, el ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa.
Cada paso implica la conversión de una o más sustancias químicas para utilizar la energía química almacenada en sus enlaces.
Más comúnmente, las sustancias utilizadas en la respiración celular son azúcares simples, aminoácidos y ácidos grasos. La respiración celular aeróbica en eucariotas requiere la presencia de oxígeno como agente oxidante. Otras formas de respiración celular que no usan oxígeno son la fermentación y la respiración anaeróbica . La cantidad relativamente grande de energía producida por las reacciones oxidativas permite una vida multicelular compleja, por lo que la respiración aeróbica se produce en prácticamente todos los organismos eucarióticos.
Pasos de la respiración celular
(1) Glicólisis
La glucólisis es el primer paso en la cadena de reacciones catabólicas que comprende el proceso de respiración celular. Durante la glucólisis, los monosacáridos (azúcares simples) como la glucosa, la sacarosa o la fructosa se convierten en ácido pirúvico. Incidentalmente, la palabra "glucólisis" significa literalmente "dividir el azúcar". La secuencia completa de la glucólisis se compone de 10 reacciones individuales, cada una de las cuales está catalizada por una enzima diferente. La glucólisis tiene lugar en el citoplasma , la sustancia gelatinosa que llena el interior de las células. Por cada 1 molécula de glucosa, la glucólisis produce 2 moléculas de piruvato, 2 moléculas de NADH y 2 moléculas de ATP.
Los primeros 5 pasos de la glucólisis se denominan "fase preparatoria", ya que son reacciones que consumen energía y producen 2 fosfatos de azúcar de tres carbonos. Luego viene la fase de "amortización" en la que los fosfatos de azúcar de tres carbonos se descomponen, dando como resultado una ganancia neta de 2 moléculas de piruvato, 2 moléculas de ATP y 2 moléculas de NADH.
(2) La descarboxilación del piruvato
Una vez que el piruvato se forma a partir de la glucólisis, el cuerpo todavía necesita procesar el piruvato para acceder a la energía química almacenada en sus enlaces. En el segundo paso de la respiración celular, las moléculas de piruvato producidas por la glucosa se transportan a las mitocondrias de la célula y se oxidan para producir acetil-CoA, una enzima que proporciona la base de acetilo para el siguiente paso en la respiración celular. Una molécula de piruvato se oxida en acetil-CoA, por lo que se producen dos moléculas de acetil-CoA por cada molécula inicial de glucosa.
(3) Ciclo del ácido cítrico
Una vez que se ha producido acetil-CoA por oxidación con piruvato, se produce el siguiente paso en la respiración celular. El ciclo del ácido cítrico (conocido también como el ciclo de Krebs) es muy importante para los estudiantes de biología, ya que proporciona la mayor parte de la energía utilizada para producir ATP durante la fosforilación oxidativa. También crea la molécula NADH que se requiere para la fosforilación de ADP en ATP. El ciclo de Krebs consta de 8 reacciones definidas catalizadas por enzimas y ocurre dentro de la matriz mitocondrial, pequeños compartimentos creados por la membrana interna plegada de la mitocondria.
Durante el ciclo de Krebs, dos moléculas de acetil-CoA se oxidan completamente en 3 moléculas de NADH y 2 moléculas de dióxido de carbono y agua. Dado que una molécula de glucosa produce dos moléculas de acetil-CoA, una molécula de glucosa produce finalmente 6 moléculas de NADH y 4 moléculas de dióxido de carbono y agua.
(4) Fosforilación oxidativa
El paso final en la respiración celular consiste en la oxidación de las moléculas de NADH para liberar la energía utilizada para formar la mayoría del ATP producido por la respiración celular. El NADH producido a partir del ciclo de Krebs tiene un alto potencial de transferencia de electrones, lo que significa que una gran cantidad de energía se almacena en sus enlaces químicos. NADH donará electrones a las moléculas de oxígeno y liberará esta energía almacenada. Esa energía se usa luego para agregar un grupo de fosfato a ADP para crear ATP, la moneda de energía fundamental de los organismos vivos. Estas reacciones de oxidación y reducción también se conocen como la "cadena de transporte de electrones" y ocurren en las crestas de las mitocondrias. Las reacciones son impulsadas por enzimas incrustadas en la superficie de la membrana interna.
La oxidación de NADH es un evento de alta energía y puede sintetizar varias moléculas de ATP. Para una molécula de glucosa, el rendimiento teórico máximo de todo el proceso de respiración celular es de 36 moléculas de ATP. Sin embargo, en las células reales, la energía siempre se pierde debido a la disipación del calor y la fuga de protones, lo que hace que el rendimiento total promedio sea de alrededor de 29-30 moléculas de ATP por molécula de glucosa. La fosforilación oxidativa marca el punto terminal de la respiración celular y la secuencia principal que explica el alto rendimiento de ATP de la respiración celular aeróbica.
Aunque es necesario para la vida multicelular, en un giro irónico del destino se cree que la respiración aeróbica celular también es responsable de los procesos que terminan con la vida multicelular. La fosforilación oxidativa produce especies altamente reactivas de oxígeno como superoxidos, peróxidos e hidroxilos. Estos átomos que tienen electrones no apareados, llamados "radicales libres", se acumulan con el tiempo y pueden causar estragos en estructuras celulares como los cromosomas. Este daño conduce al deterioro mecánico y funcional característico del proceso de envejecimiento. En general, se acepta que la producción de radicales libres es responsable en parte del envejecimiento, pero existe cierto debate sobre la naturaleza exacta de la degradación causada por el estrés oxidativo. Algunos científicos sostienen que la acumulación de radicales libres daña las estructuras mitocondriales, causando un aumento en la producción de especies reactivas de oxígeno. El resultado es un circuito de retroalimentación positiva donde la degradación celular empeora progresivamente, lo que lleva a fallas funcionales sintomáticas del envejecimiento. Otros sostienen que es la capacidad del cuerpo para estabilizar los niveles de radicales libres lo que determina la esperanza de vida, ya que los radicales libres son moléculas de señalización utilizadas para mantener el funcionamiento normal de las células.
La respiración celular aeróbica es la vía metabólica más básica que se encuentra en los organismos eucarióticos. La respiración aeróbica es fundamental ya que permite la producción de ATP, la molécula que impulsa cada proceso fisiológico en cada organismo vivo conocido. El alto rendimiento energético de la respiración aeróbica permite una vida multicelular compleja y ocurre todo el tiempo en cada célula del cuerpo.
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