400 px|miniatura|dereita|Respiración celular nos eucariotas. Tamén as bacterias realizan a respiración celular. A respiración celular é o conxunto de reaccións metabólicas por medio das cales as células obteñen enerxía dos nutrientes por medio da súa oxidación utilizando múltiples reaccións encimáticas, unha cadea de transportadores de electróns e o encima ATP sintase. A forma máis estendida de respiración celular entre os seres vivos é a respiración aerobia, que ten lugar nas mitocondrias dos eucariotas e na maioría das bacterias e que require oxíxeno. Nunhas poucas especies de bacterias existe unha modalidade de respiración celular moi similar, pero que non require oxíxeno, chamada respiración anaerobia.

A respiración é un proceso catabólico, xa que os nutrientes oxidados rompen, orixinando moléculas moi simples como H2O e CO2, e liberando enerxía, que se almacena como ATP, sintetizado polo encima ATP sintetase situado na membrana mitocondrial interna ou na membrana plasmática bacteriana. O ATP conseguido por medio da respiración celular servirá para atender a todas as necesidades enerxéticas da célula, como as biosínteses e demais traballos celulares (transporte activo, movemento dos flaxelos, contracción muscular, división celular...).

Os nutrientes que se oxidan na respiración celular funcionando como os doantes de electróns do proceso son case sempre moléculas orgánicas, principalmente azucres e lípidos, e en determinadas circunstancias tamén poden ser "respirados" (oxidados) os aminoácidos. Os seres vivos que utilizan como fonte de electróns moléculas orgánicas denomínanse organótrofos. Os animais, protozoos e bacterias deben comer ou absorber eses nutrientes orgánicos, pero as plantas, algas e algunhas bacterias fabrícanos elas mesmas durante a fotosíntese.

É menos frecuente que o doante de electróns, é dicir, a molécula que vai ser "respirada" (oxidada), sexa unha molécula inorgánica, como sulfuro, H2, Fe2+, amoníaco etc., que só utilizan as bacterias denominadas por esta razón litótrofas, que son moi poucas .

Os nutrientes non só funcionan como doantes de electróns, senón que tamén proporcionan os átomos de carbono (e outros elementos) que a célula necesita. Os seres que toman o carbono de substancias orgánicas denomínanse heterótrofos, e os que o fan de substancias inorgánicas, concretamente do CO2, denomínanse autótrofos. Hai bacterias que usan substancias inorgánicas tanto como fonte de electróns para a respiración (litotrofia) coma como fonte de carbono, xa que absorben CO2 (autotrofia), polo que son á vez litótrofas e autótrofas.

O aceptor final de electróns, que está ao final da cadea de transporte electrónico respiratoria e recolle os electróns desprendidos dos substratos que están sendo oxidados, é o oxíxeno case sempre, que no proceso se transforma en auga, e este tipo de respiración denomínase aerobia. En casos máis raros o aceptor final non é o oxíxeno, senón outra molécula, como o nitrato, sulfato, Fe3+ etc., e este tipo de respiración denomínase anaerobia (non precisa oxíxeno), a cal é moi minoritaria e está restrinxida a uns poucos grupos de bacterias.

Neste artigo centrarémonos principalmente na respiración aerobia, pero comentaremos algo tamén da respiración anaerobia, e tamén falaremos brevemente das diferenzas coa fermentación, a cal non é unha respiración.

Respiración aerobia miniatura|220px|A respiración aerobia (frechas vermellas) é a forma principal pola que os seres vivos obteñen enerxía dos seus nutrientes. Os compostos orgánicos en último extremo foron sintetizados durante a fotosíntese basicamente (frechas verdes). miniatura|dereita|350 px|Balance enerxético da respiración aerobia dunha molécula de glicosa.

A respiración aerobioa é un proceso metabólico que consiste en oxidar os nutrientes e obter enerxía deles en forma de ATP, para o cal se require oxíxeno. Poden ser procesados e consumidos como fonte de enerxía os carbohidratos, lípidos, e proteínas, que acaban sendo completamente oxidados e reducidos a dióxido de carbono e auga, que son os produtos finais da respiración. Nalgúns raros casos (en bacterias) poden oxidarse substancias inorgánicas na respiración aerobia. Nos eucariotas a respiración celular aerobioa ten lugar nas mitocondrias, aínda que a fase previa glicolítica é citosólica. Nas bacterias ten lugar no seu citosol e membrana .

Os electróns que perden os substratos durante a súa degradación oxidativa respiratoria son recollidos por coencimas, que os cederán á cadea de transporte electrónico e como resultado vaise producir ATP durante a fosforilación oxidativa. Tamén se producen pequenas cantidades de ATP nas fases previas (glicólise) e no ciclo de Krebs por medio de fosforilacións a nivel de substrato. Globalmente, os electróns que perderon os substratos durante a súa oxidación acaba por recollelos o oxíxeno ao final da cadea de transporte electrónico, xa que funciona como aceptor final de electróns.

Na respiración aerobia deben entrar grupos de dous carbonos en forma de acetil-CoA no ciclo de Krebs. Este acetil-CoA pode ter varias procedencias. Pode obterse a partir da glicosa, que sofre no citosol un proceso chamado glicólise, que a transforma en piruvato e este despois orixina o acetil-CoA. Para "respirar" (oxidar) a glicosa sempre debe haber esta fase glicolítica previa. Pode obterse tamén dos ácidos graxos, por medio do proceso catabólico mitocondrial da beta-oxidación dos ácidos graxos, que orixina grandes cantidades de acetil-CoA. Por último, pode obterse menos frecuentemente do catabolismo dos aminoácidos.

A reacción global da respiración dunha molécula de glicosa (C6H12O6) é a seguinte:

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O

ΔG = -2880 kJ por mol de C6H12O6

Que ΔG sexa negativa indica que se libera enerxía, que é a que se aproveita para formar ATP a partir de ADP. Xeralmente estímase que a produción de ATP por cada molécula de glicosa é de 36 a 38 (2 na glicólise, 2 no ciclo de Krebs, e o resto na fosforilación oxidativa) . Pero esta é unha cifra máxima teórica, xa que nas condicións reais da célula o rendemento é menor, e estímase en de 29 a 30 ATP por glicosa.

O metabolismo aerobio é 19 veces máis eficiente que o anaerobio fermentativo (que só produce 2 mol ATP por mol de glicosa). Na oxidación da glicosa os procesos respiratorios aerobios e os fermentativos anaerobios comparten a fase inicial de glicólise. As fases postglicolíticas son diferentes.

A ecuación da respiración celular da glicosa que se mostra arriba é unha ecuación global, xa que, en realidade, a respiración é un proceso moi complexo, que consta de varias fases: glicólise (fase previa), descarboxilación do piruvato, ciclo de Krebs, transporte de electróns na cadea de transporte electrónico e fosforilación oxidativa.

Glicólise

Ten lugar no citosol de todos os organismos vivos. Pode producirse en condicións anaerobias (sen oxíxeno), e é similar a unha fermentación. Consta de 10 reaccións encimáticas nas cales a glicosa (molécula de 6 carbonos) se converte en dúas moléculas de piruvato (molécula de 3 carbonos), polo que na glicólise non hai perda de carbonos en forma de CO2. O piruvato é unha molécula máis oxidada que a glicosa. Durante esas reaccións teñen lugar dúas fosforilacións a nivel de substrato, grazas ás que se orixinan 2 ATP netos, que é o único ATP producido de forma directa na glicólise. Prodúcense tamén dúas moléculas do coencima reducido NADH, que poden despois ser levadas á mitocondria por medio duns sistemas de transporte chamados lanzadeiras (lanzadeira do malato e do glicerol-fosfato) e alí poden ceder os seus electróns á cadea de transporte electrónico e orixinar máis ATP (ata 3 ATP por NADH, en total 6 ATP). Tamén se forman dúas moléculas de auga. Despois, en condicións aerobias o piruvato será levado ás mitocondrias para seguir coa seguinte fase da respiración.

A ecuación global da glicólise é:

Glicosa + 2 NAD+ + 2 Pi + 2 ADP → 2 piruvato + 2 NADH + 2 ATP + 2 H+ + 2 H2O

Descarboxilación oxidativa do piruvato

Nos eucariotas en condicións aerobias o piruvato entra nas mitocondrias por medio dun sistema de transportadores de membrana. Unha vez alí o encima piruvato deshidroxenase cataliza a súa descarboxilación e a unión do resto da molécula ao coencima A. Na reacción prodúcese unha molécula de CO2, que procede do grupo carboxilo do piruvato, e que é o primeiro carbono procedente da glicosa que se perde. Nos seres humanos saírá da célula, pasará ao sangue e será expulsado polos pulmóns durante a respiración pulmonar (noutros seres sae polas branquias, traqueas, estomas das plantas...). O resto de dous carbonos do piruvato únese ao coencima A, formando acetil-CoA, que cederá eses dous carbonos despois ao ciclo de Krebs na fase seguinte. Prodúcese tamén unha molécula do coencima reducido NADH, que vai á cadea de transporte electrónico, onde orixinará a formación de 3 ATP por molécula. Lembremos que cada glicosa orixinou dous piruvatos, polo que todos os produtos desta fase están duplicados en realidade se os contabilizamos por glicosa. A descarboxilación do piruvato é, pois, unha reacción de conexión entre a glicólise e o ciclo de Krebs. A reacción é:

piruvato + NAD+ + CoA-SH → acetil-CoA + NADH + CO2

Ciclo de Krebs

Tamén se chama ciclo do ácido cítrico ou ciclo do ácido tricarboxílico. É un ciclo de reaccións encimáticas que ten lugar na matriz mitocondrial (e citosol bacteriano) no cal o grupo de dous carbonos achegado polo acetil-CoA se condensa co oxalacetato formando citrato e despois o citrato sofre varias reaccións nas que ao final se rexenera o oxalacetato. O acetil-CoA que entra no ciclo procede do piruvato da glicólise ou do catabolismo de lípidos e aminoácidos. Durante o ciclo do ácido cítrico libéranse dúas moléculas de CO2 por cada acetil-CoA, polo que todos os carbonos que entran acaban por eliminarse (entre a descarboxilación do piruvato e o ciclo de Krebs pérdense os 6 carbonos da glicosa inicial). No ciclo hai unha fosforilación a nivel de substrato na que se produce unha molécula de GTP (que orixina encimaticamente despois ATP) por cada acetil-CoA. Prodúcense tamén catro deshidroxenacións nas que se forman 3 moléculas de NADH e unha de FADH2 (esta última unida ao encima como grupo prostético). Os coencimas cederán os seus electróns á cadea de transporte electrónico o que servirá para producir uns 11 ATP. Sumando o ATP producido a partir do GTP serían 12 ATP por cada coencima A. Se o contabilizamos por glicosa o rendemento sería no ciclo de 24 ATP e contando a descarboxilación do piruvato e a glicólise sería de ata 38 ATP.

Cadea de transporte electrónico e fosforilación oxidativa

A cadea de transporte electrónico ou cadea respiratoria encóntrase na membrana mitocondrial interna ou na membrana bacteriana. Está formada por un conxunto de transportadores que se poden pasar electróns uns a outros en reaccións redox. A cadea recibe electróns dos coencimas formados durante a respiración. Estes coencimas no caso da respiración da glicosa fórmanse no ciclo de Krebs, na descarboxilación do piruvato e na fase previa de glicólise. Outras deshidroxenacións biolóxicas e a beta-oxidación dos ácidos graxos poden tamén producir coencimas reducidos. Os electróns que ceden os coencimas circulan pola cadea respiratoria cedendo pouco a pouco enerxía, que se aproveita para bombear protóns ao espazo intermembrana mitocondrial (ou ao espazo periplásmico da superficie da bacteria). Ao final da cadea está o oxíxeno, que recolle os electróns e únese a protóns formando auga (½ O2 + 2e- + 2H+→ H2O). Necesitamos respirar oxíxeno para que este exerza esta función na cadea respiratoria mitocondrial. Os protóns bombeados na cadea acumúlanse no espazo intermembrana creando un gradiente, xa que a membrana é impermeable a eles e unha vez bombeados non poden volver de volta.