13.3: Respiración celular

Paso 1: Glicólisis

Cuando la glucosa se transporta al citoplasma de las células, se descompone en dos moléculas de piruvato. Este proceso se llama glucólisis (glicólisis para glucosa y lisis, lo que significa romperse). La glucólisis implica la acción coordinada de muchas enzimas diferentes. A medida que estas enzimas comienzan a romper la molécula de glucosa, se requiere un aporte inicial de energía. Esta energía inicial es donada por moléculas de ATP.

Aunque se utilizan dos moléculas de ATP para obtener la glucólisis, se producen cuatro moléculas más de ATP durante la reacción, lo que resulta en la producción neta de dos ATP por molécula de glucosa. Además del ATP, dos moléculas de NAD+ se reducen para formar NADH. Cuando se reduce una molécula, se le han agregado electrones. Los electrones tienen una carga negativa, por lo que a esto se le denomina “reducción”. Cuando NAD+ se reduce a NADH, se le agregan dos electrones de alta energía derivados de romper los enlaces de la glucosa. Uno de esos electrones cargados negativamente se equilibra con la carga positiva (+) en NAD+. El otro se equilibra añadiendo un protón (\(\ce{H+}\)) a la molécula. Debido a que el NADH lleva dos electrones de alta energía, a menudo se le conoce como un portador de electrones.

Figura\(\PageIndex{1}\): Reacción de NAD+ a NADH

Tabla\(\PageIndex{1}\): Tabla Resumen de Reactivos y Productos de Glucólisis

Reactivos (¿Qué entró?)	Productos (¿Qué salió?)
1 Glucosa
2 NAD+
2 ADP (neto)

Vías alternas: Fermentación

En este punto, las células hacen un chequeo: ¿Hay oxígeno presente o no? Si no, algunos organismos pueden pasar por un proceso llamado fermentación. En la fermentación, la glucólisis es la única parte de la descomposición de la glucosa que puede hacer una célula. Así, solo se pueden obtener dos ATP netos de cada molécula de glucosa. Para continuar haciendo la fermentación, la célula debe regenerar el NAD+ necesario para realizar la glucólisis.

Hay dos vías primarias para regenerar el NAD+. En tu cuerpo, las células pueden regenerar NAD+ produciendo lactato y\(\ce{H+}\). Esto se llama fermentación de ácido láctico, aunque el ácido láctico nunca se produce realmente, por lo que es un poco inapropiado. Algunas bacterias, como Lactobacillus, también son capaces de realizar este tipo de fermentación.

Hacer Yogur Con Fermentación de Ácido Láctico

Pon un poco de leche en un matraz y agrega una cucharada de yogur. Mezcle bien, cubra y colóquelo en un ambiente cálido. Durante las próximas 24 horas, los azúcares de la leche se fermentarán en lactato y iones H+. Esto espesa la leche y le agrega acidez, haciendo yogur.

¿Por qué le agregaste la cucharada de yogurt para iniciarlo? ¿Qué le sumó esto a la leche que permitiría que ocurriera la fermentación?

¿Por qué necesitabas ponerlo en un ambiente cálido?

¿Crees que el tipo de leche que usas afecta el tiempo que lleva obtener yogurt? Explica tu respuesta.

Otra vía para regenerar NAD+ es producir\(\ce{CO2}\) etanol (alcohol). Ciertas levaduras, como Saccharomyces cerevisea, realizan este tipo de fermentación alcohólica cuando no tienen acceso al oxígeno.

Figura\(\PageIndex{2}\): Fermentación alcohólica, David Carmack [CC BY-SA 3.0]

Diseño Experimental: Tasas de Fermentación Alcohólica

Para este experimento, intentarás responder a la siguiente pregunta:

“¿Qué factores influyen en la tasa de fermentación por levadura?”

Tendrás la opción entre una de dos variables independientes. La variable independiente es la variable sobre la que estás haciendo preguntas. Debe ser lo único que establezcas como diferente entre tus grupos de tratamiento:

1. Tipo de jugo utilizado
2. Temperatura de la cámara de fermentación

¿Por qué sería importante tener solo una variable independiente?

Para la variable dependiente, medirás la circunferencia de un globo que se ha colocado sobre tu matraz de fermentación. La variable dependiente es la que se mide para determinar la influencia de la variable independiente en sus diferentes tratamientos.

¿Por qué la circunferencia del globo sería un buen indicador de la tasa de fermentación? ¿Qué va a recoger el globo?

Elija una variable independiente y haga una predicción sobre cómo influirá en la variable dependiente. A esto se le llama su hipótesis.

Para medir los efectos de la variable independiente sobre la tasa de fermentación, es necesario establecer grupos de tratamiento y controles. Tus grupos de tratamiento deben tener alguna modificación en la variable independiente (como diferentes temperaturas o diferentes tipos de jugo). Elija tres variaciones diferentes de su variable independiente y registrelas a continuación:

T1:

T2:

T3:

Se establecen controles para dar cuenta de cualquier variable adicional dentro del experimento, así como para darte información sobre si tu experimento realmente funcionó. Un control positivo siempre debe funcionar (dar resultados esperados). En este experimento, la fermentación definitivamente debería ocurrir en el testigo positivo para este experimento. Si la fermentación no ocurre en el control positivo, sabes que algo de tu experimento está apagado y podrías estar obteniendo falsos negativos. Piense en un control positivo que podría usar para su experimento y grabarlo a continuación:

Control positivo (C+):

Un control negativo es todo lo contrario. En un control negativo, no quieres ver ningún cambio con respecto a las condiciones iniciales. Si hay un cambio en la variable dependiente en el control negativo, esto le da una línea base de variabilidad que puede esperar en ausencia de cambios en la variable independiente. Por ejemplo, en este experimento, un control negativo no debe tener ninguna fermentación que se produzca y por lo tanto, no se infló el balón. Sin embargo, los gases pueden expandirse a temperaturas más altas, por lo que un control negativo colocado en un ambiente más cálido tendría expansión del globo. Esto nos da algunos datos basales de cómo la temperatura afectará a los gases en el globo sin la influencia de la fermentación. Piensa en un control negativo que podrías usar para tu experimento y registrarlo a continuación (es posible que necesites más de uno):

Control (s) negativo (C-):

Ahora que has diseñado el experimento, es el momento de ejecutarlo y recolectar datos sobre la variable dependiente. Ingresa tus resultados en la siguiente tabla:

Tabla\(\PageIndex{2}\): Cambio en la circunferencia del balón durante la fermentación

Grupo de Tratamiento	Circunferencia Inicial (cm)	Circunferencia Final (cm)	Cambio en la Circunferencia (cm)

Tabla\(\PageIndex{3}\): Cambio en la circunferencia del balón para los controles durante la fermentación

Control	Circunferencia Inicial (cm)	Circunferencia Final (cm)	Cambio en la Circunferencia (cm)
C+
C-

Una vez que hayas recopilado tus datos, necesitas interpretarlos y sacar conclusiones sobre tu hipótesis.

¿Los datos apoyan tu hipótesis o no? Explica tu respuesta.

¿Hubo alguna variable que pudiera haber influido en tu experimento que no controlabas? Si es así, ¿cómo podría ajustar este experimento para dar cuenta de estos en un juicio futuro?

Consulta como clase sobre tus hallazgos. ¿Todos realizaron el experimento igual? ¿Obtuvieron los mismos resultados?

Comparar los resultados de la clase para las dos variables independientes diferentes. ¿Cuál tuvo una mayor influencia en la tasa de fermentación: el tipo de jugo o la temperatura? Intentar una explicación para estos hallazgos.

Conectando de nuevo a la respiración celular, ¿cuánto ATP se produce a partir de una molécula de glucosa si una célula solo pasa por glucólisis?

¿Por qué fermentan los organismos en lugar de pasar por el proceso de respiración celular?

Se utilizó el globo para recoger los gases producidos durante la fermentación. No obstante, el globo era necesario por otra razón (pista: se relaciona con la pregunta anterior). ¿Por qué más cubrimos la petaca con el globo?

Paso 2: La reacción del enlace

Si hay oxígeno presente, la respiración celular puede continuar (más sobre esto en la siguiente sección). Las dos moléculas de piruvato son transportadas a la matriz de la mitocondria. Durante el transporte, cada piruvato se convierte en una molécula de 2 carbonos llamada acetil-\(\ce{CoA}\). El otro átomo de carbono de cada molécula de piruvato sale de la célula como\(\ce{CO2}\). Los electrones de este enlace roto son capturados por otra molécula de NAD+, reduciéndola a NADH.

Paso 3: El ciclo del ácido cítrico (Krebs)

El acetilo-\(\ce{CoA}\) entra en un ciclo que, al igual que la glucólisis, implica la acción de muchas enzimas diferentes para liberar energía y transportarla en moléculas portadoras de energía: ATP, NADH, y otro portador de electrones,\(\ce{FADH2}\). Este ciclo se lleva a cabo dentro de la matriz de la mitocondria.

En el espacio de abajo, dibuja una mitocondria en una célula. Mostrar dónde ocurren la glucólisis, la reacción de enlace y el ciclo del ácido cítrico. Puede ayudarle a incluir los compuestos involucrados en cada etapa, como glucosa, NAD+ y otros.\(\ce{CO2}\)

Paso 4: Fosforilación Oxidativa

Esta etapa de la respiración celular tiene dos pasos. Durante la cadena de transporte de electrones, nuestros portadores de electrones alimentan una serie de bombas de protones que mueven\(\ce{H+}\) iones de la matriz mitocondrial al espacio entre las membranas mitocondriales internas y externas. Durante la quimiósmosis, una enzima llamada ATP sintasa permite que los protones vuelvan a fluir hacia la matriz mitocondrial, utilizando el flujo físico de los protones para convertir el ADP en ATP.

La cadena de transporte de electrones

NADH y\(\ce{FADH2}\) dejan caer sus electrones en un complejo proteico dentro de la membrana mitocondrial interna. Esto efectivamente “enciende” este complejo proteico, que bombea\(\ce{H+}\) a desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. Luego, los electrones se pasan por una línea de complejos proteicos, al igual que una corriente de electricidad, alimentando estos complejos para bombear cada uno\(\ce{H+}\) de la matriz al espacio intermembrana. A esta se le llama apropiadamente la cadena de transporte de electrones.

Al final de la cadena de transporte de electrones, los electrones de baja energía necesitan ser captados para hacer espacio para más electrones. Un átomo de oxígeno capta dos electrones y, para equilibrar la carga, dos\(\ce{H+}\) de la matriz, formando una molécula de agua (\(\ce{H2O}\)). En la respiración celular, el oxígeno es el aceptor de electrones terminal, porque recoge los electrones al final (el término) de la cadena de transporte de electrones. Este trabajo es tan importante que, como viste anteriormente, si no hay oxígeno presente, esta parte de la respiración celular no ocurrirá.

Figura\(\PageIndex{3}\): Mitocondrias y Transporte de Electrones

El diagrama anterior muestra la interacción entre el ciclo del ácido cítrico y la cadena de transporte de electrones dentro de la mitocondria. Hay dos cadenas de transporte de electrones funcionales y una sola ATP sintasa que utiliza el\(\ce{H+}\) gradiente establecido por esas\(\ce{H+}\) bombas para producir ATP.

Quimósmosis

¿Por qué los complejos proteicos están\(\ce{H+}\) bombeando al espacio intermembrana? El espacio intermembrana es relativamente pequeño. A medida\(\ce{H+}\) que se agregan más a esta área, el espacio intermembrana se carga cada vez más positivamente, mientras que la matriz se carga cada vez más negativamente. Esto es similar a cómo una batería almacena energía, al crear un gradiente electroquímico. Las cargas positivas se repelen entre sí y “preferirían” equilibrarse a ambos lados de la membrana. Sin embargo, no pueden pasar directamente a través de la membrana. A pesar de que son pequeños,\(\ce{H+}\) los iones llevan una carga completa, haciéndolos demasiado polares para pasar a través de las colas no polares de la bicapa fosfolipídica que compone las membranas mitocondriales.

Una enzima llamada ATP sintasa permite que el se mueva de nuevo\(\ce{H+}\) a la matriz. Esta enzima está estructurada como una rueda hidráulica o turbina: ¡el flujo de protones a través de la enzima la gira físicamente, convirtiendo la energía potencial almacenada en el gradiente electroquímico en energía cinética (movimiento)! Esta energía cinética se utiliza para forzar otro grupo fosfato sobre ADP, convirtiendo la energía cinética de nuevo en energía química, que se almacena en los enlaces de ATP

Experimento: Comprender la relación entre la respiración celular y la fotosíntesis

1. Poner 50 mL de agua del grifo en un matraz (Frasco A) y agregar un indicador de pH, como rojo fenol. Registre el color inicial de la solución en la siguiente tabla.
2. Saca un cronómetro y ten a un compañero listo para cronometrarte. Cuando digan ir, usa una pajita para soplar en el agua + indicador. Tan pronto como cambie de color, tu pareja debe detener el cronómetro y debes dejar de soplar a través de la pajita. Registre el tiempo a continuación.
3. Repita el paso 1 para configurar otro matraz (Frasco B).
4. Esta vez, antes de soplar en la pajita, haz 30 segundos de ejercicio intenso, como correr afuera, saltar jacks, burpees o algo más divertido. Tan pronto como termines, haz que tu pareja te pase el tiempo mientras soplas a través de la pajita hacia la nueva petaca. Deténgase en cuanto cambie el color y registre el tiempo a continuación.
5. Poner una ramita de Elodea (u otra planta acuática) en el Frasco B, tapar ambos matraces para que no puedan entrar ni salir gases, y ponerlos a ambos bajo una fuente de luz.
6. Observe estos matraces a lo largo del laboratorio y tome nota de cualquier cambio de color.

Tabla\(\PageIndex{4}\): Cambios de pH medidos por color del indicador

	Color Inicial	Tiempo para cambiar	¿Cambios bajo fuente de luz?
Frasco A
Frasco B

¿Por qué cambió el color del indicador cuando soplaste en el líquido? ¿Qué causó el cambio?

¿Subió o bajó el pH de la solución?

¿Hubo alguna diferencia en el momento del cambio de color entre sus dos pruebas? Si es así, ¿qué podría explicar esta diferencia?

Explica lo que observaste después de agregar la planta al Frasco B.

Colaboradores y Atribuciones

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