Respiración Celular: Obtención de Energía

Glucólisis (Citoplasma)

La molécula de glucosa (de 6 carbonos) se divide en dos moléculas, cada una ahora de 3 carbonos, que es el ácido pirúvico o piruvato.

Pasos de la Glucólisis

1. La glucosa se fosforila, convirtiéndose en Glucosa-6-fosfato.
2. Se transforma en Fructosa-6-fosfato.
3. La fructosa-6-fosfato gana un segundo fosfato de otro ATP, formándose fructosa-1,6-difosfato.
4. Esta se divide, formando dos moléculas de Gliceraldehído-3-fosfato.
5. Luego de varios pasos más, se transforma en ácido pirúvico.

El resultado neto de la glucólisis es:

• 2 ácidos pirúvicos
• 2 ADP (consumidos)
• 4 ATP (producidos, ganancia neta de 2 ATP)
• 2 NADH
• 2 protones de hidrógeno (H⁺)
• 2 moléculas de agua (H₂O)

Así, la glucosa se convierte en 2 piruvatos y parte de la energía de la glucosa queda conservada en los enlaces fosfato de 2 moléculas de ATP y en los electrones de 2 moléculas de NADH.

Oxidación del Ácido Pirúvico (Matriz Mitocondrial)

Todos los productos se cuentan por dos, ya que cada ácido pirúvico se oxida. Antes de ingresar al ciclo de Krebs, cada ácido pirúvico (3 carbonos) se oxida. Los átomos de carbono y el oxígeno se eliminan en forma de CO₂ y queda un grupo acetilo de 2 carbonos.

En la oxidación del ácido pirúvico, se forman 2 moléculas de NADH por molécula de glucosa inicial.

Cada grupo acetilo es aceptado momentáneamente por una coenzima A (CoA). La combinación del grupo acetilo y la CoA se llama Acetil-CoA.

El resultado de la oxidación del ácido pirúvico (por glucosa) es:

• 2 Acetil-CoA
• 2 NADH
• 2 H⁺
• 2 CO₂

Ciclo de Krebs (Matriz Mitocondrial)

Al entrar en el ciclo de Krebs, el Acetil-CoA se separa y la CoA sale de la mitocondria. El grupo acetilo se combina con el ácido oxalacético y produce ácido cítrico. Luego, 2 carbonos del ácido cítrico se oxidan a CO₂ y se regenera el ácido oxalacético, aunque no es exactamente la misma molécula que inició el ciclo.

Parte de la energía liberada por la oxidación de los enlaces carbono-hidrógeno y carbono-carbono es utilizada en la conversión de ATP a partir de ADP (una molécula por ciclo, por cada piruvato) y otra parte es utilizada en la producción de NADH y H⁺ a partir del NAD⁺ (tres moléculas por ciclo). Otra parte de la energía es utilizada en la reducción del FAD. Por cada giro del ciclo se forma FADH₂.

Los electrones y protones eliminados en la oxidación del carbono son aceptados por el NAD⁺ y el FAD.

Cada ácido pirúvico realiza un solo ciclo. Por lo tanto, en el ciclo de Krebs, por cada molécula de glucosa, se forma:

• Ácido oxalacético (regenerado)
• 4 CO₂
• 2 ATP
• 6 NADH
• 6 H⁺
• 2 FADH₂
• 2 H₂O

Cadena de Transporte de Electrones y Fosforilación Oxidativa

Transporte de Electrones (Membrana Interna Mitocondrial)

La molécula de glucosa ya está completamente degradada. La mayor parte de la energía almacenada que provenía de la glucosa permanece en los electrones que se separaron de los átomos de carbono y fueron aceptados por las coenzimas NAD⁺ y FAD, que se redujeron a NADH y FADH₂. Estos electrones ganados durante la glucólisis, la oxidación del ácido pirúvico y el ciclo de Krebs se encuentran en un nivel energético alto.

Los electrones del NADH y FADH₂ son conducidos a un nivel energético inferior, a través de una secuencia de reacciones de oxidorreducción que constituyen la cadena transportadora de electrones.

Por último, los electrones son aceptados por el oxígeno, que se combina con protones (iones H⁺) de la solución y se produce agua.

Cuando los electrones se mueven por la cadena respiratoria, saltando a niveles energéticos inferiores, se libera energía. Esta energía es aprovechada por la mitocondria y se utiliza para sintetizar ATP a partir de ADP, en el proceso conocido como fosforilación oxidativa.

Fosforilación Oxidativa: Síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato a medida que los electrones descienden por la cadena respiratoria.

Fotosíntesis: Conversión de Energía Lumínica

Generalidades (Cloroplastos)

A través de la fotosíntesis, la energía lumínica del sol es captada por pigmentos naturales, y se forman hidratos de carbono (materia orgánica) y oxígeno libre a partir de CO₂ y agua.

Este proceso se produce en dos etapas:

Etapa Lumínica (Membranas de los Tilacoides)

La clorofila a absorbe la energía lumínica y se inicia un transporte de electrones y se forma un gradiente de protones a partir del cual se produce ATP. La molécula de agua se divide y se libera oxígeno gaseoso. Los electrones son absorbidos por el NADP⁺, que se reduce a NADPH.

Resultado: La energía de la luz se convierte en energía química que se almacena en enlaces de ATP y NADPH.

La clorofila a, al absorber un fotón, lanza un electrón a un nivel energético superior y se transfiere a otra molécula (aceptor primario de electrones).

Estos electrones que la clorofila a ha perdido son reemplazados por electrones que provienen (moléculas dadoras de e⁻) indirectamente de moléculas de agua que se dividen y también liberan protones (H⁺) y oxígeno gaseoso.

Luego, este aceptor primario transfiere el electrón a un aceptor secundario de electrones. Y así, el electrón será transferido a una serie de transportadores de e⁻ por medio de reacciones de oxidorreducción a un nivel de energía inferior hasta alcanzar el centro de reacción del fotosistema I (P700).

Al mismo tiempo, la molécula reactiva P700 del fotosistema I atrapa un fotón de luz y pierde un electrón, que es lanzado al aceptor primario de electrones del fotosistema I. El electrón es así transferido a otra serie de transportadores hasta llegar al NADP⁺, que se reduce a NADPH.

El electrón eliminado de la molécula P700 del fotosistema I es reemplazado por un electrón proveniente del fotosistema II.

A medida que los electrones pasan a lo largo de esta cadena, se extraen protones del estroma que son liberados en el lumen (espacio dentro del tilacoide), creando un gradiente de protones que no se elimina, ya que las membranas tilacoidales son impermeables a los protones. La fuerza protón-motriz creada por este gradiente es utilizada por la ATP sintasa para sintetizar ATP a partir de ADP y P. La síntesis de ATP a partir de energía lumínica se llama fotofosforilación.

Etapa de Fijación del Carbono (Ciclo de Calvin)

El ATP y el NADPH participan en la producción de azúcares. Muchas enzimas en esta etapa son activadas indirectamente por la luz.

Se sintetizan glúcidos a partir de dióxido de carbono y el hidrógeno que transporta el NADPH. Aquí se utiliza la energía del ATP y del NADPH producidos en la etapa anterior e implica una serie de reacciones que constituye el Ciclo de Calvin.

Resultado: La energía del ATP y NADPH se usa para incorporar carbono a moléculas orgánicas.

Mecanismo del Ciclo de Calvin

El ATP y el NADPH se utilizan en la reducción del carbono de CO₂ a glucosa. Así, la energía química almacenada temporalmente en el ATP y el NADPH se transfiere a moléculas. En este momento, se forma un esqueleto de carbono que va a ser utilizado para construir moléculas orgánicas.

Básicamente, la fijación del carbono es la incorporación inicial de CO₂ en compuestos orgánicos. El carbono está disponible para las células fotosintéticas como CO₂. Por ejemplo, en las plantas, el CO₂ del aire llega a las células a través de poros de las hojas y de los tallos (estomas).

El ciclo comienza cuando ingresa una molécula de CO₂ y se une a la ribulosa bifosfato (RuBP, 5 carbonos y 2 fosfatos), y forma una molécula de 6 carbonos que se divide y forma 2 moléculas de fosfoglicerato (3 átomos cada una). Esto es catalizado por la enzima rubisco. Luego, cada fosfoglicerato acepta electrones que le proporciona el NADPH y finalmente se regenera una molécula de RuBP.

Tres vueltas al ciclo introducen 3 moléculas de CO₂, el equivalente de un azúcar de tres carbonos, y producen una molécula de gliceraldehído fosfato.

Son necesarios 6 ciclos, con la introducción de 6 CO₂, para producir un azúcar de 6 carbonos como la glucosa. Las 6 revoluciones del ciclo producen 2 moléculas de gliceraldehído fosfato que pueden reaccionar produciendo una molécula de azúcar de 6 carbonos.

Nutrición Celular y Tipos de Organismos

La nutrición celular es el conjunto de procesos mediante los cuales la célula obtiene la materia y energía necesaria para llevar adelante sus procesos vitales.

Clasificación Nutricional

Organismos Heterótrofos

Son aquellos organismos que requieren de fuentes externas de materia orgánica para obtener la energía y moléculas estructurales. En estos se encuentran animales, hongos y la mayoría de las bacterias.

Holozoicos

Se refiere a los animales que ingieren su alimento completo. Se da en particular en aquellos animales (como el ser humano) que poseen un sistema digestivo especializado. Incluye:

• Herbívoros: Consumidores primarios que obtienen materia y energía de especies vegetales.
• Carnívoros: Consumidores secundarios o terciarios que se alimentan de otros animales.
• Omnívoros: Se alimentan tanto de plantas como de animales.

Descomponedores

Son organismos heterótrofos que se alimentan al degradar la materia orgánica de otros seres vivos (tallos, hojas y raíces de árboles, exoesqueletos de invertebrados, cadáveres). Son muy importantes en los ecosistemas, porque transforman la materia orgánica en descomposición en materia inorgánica que puede ser absorbida por los productores y emplearlos para sintetizar materia orgánica de nuevo.

Parásitos

Son aquellos heterótrofos que habitan sobre o dentro de otro organismo, llamado hospedador, y que dependen de ellos para alimentarse. A pesar de considerarse depredadores, un buen parásito no elimina a su hospedador, ya que depende de él, y si su ataque es letal, el parásito también moriría.

Organismos Autótrofos

No requieren de la materia y energía de otros organismos, sino que son capaces de sintetizar sus propias moléculas orgánicas ricas en energía a partir de sustancias inorgánicas simples (agua, dióxido de carbono y una fuente de energía). Por un lado, encontramos:

• Autótrofos Fotosintéticos: Utilizan la energía proveniente del sol.
• Autótrofos Quimiosintéticos: Utilizan la energía de reacciones inorgánicas específicas para llevar a cabo sus reacciones de síntesis.

Fases de la Nutrición Celular

La nutrición celular se lleva a cabo en una serie de pasos o procesos integrados: