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Respiración celular

Respiración celular

Todos los organismos necesitamos energía para realizar procesos vitales y mantenernos vivos; por eso, necesitamos comer. Pero ¿cómo obtienen nuestras células la energía contenida en los alimentos? Pues, lo hacen por medio de la respiración celular que, en organismos eucariotas, ocurre en pequeños orgánulos celulares llamados mitocondrias. ¡Y una célula puede tener cientos de mitocondrias! El oxígeno que respiramos también es vital para este proceso —aunque muchos microorganismos puedan respirar sin necesidad de oxígeno—.

¿Qué es la respiración celular?

La respiración celular es el proceso por el que las células convierten los carbohidratos (principalmente glucosa) en energía. La respiración celular es un proceso catabólico, que se lleva a cabo por medio de reacciones redox.

El catabolismo, que es parte del metabolismo, es la descomposición de biomoléculas grandes en moléculas más pequeñas. De esta manera, se libera energía.

Una reacción redox es la forma abreviada de referirnos una reacción de oxidación-reducción; una reacción química en la que se transfieren uno o más electrones de una molécula (que se oxida) a otra molécula (que se reduce).

A nivel atómico, la dinámica entre los electrones y la electronegatividad de los átomos es clave para entender cómo se produce la energía. Un elemento altamente electronegativo, como el oxígeno, atraerá fuertemente a los electrones.

Como ejemplo, el oxígeno atrae los electrones de manera mucho más fuerte que el potasio. Cuando un átomo de oxígeno se acerca lo suficiente a un átomo de potasio, toma un electrón de este. La energía que el potasio estaba utilizando para mantener el electrón en su órbita, o para formar un enlace con otro elemento, ya no es necesaria y se libera.

La liberación de energía durante las transferencias de electrones es un concepto químico clave en el proceso de respiración celular.

Las células no pueden usar directamente la glucosa como fuente de energía. En su lugar, la energía se transfiere a la molécula de trifosfato de adenosina (ATP) y se emplea como fuente de energía inmediata. La descomposición de la glucosa para formar ATP es el proceso fundamental que define el proceso de la respiración celular.

Tipos de respiración celular

Aunque a menudo asociamos la respiración con el consumo de oxígeno, la respiración celular puede producirse con o sin oxígeno. Como mencionamos, la respiración celular solo requiere oxidación, porque la pérdida de un electrón puede darse en una reacción química sin la presencia de oxígeno. En función de esto, existen dos tipos de respiración celular: la respiración aeróbica y la respiración anaeróbica.

La respiración aeróbica es la que se produce en presencia de oxígeno, ya que este funciona como el aceptor final de electrones en la serie de reacciones redox.

La respiración anaeróbica es la que se produce en ausencia de oxígeno y utiliza otro aceptor final de electrones.

La capacidad de realizar uno u otro tipo de respiración depende del tipo de organismo:

  • Organismo aerobio o aeróbico: también llamado aerobio estricto, necesita oxígeno para sobrevivir.
  • Organismo anaerobio o anaeróbico: también llamado anaerobio estricto, no puede vivir en presencia de oxígeno, ya que le resulta tóxico.
  • Organismo facultativo: vive normalmente en presencia de oxígeno, pero también posee el metabolismo para sobrevivir sin él.

Respiración celular aerobia

La respiración aeróbica requiere oxígeno para llevarse a cabo. Este proceso tiene lugar en el citoplasma y en las mitocondrias, en eucariotas; y en el citoplasma, en procariotas. Durante este tipo de respiración se produce dióxido de carbono, agua y una gran cantidad de ATP.

La respiración aeróbica consta de cuatro etapas, también llamadas vías metabólicas (Fig. 1):

  • Glucólisis: Es descomposición de una molécula de glucosa en dos moléculas más pequeñas de piruvato y formación de ATP. Se produce en el citoplasma celular.
  • Oxidación del piruvato: Es la conversión de piruvato en acetil-Coenzima A; se forma NADH y se libera CO₂. En eucariotas, se produce en las mitocondrias.

El Adenosín trifosfato (ATP) es un nucleótido portador de energía. La Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) y el Dinucleótido de flavina adenina (FAD) son nucleótidos que funcionan como transportadores de electrones: transfieren los electrones (y protones) de la molécula donadora a la molécula receptora.

  • Ciclo de Krebs (o ciclo del ácido cítrico): El acetil coenzima A entra en un ciclo de reacciones redox, que da lugar a la producción de ATP, NAD reducido (NADH) y FAD reducido (FADH2), y a la liberación CO₂. En eucariotas, también se produce en las mitocondrias.
  • Fosforilación oxidativa: Consiste en tomar los electrones transferidos al NADH y al FADH2 durante las etapas anteriores y, a través de una cadena de transporte de electrones, obtener su energía para sintetizar ATP. Se libera agua como subproducto. Se produce en la membrana interna de las mitocondrias, en eucariotas; y en la membrana plasmática, en procariotas.

La fosforilación es la adición de un grupo fosfato a una molécula. Es oxidativa cuando resulta de una cadena de transporte de electrones para fosforilar ADP y producir ATP.

La cadena de transporte de electrones es una serie de reacciones redox, en la que cada componente de la cadena se reduce y, luego, se oxida. Esto ocurre al pasar los electrones al siguiente componente, uno tras otro, hasta que son donados a una molécula, que su aceptora final.

La ecuación global de la respiración aeróbica es la siguiente:

C6H12O6 + 6 O2 ⇾ 6 CO2 + 6 H20 + Energía

Hasta aquí, probablemente consideres que la respiración es un proceso sencillo: el azúcar y el oxígeno producen energía, junto con el dióxido de carbono y el agua. Sin embargo, esta ecuación es engañosa, ya que es generalizada , por lo que muestra solo los reactivos iniciales y los productos finales. En realidad, la respiración es algo más compleja y cada vía metabólica requiere una serie de fases.

La respiración aeróbica consta, en realidad, de un total de 24 pasos; cada fase enumerada anteriormente consta de un grupo de ellos. Para conocer en profundidad todos los pasos de las cuatro fases anteriores, visita nuestros artículos sobre la glucólisis, el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa.

Respiración celular anaerobia

Cuando un entorno tiene una cantidad insuficiente de oxígeno, la respiración aerobia no puede producirse. En términos químicos, esto implica que la etapa de fosforilación oxidativa no pueda llevarse a cabo. Sin embargo, las bacterias y arqueas anaerobias pueden convertir el azúcar en energía, sin necesidad de oxígeno, durante la respiración anaeróbica.

Por tanto, en la respiración anaeróbica se sustituye el oxígeno molecular por otra sustancia inorgánica como aceptor final de electrones; esta puede ser tanto el nitrato (NO3) como el sulfato (SO42–). Algunos compuestos orgánicos también pueden ser usados como aceptor final (por ejemplo, fumarato)1, aunque es menos común.

Por ejemplo, la metanogénesis es un tipo de respiración anaeróbica característica de las arqueas metanogénicas, que libera metano.

En realidad, la respiración anaeróbica no solo no requiere oxígeno, sino que en organismos anaeróbicos estrictos únicamente puede darse en ausencia de oxígeno. Debido a que la respiración anaeróbica es llevada a cabo por bacterias, se produce en el citoplasma celular. En comparación con la respiración aerobia, durante la respiración anaeróbica se produce una cantidad menor de ATP, ya que el O2 es el más electronegativo entre los aceptores para la respiración celular. Esta cantidad es variable, ya que depende de la electronegatividad del aceptor final de electrones.

Algunos procariotas viven en ambientes anaeróbicos (sin oxígeno), como el suelo saturado de agua, aguas estancadas y los intestinos de los animales. Otros tantos organismos y células pueden encontrarse en condiciones con cantidades de oxígenos que varían a lo largo del tiempo. Por esto, en algunos momentos habrá más disponibilidad de oxígeno que en otros.

Los electrones capturados por el NADH durante la respiración anaeróbica son transferidos a una cadena de electrones; igual que en la respiración aeróbica, con la diferencia de tener un aceptor final diferente al oxígeno. Los productos finales de este tipo de respiración son el dióxido de carbono, una o más sustancias inorgánicas reducidas y ATP.

Fermentación

La fermentación es considerada un tipo especial de respiración anaeróbica, con la característica principal de que no utiliza una cadena de transporte de electrones. Es muy común también en bacterias y arqueas. En la fermentación, el piruvato se convierte en la molécula aceptora de los electrones del NADH formado en la glucólisis. De esta forma, el NAD+ se reutiliza en la glucólisis para producir más ATP.

Existen dos tipos de fermentación que son las más comunes; reciben el nombre de su subproducto:

  • La fermentación alcohólica: Fermentación del piruvato, que es llevada a cabo por la levadura, produce alcohol etílico como subproducto. Se emplea para elaborar vinos, cervezas y una amplia variedad de licores.
  • Fermentación láctica: Fermentación del piruvato, que es realizada por bacterias y que produce ácido láctico como subproducto. Se usa para fabricar quesos, yogures y un gran número de productos alimenticios (principalmente, lácteos).

Las levaduras (que son hongos unicelulares) son organismos facultativos, debido a que respiran aeróbicamente en presencia de O2 y llevan a cabo procesos de fermentación alcohólica en ausencia de O2.

Respiración celular y el catabolismo de las proteínas

Los alimentos que comemos no solo aportan glucosa u otros carbohidratos como fuente de energía, pues una dieta balanceada incluye proteínas y grasas. Sin embargo, vimos que la respiración celular empieza con glucosa que se obtiene de los carbohidratos; entonces, si estas biomoléculas también son una fuente de energía, ¿por medio de qué proceso la obtenemos ?

Mediante el catabolismo de las proteínas se obtienen aminoácidos (los bloques que componen las proteínas). Estos aminoácidos pierden sus grupos amino (NH3) (lo que se llama desaminación), por lo que quedan solamente sus esqueletos carbonados. Estas moléculas de carbono pueden entrar en el proceso de la respiración celular en varias de sus etapas; así las células logran captar la energía de estas para la formación de más ATP. Los aminoácidos desaminados pueden entrar a la respiración celular en la glucólisis, en la formación de Acetil-CoA o en el ciclo de Krebs. El nitrógeno separado de los aminoácidos se desecha del cuerpo (Fig. 1).

El catabolismo de los lípidos también puede integrarse a la respiración celular, en algunos puntos. La degradación de estos libera sus bloques básicos, el glicerol y los ácidos grasos. El glicerol puede entrar en la glucólisis como la molécula intermediaria que se forma al descomponer la glucosa a piruvato; mientras que los ácidos grasos se transforman en Acetil-CoA (por medio del proceso de ß-oxidación), para luego seguir al ciclo de Krebs.

Respiración Celular - Puntos clave

  • La respiración celular es el proceso catabólico por el que las células obtienen la energía de moléculas orgánicas y la transfieren al ATP para su uso inmediato en procesos celulares.
  • Las cuatro fases de la respiración celular aerobia son: la glucólisis, la oxidación del piruvato, el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa.
  • La respiración celular puede ser aerobia (utilizando oxígeno) o anaeróbica (en ausencia de oxígeno). La fermentación es un tipo de respiración anaeróbica.
  • La respiración celular se lleva a cabo por medio de reacciones redox: el aceptor final de electrones es el oxígeno en la respiración aerobia; una sustancia inorgánica, en la respiración anaerobia; y una molécula orgánica, en la fermentación.
  • La glucólisis (descomposición de la glucosa en piruvato) es el primer paso, tanto en la respiración aerobia como en la anaerobia (incluyendo la fermentación).
  • Las proteínas y los lípidos, al descomponerse, también pueden entrar en el proceso de la respiración en varias de sus etapaspara la formación de más ATP.

References

  1. Wendy Keenleyside. Microbiology: Canadian Edition. Open Library Publishing Platform.

Preguntas frecuentes sobre Respiración celular

La respiración celular se produce en el citoplasma, en el caso de la glucólisis; y en la mitocondria, para el resto de las etapas (oxidación del piruvato, ciclo de Krebs, fosforilación oxidativa), en células eucariotas. 


En procariotas, todo el proceso se produce en el citoplasma; la fosforilación oxidativa ocurre, específicamente, en la membrana plasmática.

Todas las células (incluyendo organismos unicelulares) realizan la respiración celular: los organismos aerobios utilizan la respiración aeróbica, mientras que los organismos anaerobios (principalmente bacterias y arqueas) también pueden utilizar la respiración anaeróbica.

Las etapas de la respiración celular son cuatro: la glucólisis, la oxidación del piruvato, el ciclo de Krebs (o ciclo del ácido cítrico) y la fosforilación oxidativa. 

La importancia de la respiración celular consiste en que es el proceso catabólico por el que las células obtienen la energía de moléculas orgánicas y la transfieren al ATP, para su uso inmediato en todos los procesos celulares. Evolutivamente, la glucólisis probablemente surgió primero, pero esta produce muy pocas moléculas de ATP, en comparación con el proceso completo de respiración celular.

Las diferencias entre la respiración anaerobia y la fermentación son:

  • La respiración anaerobia utiliza una cadena de electrones y su aceptor final de electrones es una molécula inorgánica diferente al oxígeno.
  • La fermentación no utiliza una cadena de electrones, produce muchas menos moléculas de ATP (solamente las que resultan de la glucólisis) y el aceptor final del proceso es una molécula orgánica (usualmente, el mismo piruvato resultante de la glucólisis).

Cuestionario final de Respiración celular

Pregunta

¿Dónde ocurre el proceso de la descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico en la célula?

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Answer

Ocurre en la mitocondria.

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Pregunta

¿Dónde ocurre el proceso del ciclo de Krebs en la célula?

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Answer

Ocurre en la mitocondria.

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Pregunta

¿Cuál es el reactivo principal y el producto principal en la reacción de descarboxilación oxidativa?

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Answer

El reactivo principal es el piruvato, el producto principal es el acetil CoA.

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Pregunta

¿Cuál es el número máximo de moléculas de ATP producidas en la formación de Acetil CoA?

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Answer

24 ATP.

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Pregunta

¿Cuántas moléculas de ATP se producen durante la descarboxilación oxidativa?

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Answer

6 ATP.

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Pregunta

¿Cómo se llama la molécula de 2 carbonos que se forma al descarboxilar y deshidrogenar el piruvato?

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Answer

Acetilo

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Pregunta

¿Cómo se llama la molécula con la que se combina el acetilo para formar acetil CoA?

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Answer

Coenzima A

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Pregunta

Por cada molécula de glucosa que se descompone durante la respiración aeróbica, ¿qué se produce durante la descarboxilación oxidativa?

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Answer

2 moléculas de dióxido de carbono, 2 moléculas de acetil CoA y 2 moléculas de NADH.

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Pregunta

¿Qué son las moléculas NAD, FAD y NADP?

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Answer

Coenzimas

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Pregunta

¿Cómo se denomina la molécula de 4 carbonos con la que se combina el acetil-CoA en la primera etapa del ciclo de Krebs?

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Answer

Oxaloacetato

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Pregunta

¿Cuál es la molécula de 6 carbonos que se forma a partir de oxaloacetato y acetil CoA?

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Answer

Citrato

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Pregunta

¿Cómo se denomina la molécula de 5 carbonos que se forma a partir del oxaloacetato?

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Answer

alfa-cetoglutarato

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Pregunta

¿Cuántas moléculas de dióxido de carbono se producen por cada molécula de acetil CoA durante el ciclo de Krebs?

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Answer

Dos moléculas

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Pregunta

¿Cuántas moléculas de NADH se producen por cada molécula de acetil CoA durante el ciclo de Krebs?

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Answer

3 molecules of the NADH

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Pregunta

La oxidación del piruvato se produce antes de la fosforilación oxidativa.

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Answer

Verdadero.

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Pregunta

¿Qué moléculas puede la célula convertir en energía durante la respiración celular?

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Answer

Glucosa.

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Pregunta

El catabolismo es un proceso que describe el ensamblaje de pequeñas moléculas en una molécula mayor.

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Answer

Falso.

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Pregunta

¿Cómo se denomina la unión de un grupo fosfato al ADP que resulta de la cadena de transporte de electrones?

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Answer

Fosforilación oxidativa.

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Pregunta

¿Cuál de los siguientes procesos no describe una fase de la respiración celular?

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Answer

β-oxidación.

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Pregunta

El ciclo de Krebs se refiere a:

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Answer

El ciclo del ácido cítrico.

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Pregunta

¿Cuál es el producto final de la glucólisis?

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Answer

Ácido láctico.

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Pregunta

¿Cuál de los siguientes procesos ocurre durante la fosforilación oxidativa?

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Answer

Se oxida el piruvato.

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Pregunta

¿Cuál es el producto de la oxidación del piruvato?

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Answer

Acetil-CoA.

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Pregunta

¿Cómo se denomina la unión de un grupo fosfato del ATP a una molécula de glucosa?

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Answer

Fosforilación.

Show question

Pregunta

El oxígeno es obligatorio para que se produzca la respiración celular.

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

Show question

Pregunta

¿Qué orgánulo desempeña un papel importante en la respiración celular?

Mostrar respuesta

Answer

La mitocondria.

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Pregunta

¿Qué es una vía metabólica?

Mostrar respuesta

Answer

Una secuencia de reacciones químicas que se producen dentro de una célula.

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Pregunta

¿Cuál de estos procesos catabólicos es el que produce menos ATP?

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Answer

Respiracion aerobia.

Show question

Pregunta

Las reacciones de reducción son mecanismos clave de la respiración celular.

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Answer

Verdadero.

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Pregunta

¿Cuál de las siguientes moléculas es transportadora de electrones?

Mostrar respuesta

Answer

ATP.

Show question

Pregunta

¿Cuáles son los productos de la etapa de formación de acetil-CoA?

Mostrar respuesta

Answer

Piruvato.

Show question

Pregunta

¿Cuáles son los productos finales de la respiración aeróbica?

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Answer

Piruvato.

Show question

Pregunta

¿En qué etapas de la respiración aeróbica se produce ATP por fosforilación a nivel de sustrato?

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Answer

Glucólisis.

Show question

Pregunta

¿Dónde tiene lugar la respiración aeróbica en procariotas?

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Answer

En el citoplasma y en las mitocondrias.

Show question

Pregunta

¿Cuáles son los sustratos iniciales de la respiración aeróbica?

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Answer

Piruvato.

Show question

Pregunta

¿Qué molécula de 3 carbonos se forma en la glucólisis?

Mostrar respuesta

Answer

Piruvato.

Show question

Pregunta

¿Cuál es el nombre de la molécula de 2 carbonos producida al oxidarse el piruvato?

Mostrar respuesta

Answer

Ácido succínico.

Show question

Pregunta

¿Cuáles son los productos de la etapa del ciclo de Krebs?

Mostrar respuesta

Answer

Piruvato.

Show question

Pregunta

¿Cuáles son los productos de la etapa de fosforilación oxidativa?

Mostrar respuesta

Answer

Piruvato.

Show question

Pregunta

¿En qué parte de la mitocondria se produce la síntesis de ATP?

Mostrar respuesta

Answer

En la matriz.

Show question

Pregunta

¿En qué parte de la mitocondria se encuentra la cadena de transporte de electrones?

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Answer

En la matriz.

Show question

Pregunta

¿En qué parte de la mitocondria se acumulan los iones H+?

Mostrar respuesta

Answer

En la matriz.

Show question

Pregunta

La membrana interna de la mitocondria tiene muchos pliegues hacia la matriz, en base a lo que has aprendido de la respiración aeróbica ¿cuál puede ser una ventaja de estos pliegues?

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Answer

Los pliegues amplían la superficie de la membrana mitocondrial interna, lo que le permite mayor cantidad de cadenas de transporte de electrones, para producir mayor cantidad de ATP.

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Pregunta

¿Cuáles son los productos de la glucólisis?

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Answer

Piruvato.

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Pregunta

Todas las moléculas de ATP producidas durante la respiración aeróbica son resultado de la fosforilación oxidativa.

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Answer

Falso, la mayoría de las moléculas si son producidas por fosforilación oxidativa.

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