Respiración celular: definición, ecuación y pasos

el filósofo bertrand russell dijo: "todo ser viviente es una especie de imperialista, que busca transformar todo lo posible de su entorno en sí mismo". Dejando de lado las metáforas, la respiración celular es la forma formal en que los seres vivos hacen esto en última instancia. La respiración celular toma sustancias capturadas del ambiente externo (fuentes de aire y carbono) y las convierte en energía para construir más células y tejidos y para llevar a cabo actividades que sustentan la vida. También genera residuos y agua. esto no debe confundirse con "respiración" en el sentido cotidiano, que generalmente significa lo mismo que "respirar". la respiración es la forma en que los organismos adquieren oxígeno, pero esto no es lo mismo que procesar el oxígeno, y la respiración no puede suministrar el carbono también necesario para la respiración; la dieta se encarga de esto,

la respiración celular se produce tanto en plantas como en animales, pero no en procariotas (p. ej., bacterias), que carecen de mitocondrias y otras orgánulos y, por lo tanto, no pueden usar oxígeno, limitándolos a la glucólisis como fuente de energía. Las plantas son quizás más comúnmente asociadas con la fotosíntesis que con la respiración, pero la fotosíntesis es la fuente de oxígeno para la respiración de las células vegetales, así como una fuente de oxígeno que sale de la planta y que los animales pueden utilizar. el último producto secundario en ambos casos es el atp, o trifosfato de adenosina, el principal portador de energía química en los seres vivos.

La respiración celular, a menudo llamada respiración aeróbica, es la descomposición completa de la molécula de glucosa en presencia de oxígeno para producir dióxido de carbono y agua:

c ₆ h ₁₂ o ₆ + 6o ₂ + 38 adp +38 p -> 6co ₂ + 6h ₂ o + 38 atp + 420 kcal

esta ecuación tiene un componente de oxidación (c ₆ h ₁₂ o ₆ -> 6co ₂ ), esencialmente una eliminación de electrones en forma de átomos de hidrógeno. También tiene un componente de reducción, 6o ₂ ->6h ₂ o, que es la adición de electrones en forma de hidrógeno.

a lo que se traduce la ecuación en su conjunto es que la energía contenida en los enlaces químicos de los reactivos se utiliza para conectar el difosfato de adenosina (adp) a los átomos libres de fósforo (p) para generar trifosfato de adenosina (atp).

El proceso en su totalidad implica múltiples pasos: la glucólisis se lleva a cabo en el citoplasma, seguido del ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones en la matriz mitocondrial y en la membrana mitocondrial, respectivamente.

El primer paso en la descomposición de la glucosa en plantas y animales es una serie de 10 reacciones conocidas como glicólisis. La glucosa ingresa a las células animales desde el exterior, a través de los alimentos que se descomponen en moléculas de glucosa que circulan en la sangre y son absorbidas por los tejidos donde más se necesita energía (incluido el cerebro). En contraste, las plantas sintetizan la glucosa al tomar dióxido de carbono del exterior y el uso de la fotosíntesis para convertir el co ₂ en glucosa. En este punto, independientemente de cómo llegó allí, cada molécula de glucosa está comprometida con el mismo destino.

Al comienzo de la glucólisis, la molécula de glucosa de seis carbonos se fosforila para atraparla dentro de la célula; Los fosfatos están cargados negativamente y, por lo tanto, a veces no pueden desplazarse a través de la membrana celular, como lo hacen las moléculas no polares y no cargadas. se agrega una segunda molécula de fosfato, que hace que la molécula sea inestable, y pronto se escinde en dos compuestos de tres carbonos no idénticos. estos pronto asumirán la forma química, y se reorganizarán en una serie de pasos para finalmente producir dos moléculas de piruvato . a lo largo del camino, se consumen dos moléculas de atp (que suministran los dos fosfatos agregados a la glucosa en una etapa temprana) y cuatro se producen, dos por cada proceso de tres carbonos, para producir una red de dos moléculas de atp por molécula de glucosa.

En las bacterias, la glucólisis sola es suficiente para las necesidades energéticas de las células y, por lo tanto, de todo el organismo. pero en plantas y animales, tal no es el caso, y con el piruvato, el destino final de la glucosa apenas ha comenzado. debe observarse que la glucólisis en sí misma no requiere oxígeno, pero el oxígeno generalmente se incluye en las discusiones sobre la respiración aeróbica y, por lo tanto, la respiración celular porque se requiere para sintetizar piruvato.

Un error común entre los entusiastas de la biología es que los cloroplastos cumplen la misma función en las plantas que las mitocondrias en los animales, y que cada tipo de organismo tiene solo uno u otro. esto no es asi las plantas tienen cloroplastos y mitocondrias, mientras que los animales solo tienen mitocondrias. las plantas usan cloroplastos como generadores, usan una pequeña fuente de carbono (co ₂ ) para construir una más grande (glucosa). Las células de los animales obtienen su glucosa al descomponer macromoléculas como los carbohidratos, las proteínas y las grasas, y por lo tanto no necesitan crear glucosa desde dentro. Esto puede parecer extraño e ineficiente en el caso de las plantas, pero las plantas han desarrollado una característica que los animales no tienen: la capacidad de aprovechar la luz solar para su uso directo en funciones metabólicas. Esto permite que las plantas, literalmente, hagan su propia comida.

se cree que las mitocondrias fueron una especie de bacteria independiente hace cientos de millones de años, una teoría apoyada por su notable parecido estructural con las bacterias, así como su maquinaria metabólica y la presencia de su propio ADN y orgánulos llamados ribosomas. Los eucariotas surgieron por primera vez hace más de mil millones de años, cuando una célula logró engullir a otra (la hipótesis del endosimbionte), lo que llevó a una disposición que fue muy beneficiosa para el engulfer en esta disposición debido a las capacidades ampliadas de producción de energía. Las mitocondrias consisten en una membrana de plasma doble, como las células mismas; La membrana interna incluye pliegues llamados crestas. La porción interna de las mitocondrias se conoce como matriz y es análoga al citoplasma de las células completas.

Los cloroplastos, como las mitocondrias, tienen membranas externas e internas y su propio ADN. Dentro del espacio encerrado por una membrana interna se encuentra un surtido de bolsas membranosas interconectadas, en capas y llenas de líquido llamadas tilacoides. cada "pila" de tilacoides forma un granum (plural: grana). El líquido dentro de la membrana interna que rodea la grana se llama estroma.

Los cloroplastos contienen un pigmento llamado clorofila que da a las plantas su coloración verde y sirve como un colector de luz solar para la fotosíntesis. La ecuación para la fotosíntesis es exactamente la inversa de la respiración celular, pero los pasos individuales para obtener del dióxido de carbono a la glucosa no se parecen en nada a las reacciones inversas de la cadena de transporte de electrones, el ciclo de Krebs y la glucólisis.

En este proceso, también llamado ciclo del ácido tricarboxílico (tca) o ciclo del ácido cítrico, las moléculas de piruvato se convierten primero en moléculas de dos carbonos llamadas acetil coenzima a (acetil coa). Esto libera una molécula de co ₂ . Las moléculas de acetil-coa luego ingresan a la matriz mitocondrial, donde cada una de ellas se combina con una molécula de oxaloacetato de cuatro carbonos para formar ácido cítrico. por lo tanto, si realiza una contabilidad cuidadosa, una molécula de glucosa produce dos moléculas de ácido cítrico al comienzo del ciclo de Krebs.

El ácido cítrico, una molécula de seis carbonos, se reordena en isocitrato, y luego se elimina un átomo de carbono para formar cetoglutarato, con un co ₂ saliendo del ciclo. El cetoglutarato a su vez se despoja de otro átomo de carbono, generando otro co ₂ y succinato y también formando una molécula de atp. a partir de allí, la molécula de succinato de cuatro carbonos se transforma secuencialmente en fumarato, malato y oxaloacetato. estas reacciones ven iones de hidrógeno eliminados de estas moléculas y adheridos a los portadores de electrones de alta energía nad + y fad + para formar nadh y fadh ₂ respectivamente, que es esencialmente "creación" de energía disfrazada, como pronto verás. Al final del ciclo de Krebs, la molécula de glucosa original ha dado lugar a 10 nadh y dos fadh _2. moléculas.

Las reacciones del ciclo de Krebs producen solo dos moléculas de atp por cada molécula de glucosa original, una por cada "giro" del ciclo. esto significa que, además de los dos atp producidos en la glucólisis, después del ciclo de Krebs, el resultado es un total de cuatro atp. Pero los resultados reales de la respiración aeróbica aún no se han desarrollado en esta etapa.

La cadena de transporte de electrones, que se produce en las crestas de la membrana mitocondrial interna, es el primer paso en la respiración celular que se basa explícitamente en el oxígeno. El nadh y el fadh ₂ producidos en el ciclo de krebs ahora están preparados para contribuir de manera importante a la liberación de energía.

la forma en que esto sucede es que los iones de hidrógeno almacenados en estas moléculas portadoras de electrones (un ion de hidrógeno, para los fines actuales, pueden considerarse como un par de electrones en términos de su contribución a esta parte de la respiración) se utilizan para crear un gradiente quimiosmótico . quizás haya oído hablar de un gradiente de concentración, en el cual las moléculas fluyen desde regiones de mayor concentración a áreas de menor concentración, como un cubo de azúcar que se disuelve en el agua y las partículas de azúcar se dispersan por todas partes. en un gradiente quimiosmótico, sin embargo, los electrones de nadh y fadh ₂Terminan siendo transmitidos por proteínas incrustadas en la membrana y que sirven como sistemas de transferencia de electrones. La energía liberada en este proceso se utiliza para bombear iones de hidrógeno a través de la membrana y crear un gradiente de concentración a través de ella. esto conduce a un flujo neto de átomos de hidrógeno en una dirección, y este flujo se utiliza para alimentar una enzima llamada atp sintasa, que produce atp a partir de adp y p. Piense en la cadena de transporte de electrones como algo que pone un gran peso de agua detrás de una rueda hidráulica, cuya rotación posterior se utiliza para construir cosas.

Este, no de forma incidental, es el mismo proceso utilizado en los cloroplastos para potenciar la síntesis de glucosa. La fuente de energía para crear un gradiente a través de la membrana del cloroplasto no es, en este caso, nadh y fadh ₂ , sino la luz solar. el flujo subsiguiente de iones de hidrógeno en la dirección de la concentración de ión h + inferior se utiliza para impulsar la síntesis de moléculas de carbono más grandes a partir de las más pequeñas, comenzando con co ₂ y terminando con c ₆ h ₁₂ o ₆ .

La energía que fluye desde el gradiente quimiosmótico se utiliza para potenciar no solo la producción, sino también otros procesos celulares vitales, como la síntesis de proteínas. Si se interrumpe la cadena de transporte de electrones (como ocurre con la privación prolongada de oxígeno), este gradiente de protones no se puede mantener y la producción de energía celular se detiene, al igual que una rueda hidráulica deja de fluir cuando el agua que la rodea ya no tiene un gradiente de flujo de presión.

Debido a que se ha demostrado experimentalmente que cada molécula nadh produce aproximadamente tres moléculas de atp y cada fadh ₂ produce dos moléculas de atp, la energía total liberada por la reacción en cadena de transporte de electrones es (refiriéndose a la sección anterior) 10 veces 3 (para nadh) más 2 veces 2 (para fadh ₂ ) para un total de 34 atp. agregue esto a los 2 atp de la glucólisis y los 2 del ciclo de krebs, y aquí es de donde viene la cifra de 38 atp en la ecuación para la respiración aeróbica.