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Los procesos aeróbicos y anaeróbicos son dos tipos diferentes de procesos que las células utilizan para obtener energía de los alimentos que ingieren, en función de las condiciones del entorno. La principal diferencia entre los dos es que el primero lo llevan a cabo las células cuando están en un medio rico en oxígeno, mientras que el segundo lo llevan a cabo cuando está ausente o cuando la concentración de este gas no es lo suficientemente alta.
Además de esta diferencia fundamental, las reaccione bioquímicas que ocurren en presencia o ausencia de oxígeno también son diferentes, por lo que los procesos aeróbicos y anaeróbicos en general llevan a productos tanto intermedios como finales diferentes, así como a un nivel diferente de aprovechamiento de la energía almacenada en los nutrientes. Por otro lado, también hay diferencias en cuanto a el tipo de organismo capaz de utilizar cada proceso y la parte de la célula en la que ocurren.
Diferencias entre procesos celulares aeróbicos y anaeróbicos
En la siguiente tabla se resumen las diferencias más importantes entre estos dos procesos metabólicos. Más adelante se explican en mayor profundidad.
| Procesos Aeróbicos | Procesos Anaeróbicos | |
| Cuándo ocurren: | Ocurren en presencia de oxígeno. | Ocurren en ausencia de oxígeno o cuando la concentración de oxígeno es baja. |
| Sustrato inicial: | Glucosa y oxígeno. | Solo glucosa. |
| Producto final: | CO2, agua y energía en forma de ATP | Energía en forma de ATP y, dependiendo del tipo particular de proceso, el producto final puede ser ácido láctico o etanol y CO2. |
| Etapas involucradas: | • Glucólisis • Oxidación de piruvato • Ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs. • Fosforilación oxidativa. | • Glucólisis • Oxidación de piruvato • La mayoría no involucran el ciclo de Krebs. • La mayoría no involucran la fosforilación oxidativa. |
| Involucra la cadena de transporte de electrones. | En el caso de la fermentación, no involucra la cadena de transporte de electrones. | |
| Eficiencia de producción de energía: | Produce grandes cantidades de energía en forma de ATP. Por cada molécula de glucosa se producen en total 30-32 moléculas netas de ATP. | Produce poca energía en forma de ATP. Por cada molécula de glucosa se fermenta se producen solo 2 moléculas netas de ATP. |
| Parte de la célula donde ocurre: | Una parte ocurre en el citoplasma y otra dentro de la mitocondria. | Ocurre en el citoplasma y, en algunos casos, en la membrana celular. |
| Tipo de organismo que lo emplea: | Se da en organismos aerobios y en anaerobios facultativos. No se da en anaerobios estrictos ni en anaerobios tolerantes. | Se da en anaerobios estrictos, facultativos y tolerantes. |
| Diferencias en evolución: | Es un proceso metabólico más reciente. | Se supone que es el proceso metabólico de carbohidratos más antiguo. |
ATP: El combustible celular
Incluso después de la digestión, las células no pueden utilizar las sustancias en las que se convierten los alimentos que ingerimos directamente como fuente de energía. Esta debe procesarlos y convertirlos en una molécula especial denominada trifosfato de adenosina, adenosín trifosfato o ATP, por sus siglas en inglés.
Aquí es donde entran en juego los procesos metabólicos aeróbicos y anaeróbicos, ya que ambos representan formas diferentes de transformar a la glucosa y otros nutrientes en ATP. Dicho de otra forma, los procesos aeróbicos y anaeróbicos se pueden ver como diferentes formas de refinar los alimentos para producir el combustible que las células realmente necesitan.
Procesos Aeróbicos
Los procesos aeróbicos se refieren a la respiración celular en presencia de oxígeno. Son una serie de reacciones bioquímicas que tienen al oxígeno como aceptor final de los electrones generados por la oxidación de la glucosa. La reacción neta de la respiración aeróbica es:
C6H12O6(glucosa) + 6O2 + 32ADP + 32Pi → 6CO2 + 6H2O + 32ATP
En esta ecuación química, ADP representa el adenosin monofosfato, Pi se refiere a fosfato inorgánico y ATP es adenosin trifosfato.
Los electrones provenientes de la oxidación de la glucosa son transportados por medio de la cadena de transporte de electrones a través de una serie de reacciones de óxido-reducción conocidas colectivamente como la fosforilación oxidativa. Este proceso ocurre en la mitocondria y produce grandes cantidades de energía en forma de ATP.
La respiración aeróbica comienza con una etapa que no requiere oxígeno que se denomina glucólisis. Durante esta primera fase, la cual ocurre en el citoplasma de la célula, la molécula de glucosa se divide en dos por medio de varias reacciones hasta producir dos moléculas de un compuesto llamado piruvato, generando dos moléculas netas de ATP.
El piruvato formado durante la glucólisis se oxida y luego ingresa a la mitocondria donde entra en el ciclo de Krebs, también conocido como el ciclo de los ácidos tricarboxílicos o el ciclo del ácido cítrico. Este ciclo está acoplado con la fosforilación oxidativa y estos dos procesos junto con la glucólisis producen un total de 32 moléculas netas de ATP por cada molécula de glucosa metabolizada.
Procesos Anaeróbicos
A diferencia de los procesos aeróbicos, los procesos anaeróbicos no utilizan oxígeno en ninguna de sus etapas. De hecho, el término engloba a los procesos de metabolismo de glucosa y otros nutrientes en ausencia de oxígeno.
Los procesos anaeróbicos más comunes son la respiración anaeróbica y los distintos tipos de fermentación.
La respiración anaeróbica
Se refiere a la forma en la que algunos microorganismos anaerobios llevan a cabo la oxidación de la glucosa. En estos casos, en lugar de ser el oxígeno el aceptor final de los electrones provenientes de la glucosa, son otros compuestos inorgánicos como los iones nitrato, el sulfato, el dióxido de carbono e incluso, en algunos casos, algunos cationes metálicos como el hierro (III), el manganeso (IV) o el uranio (VI).
La respiración anaeróbica es muy similar a la aeróbica en el sentido que también involucra una etapa inicial de glucólisis y una serie de reacciones de oxidación acopladas a una cadena transportadora de electrones, pero produce menos energía que la aeróbica.
La fermentación
La fermentación es otro tipo de proceso anaeróbico. Aunque también comienza con la formación de piruvato por medio de la glucólisis, éste no sigue una cadena de reacciones que lleve a su oxidación total como sucede durante la respiración (sea anaeróbica o no).
Dependiendo del tipo de producto final en el que es transformado el piruvato, se pueden tener distintos tipos de fermentación. Por ejemplo, las células musculares pueden fermentar el piruvato a ácido láctico si no hay suficiente oxígeno o si hay más piruvato del que pueden manejar las mitocondrias por medio de la respiración aeróbica. Esto puede suceder cuando hacemos ejercicio sostenido de alta intensidad.
Muchos microorganismos también pueden llevar a cabo otros tipos de fermentación. Algunos, como las levaduras, por ejemplo, fermentan los carbohidratos hasta alcohol etílico. Este proceso se aprovecha para la producción de bebidas alcohólicas. Aún otras bacterias pueden producir metano por fermentación.
Como la fermentación desvía el piruvato antes de que llegue a la cadena de transporte de electrones, no se considera como un tipo de respiración, pero sí es un tipo de proceso anaeróbico.
Diferencia en la producción de energía en los procesos aeróbicos y anaeróbicos
Una de las diferencias más importantes entre los procesos aeróbicos y los anaeróbicos es su capacidad de aprovechar la energía química contenida en la glucosa y los demás alimentos celulares. La respiración aeróbica es mucho más eficiente produciendo energía que cualquiera de los procesos anaeróbicos.
Tanto los procesos aeróbicos como los anaeróbicos comienzan con la misma etapa inicial, que es la glucólisis. Este proceso tiene una producción neta de tan solo 2 moléculas de ATP.
Sin embargo, las similitudes acaban aquí. En los procesos anaeróbicos, al no haber oxígeno, el piruvato no entra en el ciclo de Krebs que se acopla con la maquinaria de producción de ATP formada por la cadena de transporte de electrones, así que no se logra producir más ATP que las dos moléculas que provienen de la glucólisis.
Por esta razón, los procesos aeróbicos son mucho más eficientes energéticamente que los anaeróbicos.
Diferencias en su evolución
Se cree los procesos anaeróbicos son más antiguos que los aeróbicos, ya que la atmósfera primordial no contenía oxígeno. Este no se formó hasta que evolucionaron los organismos fotosintéticos, fundamentalmente las plantas verdes, mucho después de que surgiera la vida en la tierra.
Incluso los primeros organismos unicelulares eucariotas se supone que eran anaerobios. Sin embargo, al evolucionar por medio de la endosimbiosis, en algún momento incorporaron células fotosintéticas que producían oxígeno como subproducto, y posteriormente evolucionaron hasta poder aprovechar este compuesto en virtud de su alto potencial de reducción.
A medida que los organismos eucariotas multicelulares comenzaron a aparecer en la Tierra, los organismos más grandes y complejos necesitaron producir más energía, por lo que los procesos aeróbicos representaron una gran ventaja evolutiva. A través de la selección natural, los organismos con más mitocondrias que podían someterse a respiración aeróbica sobrevivieron y se reprodujeron masivamente, transmitiendo estas adaptaciones favorables a su descendencia. Las versiones más antiguas ya no pudieron satisfacer la demanda de ATP en el organismo más complejo y se extinguieron.
