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¿La producción de ATP aumenta con la disponibilidad de oxígeno?

¿La producción de ATP aumenta con la disponibilidad de oxígeno?


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No soy biólogo, así que perdonad mi ignorancia. Estoy trabajando en un proyecto de evolución especulativa y estoy buscando entender cómo la presión parcial de oxígeno afecta el rendimiento aeróbico máximo del músculo. Este papel da el máximo rendimiento aeróbico de 100 Watts por KG de músculo. Se establece que este límite se observa tanto para insectos como para vertebrados voladores y, a su vez, se utiliza para calcular las capacidades de vuelo aeróbico de varios animales. El documento también menciona que el tejido muscular escamoso puede lograr 450 W / kg anaeróbicamente.

He utilizado las ecuaciones enumeradas en el documento vinculado para calcular los límites de tamaño de la fauna de mi mundo especulativo. El único problema es que esto supone una producción de potencia aeróbica de 100 W / kg de músculo. Tengo entendido que la respiración aeróbica en las células musculares es impulsada por la producción de ATP y que la producción de ATP depende de un suministro constante de oxígeno. Parece lógico que la producción de potencia aeróbica máxima sea mayor si hay más oxígeno disponible.

Por contexto, la atmósfera de este mundo especulativo contiene 13,5% O2 a una presión de 12atm. Esto equivale a un presión parcial de oxígeno de 1,62 - aproximadamente ~ 8 veces mayor que nuestra atmósfera actual. En estas condiciones, hay 8 veces la cantidad de oxígeno disponible para la respiración. Si la disponibilidad de oxígeno es el único factor en la producción de ATP (por lo tanto, la potencia muscular aeróbica), entonces esto significa que la producción de potencia aeróbica sería neta 800W / kg de músculo (asumiendo que la biología de estas criaturas es la misma que la de los animales conocidos). Esto es casi el doble de lo que pueden producir las lagartijas. anaeróbicamente lo que no parece probable.

Mi pregunta es ¿cómo escalaría la producción de ATP con el oxígeno disponible? Supongo que llega un punto en el que las mitocondrias simplemente no pueden procesar el ATP más rápido, lo que implicaría una producción de potencia aeróbica máxima. He leído que algunos atletas respiran aire enlatado para reducir la fatiga. ¿Más oxígeno equivale a más potencia o simplemente significa que las células musculares no se fatigarían tan rápidamente? Si he cometido algún error en mi razonamiento, corríjalo. Gracias.


Los factores que limitan la producción de ATP son la tasa de metabolismo del combustible (glucosa, grasas, aminoácidos, etc.) y su eficiencia (moléculas de ATP por molécula de combustible).

Es posible producir ATP con oxígeno cero por la vía glucolítica; si esto no fuera cierto, no habría organismos anaeróbicos en la Tierra (que claramente los hay). El músculo también puede hacer esto durante períodos cortos de tiempo, produciendo ácido láctico. De hecho, muchos investigadores creen que esta vía puede producir ATP más rápido de todas las vías de consumo de glucosa, aunque sea la menos eficiente. En otras palabras, la cantidad de ATP por glucosa es pequeña (solo 2), pero la glucosa "fluye" a través de esta vía tan rápido que aún se genera más rápido que la respiración, que produce 30-32 ATP por glucosa, pero puede procesar mucho menos moléculas de glucosa por segundo. La tasa real de generación de ATP por las mitcondrias solo está limitada por la concentración de O2, en un sentido cinético químico, en la hipoxia, es decir, cuando un tejido no tiene un suministro de sangre adecuado, como en ciertos tumores.

El efecto principal de la disponibilidad de oxígeno es probablemente la escala de tamaño: si tiene más O2, puede pasarlo a través de un cuerpo más grande más fácilmente. No es que las propias células musculares generen más energía, es que puedes suministrar más fibras musculares que están más lejos de los pulmones / branquias / lo que sea. Es por eso que en el período carbonífero en la Tierra, donde había considerablemente más O2, muchos animales (particularmente los invertebrados) eran mucho más grandes de lo que son hoy.


RESPIRACIÓN CELULAR

La respiración celular es el conjunto de reacciones y procesos metabólicos que tienen lugar en las células de los organismos para convertir la energía bioquímica de los nutrientes en trifosfato de adenosina (ATP) y luego liberar los productos de desecho. Las reacciones involucradas en la respiración son reacciones catabólicas, que rompen moléculas grandes en moléculas más pequeñas, liberando energía en el proceso a medida que los enlaces débiles de & # 8220high-energy & # 8221 son reemplazados por enlaces más fuertes en los productos. La respiración es una de las formas clave en que una célula obtiene energía útil para impulsar la actividad celular. La respiración celular se considera una reacción redox exotérmica. La reacción general se divide en muchas reacciones más pequeñas cuando ocurre en el cuerpo, la mayoría de las cuales son reacciones redox en sí mismas. Aunque técnicamente, la respiración celular es una reacción de combustión, claramente no se parece a una cuando ocurre en una célula viva. Esta diferencia se debe a que ocurre en muchos pasos separados. Si bien la reacción general es una reacción de combustión, ninguna reacción única que la comprende es una reacción de combustión.

Los nutrientes que utilizan comúnmente las células animales y vegetales en la respiración incluyen azúcar, aminoácidos y ácidos grasos, y un agente oxidante común (aceptor de electrones) es el oxígeno molecular (O2). La energía almacenada en el ATP (su tercer grupo fosfato está débilmente unido al resto de la molécula y se rompe de forma económica, lo que permite que se formen enlaces más fuertes, transfiriendo así energía para su uso por la célula) se puede utilizar para impulsar procesos que requieren energía, incluida la biosíntesis. , locomoción o transporte de moléculas a través de las membranas celulares.

Respiración aeróbica

La respiración aeróbica requiere oxígeno para generar ATP. Aunque los carbohidratos, las grasas y las proteínas se pueden procesar y consumir como reactivos, es el método preferido de descomposición del piruvato en la glucólisis y requiere que el piruvato ingrese a la mitocondria para que el ciclo de Krebs lo oxide por completo. El producto de este proceso es dióxido de carbono y agua, pero la energía transferida se usa para romper enlaces fuertes en ADP cuando se agrega el tercer grupo fosfato para formar ATP (trifosfato de adenosina), por fosforilación a nivel de sustrato, NADH y FADH2.

La respiración aeróbica (flechas rojas) es el medio principal por el cual tanto los hongos como las plantas utilizan energía en forma de compuestos orgánicos que se crearon previamente a través de la fotosíntesis (flecha verde).

Reacción simplificada: C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) → 6 CO2 (g) + 6 H2O (l) + calor
ΔG = -2880 kJ por mol de C6H12O6

El ΔG negativo indica que la reacción puede ocurrir espontáneamente.

El potencial reductor de NADH y FADH2 se convierte en más ATP a través de una cadena de transporte de electrones con oxígeno como & # 8220 aceptor de electrones terminal & # 8221. La mayor parte del ATP producido por la respiración celular aeróbica se produce por fosforilación oxidativa. Esto funciona mediante la energía liberada en el consumo de piruvato que se utiliza para crear un potencial quimiosmótico al bombear protones a través de una membrana. Este potencial se utiliza luego para impulsar la ATP sintasa y producir ATP a partir de ADP y un grupo fosfato. Los libros de texto de biología a menudo afirman que se pueden producir 38 moléculas de ATP por molécula de glucosa oxidada durante la respiración celular (2 a partir de la glucólisis, 2 del ciclo de Krebs y aproximadamente 34 del sistema de transporte de electrones). Sin embargo, este rendimiento máximo nunca se alcanza debido a las pérdidas (membranas con fugas), así como al costo de mover el piruvato y el ADP a la matriz de las mitocondrias y las estimaciones actuales oscilan entre 29 y 30 ATP por glucosa.

El metabolismo aeróbico es hasta 15 veces más eficiente que el metabolismo anaeróbico (que produce 2 moléculas de ATP por 1 molécula de glucosa). Sin embargo, algunos organismos anaeróbicos, como el Methanogen, pueden continuar con la respiración anaeróbica, produciendo más ATP mediante el uso de otras moléculas inorgánicas (no oxígeno) como aceptor final de electrones en la cadena de transporte de electrones. Comparten la vía inicial de la glucólisis, pero el metabolismo aeróbico continúa con el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa. Las reacciones posglicolíticas tienen lugar en las mitocondrias de las células eucariotas y en el citoplasma de las células procariotas.


Fatiga muscular

La fatiga muscular ocurre después de un período de actividad sostenida.

Objetivos de aprendizaje

Describir los factores implicados en la fatiga muscular metabólica.

Conclusiones clave

Puntos clave

  • La fatiga muscular se refiere a la disminución de la fuerza muscular generada con el tiempo.
  • Varios factores contribuyen a la fatiga muscular, siendo el más importante la acumulación de ácido láctico.
  • Con suficiente ejercicio se puede retrasar la aparición de la fatiga muscular.

Términos clave

  • Ácido láctico: Un subproducto de la respiración anaeróbica que contribuye en gran medida a la fatiga muscular.

La fatiga muscular se refiere a la disminución de la fuerza muscular generada durante períodos prolongados de actividad o debido a problemas patológicos. La fatiga muscular tiene varias causas posibles, entre las que se incluyen la alteración del flujo sanguíneo, el desequilibrio de iones dentro del músculo, la fatiga nerviosa, la pérdida del deseo de continuar y, lo más importante, la acumulación de ácido láctico en el músculo.

Acumulación de ácido láctico

El uso prolongado de los músculos requiere el suministro de oxígeno y glucosa a la fibra muscular para permitir que se produzca la respiración aeróbica, produciendo el ATP necesario para la contracción muscular. Si el sistema respiratorio o circulatorio no puede satisfacer la demanda, entonces la respiración anaeróbica, mucho menos eficiente, generará energía.

En la respiración aeróbica, el piruvato producido por la glucólisis se convierte en moléculas de ATP adicionales en las mitocondrias a través del ciclo de Krebs. Con oxígeno insuficiente, el piruvato no puede ingresar al ciclo de Krebs y, en cambio, se acumula en la fibra muscular. El piruvato se procesa continuamente en ácido láctico. Con la acumulación de piruvato, también aumenta la producción de ácido láctico. Esta acumulación de ácido láctico en el tejido muscular reduce el pH, haciéndolo más ácido y produciendo la sensación de escozor en los músculos al hacer ejercicio. Esto inhibe aún más la respiración anaeróbica, induciendo fatiga.

El ácido láctico se puede convertir de nuevo en piruvato en las células musculares bien oxigenadas, sin embargo, durante el ejercicio, la atención se centra en mantener la actividad muscular. El ácido láctico se transporta al hígado donde se puede almacenar antes de su conversión en glucosa en presencia de oxígeno a través del ciclo de Cori. La cantidad de oxígeno necesaria para restaurar el equilibrio del ácido láctico a menudo se denomina deuda de oxígeno.

Desequilibrio de iones

La contracción de un músculo requiere que los iones Ca + interactúen con la troponina, exponiendo el sitio de unión de la actina a la cabeza de la miosina. Con un ejercicio extenso, las moléculas osmóticamente activas fuera del músculo se pierden a través del sudor. Esta pérdida cambia el gradiente osmótico, lo que dificulta la entrega de los iones de Ca + necesarios a la fibra muscular. En casos extremos, esto puede provocar un mantenimiento prolongado y doloroso de la contracción o calambre muscular.

Fatiga nerviosa y pérdida del deseo

Los nervios son responsables de controlar la contracción de los músculos, determinando el número, la secuencia y la fuerza de las contracciones musculares. La mayoría de los movimientos requieren una fuerza muy por debajo de la que podría generar un músculo y, salvo enfermedad, la fatiga nerviosa rara vez es un problema. Sin embargo, la pérdida del deseo de hacer ejercicio ante el aumento del dolor muscular, la respiración y la frecuencia cardíaca puede tener un poderoso impacto negativo en la actividad muscular.

Fatiga metabólica

El agotamiento de los sustratos necesarios, como el ATP o el glucógeno dentro de un músculo, provoca fatiga, ya que el músculo no puede generar energía para potenciar las contracciones. La acumulación de metabolitos de estas reacciones distintos del ácido láctico, como los iones Mg 2+ o las especies reactivas del oxígeno, también puede inducir fatiga al interferir con la liberación de iones Ca + del retículo sarcoplásmico o mediante la reducción de la sensibilidad de la troponina al Ca + .

Ejercicio y envejecimiento

Con suficiente entrenamiento, la capacidad metabólica de un músculo puede cambiar, retrasando la aparición de la fatiga muscular. El músculo especificado para el ejercicio anaeróbico de alta intensidad sintetizará más enzimas glucolíticas, mientras que el músculo para el ejercicio aeróbico de larga duración desarrollará más capilares y mitocondrias. Además, con el ejercicio, las mejoras en los sistemas circulatorio y respiratorio pueden facilitar un mejor suministro de oxígeno y glucosa al músculo.

Con el envejecimiento, los niveles de ATP, CTP y mioglobina comienzan a disminuir, lo que reduce la capacidad de funcionamiento del músculo. Las fibras musculares se encogen o se pierden y el tejido conectivo circundante se endurece, lo que hace que la contracción muscular sea más lenta y más difícil. El ejercicio durante toda la vida puede ayudar a reducir el impacto del envejecimiento al mantener un suministro saludable de oxígeno al músculo.


¿Qué es ATP?

"¿Qué es ATP?" Es una cuestión importante en el entrenamiento deportivo porque toda la producción de energía es impulsada por este compuesto. Los programas de entrenamiento que diseñe para sus atletas se enfocarán en su capacidad para producir energía para potencia y / o resistencia.

A menudo se hace referencia al ATP como la moneda energética de la vida. Las células del cuerpo utilizan una forma especial de energía llamada trifosfato de adenosina (ATP) para impulsar casi todas sus actividades, como la contracción muscular, la construcción de proteínas, el transporte de sustratos, la comunicación con otras células, la activación de mecanismos de control del calor y el desmantelamiento de estructuras dañadas y no utilizadas. .

Cada célula tiene una pequeña reserva de ATP altamente cargada ubicada en el citoplasma. El ATP está formado por adenosina y tres grupos fosfato inorgánico (Pi) unidos en secuencia. Cada uno de los enlaces de fosfato almacena la energía que la célula puede usar. El enlace entre el segundo y tercer grupo fosfato contiene la energía más accesible.

Cuando una enzima separa el tercer grupo fosfato del segundo grupo fosfato, se libera energía para que la célula pueda usarla. Cuando esto sucede, el ATP se convierte en un difosfato de adenosina (ADP) deficiente en energía. Es decir, solo hay dos grupos fosfato unidos en secuencia en lugar de tres.

Para volver a unir el tercer grupo fosfato al segundo grupo fosfato (en el proceso de conversión del ADP deficiente en energía nuevamente en ATP de alta energía) se necesita una fuente de combustible que contenga energía. Esta fuente de combustible proviene de los alimentos que comemos.

El sol es la fuente original del combustible que el cuerpo usa para convertir el ADP deficiente en energía nuevamente en ATP de alta energía. Las plantas convierten la energía solar en carbohidratos, grasas y proteínas. Los humanos comen las plantas y también comen otros animales que también comen las plantas.

El sistema digestivo descompone los alimentos ingeridos en pequeñas unidades llamadas aminoácidos (proteínas), glucosa (carbohidratos) y ácidos grasos (grasas). Estas pequeñas unidades se absorben en el torrente sanguíneo y se transportan a las células. La celda puede usar las pequeñas unidades como combustible para convertir ADP en ATP y para construir y fortalecer todas sus estructuras. Sin la capacidad de rehacer ATP, la celda se quedaría sin su suministro de ATP después de un par de segundos.

Los mecanismos responsables de reconectar el grupo fosfato con el ADP agotado en energía para reformar el ATP cargado se denominan sistemas de energía del cuerpo o vías de energía. Un mecanismo de producción de ATP (que consta de dos estrategias diferentes) puede rehacer el ATP sin usar oxígeno y, por lo tanto, se denomina sistema de energía anaeróbico.

El otro mecanismo de producción de ATP necesita oxígeno y por esta razón se llama sistema de energía aeróbica. Tan pronto como el grupo fosfato se separa de un ATP para liberar la energía, estos dos amplios mecanismos entran en acción para volver a conectar el tercer grupo fosfato al ADP agotado en energía para rehacer el ATP de alta energía. La celda protege su almacén de ATP y no dejará que caiga por debajo del 60%. Recargar ADP en ATP es un proceso continuo.

La información y las ilustraciones sobre "¿Qué es ATP?" son cortesía de la Dra. Christine Brooks. Para obtener más información sobre cómo entrenar los sistemas energéticos de sus atletas para un rendimiento máximo, consulte Entrenamiento de atletas de alto rendimiento.


Fosforilación oxidativa

Acaba de leer acerca de dos vías en el catabolismo y la glucólisis de la glucosa y el ciclo del ácido cítrico y las formas que generan ATP. Sin embargo, la mayor parte del ATP generado durante el catabolismo aeróbico de la glucosa no se genera directamente a partir de estas vías. Más bien, se deriva de un proceso que comienza con el paso de electrones a través de una serie de reacciones químicas hasta un aceptor de electrones final, el oxígeno. Estas reacciones tienen lugar en complejos de proteínas especializados ubicados en la membrana interna de las mitocondrias de organismos eucariotas y en la parte interna de la membrana celular de organismos procariotas. La energía de los electrones se recolecta y se utiliza para generar un gradiente electroquímico a través de la membrana mitocondrial interna. La energía potencial de este gradiente se utiliza para generar ATP. La totalidad de este proceso se denomina fosforilación oxidativa.

La cadena de transporte de electrones (Figura 2a) es el último componente de la respiración aeróbica y es la única parte del metabolismo que utiliza oxígeno atmosférico. El oxígeno se difunde continuamente en las plantas para este propósito. En los animales, el oxígeno ingresa al cuerpo a través del sistema respiratorio. El transporte de electrones es una serie de reacciones químicas que se asemeja a una brigada de cubos en el que los electrones pasan rápidamente de un componente al siguiente, hasta el punto final de la cadena donde el oxígeno es el aceptor final de electrones y se produce agua. Hay cuatro complejos compuestos de proteínas, etiquetadas de I a IV en la Figura 2c, y la agregación de estos cuatro complejos, junto con los portadores de electrones accesorios móviles asociados, se denomina cadena de transporte de electrones. La cadena de transporte de electrones está presente en múltiples copias en la membrana mitocondrial interna de eucariotas y en la membrana plasmática de procariotas. En cada transferencia de un electrón a través de la cadena de transporte de electrones, el electrón pierde energía, pero con algunas transferencias, la energía se almacena como energía potencial usándola para bombear iones de hidrógeno a través de la membrana mitocondrial interna hacia el espacio intermembrana, creando un gradiente electroquímico. .

Figura 2. (a) La cadena de transporte de electrones es un conjunto de moléculas que soportan una serie de reacciones de oxidación-reducción. (b) La ATP sintasa es una máquina molecular compleja que utiliza un gradiente de H + para regenerar ATP a partir de ADP. (c) La quimiosmosis se basa en la energía potencial proporcionada por el gradiente de H + a través de la membrana.

El cianuro inhibe la citocromo c oxidasa, un componente de la cadena de transporte de electrones. Si ocurre una intoxicación por cianuro, ¿esperaría que el pH del espacio intermembrana aumentara o disminuyera? ¿Qué efecto tendría el cianuro en la síntesis de ATP?

[practice-area rows = & rdquo4 & Prime] [/ practice-area]
[revel-answer q = & rdquo208600 & Prime] Mostrar respuesta [/ revel-answer]
[hidden-answer a = & rdquo208600 & Prime] Después del envenenamiento por cianuro, la cadena de transporte de electrones ya no puede bombear electrones al espacio intermembrana. El pH del espacio intermembrana aumentaría y la síntesis de ATP se detendría. [/ Hidden-answer]

Electrones de NADH y FADH2 pasan a los complejos de proteínas en la cadena de transporte de electrones. A medida que pasan de un complejo a otro (hay un total de cuatro), los electrones pierden energía y parte de esa energía se utiliza para bombear iones de hidrógeno desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. En el cuarto complejo proteico, los electrones son aceptados por el oxígeno, el aceptor terminal. El oxígeno con sus electrones adicionales luego se combina con dos iones de hidrógeno, mejorando aún más el gradiente electroquímico, para formar agua. Si no hubiera oxígeno presente en la mitocondria, los electrones no podrían eliminarse del sistema y toda la cadena de transporte de electrones retrocedería y se detendría. Las mitocondrias no podrían generar nuevo ATP de esta manera, y la célula finalmente moriría por falta de energía. Ésta es la razón por la que debemos respirar para recibir nuevo oxígeno.

En la cadena de transporte de electrones, la energía libre de la serie de reacciones que se acaban de describir se utiliza para bombear iones de hidrógeno a través de la membrana. La distribución desigual de iones H + a través de la membrana establece un gradiente electroquímico, debido a la carga positiva de los iones H + y rsquo y su mayor concentración en un lado de la membrana.

Los iones de hidrógeno se difunden a través de la membrana interna a través de una proteína de membrana integral llamada ATP sintasa (Figura 2b). Esta proteína compleja actúa como un generador minúsculo, impulsado por la fuerza de los iones de hidrógeno que se difunden a través de ella, por su gradiente electroquímico desde el espacio intermembrana, donde hay muchos iones de hidrógeno que se repelen mutuamente hasta la matriz, donde hay pocos. El torneado de las partes de esta máquina molecular regenera ATP a partir de ADP. Este flujo de iones de hidrógeno a través de la membrana a través de la ATP sintasa se llama quimiosmosis.

La quimiosmosis (Figura 2c) se usa para generar el 90 por ciento del ATP producido durante el catabolismo aeróbico de la glucosa. El resultado de las reacciones es la producción de ATP a partir de la energía de los electrones extraídos de los átomos de hidrógeno. Estos átomos eran originalmente parte de una molécula de glucosa. Al final del sistema de transporte de electrones, los electrones se utilizan para reducir una molécula de oxígeno a iones de oxígeno. Los electrones adicionales en los iones de oxígeno atraen iones de hidrógeno (protones) del medio circundante y se forma agua. La cadena de transporte de electrones y la producción de ATP a través de la quimiosmosis se denominan colectivamente fosforilación oxidativa.


Papel de los ATP en el control del dolor

El ATP demuestra una reducción del dolor perioperatorio agudo en estudios clínicos. [20] & # x000a0 En estos estudios, los pacientes recibieron ATP intravenoso. La infusión de adenosina intravenosa actúa sobre el receptor de adenosina A1, iniciando una cascada de señalización que finalmente ayuda a los efectos analgésicos observados en la inflamación. Los estudios han demostrado que los compuestos de adenosina disminuyen la alodinia y la hiperalgesia cuando se administran en dosis moderadas. [20] La activación del receptor de adenosina A1 hace que la intervención del dolor sea eficaz debido a que produce un inicio lento y una acción de larga duración, que puede durar semanas en algunos casos. [20]

La suplementación con ATP produjo resultados positivos durante la anestesia. La evidencia muestra que las dosis bajas de adenosina reducen el dolor neuropático, el dolor isquémico y la hiperalgesia a un nivel comparable al de la morfina. [21] & # x000a0 La adenosina también disminuyó el uso posoperatorio de opioides, lo que sugiere una posible activación prolongada del receptor de adenosina A1.

Cardiología y Cirugía

Se ha demostrado que el ATP es un vasodilatador pulmonar seguro y práctico en pacientes afectados por hipertensión pulmonar. [21] & # x000a0 De manera similar, la adenosina y el ATP se pueden emplear durante la cirugía para inducir hipotensión en los pacientes. [21]


Let & # 8217s revisión

La respiración celular es una colección de tres vías metabólicas únicas: la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico y la cadena de transporte de electrones. La glucólisis es un proceso anaeróbico, mientras que las otras dos vías son aeróbicas. Para pasar de la glucólisis al ciclo del ácido cítrico, las moléculas de piruvato (la salida de la glucólisis) deben oxidarse en un proceso llamado oxidación de piruvato.

Glucólisis

La glucólisis es la primera vía de la respiración celular. Esta vía es anaeróbica y tiene lugar en el citoplasma de la célula. Esta vía descompone 1 molécula de glucosa y produce 2 moléculas de piruvato. Hay dos mitades de glucólisis, con cinco pasos en cada mitad. La primera mitad se conoce como & # 8220energía que requiere & # 8221 pasos. Esta mitad divide la glucosa y consume 2 ATP. Si la concentración de piruvato quinasa es lo suficientemente alta, puede continuar la segunda mitad de la glucólisis. En la segunda mitad, el & # 8220 liberación de energía: pasos, se liberan 4 moléculas de ATP y 2 NADH. La glucólisis tiene un ganancia neta de 2 moléculas de ATP y 2 NADH.

Algunas células (por ejemplo, glóbulos rojos de mamíferos maduros) no pueden experimentar respiración aeróbica, por lo que la glucólisis es su solamente fuente de ATP. Sin embargo, la mayoría de las células experimentan oxidación de piruvato y continúan con las otras vías de respiración celular.

Oxidación de piruvato

En eucariotas, la oxidación del piruvato tiene lugar en las mitocondrias. La oxidación del piruvato solo puede ocurrir si hay oxígeno disponible. En este proceso, el piruvato creado por la glucólisis se oxida. En este proceso de oxidación, se elimina un grupo carboxilo del piruvato, creando grupos acetilo, que se combinan con la coenzima A (CoA) para formar acetil CoA. Este proceso también libera CO2.

Ciclo del ácido cítrico

El ciclo del ácido cítrico (también conocido como ciclo de Krebs) es la segunda vía en la respiración celular y también tiene lugar en las mitocondrias. La velocidad del ciclo está controlada por la concentración de ATP. Cuando hay más ATP disponible, la tasa se ralentiza cuando hay menos ATP, la tasa aumenta. Esta vía es un circuito cerrado: el paso final produce el compuesto necesario para el primer paso.

El ciclo del ácido cítrico se considera una vía aeróbica porque el NADH y FADH2 produce actuar como compuestos de almacenamiento temporal de electrones, transfiriendo sus electrones a la siguiente vía (cadena de transporte de electrones), que utiliza oxígeno atmosférico. Cada vuelta del ciclo del ácido cítrico proporciona un ganancia neta de CO2, 1 GTP o ATP, y 3 NADH y 1 FADH2.

Cadena de transporte de electrones

La mayor parte del ATP de la glucosa se genera en la cadena de transporte de electrones. Es la única parte de la respiración celular que consume oxígeno directamente; sin embargo, en algunos procariotas, esta es una vía anaeróbica. En eucariotas, esta vía tiene lugar en la membrana mitocondrial interna. En procariotas ocurre en la membrana plasmática.

La cadena de transporte de electrones está formada por 4 proteínas a lo largo de la membrana y una bomba de protones. Un cofactor transporta electrones entre las proteínas I-III. Si NAD está agotado, omita I: FADH2 comienza en II. En la quimiosmosis, una bomba de protones lleva los hidrógenos del interior de las mitocondrias al exterior, esto hace girar el "motor" y los grupos fosfato se adhieren a él. El movimiento cambia de ADP a ATP, creando el 90% de ATP obtenido del catabolismo aeróbico de la glucosa.


Biología 171

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

  • Discutir la diferencia fundamental entre la respiración celular anaeróbica y la fermentación.
  • Describir el tipo de fermentación que ocurre fácilmente en las células animales y las condiciones que inician esa fermentación.

En la respiración aeróbica, el aceptor final de electrones es una molécula de oxígeno, O2. Si se produce respiración aeróbica, entonces se producirá ATP utilizando la energía de electrones de alta energía transportados por NADH o FADH.2 a la cadena de transporte de electrones. Si no se produce respiración aeróbica, el NADH debe reoxidarse a NAD + para su reutilización como portador de electrones para que continúe la vía glucolítica. ¿Cómo se hace esto? 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 fermentación. Por el contrario, algunos sistemas vivos utilizan una molécula inorgánica como aceptor final de electrones. Ambos métodos se denominan respiración celular anaeróbica, en la que los organismos convierten la energía para su uso en ausencia de oxígeno.

Respiración celular anaeróbica

Ciertos procariotas, incluidas algunas especies en los dominios Bacteria y Archaea, usan respiración anaeróbica. Por ejemplo, un grupo de arqueos llamados 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 manera similar, las bacterias reductoras de sulfato, la mayoría de las cuales son anaeróbicas ((Figura)), reducen el sulfato a sulfuro de hidrógeno para regenerar NAD + a partir de NADH.

Vea Science & # 8211 Yeast Experiment: Midiendo la respiración en la levadura (video) para ver la respiración celular anaeróbica en acción.

Fermentación de ácido láctico

El método de fermentación que utilizan los animales y ciertas bacterias, como las del yogur, es la fermentación con ácido láctico ((Figura)). Este tipo de fermentación se utiliza de forma rutinaria en los glóbulos rojos de los mamíferos, que no tienen mitocondrias, y en el músculo esquelético que tiene un aporte de oxígeno insuficiente para permitir que continúe la respiración aeróbica (es decir, en los músculos que están acostumbrados al cansancio). En los músculos, la circulación sanguínea debe eliminar la acumulación de ácido láctico, y cuando el ácido láctico pierde un hidrógeno, el lactato resultante se lleva al hígado para un mayor metabolismo. Las reacciones químicas de la fermentación del ácido láctico son las siguientes:

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. Alguna vez se creyó que tal acumulación de ácido láctico causaba rigidez muscular, fatiga y dolor, aunque investigaciones más recientes cuestionan esta hipótesis. Una vez que el ácido láctico se ha eliminado del músculo y circulado al hígado, puede reconvertirse en ácido pirúvico y catabolizarse para obtener energía.

Tremetol, un veneno metabólico que se encuentra en la planta de raíz de serpiente blanca, previene el metabolismo del lactato. Cuando las vacas comen esta planta, el tremetol se concentra en la leche que producen. Los seres humanos que consumen la leche pueden enfermarse gravemente. Los síntomas de esta enfermedad, que incluyen vómitos, dolor abdominal y temblores, empeoran después del ejercicio. ¿Por qué crees que es así?

Fermentación de alcohol

Otro proceso de fermentación familiar es la fermentación alcohólica ((Figura)), que produce etanol. La primera reacción química de la fermentación del alcohol es la siguiente (CO2 no participa en la segunda reacción):

La primera reacción es catalizada por piruvato descarboxilasa, una enzima citoplásmica, con una coenzima de pirofosfato de tiamina (TPP, derivado de la vitamina B).1 y también llamado 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 acetaldehído a etanol. La fermentación del ácido pirúvico por la levadura produce el etanol que se encuentra en las bebidas alcohólicas. La tolerancia al etanol de la levadura es variable, desde aproximadamente el 5 por ciento al 21 por ciento, dependiendo de la cepa de levadura y las condiciones ambientales.

Otros tipos de fermentación

Otros métodos de fermentación tienen lugar en bacterias. Debemos tener en cuenta que muchos procariotas son facultativamente anaeróbico. Esto significa que pueden cambiar entre respiración aeróbica y fermentación, dependiendo de la disponibilidad de oxígeno libre. Ciertos procariotas, como Clostridios, son anaerobios obligados. Los anaerobios obligados viven y crecen en ausencia de oxígeno molecular. El oxígeno es un veneno para estos microorganismos y los mata al exponerlos. También debemos tener en cuenta que todas las formas de fermentación, excepto la fermentación del ácido láctico, producen gas. La producción de tipos particulares de gas se utiliza como indicador de la fermentación de carbohidratos específicos, lo que desempeña un papel en la identificación de laboratorio de las bacterias. Diversos organismos utilizan varios métodos de fermentación para asegurar un suministro adecuado de NAD + para el sexto paso de la glucólisis. Sin estas vías, este paso no ocurriría y el ATP no podría recolectarse de la descomposición de la glucosa.

Resumen de la sección

Si el NADH no se puede oxidar mediante respiración aeróbica, se utiliza otro aceptor de electrones. La mayoría de los organismos utilizarán alguna forma de fermentación para lograr la regeneración de NAD +, asegurando la continuación de la glucólisis. La regeneración de NAD + en fermentación no va acompañada de producción de ATP, por lo tanto, no se utiliza el potencial de NADH para producir ATP utilizando una cadena de transporte de electrones.

Conexiones de arte

((Figura)) El tremetol, un veneno metabólico que se encuentra en la planta de raíz de serpiente blanca, previene el metabolismo del lactato. Cuando las vacas comen esta planta, el tremetol se concentra en la leche que producen. Humans who consume the milk can become seriously ill. Symptoms of this disease, which include vomiting, abdominal pain, and tremors, become worse after exercise. ¿Por qué crees que es así?

(Figure) The illness is caused by lactate accumulation. Lactate levels rise after exercise, making the symptoms worse. Milk sickness is rare today but was common in the midwestern United States in the early 1800s.

Respuesta libre

What is the primary difference between fermentation and anaerobic respiration?

Fermentation uses glycolysis only. Anaerobic respiration uses all three parts of cellular respiration, including the parts in the mitochondria like the citric acid cycle and electron transport it also uses a different final electron acceptor instead of oxygen gas.

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Understanding Aerobic and Anaerobic Respiration and Their Differences

There are two main types of respiration: aerobic and anaerobic. This article will give you a good understanding of these two processes, and also list the major differences between them.

There are two main types of respiration: aerobic and anaerobic. This article will give you a good understanding of these two processes, and also list the major differences between them.

Aerobic respiration process is the opposite of the process of photosynthesis. Due to absence of light, the process of photosynthesis stops at night, but aerobic respiration happens at all times.

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Respiration is a process of release of energy by the breakdown of energy molecules obtained from food. This process is carried out by all sorts of living creatures, in order to produce the energy required for carrying out various metabolic activities like growth, repair, and locomotion.

Aerobic and anaerobic respiration are carried out at the cellular level. Let’s take a look at how these two processes take place, and what are the differences between them.

Aerobic Respiration Process

Aerobic respiration takes place in the presence of oxygen. It occurs in all plants, animals, and some prokaryotic organisms. The process involves a chemical reaction resulting into breakdown of energy molecules, obtained from carbohydrates (mainly glucose), proteins, and lipids. When a glucose molecule is broken down in the presence of oxygen, energy is released, along with carbon dioxide and water as the by-products of the reaction. The energy produced is stored in the form of trifosfato de adenosina (ATP) molecules, to carry out the various metabolic processes. Oxygen, being a good oxidizing agent, acts as the electron receptor in this process.

Here is the chemical equation of the reaction that takes place:

Glucose + Oxygen → Carbon Dioxide + Water + Energy (ATP)

About 2900 KJ of energy is released as a result of the above chemical reaction. About 38 ATP molecules are produced when a single glucose molecule is broken down with the help of oxygen. This energy gets stored in the body for later use.

Going a little deeper into the process, aerobic respiration can be sub-divided into three main stages:

  • Glycolysis: At this stage, some of the ATP molecules, some carbon molecules known as piruvato o ácido pirúvico, and some NADH molecules are created. Oxygen plays no part during this stage.
  • Krebs Cycle: In this stage, unused carbon molecules are used to initiate another series of chemical reactions to produce more NADH molecules, and another molecule known as FADH2.
  • Electron Transport Phosphorylation: In this stage, additional ATP molecules are created using the remainder of the reactant molecules.

Anaerobic Respiration Process

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Anaerobic respiration refers to the type of respiration that takes place in the absence of oxygen. This form of respiration is carried out in bacteria, yeasts, some prokaryotes, and muscle cells. In this process, energy, carbon dioxide, and lactic acid or alcohol are produced by the breakdown of glucose molecules. It uses electron acceptors other than oxygen, and involves the processes of glycolysis and fermentation. Anaerobic respiration, in case of yeast cells, is commonly referred to as fermentation. Here is the chemical equation for anaerobic respiration.

The reaction can takes place in either of the two ways given below:

The above chemical reaction produces 2 ATP molecules by breaking down one glucose molecule, with carbon dioxide and ethanol or lactic acid as the by-products. Due to the absence of oxygen, the glucose molecule is only partially broken down, thereby producing lesser amount of energy. In case of yeast cells, ethanol is produced, while in case of muscle cells, lactic acid is produced as a by-product. Lactic acid is a toxic chemical that gives you cramps.

The Differences

  • Aerobic respiration requires oxygen, whereas anaerobic respiration takes place in the absence of oxygen.
  • Most of the plant and animal cells use aerobic respiration. On the other hand, anaerobic bacteria, yeast cells, prokaryotes, and muscle cells perform anaerobic respiration.
  • Aerobic respiration is more efficient than anaerobic respiration. For one molecule of glucose, aerobic respiration produces 38 ATP molecules, whereas anaerobic respiration produces just 2 ATP molecules.
  • Aerobic respiration usually takes place in the mitochondria, while anaerobic respiration takes place in the cytoplasm.
  • In case of aerobic respiration, the end products are carbon dioxide and water. In anaerobic respiration, the end products are ethyl alcohol or lactic acid, and carbon dioxide.
  • Aerobic respiration takes a longer time to release energy. Anaerobic respiration is a much faster process.

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