¿Cuál es la función de la respiración aeróbica?

La respiración aeróbica, un término que a menudo se usa indistintamente con "respiración celular", es una manera maravillosamente de alto rendimiento para que los seres vivos extraer la energía almacenada en los enlaces químicos de los compuestos de carbono en presencia de oxígeno, y poner esta energía extraída para utilizarla en procesos metabólicos 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. Algunos organismos procariotas (es decir, bacterias) utilizan vías de respiración aeróbica más rudimentarias, pero en general, cuando vea "respiración aeróbica", debería pensar "eucariotas multicelulares organismo."

Pero eso no es todo lo que debería venir a tu mente. Lo que sigue le dice todo lo que necesita saber sobre las vías químicas básicas de la respiración aeróbica, por qué es un conjunto tan esencial de reacciones, y cómo todo comenzó en el curso de los procesos biológicos y geológicos historia.

Todo el metabolismo de los nutrientes celulares comienza con moléculas de glucosa. Este azúcar de seis carbonos puede derivarse de alimentos de las tres clases de macronutrientes (carbohidratos, proteínas y grasas), aunque la glucosa en sí es un carbohidrato simple. En presencia de oxígeno, la glucosa se transforma y 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 de todos los seres vivos 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 exprimen 38 ATP de una molécula de glucosa, mientras que las células animales generan 36 ATP por glucosa molécula. Este ATP proviene de la combinación de moléculas libres de fosfato (P) y difosfato de adenosina (ADP), con casi todos los esto ocurre en las últimas etapas de la respiración aeróbica en las reacciones del transporte de electrones cadena.

La reacción química completa que describe la respiración aeróbica es:

C₆H₁₂O₆ + 36 (o 38) ADP + 36 (o 38) P + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 420 kcal + 36 (o 38) ATP.

Si bien la reacción en sí parece bastante sencilla en esta forma, contradice la multitud de pasos que se necesitan para obtener del lado izquierdo de la ecuación (los reactivos) al lado derecho (los productos, incluidas 420 kilocalorías de calor). Por convención, la colección completa de reacciones se divide en tres partes según el lugar donde ocurre cada una: glucólisis (citoplasma), el ciclo de Krebs (matriz mitocondrial) y la cadena de transporte de electrones (interior mitocondrial membrana). Sin embargo, antes de explorar estos procesos en detalle, conviene echar un vistazo a cómo se inició la respiración aeróbica en la Tierra.

La función de la respiración aeróbica es suministrar combustible para la reparación, el crecimiento y el mantenimiento de células y tejidos. Esta es una forma un tanto formal de señalar que la respiración aeróbica mantiene vivos a los organismos eucariotas. Podrías pasar muchos días sin comida y al menos unos pocos 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, O₂. Este elemento fue descubierto, en cierto sentido, en el siglo XVII, 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 ambiente cerrado por la llama 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 los 4.500 millones de años de historia del planeta, y el cambio en el cantidad de oxígeno en la atmósfera de la Tierra a lo largo del tiempo ha tenido profundos efectos predecibles en la evolución. Durante la primera mitad de la vida actual del planeta, hubo No Oxígeno en el aire. Hace 1.700 millones de años, la atmósfera estaba formada por un 4 por ciento de oxígeno y habían aparecido organismos unicelulares. Hace 0,7 mil millones de años, O₂ compuesto entre el 10 y el 20 por ciento del aire, y habían surgido organismos multicelulares más grandes. Hace 300 millones de años, el contenido de oxígeno había aumentado al 35 por ciento del aire y, en consecuencia, los dinosaurios y otros animales muy grandes eran la norma. Más tarde, la parte de aire en poder de O₂ bajó al 15 por ciento hasta volver a subir a donde está hoy.

Está claro, al rastrear este patrón solo, que parece extremadamente probable científicamente que la función última del oxígeno es hacer que los animales crezcan.

Las 10 reacciones de la glucólisis en sí mismas no requieren oxígeno para continuar, y la glucólisis ocurre hasta cierto punto 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 estas.

Una vez que la glucosa, una molécula de seis carbonos con una estructura de anillo hexagonal, ingresa al citoplasma de una 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 al darle una carga negativa neta. Luego, la molécula se reordena en fructosa fosforilada, sin pérdida ni 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 ceden sus fosfatos a moléculas de ADP (difosfato de adenosina) para producir 2 ATP. La molécula de glucosa de seis carbonos original termina como dos moléculas de una molécula de tres carbonos llamada piruvato y, además, se generan dos moléculas de NADH (discutidas en detalle más adelante).

El piruvato, en presencia de oxígeno, se mueve hacia la matriz (piense en el "medio") de los orgánulos celulares. 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 (CO₂). 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 denomina ciclo en lugar de reacción. porque uno de sus productos, la molécula de oxaloacetato de cuatro carbonos, vuelve a entrar en el inicio del ciclo al combinarse con una molécula de acetil CoA. Esto da como resultado 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, es en forma de CO₂, y debido a que estas reacciones son energéticamente favorables, cada pérdida de dióxido de carbono va acompañada 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 FADH₂ de FAD²⁺ (un portador de electrones similar a NAD⁺ en función). Este se convierte en malato, produciendo otro NADH, que luego se transforma en oxaloacetato.

Si está llevando la cuenta, puede contar 3 NADH, 1 FADH₂ y 1 ATP por turno del ciclo de Krebs. Pero tenga en cuenta que cada molécula de glucosa aporta dos moléculas de acetil CoA para entrar en el ciclo, por lo que el número total de estas moléculas sintetizadas es 6 NADH, 2 FADH₂ 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 FADH₂ son fundamentales para la fosforilación oxidativa pasos en la siguiente serie de reacciones, denominada colectivamente cadena de transporte de electrones.

Las diversas moléculas de NADH y FADH₂ creados en los pasos anteriores de la respiración celular están listos para ser utilizados en la cadena de transporte de electrones, que ocurre en los pliegues de la membrana mitocondrial interna llamados crestas. En resumen, los electrones de alta energía unidos a NAD⁺ y FAD²⁺ 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 un poco diferente a, digamos, el agua que "quiere" moverse de 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 transporte de electrones cadena.

Como una turbina en una planta hidroeléctrica que aprovecha la energía del agua que fluye para trabajar en otro lugar (en ese caso, generar electricidad), parte de la energía establecida por el protón El gradiente a través de la membrana se captura para unir grupos de fosfato libres (P) a moléculas de ADP para generar ATP, un proceso llamado fosforilación (y en este caso, oxidativo fosforilación). De hecho, esto sucede una y otra vez en la cadena de transporte de electrones, hasta que todo el NADH y FADH₂ de la glucólisis y el ciclo de Krebs, aproximadamente 10 del primero y dos del último, se utilizan. Esto da como resultado la creación de aproximadamente 34 moléculas de ATP por molécula de glucosa. Dado que la glucólisis y el ciclo de Krebs producen 2 ATP por molécula de glucosa, la cantidad total de energía liberada, al menos en condiciones ideales, es 34 + 2 + 2 = 38 ATP en total.

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 este más tarde y la membrana mitocondrial externa, y cuatro complejos moleculares distintos (numerados I, II, III y IV) que forman los puntos de anclaje físicos de la cadena.

La cadena de transporte de electrones requiere oxígeno porque O₂ sirve como aceptor final de pares de electrones en la cadena. Si no hay oxígeno, las reacciones en la cadena cesan rápidamente porque cesa el flujo de electrones "aguas abajo"; no tienen adónde ir. Entre las sustancias que pueden paralizar la cadena de transporte de electrones se encuentra el cianuro (CN^-). Por eso es posible que haya visto el uso del cianuro como 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.

A menudo se supone que las plantas se someten a la fotosíntesis para crear oxígeno a partir del dióxido de carbono, mientras que los animales utilizan respiración para generar dióxido de carbono a partir del oxígeno, lo que ayuda a preservar un ecosistema complementario ordenado en todo el ecosistema equilibrio. Si bien esto es cierto en la superficie, es engañoso, porque las plantas utilizan tanto la fotosíntesis como la respiración aeróbica.

Debido a que las plantas no pueden comer, deben fabricar, en lugar de ingerir, su alimento. Para eso está la fotosíntesis, una serie de reacciones que tienen lugar en los orgánulos de los que carecen los animales llamados cloroplastos. Alimentado por luz solar, CO₂ dentro de la célula vegetal se ensambla la glucosa dentro de los cloroplastos en una serie de pasos que se asemejan a la cadena de transporte de electrones en las mitocondrias. Luego, la glucosa se libera del cloroplasto; la mayoría si se convierte en una parte estructural de la planta, pero algunos se someten a glucólisis y luego pasan por el resto de la respiración aeróbica después de entrar en las mitocondrias de las células vegetales.