Respiración anaerobia: características, ejemplos, tipos
La respiración anaerobia o anaeróbica es una modalidad metabólica donde se libera energía química partiendo de moléculas orgánicas. El aceptor final de electrones de todo este proceso es una molécula diferente al oxígeno, como el ion nitrato o sulfatos.
Los organismos que presentan este tipo de metabolismo son procariotas y se les denomina organismos anaerobios. Los procariotas que son estrictamente anaerobios solo puede vivir en ambientes donde el oxígeno no se encuentra presente, ya que resulta altamente tóxico y hasta letal.
Ciertos microorganismos – bacterias y levaduras – obtienen su energía a través del proceso de fermentación. En este caso, el proceso no requiere de oxígeno ni una cadena transportadora de electrones. Después de la glicólisis, se añaden un par de reacciones extra y el producto final puede ser el alcohol etílico.
Durante años, la industria se ha aprovechado de este proceso para producir productos de interés para el consumo humano, como lo son el pan, el vino, la cerveza, entre otros.
Nuestros músculos también son capaces de llevar a cabo respiración anaerobia. Cuando estas células son sometidas a un esfuerzo intenso, empieza el proceso de fermentación láctica, que se traduce en la acumulación del este producto en los músculos, creando fatiga.
Índice del artículo
- 1 Características de la respiración anaeróbica
- 2 Tipos de respiración anaerobia
- 3 Diferencias con la fermentación
- 4 Ejemplos de organismos con respiración anaerobia
- 5 Relevancia ecológica
- 6 Diferencias con la respiración aeróbica
- 7 Referencias
La respiración es el fenómeno mediante el cual se obtiene energía en forma de ATP, partiendo de diversas moléculas orgánicas – principalmente hidratos de carbono. Este proceso tiene lugar gracias a diversas reacciones químicas que ocurren en el interior de las células.
Aunque la principal fuente en energía en la mayoría de los organismos es la glucosa, otras moléculas pueden ser usadas para la extracción de energía, como otros azucares, ácidos grasos o en casos de extrema necesidad, aminoácidos – los bloques estructurales de las proteínas.
La energía que cada molécula es capaz de liberar se cuantifica en joules. Las rutas o vías bioquímicas de los organismos para la degradación de dichas moléculas dependen principalmente de la presencia o no del oxígeno. De esta manera, podemos clasificar a la respiración en dos grandes grupos: anaerobia y aeróbica.
En la respiración anaeróbia, existe una cadena transportadora de electrones que genera ATP, y el aceptor final de los electrones es una sustancia orgánica como el ión nitrato, sulfatos, entre otros.
Es importante no confundir a este tipo de respiración anaerobia con la fermentación. Ambos procesos son independientes del oxígeno, pero en este último no existe una cadena transportadora de electrones.
Existen múltiples rutas por las cuales un organismo puede respirar sin oxígeno. Si no existe una cadena transportadora de electrones, la oxidación de la materia orgánica será acoplada con la reducción de otros átomos de la fuente de energía en el proceso de fermentación (ver más adelante).
En caso de que exista una cadena transportadora, el papel de aceptor final de electrones pueden tomarlo diversos iones, entre ellos el nitrato, hierro, manganeso, sulfatos, dióxido de carbono, entre otros.
La cadena transportadora de electrones es un sistema de reacciones oxido reducción que lleva a la producción de energía en forma de ATP, por una modalidad denominada fosforilación oxidativa.
Las enzimas involucradas en el proceso se encuentran en el interior de la bacteria, ancladas a la membrana. Los procariotas cuentan con dichas invaginaciones o vesículas que recuerdan a las mitocondrias de los organismos eucariotas. Este sistema varía ampliamente entre las bacterias. Las más comunes son:
Un amplio grupo de bacterias con respiración anaerobia son catalogadas como bacterias reductoras de nitratos. En este grupo, el aceptor final de la cadena transportadora de electrones es el ion NO3–.
Dentro de este grupo existen diferentes modalidades fisiológicas. Los reductores de nitratos pueden ser del tipo respiratorios donde el ion NO3– pasa a ser NO2–; pueden ser denitrificantes, donde dicho ion pasa a N2, o bien del tipo asimilador donde el ión en cuestión se transforma en NH3.
Los donadores de electrones pueden ser piruvato, succinato, lactato, glicerol, NADH, entre otros. El organismo representativo de este metabolismo es la conocida bacteria Escherichia coli.
Solo unas pocas especies de bacterias anaeróbicas estrictas son capaces de tomar el ion sulfato y convertirlo en S2- y agua. Unos pocos sustratos son usados para la reacción, entre los más comunes están el ácido láctico y los ácidos dicarboxílicos de cuatro carbonos.
Las arqueas son organismos procariotas que suelen habitar regiones extremas, y se caracterizan por exhibir vías metabólicas muy particulares.
Una de estas son las arqueas capaces de producir metano y para lograrlo usan al dióxido de carbono como aceptor final. El producto final de la reacción es gas metano (CH4).
Estos organismos solo habitan en zonas muy puntuales de los ecosistemas, donde la concentración de hidrógeno sea elevada, ya que es uno de los elementos necesarios para la reacción – como fondo de los lagos o el tracto digestivo de ciertos mamíferos.
Como mencionamos, la fermentación es un proceso metabólico que no requiere la presencia de oxígeno para llevarse a cabo. Nótese que difiere de la respiración anaerobia mencionada en el apartado anterior por la ausencia de una cadena transportadora de electrones.
La fermentación se caracteriza por ser un proceso que libera energía partiendo de azúcares u otras moléculas orgánicas, no requiere de oxígeno, no necesita de ciclo de Krebs o de cadena transportadora de electrones, su aceptor final es una molécula orgánica y produce pequeñas cantidades de ATP – una o dos.
Una vez que la célula ha culminado el proceso de glucólisis, obtiene dos moléculas de ácido pirúvico por cada molécula de glucosa.
En caso de que no exista la disponibilidad de oxígeno, la célula puede recurrir a la generación de alguna molécula orgánica para lograr generar el NAD+ o NADP+ que puede ingresar nuevamente a otro ciclo de glucólisis.
Dependiendo del organismo que lleva a cabo la fermentación, el producto final puede ser ácido láctico, etanol, ácido propiónico, ácido acético, ácido butírico, butanol, acetona, alcohol isopropílico, ácido succínico, ácido fórmico, butanediol, entre otros.
Estas reacciones también suelen estar asociadas con la excreción de dióxido de carbono o moléculas de dihidrógeno.
El proceso de respiración anaerobia es típico de los procariotas. Este grupo de organismos se caracteriza por carecer de un núcleo verdadero (delimitado por una membrana biológica) y compartimientos subcelulares, como mitocondrias o cloroplastos. Dentro de este grupo están las bacterias y las arqueas.
A los microorganismos que se ven afectados de manera letal por la presencia de oxígeno se les denomina anaeróbicos estrictos, como el género Clostridium.
Poseer un metabolismo del tipo anaeróbico les permite a estos microorganismos colonizar ambientes extremos carentes de oxígeno, donde los organismos aeróbicos no podrían habitar, como aguas muy profundas, suelos o el tracto digestivo de algunos animales.
Adicionalmente, existen algunos microorganismos capaces de alternar entre el metabolismo de tipo aeróbico y el de tipo anaeróbico, dependiendo de sus necesidades y de las condiciones del ambiente.
Sin embargo, existen bacterias con respiración aeróbica estricta que solamente puede crecer y desarrollarse en ambientes ricos en oxígeno.
En las ciencias microbiológicas, el conocimiento del tipo de metabolismo es un carácter que ayuda a la identificación de los microorganismos.
Además, existen otros organismos capaces de realizar vías respiratorias sin necesidad de oxígeno ni cadena transportadora, es decir, fermentan.
Entre ellos encontramos algunos tipos de levaduras (Saccharomyces), bacterias (Streptococcus, Lactobacillus, Bacillus, Propionibacterium, Escherichia, Salmonella, Enterobacter) y hasta nuestras propias células musculares. Durante el proceso, cada especie se caracteriza por excretar un producto diferente.
Algunos organismos del género Geobacter, tales como G. metallireducens y G. sulphurreducens pueden utilizar sustancias húmicas como dadora de electrones y utilizar nitrato y/o fumarato como aceptores de electrones.
En general, los organismos que realizan este proceso reducen los nitratos (No3–) a nitritos (No2–) por medio de la enzima nitrato reductasa. A su vez, los nitritos pueden ser utilizados como aceptores de electrones por otros organismos.
Desulfovibrio desulfuricans es una bacteria sulfato reductora. Esta especie de bacterias utilizan sulfato como aceptor final de electrones.
Los organismos vivos tienen una gran capacidad de adaptación, lo que ha permitido que muchos puedan utilizar múltiples aceptores de electrones.
Es el caso de Anaeromyxobacter dehalogenans, una cepa que puede utilizar como aceptores de electrones, compuestos tan diferentes como nitritos, nitratos, hierro, oxigeno, fumarato e incluso uranio.
Desde el punto de vista de la ecología, la respiración anaerobia cumple funciones trascendentales dentro de los ecosistemas. Este proceso tiene lugar en distintos hábitat, como los sedimentos marinos o de cuerpos de agua dulce, ambientes profundos del suelo, entre otros.
Algunas bacterias toman sulfatos para formar sulfuro de hidrógeno y usan carbonato para la formación de metano. Otras especies son capaces de usar el ion nitrato y reducirlo a ion nitrito, óxido nitroso o nitrógeno gaseoso.
Estos procesos son vitales en los ciclos naturales, tanto para el nitrógeno como para el azufre. Por ejemplo, la vía anaerobia es la ruta principal por la cual el nitrógeno es fijado y es capaz de regresar a la atmósfera en forma de gas.
La diferencia más obvia entre estos dos procesos metabólicos es la utilización del oxígeno. En la aeróbica, esta molécula actúa como aceptor finales de electrones.
Energéticamente, la respiración aeróbica es mucho más provechosa, ya que libera cantidades importantes de energías – cerca de 38 moléculas de ATP. En contraste, la respiración en ausencia de oxígeno se caracteriza por un número mucho menor de ATP, que varía ampliamente dependiendo del organismo.
Los productos de excreción también varían. La respiración aeróbica finaliza con la producción de dióxido de carbono y agua, mientras que en la aeróbica los productos intermediarios son variados – como el ácido láctico, el alcohol u otros ácidos orgánicos, por ejemplo.
En términos de rapidez, la respiración aeróbica toma mucho más tiempo. Así, el proceso anaeróbico representa para los organismos una fuente rápida de energía.
- Baron, S. (1996). Medical Microbiology. 4th edition. University of Texas Medical Branch at Galveston.
- Beckett, B. S. (1986). Biology: a modern introduction. Oxford University Press, USA.
- Fauque, G. D. (1995). Ecology of sulfate-reducing bacteria. In Sulfate-Reducing Bacteria (pp. 217-241). Springer, Boston, MA.
- Soni, S. K. (2007). Microbes: a source of energy for 21st century. New India Publishing.
- Wright, D. B. (2000). Human physiology and health. Heinemann.