En esta lección
- Video de la lección (próximamente)
- Apuntes de la lección
- Ejemplos resueltos
- Ideas clave
- Alineación con NGSS
Llévatelo
Pregunta esencial
¿Cómo liberan las células la energía almacenada en la glucosa?
Todas las células de tu cuerpo están usando energía en este momento, incluso mientras estás sentado sin moverte. Esa energía viene de la glucosa y del oxígeno. En esta lección verás cómo la respiración celular libera la energía almacenada en la glucosa, dónde ocurre en la célula y cuánta de esa energía puede capturar una célula.
Video de la lección próximamente. Mientras tanto, lee la lección que aparece abajo.
La respiración celular libera la energía de la glucosa
- Reactivos: glucosa (C6H12O6) y O2
- Productos: CO2, H2O y energía
- La energía se captura en ATP; el resto es calor
- La realizan casi todos los organismos, incluidas las plantas
La respiración celular es el proceso químico que libera la energía almacenada en moléculas de alimento como la glucosa: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energía. Los enlaces de la glucosa y del oxígeno se rompen, y se forman enlaces nuevos en el dióxido de carbono y el agua. Los enlaces nuevos contienen menos energía química que los anteriores, así que la diferencia se libera. Las células capturan parte de esa energía en el ATP, la molécula que impulsa el trabajo de la célula (Unidad 5), y el resto se libera como calor. Es lo contrario de la ecuación de la fotosíntesis, como viste en la Unidad 1.
Dónde ocurre la respiración celular
- Glucólisis: en el citoplasma
- El resto: en las mitocondrias
- Las mitocondrias tienen dos membranas
- La membrana interna forma pliegues llamados crestas
En las plantas, los animales, los hongos y otras células con núcleo, el primer paso de la respiración ocurre en el citoplasma y los pasos siguientes ocurren en las mitocondrias. Una mitocondria tiene una membrana externa y una membrana interna con muchos pliegues. Los pliegues se llaman crestas y le dan a la membrana interna una gran área superficial. El fluido del interior es la matriz. Las bacterias no tienen mitocondrias, pero muchas también respiran, y usan su citoplasma y su membrana celular en lugar de mitocondrias. Las células vegetales tienen mitocondrias además de cloroplastos, así que las plantas respiran todo el tiempo.
¿Cuánta energía captura la célula?
- Cerca del 32% de la energía pasa al ATP (modelo)
- Cerca del 68% se libera como calor
- El calor ayuda a mantener estable la temperatura corporal
- El ATP impulsa el movimiento, el crecimiento y el transporte activo
Las células no son convertidores de energía perfectos. En un modelo común, una glucosa produce cerca de 30 ATP. Como cada mol de ATP almacena cerca de 30.5 kJ y un mol de glucosa libera cerca de 2,870 kJ, cerca del 32% de la energía termina en el ATP y cerca del 68% se libera como calor. El calor no se desperdicia en los animales de sangre caliente, porque ayuda a mantener caliente el cuerpo. El ATP se usa para la contracción muscular, para construir moléculas y para el transporte activo (Unidad 6), y más tarde se descompone en ADP y fosfato para liberar su energía.
Respirar no es respiración celular
- Respirar: mueve aire hacia dentro y fuera de los pulmones
- La sangre lleva O2 a las células y se lleva el CO2
- Respiración celular: el proceso químico dentro de las células
- Están relacionadas, pero no son lo mismo
En el lenguaje de todos los días, la gente dice que está “respirando con dificultad” o “con falta de respiración”, pero respirar y la respiración celular son cosas distintas. Respirar mueve aire hacia dentro y fuera de los pulmones. Después, la sangre lleva O2 de los pulmones a las células del cuerpo y trae de regreso el CO2. La respiración celular es el proceso químico dentro de las células que usa ese O2 y produce ese CO2. Por eso respiras más rápido cuando haces ejercicio: tus células usan más O2 y producen más CO2.
Evidencia: los chícharos en germinación usan oxígeno
- Un respirómetro mide el O2 que se usa
- Los chícharos en germinación usan O2 de manera constante
- Los chícharos más calientes lo usan más rápido
- Los chícharos secos casi no usan nada
En un respirómetro, el tejido vivo se sella en un tubo y el CO2 que produce se absorbe, así que la disminución del volumen de gas muestra el O2 que se usó. En los datos de muestra, los chícharos en germinación usaron 2.8 mL de O2 en 20 minutos a 30 °C y 1.6 mL a 20 °C. Los chícharos secos, que casi no están vivos, usaron solo 0.1 mL. La respiración es más rápida en los chícharos más calientes porque las reacciones controladas por enzimas se aceleran, y es más rápida en los chícharos en germinación porque están creciendo y necesitan más ATP.
Ejemplos resueltos
Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.
Ejemplo 1: Contar reactivos y productos
Una célula respira 5 moléculas de glucosa. Usa la ecuación balanceada, C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energía. (a) ¿Cuántas moléculas de O2 se usan y cuántas de CO2 y de H2O se producen? (b) En el modelo, 1 glucosa produce cerca de 30 ATP. ¿Cuántos ATP se producen? (c) Comprueba que los átomos de oxígeno estén balanceados.
Mostrar la solución
- (a) Multiplica por 5: O2: 5 × 6 = 30. CO2: 5 × 6 = 30. H2O: 5 × 6 = 30.
- (b) ATP: 5 × 30 = 150 ATP (un valor del modelo, no un conteo exacto)
- (c) Átomos de oxígeno que entran: 5 × 6 (glucosa) + 30 × 2 (O2) = 90. Que salen: 30 × 2 (CO2) + 30 × 1 (H2O) = 90.
- Respuesta: Se usan 30 O2; se producen 30 CO2 y 30 H2O; cerca de 150 ATP. Los átomos de oxígeno están balanceados (90 entran, 90 salen).
Ejemplo 2: ¿Cuánta energía se captura?
Un mol de glucosa libera cerca de 2,870 kJ cuando se respira. La célula produce cerca de 30 mol de ATP, y cada mol de ATP almacena cerca de 30.5 kJ. (a) ¿Qué porcentaje de la energía se captura en ATP? (b) ¿Cuánta se libera como calor? (c) ¿Qué pasa con el calor?
Mostrar la solución
- (a) Energía en el ATP: 30 mol × 30.5 kJ/mol = 915 kJ. Porcentaje: 915 kJ ÷ 2,870 kJ × 100 = 32%
- (b) Calor: 100% − 32% = 68%, que es cerca de 1,950 kJ
- (c) Calor: se esparce hacia los alrededores. En los animales de sangre caliente, también ayuda a mantener estable la temperatura corporal.
- Respuesta: Cerca del 32% se captura en ATP. Cerca del 68% (cerca de 1,950 kJ) se libera como calor.
Ejemplo 3: Respiración en chícharos
Usa los datos del respirómetro. (a) Halla la velocidad de uso de O2 de los chícharos en germinación a 30 °C y a 20 °C, en mL/min. (b) ¿Cuántas veces más rápida es la respiración a 30 °C? (c) Escribe una afirmación sobre los chícharos secos, con evidencia y razonamiento.
Mostrar la solución
- (a) Velocidades: 30 °C: 2.8 mL ÷ 20 min = 0.14 mL/min. 20 °C: 1.6 mL ÷ 20 min = 0.08 mL/min.
- (b) Compara: 0.14 ÷ 0.08 = 1.75, así que es cerca de 1.75 veces más rápida a 30 °C.
- (c) Afirmación: los chícharos secos casi no realizan respiración celular.
- Evidencia: usaron solo 0.1 mL de O2 en 20 min, cerca de 0.005 mL/min.
- Razonamiento: los chícharos secos casi no tienen actividad y no están creciendo, así que necesitan poco ATP. Los chícharos calientes y en germinación están creciendo y usan mucho más.
- Respuesta: 0.14 y 0.08 mL/min; 1.75 veces más rápida. Los chícharos secos respiran muy poco.
Práctica
Completa la ecuación de la respiración, rotula una mitocondria, lee datos de un respirómetro y calcula cuánta energía pasa al ATP y cuánta al calor. Inténtalo primero por tu cuenta y luego revisa tu trabajo con la clave de respuestas.
- Hoja de práctica: Respiración celular (PDF) (en inglés)
- Clave de respuestas: Respiración celular (PDF) (en inglés)
Diapositivas de la lección
Ideas clave
- C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energía
- Se rompen los enlaces de la glucosa y del O2; se forman enlaces de CO2 y H2O; se libera energía
- Cerca del 32% de la energía pasa al ATP (modelo); el resto es calor
- En las células con núcleo, la glucólisis ocurre en el citoplasma y el resto en las mitocondrias
- Respirar no es respiración celular
De vuelta a la pregunta esencial: la respiración celular libera la energía almacenada en la glucosa al romper los enlaces de la glucosa y del oxígeno y formar enlaces nuevos en el dióxido de carbono y el agua. La célula captura cerca de una tercera parte de esa energía en ATP, y el resto se convierte en calor. En las células con núcleo, ocurre en el citoplasma y en las mitocondrias. A continuación seguirás a la glucosa por las tres etapas de la respiración celular.
Alineación con NGSS
Esta lección avanza hacia estas expectativas de desempeño de los Estándares de Ciencias de Nueva Generación (NGSS):
- HS-LS1-7: Usar un modelo para ilustrar que la respiración celular es un proceso químico en el que se rompen los enlaces de las moléculas de alimento y de oxígeno y se forman los enlaces de compuestos nuevos, lo que da como resultado una transferencia neta de energía.
Ideas disciplinarias básicas: LS1.C Organización de la materia y el flujo de energía en los organismos; PS3.D Energía en procesos químicos