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La respiración aeróbica, la respiración anaeróbica y la fermentación son métodos para que las células vivas produzcan energía a partir de fuentes de alimentos. Si bien todos los organismos vivos realizan uno o más de estos procesos, solo un grupo selecto de organismos es capaz de fotosíntesis lo que les permite producir alimentos a partir de la luz solar. Sin embargo, incluso en estos organismos, los alimentos producidos por la fotosíntesis se convierten en energía celular a través de la respiración celular.
Una característica distintiva de la respiración aeróbica en comparación con las vías de fermentación es el requisito previo para el oxígeno y el rendimiento mucho mayor de energía por molécula de glucosa.
Glucólisis
La glucólisis es una vía de inicio universal realizada en el citoplasma de las células para descomponer la glucosa en energía química. La energía liberada de cada molécula de glucosa se usa para unir un fosfato a cada una de las cuatro moléculas de difosfato de adenosina (ADP) para producir dos moléculas de trifosfato de adenosina (ATP) y una molécula adicional de NADH.
La energía almacenada en el enlace fosfato se usa en otras reacciones celulares y a menudo se considera como la "moneda" energética de la célula. Sin embargo, dado que la glucólisis requiere el aporte de energía de dos moléculas de ATP, el rendimiento neto de la glucólisis es de solo dos moléculas de ATP por molécula de glucosa. La glucosa misma se descompone en piruvato durante la glucólisis.
Respiración aeróbica
La respiración aeróbica ocurre en las mitocondrias en presencia de oxígeno y produce la mayoría de la energía para los organismos capaces del proceso. El piruvato se traslada a las mitocondrias y se convierte en acetil CoA, que luego se combina con oxaloacetato para producir ácido cítrico en la primera etapa del ciclo del ácido cítrico.
La serie posterior convierte el ácido cítrico de nuevo en oxaloacetato y produce moléculas transportadoras de energía junto con NADH y FADH.2.
Cada vuelta del ciclo de Krebs es capaz de producir una molécula de ATP y otras 17 moléculas de ATP a través de la cadena de transporte de electrones. Dado que la glucólisis produce dos moléculas de piruvato para su uso en el ciclo de Krebs, el rendimiento total para la respiración aeróbica es de 36 ATP por molécula de glucosa, además de los dos ATP producidos durante la glucólisis.
El receptor terminal de los electrones durante la cadena de transporte de electrones es el oxígeno.
Fermentación
No debe confundirse con la respiración anaeróbica, la fermentación ocurre en ausencia de oxígeno dentro del citoplasma de las células y convierte el piruvato en un producto de desecho para producir las moléculas transportadoras de energía necesarias para continuar la glucólisis. Dado que la única energía producida durante la fermentación es a través de la glucólisis, el rendimiento total por molécula de glucosa es dos ATP.
Si bien la producción de energía es sustancialmente menor que la respiración aeróbica, la fermentación permite que la conversión de combustible en energía continúe en ausencia de oxígeno. Los ejemplos de fermentación incluyen la fermentación de ácido láctico en humanos y otros animales y la fermentación de etanol por levadura. Los productos de desecho se reciclan cuando el organismo vuelve a entrar en un estado aeróbico o se eliminan del organismo.
Respiración anaerobica
Encontrada en procariotas seleccionados, la respiración anaeróbica utiliza una cadena de transporte de electrones de manera similar a la respiración aeróbica, pero en lugar de usar oxígeno como un receptor terminal de electrones, se utilizan otros elementos. Estos aceptores alternativos incluyen nitrato, sulfato, azufre, dióxido de carbono y otras moléculas.
Estos procesos son importantes contribuyentes al ciclo de nutrientes dentro de los suelos, así como también permiten que estos organismos colonicen áreas inhabitables por otros organismos.
Fotosíntesis
A diferencia de las diversas vías de respiración celular, las plantas, las algas y algunas bacterias utilizan la fotosíntesis para producir los alimentos necesarios para el metabolismo. En las plantas, la fotosíntesis ocurre en estructuras especializadas llamadas cloroplastos, mientras que las bacterias fotosintéticas típicamente llevan a cabo la fotosíntesis a lo largo de extensiones membranosas de la membrana plasmática.
La fotosíntesis se puede dividir en dos etapas: la reacciones dependientes de la luz y el reacciones independientes de la luz.
Durante las reacciones dependientes de la luz, la energía de la luz se usa para energizar los electrones eliminados del agua y producir un gradiente de protones que a su vez produce moléculas de alta energía que alimentan las reacciones independientes de la luz. A medida que los electrones se eliminan de las moléculas de agua, las moléculas de agua se descomponen en oxígeno y protones.
Los protones contribuyen al gradiente de protones pero se libera el oxígeno. Durante las reacciones independientes de la luz, la energía producida durante las reacciones de la luz se usa para producir moléculas de azúcar a partir del dióxido de carbono a través de un proceso llamado Ciclo de Calvin.
El ciclo de Calvin produce una molécula de azúcar por cada seis moléculas de dióxido de carbono. En combinación con las moléculas de agua utilizadas en las reacciones dependientes de la luz, la fórmula general para la fotosíntesis es 6 H2O + 6 CO2 + luz → C6H12O6 + 6 O2.