El filósofo Bertrand Russell dijo: "Todo ser vivo es una especie de imperialista, que busca transformar tanto como sea posible de su entorno en sí mismo. "Dejando de lado las metáforas, la respiración celular es la forma formal en que los seres vivos finalmente esto. La respiración celular toma sustancias capturadas del ambiente externo (aire y fuentes de carbono) y los convierte en energía para construir más células y tejidos y para llevar a cabo el mantenimiento de la vida. ocupaciones. También genera residuos y agua. Esto no debe confundirse con "respiración" en el sentido cotidiano, que generalmente significa lo mismo que "respiración". Respirar es como Los organismos adquieren oxígeno, pero esto no es lo mismo que procesar oxígeno, y la respiración no puede suministrar el carbono que también se necesita para respiración; la dieta se encarga de esto, al menos en los animales.
La respiración celular ocurre tanto en plantas como en animales, pero no en procariotas (por ejemplo, bacterias), que carecen de mitocondrias y otros orgánulos y, por lo tanto, no pueden hacer uso de oxígeno, lo que los limita a la glucólisis como energía. fuente. Las plantas quizás se asocian más comúnmente 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 que puede ser utilizada por animales. El subproducto final en ambos casos es el ATP, o trifosfato de adenosina, el principal portador de energía química en los seres vivos.
La ecuación de la respiración celular
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:
C6H12O6 + 6O2 + 38 ADP +38 P -> 6CO2 + 6H2O + 38 ATP + 420 Kcal
Esta ecuación tiene un componente de oxidación (C6H12O6 -> 6CO2), esencialmente una eliminación de electrones en forma de átomos de hidrógeno. También tiene un componente reductor, 6O2 -> 6H2O, 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 es se utiliza para conectar el difosfato de adenosina (ADP) con los átomos de fósforo libres (P) para generar el trifosfato de adenosina (ATP).
El proceso en su conjunto implica varios pasos: la glucólisis se lleva a cabo en el citoplasma, seguida por el Krebs ciclo y la cadena de transporte de electrones en la matriz mitocondrial y en la membrana mitocondrial respectivamente.
El proceso de glucólisis
El primer paso en la descomposición de la glucosa tanto en plantas como en animales es una serie de 10 reacciones conocidas como glucólisis. La glucosa ingresa a las células animales desde el exterior, a través de alimentos que se descomponen en moléculas de glucosa. que circulan en la sangre y son absorbidos por los tejidos donde más se necesita energía (incluida la cerebro). Las plantas, por el contrario, sintetizan glucosa al absorber dióxido de carbono del exterior y usar la fotosíntesis para convertir el CO2 a la glucosa. En este punto, independientemente de cómo llegó allí, cada molécula de glucosa corre el mismo destino.
Al principio 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, no pueden desplazarse a través de la membrana celular como a veces pueden hacerlo las moléculas no polares sin carga. Se agrega una segunda molécula de fosfato, lo que hace que la molécula sea inestable y pronto se escinde en dos compuestos de tres carbonos no idénticos. Estos pronto asumen la forma química vino y se reorganizan en una serie de pasos para finalmente producir dos moléculas de piruvato. En el camino, se consumen dos moléculas de ATP (suministran los dos fosfatos añadidos a la glucosa desde el principio) y se producen cuatro, 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 por sí sola es suficiente para las necesidades energéticas de las células y, por lo tanto, de todo el organismo. Pero en plantas y animales, ese no es el caso, y con el piruvato, el destino final de la glucosa apenas ha comenzado. Cabe señalar que la glucólisis en sí misma no requiere oxígeno, pero el oxígeno generalmente se incluye en discusiones sobre la respiración aeróbica y, por lo tanto, la respiración celular porque es necesaria para sintetizar piruvato.
Mitocondrias vs. Cloroplastos
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 o el otro. No es así. Las plantas tienen tanto cloroplastos como mitocondrias, mientras que los animales solo tienen mitocondrias. Las plantas usan cloroplastos como generadores: usan una pequeña fuente de carbono (CO2) para construir uno más grande (glucosa). Las células animales obtienen su glucosa al descomponer macromoléculas como carbohidratos, proteínas y grasas, por lo que no necesitan crear glucosa desde adentro. 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 produzcan literalmente su propia comida.
Se cree que las mitocondrias fueron un tipo de bacteria independiente hace muchos cientos de millones de años, una teoría respaldada por su notable parecido estructural con las bacterias, así como con su maquinaria metabólica y la presencia de su propio ADN y orgánulos llamados ribosomas. Los eucariotas aparecieron por primera vez hace más de mil millones de años cuando una célula logró engullir a otra (la hipótesis del endosimbionte), conduciendo a un arreglo que fue muy beneficioso para el engullidor en este arreglo debido a la expansión de producción de energía capacidades. Las mitocondrias consisten en una doble membrana plasmática, como las propias células; 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 una variedad 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 al grana se llama estroma.
Los cloroplastos contienen un pigmento llamado clorofila que le da a las plantas su coloración verde y sirve como recolector de luz solar para la fotosíntesis. La ecuación para la fotosíntesis es exactamente la inversa de la de la respiración celular, pero los pasos individuales para obtener dióxido de carbono a glucosa de ninguna manera se parecen a las reacciones inversas de la cadena de transporte de electrones, el ciclo de Krebs y glucólisis.
El ciclo de Krebs
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 CO2. 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 está haciendo una contabilidad cuidadosa, una molécula de glucosa da como resultado 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 CO2 salir del ciclo. El cetoglutarato a su vez se despoja de otro átomo de carbono, lo que genera otro CO2 y succinato y también formando una molécula de ATP. A partir de ahí, la molécula de succinato de cuatro carbonos se transforma secuencialmente en fumarato, malato y oxalacetato. En estas reacciones, los iones de hidrógeno se eliminan de estas moléculas y se adhieren 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 verá. Al final del ciclo de Krebs, la molécula de glucosa original ha dado lugar a 10 NADH y dos FADH2 moléculas.
Las reacciones del ciclo de Krebs producen sólo dos moléculas de ATP por molécula de glucosa original, una por cada "turno" 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 revelado en esta etapa.
La cadena de transporte de electrones
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 depende explícitamente del oxígeno. El NADH y FADH2 producidos en el ciclo de Krebs ahora están preparados para contribuir a la liberación de energía de una manera importante.
La forma en que esto sucede es que los iones de hidrógeno almacenados en estas moléculas portadoras de electrones (un ión de hidrógeno puede, por propósitos actuales, ser considerado 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 que las moléculas fluyen desde regiones de mayor concentración a áreas de menor concentración, como un terrón de azúcar que se disuelve en agua y las partículas de azúcar se dispersan a lo largo de. En un gradiente quimiosmótico, sin embargo, los electrones de NADH y FADH2 terminan siendo transmitidos por proteínas incrustadas en la membrana y sirviendo 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 impulsar 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 una gran cantidad de agua detrás de una rueda hidráulica, cuya rotación posterior se utiliza para construir cosas.
Este, no por casualidad, es el mismo proceso que se usa en los cloroplastos para potenciar la síntesis de glucosa. En este caso, la fuente de energía para crear un gradiente a través de la membrana del cloroplasto no es NADH y FADH.2, pero la luz del sol. El flujo subsiguiente de iones de hidrógeno en la dirección de una menor concentración de iones H + se utiliza para impulsar la síntesis de moléculas de carbono más grandes a partir de moléculas más pequeñas, comenzando con CO2 y terminando con C6H12O6.
La energía que fluye del gradiente quimiosmótico se utiliza para impulsar no solo la producción de ATP 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 de agua deja de fluir cuando el agua a su alrededor ya no tiene un flujo de presión degradado.
Debido a que se ha demostrado experimentalmente que cada molécula de NADH produce aproximadamente tres moléculas de ATP y cada FADH2 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 FADH2) para un total de 34 ATP. Agregue esto a los 2 ATP de la glucólisis y los 2 del ciclo de Krebs, y de aquí proviene la cifra de 38 ATP en la ecuación para la respiración aeróbica.