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La respiración aeróbica, la respiración anaeróbica y la fermentación son los métodos que utilizan las células vivas para producir energía a partir de fuentes alimentarias. Si bien todos los organismos vivos realizan uno o más de estos procesos para la producción de energía, solo un grupo seleccionado de organismos puede producir alimentos mediante la fotosíntesis de la luz solar. Sin embargo, incluso en estos organismos, la comida producida se convierte en energía celular a través de la respiración celular. Una característica distintiva de la respiración aeróbica a través de las rutas de fermentación es el requisito previo para el oxígeno y un rendimiento energético mucho mayor por molécula de glucosa. La fermentación y la respiración anaeróbica comparten la ausencia de oxígeno, pero la respiración anaeróbica utiliza una cadena de transporte de electrones para la producción de energía, al igual que la respiración aeróbica, mientras que la fermentación simplemente proporciona las moléculas necesarias para la glucólisis continua, sin producción de energía. adicional.
Glucólisis
La glucólisis es una vía universal iniciada en el citoplasma de las células para descomponer la glucosa en energía química. La energía liberada de cada molécula de glucosa se utiliza para conectar un fosfato a cada una de las cuatro moléculas de difosfato de adenosina (ADP) para producir dos moléculas de trifosfato de adenosina (ATP) y una molécula de NADH adicional. La energía almacenada en el enlace fosfato se utiliza en otras reacciones celulares y, a menudo, se considera que es la energía de "moneda" de la célula. Sin embargo, dado que la glucólisis requiere el suministro de energía de dos moléculas de ATP, el rendimiento neto de la glucólisis es de solo dos moléculas de ATP por molécula de glucosa. La glucosa misma se descompone durante la glucólisis y se convierte en piruvato. Otras fuentes de combustible, como las grasas, se metabolizan a través de otros procesos, por ejemplo, el ácido graso en espiral, en el caso de los ácidos grasos, para producir moléculas de combustible que pueden ingresar a las vías respiratorias en varios puntos durante la respiración.
Respiración aeróbica
La respiración aeróbica ocurre en presencia de oxígeno y produce la mayor parte de la energía para los organismos que realizan este proceso. En este proceso, el piruvato producido durante la glucólisis se convierte en acetil-coenzima A (acetil-CoA) antes de entrar en el ciclo del ácido cítrico, también conocido como ciclo de Krebs. La acetil-CoA se combina con oxalacetato para producir ácido cítrico en la etapa inicial del ciclo del ácido cítrico. La siguiente serie convierte el ácido cítrico en oxalacetato y produce energía de transporte para moléculas llamadas NADH y FADH2. Estas moléculas de energía se desvían a la cadena de transporte de electrones, o fosforilación oxidativa, donde producen la mayor parte del ATP producido durante la respiración celular aeróbica. El dióxido de carbono se produce como un producto de desecho durante el ciclo de Krebs, mientras que el oxalacetato producido por una ronda del ciclo de Krebs se combina con otra acetil-CoA para iniciar el proceso nuevamente. En organismos eucariotas, como plantas y animales, tanto el ciclo de Krebs como la cadena de transporte de electrones ocurren en una estructura especializada llamada mitocondrias, mientras que las bacterias capaces de respirar aeróbicamente conducen estos procesos a lo largo de la membrana plasmática, ya que no tienen la orgánulos especializados que se encuentran en las células eucariotas. Cada vuelta del ciclo de Krebs es capaz de producir una molécula de trifosfato de guanina (GTP), que se convierte fácilmente en ATP, y 17 moléculas adicionales de ATP a través de la cadena de transporte de electrones. Dado que la glucólisis produce dos moléculas de piruvato para su uso en el ciclo de Krebs, el rendimiento total para la respiración aeróbica es de 36 ATP por molécula de glucosa, además de los dos ATP producidos durante la glucólisis. El aceptor terminal de electrones durante la cadena de transporte de electrones es el oxígeno.
Fermentación
No debe confundirse con la respiración anaeróbica, la fermentación ocurre en ausencia de oxígeno dentro del citoplasma de las células y convierte el piruvato en un producto de desecho, produciendo energía para cargar las moléculas necesarias para continuar la glucólisis. Dado que la energía solo se produce durante la fermentación a través de la glucólisis, el rendimiento total por molécula de glucosa es de dos ATP. Aunque la producción de energía es sustancialmente menor que la respiración aeróbica, la fermentación permite que la conversión de combustible en energía continúe en ausencia de oxígeno. Los ejemplos de fermentación incluyen fermentación de ácido láctico, en humanos y otros animales, y fermentación de etanol por levadura. Los desechos se reciclan cuando el organismo vuelve a entrar en un estado aeróbico o se elimina del organismo.
Respiración anaeróbica
Encontrada en algunos procariotas, la respiración anaeróbica usa una cadena de transporte de electrones al igual que la respiración aeróbica, pero en lugar de usar oxígeno como aceptor terminal de electrones, se usan otros elementos. Estos receptores alternativos incluyen nitrato, sulfato, azufre, dióxido de carbono y otras moléculas. Estos procesos son importantes contribuyentes al ciclo de nutrientes en los suelos, además de permitir que estos organismos colonicen áreas inhabitables por otros organismos. Estos organismos pueden ser anaerobios obligatorios, capaces de realizar estos procesos solo en ausencia de oxígeno, o anaerobios facultativos, capaces de producir energía en presencia o ausencia de oxígeno. La respiración anaeróbica produce menos energía que la respiración aeróbica, porque estos aceptores de electrones alternativos no son tan eficientes como el oxígeno.
Fotosíntesis
A diferencia de las diversas vías de respiración celular, las plantas, las algas y algunas bacterias utilizan la fotosíntesis para producir los alimentos necesarios para el metabolismo. En las plantas, la fotosíntesis ocurre en estructuras especializadas llamadas cloroplastos, mientras que las bacterias fotosintéticas típicamente realizan la fotosíntesis a lo largo de las extensiones membranosas de la membrana plasmática. La fotosíntesis se puede dividir en dos etapas: reacciones dependientes de la luz y reacciones independientes de la luz. Durante las reacciones dependientes de la luz, la energía de la luz se utiliza para energizar los electrones extraídos del agua y producir un gradiente de protones, que a su vez producen moléculas de alta energía que alimentan reacciones independientes de la luz. A medida que los electrones se extraen de las moléculas de agua, se descomponen en oxígeno y protones. Los protones contribuyen al gradiente de protones, pero se libera oxígeno. Durante las reacciones de luz independientes, la energía producida durante las reacciones de luz se utiliza para producir moléculas de azúcar a partir de dióxido de carbono a través de un proceso llamado ciclo de Calvin. El ciclo de Calvin produce una molécula de azúcar por cada seis moléculas de dióxido de carbono. Combinada con las moléculas de agua utilizadas en reacciones dependientes de la luz, la fórmula general para la fotosíntesis es 6 H2O + 6 CO2 + luz -> C6H12O6 + 6 O2.