Respiración celular

La respiración celular o respiración interna es el conjunto de reacciones bioquímicas por las cuales determinados compuestos orgánicos son degradados completamente, por oxidación, hasta convertirse en sustancias inorgánicas, proceso que proporciona energía aprovechable por la célula (principalmente en forma de ATP). Se trata de la respiración aerobica.

Respiración aeróbica . El aceptor final de electrones es el oxígeno

molecular, que se reduce a agua. La realizan la inmensa mayoría de células,

incluidas las humanas. Los organismos que llevan a cabo este tipo de

respiración reciben el nombre de organismos aeróbicos.

Respiración anaeróbica . El aceptor final de electrones es una molécula

inorgánica distinta del oxígeno, más raramente una molécula orgánica. Es un

tipo de metabolismo muy común en muchos microorganismos,

especialmente procariotas. No debe confundirse con la fermentación, proceso

también anaeróbico, pero en el que no interviene nada parecido a una cadena

transportadora de electrones.

Respiración aeróbica

Este proceso celular es realizado por el orgánulo mitondrial (mitocondrias).

Su ecuación general es la siguiente (respiración aeróbica):1

Características

Se produce en la mitocondria. La respiración celular, como componente

del metabolismo, es un proceso catabólico, en el cual la energía contenida

en los substratos usados como combustible es liberada de manera

controlada. Durante la misma, buena parte de la energía libre desprendida

en estas reacciones exotérmicas es incorporada a la molécula de ATP (o

de nucleótidos trifosfato equivalentes), que puede ser a continuación

Biología

utilizada en los procesos endotérmicos, como son los de mantenimiento y

desarrollo celular (anabolismo).

Los substratos habitualmente usados en la respiración celular son

la glucosa, otros hidratos de carbono, ácidos grasos,

incluso aminoácidos, cuerpos cetónicos u otros compuestos orgánicos. En

los animales estos combustibles pueden provenir del alimento, de los que

se extraen durante la digestión, o de las reservas corporales. En las plantas

su origen puede ser asimismo las reservas, pero también

la glucosa obtenida durante la fotosíntesis.

El intercambio de gases en las plantas

Tanto en la fotosíntesis como en la respiración celular, las plantas intercambian gases con la atmósfera:

Durante la fotosíntesis, la planta toma dióxido de carbono y desprende oxígeno.

Durante la respiración celular, toma oxígeno y desprende dióxido de carbono.

Durante el día, la planta realiza tanto la respiración celular como la fotosíntesis y durante la noche, solo realiza la respiración celular, por lo que toma oxígeno y desprende dióxido de carbono.Las plantas necesitan alimentarse para formar sus tejidos, y lo hacen absorbiendo del aire el co2 y el o2 y del suelo el agua y las sustancias minerales.

Los principales minerales que toman del suelo son el nitrógeno (para el desarrollo de la fotosíntesis) el fosforo (para el desarrollo de raíces y frutos)  y el potasio (para la realización de muchas funciones como la respiración o el transporte de azúcar).En las plantas, el intercambio gaseoso se realiza principalmente a través de estomas y lenticelas.

Estomas o pneumátodos: Formados por un par de células epidérmicas de forma arriñonada. Para el intercambio gaseoso forman un orificio denominado ostiolo que se cierra automáticamente en los caso de exceso de CO2 o de falta de agua.

Los estomas suelen localizarse en la parte inferior de la hoja, en la que no reciben la luz solar directa, también se encuentran en tallos herbáceos.

Lenticelas: Se encuentran diseminadas en la corteza muerta de tallos y raíces. De modo típico, las lenticelas son de forma lenticular (lente biconvexa) en su contorno externo, de donde se les viene el nombre.

Normalmente están orientadas vertical u horizontalmente sobre el tallo, según la especie y varían en tamaño, desde apenas visible a tan grande como de 1 cm o aún de 2,5 de largo. En árboles con corteza muy fisurada, las lenticelas se encuentran en el fondo de las fisuras.La función de las lenticelas es permitir un intercambio neto de gases entre los tejidos parenquimático internos y la atmósfera.

Estructura de las estomas.-Son usados para el intercambio gaseoso con el medio. El oxígeno y dióxido de carbono son intercambiados con el ambiente a través de estos poros. La adquisición de dióxido de carbono y el intercambio de oxígeno son fundamentales para que se desarrollen los procesos de fotosíntesis y respiración de las plantas. Sin embargo, su apertura también

provoca la pérdida de agua de la planta en forma de vapor a través del proceso denominado transpiración.Por esto, la apertura o cierre de las estomas está muy finamente regulada en la planta por factores ambientales como la luz, la concentración de dióxido de carbono o la disponibilidad de agua. En casos de sequía se cierran los estomas impidiendo pérdidas de agua en la planta.

El intercambio de gases en los animales

Todos los animales necesitan energía para realizar sus actividades cotidianas. Como ya sabemos, la energía la obtienen a partir de la oxidación de moléculas orgánicas en la respiración celular. Este proceso se realiza en las mitocondrias de las células y necesita oxígeno para llevarse a cabo. En el proceso, se desprende dióxido de carbono.Ambos gases es necesario intercambiarlos con el medio que nos rodea. El proceso respiratorio en animales lo podemos dividir en tres fases: Respiración fisiológica. Consiste en captar oxígeno del exterior y expulsar

dióxido de carbono gracias a una serie de movimientos. Intercambio de gases. Consiste en la difusión del oxígeno captado del exterior hacia

la sangre y el medio interno delanimal, que es intercambiado con el dióxido de carbono procedente del metabolismo celular que sale al medio externo.

Imagen 30. Fuente Proyecto Biosfera bajo licencia Creative Commons.

Respiración celular. Consiste en la oxidación de materia orgánica utilizando oxígeno y liberando dióxido de carbono.

Los animales han desarrollado distintos tipos de respiración aerobia que presentan diferente grado de complejidad dependiendo del tipo de animal, de sus necesidades energéticas y del medio en el que vive.Los animales más sencillos, como cnidarios y esponjas, no han desarrollado estructuras respiratorias, debido a que realizan elintercambio de gases célula a célula con el medio acuático que las rodea.Por ejemplo, las esponjas y los pólipos que forman la masa coralina de la imagen inferior. Son organismos filtradores que hacen pasar el agua a través de su cuerpo, de tal forma que pueden coger el oxígeno disuelto en el agua y ceder el dióxido de carbono.

El resto de animales presenta una organización celular más compleja, en la que hay mayor número de capas celulares con lo que aumentan los problemas para realizar el intercambio gaseoso con el exterior. Por ello, han desarrollado diversas estrategias para conseguir el intercambio.Los tipos de sistemas respiratorios que podemos encontrar en los distintos animales son: El sistema de respiración cutánea. El sistema de respiración branquial.

El sistema de respiración traqueal.

El sistema de respiración pulmonar.

La respiración cutánea

Este animal es capaz de intercambiar gases a través de la piel. Para ello, su piel es muy fina, está humedecida y posee una gran cantidad de vasos sanguíneos para poder transportar los gases. Este tipo de sistema respiratorio aparece en animales como los anfibios, anélidos y algunos moluscos. En moluscos y anfibios es un sistema que se complementa con otros sistemas respiratorios (pulmonar o branquial).

La respiración branquial

Como el oxígeno disuelto en el agua es tan solo el 5% del oxígeno que aparece en el aire, los animales acuáticos han tenido que desarrollar estrategias para poder obtener la máxima cantidad de oxígeno. Para ello, la mayor parte de las especies acuáticas de anélidos, moluscos, crustáceos, peces y anfibios han desarrollado branquias.

Las branquias son repliegues tegumentarios muy finos (poseen una sola capa de células) y que están muy irrigados y en contacto continuo con el agua. Esta estructura proporciona una gran superficie de contacto con el agua para intercambiar oxígeno.

La disposición de las branquias en el cuerpo del animal es variada. Así, las branquias pueden ser externas o internas. En el caso de las branquias externas el animal las mueve para que el agua pase a través de ellas como ocurre en las larvas de anfibios.

Las branquias internas están más protegidas. Los moluscos bivalvos las protegen dentro de la cavidad del manto   y bombean el agua a través de unos sifones para obtener el oxígeno.

En los peces las branquias se disponen en una cámara (cámara branquial) donde quedan sujetas a una estructura ósea llamada arco branquial. En los peces cartilaginosos (tiburones y rayas) hay cinco arcos y cuatro en los peces óseos. La cámara branquial se cierra al exterior por una estructura ósea llamada opérculo que protege los arcos branquiales o por unas hendiduras de la piel. En los peces óseos, el agua circula desde la boca a las hendiduras branquiales, presionada por la

lengua y creando una corriente que favorece el intercambio gaseoso entre la branquia y el agua.

En los peces cartilaginosos, el agua entra por los espiráculos que son unas aperturas que aparecen detrás de los ojos.

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La respiración traqueal

Los insectos, miriápodos y arácnidos han desarrollado un sistema de tubos ramificados, llamado tráqueas, que conectan las células de todo el cuerpo con el exterior a través de unas aperturas llamadas estigmas, que se pueden cerrar mediante espiráculos. En muchos insectos también aparecen sacos aéreos que tienen la función de ventilar el cuerpo mediante dilataciones y contracciones favorecidas por la comprensión y distensión del abdomen. Este sistema respiratorio prescinde del sistema circulatorio para transportar el oxígeno a las células.

Los pulmones son estructuras respiratorias, que se han desarrollado a partir de una serie de invaginaciones membranosas que forman una bolsa. Estas bolsas están conectadas con el exterior mediante una serie de tubos que constituyen las vías respiratorias. Son estructuras típicas de animales terrestres.

Las arañas y escorpiones presentan una estructura respiratoria que se llaman pulmón en libro que consiste en una cámara que se abre al exterior por un orificio. En el interior hay membrana muy replegada dispuesta paralelamente (de ahí su nombre). Los pliegues dividen la cámara en dos lados, el externo en contacto con el aire y el interno en contacto con el líquido circulatorio.

Los caracoles terrestres presentan una estructura similar. En el manto han desarrollado una cavidad muy vascularizada que realiza el intercambio de gases.

Tanto el pulmón en libro como el de los caracoles son pulmones de difusión en los que el aire circula unidireccionalmente.

Existen otro tipo de pulmón denominado de ventilación que son propios de los vertebrados terrestres. En ellos el intercambio de gases se produce mediante movimientos de contracción y distensión que provocan un cambio de volumen.

Los vertebrados terrestres presentan diferentes tipos de pulmones. Unos tienen forma de saco, como el pulmón de anfibios, reptiles y mamíferos y otros son tubulares, como en las aves. En este caso, el pulmón está conectado con unos sacos (sacos aéreos) que se extienden por otras zonas del cuerpo. Cuando se llenan de aire, disminuye la densidad del animal lo que facilita el vuelo.

El pulmón de los anfibios es casi liso, sin repliegues internos, por lo que la superficie de intercambio gaseoso es demasiado reducida. Esto implica la necesidad de otros sistemas respiratorios para satisfacer las necesidades de oxígeno. La siguiente imagen te muestra una disección de una rana en la que se ve el tamaño y aspecto de los pulmones que parecen un saco sencillo.

En reptiles, los pulmones presentan repliegues, con lo que la superficie de intercambio de gases aumenta respecto a la de los anfibios. Este desarrollo ha permitido la colonización del interior de los continentes sin la dependencia del agua para ello. Las serpientes poseen un único pulmón desarrollado, para evitar una excesiva compresión de su cuerpo. Si te fijas en la siguiente imagen verás que el pulmón tiene un aspecto más compacto que el de un anfibio.

En los mamíferos, los pulmones muestran un gran desarrollo de la superficie interna. La presencia de una serie de tubos ramificados (bronquiolos) que transportan el aire a los sacos alveolares que son unas cámaras formadas por un grupo de vesículas llamadas alveolos. Los alveolos son los lugares donde se produce el intercambio gaseoso con la sangre.

Respiración en humanos

El aparato respiratorio en humanos comienza en las fosas nasales. En ellas se aloja la pituitaria roja, muy irrigada, que calienta el aire y lo humedece. La pituitaria amarilla detecta la presencia en el aire de distintos tipos de moléculas y transmite esta información a los lóbulos olfatorios, que informarán de ello al cerebro.

El aire humedecido y limpio pasa por la faringe, que es una zona compartida con el aparato digestivo. En esta zona se encuentran las amígdalas, que son ganglios linfáticos con función defensiva, captando microorganismos para poner en marcha una respuesta inmune (defensiva) si fuera necesario.

El aire entra en la laringe a través de la glotis. La epíglotis es la estructura que tapa la glotis, con la finalidad de que no entre el alimento hacia el aparato respiratorio. En la laringe aparecen las cuerdas vocales, que son repliegues conjuntivos que vibran, emitiendo un tono.

 

 

El siguiente tramo es la tráquea, que es un tubo largo, de unos 12 cm, y ancho, de unos 2 cm. La tráquea debe permanecer abierta para asegurar el paso del aire. Para ello, unos cartílagos semicirculares le dan la resistencia suficiente como para evitar su cierre, debido a la presión que ejercen los tejidos adyacentes. La tráquea está bañada por una capa mucosa que capta partículas de polvo y tapizada por un epitelio ciliado que moviliza esta mucosidad hacia la faringe.

La tráquea se divide en bronquios. Son dos tubos que envían el aire a los pulmones. Están reforzados por cartílagos circulares. Los bronquios, ya dentro de los pulmones, se ramifican en bronquiolos.

Los pulmones son estructuras esponjosas, de color rosado. El pulmón derecho está constituido por tres lóbulos pulmonares. El pulmón izquierdo es más estrecho y tiene dos lóbulos. Por ello, el bronquio derecho se ramifica en tres bronquiolos primarios y el bronquio izquierdo se ramifica en dos bronquiolos primarios. Los bronquiolos primarios, a su vez, se ramifican en tubos secundarios y terciarios, que dirigen el aire hacia los sacos alveolares, compuestos de alveolos, que son las zonas donde se produce el intercambio gaseoso con la sangre.

 

Fisiología de la respiración

La ventilación pulmonar, o respiración fisiológica, se produce por dos movimientos, llamados inspiración y espiración. La inspiración consiste en la entrada de aire en los pulmones. La espiración es la expulsión del aire al exterior.

La respiración puede ser relajada o forzada.

La respiración relajada se realiza cuando el individuo lleva a cabo actividades de poco gasto energético o en reposo. El diafragma se contrae, bajando hacia el abdomen. Aumenta el volumen de la cavidad torácica, con lo que los pulmones se expanden y succionan aire del exterior. En este momento ya se ha producido la inspiración. Cuando el diafragma se relaja, los pulmones son presionados y expulsan el aire que contienen, desde abajo. Entonces se produce la espiración.

La respiración forzada se realiza cuando el

 

individuo lleva a cabo una actividad energética fuerte. Los músculos torácicos elevan las costillas hacia delante. Con ello, aumenta el volumen de la cavidad torácica mucho más que en la respiración relajada. Se produce la inspiración. La espiración puede consistir, simplemente en relajar los músculos intercostales, con lo que el peso de las costillas vacía los pulmones. Puede ayudar la presión de músculos torácicos internos que presionan las costillas hacia los pulmones y la fuerza de los músculos abdominales, que presionan el abdomen hacia dentro, con lo que los pulmones se vacían desde abajo. Esta espiración se realiza al inflar un globo o tocar la trompeta.

El control de la respiración se efectúa en el bulbo raquídeo, activando o relajando los músculos que intervienen en la respiración. La variación de concentraciones de oxígeno y dióxido de carbono en la sangre son los estímulos químicos que necesita el bulbo raquídeo para controlar la velocidad e intensidad de la respiración.