La respiración celular es el proceso mediante el cual los organismos vivos obtienen energía de los alimentos. Hay dos métodos principales. La respiración aeróbica, empleada por todas las formas de vida multicelulares y algunas unicelulares, utiliza oxígeno en la atmósfera, o disuelto en agua, como parte de un proceso complejo que libera y almacena energía. La respiración anaeróbica es utilizada por una variedad de organismos unicelulares y no involucra oxígeno no combinado.
La aparición de la respiración aeróbica
Las primeras formas de vida en la Tierra surgieron en un mundo desprovisto de oxígeno libre. Utilizaron procesos anaeróbicos para proveerse de energía. En algún momento, todavía temprano en la historia de la Tierra, evolucionaron organismos que empleaban la fotosíntesis para producir moléculas de azúcar utilizando dióxido de carbono, obtenido de la atmósfera, y agua. El azúcar sirvió como fuente de energía y el proceso produjo oxígeno como subproducto. El oxígeno era tóxico para muchos organismos anaeróbicos, pero algunos evolucionaron para usarlo en un nuevo tipo de respiración que en realidad proporcionaba mucha más energía que el proceso anaeróbico.
Las primeras formas de vida consistieron en células que no tenían núcleos u otras estructuras bien definidas. Estos se conocen como procariotas y comprenden organismos como bacterias y cianobacterias, también conocidas como algas verdiazules. Posteriormente surgieron células con núcleos y otras estructuras; estos se conocen como eucariotas. Incluyen algunos organismos unicelulares y todos multicelulares, como plantas y animales. Todos los eucariotas y algunos procariotas usan respiración aeróbica.
Cómo funciona la respiración aeróbica
Las células almacenan energía en una molécula llamada trifosfato de adenosina (ATP). Este compuesto contiene tres grupos de fosfato (PO4), pero puede liberar energía al perder uno de estos para formar difosfato de adenosina (ADP). Por el contrario, el ADP puede ganar un grupo fosfato para convertirse en ATP, almacenando así energía.
Otra molécula importante es el dinucleótido de nicotinamida y adenina. Puede existir en dos formas: NAD +, que puede aceptar dos electrones y un ion de hidrógeno (H +) para formar NADH, que puede dar electrones a otras moléculas. El compuesto se utiliza en la respiración para transportar electrones de un lugar a otro.
El punto de partida de la respiración es la glucosa (C6H12O6), uno de los carbohidratos más simples. Las moléculas de azúcar más complejas en los alimentos se descomponen primero en este compuesto. La glucosa, a su vez, se descompone mediante un proceso llamado glucólisis, que tiene lugar en el citoplasma, o líquido celular, y es común tanto en la respiración anaeróbica como en la aeróbica.
Glicólisis
El proceso de glucólisis utiliza dos moléculas de ATP para convertir la glucosa, que tiene seis átomos de carbono, en dos moléculas de tres carbonos de un compuesto llamado piruvato en una serie de pasos. Al final de este proceso, se producen cuatro moléculas de ATP, por lo que hay una ganancia general de dos ATP, lo que representa una ganancia de energía almacenada. La glucólisis también da como resultado dos moléculas de NAD +, cada una de las cuales toma dos electrones y un ion hidrógeno de la glucosa para formar NADH. En general, por lo tanto, la glucólisis da como resultado dos moléculas de piruvato, dos de ATP y dos de NADH.
En las células eucariotas, las etapas restantes de la respiración aeróbica tienen lugar en estructuras conocidas como mitocondrias. Se cree que estos pequeños órganos alguna vez fueron organismos independientes que se incorporaron a las células en algún momento del pasado distante. Cada molécula de piruvato se convierte, con la ayuda de NAD +, en un compuesto llamado acetil coA, perdiendo un átomo de carbono y dos de oxígeno para formar dióxido de carbono como producto de desecho y formando otra molécula de NADH.
El ciclo de Krebs
La siguiente etapa se llama ciclo de Krebs, también conocido como ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) o ácido cítrico. El acetil coA del piruvato se combina con un compuesto llamado oxaolacetato para producir citrato o ácido cítrico que, en una serie de pasos que involucran NAD +, produce ATP, así como NADH y otra molécula llamada FADH2, que tiene una función similar. Esto da como resultado que el ácido cítrico se convierta nuevamente en oxaloacetato para comenzar el ciclo nuevamente. Cada ciclo completo produce dos moléculas de ATP, ocho de NADH y dos de FADH2 a partir de dos moléculas de piruvato.
Fosforilación del transporte de electrones
La etapa final se conoce como fosforilación por transporte de electrones o fosforilación oxidativa. En este punto del proceso, los electrones transportados por NADH y FADH2 se utilizan para proporcionar la energía necesaria para unir grupos fosfato a moléculas de ADP para producir hasta 32 moléculas de ATP. Esto tiene lugar en la membrana de la mitocondria a través de una serie de cinco proteínas, a través de las cuales se transportan los electrones. Se requiere oxígeno, que acepta electrones fácilmente, para eliminarlos al final del proceso. El oxígeno luego se combina con los iones de hidrógeno liberados por NADH para formar agua.
Efficiency
En general, el proceso de respiración aeróbica puede, en teoría, producir hasta 36 moléculas de ATP que almacenan energía por cada molécula de glucosa, en comparación con solo dos para la respiración anaeróbica, lo que lo convierte en un proceso mucho más eficiente desde el punto de vista energético. En la práctica, sin embargo, se cree que se producen típicamente alrededor de 31 o 32 moléculas de ATP, ya que otras reacciones pueden tener lugar en las etapas finales. Aunque este proceso es una forma altamente eficiente de producir y almacenar energía, también produce pequeñas cantidades de formas muy reactivas de oxígeno, conocidas como peróxidos y superóxidos. Estos son potencialmente dañinos para las células y algunos científicos creen que pueden estar involucrados en el envejecimiento y en algunas enfermedades.