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7.14: Metabolismo sin Oxígeno - Respiración celular anaeróbica

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    Algunos procariotas y eucariotas utilizan la respiración anaeróbica en la que pueden crear energía para su uso en ausencia de oxígeno.

    Objetivos de aprendizaje
    • Describir el proceso de respiración celular anaeróbica.

    Puntos Clave

    • La respiración anaeróbica es un tipo de respiración donde no se usa oxígeno; en cambio, se utilizan moléculas orgánicas o inorgánicas como aceptores finales de electrones.
    • La fermentación incluye procesos que utilizan una molécula orgánica para regenerar NAD + a partir de NADH.
    • Los tipos de fermentación incluyen la fermentación de ácido láctico y la fermentación alcohólica, en la que se produce etanol.
    • Todas las formas de fermentación excepto la fermentación de ácido láctico producen gas, el cual juega un papel en la identificación de bacterias en el laboratorio.
    • Algunos tipos de procariotas son facultativamente anaeróbicos, lo que significa que pueden cambiar entre la respiración aeróbica y la fermentación, dependiendo de la disponibilidad de oxígeno.

    Términos Clave

    • Archaea: Un grupo de microorganismos unicelulares. No tienen núcleo celular ni ningún otro orgánulo unido a membrana dentro de sus células.
    • respiración anaeróbica: Una forma de respiración que utiliza aceptores de electrones distintos del oxígeno.
    • fermentación: Una reacción bioquímica anaeróbica. Cuando esta reacción ocurre en la levadura, las enzimas catalizan la conversión de azúcares a alcohol o ácido acético con la evolución del dióxido de carbono.

    Respiración celular anaeróbica

    La producción de energía requiere oxígeno. La cadena de transporte de electrones, donde se forma la mayor parte del ATP, requiere una gran entrada de oxígeno. Sin embargo, muchos organismos han desarrollado estrategias para llevar a cabo el metabolismo sin oxígeno, o pueden cambiar de respiración celular aeróbica a anaeróbica cuando el oxígeno es escaso.

    Durante la respiración celular, algunos sistemas vivos utilizan una molécula orgánica como aceptor final de electrones. Los procesos que utilizan una molécula orgánica para regenerar NAD + a partir de NADH se denominan colectivamente como fermentación. En contraste, algunos sistemas vivos utilizan una molécula inorgánica como aceptor final de electrones. Ambos métodos se denominan respiración celular anaeróbica, donde los organismos convierten la energía para su uso en ausencia de oxígeno.

    Ciertos procariotas, incluyendo algunas especies de bacterias y arqueas, usan respiración anaeróbica. Por ejemplo, el grupo de arqueas llamado metanógenos reduce el dióxido de carbono a metano para oxidar el NADH. Estos microorganismos se encuentran en el suelo y en el tracto digestivo de rumiantes, como vacas y ovejas. De igual manera, las bacterias reductoras de sulfato y las arqueas, la mayoría de las cuales son anaerobias, reducen el sulfato a sulfuro de hidrógeno para regenerar NAD + a partir del NADH

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    Figura\(\PageIndex{1}\): Bacterias anaerobias: El color verde que se observa en estas aguas costeras es de una erupción de bacterias productoras de sulfuro de hidrógeno. Estas bacterias anaeróbicas reductoras de sulfato liberan gas sulfuro de hidrógeno a medida que descomponen las algas en el agua.

    Los eucariotas también pueden someterse a respiración anaeróbica. Algunos ejemplos incluyen la fermentación alcohólica en levaduras y la fermentación de ácido láctico en mamíferos.

    Fermentación de ácido láctico

    El método de fermentación utilizado por los animales y ciertas bacterias (como las del yogur) se llama fermentación de ácido láctico. Este tipo de fermentación se utiliza de manera rutinaria en los glóbulos rojos de mamíferos y en el músculo esquelético que tiene un suministro insuficiente de oxígeno para permitir que continúe la respiración aeróbica (es decir, en los músculos utilizados hasta el punto de la fatiga). El exceso de lactato en esos músculos es lo que provoca la sensación de ardor en tus piernas mientras corres. Este dolor es una señal para descansar los músculos sobrecargados de trabajo para que puedan recuperarse. En estos músculos, la acumulación de ácido láctico debe ser eliminada por la circulación sanguínea y el lactato llevado al hígado para un mayor metabolismo. Las reacciones químicas de la fermentación de ácido láctico son las siguientes:

    Ácido pirúvico + NADH ↔ ácido láctico + NAD +

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    Figura\(\PageIndex{1}\): Fermentación de ácido láctico: La fermentación de ácido láctico es común en células musculares que se han quedado sin oxígeno.

    La enzima utilizada en esta reacción es la lactato deshidrogenasa (LDH). La reacción puede proceder en cualquier dirección, pero la reacción de izquierda a derecha es inhibida por condiciones ácidas. Tal acumulación de ácido láctico alguna vez se creía que causaba rigidez muscular, fatiga y dolor, aunque investigaciones más recientes disputan esta hipótesis. Una vez que el ácido láctico ha sido retirado del músculo y circulado al hígado, puede reconvertirse en ácido pirúvico y catabolizarse aún más para obtener energía.

    Fermentación de Alcohol

    Otro proceso de fermentación familiar es la fermentación alcohólica, que produce etanol, un alcohol. El uso de la fermentación alcohólica se remonta a la historia desde hace miles de años. Las reacciones químicas de la fermentación alcohólica son las siguientes (Nota: El CO 2 no participa en la segunda reacción):

    Ácido pirúvico → CO2 + acetaldehído + NADH → etanol + NAD +

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    Figura\(\PageIndex{1}\): Alcohol Fermentación: La fermentación del jugo de uva en vino produce CO2 como subproducto. Los tanques de fermentación tienen válvulas para que pueda liberarse la presión dentro de los tanques creada por el dióxido de carbono producido.

    La primera reacción es catalizada por la piruvato descarboxilasa, una enzima citoplasmática, con una coenzima de pirofosfato de tiamina (TPP, derivada de la vitamina B 1 y también llamada tiamina). Un grupo carboxilo se elimina del ácido pirúvico, liberando dióxido de carbono como gas. La pérdida de dióxido de carbono reduce el tamaño de la molécula en un carbono, produciendo acetaldehído. La segunda reacción es catalizada por alcohol deshidrogenasa para oxidar NADH a NAD + y reducir el acetaldehído a etanol.

    La fermentación del ácido pirúvico por levaduras produce el etanol que se encuentra en las bebidas alcohólicas. La tolerancia al etanol de la levadura es variable, variando de aproximadamente 5 por ciento a 21 por ciento, dependiendo de la cepa de levadura y las condiciones ambientales.

    Otros Tipos de Fermentación

    Diversos métodos de fermentación son utilizados por diversos organismos para asegurar un adecuado suministro de NAD + para el sexto paso en la glucólisis. Sin estas vías, ese paso no ocurriría y no se cosecharía ATP de la descomposición de la glucosa.Otros métodos de fermentación también ocurren en bacterias. Muchos procariotas son facultativamente anaeróbicos. Esto significa que pueden cambiar entre respiración aeróbica y fermentación, dependiendo de la disponibilidad de oxígeno. Ciertos procariotas, como Clostridia, son anaerobios obligados. Los anaerobios obligados viven y crecen en ausencia de oxígeno molecular. El oxígeno es un veneno para estos microorganismos, matándolos al exponerse.

    Cabe señalar que todas las formas de fermentación, excepto la fermentación de ácido láctico, producen gas. La producción de determinados tipos de gas se utiliza como indicador de la fermentación de carbohidratos específicos, lo que juega un papel en la identificación de laboratorio de las bacterias.

    Contribuciones y Atribuciones

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