Transformaciones energéticas - la respiración celular

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Transformaciones energéticas - la respiración celular 
 
La energía es necesaria para mantener la estructura organizada del 
cuerpo, para realizar distintos trabajos como desplazarse en 
búsqueda de alimento y de pareja, ingerir y digerir el alimento y 
adaptarse a los cambios ambientales. Se necesita energía para 
crecer. 
 
Aceptando que la energía no se crea ni se destruye, ésta proviene 
de la energía de los enlaces químicos de la celulosa y la lignina, 
compuestos orgánicos característicos de los vegetales. Al romperse 
las uniones la energía potencial contenida en ellos se libera en 
forma de energía luminosa y energía calórica. 
 
La degradación de un compuesto orgánico produciendo dióxido de 
carbono y agua y liberando energía recibe el nombre de 
combustión, la cual solo ocurre en presencia del oxigeno. 
 
El alimento y la energía en los seres vivos 
 
La energía que posibilita la vida proviene de la combustión de las 
moléculas de alimento, proceso denominado respiración celular, el 
cual ocurre en el interior de cada celula. En las células eucariontes, 
se produce en las mitocondrias. Durante la respiración celular el 
alimento se “combustiona” produciendo CO2 y H2O, el cual es un 
proceso catabólico y exergónico. 
 
La respiración celular es un proceso ordenado y regulado, 
catalizado por enzimas, en el que la energía se libera en etapas. 
Durante el mismo, no se libera luz. Parte de la energía contenida en 
el alimento es transformada en forma de calor y el resto (aprox. 
40%) es captada y utilizada para formar ATP a partir de ADP + Pi. 
 
La molecula de ATP contiene más energía que la molecula ADP, 
energía contenida entre el segundo y tercer fósforo. 
 
En los animales existen sistemas de órganos que incorporan el 
alimento del medio externo y lo distribuyen a cada una de las 
células. El sistema digestivo es el encargado de digerirlo, el 
circulatorio lo distribuye. El respiratorio se encarga de tomar 
oxigeno del aire e incorporarlo al cuerpo, y el circulatorio lo 
distribuye. En las plantas, el alimento se distribuye a través de un 
tejido denominado floema. 
 
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Las mitocondrias 
 
El proceso de respiración celular ocurre en las mitocondrias, 
organelas citoplasmáticas rodeadas por membranas. La forma de la 
mitocondria es variable y depende tanto del tipo celular como asi 
también del estado funcional, por lo general son filamentosas o 
granulosas, aunque a veces se las ve como vesículas o bastones. 
 
En general, se encuentran localizadas en regiones de las células 
donde la demanda energética es mayor, en algunas células están 
fijas como en los espermatozoides, las células musculares y las 
células grasas. En las neuronas son especialmente numerosas en 
los terminales del axón desde donde se secretan los 
neurotransmisores. 
 
A medida que las células crecen, las mitocondrias aumentan de 
tamaño y se multiplican de manera semejante a como lo hacen las 
bacterias. Cuando las células se dividen, las mitocondrias se 
distribuyen en cantidades aproximadamente iguales entre las 
células hijas. La cantidad de mitocondrias está relacionada con el 
tipo de celula y con sus requerimientos energéticos. 
 
Las mitocondrias tienen ADN y toda la maquinaria necesaria para 
sintetizar proteínas. Sin embargo, la mayoría de las proteínas 
mitocondriales están codificadas en el ADN nuclear y se sintetizan 
en ribosomas que se encuentran en el citoplasma. 
 
Poseen dos membranas que difieren en su composición química y 
propiedades: la membrana externa y la membrana interna. Están 
casi paralelas, pero la interna posee numerosos plegamientos 
(crestas) que aumentan considerablemente la superficie de la 
misma. Entre las dos membranas queda definido el espacio 
intermembrana. En el centro de la organela y limitado por las 
crestas mitocontriales, está la matriz mitocondrial, una cámara 
continua. 
 
La membrana externa posee una proporción de lípidos mayor que 
la membrana interna. Hay mayor concentración de colesterol y 
fosfatidilnositol. Es libremente permeable a los electrolitos, agua, 
sacarosa y moléculas de hasta 10000 Dalton. 
 
 
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La membrana interna tiene una mayor proporción de proteínas que 
de lípidos. Es muy poco permeable a iones y a protones. Entre las 
proteínas que componen esta membrana se encuentran los 
distintos aceptores (Citocromos) que intervienen en el transporte de 
electrones. En su cara interna encontramos algunas partículas 
proteicas llamadas partículas elementales o F1, asociadas con la 
síntesis de ATP. 
 
La matriz mitocondrial es un gel denso con alta concentración de 
proteínas solubles que participan en el proceso de respiración 
celular y en la oxidación de ácidos grasos. También allí hay 
ribosomas del tipo procarionte y ADN circular. 
 
La respiración celular 
 
La respiración celular es un proceso de óxido reducción 
 
Es un proceso por el cual las moléculas orgánicas, especialmente 
glucosa, son degradadas a CO2 y H2O en presencia de O2. 
 
C6H2O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 12 H2O + ENERGÍA 
 
Todo el proceso se divide en tres etapas. La primera, glicólisis, 
ocurre en el citoplasma y consiste en la ruptura de la molecula de 
glucosa en dos moléculas de 3 átomos de carbono. La segunda 
ocurre en la matriz mitocondrial, y se llama ciclo de Krebs (o del 
ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos). La tercera es la cadena 
respiratoria que ocurre en la membrana mitocondrial interna. 
Además de la cadena se produce la fosforilación oxidativa, es decir 
la síntesis de ATP. 
 
La glucólisis 
 
Es la ruptura del “azúcar”. Un proceso catabólico constituido por 
nueve pasos enzimáticos en los cuales, una molecula de glucosa es 
oxidada hasta dos moléculas de acido pirúvico o pirúvico (3 
carbonos), cada paso es catalizado por una enzima diferente, las 
nueve enzimas están en el citoplasma celular. 
 
El proceso es exergónico; parte de la energía es liberada en forma 
de calor mientras que otra parte es utilizada para la síntesis de ATP 
a partir de ADP y Pi. Finalmente se obtienen más moléculas de ATP 
que las que se utilizan para iniciar el proceso. 
 
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Los electrones y protones que se producen durante esta primera 
oxidación de la glucosa pasan a reducir un compuesto denominado 
ácido nicotínadeníndinucleótido (NAD+), cuya forma reducida es 
NADH+H+. El NAD+ es una coenzima de las enzimas 
deshidrogenasas: los electrones liberados en la oxidación de la 
glucosa son transferidos al NAD+ quien en una etapa posterior los 
cede al O2. 
 
El ciclo de Krebs 
 
El acido pirúvico formado durante la glucólisis entra a la mitocondria 
atravesando libremente la membrana externa y también, por un 
mecanismo de simporte con protones, la membrana interna. 
 
Allí, las moléculas de pirúvico sufren una decarboxilación oxidativa 
en la que interviene una enzima que tiene varios cofactores, uno de 
los cuales es la Coenzima A. El acido pirúvico se transforma en una 
molecula de acetilo (2 carbonos) activado, se desprende una 
molecula de CO2 y se reduce una molecula de NAD+. 
 
Los acetilos se incorporan al ciclo de Krebs, que consiste en una 
serie de reacciones químicas al final de las cuales se regenera el 
compuesto inicial. Éste es un compuesto de 4 carbonos llamado 
ácido oxalacético. 
 
Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa 
 
Las moléculas de NADH+ H+ se oxidan cediendo sus electrones y 
protones a una serie de aceptores que se encuentran embebidos en 
las crestas de la membrana mitocondrial interna. Estos aceptores 
son secuencialmente: el complejo NADH deshidrogenasa, la 
ubiquinona, el complejo citocromo b-c1, el citocromo c y el complejo 
citocromo oxidasa. 
 
Cuando el NADH+ H+ cede sus electrones al complejo NADH 
deshidrogenasa, vuelve a su estado oxidado, mientras que el 
complejo se reduce. Luego, éste se oxida al ceder su s electrones al 
segundo aceptor de la cadena. Así, los electrones van pasando de 
un aceptor a otro hasta llegar al O2 quien se reduce y junto a los H+ 
del medio se convierte en H2O.5 
Este proceso libera energía que se utiliza para formar ATP a partir 
de ADP + Pi. 
 
El modelo quimiosmótico 
 
La energía liberada durante el pasaje de electrones a través de la 
cadena de aceptores es utilizada para bombear protones hacia uno 
de los lados de una membrana esencialmente impermeable a ellos. 
 
A medida que los electrones fluyen desde el complejo NADH 
deshidrogenasa hacia el O2, se produce un bombeo activo de 
protones hacia el espacio intermembrana, lo que genera un 
gradiente electroquímico. Los protones acumulados pueden fluir 
hacia el interior de la mitocondria a través del complejo ATP 
sintetasa, una proteína integral de la membrana interna que cumple 
la función de canal de protones y que además tiene actividad 
enzimática de ATP sintetasa. A medida que los protones fluyen, la 
energía acumulada en el gradiente electroquímico se transforma en 
energía química, es decir que se sintetiza ATP. 
 
Por cada par de electrones transferidos desde el NADH+H+ hasta el 
O2 se producen alrededor de 3 moléculas de ATP. 
 
Balance energético de la respiración celular 
 
Este proceso es muy eficiente ya que del 100% de la energía de las 
moléculas de alimento, el 40% queda atrapado en moléculas de 
ATP y en el gradiente de protones a través de la membrana 
mitocondrial que facilita el transporte de sustancias a través de la 
misma. El resto de la energía es energía calórica, que contribuye a 
aumentar de temperatura en el interior de la celula y en sus 
alrededores, importante para la actividad enzimática. La energía de 
una molecula de glucosa alcanza para producir 38 ATPs. 
 
El ciclo de Krebs como nudo del metabolismo celular 
 
Además de ser el camino a través del cual se oxidan los 
monosacáridos, los aminoácidos y los ácidos grasos para obtener 
energía, también es una ruta de síntesis de compuestos. Los otros 
aminoácidos y todas las bases nitrogenadas pueden sintetizarse 
también a partir de los intermediarios de Krebs. Los ácidos grasos 
se oxidan completamente en el ciclo de Krebs. 
 
 
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Al no poder sintetizar algunos aminoácidos y ácidos grasos, 
debemos incorporarlos obligatoriamente en la dieta: son los 
aminoácidos y ácidos grasos esenciales. 
 
La obtención de energía en ausencia de oxigeno 
 
En ausencia de oxigeno, hay muchos microorganismos actuales 
que son capaces de re oxidar el NADH+H+ reduciendo las 
moléculas de pirúvico formada en la glucolisis, procesos que 
reciben el nombre de fermentación. 
 
Una de ellas es la fermentación láctica cuyo producto final es el 
acido láctico. Ocurre en bacterias y algunas células animales, 
cuando la disponibilidad de oxigeno es escasa. También ocurre en 
células musculares y en glóbulos rojos. 
 
Otra fermentación es alcohólica, cuyo producto final es alcohol 
etílico y ocurre fundamentalmente en algunos hongos.