La respiración celular es lo que hacen las células para descomponer los azúcares y obtener energía que puedan utilizar. La respiración celular toma los alimentos y los utiliza para crear ATP, una sustancia química que la célula utiliza para obtener energía.

Normalmente, este proceso utiliza oxígeno y se denomina respiración aeróbica. Tiene cuatro etapas conocidas como glucólisis, reacción de Link, ciclo de Krebs y cadena de transporte de electrones. Esto produce ATP, que suministra la energía que las células necesitan para trabajar.

Cuando no reciben suficiente oxígeno, las células utilizan la respiración anaeróbica, que no requiere oxígeno. Sin embargo, este proceso produce ácido láctico y no es tan eficiente como cuando se utiliza el oxígeno.

La respiración aeróbica, el proceso que sí utiliza oxígeno, produce mucha más energía y no produce ácido láctico. También produce dióxido de carbono como producto de desecho, que entra en el sistema circulatorio. El dióxido de carbono se lleva a los pulmones, donde se intercambia por oxígeno.

La fórmula simplificada de la respiración celular aeróbica es

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H 2O + Energía (como ATP)

La ecuación de la palabra para esto es:

Glucosa (azúcar) + Oxígeno → Dióxido de carbono + Agua + Energía (como ATP)

La respiración celular aeróbica tiene cuatro etapas. Cada una de ellas es importante y no podría producirse sin la anterior. Las etapas de la respiración celular aeróbica son:

Etapas principales

  • Glucólisis (en el citoplasma): la glucosa de seis carbonos se divide en dos moléculas de piruvato (piruvato o ácido pirúvico). Durante la glucólisis se producen 2 ATP netos por glucosa mediante fosforilación a nivel de sustrato y se generan 2 NADH que transportan electrones. La glucólisis no requiere oxígeno y es el primer paso tanto en la respiración aeróbica como en la anaeróbica.
  • Reacción de Link (oxidación del piruvato, en la matriz mitocondrial): cada molécula de piruvato se convierte en acetil-CoA, liberando CO2 y reduciendo NAD+ a NADH. Por cada glucosa (dos piruvatos) se generan 2 NADH y 2 CO2 además de 2 moléculas de acetil-CoA, que entran al ciclo de Krebs.
  • Ciclo de Krebs (o ciclo del ácido cítrico, en la matriz mitocondrial): cada acetil-CoA se oxida completamente para producir CO2 como residuo. Por cada vuelta del ciclo (por cada acetil-CoA) se generan aproximadamente 3 NADH, 1 FADH2 y 1 GTP (equivalente a 1 ATP), además de 2 CO2. Por glucosa (dos vueltas) esto equivale a 6 NADH, 2 FADH2, 2 GTP (2 ATP) y 4 CO2.
  • Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa (en la membrana interna mitocondrial): los electrones transportados por NADH y FADH2 son pasados a lo largo de una serie de proteínas transportadoras. Este flujo de electrones impulsa el bombeo de protones al espacio intermembrana, creando un gradiente electroquímico. La energía almacenada en ese gradiente se utiliza por la ATP sintasa para sintetizar ATP (proceso llamado quimiosmosis). El oxígeno actúa como aceptador final de electrones y se combina con protones para formar agua.

Rendimiento y balance energético

Los números exactos pueden variar según la célula y los mecanismos de transporte de electrones, pero un resumen aproximado por cada molécula de glucosa completamente oxidada en respiración aeróbica es:

  • NADH total: ≈ 10 (2 de glucólisis, 2 de la reacción de Link y 6 del ciclo de Krebs).
  • FADH2 total: ≈ 2 (del ciclo de Krebs).
  • ATP (por fosforilación a nivel de sustrato): 4 (2 de glucólisis + 2 del ciclo de Krebs/GTP).
  • ATP producido por fosforilación oxidativa: variable; usando valores típicos (≈2.5 ATP por NADH y ≈1.5 ATP por FADH2) se obtienen ≈ 25 ATP de NADH y ≈ 3 ATP de FADH2.
  • Total aproximado: ≈ 30–32 ATP por glucosa. Esta cifra puede ser menor (≈30) en algunos tejidos debido a sistemas de transporte de electrones y pérdidas de energía.

Respiración anaeróbica y fermentación

Cuando las células carecen de suficiente oxígeno, realizan rutas anaeróbicas para regenerar NAD+ y permitir que la glucólisis continúe. Ejemplos:

  • Fermentación láctica (en músculos animales en ejercicio intenso): el piruvato se reduce a ácido láctico (lactato) para regenerar NAD+. Produce 2 ATP por glucosa y puede causar fatiga si se acumula lactato.
  • Fermentación alcohólica (en levaduras): el piruvato se convierte en etanol y CO2, regenerando NAD+ y produciendo también 2 ATP por glucosa.

Importancia biológica y regulación

  • Localización: la glucólisis sucede en el citoplasma; la reacción de Link, el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria ocurren en la mitocondria (matriz e interna).
  • Oxígeno: como aceptor final de electrones, es esencial para la fosforilación oxidativa y permite obtener mucho más ATP que la fermentación.
  • Regulación: enzimas clave como la fosfofructoquinasa (PFK) regulan la velocidad de la glucólisis en respuesta a las concentraciones de ATP, ADP, AMP y citrato. Los niveles de NADH/NAD+ y la disponibilidad de sustratos también controlan el flujo de la respiración.
  • Productos de desecho: el dióxido de carbono se libera hacia el sistema circulatorio y se transporta a los pulmones, mientras que el agua generada queda en la célula o se elimina.

Resumen

La respiración celular convierte la energía química de la glucosa en ATP, mediante una serie de reacciones interconectadas: glucólisis, reacción de Link, ciclo de Krebs y cadena de transporte de electrones. En presencia de oxígeno se obtiene la mayor cantidad de ATP y se produce dióxido de carbono y agua; en ausencia de oxígeno, las rutas anaeróbicas generan menos ATP pero permiten la supervivencia temporal de la célula.