Respiración: Ecuación, pasos y tipos

¿Qué es la respiración?

En la vida cotidiana, la palabra respiración se utiliza como otro término para referirse a la respiración. Esto está bien, pero en bioquímica hay una definición más específica. La respiración es el proceso de metabolizar los nutrientes, producir energía en forma de trifosfato de adenosina (ATP) y liberar productos de desecho. Lo creas o no, los humanos hacen las tres cosas. Este proceso se conoce más comúnmente como respiración celular aeróbica. Aeróbico significa la presencia de oxígeno, celular porque cada célula hace esto y respiración la absorción de un gas. Otro tipo de respiración, la anaeróbica, es sin oxígeno. La respiración absorbe oxígeno, la respiración celular es cuando todas las células del cuerpo toman ese oxígeno y producen ATP, y la respiración anaeróbica es cuando los músculos necesitan energía más rápido de lo que las células pueden producirla.

Para los humanos, la respiración es el primer paso hacia la respiración celular. Sin oxígeno, el cuerpo no puede convertir los alimentos en energía celular utilizable. En diferentes etapas, las personas respiran a diferentes ritmos. La frecuencia respiratoria suele ser de respiraciones por minuto.

Edad	Tasa de respiración
Recién nacido	30-60
Niño	30-60
Niño pequeño	24-40
3-5 años	22-34
6-12	18-30
13-17	12-16
Adulto	12-18
Adulto Mayor	Más alto que el adulto

La frecuencia respiratoria es un indicador importante de la salud general. Aunque la respiración es una parte importante de la vida diaria, no es el final de la respiración celular, sino sólo el comienzo.

Proceso de respiración celular

Hay dos tipos de células, las que tienen envoltura nuclear y las que no. Los organismos eucariotas tienen una envoltura nuclear, lo que significa que toda su información genética está protegida del resto del citoplasma, y ​​los organismos procarióticos tienen información genética que flota libremente. Ambos tipos de células necesitan completar la respiración celular para producir energía. TODOS los organismos necesitan utilizar la respiración, sin importar qué sean, dónde vivan o sus estructuras internas. ¿Cuál es el proceso de la respiración celular? En pocas palabras, la glucosa se descompone, junto con el oxígeno, en energía, agua y dióxido de carbono. La glucosa es un azúcar o carbohidrato simple que se utiliza en la respiración celular. Los organismos eucariotas y procarióticos realizan este proceso de forma un poco diferente. Los organismos procarióticos, al igual que las bacterias, iniciarán la respiración en su citoplasma y finalizarán el proceso a través de su membrana celular. Las células eucariotas inician la respiración en su citoplasma y luego pasan a un orgánulo especializado llamado mitocondria, donde se produce la mayor parte del ATP.

La reacción química de la respiración celular aeróbica es

{eq}C_6O_12H_6 + 6O_2 \rightarrow ATP +6CO_2 + 6H_2O {/eq}

La respiración anaeróbica es más difícil de encapsular en una sola ecuación porque los productos de desecho (en el lado derecho de la ecuación) difieren según lo que utiliza la célula en lugar de oxígeno. Tampoco es tan eficaz como la respiración aeróbica. Los dos modos más comunes de respiración anaeróbica son la fermentación del ácido láctico (crea ácido láctico) y la fermentación alcohólica (crea alcohol etílico).

Ecuación de la respiración celular

{eq}C_6O_12H_6 + 6O_2 \rightarrow ATP +6CO_2 + 6H_2O {/eq}

La ecuación de la respiración aeróbica es una simplificación excesiva de un proceso muy complicado. Hay tres divisiones principales en la respiración celular:

• Glucólisis
• Ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico o ciclo TCA
• Fosforilación oxidativa

Ya sea aeróbica o anaeróbica, toda respiración celular comienza con la glucólisis o descomposición de la glucosa. Cualquier cosa con la terminación “lyse” significa dividir. La glucosa es un hidrocarburo, lo que significa que tiene una columna vertebral de carbono e hidrógeno, de la que cuelgan otros elementos, en este caso, oxígeno. El ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico se llama ciclo porque utiliza y crea oxaloacetato (junto con muchas otras cosas). Este ciclo es donde también se producen agua y dióxido de carbono. La fosforilación oxidativa es el último paso del proceso en el que se utiliza oxígeno para crear un potencial positivo (cadena de transporte de electrones) que luego impulsa la producción de ATP mediante quimiosmosis.

Ecuación de la respiración de la glucólisis

El proceso químico de la respiración comienza con la glucólisis, que ocurre en el citoplasma. La glucosa, un azúcar simple de seis carbonos, se descompone en dos moléculas de piruvato, un compuesto de 3 carbonos. También se producen dos ATP. La ruptura de los enlaces químicos que mantienen unida la glucosa se utiliza para agregar un grupo fosfato al ADP (difosfato de adenosina) ya presente durante este proceso. El piruvato se puede utilizar para producir acetil coenzima A, o acetil CoA y NAD+, que es un transportador de electrones que se utiliza posteriormente. A partir de aquí, la célula puede continuar con la respiración aeróbica o puede desviarse hacia la anaeróbica.

Glucosa + 2ATP –> Piruvato + Agua + ATP

Ecuación de fermentación del ácido láctico

Glucosa + ADP + NAD+ –> Ácido láctico + ATP + NADH

El piruvato potásico y el ácido láctico son moléculas de 3 carbonos. Durante la fermentación del ácido láctico, el piruvato se transforma en ácido láctico en lugar de acetil CoA. Todavía se producen NAD+ y dos moléculas de ATP, lo que hace posible nuevamente la glucólisis. Los músculos que necesitan energía rápidamente pueden pasar de la respiración aeróbica a la fermentación del ácido láctico. Este proceso es mucho más rápido que la complicada respiración aeróbica. Sin embargo, el ácido láctico se almacena en los músculos y provoca rigidez y dolor.

Ecuación de fermentación alcohólica

Glucosa + ADP –> Alcohol etílico + CO2 + 2 ATP + H2O

La fermentación alcohólica también comienza con la glucólisis. Luego el piruvato se transforma en dióxido de carbono y alcohol etílico. El dióxido de carbono es un carbono y el alcohol etílico los otros dos. Los cerveceros utilizan la fermentación alcohólica para elaborar bebidas alcohólicas. La levadura metaboliza el azúcar/glucosa en dióxido de carbono y alcohol. El dióxido de carbono le da a la cerveza burbujas y carbonatación.

Pasos en la respiración celular

El proceso de respiración celular comienza en el citoplasma y luego finaliza en las mitocondrias.

Paso 1: glucólisis

La glucosa se encuentra en muchos alimentos diferentes. Es un azúcar simple o monosacárido. Es uno de los tres azúcares que se absorbe directamente en el torrente sanguíneo a partir de los alimentos que se ingieren. La glucólisis también puede utilizar el glucógeno almacenado en el hígado. El glucógeno se puede descomponer para obtener glucosa. Es importante señalar que, aunque la glucólisis es un paso importante en la respiración celular, esta vía metabólica produce muchos productos que el cuerpo utiliza en otros lugares.

1. El ATP y la enzima hexoquinasa rompen el anillo de carbono de la glucosa para formar una cadena de seis carbonos, glucosa-6-fosfato y ADP. El grupo fosfato del ATP está unido a la cadena de carbono.
2. La fructosa-6-fosfato se forma cuando la enzima fosfoglucosa isomerasa rompe un enlace carbono-hidrógeno y forma un doble enlace carbono-oxígeno.
3. La enzima fosfofructoquinasa y ATP se utilizan para unir otro grupo fosfato al otro lado de la fructosa-6-fosfato para producir fructosa 1,6-bifosfato. Hasta ahora se han utilizado dos ATP y no se ha fabricado ninguno.
4. La fructosa 1,6-bifosfato se divide en dos moléculas de tres carbonos mediante la fructosa bifosfato aldolasa, la dihidroxiacetona fosfato (DHAP) y el gliceraldehído-3-fosfato (G3P). El resto de la glucólisis ocurre con ambas moléculas, por lo que cualquier ATP o molécula de transporte de electrones que se produzca, en realidad es el doble. Una enzima llamada triosa fosfato isomerasa puede convertir uno en otro y viceversa.
5. La enzima gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa elimina un H+ de G3P y lo transfiere a NAD+ para producir NADH (un compuesto de transporte de electrones).
6. Se añade una molécula de fosfato al G3P para crear 1,3-bisfosfoglicerato.
7. Uno de los grupos fosfato del 1,3-bisfosfoglicerato se transfiere a una molécula de ADP para crear ATP. Ahora, está el fosfoglicerato. El fosfoglicerato puede tener el grupo fosfato en el tercer o segundo carbono, con la ayuda de la enzima fosfoglicerato quinasa.
8. Luego, el fosfoglicerato eliminará una molécula de agua con la enzima enolasa para convertirse en fosfoenolpiruvato.
9. Con la piruvato quinasa, este último compuesto pierde un grupo fosfato más para convertirse en piruvato y se produce una molécula más de ATP.

Al final de este proceso se han producido cuatro ATP junto con dos moléculas de agua y dos piruvatos.

Paso 2: ciclo del ácido cítrico

El ciclo del ácido cítrico también se llama ciclo de Krebs y ciclo del ácido tricarboxílico. Técnicamente, este es el comienzo de la respiración aeróbica celular, aunque en este proceso no se produce ATP. Sin embargo, se producen moléculas portadoras de electrones como NADH y FADH2. Estos son extremadamente importantes en la fosforilación oxidativa (cadena de transporte de electrones y quimiosmosis), que produce la mayor parte del ATP aeróbico. Recuerde, esto es un ciclo, por lo que el acetil CoA entra y el acetil CoA sale para comenzar de nuevo. En los organismos eucariotas esto ocurre en las mitocondrias. En los organismos procarióticos esto ocurre en el citoplasma. Algunos términos importantes para este paso son deshidrogenación, es decir, la pérdida de un protón de hidrógeno, y descarboxilación o pérdida de un grupo de carbono.

1. El piruvato se transforma en acetilo (un grupo de 2 carbonos) coenzima A, o acetil CoA, mediante descarboxilación oxidativa. En otras palabras, se elimina un grupo de carbono para producir dióxido de carbono y se agrega el grupo CoA. El piruvato también se puede convertir en oxalacetato mediante la piruvato carboxilasa mediante la adición de un grupo de carbono.
2. El acetil CoA y el oxaloacetato se combinan mediante la enzima citrato sintasa para producir citrato. El citrato es un compuesto de seis carbonos. El agua también es un subproducto de este paso. Aquí también se elimina el grupo coenzima, por lo que puede reutilizarse para producir más acetil CoA.
3. El citrato se transforma mediante la enzima aconitasa en isocitrato.
4. El alfacetogluterato se forma cuando el isocitrato pierde un grupo de carbono con la ayuda de la enzima isocitrato deshidrogenasa. Un subproducto importante de este paso es la formación de NADH. Cuando el isocitrato pierde un grupo de carbono, también cede protones de hidrógeno. Estos son recogidos por NAD+ para formar NADH. También se desprende dióxido de carbono. Ese grupo de carbono tiene que ir a alguna parte.
5. El alfacetogluterato pierde un grupo de carbono y forma succinil-CoA. También se forman dióxido de carbono y NADH. El complejo enzimático alfa-cetoglutarato deshidrogenasa es la enzima responsable.
6. La succinil-CoA se reforma como succinato, liberando el sustrato de CoA y GTP (que se transforma en ATP) mediante la enzima succinil-CoA sintasa.
7. El succinato se convierte en fumarato, un compuesto de cuatro carbonos, mediante la succinato deshidrogenasa. En este paso, la acción pasa de la matriz mitocondrial a la membrana interna. Se forma otra molécula portadora de electrones, FADH2.
8. El fumarato se hidrogena en malato mediante la enzima fumarasa.
9. El malato se transforma en oxaloacetato por la malato deshidrogenasa, junto con NADH.

Paso 3: Fosforilación oxidativa (cadena de transporte de electrones y quimiosmosis)

El último paso de la respiración aeróbica tiene lugar en las mitocondrias, dentro de la membrana interna. El propósito general es crear un gradiente de electrones positivo para que el flujo de protones de hidrógeno impulse la fosforilación de ADP en ATP. Hay una serie de complejos proteicos dentro de las membranas que mantienen el flujo de moléculas en movimiento.

1. En el complejo I, el NADH pierde un ion H, convirtiéndolo en NAD+. El protón de hidrógeno pasa del espacio de la membrana a través del complejo I al espacio de la membrana interna.
2. El complejo II, junto con una proteína móvil “Q” o ubiquinona, recibe FADH_2, bombeando protones a través de la membrana. FADH_2 no pasa por el complejo I.
3. El tercer complejo proteico, el complejo III, tiene un grupo hemo que transporta electrones. Es similar al grupo hemo de los glóbulos rojos pero no transporta oxígeno. En el complejo III, se pasa un electrón a la vez al complejo IV.
4. El cuarto complejo está compuesto por dos proteínas citocromo. Los citocromos retienen una molécula de oxígeno con mucha fuerza hasta que el oxígeno se reduce por completo. Luego, el oxígeno reducido recoge dos iones de hidrógeno del medio circundante para formar agua.
5. El último paso es la quimiosmosis. La energía libre del gradiente de protones y las reacciones de reducción/oxidación a través de los complejos I-IV impulsan la adición de un grupo fosfato al ADP. En la proteína ATP sintasa, los protones se mueven a través del complejo, creando energía potencial química en forma del grupo fosfato unido.

La mayor parte del ATP (hasta 32 de una molécula de glucosa) procedente de la respiración aeróbica procede de este último paso.

Propósito y subproductos de la respiración

La respiración celular tiene como objetivo tomar los alimentos y convertirlos en energía química que el cuerpo pueda utilizar. Algunos subproductos de la respiración son el agua y el CO_2. El cuerpo utiliza el agua para regular la presión arterial, mover nutrientes y ayudar con la homeostasis. Las plantas utilizan dióxido de carbono para impulsar la fotosíntesis, donde producen glucosa y oxígeno. La ecuación química de la fotosíntesis es lo opuesto a la respiración celular. Las plantas y los animales trabajan juntos para mantener un ecosistema saludable.

Tipos de respiración celular

Además de la respiración aeróbica y la respiración anaeróbica, existe otro tipo de respiración celular. Se llama Metanogénesis. El producto final de la metanogénesis es ATP y metano, CH_4. Las bacterias anaeróbicas sólo realizan metanogénesis en el reino Archaea. No se necesita ni se desea oxígeno. Los metanógenos obligados viven en todo tipo de ambientes: agua dulce, agua salada, respiraderos hidrotermales de aguas profundas, suelos de humedales y sedimentos marinos, por nombrar algunos. Estos organismos pueden convertir el acetato en dióxido de carbono y agua, y pueden utilizar hidrógeno y dióxido de carbono para producir agua y metano. Respiran y, dado que la definición de respiración es convertir algo en energía celular, utilizan metano como energía.

Resumen de la lección

La respiración puede significar respirar o convertir los alimentos en energía, según el nivel de organización. La respiración celular puede ser aeróbica, que necesita oxígeno, o anaeróbica, que no necesita oxígeno. La respiración anaeróbica se produce como:

• Fermentación con ácido láctico, los productos son ATP (moneda de energía celular) y ácido láctico.
• Fermentación alcohólica, los productos son ATP, alcohol etílico y dióxido de carbono.

La respiración aeróbica ocurre en tres etapas:

• Glucólisis: descomposición de la glucosa en dos moléculas de piruvato y dos ATP. El ácido láctico y la fermentación alcohólica también utilizan este paso.
• El ciclo de Krebs, o ciclo del ácido tricarboxílico o ciclo del ácido cítrico, produce subproductos utilizados en otros procesos metabólicos y produce moléculas de transporte de electrones como NADH y FADH_2. Algunos términos importantes para este paso son deshidrogenación, es decir, la pérdida de un protón de hidrógeno, y descarboxilación o pérdida de un grupo de carbono.
• La fosforilación oxidativa consta de la cadena de transporte de electrones y la quimiosmosis, que produce la mayor parte del ATP.

La metanogénesis produce metano junto con ATP y algunos otros subproductos.

Todos los organismos necesitan energía para impulsar sus procesos celulares. Los humanos utilizamos la respiración aeróbica. Otros utilizan la fermentación del ácido láctico o la respiración alcohólica. Pocos utilizan la metanogénesis. Cualquiera que sea el proceso, el ATP es la forma de energía que todos intentamos conseguir.