Respiración anaerobia o fermentación

Muchos organismos (especialmente microorganismos) sobreviven en los intestinos de los animales, en el suelo profundo, en sedimentos u otros sitios donde el oxígeno está casi, o totalmente, ausente. Aun en algunas de nuestras células corporales resisten breves periodos a la ausencia de oxígeno.
Probablemente en condiciones anaerobias evolucionaron la vida y la glucólisis, produciéndose por cada molécula de glucosa dos moléculas de ácido pirúvico, el cual puede seguir diferentes caminos: la fermentación alcohólica, la láctica, la acética y la respiración aerobia.

Fermentación láctica
Se realiza en los músculos de nuestro organismo, sobre todo cuando se hace ejercicio de manera exagerada, ya que aunque la respiración celular aerobia proporciona más ATP que la glucólisis, se encuentra limitada por la capacidad del organismo para brindar oxígeno a sus células musculares, y cuando sus músculos están desprovistos de oxígeno no dejan de trabajar de manera inmediata. En lugar de eso, la glucólisis continúa durante un tiempo proporcionando sus escasas dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa y generando ácido pirúvico y NADH, entonces, el ácido pirúvico (C3H4O3) se vuelve aceptor del hidrógeno y se forma el ácido láctico (C3H6O3). Sin embargo, el ácido láctico es tóxico en concentraciones elevadas, por lo que pronto causa malestar intenso y fatiga, haciendo que el individuo disminuya su ritmo o se detenga y mientras descansa respira rápidamente para restituir el suministro de oxígeno, haciendo que el ácido láctico se vuelva a convertir en ácido pirúvico, lo que no ocurre en las células musculares sino en el hígado. Fermentación alcohólica
Se lleva a cabo en muchos microorganismos como las levaduras del género Saccharomyces. Después de que se obtienen las dos moléculas de ácido pirúvico (C3H4O3), éstas se degradan hasta formar dos moléculas de CO2, dos moléculas de alcohol etílico (C2H6O) y más dos moléculas de ATP.
La fermentación alcohólica se utiliza en la industria en la fabricación de diferentes tipos de bebidas alcohólicas y en la elaboración de pan, donde el alcohol se evapora y el CO2 provoca que el pan esponje. Algunos otros microorganismos realizan otros tipos de fermentación, se produce ácido acético o alcohol. Otros más respiran anaerobiamente desechando metano u otros productos. La respiración anaerobia se considera ineficiente porque produce poca energía, se obtienen dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa.

Respiración celular o mitocondrial

Mediante la combustión respiratoria se libera la energía química contenida en los alimentos para ser utilizada en el metabolismo celular. La respiración puede ser de dos tipos: anaerobia, que se realiza en ausencia de oxígeno (conocida también como fermentación), y aerobia, que requiere de oxígeno molecular.

MITOCONDRIA

Con el microscopio óptico las mitocondrias aparecen como bastones o raquetas. Fueron descritas por primera vez por Altman en 1884. Se pensó que eran estructuras vivas que parasitaban a la célula y se las denominó bioblastos. Fue Benda, en 1897, quien las denominó mitocondrias (mito = hilo, chondrios = gránulo).
Su tamaño, número y forma son muy variables. En el hígado se calcula que hay unas 1000 mitocondrias por célula; sin embargo, en las células del corazón, los túbulos distales del riñón y otras células que necesitan una gran fuente de energía son mucho más abundantes. Se distribuyen dentro de la célula en relación con los lugares donde la aplicación de esa fuente de energía es más intensa.
Las dimensiones de la mitocondria pueden ser desde 0.5 μm hasta 5 o 7 μm de longitud.
Por regla general, todas las células de los organismos eucariontes tienen mitocondrias, pero hay excepciones. Nuestros glóbulos rojos y las amibas carecen de mitocondrias, y en un estadio del ciclo de vida del microorganismo protista denominado Tripanosoma brucei sus mitocondrias prácticamente desaparecen.
Estos organelos presentan una doble membrana (externa e interna). Cada una de unos 7 μm de espesor y entre ambas membranas hay un espacio de unos 8 μm (espacio perimitocondrial o intermembranal). La membrana interna presenta invaginaciones hacia el interior, que constituyen tabiques denominados crestas. Éstas no llegan de un lado a otro de la mitocondria, por lo que la compartimentación que introducen es abierta.
Tridimensionalmente, la forma de la mitocondria podría compararse muy bien a la de un cacahuate. El interior de la mitocondria está constituido por un contenido más o menos líquido denominado matriz mitocondrial.

Para comprender la importancia de la función principal de las mitocondrias, es necesario recordar dos puntos: el primero es que todos los organismos requieren energía para vivir; el segundo es que el único tipo de energía que los seres vivos utilizan, directa o indirectamente, es el que se encuentra en el ATP. De hecho, no es posible aceptar que exista vida (cuando menos como hasta ahora la conocemos) sin la existencia de ATP.
El ATP es una molécula relativamente simple, la cual está formada por una adenina, una ribosa y tres fosfatos. La unión entre los fosfatos se conoce como unión pirofosfato.
En la glucólisis el desdoblamiento de las moléculas alimenticias se inicia en el citosol, componente líquido del citoplasma en el que se suspenden los organelos. El citosol carece de las enzimas necesarias para utilizar el oxígeno y desdoblar los alimentos. Esta parte del proceso metabólico es anaerobio (sin oxígeno) y no convierte toda la energía contenida en los alimentos en energía en forma de ATP.
Las mitocondrias son los únicos sitios, dentro de la célula, donde el oxígeno puede utilizarse para la degradación completa de los alimentos. Las reacciones del metabolismo aerobio son más eficaces en la producción de energía. Se generan de 18 a 19 veces más ATP en las mitocondrias que mediante el metabolismo anaerobio en el citosol.

Fase oscura

La mayoría de las plantas utilizan el ciclo de Calvin o del C para fijar carbono. La fase oscura comprende las reacciones que no dependen de la luz, esto no significa que necesariamente se realizan durante la noche; se llevan a cabo en el estroma del cloroplasto e incluyen una serie de reacciones en las que a partir de CO2 se sintetiza glucosa, utilizando la energía acumulada en el ATP y en el NADPH2 que se encuentra disuelto en el estroma y que se obtuvo durante la fase luminosa. Se inicia a partir de seis moléculas de ribulosa fosfato y azúcares de cinco átomos de C que se unen con bióxido de carbono (captación de CO2) para formar moléculas de seis átomos, que luego se rompen en 12 moléculas de tres carbonos llamadas ácido fosfoglicérico; de éstas, 10 son utilizadas para regenerar las 6 ribulosas fosfato iniciales y las otras dos forman glucosa o algunos otros carbohidratos que son el producto final de la fotosíntesis.
En conclusión, seis moléculas de CO2 y agua pasan a formar parte de una molécula de glucosa (C6H12O6).

Fase luminosa

Comprende las reacciones químicas que se realizan en presencia de la luz y se llevan a cabo en las membranas tilacoidales en los granas de los cloroplasto. Las reacciones luminosas de la fotosíntesis se dividen en dos grupos de reacciones: fotofosforilación cíclica y fotofosforilación acíclica. La primera es la producción de ATP a partir de ADP, la fotofosforilación no cíclica produce ATP y NADPH2.
En la fotofosforilación cíclica, la luz solar excita los electrones de las moléculas de clorofila, lo cual hace que pasen a un nivel más alto de energía. Estos electrones activados entran en una cadena transportadora de electrones, es decir, son absorbidos por una molécula y donados posteriormente hasta llegar a la molécula de la que salió, pero al hacerlo liberan energía en forma gradual, la cual usa para fosforilar moléculas de ADP y así formar ATP.
La fotofosforilación se lleva a cabo en dos fotosistemas, que se encuentran en las membranas de los tilacoides y se diferencian entre sí por el tipo de longitud de onda de la luz que absorben.
Cuando se produce la fotólisis de dos moléculas de agua, produciendo dos iones hidrógeno (2H+) y dos radicales de oxidrilo (2OH–), se liberan los dos electrones (2e-). Los radicales oxhidrilo formarán después agua y oxígeno atómico como productos finales de la fotosíntesis. Los dos iones de hidrógeno son aceptados por el NADP2.
a) Se excitan dos moléculas de clorofila p680 liberando tanto dos electrones que pasan por otros transportadores como la energía suficiente para la síntesis de dos moléculas de ATP; hasta llegar a clorofila p700. Los electrones que se liberaron de la hidrólisis son recuperados por la clorofila p680.
b) La luz llega a dos moléculas de clorofila p700, liberando dos electrones que son captados por una cadena de transporte de electrones que los lleva a una molécula de NADP, misma que se reduce.
c) El “hueco” electrónico que queda en p700 no excitado, del fotosistema I, debe “rellenarse”, los electrones necesarios para esto provienen del agua a través de una cadena de transporte electrónico que se extiende del fotosistema II. Cuando se ilumina el fotosistema II, un electrón de su fotocentro reactivo es elevado a un nivel mayor de energía y fluye al hueco electrónico en p700 del fotosistema I, reduciéndose nuevamente.

Por cada par de electrones que siguen este camino, se generan dos moléculas de ATP.

Fotosíntesis

La fotosíntesis es un proceso que utilizan las plantas, algas y algunas bacterias para sintetizar su alimento, usando como fuente de energía la luz solar que transforma en energía de enlaces químicos. En los organismos eucariontes, la fotosíntesis se lleva a cabo en los cloroplastos. El proceso de la fotosíntesis se puede resumir en la siguiente ecuación química:
Hay cuatro elementos fundamentales que intervienen en la fotosíntesis:
1. La luz solar, que es la fuente de energía. Los colores del espectro visible que la clorofila absorbe mejor son el azul y el rojo. La función de la luz es, por una parte, excitar a las moléculas de clorofila y, por otra, romper las moléculas de agua, proceso que se conoce como fotólisis.
2. El bióxido de carbono (CO2) de la atmósfera es la fuente de carbono y oxígeno para la síntesis de glucosa.
3. El agua es el agente reductor (donador electrónico) y en los organismos fotosintéticos eucariontes se desprende oxígeno a partir de ella.
4. La clorofila es el principal pigmento presente en los cloroplastos capaz de captar la luz solar. Hay varios tipos de clorofila: a, b, c y d; pero la más común es la a, porque se encuentra en todos los vegetales y algas.

El proceso de fotosíntesis se divide en dos fases: luminosa y oscura.

CLOROPLASTOS

Son organelos de doble membrana, presentes únicamente en las células vegetales y en protistas fotosintéticos, los cuales almacenan el pigmento verde llamado clorofila que capta la luz solar. Los cloroplastos están constituidos de una membrana externa que delimita al organelo del citoplasma y rodea al estroma dentro del cual se encuentran sacos membranosos llamados tilacoides, que forman la membrana interna; éstos se apilan formando estructuras llamadas granas.