jueves, 3 de mayo de 2012

Lectura 15: Respiración

La respiración es el proceso mediante el cual los seres vivos liberan y aprovechan la energía almacenada en los nutrientes. De esta energía dependen todos los procesos metabólicos del organismo. La respiración puede ser aerobia o anaerobia.

La glucosa es un azúcar importante, porque es el combustible básico, con el cual funcionan los seres vivos

En la respiración anaerobia, los nutrientes se oxidan parcialmente en ausencia de oxígeno. A este tipo de respiración, se le conoce también con el nombre de fermentación.

La fermentación comienza luego de la difusión de la glucosa entro de la célula. A través de varias reacciones químicas, la glucosa se rompe en dos moléculas de tres carbonos (ácido pirúvico). El ácido pirúvico es transformado entonces en dióxido de carbono y alcohol etílico (fermentación alcohólica). La energía liberada durante estas reacciones se almacena y transporta en moléculas de ATP. Algunas bacterias transforman ácido pirúvico en ácido láctico (fermentación láctica). Tanto el alcohol etílico como el ácido láctico, aunque conservan gran parte de la energía de la glucosa, son eliminados como desecho. Todas las reacciones de la fermentación ocurren en la parte soluble del citoplasma. Algunas de esas reacciones se ilustran en la tabla 1.

Tabla 1. Principales reacciones de la fermentación alcohólica
  1. Glucosa + 2ATP → Glucosa 1,6 di fosfato + 2 agua
  2. Glucosa 1,6 di fosfato → 2 ácido fosfoglicérico
  3. Ácido fosfoglicérico → ácido pirúvico + ácido fosfórico
  4. Ácido pirúvico → acetaldehído + gas carbónico
  5. Acetaldehído → alcohol etílico

La primera reacción se denomina activación y prepara a la glucosa para su rompimiento en la segunda reacción, donde se producen dos moléculas de tres carbonos (ácido fosfoglicérico).

Durante la tercera reacción, el ácido fosfoglicérico libera el fósforo fijado durante la primera reacción y se transforma en ácido pirúvico.

Durante la cuarta reacción, el ácido pirúvico (de tres carbonos), produce acetaldehído (de dos carbonos) y libera un carbono en forma de gas carbónico. En este momento se obtiene buena parte de la energía producida durante la fermentación.

Finalmente, el acetaldehído se transforma en alcohol etílico que se elimina como desecho junto con el gas carbónico de la reacción anterior.

Se debe tener en cuenta, que todas las reacciones están reguladas por enzimas específicas.

El proceso de fermentación alcohólica puede resumirse en la siguiente ecuación:

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP

Aunque la fermentación propiamente dicha, está asociada a microorganismos, esta ocurre en todos los tipos de organismos aerobios, incluyendo animales y plantas. En animales por ejemplo, la fermentación láctica proporciona la mayor parte de la energía necesaria para la contracción de las células del tejido muscular esquelético bajo condiciones anaerobias.

En la industria se utilizan microorganismos fermentadores para producir licores, kumis, yogurt, mantequilla, queso, pan, vinagre, alcoholes y otras sustancias.

En la respiración aerobia, el organismo intercambia oxígeno y gas carbónico con el medio ambiente. El oxígeno, en el interior de las células, realiza la combustión (oxidación) de los nutrientes, generando energía suficiente para mantener el metabolismo .La respiración aerobia se realiza por vías metabólicas dependientes de oxígeno que liberan prácticamente toda la energía contenida en la glucosa.

El proceso se realiza en tres etapas: glucólisis, ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa

La glucólisis se lleva a cabo en la parte soluble del citoplasma, el ciclo de Krebs ocurre en la matriz de las mitocondrias y la fosforilación oxidativa se realiza en la membrana interna de las mitocondrias.

La glucólisis, que corresponde al rompimiento de la molécula de glucosa en dos moléculas de ácido pirúvico tal como ocurre en las primeras etapas de la fermentación.

El ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs, que consiste en una serie de reacciones químicas en la matriz de la mitocondria, cuyo fin, es la degradación oxidativa de las moléculas de ácido pirúvico, hasta gas carbónico, liberando la energía contenida en sus enlaces.

Sin embargo, identificar el ciclo del ácido cítrico como un proceso que cumple solo este papel metabólico sería incorrecto, puesto que este tiene una finalidad mucho más amplia. Es decir, que además de servir como fuente principal de energía metabólica en forma de ATP, los compuestos intermediarios del ciclo, pueden participar en reacciones de biosíntesis y formarse a partir de reacciones catabólicas. En resumen, el ciclo de Krebs integra rutas metabólicas relacionadas con el anabolismo y el catabolismo de sustancias como carbohidratos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y otras. La figura 1, ilustra estos procesos.

La fosforilación oxidativa, que consiste en una serie de reacciones que ocurren en la membrana interna de la mitocondria y tiene como fin sintetizar moléculas de ATP a partir de ADP y fósforo libre, utilizando como energía de enlace, la energía liberada durante el ciclo de Krebs. Este proceso es progresivo. Los electrones pasan de un estado de energía a otro, hasta el aceptor final que es el oxígeno. En su camino, van liberando la energía que va siendo utilizada en la síntesis de ATP. A la fosforilación oxidativa se le llama también, cadena transportadora de electrones, o cadena respiratoria.

El proceso de respiración aerobia puede resumirse en la siguiente ecuación:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 36ATP

Esto significa que Por cada mol de glucosa (180 gramos), se consumen 6 moles de oxígeno y se producen 6 moles de gas carbónico, 6 moles de agua y la energía obtenida es almacenada en 36 moles de ATP (686 kilocalorías aproximadamente

Taller de lectura 15

  1. ¿Qué es respiración?
  2. ¿En qué procesos se utiliza la energía liberada durante el proceso de respiración?
  3. ¿Cuáles son las clases de respiración?
  4. ¿Cuál es la importancia de la glucosa en los procesos respiratorios?
  5. ¿Qué le pasa a los nutrientes durante la respiración anaerobia?
  6. ¿Qué otro nombre recibe la respiración anaerobia?
  7. Nombre las dos clases de fermentación
  8. ¿Durante la fermentación alcohólica, en que sustancias se transforma la glucosa que entra en las células?
  9. ¿Qué sustancias almacenan y transportan la energía dentro de las células?
  10. ¿En qué parte de la célula ocurren las reacciones propias de la fermentación?
  11. ¿Qué función cumple la fermentación láctica en las células animales?
  12. ¿Qué productos industriales se obtienen utilizando microorganismos fermentadores?
  13. Escriba la ecuación que resume el proceso de fermentación alcohólica
  14. ¿Cuál es la función del oxígeno en el proceso de respiración aerobia?
  15. ¿Cuáles son las etapas de la respiración aerobia? ¿En qué parte de la célula se realiza cada etapa?
  16. ¿Qué es glucólisis?
  17. ¿Qué es el ciclo de Krebs?
  18. ¿Qué rutas metabólicas integra el ciclo de Krebs?
  19. ¿En qué consiste la fosforilación oxidativa y cuál es su finalidad?
  20. ¿Qué le pasa a los electrones durante la fosforilación oxidativa?
  21. ¿Qué otros nombres recibe la fosforilación oxidativa?
  22. Escriba la ecuación que resume la respiración aerobia y lo que ella significa.
Copie las preguntas 23 a 30 y respóndalas, marcando con X, la respuesta correcta
  1. Del esquema “Ciclo de Krebs y otras vías metabólicas”, se puede deducir que:
    1. Además de la glucosa, también son fuente de energía los ácidos grasos y los aminoácidos
    2. El ciclo de Krebs es la única vía para la síntesis de aminoácidos
    3. La función principal del ciclo de krebs es la producción de ácidos nucleicos
    4. El ciclo de Krebs sólo interviene en procesos catabólicos.
  2. Cuando un organismo toma oxígeno disuelto en el aire o en el agua y elimina gas carbónico, su respiración es:
    1. Por fermentación alcohólica
    2. Por fermentación láctica
    3. Aerobia
    4. Anaerobia
  3. Las etapas de la respiración aerobia se realizan en el siguiente orden:
    1. Producción de ATP – glucolisis en la matriz de la mitocondria – ciclo de Krebs en el citoplasma – fosforilación oxidativa en el citoplasma
    2. Glucólisis en el citoplasma – ciclo de Krebs en la matriz de la mitocondria – fosforilación oxidativa en la membrana interna de la mitocondria – producción de ATP
    3. fosforilación oxidativa en la membrana interna de la mitocondria - Producción de ATP - Glucólisis en el citoplasma - ciclo de Krebs en el citoplasma
    4. Producción de ATP - fosforilación oxidativa en la membrana interna de la mitocondria - ciclo de Krebs en la matriz de la mitocondria - Glucólisis en el citoplasma
  4. Bajo ciertas condiciones, las células musculares realizan fermentación láctica. Es decir:
    1. Cuando las células musculares han perdido sus mitocondrias
    2. Cuando las células musculares pierden la capacidad de obtener glucosa
    3. Cuando las células musculares no cuentan con el oxígeno suficiente para la respiración aerobia
    4. Cuando el organismo está en reposo y sus células musculares se encuentran prácticamente inactivas
  5. Además de la presencia o ausencia de oxígeno, la respiración aerobia difiere de la fermentación en que:
    1. La fermentación solo se realiza en células sin mitocondrias
    2. La respiración aerobia es la única en la que se producen desechos gaseosos
    3. La fermentación requiere de ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa
    4. La respiración aerobia aprovecha la mayor parte de la energía almacenada en la glucosa y la fermentación no.
  6. De acuerdo con la tabla 1, la activación de la glucosa requiere que:
    1. El ácido pirúvico se transforme en acetaldehído y gas carbónico
    2. Cada mol de glucosa reaccione con dos moles de ATP
    3. La glucosa produzca ATP
    4. La glucosa produzca energía
Responda las preguntas 29 y 30 con base en la siguiente información:

Muchos son los experimentos que se han realizado para determinar la manera como se llevan a cabo ciertas reacciones en un organismo. Una de las técnicas, es marcar las sustancias con átomos radiactivos. Al marcar glucosa con carbono radiactivo y luego analizar las sustancias intermedias y de desecho, se va determinando el orden en que se produce cada reacción.

  1. Si se administra a una célula glucosa con carbono radiactivo, y luego se detecta este carbono en el gas carbónico eliminado como desecho se puede deducir que:
    1. La energía obtenida durante la respiración es consecuencia de la degradación de la glucosa
    2. El organismo se ha contaminado con material radiactivo y todos sus compuestos presentarán radiación
    3. La radiactividad del carbono inicial es la fuente de energía de la respiración
    4. La radiación pudo haber afectado el metabolismo del organismo y la presencia de este carbono en el gas carbónico final no es prueba suficiente para determinar el orden de las reacciones
  2. Durante la respiración aerobia, se producen como desecho gas carbónico y agua. Si a un organismo se le administra oxígeno radiactivo y este sólo aparece en el agua final, se puede deducir que:
    1. En la primera reacción de la respiración, el oxígeno radiactivo se combina con la glucosa reemplazando sus oxígenos originales
    2. El oxígeno participa sólo en el último paso del proceso, puesto que no aparece en ninguna sustancia intermedia
    3. La radiactividad del oxígeno inicial, pasó a los oxígenos de los demás compuestos involucrados en el proceso
    4. El oxígeno no cumple ninguna función en el proceso respiratorio.

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