- Què és l'oxigen?
- Característiques de la respiració
- Processos (etapes)
- glucòlisi
- Cicle de Krebs
- Resum de l'cicle de Krebs
- Cadena transportadora d'electrons
- Classes de molècules transportadores
- Organismes amb respiració aeròbica
- Diferències amb la respiració anaeròbica
- referències
La respiració aeròbia o aeròbica és un procés biològic que implica l'obtenció d'energia de molècules orgàniques - principalment de la glucosa - per una sèrie de reaccions d'oxidació, on l'acceptor final dels electrons és l'oxigen.
Aquest procés està present en la gran majoria dels éssers orgànics, específicament dels eucariotes. Tots els animals, les plantes i els fongs respiren de forma aeròbiques. Addicionalment, alguns bacteris també exhibeixen un metabolisme aerobi.
En els eucariotes, la maquinària per a la respiració cel·lular es situa en les mitocòndries.
Font: National Human Genome Research Institute (NHGRI) from Bethesda, MD, USA, via Wikimedia Commons
De manera general, el procés d'obtenció d'energia de la molècula de glucosa es divideix en glucòlisi (aquest pas és comú tant en el via aeròbica com anaeròbica), cicle de Krebs i cadena transportadora d'electrons.
El concepte de respiració aeròbica s'oposa a la respiració anaeròbica. En aquesta última, l'acceptor final dels electrons és una altra substància inorgànica, diferent a l'oxigen. És típica d'alguns procariotes.
Què és l'oxigen?
Abans de discutir el procés de respiració aeròbica, és menester conèixer certs aspectes de la molècula d'oxigen.
És un element químic representat en la taula periòdica amb la lletra O, i el nombre atòmic 8. En les condicions estàndard de temperatura i pressió, l'oxigen tendeix a l'enllaçar-se en parells, donant lloc a la molècula d'dioxigen.
Aquest gas, format per dos àtoms es oxigen, no té color, olor o sabor, i es representa amb la fórmula O 2. En l'atmosfera, és un component destacat, i és necessari per sostenir la majoria de les formes de vida a la terra.
Gràcies a la naturalesa gasosa de l'oxigen, la molècula és capaç de travessar lliurement les membranes cel·lulars - tant la membrana externa que separa la cèl·lula de l'ambient extracel·lular, com les membranes dels compartiments subcel·lulars, entre aquests els mitocondris.
Característiques de la respiració
Les cèl·lules utilitzen les molècules que ingerim per mitjà de la nostra dieta com una espècie de "combustible" respiratori.
La respiració cel·lular és el procés generador d'energia, en forma de molècules d'ATP, on les molècules a degradar experimenten oxidació i l'acceptor final dels electrons és, en la majoria dels casos, una molècula inorgànica.
Un tret essencial que permet dur a terme els processos de respiració és la presència d'una cadena transportadora d'electrons. En la respiració aeròbica, l'acceptor final dels electrons és la molècula d'oxigen.
En condicions normals, aquests "combustibles" són els hidrats de carboni o carbohidrats i els greixos o lípids. A mesura que el cos entra en condicions precàries per falta d'aliment, recorre a l'ús de les proteïnes per intentar satisfer les seves demandes energètiques.
La paraula respiració forma part del nostre vocabulari en la vida quotidiana. A l'acte de prendre aire en els nostres pulmons, en cicles continus de exhalacions i inhalacions en diem respiració.
No obstant això, en el context formal de les ciències biològiques, aquesta acció es designa amb el terme ventilació. Així, el terme respiració s'usa per referir-se a processos que tenen lloc a nivell cel·lular.
Processos (etapes)
Les etapes de la respiració aeròbica impliquen els passos necessaris per extreure energia de molècules orgàniques - en aquest cas descriurem el cas de la molècula de glucosa com a combustible respiratori - fins arribar a l'acceptor d'oxigen.
Aquesta complexa via metabòlica es divideix en glucòlisi, cicle de Krebs i cadena transportadora d'electrons:
glucòlisi
Figura 1: glucòlisi vs gluconeogènesi. Reaccions i enzims involucrats.
El primer pas per a la degradació de l'monòmer de glucosa és la glucòlisi, també anomenada glicòlisi. Aquest pas no requereix oxigen directament, i és present a, virtualment, tots els éssers vius.
L'objectiu d'aquesta via metabòlica és l'escissió de la glucosa en dues molècules d'àcid pirúvic, l'obtenció de dues molècules netes d'energia (ATP) i la reducció de dues molècules de NAD +.
En presència d'oxigen, la ruta pot continuar a el cicle de Krebs ia la cadena transportadora d'electrons. En cas que l'oxigen estigui absent, les molècules seguirien la ruta de la fermentació. En altres paraules, la glucòlisi és una via metabòlica comuna de la respiració aeròbica i anaeròbica.
Prèviament a l'cicle de Krebs, ha d'ocórrer la descarboxilació oxidativa de l'àcid pirúvic. Aquest pas és mediat per un complex enzimàtic molt important, denominat piruvat deshidrogenasa, que porta a terme la reacció abans esmentada.
Així, el piruvat passa a ser un radical acetil que és captat posteriorment per la coenzima A, l'encarregat de transportar-lo fins el cicle de Krebs.
Cicle de Krebs
El cicle de Krebs, també conegut com a cicle de l'àcid cítric o cicle d'àcid tricarboxílic, consisteix en una sèrie de reaccions bioquímiques catalitzades per enzims específics que busquen alliberar de manera gradual l'energia química emmagatzemada en l'acetil coenzim A.
És una via que s'oxida completament a la molècula de piruvat i ocorre en la matriu del mitocondri.
Aquest cicle es fonamenta en una sèrie de reaccions d'oxidació i reducció que transfereixen l'energia potencial en forma d'electrons a elements que els accepti, particularment a la molècula de NAD +.
Resum de l'cicle de Krebs
Cada molècula d'àcid pirúvic es trenca en diòxid de carboni i una molècula de dos carbonis, conegut com a grup acetil. Amb la unió a coenzim A (esmentada en l'apartat anterior) es forma el complex acetil coenzim A.
Els dos carbonis de l'àcid pirúvic ingressen a l'cicle, es condensen amb l'oxalacetat i es forma una molècula de citrat de sis carbonis. Així, ocorren les reaccions esglaonades oxidatives. El citrat torna a oxalacetat amb una producció teòrica de 2 mols de diòxid de carboni, 3 mols de NADH, 1 de FADH 2 i 1 mol de GTP.
Com es formen dues molècules de piruvat en la glucòlisi, una molècula de glucosa suposa dos revolucions de el cicle de Krebs.
Cadena transportadora d'electrons
Una cadena transportadora d'electrons consisteix en una seqüència de proteïnes que tenen la capacitat de dur a terme reaccions d'oxidació i de reducció.
El pas dels electrons per aquests complexos proteics es tradueix en un alliberament gradual d'energia que posteriorment s'usa en la generació d'ATP per via quimioosmótica. És important destacar que l'última reacció de la cadena és de el tipus irreversible.
En els organismes eucariotes, que posseeixen compartiments subcel·lulars, els elements de la cadena transportadora es troben ancorats a la membrana dels mitocondris. En els procariotes, que no tenen aquests compartiments, els elements de la cadena es localitzen a la membrana plasmàtica de la cèl·lula.
Les reaccions d'aquesta cadena condueixen a la formació d'ATP, per mitjà de l'energia obtinguda pel desplaçament de l'hidrogen pels transportadors, fins arribar a l'acceptor final: l'oxigen, reacció que produeix aigua.
Classes de molècules transportadores
La cadena està composta per tres variants de transportadors. La primera classe són les flavoproteínas, caracteritzades per la presència de flavina. Aquest tipus de transportador pot realitzar dues reaccions tipus de reaccions, tant de reducció com d'oxidació, de manera alternativa.
El segon tipus està format pels citocroms. Aquestes proteïnes tenen un grup hemo (com el de l'hemoglobina), que pot presentar diferents estats d'oxidació.
L'última classe de transportador és la ubiquinona, també coneguda com a coenzim Q. Aquestes molècules no són de naturalesa proteica.
Organismes amb respiració aeròbica
La majoria dels organismes vius posseeixen una respiració de l'tipus aeròbica. És típica dels organismes eucariotes (els éssers amb un nucli veritable en les seves cèl·lules, delimitat per una membrana). Tots els animals, plantes i fongs respiren de forma aeròbica.
Els animals i els fongs són organismes heteròtrofs, el que significa que el "combustible" que serà usat en la via metabòlica de la respiració ha de ser consumit activament en la dieta. En contrast amb les plantes, que tenen la capacitat de produir el seu propi aliment per la via fotosintètica.
Alguns gèneres de procariotes també necessiten de l'oxigen per a la seva respiració. Específicament, hi ha bacteris aeròbics estrictes - és a dir, només creixen en ambients amb oxigen, com ara les pseudomones.
Altres gèneres de bacteris tenen la capacitat de canviar el seu metabolisme a aerobi a l'anaerobi segons les condicions ambientals, com les salmonel·les. En els procariotes, l'ésser aeròbic o anaeròbic és una característica important per a la seva classificació.
Diferències amb la respiració anaeròbica
El procés oposat a la respiració aeròbica és la modalitat anaeròbica. La diferència més òbvia entre ambdues és la utilització de l'oxigen com a acceptor final d'electrons. La respiració anaeròbica empra altres molècules inorgàniques com acceptors.
A més, en la respiració anaeròbica el producte final de les reaccions és una molècula que encara posseeix potencial per seguir oxidant. Per exemple, l'àcid làctic format en els músculs durant la fermentació. En contrast, els productes finals de la respiració aeròbica són el diòxid de carboni i l'aigua.
També hi ha diferències des del punt de vista energètic. A la via anaeròbica, es produeixen només dues molècules d'ATP (corresponent a la via glucolítica), mentre que en la respiració aeròbica el producte final és generalment unes 38 molècules d'ATP - la qual cosa és una diferència significativa.
referències
- Campbell, MK, & Farrell, SO (2011). Bioquímica. Sixth edition. Thomson. Brooks / Cole.
- Curtis, H. (2006). Invitació a la Biologia. Sisena edició. Bons Aires: Mèdica panamericana.
- Estrada, E & Aranzábal, M. (2002). Atles d'histologia de vertebrats. Universitat nacional autònoma de Mèxic. Pàg. 173.
- Hall, J. (2011). Tractat de Fisiologia Mèdica. New York: Elsevier Health Sciences.
- Harisha, S. (2005). An Introduction to Practical Biotechnology. New Delhi: Firewall Mitjana.
- Hill, R. (2006). Fisiologia Animal. Madrid: Médica panamericana.
- Iglesias, B., Martín, M. & Prieto, J. (2007). Bases de la Fisiologia. Madrid: Tebar.
- Koolman, J., & Röhm, KH (2005). Bioquímica: text i atles. Ed. Mèdica Panamericana.
- Vasudevan, D. & Sreekumari S. (2012). Text de Bioquímica per a Estudiants de Medicina. Sisena edició. Mèxic: JP Medical Ltd