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Todas las células utilizan la coenzima adenosín trifosfato, también conocida por las siglas ATP, como principal fuente directa de energía para sus procesos metabólicos. Esta molécula es un nucleótido formado por adenina (base nitrogenada), ribosa (un glúcido) y un grupo trifosfato.

Adenosín trifosfato (ATP)
Estructura molecular del ATP

El uso del ATP es prácticamente universal entre los seres vivos celulares, existen algunos que también pueden utilizar GTP (guanosín trifosfato), pero no se conoce ninguno que no utilice el ATP. Los nutrientes energéticos pueden ser muy diversos (hidratos de carbono, ácidos grasos, aminoácidos, minerales, metales) pero todos son transformados en ATP en el interior celular.

La síntesis de ATP se realiza a través de una serie de reacciones que se pueden clasificar en dos grandes tipos, la respiración y la fermentación. Ambos términos se utilizan frecuentemente asociando respiración con oxígeno (condiciones aerobias) y la fermentación con la ausencia de oxígeno (condiciones anaerobias), sin embargo, desde un punto vista bioquímico, esa diferenciación es errónea, ya que existen organismos capaces de realizar respiración anaerobia y organismos capaces de realizar fermentación en condiciones ambientales aerobias.

¿Qué es la fermentación?

La fermentación es un proceso catabólico oxidativo que parte de un sustrato orgánico, en el que no participa oxígeno (es un proceso anaerobio) y cuyo producto final es otra sustancia orgánica. De la fermentación hay que tener claro que:

  • Aunque no participe el oxígeno y sea un proceso anaerobio, es un proceso oxidativo. La oxidación no se define por la presencia de oxígeno sino por cambios electrónicos a nivel atómico o molecular.
  • Aunque sea un proceso anaerobio, es un proceso que puede ocurrir en presencia ambiental de oxígeno. Existen organismos que no requieren condiciones externas anaerobias para realizar la fermentación en su interior.
  • Entre los productos finales hay moléculas orgánicas, pero también hay moléculas inorgánicas como el dióxido de carbono o el agua. Es decir, se trata de una oxidación o combustión incompleta,

El sustrato para la fermentación suele ser un hidrato de carbono simple, principalmente glucosa. La fermentación se clasifica en función del producto final. Las más habituales son la fermentación láctica (ácido láctico) y la fermentación etanólica (etanol, también llamada fermentación alcohólica). Otras son la fermentación acética, butiríca, butanodiólica y propiónica.

En la fermentación, al ser una oxidación incompleta, no se aprovecha toda la energía química almacenada en el sustrato. Por ejemplo, la fermentación láctica de la glucosa produce tan sólo dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa.

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Fermentación láctica
En la fermentación láctica de la glucosa se obtienen 2 ATP

¿Qué es la respiración?

La respiración celular se define como el proceso catabólico en el que un sustrato se oxida completamente hasta generar compuestos inorgánicos. El proceso se realiza a través de una cadena de transporte de electrones, o cadena respiratoria, presente en la membrana citoplasmática de muchos tipos de bacterias, en la membrana interna de las mitocondrias animales o en los tilacoides de las plantas.

De la respiración, hay que tener claro que:

  • Aunque sea una oxidación, incluso completa, no tiene por qué participar el oxígeno.
  • Puede darse en condiciones externas aerobias o anaerobias.
  • Participa una cadena de transporte de electrones.
  • El sustrato no tiene por qué ser orgánico pero los productos finales siempre son inorgánicos.

La respiración celular, para oxidar completamente a un sustrato orgánico, necesita de un aceptor de electrones con alta electronegatividad al final de la cadena de transporte de electrones. En función de este aceptor, la respiración se clasifica en (independientemente de las condiciones ambientales externas):

  • Respiración aerobia: el oxígeno molecular es el último aceptor de electrones.
  • Respiración anaerobia: el último aceptor de electrones es una sustancia distinta al oxígeno. Por ejemplo, se conocen bacterias que utilizan nitrato, sulfato, azufre, hierro III (Fe3+), entre otros. Incluso se conocen bacterias que utilizan como último aceptor moléculas orgánicas, por ejemplo el fumarato.

La oxidación de un sustrato tiene un rendimiento mayor que la fermentación. Por ejemplo, la respiración aerobia de la glucosa genera 36 moléculas de ATP frente a las dos que se obtienen de su fermentación.

Cadena respiratoria mitocondrial
Uso de la fuerza protón-motriz por la cadena respiratoria mitocondrial

Entre los ejemplos de respiración celular con un sustrato inorgánico de partida se pueden citar a las bacterias del hierro, que son capaces oxidar el óxido ferroso hasta óxido férrico y obtener energía de esta reacción.

Conclusión y diferencias clave

A nivel celular, la respiración y la fermentación son dos tipos de procesos catabólicos, una cadena de reacciones en las que una molécula se transforma en una o varias moléculas más sencillas y la energía química que se desprende es almacenada en moléculas de ATP.

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Los dos también son procesos oxidativos, pero la fermentación nunca utiliza el oxígeno, mientras que en el tipo de respiración más común, la aerobia, el oxígeno molecular (O2) es esencial como aceptor último de electrones en el proceso oxidativo. En la fermentación tampoco interviene una cadena de transporte de electrones.

Esto implica que la respiración aerobia siempre necesita de oxígeno en el medio externo al organismo, es decir, necesita condiciones ambientales aerobias. Sin embargo, existen muchos organismos que realizan fermentación en condiciones ambientales aerobias, por ejemplo muchas levaduras. Es decir, a nivel interno la fermentación es un proceso anaerobio pero puede ocurrir en condiciones ambientales aerobias.

Otro tipo de respiración, la respiración anaerobia, no utiliza oxígeno pero sigue interviniendo una cadena de transporte de electrones y la combustión sigue siendo completa, la diferencia con la respiración aerobia es que al final de la cadena de transporte de electrones hay otra sustancia diferente al oxígeno molecular. La respiración anaerobia, al igual que la fermentación, puede ocurrir en condiciones ambientales aerobias en función del organismo, aunque sea un proceso interno anaerobio.

Muchos organismos pueden realizar fermentación o respiración según las condiciones a las que se vea sometida la célula. Por ejemplo, en el ser humano la respiración aerobia degrada la glucosa hasta piruvato, y el piruvato pasa a la mitocondria dónde es oxidado hasta dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O), pero si el suministro de oxígeno no es suficiente, por ejemplo en las celulas musculares ante un ejercicio intenso o repentino, el piruvato puede seguir la ruta de la fermentación láctica.

Rutas de fermentación y respiración
Rutas de fermentación y respiración

Con todo esto, se podría concluir que la diferencia esencial entre respiración y fermentación es la participación de una cadena de transporte de electrones y la consiguiente combustión completa, no la presencia o no del oxígeno.

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