La respiración aeróbica, un término que a menudo se usa de manera intercambiable con "respiración celular", es una manera maravillosamente alta de que los seres vivos extraigan la energía almacenada en los enlaces químicos de los compuestos de carbono en presencia de oxígeno, y utilizan esta energía extraída para usarla en el metabolismo metabólico. procesos Los organismos eucariotas (es decir, animales, plantas y hongos) hacen uso de la respiración aeróbica, principalmente gracias a la presencia de orgánulos celulares llamados mitocondrias. unos pocos organismos procarióticos (es decir, bacterias) utilizan vías de respiración aeróbica más rudimentarias, pero en general, cuando ves "respiración aeróbica", debes pensar en un "organismo eucariótico multicelular".
pero eso no es todo lo que debería saltar en tu mente. lo que sigue le dice todo lo que necesita saber acerca de las vías químicas básicas de la respiración aeróbica, por qué es un conjunto tan esencial de reacciones y cómo comenzó todo a lo largo de la historia biológica y geológica.
El resumen químico de la respiración aeróbica.
Todo metabolismo celular de nutrientes comienza con moléculas de glucosa. este azúcar de seis carbonos se puede derivar de los alimentos en las tres clases de macronutrientes (carbohidratos, proteínas y grasas), aunque la glucosa en sí misma es un carbohidrato simple. En presencia de oxígeno, la glucosa se transforma y se descompone en una cadena de aproximadamente 20 reacciones para producir dióxido de carbono, agua, calor y 36 o 38 moléculas de trifosfato de adenosina (atp), la molécula más utilizada por las células en todo el mundo. Las cosas como fuente directa de combustible. la variación en la cantidad de atp producida por la respiración aeróbica refleja el hecho de que las células de las plantas a veces extraen 38 atp de una molécula de glucosa, mientras que las células animales generan 36 atp por molécula de glucosa. este atp proviene de la combinación de moléculas de fosfato libres (p) y difosfato de adenosina (adp),
La reacción química completa que describe la respiración aeróbica es:
c 6 h 12 o 6 + 36 (o 38) adp + 36 (o 38) p + 6o 2 → 6co 2 + 6h 2 o + 420 kcal + 36 (o 38) atp.
mientras que la reacción en sí misma parece bastante clara en esta forma, contradice la multitud de pasos que se requieren para pasar del lado izquierdo de la ecuación (los reactivos) al lado derecho (los productos, incluidas 420 kilocalorías de calor liberado ). Por convención, la colección completa de reacciones se divide en tres partes según dónde se produzca cada una: glucólisis (citoplasma), ciclo de krebs (matriz mitocondrial) y cadena de transporte de electrones (membrana mitocondrial interna). antes de explorar estos procesos en detalle, sin embargo, es conveniente observar cómo comenzó la respiración aeróbica en la Tierra.
Los orígenes o la respiración aeróbica de la tierra.
La función de la respiración aeróbica es suministrar combustible para la reparación, el crecimiento y el mantenimiento de las células y los tejidos. esta es una forma un tanto formal de notar que la respiración aeróbica mantiene vivos a los organismos eucarióticos. Puede pasar muchos días sin comer y al menos algunos sin agua en la mayoría de los casos, pero solo unos minutos sin oxígeno.
El oxígeno (o) se encuentra en el aire normal en su forma diatómica, o 2 . este elemento se descubrió, en cierto sentido, en la década de 1600, cuando se hizo evidente para los científicos que el aire contenía un elemento vital para la supervivencia de los animales, uno que podría agotarse en un entorno cerrado por las llamas o, a largo plazo, por respiración.
el oxígeno constituye aproximadamente una quinta parte de la mezcla de gases que inhala. Pero no siempre fue así en la historia de 4.500 millones de años del planeta, y el cambio en la cantidad de oxígeno en la atmósfera de la Tierra a lo largo del tiempo ha sido previsible Profundos efectos sobre la evolución biológica. para la primera mitad de la vida actual del planeta, no había oxígeno en el aire. Hace 1.700 millones de años, la atmósfera consistía en 4 por ciento de oxígeno y habían aparecido organismos unicelulares. hace 0.7 billones de años, o 2 componían entre el 10 y el 20 por ciento del aire, y habían surgido organismos multicelulares más grandes. desde hace 300 millones de años, el contenido de oxígeno se había elevado a 35 por ciento del aire, y en consecuencia, los dinosaurios y otros animales muy grandes eran la norma. Más tarde, la cuota de aire en poder de2 cayeron al 15 por ciento hasta que se elevó nuevamente a donde está hoy.
Está claro que al rastrear este patrón solo, parece ser extremadamente científicamente probable que la función final del oxígeno sea hacer que los animales crezcan grandes.
La glucólisis: un punto de partida universal.
Las 10 reacciones de la glucólisis no requieren oxígeno para proceder, y la glucólisis se produce en cierta medida en todos los seres vivos, tanto procariotas como eucariotas. pero la glucólisis es un precursor necesario para las reacciones aeróbicas específicas de la respiración celular, y normalmente se describe junto con éstas.
Una vez que la glucosa, una molécula de seis carbonos con una estructura de anillo hexagonal, ingresa al citoplasma de la célula, se fosforila inmediatamente, lo que significa que tiene un grupo fosfato unido a uno de sus carbonos. esto atrapa efectivamente la molécula de glucosa dentro de la célula dándole una carga neta negativa. la molécula luego se reorganiza en fructosa fosforilada, sin pérdida o ganancia de átomos, antes de que se agregue otro fosfato a la molécula. esto desestabiliza la molécula, que luego se fragmenta en un par de compuestos de tres carbonos, cada uno de ellos con su propio fosfato unido. uno de estos se transforma en el otro, y luego, en una serie de pasos, las dos moléculas de tres carbonos entregan sus fosfatos a moléculas de adp (difosfato de adenosina) para producir 2 atp.
el ciclo de krebs
El piruvato, en presencia de oxígeno, se desplaza a la matriz (piense en "medio") de los orgánulos celulares llamados mitocondrias y se convierte en un compuesto de dos carbonos, llamado acetil coenzima a (acetil coa). En el proceso, una molécula de dióxido de carbono (co 2 ). en el proceso, una molécula de nad + (un llamado portador de electrones de alta energía) se convierte en nadh.
El ciclo de Krebs, también llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo del ácido tricarboxílico, se conoce como un ciclo en lugar de una reacción porque uno de sus productos, la oxaloacetato de la molécula de cuatro carbonos, vuelve a entrar en el inicio del ciclo mediante la combinación de Una molécula de acetil coa. esto resulta en una molécula de seis carbonos llamada citrato. esta molécula es manipulada por una serie de enzimas en un compuesto de cinco carbonos llamado alfa-cetoglutarato, que luego pierde otro carbono para producir succinato. cada vez que se pierde un carbono, está en forma de co 2 , y debido a que estas reacciones son energéticamente favorables, cada pérdida de dióxido de carbono se acompaña de la conversión de otro nad + a nad. La formación de succinato también crea una molécula de atp.
el succinato se convierte en fumarato, generando una molécula de fadh 2 a partir de fad 2+ (un portador de electrones similar a nad + en la función). esto se convierte en malato, produciendo otro nadh, que luego se transforma en oxaloacetato.
Si mantienes una puntuación, puedes contar 3 nadh, 1 fadh 2 y 1 atp por turno del ciclo de krebs. pero tenga en cuenta que cada molécula de glucosa suministra dos moléculas de acetil coa para ingresar al ciclo, por lo que el número total de estas moléculas sintetizadas es 6 nadh, 2 fadh 2 y 2 atp. por lo tanto, el ciclo de Krebs no genera mucha energía directamente (solo 2 atp por molécula de glucosa suministrada corriente arriba) y tampoco se necesita oxígeno. pero el nadh y el fadh 2 son críticos para los pasos de fosforilación oxidativa en la siguiente serie de reacciones, llamadas colectivamente la cadena de transporte de electrones.
la cadena de transporte de electrones
las diversas moléculas de nadh y fadh 2 creadas en los pasos anteriores de la respiración celular están listas para ser utilizadas en la cadena de transporte de electrones, que se produce en los pliegues de la membrana mitocondrial interna llamadas crestas. En resumen, los electrones de alta energía unidos a nad + y fad 2+ se utilizan para crear un gradiente de protones a través de la membrana. esto solo significa que hay una mayor concentración de protones (h +iones) en un lado de la membrana que en el otro lado, creando un ímpetu para que estos iones fluyan desde áreas de mayor concentración de protones a áreas de menor concentración de protones. de esta manera, los protones se comportan de manera poco diferente que, digamos, el agua que "quiere" moverse desde un área de mayor elevación a un área de menor concentración, aquí, bajo la influencia de la gravedad en lugar del llamado gradiente quimiosmótico observado en el cadena de transporte de electrones.
como una turbina en una planta hidroeléctrica que aprovecha la energía del agua que fluye para trabajar en otro lugar (en ese caso, genera electricidad), parte de la energía establecida por el gradiente de protones a través de la membrana se captura para unir grupos de fosfato libres (p) a adp moléculas para generar atp, un proceso llamado fosforilación (y en este caso, fosforilación oxidativa). de hecho, esto sucede una y otra vez en la cadena de transporte de electrones, hasta que todos los nadh y fadh 2de la glucólisis y el ciclo de Krebs, se utilizan aproximadamente 10 de los primeros y dos de los últimos. esto resulta en la creación de aproximadamente 34 moléculas de atp por molécula de glucosa. ya que la glucólisis y los ciclos de Krebs producen 2 atp por molécula de glucosa, la cantidad total de energía liberada, al menos en condiciones ideales, es de 34 + 2 + 2 = 38 atp.
hay tres puntos diferentes en la cadena de transporte de electrones en los que los protones pueden cruzar la membrana mitocondrial interna para ingresar al espacio entre esta última y la membrana mitocondrial externa, y cuatro complejos moleculares distintos (numerados i, ii, iii y iv) que forman el Puntos de anclaje físicos de la cadena.
la cadena de transporte de electrones requiere oxígeno porque o 2 sirve como el aceptor de par de electrones final en la cadena. si no hay oxígeno presente, las reacciones en la cadena cesan rápidamente porque cesa el flujo de electrones "corriente abajo"; no tienen a donde ir Entre las sustancias que pueden paralizar la cadena de transporte de electrones se encuentra el cianuro (cn - ). Es por esto que es posible que haya visto cianuro utilizado como un veneno mortal en programas de homicidios o películas de espías; Cuando se administra en dosis suficientes, la respiración aeróbica dentro del receptor se detiene y, con ella, la vida misma.
Fotosíntesis y respiración aeróbica en plantas.
a menudo se asume que las plantas se someten a la fotosíntesis para generar oxígeno a partir del dióxido de carbono, mientras que los animales usan la respiración para generar dióxido de carbono a partir del oxígeno, lo que ayuda a preservar un equilibrio completo y complementario para todo el ecosistema. Si bien esto es cierto en la superficie, es engañoso, porque las plantas utilizan la fotosíntesis y la respiración aeróbica.
Como las plantas no pueden comer, deben hacer, en lugar de ingerir, su alimento. Para esto es para lo que sirve la fotosíntesis, una serie de reacciones que tienen lugar en los orgánulos que los animales carecen de cloroplastos. alimentado por la luz solar, el co 2 dentro de la célula vegetal se ensambla en glucosa dentro de los cloroplastos en una serie de pasos que se asemejan a la cadena de transporte de electrones en las mitocondrias. La glucosa se libera del cloroplasto; la mayoría si se convierte en una parte estructural de la planta, pero algunos se someten a la glucólisis y luego continúan con el resto de la respiración aeróbica después de ingresar a las mitocondrias de las células vegetales.