- terminologia
- On passa la respiració cel·lular?
- Localització de la respiració en eucariotes
- Nombre de mitocondris
- Localització de la respiració procariotes
- tipus
- respiració aeròbica
- respiració aneróbica
- Exemples d'organismes anaeròbics
- procés
- El cicle de Krebs
- Reaccions de el cicle de Krebs
- La cadena transportadora d'electrons
- acoblament quimiosmótico
- Quantitat d'ATP format
- funcions
- referències
La respiració cel·lular és un procés que genera energia en forma d'ATP (adenosina trifosfat). Posteriorment, aquesta energia és dirigida a altres processos cel·lulars. Durant aquest fenomen, les molècules experimenten l'oxidació i l'acceptor final dels electrons és, en la majoria dels casos, una molècula inorgànica.
La naturalesa de l'acceptor final d'electrons depèn de el tipus de respiració de l'organisme estudiat. En els aerobis - com l'Homo sapiens - l'acceptor final d'electrons és l'oxigen. En contrast, per als individus amb respiració anaeròbica l'oxigen pot ser tòxic. En aquest últim cas, l'acceptor final és una molècula inorgànica diferent a l'oxigen.
Font: By Darekk2, from Wikimedia Commons
La respiració aeròbica ha estat àmpliament estudiada pels bioquímics i consta de dues etapes: el cicle de Krebs i la cadena transportadora d'electrons.
En els organismes eucariotes, tota la maquinària necessària perquè tingui lloc la respiració és a l'interior de les mitocòndries, tant en la matriu mitocondrial com en el sistema de membranes d'aquesta organel·la.
La maquinària consisteix en enzims que catalitzen les reaccions de el procés. El llinatge procariota es caracteritza per l'absència de orgànuls; per aquesta raó, la respiració ocorre en regions puntuals de la membrana plasmàtica que simulen un ambient molt semblant a el de la mitocòndria.
terminologia
En el camp de la fisiologia, el terme "respiració" té dues definicions: la respiració pulmonar i la respiració cel·lular. Quan fem servir la paraula respiració en la vida quotidiana, fem referència a el primer tipus.
La respiració pulmonar comprèn l'acció d'inspirar i expirar, aquest procés dóna com a resultat l'intercanvi de gasos: l'oxigen i el diòxid de carboni. El terme correcte per aquest fenomen és "ventilació".
En contrast, la respiració cel·lular passa - com el seu nom indica - a l'interior de les cèl·lules i és el procés encarregat de generar energia a través d'una cadena transportadora d'electrons. Aquest últim procés és el que serà discutit en aquest article.
On passa la respiració cel·lular?
Localització de la respiració en eucariotes
mitocondri
La respiració cel·lular té lloc en una organel·la complexa anomenada mitocòndria. Estructuralment, les mitocòndries mesuren 1,5 micròmetres d'ample i de 2 a 8 de longitud. Es caracteritzen per posseir el seu propi material genètic i per dividir-se per fissió binària - característiques vestigials del seu origen endosimbiòtic.
Posseeixen dues membranes, una llisa i una interna amb plecs que formen les crestes. Quan més activa és la mitocòndria, més crestes posseeix.
L'interior del mitocondri es denomina matriu mitocondrial. En aquest compartiment es troben els enzims, coenzims, aigua i fosfats necessaris per a les reaccions respiratòries.
La membrana externa permet el pas de la majoria de les molècules petites. No obstant això, la membrana interna és la que realment restringeix el pas a través de transportadors molt específics. La permeabilitat d'aquesta estructura posseeix un paper fonamental en la producció de l'ATP.
Nombre de mitocondris
Els enzims i altres components necessaris per a la respiració cel·lular els trobem ancorats en les membranes i lliures en la matriu mitocondrial.
Per això, les cèl·lules que requereixen d'una quantitat major d'energia, es caracteritzen per tenir un nombre elevat de mitocòndries, en contrast amb les cèl·lules el requeriment energètic és menor.
Per exemple, les cèl·lules de fetge posseeixen, de mitjana unes 2.500 mitocòndries, mentre que una cèl·lula muscular (molt actives metabòlicament) conté un nombre molt més gran, i les mitocòndries d'aquest tipus cel·lular són més grans.
A més, aquestes se situen en les regions específiques on es requereix l'energia, per exemple envoltant el flagell dels espermatozoides.
Localització de la respiració procariotes
Lògicament, els organismes procariotes necessiten respirar i aquests no tenen mitocondris - ni orgànuls complexes característiques dels eucariotes. Per aquesta raó, el procés respiratori té lloc en petites invaginacions de la membrana plasmàtica, de manera anàloga a com ocorre en les mitocòndries.
tipus
Hi ha dos tipus fonamentals de respiració, depenent de la molècula que vaig actuar com a acceptor final dels electrons. En la respiració aeròbica l'acceptor és l'oxigen, mentre que a l'anaeròbica és una molècula inorgànica - tot i que en alguns pocs casos puntuals l'acceptor és una molècula orgànica. A continuació descriurem cadascuna en detall:
respiració aeròbica
En els organismes amb respiració aeròbica, l'acceptor final dels electrons és l'oxigen. Els passos que ocorren es divideixen en el cicle de Krebs i en la cadena transportadora d'electrons.
L'explicació detallada de les reaccions que tenen lloc en aquestes vies bioquímiques serà desenvolupada en el següent apartat.
respiració aneróbica
El acceptor final consisteix en una molècula diferent a l'oxigen. La quantitat d'ATP generada per la respiració anaeròbica, depèn de diversos factors, entre ells l'organisme d'estudi i la via usada.
No obstant això, la producció d'energia sempre és més gran en la respiració aeròbica, ja que el cicle de Krebs només funciona de manera parcial i no totes les molècules transportadores de la cadena participen en la respiració
Per aquesta raó, el creixement i desenvolupament dels individus anaeròbics és significativament menor que els aeròbics.
Exemples d'organismes anaeròbics
En alguns organismes l'oxigen és tòxic i es denominen anaerobis estrictes. L'exemple més conegut és el del bacteri causant de l'tètanus i botulisme: Clostridium.
A més, hi ha altres organismes que poden passar d'respiració aeròbia i anaeròbia, denominant anaerobis facultatius. En altres paraules, fan servir l'oxigen quan els convé i en absència d'aquest recorren a la respiració anaeròbica. Per exemple, la coneguda bacteri Escherichia coli posseeix aquest metabolisme.
Certs bacteris poden usar l'ió nitrat (NO 3 -) com a acceptor final d'electrons, com ara els gèneres de Pseudomonas i Bacillus. Aquest ió pot reduir-se a l'ió nitrit, òxid nitrós o nitrogen gasós.
En altres casos, l'acceptor final consta de l'ió sulfat (SO 4 2-) que dóna lloc a sulfur d'hidrogen i que fa servir el carbonat per formar metà. El gènere de bacteris Desulfovibrio és un exemple d'aquest tipus de acceptor.
Aquesta recepció d'electrons en molècules de nitrats i sulfats és crucial en els cicles biogeoquímics d'aquests compostos - el nitrogen i el sofre.
procés
La glucòlisi és una via prèvia a la respiració cel·lular. Aquesta comença amb una molècula de glucosa i el producte final és el piruvat, una molècula de tres carbonis. La glucòlisi té lloc al citoplasma de la cèl·lula. Aquesta molècula ha de ser capaç d'ingressar a la mitocòndria per continuar amb la seva degradació.
El piruvat pot difondre per gradients de concentració a l'interior de la orgànul, a través dels porus de la membrana. La destinació final serà la matriu del mitocondri.
Abans d'entrar a el primer pas de la respiració cel·lular, la molècula d'piruvat pateix certes modificacions.
Primer, reacciona amb una molècula anomenada coenzim A. Cada piruvat s'escindeix en diòxid de carboni i en el grup acetil, que s'uneix a la coenzima A, donant lloc a l'complex aceil coenzim A.
En aquesta reacció, es transfereixen dos electrons i un ió hidrogen a l'NADP +, rendint NADH i és catalitzada pel complex enzimàtic piruvat deshidrogenasa. La reacció necessita d'una sèrie de cofactors.
Després d'aquesta modificació, comencen les dues etapes dins de la respiració: el cicle de Krebs i la cadena transportadora d'electrons.
El cicle de Krebs
El cicle de Krebs constitueix una de les reaccions cícliques més importants en bioquímica. També es coneix en la literatura com el cicle de l'àcid cítric o cicle de l'àcid tricarboxílic (TCA).
Rep el seu nom en honor al seu descobridor: el bioquímic alemany Hans Krebs. L'any 1953, Krebs va ser guardonat amb el premi Nobel gràcies a aquest descobriment que va marcar el camp de la bioquímica.
L'objectiu de l'cicle és l'alliberament en forma gradual de l'energia continguda en l'acetil coenzim A. Consta d'una sèrie de reaccions d'oxidació i reducció que transfereixen l'energia a diferents molècules, principalment a l'NAD +.
Per cada dues molècules d'acetil coenzim A que ingressen en el cicle s'alliberen 4 molècules de diòxid de carboni, es generen 6 molècules de NADH i dues de FADH 2. El CO 2 s'allibera a l'atmosfera com a substància de rebuig de l'procés. També es genera GTP.
Com aquesta via participa tant en processos anabòlics (síntesi de molècules) com catabòlics (degradació de molècules), rep la denominació de "anfibólico".
Reaccions de el cicle de Krebs
El cicle comença amb la fusió d'una molècula d'acetil coenzim A amb una molècula d'oxalacetat. Aquesta unió dóna lloc a una molècula de sis carbonis: el citrat. Així, s'allibera el coenzim A. De fet, aquesta és reutilitzada una gran quantitat de vegades. Si hi ha molt ATP a la cèl·lula, aquest pas és inhibit.
La reacció anterior necessita d'energia i l'obté de la ruptura de l'enllaç d'alta energia entre el grup acetil i el coenzim A.
El citrat passa a cis aconitato, i passa a isocitrat per l'enzim aconitasa. El pas següent és la conversió de l'isocitrat a l'alfa cetoglutarato per la isocitrat deshidrogenada. Aquesta etapa és rellevant perquè comporta a la reducció de NADH i allibera diòxid de carboni.
L'alfa cetoglutarato és convertit a succinil coenzim A, per l'alfa cetoglutarato deshidrogenasa, que fa servir els mateixos cofactors que la piruvat quinasa. En aquest pas també es genera NADH i, com el pas inicial, és inhibida per l'excés d'ATP.
El següent producte és el succinat. En la seva producció, ocorre la formació de GTP. El succinat passa a fumarat. Aquesta reacció rendeix FADH. El fumarat, al seu torn, passa a malat i finalment a oxalacetat.
La cadena transportadora d'electrons
La cadena transportadora d'electrons té com a objectiu prendre els electrons provinents dels compostos generats en passos anteriors, com el NADH i el FADH 2, que es troben en un nivell energètic elevat, i conduir-los a un nivell energètic inferior.
Aquesta disminució d'energia té lloc pas a pas, és a dir, no passa de manera abrupta. Consisteix en una sèrie de passos on tenen lloc reaccions de oxidoreducció.
Els components principals de la cadena són complexos formats per proteïnes i enzims acoblats a citocroms: metaloporfirinas de el tipus hemo.
Els citocroms són bastant similars pel que fa a la seva estructura, encara que cadascun posseeix una particularitat de li permet realitzar la seva funció específica dins de la cadena, cantant electrons en diferents nivells energètics.
El desplaçament dels electrons a través de la cadena respiratòria a nivells inferiors, produeix l'alliberament d'energia. Aquesta energia pot ser usada en la mitocòndria per sintetitzar ATP, en un procés conegut com fosforilació oxidativa.
acoblament quimiosmótico
Durant molt de temps el mecanisme de formació d'ATP en la cadena era un enigma, fins que el bioquímic Peter Mitchell va proposar l'acoblament quimiosmòtic.
En aquest fenomen, s'estableix un gradient de protons a través de la membrana mitocondrial interna. L'energia continguda en aquest sistema és alliberada i usada per sintetitzar ATP.
Quantitat d'ATP format
Com hem vist, l'ATP no és formant directament en el cicle de Krebs, sinó en la cadena transportadora d'electrons. Per cada dos electrons que passen de l'NADH fins l'oxigen, ocorre la síntesi de tres molècules d'ATP. Aquesta estimació pot diverses una mica depenent de la literatura consultada.
De la mateixa manera, per cada dos electrons que passen de l'FADH 2, es formen dues molècules d'ATP.
funcions
La funció principal de la respiració cel·lular és la generació d'energia en forma d'ATP per poder dirigir-la a les funcions de la cèl·lula.
Tant els animals com les plantes requereixen extreure l'energia química continguda en les molècules orgàniques que fan servir com a aliment. En el cas dels vegetals, aquestes molècules són els sucres que la mateixa planta sintetitza amb l'ús de l'energia solar al famós procés fotosintètic.
Els animals, per altra banda, no són capaços de sintetitzar el seu propi aliment. Així, els heteròtrofs consumeixen l'aliment en la dieta - com nosaltres, per exemple. El procés d'oxidació és l'encarregat d'extreure l'energia dels aliments.
No hem de confondre les funcions de la fotosíntesi amb les de la respiració. Les plantes, a l'igual que els animals, també respiren. Tots dos processos són complementaris i mantenen la dinàmica de l'món viu.
referències
- Alberts, B., & Bray, D. (2006). Introducció a la biologia cel·lular. Ed. Mèdica Panamericana.
- Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologia: La vida a la Terra. Pearson educació.
- Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. Biologia. Ed. Mèdica Panamericana.
- Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, & Garrison, C. (2007). Integrated principles of zoology. McGraw-Hill.
- Randall, D., Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Eckert animal physiology. Macmillan.
- Tortora, GJ, Funke, BR, & Casi, CL (2007). Introducció a la microbiologia. Ed. Mèdica Panamericana.
- Young, B., Heath, JW, Lowe, JS, Stevens, A., & Wheater, PR (2000). Histologia funcional: text i atles en color. Harcourt.