Respiración Celular y Fermentación: Obtención de Energía

Respiración Celular (Aerobia)

La respiración celular es la oxidación completa de compuestos orgánicos. Características principales:

  • Interviene la cadena de transporte de electrones.
  • El aceptor final de electrones es un compuesto inorgánico (oxígeno molecular).
  • El ATP se forma por fosforilación oxidativa en las mitocondrias.
  • Rinde una gran cantidad de energía: la oxidación completa de una glucosa produce 38 ATP.
  • Evolutivamente, es una forma más compleja.

Fermentación (Anaerobia)

La fermentación es la oxidación incompleta de compuestos orgánicos. Características:

  • No interviene la cadena de transporte de electrones.
  • El aceptor final de electrones es un compuesto orgánico (como el piruvato).
  • El ATP se forma por fosforilación a nivel de sustrato en el citoplasma.
  • Rinde menor cantidad de energía: a partir de una glucosa se obtienen 2 ATP.
  • Evolutivamente, es la forma más primitiva.

Fotosíntesis: Tipos y Fases

Tipos de Transporte en la Fase Luminosa

  • Transporte no cíclico: Participan los fotosistemas PSI y PSII. Se desprende O2 en la fotólisis del agua. Los electrones cedidos por el PSI se utilizan para reducir una molécula de NADP+ a NADPH. Se produce ATP debido al gradiente generado por la acumulación de protones en los cloroplastos, procedentes de la fotólisis del H2O.
  • Transporte cíclico: Participa solo el fotosistema PSI. No se desprende O2. No se produce NADPH. Se produce ATP gracias a la bomba de protones del complejo citocromo b-f.

Tipos de Fotosíntesis

  • Fotosíntesis Oxigénica: Proceso en el que plantas, algas y cianobacterias utilizan el agua como donante de electrones. Mediante la fotólisis del agua (H2O → 2H+ + 2e– + ½ O2), se produce oxígeno, que se libera a la atmósfera. Utiliza tanto el transporte no cíclico como el cíclico de electrones (cuando falta NADP+). Transformó nuestra atmósfera primitiva de reductora a oxidante, aumentando los niveles de O2. Es más moderna y compleja.
  • Fotosíntesis Anoxigénica: Proceso realizado por bacterias fotosintéticas, como las bacterias sulfuradas verdes, que utilizan ácido láctico como donante de electrones. No ocurre la fotólisis del agua, por lo que no se libera O2. Solo se utiliza el transporte cíclico de electrones. Es la forma más antigua y sencilla de fotosíntesis.

Síntesis de ATP: Fosforilación

Tipos de fosforilación:

  • A nivel de sustrato (n.s.): Una molécula fosforilada rompe el enlace de su grupo fosfato y este se une a un ADP para sintetizar ATP. La molécula original queda desfosforilada (ej: glucólisis y ciclo de Krebs).
  • Acoplada al transporte de electrones (mediante enzimas ATP-sintetasas): El transporte de electrones a través de una cadena de moléculas proporciona la energía necesaria para que las enzimas ATP-sintetasa sinteticen ATP cuando son atravesadas por un flujo de protones. Ocurre en crestas mitocondriales (fosforilación oxidativa) y en tilacoides (fotofosforilación).

Procesos Metabólicos Clave

Glucólisis

Ruta catabólica común a la respiración celular y a la fermentación. Se localiza en el citoplasma, en ausencia de O2. Produce ATP por fosforilación a nivel de sustrato. El piruvato resultante puede seguir diferentes rutas:

  • Condiciones aerobias: La glucólisis es la fase inicial del catabolismo de la glucosa. El piruvato se oxida completamente en la mitocondria para producir CO2, H2O y energía (respiración celular aerobia).
  • Condiciones anaerobias: La glucólisis es la principal fuente de energía. El piruvato se convierte en etanol y CO2 o en ácido láctico mediante fermentaciones, procesos que regeneran el NAD+ necesario para continuar la glucólisis.

Respiración Celular

  • Descarboxilación oxidativa del piruvato (hasta formar acetil coenzima A): El piruvato de la glucólisis ingresa en la matriz mitocondrial, donde sufre una descarboxilación (libera CO2) y es oxidado por el NAD+ (que se reduce a NADH). Reacción catalizada por la piruvato deshidrogenasa.
  • Ciclo de Krebs: Serie de reacciones metabólicas en la matriz mitocondrial. El acetil-CoA se oxida completamente a 2 moléculas de CO2. Se generan 3 NADH, 1 FADH2 y 1 GTP (equivalente a ATP). Los transportadores de electrones (NADH y FADH2) ingresan a la cadena respiratoria (fosforilación oxidativa). Aunque el ciclo de Krebs no requiere O2 directamente, este es esencial para regenerar los coenzimas NAD+ y FAD. Tiene naturaleza anfibólica: algunas moléculas del ciclo sirven como punto de partida para rutas anabólicas (biosíntesis).
  • Transporte electrónico: Se lleva a cabo en complejos enzimáticos en la membrana interna de las mitocondrias (eucariotas) y en la membrana plasmática (procariotas).
  • Fosforilación oxidativa: Generación de ATP en la membrana mitocondrial, utilizando la energía de la cadena de transporte de electrones. Los electrones de NADH y FADH2 crean un gradiente de protones que impulsa la ATP sintasa. El oxígeno es el aceptor final de electrones y forma H2O.
  • β-oxidación: Proceso de degradación de ácidos grasos. Se separan dos átomos de carbono en cada vuelta, formando acetil-CoA. Ocurre en la matriz mitocondrial y se acopla al ciclo de Krebs y a la cadena respiratoria. El número de vueltas depende del número de carbonos del ácido graso. En cada vuelta se produce 1 NADH y 1 FADH2. Los productos finales son CO2, H2O y ATP.

Fermentación

Proceso anaeróbico. Los glúcidos (principalmente la glucosa) se oxidan sin oxígeno. El aceptor final de electrones es un compuesto orgánico. Se produce menos energía (no se utiliza la cadena de transporte de electrones). El ATP se sintetiza por fosforilación a nivel de sustrato. Tipos:

  • Láctica: Realizada por bacterias como Streptococcus y Lactobacillus (producción de quesos, yogur y leche fermentada) y por células del músculo esquelético en ausencia de oxígeno.
  • Alcohólica: Realizada por levaduras como Saccharomyces (anaerobias facultativas) para la producción de bebidas alcohólicas y pan.

Comparación entre Vías Aeróbica y Anaeróbica del Catabolismo de la Glucosa

  • La fermentación es anaeróbica: No utiliza oxígeno como aceptor final de electrones, a diferencia de la respiración aeróbica.
  • Aceptor final orgánico: El aceptor final de electrones y protones es un compuesto orgánico, no inorgánico como en la respiración.
  • Síntesis de ATP a nivel de sustrato: No intervienen las ATP-sintetasas. Baja producción energética: una glucosa produce 38 ATP por respiración y solo 2 ATP por fermentación.

Fases de la Fotosíntesis

Fase Luminosa

  • No cíclica: Implica los fotosistemas II (PS II) y I (PS I), una cadena de transporte electrónico y la ATP-sintetasa. La luz excita la clorofila P680 del PS II, que cede electrones (repuestos por la fotólisis del agua, liberando oxígeno). Los electrones pasan por una cadena de transportadores hasta el PS I, donde la clorofila P700 los cede a la ferredoxina, que reduce el NADP+ a NADPH. El gradiente de protones impulsa la síntesis de ATP.
  • Cíclica: Solo interviene el fotosistema I (PSI) y su clorofila P700. La luz excita la clorofila P700, que cede electrones a una cadena de transporte, pero estos electrones regresan a la clorofila de origen (no se genera NADPH ni oxígeno, no hay fotólisis del agua). El transporte cíclico de electrones genera un gradiente de protones que impulsa la síntesis de ATP (por cada tres protones, una molécula de ATP). Característico de algunas bacterias (fotosíntesis anoxigénica).

Ciclo de Calvin

Es la segunda etapa de la fotosíntesis. Se reducen moléculas de CO2 para obtener glucosa y otras moléculas orgánicas, utilizando el ATP y el NADPH de la fase lumínica. Se lleva a cabo mediante el ciclo de Calvin, en el estroma del cloroplasto (o en el citoplasma de procariotas).

Importancia de la Fotosíntesis y la Quimiosíntesis

Importancia de la Fotosíntesis

Permite a los seres fotosintéticos crear materia orgánica (base de las cadenas tróficas). Convierte la luz solar en energía química, liberando oxígeno (esencial para organismos aeróbicos) y fijando CO2 (regula el efecto invernadero). La energía de los combustibles fósiles proviene de este proceso.

Quimiosíntesis

Compuestos inorgánicos (sulfuro de hidrógeno, amoníaco) se oxidan, liberando energía para formar ATP. Los electrones viajan por la cadena de transporte y el NAD+ se convierte en NADH. El ATP y el NADH se usan para formar materia orgánica (glucosa, ácidos grasos) a partir de compuestos inorgánicos (CO2). Importancia: Los organismos quimiosintéticos son productores y forman parte de la base de la cadena trófica de los ecosistemas; completan ciclos biogeoquímicos.