Respiración Celular Aerobia: Etapas y Localización

La respiración celular aerobia es un proceso catabólico fundamental mediante el cual las células obtienen energía a partir de la glucosa. Este proceso implica la oxidación completa del ácido pirúvico (proveniente de la glucólisis) a CO₂ y agua, utilizando oxígeno (O₂) como aceptor final de electrones. Aunque se libera poca energía directamente en algunas etapas, la mayor parte se obtiene en la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa.

Etapas de la Respiración Celular Aerobia

1. Transformación del ácido pirúvico en acetil-CoA: Esta descarboxilación oxidativa es catalizada por el complejo multienzimático piruvato deshidrogenasa y ocurre en la matriz mitocondrial.
2. Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico): En este ciclo, se produce una serie de reacciones en la matriz mitocondrial, donde se encuentran las enzimas necesarias. Los ácidos orgánicos se oxidan, liberando CO₂ y generando poder reductor (NADH y FADH₂).
3. Cadena de transporte de electrones: Ubicada en la membrana interna de las crestas mitocondriales, esta cadena consta de una serie de enzimas oxidorreductasas. Los electrones obtenidos en las fases catabólicas anteriores son transferidos a través de estos complejos hasta el oxígeno (O₂), el aceptor final.
4. Fosforilación oxidativa: Este proceso, acoplado a la cadena de transporte de electrones, es donde se produce la mayor parte del ATP. La enzima ATP sintetasa, ubicada en la membrana interna mitocondrial, utiliza la energía liberada por el flujo de electrones para sintetizar ATP.

Respiración Aerobia: Visión General

La respiración aerobia es el proceso de oxidación total de la glucosa que ocurre en las mitocondrias. El ácido pirúvico, resultante de la glucólisis, se oxida completamente a CO₂ a través de la descarboxilación oxidativa y el ciclo de Krebs. Los nucleótidos reducidos (NADH y FADH₂) transfieren electrones al O₂, el aceptor final, a través de la cadena transportadora de electrones. La fosforilación oxidativa, acoplada a este transporte, produce ATP. El rendimiento energético total es de 36 o 38 moléculas de ATP por molécula de glucosa, dependiendo del tipo de célula.

Glucólisis: La Ruta Inicial

La glucólisis es un conjunto de reacciones anaeróbicas (no requieren oxígeno) que ocurren en el citosol de la célula. En este proceso, la glucosa (6 carbonos) se degrada a dos moléculas de ácido pirúvico (3 carbonos). La glucólisis es una ruta metabólica primitiva utilizada por casi todas las células (tanto procariotas como eucariotas) para obtener energía a partir de glúcidos. El resultado neto de la glucólisis es: 2 moléculas de ácido pirúvico, 2 ATP, 2 NADH y 2 H⁺.

Fermentación: Obtención de Energía sin Oxígeno

La fermentación es un proceso catabólico en el que no interviene la cadena respiratoria. El aceptor final de protones y electrones es un compuesto orgánico, y siempre se genera un compuesto orgánico como producto. Es un proceso anaerobio (no requiere O₂). El rendimiento energético es bajo, obteniéndose solo 2 ATP por molécula de glucosa (producidos en la glucólisis por fosforilación a nivel de sustrato). Es característica de microorganismos como levaduras y bacterias.

Tipos de Fermentación

• Fermentación alcohólica: Ruta catabólica anaerobia donde el aceptor final de electrones es una molécula orgánica sencilla que, al reducirse, se transforma en etanol. La enzima alcohol deshidrogenasa cataliza esta reacción a partir del ácido pirúvico procedente de la glucólisis.
• Fermentación láctica: Ruta catabólica anaerobia donde el aceptor final de electrones es una molécula orgánica sencilla que, al reducirse, se transforma en ácido láctico. El ácido láctico se origina a partir del ácido pirúvico procedente de la glucólisis.

Ambos procesos son catabolismos parciales, ya que los productos finales aún contienen enlaces de alta energía. El rendimiento energético es, por tanto, bajo.

Fotosistemas: Captura de Energía Lumínica

Un fotosistema es una unidad estructural en la membrana tilacoidal de los cloroplastos donde se produce la captación de energía solar y la liberación de electrones de alta energía. Un fotosistema está compuesto por:

• Complejo antena: Formado por cientos de moléculas de clorofila y otros pigmentos (xantofilas y carotenoides). Estos pigmentos absorben la luz y actúan como una «antena» para atrapar fotones. Una molécula se excita al captar un fotón y transfiere la energía por resonancia al centro de reacción.
• Centro de reacción: Contiene clorofila especializada (clorofila a) que recibe la energía del complejo antena.
• Dador y aceptor de electrones: Participan en la transferencia de electrones excitados.

Fotofosforilación: Síntesis de ATP Impulsada por la Luz

La fotofosforilación es la síntesis de ATP impulsada por la energía de la luz. Se genera un transporte de electrones en la membrana tilacoidal. Existen dos tipos:

• Fotofosforilación cíclica: Describe un movimiento cíclico de electrones cuyo objetivo es la síntesis de ATP. Solo interviene el fotosistema I (PSI). No se produce fotólisis del agua, ni se libera O₂, ni se generan coenzimas reducidas (NADPH).
• Fotofosforilación acíclica: Se caracteriza por la participación de ambos fotosistemas (PSI y PSII). Se produce la fotólisis del agua, liberación de O₂, síntesis de ATP y generación de coenzimas reducidas (NADPH + H⁺), necesarias para la fase oscura de la fotosíntesis.

ATP Sintetasa: La Enzima Clave en la Producción de ATP

Durante el transporte de electrones en la respiración celular y la fase luminosa de la fotosíntesis, se producen saltos energéticos que liberan energía suficiente para sintetizar ATP.

• Fosforilación oxidativa: Producción de ATP en la mitocondria gracias a la energía liberada durante el proceso de transporte electrónico. El ATP es sintetizado por la enzima ATP sintetasa, ligada a la membrana interna de la mitocondria.
• Fotofosforilación: Producción de ATP en el cloroplasto gracias a la ATP sintetasa, ligada a la membrana tilacoidal.