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    Respiración celular: definición, ecuación y pasos

    El filósofo Bertrand Russell dijo: "Todo ser vivo es una especie de imperialista, que busca transformar lo más 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 hacen esto. 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 de soporte vital. También genera productos de desecho y agua. Esto no debe confundirse con "respiración" en el sentido cotidiano, que generalmente significa lo mismo que "respiración". La respiración es cómo 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 la 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 (p. ej., bacterias), que carecen de mitocondrias y otros orgánulos y, por lo tanto, no pueden usar oxígeno, limitándolos a la glucólisis como fuente de energía. Quizás las plantas 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 pueden usar los animales. El subproducto final en ambos casos es ATP, o trifosfato de adenosina, el principal transportador de energía química en los seres vivos.
    La ecuación para 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:

    C 6H 12O 6 + 6O 2 + 38 ADP +38 P -> 6CO 2 + 6H 2O + 38 ATP + 420 Kcal

    Esta ecuación tiene un componente de oxidación (C 6H 12O 6 -> 6CO 2) , esencialmente una eliminación de electrones en forma de átomos de hidrógeno. También tiene un componente de reducción, 6O 2 -> 6H 2O, que es la adición de electrones en forma de hidrógeno.

    A lo que se traduce la ecuación como un todo que la energía contenida en los enlaces químicos de los reactivos se usa para conectar el difosfato de adenosina (ADP) a los átomos de fósforo libre (P) para generar el trifosfato de adenosina (ATP).

    El proceso en su conjunto involucra múltiples pasos: La glucólisis tiene lugar 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 proceso de glucólisis

    El primer paso en la descomposición de la glucosa en Tanto las plantas como los animales son 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 absorbidas por los tejidos donde más se necesita energía (incluido el cerebro). Las plantas, por el contrario, sintetizan glucosa al absorber dióxido de carbono del exterior y usar 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 principio de la glucólisis, la molécula de glucosa de seis carbonos se fosforila para atraparla dentro de la célula; Los fosfatos tienen carga negativa y, por lo tanto, no pueden desplazarse a través de la membrana celular como las moléculas no polares y sin carga a veces pueden. Se agrega una segunda molécula de fosfato, lo que hace que la molécula sea inestable, y pronto se divide en dos compuestos de tres carbonos no idénticos. Estos pronto asumen la forma química y se reordenan en una serie de pasos para producir dos moléculas de piruvato. En el camino, se consumen dos moléculas de ATP (suministran los dos fosfatos agregados 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 sola es suficiente para las necesidades de energía de la célula 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 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.
    Mitocondria versus 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 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 las macromoléculas, como los carbohidratos, las proteínas y las grasas, y por lo tanto 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 las funciones metabólicas. Esto permite a las plantas, literalmente, hacer su propia comida.

    Se cree que las mitocondrias fueron una especie de bacteria independiente hace cientos de millones de años, una teoría respaldada por su notable parecido estructural con las bacterias y 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 condujo a un arreglo que fue muy beneficioso para el engullidor en este arreglo debido a la capacidad expandida de producción de energía. Las mitocondrias consisten en una doble membrana plasmática, 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 células enteras.

    Los cloroplastos, como las mitocondrias, tienen membranas externa e interna 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 el 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 pasar 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.
    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 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 da como resultado dos moléculas de ácido cítrico al comienzo del ciclo de Krebs.

    El ácido cítrico, una molécula de seis carbonos, se reorganiza en isocitrato, y luego un átomo de carbono se elimina 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 ahí, la molécula de succinato de cuatro carbonos se transforma secuencialmente en fumarato, malato y oxaloacetato. Estas reacciones ven que 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 una "creación" de energía disfrazada, como pronto verán. Al final del ciclo de Krebs, la molécula de glucosa original dio lugar a 10 NADH y dos moléculas de FADH 2.

    Las reacciones del ciclo de Krebs producen solo dos moléculas de ATP por molécula de glucosa original, uno para 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 desarrollado 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 célula respiración que explícitamente depende del oxígeno. El NADH y FADH 2 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 transportadoras de electrones (un hidrógeno iones pueden, para los propósitos actuales, ser considerados 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 de regiones de mayor concentración a áreas de menor concentración, como un cubo de azúcar que se disuelve en agua y las partículas de azúcar se dispersan por todas partes. Sin embargo, en un gradiente quimiosmótico, los electrones de NADH y FADH 2 terminan siendo transmitidos por proteínas incrustadas en la membrana y que sirven como sistemas de transferencia de electrones. La energía liberada en este proceso se usa 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 usa 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 deja atrás un gran peso de agua. una rueda de agua, cuya rotación posterior se usa para construir cosas.

    Este, no por cierto, es el mismo proceso utilizado en los cloroplastos para impulsar la síntesis de glucosa. La fuente de energía para crear un gradiente a través de la membrana de cloroplasto no es en este caso NADH y FADH 2, sino luz solar. El flujo subsiguiente de iones de hidrógeno en la dirección de la concentración más baja de iones H + se usa para impulsar la síntesis de moléculas de carbono más grandes a partir de las más pequeñas, comenzando con CO 2 y terminando con C 6H 12O 6.

    La energía que fluye del gradiente quimiosmótico se usa para impulsar no solo la producción de ATP sino también otros procesos celulares vitales, como la síntesis de proteínas. Si la cadena de transporte de electrones se interrumpe (como 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 gradiente de flujo de presión.

    Debido a que se ha demostrado experimentalmente que cada molécula de 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 al 2 ATP de la glucólisis y al 2 del ciclo de Krebs, y aquí es de donde proviene la cifra de 38 ATP en la ecuación para la respiración aeróbica.

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