Respiración aerobia: características, etapas y organismos
La respiración aerobia o aeróbica es un proceso biológico que implica la obtención de energía de moléculas orgánicas – principalmente de la glucosa – por una serie de reacciones de oxidación, donde el aceptor final de los electrones es el oxígeno.
Este proceso está presente en la gran mayoría de los seres orgánicos, específicamente de los eucariotas. Todos los animales, las plantas y los hongos respiran de forma aeróbicas. Adicionalmente, algunas bacterias también exhiben un metabolismo aerobio.
De manera general, el proceso de obtención de energía de la molécula de glucosa se divide en glucólisis (este paso es común tanto en el vía aeróbica como anaeróbica), ciclo de Krebs y cadena transportadora de electrones.
El concepto de respiración aeróbica se opone a la respiración anaeróbica. En esta última, el aceptor final de los electrones es otra sustancia inorgánica, distinta al oxígeno. Es típica de algunos procariotas.
Índice del artículo
- 1 ¿Qué es el oxígeno?
- 2 Características de la respiración
- 3 Procesos (etapas)
- 4 Organismos con respiración aeróbica
- 5 Diferencias con la respiración anaeróbica
- 6 Referencias
Antes de discutir el proceso de respiración aeróbica, es menester conocer ciertos aspectos de la molécula de oxígeno.
Es un elemento químico representado en la tabla periódica con la letra O, y el número atómico 8. En las condiciones estándar de temperatura y presión, el oxígeno tiende al enlazarse en pares, dando lugar a la molécula de dioxígeno.
Este gas, formado por dos átomos se oxígeno, carece de color, olor o sabor, y se representa con la fórmula O2. En la atmósfera, es un componente destacado, y es necesario para sostener la mayoría de las formas de vida en la tierra.
Gracias a la naturaleza gaseosa del oxígeno, la molécula es capaz de atravesar libremente las membranas celulares – tanto la membrana externa que separa a la célula del ambiente extracelular, como las membranas de los compartimientos subcelulares, entre estos las mitocondrias.
Las células utilizan las moléculas que ingerimos por medio de nuestra dieta como una especie de “combustible” respiratorio.
La respiración celular es el proceso generador de energía, en forma de moléculas de ATP, donde las moléculas a degradar experimentan oxidación y el aceptor final de los electrones es, en la mayoría de los casos, una molécula inorgánica.
Un rasgo esencial que permite llevar a cabo los procesos de respiración es la presencia de una cadena transportadora de electrones. En la respiración aeróbica, el aceptor final de los electrones es la molécula de oxígeno.
En condiciones normales, estos “combustibles” son los hidratos de carbono o carbohidratos y las grasas o lípidos. A medida que el cuerpo entra en condiciones precarias por falta de alimento, recurre al uso de las proteínas para intentar satisfacer sus demandas energéticas.
La palabra respiración forma parte de nuestro vocabulario en la vida cotidiana. Al acto de tomar aire en nuestros pulmones, en ciclos continuos de exhalaciones e inhalaciones lo llamamos respiración.
Sin embargo, en el contexto formal de las ciencias biológicas, dicha acción se designa con el término ventilación. Así, el término respiración se usa para referirse a procesos que tienen lugar a nivel celular.
Las etapas de la respiración aeróbica implican los pasos necesarios para extraer energía de moléculas orgánicas – en este caso describiremos el caso de la molécula de glucosa como combustible respiratorio – hasta llegar al aceptor de oxígeno.
Esta compleja vía metabólica se divide en glucólisis, ciclo de Krebs y cadena transportadora de electrones:
El primer paso para la degradación del monómero de glucosa es la glucólisis, también llamada glicólisis. Este paso no requiere oxígeno directamente, y está presente en, virtualmente, todos los seres vivos.
El objetivo de esta vía metabólica es la escisión de la glucosa en dos moléculas de ácido pirúvico, la obtención de dos moléculas netas de energía (ATP) y la reducción de dos moléculas de NAD+.
En presencia de oxígeno, la ruta puede continuar al ciclo de Krebs y a la cadena transportadora de electrones. En caso de que el oxígeno esté ausente, las moléculas seguirían la ruta de la fermentación. En otras palabras, la glucólisis es una vía metabólica común de la respiración aeróbica y anaeróbica.
Previamente al ciclo de Krebs, debe ocurrir la descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico. Este paso es mediado por un complejo enzimático muy importante, denominado piruvato deshidrogenasa, que lleva a cabo la reacción antes mencionada.
Así, el piruvato pasa a ser un radical acetilo que es captado posteriormente por la coenzima A, el encargado de transportarlo hasta el ciclo de Krebs.
El ciclo de Krebs, también conocido como ciclo del ácido cítrico o ciclo de ácido tricarboxílico, consiste en una serie de reacciones bioquímicas catalizadas por enzimas específicas que buscan liberar de manera gradual la energía química almacenada en el acetil coenzima A.
Es una vía que oxida por completo a la molécula de piruvato y ocurre en la matriz de la mitocondria.
Este ciclo se fundamenta en una serie de reacciones de oxidación y reducción que transfieren la energía potencial en forma de electrones a elementos que los acepte, particularmente a la molécula de NAD+.
Cada molécula de ácido pirúvico se rompe en dióxido de carbono y una molécula de dos carbonos, conocido como grupo acetilo. Con la unión a la coenzima A (mencionada en el apartado anterior) se forma el complejo acetil coenzima A.
Los dos carbonos del ácido pirúvico ingresan al ciclo, se condensan con el oxalacetato y se forma una molécula de citrato de seis carbonos. Así, ocurren las reacciones escalonadas oxidativas. El citrato vuelve a oxalacetato con una producción teórica de 2 moles de dióxido de carbono, 3 moles de NADH, 1 de FADH2 y 1 mol de GTP.
Como se forman dos moléculas de piruvato en la glucólisis, una molécula de glucosa supone dos revoluciones del ciclo de Krebs.
Una cadena transportadora de electrones consiste en una secuencia de proteínas que tienen la capacidad de llevar a cabo reacciones de oxidación y de reducción.
El paso de los electrones por dichos complejos proteicos se traduce en una liberación gradual de energía que posteriormente se usa en la generación de ATP por vía quimioosmótica. Es importante destacar que la última reacción de la cadena es del tipo irreversible.
En los organismos eucariotas, que poseen compartimientos subcelulares, los elementos de la cadena transportadora se encuentran anclados a la membrana de las mitocondrias. En los procariotas, que carecen dichos compartimientos, los elementos de la cadena se localizan en la membrana plasmática de la célula.
Las reacciones de esta cadena conducen a la formación de ATP, por medio de la energía obtenida por el desplazamiento del hidrógeno por los transportadores, hasta llegar al aceptor final: el oxígeno, reacción que produce agua.
La cadena está compuesta por tres variantes de transportadores. La primera clase son las flavoproteínas, caracterizadas por la presencia de flavina. Este tipo de transportador puede realizar dos reacciones tipos de reacciones, tanto de reducción como de oxidación, de manera alternativa.
El segundo tipo está formado por los citocromos. Estas proteínas tienen un grupo hemo (como el de la hemoglobina), que puede presentar distintos estados de oxidación.
La última clase de transportador es la ubiquinona, también conocida como coenzima Q. Estas moléculas no son de naturaleza proteica.
La mayoría de los organismos vivos poseen una respiración del tipo aeróbica. Es típica de los organismos eucariotas (los seres con un núcleo verdadero en sus células, delimitado por una membrana). Todos los animales, plantas y hongos respiran de forma aeróbica.
Los animales y los hongos son organismos heterótrofos, lo que significa que el “combustible” que será usado en la vía metabólica de la respiración debe ser consumido activamente en la dieta. En contraste con las plantas, que tienen la capacidad de producir su propio alimento por la vía fotosintética.
Algunos géneros de procariotas también necesitan del oxígeno para su respiración. Específicamente, existen bacterias aeróbicas estrictas – es decir, solo crecen en ambientes con oxígeno, como por ejemplo las pseudomonas.
Otros géneros de bacterias tienen la capacidad de cambiar su metabolismo a aerobio al anaerobio según las condiciones ambientales, como las salmonelas. En los procariotas, el ser aeróbico o anaeróbico es una característica importante para su clasificación.
El proceso opuesto a la respiración aeróbica es la modalidad anaeróbica. La diferencia más obvia entre ambas es la utilización del oxígeno como aceptor final de electrones. La respiración anaeróbica emplea otras moléculas inorgánicas como aceptores.
Además, en la respiración anaeróbica el producto final de las reacciones es una molécula que aún posee potencial para seguir oxidándose. Por ejemplo, el ácido láctico formado en los músculos durante la fermentación. En contraste, los productos finales de la respiración aeróbica son el dióxido de carbono y el agua.
También existen diferencias desde el punto de vista energético. En la vía anaeróbica, se producen solamente dos moléculas de ATP (correspondiente a la vía glucolítica), mientras que en la respiración aeróbica el producto final es generalmente unas 38 moléculas de ATP – lo cual es una diferencia significativa.
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