¿Cuál es el papel de la glucosa en la respiración celular?

La vida en la Tierra es extraordinariamente diversa, desde las bacterias más pequeñas que viven en los respiraderos térmicos hasta los majestuosos elefantes de varias toneladas que tienen su hogar en Asia. Pero todos los organismos (seres vivos) tienen una serie de características básicas en común, entre ellas la necesidad de moléculas de las que derivar energía. El proceso de extraer energía de fuentes externas para el crecimiento, reparación, mantenimiento y reproducción se conoce como metabolismo.

Todos los organismos constan de al menos una célula (su propio cuerpo incluye billones), que es la entidad irreductible más pequeña que incluye todas las propiedades atribuidas a la vida usando definiciones convencionales. El metabolismo es una de esas propiedades, al igual que la capacidad de replicarse o reproducirse. Cada célula del planeta puede hacer uso de glucosa, sin el cual la vida en la Tierra nunca habría existido o se vería muy diferente.

La glucosa tiene la fórmula C

La glucosa en la naturaleza existe como un anillo de seis átomos, representado como hexagonal en la mayoría de los textos. Cinco de los átomos de carbono están incluidos en el anillo junto con uno de los átomos de oxígeno, mientras que el sexto átomo de carbono es parte de un grupo hidroximetilo (-CH₂OH) unido a uno de los otros carbonos.

Los aminoácidos, como la glucosa, son monómeros prominentes en bioquímica. Tal como glucógeno se ensambla a partir de largas cadenas de glucosa, las proteínas se sintetizan a partir de largas cadenas de aminoácidos. Si bien hay 20 aminoácidos distintos con numerosas características en común, la glucosa se presenta en una sola forma molecular. Por tanto, la composición del glucógeno es esencialmente invariante, mientras que las proteínas varían mucho de una a otra.

El metabolismo de la glucosa para producir energía en forma de trifosfato de adenosina (ATP) y CO₂ (dióxido de carbono, un producto de desecho en esta ecuación) se conoce como respiración celular. La primera de las tres etapas básicas de la respiración celular es glucólisis, una serie de 10 reacciones que no requieren oxígeno, mientras que las dos últimas etapas son las ciclo de Krebs (también conocido como el ciclo del ácido cítrico) y el cadena de transporte de electrones, que requieren oxígeno. Juntas, estas dos últimas etapas se conocen como respiración aeróbica.

La respiración celular ocurre casi por completo en eucariotas (animales, plantas y hongos). Procariotas (los dominios en su mayoría unicelulares que incluyen bacterias y arqueas) obtienen energía de la glucosa, pero prácticamente siempre de la glucólisis sola. La implicación es que las células procariotas pueden generar solo alrededor de una décima parte de la energía por molécula de glucosa que pueden generar las células eucariotas, como se detalla más adelante.

"Respiración celular" y "respiración aeróbica" se utilizan a menudo de manera intercambiable cuando se habla del metabolismo de las células eucariotas. Se entiende que la glucólisis, aunque es un proceso anaeróbico, procede casi invariablemente a los dos últimos pasos de la respiración celular. Independientemente, para resumir el papel de la glucosa en la respiración celular: sin ella, la respiración se detiene y sigue la pérdida de vidas.

Enzimas son proteínas globulares que actúan como catalizadores en reacciones químicas. Esto significa que estas moléculas ayudan a acelerar las reacciones que de otro modo seguirían adelante sin las enzimas, pero mucho más lentamente, a veces en un factor de más de mil. Cuando las enzimas actúan, no se modifican al final de la reacción, mientras que las moléculas sobre las que actúan, llamadas sustratos, se modifican por diseño, con reactivos como la glucosa transformada en productos como el CO₂.

La glucosa y el ATP tienen cierta semejanza química entre sí, pero utilizando la energía almacenada en los enlaces del La primera molécula para impulsar la síntesis de la última molécula requiere considerables acrobacias bioquímicas a través de la célula. Casi todas las reacciones celulares son catalizadas por una enzima específica, y la mayoría de las enzimas son específicas para una reacción y sus sustratos. La glucólisis, el ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones, combinados, presentan alrededor de dos docenas de reacciones y enzimas.

Cuando la glucosa ingresa a una célula al difundirse a través de la membrana plasmática, se une inmediatamente a un grupo fosfato (P), o fosforilado. Esto atrapa la glucosa en la célula debido a la carga negativa de P. Esta reacción, que produce glucosa-6-fosfato (G6P), se produce bajo la influencia de la enzima. hexoquinasa. (La mayoría de las enzimas terminan en "-ase", por lo que es bastante fácil saber cuándo se trata de una en el mundo de la biología).

A partir de ahí, G6P se reordena en un tipo fosforilado de azúcar. fructosa, y luego se agrega otra P. Poco después, la molécula de seis carbonos se divide en dos moléculas de tres carbonos, cada una con un grupo fosfato; estos pronto se organizan en la misma sustancia, gliceraldehído-3-fosfato (G-3-P).

Cada molécula de G-3-P pasa por una serie de pasos de reordenamiento para convertirse en la molécula de tres carbonos. piruvato, produciendo dos moléculas de ATP y una molécula del portador de electrones de alta energía NADH (reducido de nicotinamida adenina dinucleótido, o NAD +) en el proceso.

La primera mitad de la glucólisis consume 2 ATP en los pasos de fosforilación, mientras que la segunda mitad produce un total de 2 piruvato, 2 NADH y 4 ATP. En términos de producción de energía directa, La glucólisis da como resultado 2 ATP por molécula de glucosa.. Esto, para la mayoría de los procariotas, representa el techo efectivo de utilización de glucosa. En eucariotas, el espectáculo de la respiración celular de glucosa solo ha comenzado.

Las moléculas de piruvato luego se mueven desde el citoplasma de la célula al interior de los orgánulos llamados mitocondrias, que están encerrados por su propia doble membrana plasmática. Aquí, el piruvato se divide en CO₂ y acetato (CH₃COOH-), y el acetato es tomado por un compuesto de la clase de vitamina B llamado coenzima A (CoA) para convertirse en acetil CoA, un importante intermedio de dos carbonos en una variedad de reacciones celulares.

Para ingresar al ciclo de Krebs, el acetil CoA reacciona con el compuesto de cuatro carbonos. oxaloacetato formar citrato. Debido a que el oxaloacetato es la última molécula creada en la reacción de Krebs, así como un sustrato en la primera reacción, la serie recibe la descripción de "ciclo". El ciclo incluye un total de ocho reacciones, que reducen el citrato de seis carbonos a una molécula de cinco carbonos y luego a una serie de intermedios de cuatro carbonos antes de llegar nuevamente a oxaloacetato.

Cada molécula de piruvato que ingresa al ciclo de Krebs da como resultado la producción de dos CO más₂, 1 ATP, 3 NADH y una molécula de un portador de electrones similar a NADH llamado dinucleótido de flavina y adeninao FADH₂.

• El ciclo de Krebs solo puede continuar si la cadena de transporte de electrones está operando aguas abajo para recoger el NADH y FADH₂ genera. Por tanto, si la célula no dispone de oxígeno, el ciclo de Krebs se detiene.

El NADH y FADH₂ moverse a la membrana mitocondrial interna para este proceso. El papel de la cadena es el fosforilación oxidativa de moléculas de ADP para convertirse en ATP. Los átomos de hidrógeno de los portadores de electrones se utilizan para crear un gradiente electroquímico a través de la membrana mitocondrial. La energía de este gradiente, que depende del oxígeno para recibir finalmente los electrones, se aprovecha para impulsar la síntesis de ATP.

Cada molécula de glucosa aporta entre 36 y 38 ATP a través de la respiración celular: 2 en la glucólisis, 2 en el ciclo de Krebs y 32 a 34 (dependiendo de cómo se mida en el laboratorio) en el transporte de electrones cadena.