UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD MULTIDISCIPLINARIA DE OCCIDENTE DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA

RESPIRACIÓN CELULAR

La respiración celular es el conjunto de reacciones bioquímicas que ocurre en

las células y en las que la glucosa se desdobla a dióxido de carbono (CO2) y agua

(H2O) y además se produce ATP.

Conforme se producen las reacciones, se va liberando calor, evitando de esta

forma la liberación de energía útil y calor de una sola vez y así se reducir al mínimo

el desperdicio.

TIPOS DE REACCIONES QUE INTERVIENEN EN LA RESPIRACION

CELULAR:

Deshidrogenaciones: Son reacciones en las cuales se eliminan dos hidrógenos (en

realidad dos electrones y dos protones) del sustrato, los cuales son transferidos a

una coenzima como el NAD o el FAD, que actúan como aceptores primarios:

H2 + NAD+ X + NAD-H + H+

Descarboxilaciones: Son reacciones en las que se elimina un grupo carboxilo

(COOH) en forma de una molécula de CO2; el dióxido de carbono que exhalan los

animales se deriva de estas reacciones.

R-COOH R-H + O=C=O

Reacciones Preparativas: En las que las moléculas sufren reordenamientos que las

preparan para deshidrogenaciones y descarboxilaciones subsecuentes.

SITIOS DONDE SE REALIZA LA RESPIRACION CELULAR

En organismos procariotas se lleva a cabo en la membrana celular

En organismos eucariotas se lleva a cabo en la mitocondria

TIPOS DE RESPIRACION: Anaerobia y Aerobia

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RESPIRACION ANAEROBIA

Las bacterias que viven en suelos inundados, aguas estancadas e intestinos de

animales, pueden efectuar toda la secuencia de respiración celular sin el oxigeno,

pueden por tanto, vivir sin oxigeno y se les llama Anaerobios, y a la secuencia se le

denomina RESPIRACION ANAEROBIA.

La respiración anaeróbica es un proceso biológico de oxido reducción de

azúcares y otros compuestos en el que el aceptor terminal de electrones es una

molécula, en general inorgánica, distinta del oxígeno. La realizan exclusivamente

algunos grupos de bacterias. En la respiración anaeróbica no se usa oxígeno, sino que

para la misma función se emplea otra sustancia oxidante distinta, como sulfato o

nitrato.

CH3COO

- +

NO

3

- +

H

+ →

CO

2 + HCCO

3

- +

N

2 +

H

2O (anóxica)

CH3COO

- + H

2O → CH

4 + HCO

3

- (anaerobia)

CH3COO

- + SO

4

-2 + H

+→ CO

2 + H

2S + HS

- + H

2O (anaerobia)

Los organismos que realizan este tipo de respiración pueden dividirse en:

organismos anaerobios estrictos, que mueren en presencia de oxígeno; organismos

anaerobios facultativos, que pueden usar el oxígeno si está presente; y organismos

aerotolerantes, que pueden vivir en presencia de oxígeno pero no hacen uso de él en

forma alguna.

Algunos organismos anaerobios facultativos como las levaduras, utilizan la

respiración anaerobia, más comúnmente llamada FERMENTACIÓN, para obtener

energía química, siendo el producto final un compuesto orgánico.

Existen diferentes tipos de fermentación en función de la ruta metabólica

utilizada por los organismos anaerobios.

Fermentación Alcohólica: se denomina así a aquella en la que se genera etanol:

C6H12O6 + 2Pi + 2ADP 2 C2H5OH + 2O2 + 2ATP + 2H2O

Fermentación láctica, en la que se genera ácido láctico. Este proceso lo realizan

bacterias lácticas, algunos protozoos y hongos.

También ocurre en tejido muscular de animales, cuando el aporte de oxígeno a

las células musculares no es suficiente para el metabolismo aerobio y la contracción

muscular. En ausencia de oxígeno, las células animales convierten el ácido pirúvico en

ácido láctico. El ácido láctico puede ser un veneno celular. Cuando se acumula en las

células musculares produce síntomas asociados con la fatiga muscular.

C6H12O6+ 2Pi +2ADP 2 C3H6O3 + 2ATP + 2H2O

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Fig. 1. Representación de la fermentación alcohólica y láctica.

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RESPIRACION AEROBIA

Proceso bioquímico catalizado enzimáticamente, que consiste en la

degradación escalonada de glucosa (y otros compuestos orgánicos) en presencia de

oxígeno y tiene como propósito la generación de energía biológicamente útil. Esta

energía es utilizada por las células para realizar trabajo celular.

En este proceso, se transfieren electrones desde la glucosa hasta el oxígeno

molecular (que interviene como reactivo en el paso final del proceso) para producir

energía, dióxido de carbono y agua.

Otros organismos no pueden extraer la energía sin el oxigeno, se les llama

Aerobios y a la secuencia se le denomina RESPIRACION AEROBIA. (Todos los

organismos aerobios son estrictos).

La reacción global parta el metabolismo de la glucosa de manera aerobia

puede resumirse así:

C6H12O6 + 6 O2 + H2O 6 CO2 + 12 H2O + ATP

La oxidación de la glucosa ocurre a través de una secuencia de reacciones que

pueden agruparse en cuatro fases:

Fig. 2. Las cuatro fases de la respiración aerobia. La primera fase, la glucolisis, ocurre en el citosol. Su producto, el

piruvato, entra en la mitocondria, donde continua la respiración celular con formación de acetilcoenzima A, ciclo del

acido cítrico y transporte de electrones/quimiósmosis. La mayor parte del ATP se sintetiza por quimiósmosis.

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1- GLUCOLISIS (ocurre en el citoplasma): conversión de la glucosa (6C) en dos

moléculas de piruvato (3C) y la formación de dos moléculas de ATP y dos de NADH.

C6H12O6+ADP+2Pi+2NAD+ 2PIRUVATO+2ATP+2NADH+2H++2H2O

Fig. 3. Glucolisis. Durante la glucolisis, cada molécula de glucosa se convierte en dos de piruvato, con rendimiento neto

de dos moléculas de ATP y dos de NADH. La fase de inversión de energía de la glucolisis lleva al desdoblamiento del

azúcar. ATP y NADH se producen durante la fase de captura de energía.

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Representación detallada de la glucolisis. Cada reacción de la glucolisis es

catalizada por una enzima específica. Nótese que hay un rendimiento neto de dos

moléculas de ATP y dos NADH.

Continúa en la siguiente imagen

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2- FORMACION DE ACETIL COENZIMA A Y CO2 (ocurre en la membrana

interna de la mitocondria): el piruvato se degrada en una molécula de dos carbonos

que se combina con la coenzima A para formar la acetilcoenzima A, liberándose CO2

2 PIRUVATO+2CoA+2NAD+ 2ACETIL CoA+2CO2+NADH+2H+

Fig. 4 Formación de acetilcoenzima A. El piruvato, una molécula de tres carbonos que es el producto terminal de la

glucolisis, ingresa en la mitocondria y experimenta descarboxilación oxidativa. En primer término, el grupo carboxilo se

disocia en la forma de dióxido de carbono. Luego, se oxida el fragmento residual de dos carbonos y sus electrones se

transfieren al NAD+. Por ultimo el grupo de dos carbonos oxidado, que es un grupo acetilo, se una a la Coenzima A

(CoA). Esta tiene un átomo de azufre, que forma un enlace muy inestable con el grupo acetilo.

Fig. 5. Representación detallada de la Formación de acetilcoenzima A.

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3- EL CICLO DE KREBS (ocurre en la matriz mitocondrial): Convierte el grupo

acetilo (fijo a la Co A) en CO2 y además se eliminan electrones y protones.

2ACETILCoA+6NAD++2FAD+2GDP+2Pi+2H2O4CO2+6NADH+6H++2FADH2+2GTP+2CoA

Fig. 6. Ciclo del Acido Cítrico. En el ciclo entran dos grupos acetilo por cada glucosa. Cada grupo acetilo de dos

carbonos, se combina con oxaloacetato de cuatro carbonos, para formar citrato de seis carbonos. Las dos moléculas de

CO2 se extraen para regenerar oxaloacetato y en el proceso se captura energía en la forma de un ATP, tres NADH y

un FADH2 por grupo acetilo (o dos ATP, seis NADH y dos FADH2 por glucosa).

Fig. 7. Representación de las reacciones de deshidrogenación, descarboxilación y preparativas en el ciclo de Krebs.

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Fig. 8. Representación detallada del Ciclo del Acido Cítrico. En el curso del ciclo del acido cítrico, la entrada de un

grupo acetilo de dos carbonos, es balanceada por la liberación de dos moléculas de CO2. Los electrones se transfieren

a NAD+ o FAD de lo que resultan NADH y FADH2 respectivamente y se forma ATP por fosforilación del sustrato.

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4-EL SISTEMA DE TRANPORTE DE ELECTRONES Y LA FOSFORILACION

QUIMIOSMOTICA: que procesan los electrones y protones extraídos de la

molécula combustible durante las fases precedentes.

NADH+H++3ADP+3Pi+½O2 NAD+3ATP+H2O

El oxigeno es el aceptor final del hidrogeno y de los electrones que descienden por

la cadena de transporte. Cuando no se dispones del oxigeno, el ultimo citocromo de

la cadena no puede transferir sus electrones; entonces el aceptor precedente

tampoco puede hacerlo y así sucesivamente, de manera que se bloquea por completo

el sistema entero de transporte hasta el NADH, por lo que ya no se produce ATP.

Fig. 9. Representación del transporte de electrones y quimiósmosis. La cadena de transporte de electrones en la

membrana mitocondrial incluye tres bombas de protones que se localizan en tres de los cuatro complejos de transporte

de electrones. La energía liberada durante dicho transporte se utiliza para llevar protones (H+) de la matriz

mitocondrial al espacio intermembranoso, donde se acumula una alta concentración de protones. Se impide que estos se

difundan de nuevo hacia la matriz, excepto en conductos especiales en el complejo ATP sintetasa en la membrana

interna. El flujo de protones a través del complejo genera ATP.

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Fig. 10. Representación de los sistemas de transporte de electrones. Sistemas I, II, III y Sintetasa ATP.

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PRODUCCION DE ENERGIA EN LA OXIDACION DE LA GLUCOSA

TIPO DE RESPIRACIÓN RENDIMIENTO NETO ENERGÉTICO

Respiración Anaerobia 2 ATP

Fermentación 2 ATP

Respiración Aerobia 36-38 ATP

COMPARACIÓN ENTRE RESPIRACIÓN AEROBIA, ANAEROBIA Y FERMENTACIÓN

Respiración

aerobia

Respiración

anaerobia

Fermentación

Destino inmediato de

los electrones del

NADH

Transferencia a una

cadena de transporte de

electrones.

Transferencia a una

cadena de transporte de

electrones.

Transferencia a una molécula

orgánica.

Aceptor terminal en la

cadena de transporte

de electrones

O2 Sustancias inorgánicas,

como NO3; o SO4-3

(No hay cadena de transporte

de electrones)

Producto o productos

reducidos formados

Agua Sustancias inorgánicas

relativamente reducidas.

Compuestos orgánicos

relativamente reducidos (por

lo común alcohol o lactano).

Mecanismo de síntesis

de ATP

Quimiósmosis, también

fosforilaciòn a nivel del

sustrato.

Quimiósmosis, también

fosforilaciòn a nivel del

sustrato.

Solo fosforilaciòn a nivel del

sustrato (durante la glucolisis).