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Photosynthesis and Respiration

Biología · Fotosíntesis y respiración

Etapas de la respiración celular

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Pregunta esencial

¿Cómo producen ATP la glucólisis, el ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones?

La respiración celular no libera toda la energía de la glucosa de una sola vez. Lo hace en tres etapas, y cada una tiene su propia ubicación, sus reactivos y sus productos. En esta lección seguirás a la glucosa por la glucólisis, el ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones, rastrearás a dónde van el carbono y el ATP, y verás qué pasa cuando se bloquea una etapa.

Video de la lección próximamente. Mientras tanto, lee la lección que aparece abajo.

Tres etapas, tres lugares

  • Glucólisis: citoplasma, no necesita O2
  • Ciclo de Krebs: matriz mitocondrial
  • Cadena de transporte de electrones: membrana interna
  • El NADH y el FADH2 llevan energía a la última etapa
Modelo de la respiración celular. La glucólisis, en el citoplasma, recibe glucosa, produce 2 ATP netos y pasa piruvato a la mitocondria. Dentro de la mitocondria, el ciclo de Krebs, en la matriz, libera CO2 y pasa NADH y FADH2 a la cadena de transporte de electrones, en la membrana interna. La cadena de transporte de electrones recibe O2 y produce H2O y ATP.

La respiración celular tiene tres etapas. La glucólisis ocurre en el citoplasma y parte la glucosa por la mitad. Las dos mitades, llamadas piruvato, pasan a la mitocondria. Ahí, el ciclo de Krebs, en la matriz, descompone todavía más los compuestos de carbono y libera CO2. Por último, la cadena de transporte de electrones, en la membrana interna, usa oxígeno y produce la mayor parte del ATP. Los transportadores NADH y FADH2 llevan energía de las dos primeras etapas a la última. Esta lección se centra en los reactivos, los productos, las ubicaciones y el ATP aproximado.

Etapa 1: Glucólisis

  • Dónde: citoplasma
  • Reactivos: glucosa (6 C), 2 ATP para empezar
  • Productos: 2 piruvato (3 C cada uno), 4 ATP, 2 NADH
  • Ganancia neta: cerca de 2 ATP; no necesita O2
Recuadro rotulado glucólisis, dónde: citoplasma. Reactivos: glucosa con 6 carbonos y 2 ATP que se gastan para empezar. Productos: 2 piruvato con 3 carbonos cada uno, 4 ATP producidos para una ganancia neta de 2, y 2 NADH. Una nota dice que no se necesita oxígeno y que la ganancia es de cerca de 2 ATP por glucosa.

Glucólisis significa “separación del azúcar”. Usa 2 ATP para empezar y luego produce 4 ATP, con una ganancia neta de 2 ATP. Parte una glucosa de 6 carbonos en dos moléculas de piruvato de 3 carbonos y produce 2 NADH. La glucólisis no necesita oxígeno y ocurre en el citoplasma de casi todas las células vivas. Se piensa que es una de las rutas de energía más antiguas, porque se encuentra en casi todos los organismos.

Etapa 2: El ciclo de Krebs

  • Dónde: matriz mitocondrial
  • Reactivos: grupos de 2 carbonos del piruvato, NAD+, FAD
  • Productos: CO2, NADH, FADH2, cerca de 2 ATP
  • Todo el carbono de la glucosa termina como CO2
Recuadro rotulado ciclo de Krebs, dónde: matriz mitocondrial. Reactivos: grupos de 2 carbonos del piruvato, y NAD+ y FAD. Productos: CO2 liberado, NADH y FADH2, y cerca de 2 ATP. Una nota dice que todo el carbono de la glucosa termina como CO2, con una ganancia de cerca de 2 ATP por glucosa.

El piruvato entra a la mitocondria y pierde un carbono como CO2, y queda un grupo de 2 carbonos. Después, el ciclo de Krebs descompone los grupos de 2 carbonos y libera su carbono como CO2. También produce más NADH y FADH2, y una pequeña cantidad de ATP (cerca de 2 por glucosa). El CO2 que exhalas viene de estos pasos. Al final del ciclo, todos los átomos de carbono que había en la glucosa salieron en moléculas de CO2.

Etapa 3: La cadena de transporte de electrones

  • Dónde: membrana interna de la mitocondria
  • Reactivos: NADH, FADH2, O2, ADP y fosfato
  • Productos: H2O, NAD+ y FAD, cerca de 26 a 28 ATP
  • Sin O2, esta etapa se detiene
Recuadro rotulado cadena de transporte de electrones, dónde: membrana interna de la mitocondria. Reactivos: NADH y FADH2, oxígeno, y ADP y fosfato. Productos: agua, NAD+ y FAD, y cerca de 26 a 28 ATP. Una nota dice que el oxígeno es el aceptor final y que sin O2 esta etapa se detiene.

La cadena de transporte de electrones está en la membrana interna plegada, donde la gran área superficial de las crestas le da espacio a muchas copias de la cadena. Usa la energía que llevan el NADH y el FADH2 para producir la mayor parte del ATP de la célula, cerca de 26 a 28 por glucosa. El oxígeno es el aceptor final al final de la cadena, y se combina con hidrógeno para formar agua (H2O). Por eso necesitamos respirar oxígeno. Sin O2, la cadena se atasca y se detiene, y el NAD+ y el FAD ya no regresan a las etapas anteriores.

¿De dónde viene el ATP?

  • Glucólisis: cerca de 2 ATP
  • Ciclo de Krebs: cerca de 2 ATP
  • Cadena de transporte de electrones: cerca de 26 ATP (modelo)
  • Total: cerca de 30 ATP por glucosa
Gráfica de barras del ATP producido por glucosa, con valores del modelo: glucólisis 2, ciclo de Krebs 2 y cadena de transporte de electrones cerca de 26. Una nota dice que el total del modelo es de cerca de 30 ATP y que las estimaciones van de 30 a 32.

La producción exacta de ATP varía de una célula a otra, y los libros de texto dan estimaciones de cerca de 30 a 32 ATP por glucosa. Este curso usa un valor de modelo de 26 para la cadena de transporte de electrones, así que el total es de cerca de 30 ATP: 2 + 2 + 26. Casi el 90% del ATP viene de la última etapa, que es la única que usa oxígeno directamente. Sin oxígeno, la cadena se detiene, y el ciclo de Krebs también se detiene pronto porque el NAD+ y el FAD ya no regresan a él. Por eso las células con mucho oxígeno obtienen mucha más energía de la glucosa que las células que no pueden usar oxígeno.

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Ejemplos resueltos

Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.

Ejemplo 1: Porcentaje de ATP de cada etapa

En el modelo, la glucólisis produce 2 ATP, el ciclo de Krebs 2 ATP y la cadena de transporte de electrones 26 ATP por glucosa. (a) Halla el total. (b) Halla el porcentaje que se produce en cada etapa. (c) ¿Qué etapa perdería una célula sin oxígeno y cuánto ATP perdería aproximadamente?

EtapaATP por glucosa (modelo)
Glucólisis2
Ciclo de Krebs2
Cadena de transporte de electrones26
Mostrar la solución
  1. (a) Total: 2 + 2 + 26 = 30 ATP
  2. (b) Porcentajes: glucólisis: 2 ÷ 30 × 100 = 6.7%. Ciclo de Krebs: 2 ÷ 30 × 100 = 6.7%. Cadena de transporte de electrones: 26 ÷ 30 × 100 = 86.7%.
  3. Comprobación: 6.7% + 6.7% + 86.7% = 100.1%, que es 100% después de redondear.
  4. (c) Sin O2: la cadena de transporte de electrones se detiene, así que la célula pierde cerca de 26 de sus 30 ATP (cerca del 87%).
  5. Respuesta: 30 ATP en total. 6.7%, 6.7% y 86.7%. Sin oxígeno, se pierden cerca de 26 ATP.

Ejemplo 2: Sigue al carbono

Sigue los 6 átomos de carbono de una molécula de glucosa por la respiración celular. (a) ¿Cuántos carbonos hay en cada piruvato? (b) Cada piruvato pierde un carbono antes del ciclo de Krebs. ¿Cuántos CO2 son? (c) El ciclo de Krebs libera los carbonos restantes. ¿Cuántos CO2 más se producen y cuántos en total?

Mostrar la solución
  1. (a) Glucólisis: 1 glucosa (6 C) → 2 piruvato. 6 ÷ 2 = 3 carbonos en cada piruvato.
  2. (b) De piruvato a grupo de 2 carbonos: cada piruvato pierde 1 C como CO2, así que 2 × 1 = 2 CO2. Cada piruvato se convierte en un grupo de 2 carbonos (quedan 2 × 2 = 4 C).
  3. (c) Ciclo de Krebs: los 4 carbonos restantes se liberan como 4 CO2. Total: 2 + 4 = 6 CO2.
  4. Comprobación: 6 carbonos en la glucosa, 6 carbonos en 6 CO2. Los átomos de carbono se conservan.
  5. Respuesta: 3 carbonos en cada piruvato; 2 CO2 antes del ciclo de Krebs, 4 en él, 6 en total. Todo el carbono sale como CO2.

Ejemplo 3: Bloquear la cadena de transporte de electrones

El cianuro bloquea la cadena de transporte de electrones. A unas células se les dio cianuro a los 7 minutos y se midió la producción de ATP (datos de muestra). (a) ¿En qué porcentaje bajó la producción de ATP? (b) ¿Qué etapa siguió funcionando y qué te dice la producción de ATP que quedó?

Gráfica de la producción de ATP como porcentaje de lo normal contra el tiempo, de 0 a 14 minutos. Se mantiene en 100 por ciento hasta que se agrega cianuro, que bloquea la cadena de transporte de electrones, y luego baja a 8 por ciento a los 8 minutos y a cerca de 7 por ciento de los 10 a los 14 minutos.
Mostrar la solución
  1. (a) Lee la gráfica: la producción de ATP pasó de 100% a 7%, una caída de 100 − 7 = 93 puntos porcentuales, así que bajó 93%.
  2. (b) Compara con el modelo: la glucólisis produce 2 de los 30 ATP, que es 2 ÷ 30 × 100 = 6.7%, cerca del 7% que quedó.
  3. Razonamiento: la glucólisis no necesita la cadena de transporte de electrones ni oxígeno, así que siguió funcionando. Las células perdieron el ciclo de Krebs y la cadena, porque sin la cadena el NADH no se recicla a NAD+.
  4. Respuesta: La producción de ATP bajó cerca de 93%. La glucólisis siguió funcionando, y eso es cerca del 7% del ATP normal.

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Práctica

Nombra los reactivos, los productos y las ubicaciones de cada etapa, calcula el porcentaje de ATP de cada etapa y explica qué pasa cuando se bloquea una etapa. Inténtalo primero por tu cuenta y luego revisa tu trabajo con la clave de respuestas.

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Diapositivas de la lección

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Ideas clave

  • Glucólisis: citoplasma, 2 ATP, no necesita O2
  • Ciclo de Krebs: matriz, libera CO2, produce NADH y FADH2, cerca de 2 ATP
  • Cadena de transporte de electrones: membrana interna, usa O2, produce H2O y cerca de 26 ATP
  • Cerca de 30 ATP por glucosa (modelo)
  • Sin O2: la cadena se detiene y se pierde la mayor parte del ATP

De vuelta a la pregunta esencial: la glucólisis, el ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones tienen cada uno su propia ubicación, sus reactivos y sus productos. La glucólisis produce cerca de 2 ATP sin oxígeno. El ciclo de Krebs libera el carbono de la glucosa como CO2. La cadena de transporte de electrones usa oxígeno para producir la mayor parte del ATP, cerca de 26 de unos 30. A continuación descubrirás qué hacen las células cuando no hay nada de oxígeno.

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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

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