Respiración celular

La respiración celular es un conjunto de reacciones y procesos metabólicos que tienen lugar en las células de los organismos para convertir la energía química de las moléculas de oxígeno o nutrientes en trifosfato de adenosina (ATP), y luego liberar los productos de desecho. Las reacciones involucradas en la respiración son reacciones catabólicas, que rompen moléculas grandes en otras más pequeñas, liberando energía debido a la debilidad de los enlaces de alta energía, en particular en el oxígeno molecular.son reemplazados por enlaces más fuertes en los productos. La respiración es una de las formas clave en que una célula libera energía química para impulsar la actividad celular. La reacción general ocurre en una serie de pasos bioquímicos, algunos de los cuales son reacciones redox. Aunque técnicamente la respiración celular es una reacción de combustión, claramente no se parece a una cuando ocurre en una célula viva debido a la liberación lenta y controlada de energía de la serie de reacciones.

Los nutrientes que las células animales y vegetales utilizan comúnmente en la respiración incluyen azúcar, aminoácidos y ácidos grasos, y el agente oxidante más común que proporciona la mayor parte de la energía química es el oxígeno molecular (O ₂ ). La energía química almacenada en el ATP (el enlace de su tercer grupo fosfato con el resto de la molécula se puede romper, lo que permite que se formen productos más estables y, por lo tanto, se libera energía para que la use la célula) se puede usar para impulsar procesos que requieren energía, incluidos biosíntesis, locomoción o transporte de moléculas a través de las membranas celulares.

Respiración aeróbica

La respiración aeróbica requiere oxígeno (O ₂ ) para crear ATP. Aunque los carbohidratos, las grasas y las proteínas se consumen como reactivos, la respiración aeróbica es el método preferido para la descomposición del piruvato en la glucólisis y requiere que el piruvato llegue a las mitocondrias para que el ciclo del ácido cítrico lo oxide por completo. Los productos de este proceso son dióxido de carbono y agua, y la energía transferida se usa para romper enlaces en ADP para agregar un tercer grupo fosfato para formar ATP (trifosfato de adenosina), por fosforilación a nivel de sustrato, NADH y FADH ₂

Reacción simplificada:	C 6 H 12 O 6 (s) + 6 O 2 (g) → 6 CO 2 (g) + 6 H 2 O (l) + calor
ΔG = −2880 kJ por mol de C 6 H 12 O 6

El ΔG negativo indica que la reacción puede ocurrir espontáneamente.

El potencial de NADH y FADH ₂ se convierte en más ATP a través de una cadena de transporte de electrones con oxígeno y protones (hidrógeno) como "aceptores de electrones terminales". La mayor parte del ATP producido por la respiración celular aeróbica se produce por fosforilación oxidativa. La energía del O ₂ liberado se utiliza para crear un potencial quimiosmótico bombeando protones a través de una membrana. Este potencial luego se usa para impulsar la ATP sintasa y producir ATP a partir de ADP y un grupo fosfato. Los libros de texto de biología a menudo afirman que se pueden producir 38 moléculas de ATP por molécula de glucosa oxidada durante la respiración celular (2 de la glucólisis, 2 del ciclo de Krebs y alrededor de 34 del sistema de transporte de electrones).Sin embargo, este rendimiento máximo nunca se alcanza debido a las pérdidas debidas a membranas con fugas, así como al costo de mover el piruvato y el ADP a la matriz mitocondrial, y las estimaciones actuales oscilan entre 29 y 30 ATP por glucosa.

El metabolismo aeróbico es hasta 15 veces más eficiente que el metabolismo anaeróbico (que produce 2 moléculas de ATP por 1 molécula de glucosa) debido a que el doble enlace en el O ₂ tiene mayor energía que otros dobles enlaces o pares de enlaces simples en otras moléculas comunes en la biosfera. Sin embargo, algunos organismos anaeróbicos, como los metanógenos, pueden continuar con la respiración anaeróbica, produciendo más ATP al usar otras moléculas inorgánicas (no oxígeno) de alta energía como aceptores finales de electrones en la cadena de transporte de electrones. Comparten la vía inicial de la glucólisis pero el metabolismo aeróbico continúa con el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa. Las reacciones post-glucolíticas tienen lugar en las mitocondrias de las células eucariotas y en el citoplasma de las células procariotas.

Glucólisis

La glucólisis es una vía metabólica que tiene lugar en el citosol de las células de todos los organismos vivos. La glucólisis se puede traducir literalmente como "división del azúcar",y ocurre con o sin la presencia de oxígeno. En condiciones aeróbicas, el proceso convierte una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato (ácido pirúvico), generando energía en forma de dos moléculas netas de ATP. En realidad, se producen cuatro moléculas de ATP por glucosa, pero dos se consumen como parte de la fase preparatoria. Se requiere la fosforilación inicial de la glucosa para aumentar la reactividad (disminuir su estabilidad) a fin de que la enzima aldolasa divida la molécula en dos moléculas de piruvato. Durante la fase de compensación de la glucólisis, se transfieren cuatro grupos fosfato a ADP por fosforilación a nivel de sustrato para producir cuatro ATP y se producen dos NADH cuando se oxida el piruvato. La reacción general se puede expresar de esta manera:Glucosa + 2 NAD + 2 P _i + 2 ADP → 2 piruvato + 2 H + 2 NADH + 2 ATP + 2 H + 2 H ₂ O + energía

Comenzando con la glucosa, se usa 1 ATP para donar un fosfato a la glucosa para producir glucosa 6-fosfato. El glucógeno también se puede convertir en glucosa 6-fosfato con la ayuda de la glucógeno fosforilasa. Durante el metabolismo energético, la glucosa 6-fosfato se convierte en fructosa 6-fosfato. Se utiliza un ATP adicional para fosforilar la fructosa 6-fosfato en fructosa 1,6-bisfosfato con la ayuda de la fosfofructoquinasa. La fructosa 1,6-bifosfato luego se divide en dos moléculas fosforiladas con tres cadenas de carbono que luego se degradan en piruvato.

Descarboxilación oxidativa del piruvato

El piruvato se oxida a acetil-CoA y CO ₂ por el complejo piruvato deshidrogenasa (PDC). El PDC contiene múltiples copias de tres enzimas y se encuentra en la mitocondria de las células eucariotas y en el citosol de las procariotas. En la conversión de piruvato a acetil-CoA, se forma una molécula de NADH y una molécula de CO ₂.

Ciclo del ácido cítrico

Esto también se llama el ciclo de Krebs o el ciclo del ácido tricarboxílico. Cuando hay oxígeno presente, se produce acetil-CoA a partir de las moléculas de piruvato creadas a partir de la glucólisis. Una vez que se forma la acetil-CoA, puede ocurrir respiración aeróbica o anaeróbica. Cuando el oxígeno está presente, las mitocondrias se someten a una respiración aeróbica que conduce al ciclo de Krebs. Sin embargo, si no hay oxígeno, se producirá la fermentación de la molécula de piruvato. En presencia de oxígeno, cuando se produce acetil-CoA, la molécula entra en el ciclo del ácido cítrico (ciclo de Krebs) dentro de la matriz mitocondrial y se oxida a CO ₂mientras que al mismo tiempo reduce NAD a NADH. NADH puede ser utilizado por la cadena de transporte de electrones para crear más ATP como parte de la fosforilación oxidativa. Para oxidar completamente el equivalente de una molécula de glucosa, el ciclo de Krebs debe metabolizar dos acetil-CoA. Durante este ciclo se crean dos productos de desecho de baja energía, H ₂ O y CO _2.

El ciclo del ácido cítrico es un proceso de 8 pasos que involucra 18 enzimas y coenzimas diferentes. Durante el ciclo, acetil-CoA (2 carbonos) + oxaloacetato (4 carbonos) produce citrato (6 carbonos), que se reorganiza en una forma más reactiva llamada isocitrato (6 carbonos). El isocitrato se modifica para convertirse en α-cetoglutarato (5 carbonos), succinil-CoA, succinato, fumarato, malato y, finalmente, oxaloacetato.

La ganancia neta de un ciclo es 3 NADH y 1 FADH ₂ como compuestos portadores de hidrógeno (protones más electrones) y 1 GTP de alta energía, que posteriormente puede usarse para producir ATP. Por lo tanto, el rendimiento total de 1 molécula de glucosa (2 moléculas de piruvato) es 6 NADH, 2 FADH ₂ y 2 ATP.

Fosforilación oxidativa

En eucariotas, la fosforilación oxidativa ocurre en las crestas mitocondriales. Comprende la cadena de transporte de electrones que establece un gradiente de protones (potencial quimiosmótico) a través del límite de la membrana interna al oxidar el NADH producido en el ciclo de Krebs. El ATP es sintetizado por la enzima ATP sintasa cuando se utiliza el gradiente quimiosmótico para impulsar la fosforilación de ADP. La transferencia de electrones es impulsada por la energía química del oxígeno exógeno y, con la adición de dos protones, se forma agua.

Eficiencia de la producción de ATP

La siguiente tabla describe las reacciones involucradas cuando una molécula de glucosa se oxida por completo en dióxido de carbono. Se supone que todas las coenzimas reducidas son oxidadas por la cadena de transporte de electrones y utilizadas para la fosforilación oxidativa.

Paso	rendimiento de coenzimas	Rendimiento ATP	Fuente de ATP
Fase preparatoria de la glucólisis		−2	La fosforilación de glucosa y fructosa 6-fosfato utiliza dos ATP del citoplasma.
Fase de recuperación de la glucólisis		4	Fosforilación a nivel de sustrato
2 NADH	3 o 5	Fosforilación oxidativa: cada NADH produce 1,5 ATP netos (en lugar de los 2,5 habituales) debido al transporte de NADH sobre la membrana mitocondrial.
Descarboxilación oxidativa del piruvato	2 NADH	5	Fosforilación oxidativa
ciclo de Krebs		2	Fosforilación a nivel de sustrato
6 NADH	15	Fosforilación oxidativa
2 FADH 2	3	Fosforilación oxidativa
Rendimiento total	30 o 32 ATP	Desde la oxidación completa de una molécula de glucosa a dióxido de carbono y oxidación de todas las coenzimas reducidas.

Aunque hay un rendimiento teórico de 38 moléculas de ATP por glucosa durante la respiración celular, tales condiciones generalmente no se cumplen debido a pérdidas tales como el costo de mover el piruvato (de la glucólisis), el fosfato y el ADP (sustratos para la síntesis de ATP) hacia la mitocondria.. Todos se transportan activamente utilizando portadores que utilizan la energía almacenada en el gradiente electroquímico de protones.

• El piruvato es absorbido por un transportador específico de baja Km para _llevarlo a la matriz mitocondrial para su oxidación por el complejo piruvato deshidrogenasa.
• El transportador de fosfato (PiC) media el intercambio electroneutro (antiporte) de fosfato (H ₂ PO ₄ ; _Pi ) por OH o simporte de fosfato y protones (H ) a través de la membrana interna, y la fuerza impulsora para mover los iones de fosfato hacia el interior de la membrana. la mitocondria es la fuerza motriz del protón.
• La translocasa ATP-ADP (también llamada translocasa de nucleótido de adenina, ANT) es un antiportador e intercambia ADP y ATP a través de la membrana interna. La fuerza impulsora se debe a que el ATP (-4) tiene una carga más negativa que el ADP (-3) y, por lo tanto, disipa parte del componente eléctrico del gradiente electroquímico de protones.

El resultado de estos procesos de transporte que utilizan el gradiente electroquímico de protones es que se necesitan más de 3 H para producir 1 ATP. Obviamente, esto reduce la eficiencia teórica de todo el proceso y el máximo probable está más cerca de 28 a 30 moléculas de ATP. En la práctica, la eficiencia puede ser aún menor debido a que la membrana interna de la mitocondria tiene una ligera fuga de protones.Otros factores también pueden disipar el gradiente de protones creando una mitocondria aparentemente con fugas. Una proteína de desacoplamiento conocida como termogenina se expresa en algunos tipos de células y es un canal que puede transportar protones. Cuando esta proteína está activa en la membrana interna, cortocircuita el acoplamiento entre la cadena de transporte de electrones y la síntesis de ATP. La energía potencial del gradiente de protones no se utiliza para producir ATP sino que genera calor. Esto es particularmente importante en la termogénesis de la grasa parda de los mamíferos recién nacidos y en hibernación.

Según algunas fuentes más recientes, el rendimiento de ATP durante la respiración aeróbica no es de 36 a 38, sino de solo 30 a 32 moléculas de ATP / 1 molécula de glucosa, porque:

• Las relaciones ATP:NADH+H y ATP:FADH2 durante la fosforilación oxidativa parecen no ser 3 y 2, sino 2,5 y 1,5 respectivamente _. A diferencia de la fosforilación a nivel de sustrato, aquí la estequiometría es difícil de establecer.
  • La ATP sintasa produce 1 ATP/3 H. Sin embargo, el intercambio de ATP de matriz por ADP citosólico y Pi (antiporte con OH o simporte con H ) mediado por ATP-ADP translocasa y portador de fosfato consume 1 H / 1 ATP como resultado de la regeneración del potencial transmembrana cambiado durante esta transferencia, por lo que la relación neta es 1 ATP : 4 H.
  • La bomba de protones de la cadena de transporte de electrones mitocondrial transfiere a través de la membrana interna 10 H / 1 NADH+H (4 + 2 + 4) o 6 H / 1 FADH ₂ (2 + 4).

Entonces la estequiometría final es1 NADH+H : 10 H : 10/4 ATP = 1 NADH+H : 2,5 ATP1 FADH ₂ : 6 H : 6/4 ATP = 1 FADH ₂ : 1,5 ATP

• La relación ATP : NADH+H procedente de la glucólisis durante la fosforilación oxidativa es
  • 1.5, como para FADH ₂, si los átomos de hidrógeno (2H +2e ) se transfieren desde el NADH+H citosólico al FAD mitocondrial mediante la lanzadera de fosfato de glicerol ubicada en la membrana mitocondrial interna.
  • 2.5 en el caso de una lanzadera de malato-aspartato que transfiere átomos de hidrógeno del NADH+H citosólico al NAD mitocondrial

Así que finalmente tenemos, por molécula de glucosa

• Fosforilación a nivel de sustrato: 2 ATP de la glucólisis + 2 ATP (directamente GTP) del ciclo de Krebs
• Fosforilación oxidativa
  • 2 NADH+H de la glucólisis: 2 × 1,5 ATP (si la lanzadera de fosfato de glicerol transfiere átomos de hidrógeno) o 2 × 2,5 ATP (lanzadera de malato-aspartato)
  • 2 NADH+H de la descarboxilación oxidativa del piruvato y 6 del ciclo de Krebs: 8 × 2,5 ATP
  • 2 FADH ₂ del ciclo de Krebs: 2 × 1,5 ATP

En total, esto da 4 + 3 (o 5) + 20 + 3 = 30 (o 32) ATP por molécula de glucosa

Es posible que estas cifras aún requieran más ajustes a medida que se disponga de nuevos detalles estructurales. El valor anterior de 3 H+/ATP para la sintasa supone que la sintasa transloca 9 protones y produce 3 ATP por rotación. El número de protones depende del número de subunidades c en el anillo c de Fo, y ahora se sabe que es 10 en la levadura Fo y 8 en los vertebrados. Incluyendo una Hpara las reacciones de transporte, esto significa que la síntesis de un ATP requiere 1+10/3=4,33 protones en levadura y 1+8/3 = 3,67 en vertebrados. Esto implicaría que en las mitocondrias humanas los 10 protones de la oxidación del NADH producirían 2,72 ATP (en lugar de 2,5) y los 6 protones de la oxidación del succinato o el ubiquinol producirían 1,64 ATP (en lugar de 1,5). Esto es consistente con los resultados experimentales dentro del margen de error descrito en una revisión reciente.

El rendimiento total de ATP en la fermentación de etanol o ácido láctico es de solo 2 moléculas provenientes de la glucólisis, porque el piruvato no se transfiere a la mitocondria y finalmente se oxida a dióxido de carbono (CO ₂ ), sino que se reduce a etanol o ácido láctico en el citoplasma.

Fermentación

Sin oxígeno, el piruvato (ácido pirúvico) no es metabolizado por la respiración celular sino que sufre un proceso de fermentación. El piruvato no se transporta a la mitocondria sino que permanece en el citoplasma, donde se convierte en productos de desecho que pueden eliminarse de la célula. Esto tiene el propósito de oxidar los transportadores de electrones para que puedan realizar la glucólisis nuevamente y eliminar el exceso de piruvato. La fermentación oxida NADH a NAD para que pueda reutilizarse en la glucólisis. En ausencia de oxígeno, la fermentación previene la acumulación de NADH en el citoplasma y proporciona NADpara la glucólisis. Este producto de desecho varía según el organismo. En los músculos esqueléticos, el producto de desecho es el ácido láctico. Este tipo de fermentación se llama fermentación de ácido láctico. En el ejercicio extenuante, cuando las demandas de energía superan el suministro de energía, la cadena respiratoria no puede procesar todos los átomos de hidrógeno unidos por NADH. Durante la glucólisis anaeróbica, el NAD se regenera cuando los pares de hidrógeno se combinan con el piruvato para formar lactato. La formación de lactato es catalizada por la lactato deshidrogenasa en una reacción reversible. El lactato también se puede utilizar como precursor indirecto del glucógeno hepático. Durante la recuperación, cuando el oxígeno está disponible, NADse une al hidrógeno del lactato para formar ATP. En la levadura, los productos de desecho son etanol y dióxido de carbono. Este tipo de fermentación se conoce como fermentación alcohólica o etanólica. El ATP generado en este proceso se produce por fosforilación a nivel de sustrato, que no requiere oxígeno.

La fermentación es menos eficiente en el uso de la energía de la glucosa: solo se producen 2 ATP por glucosa, en comparación con los 38 ATP por glucosa producidos nominalmente por la respiración aeróbica. Esto se debe a que la mayor parte de la energía de la respiración aeróbica se deriva del O ₂ con su doble enlace relativamente débil y de alta energía.ATP glicolítico, sin embargo, se crea más rápidamente. Para que los procariotas continúen con una tasa de crecimiento rápida cuando pasan de un ambiente aeróbico a un ambiente anaeróbico, deben aumentar la tasa de las reacciones glucolíticas. Para los organismos multicelulares, durante períodos breves de actividad extenuante, las células musculares usan la fermentación para complementar la producción de ATP de la respiración aeróbica más lenta, por lo que una célula puede usar la fermentación incluso antes de que se agoten los niveles de oxígeno, como es el caso en los deportes que no lo hacen. no requiere que los atletas controlen su propio ritmo, como en las carreras de velocidad.

Respiración anaerobica

La respiración celular es el proceso por el cual los combustibles biológicos se oxidan en presencia de un aceptor de electrones inorgánico de alta energía (como el oxígeno ) para producir grandes cantidades de energía, para impulsar la producción a granel de ATP.

La respiración anaeróbica es utilizada por algunos microorganismos en los que ni el oxígeno (respiración aeróbica) ni los derivados del piruvato (fermentación) son los aceptores finales de electrones de alta energía. Más bien, se usa un aceptor inorgánico como sulfato (SO ₄ ), nitrato (NO ₃ ) o azufre (S). Dichos organismos se encuentran típicamente en lugares inusuales, como cuevas submarinas o cerca de respiraderos hidrotermales en el fondo del océano.

En julio de 2019, un estudio científico de Kidd Mine en Canadá descubrió organismos que respiran azufre que viven a 7900 pies debajo de la superficie y que respiran azufre para sobrevivir. Estos organismos también son notables debido a que consumen minerales como la pirita como fuente de alimento.