Los autotrófos y heterótropos realizan la respiración celular para descomponer los alimentos y transferir la energía de los alimentos al ATP. Las células de animales, plantas y muchas bacterias utilizan oxígeno para ayudar a la transferencia de energía durante la respiración celular; en estas células, el tipo de respiración celular que ocurre es la respiración aeróbica (aeróbica significa “con aire”).
Tres caminos separados se combinan para formar el proceso de respiración celular. Los dos primeros, la glicólisis y el ciclo de Krebs, descomponen las moléculas de los alimentos. La tercera vía, la fosforilación oxidativa, transfiere la energía de las moléculas de los alimentos al ATP. Aquí están los fundamentos de cómo funciona la respiración celular:
- Durante la glicólisis, que ocurre en el citoplasma de la célula, las células descomponen la glucosa en piruvato, un compuesto de tres carbonos. Después de la glicólisis, el piruvato se descompone en una molécula de dos carbonos llamada acetil-coA.
- Después de que el piruvato se convierte en acetil-coA, las células utilizan el ciclo de Krebs (que ocurre en la matriz de la mitocondria) para descomponer el acetil-coA en dióxido de carbono.
- Durante la fosforilación oxidativa, que ocurre en la membrana interna o cristae de la mitocondria), las células transfieren energía de la descomposición de los alimentos al ATP.
La respiración celular es diferente de la respiración normal. La respiración, más comúnmente conocida como respiración, es el acto físico de inhalar y exhalar. La respiración celular es lo que ocurre dentro de las células cuando utilizan oxígeno para transferir energía de los alimentos al ATP.
La respiración celular es esencial para la transferencia de materia y energía a través de los sistemas vivos. A medida que los seres vivos utilizan la respiración celular para transferir energía de los alimentos al ATP, parte de la energía disponible en los alimentos se transfiere al medio ambiente en forma de calor, que viaja a través de nuestra atmósfera y regresa al espacio. Esta transferencia de energía al calor ocurre porque la respiración celular no es 100 por ciento eficiente en la captura de la energía de los alimentos en ATP.
Si recuerdas que la energía de los alimentos proviene originalmente del Sol, puedes juntar las piezas y ver que la mayor parte de la energía que necesitan los sistemas vivos proviene del espacio, y eventualmente sale de la Tierra y regresa al espacio.
La respiración celular también es importante en el movimiento de la materia a través de los sistemas vivos: A medida que los seres vivos descomponen las moléculas de los alimentos mediante la respiración celular, liberan los átomos de las moléculas de los alimentos de vuelta al medio ambiente en forma de dióxido de carbono y agua. La fotosíntesis trae el dióxido de carbono y el agua del medio ambiente, y la respiración celular los envía de nuevo, formando una vía circular de materia que los científicos llaman el ciclo del carbono.
Desglose de los alimentos
Después de que las moléculas grandes en los alimentos se descomponen en sus subunidades más pequeñas durante la digestión, las moléculas pequeñas se pueden descomponer aún más para transferir su energía al ATP. Durante la respiración celular, las enzimas reordenan lentamente los átomos de las moléculas de los alimentos. Cada reordenamiento produce una nueva molécula en el camino y también puede producir otras moléculas útiles para la célula. Algunas reacciones
- Libera energía que puede ser transferida a ATP: Las células utilizan rápidamente este ATP para el trabajo celular, como la construcción de nuevas moléculas.
- Oxidar las moléculas de los alimentos y transferir electrones y energía a las coenzimas: la oxidación es el proceso que elimina los electrones de las moléculas; la reducción es el proceso que da electrones a las moléculas. Durante la respiración celular, las enzimas eliminan los electrones de las moléculas de los alimentos y luego transfieren los electrones a las coenzimas nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) y flavina adenina dinucleótido (FAD). NAD+ y FAD reciben los electrones como parte de los átomos de hidrógeno (H), que los cambian a sus formas reducidas, NADH y FADH2. Luego, NADH y FADH2 donan los electrones al proceso de fosforilación oxidativa, que transfiere energía a ATP.
NAD+ y FAD actúan como autobuses de transbordo de electrones para la célula. Los autobuses vacíos, NAD+ y FAD, conducen hasta las reacciones de oxidación y recogen a los pasajeros de los electrones. Cuando los electrones suben al autobús, el conductor pone la señal H para mostrar que el autobús está lleno. Luego los autobuses completos, NADH y FADH2, conducen hasta reacciones que necesitan electrones y dejan a los pasajeros en libertad. Los autobuses están vacíos de nuevo, por lo que se dirigen a otra reacción de oxidación para recoger nuevos pasajeros. Durante la respiración celular, los autobuses lanzadera de electrones conducen un bucle entre las reacciones de la glicólisis y el ciclo de Krebs (donde recogen a los pasajeros) a la cadena de transporte de electrones (donde dejan a los pasajeros).
- Liberar dióxido de carbono (CO2): Las células devuelven el CO2 al medio ambiente como residuo, lo cual es excelente para los autotróficos que necesitan CO2 para producir los alimentos que consumen los heterótropos. (¿Ves cómo está todo conectado?)
Diferentes tipos de moléculas alimentarias entran en la respiración celular en diferentes puntos de la vía. Las células descomponen los azúcares simples, como la glucosa, en la primera vía: la glicólisis. Las células utilizan la segunda vía, el ciclo de Krebs, para descomponer los ácidos grasos y los aminoácidos.
A continuación se presenta un resumen de cómo se descomponen las diferentes moléculas en las dos primeras vías de la respiración celular:
- Durante la glicólisis, la glucosa se descompone en dos moléculas de piruvato. La columna vertebral de la glucosa tiene seis átomos de carbono, mientras que la columna vertebral del piruvato tiene tres átomos de carbono. Durante la glicólisis, las transferencias de energía resultan en una ganancia neta de dos ATP y dos moléculas de la forma reducida de la coenzima NADH.
- El piruvato se convierte en acetil-coA, que tiene dos átomos de carbono en su columna vertebral. Un átomo de carbono del piruvato es liberado de la célula como CO2. Por cada molécula de glucosa descompuesta por la glicólisis y el ciclo de Krebs, seis moléculas de CO2 salen de la célula como residuo. (La conversión de piruvato a acetil-coA produce dos moléculas de dióxido de carbono, y el ciclo de Krebs produce cuatro.)
- Durante el ciclo de Krebs, el acetil-coA se descompone en dióxido de carbono (CO2). La conversión de piruvato a acetil-coA produce dos moléculas de NADH. Las transferencias de energía durante el ciclo de Krebs producen seis moléculas adicionales de NADH, dos moléculas de FADH2 y dos moléculas de ATP.
Transferencia de energía a ATP
En las membranas internas de las mitocondrias de sus células, cientos de pequeñas máquinas celulares están trabajando arduamente para transferir energía de las moléculas de los alimentos al ATP. Las máquinas celulares se llaman cadenas de transporte de electrones, y están formadas por un equipo de proteínas que se asientan en las membranas transfiriendo energía y electrones a través de las máquinas.
Las coenzimas NADH y FADH2 transportan energía y electrones desde la glucólisis y el ciclo de Krebs hasta la cadena de transporte de electrones. Las coenzimas transfieren los electrones a las proteínas de la cadena de transporte de electrones, que pasan los electrones por la cadena. El oxígeno recoge los electrones al final de la cadena. (Si no tuvieras oxígeno al final de la cadena para recoger los electrones, no podría haber transferencia de energía.) Cuando el oxígeno acepta los electrones, también recoge protones (H+) y se convierte en agua (H2O).
Las proteínas de la cadena de transporte de electrones son como una brigada de cubos que funciona cuando una persona vierte un cubo lleno de agua en el cubo de la otra persona. Los cubos son las proteínas, o portadores de electrones, y el agua dentro de los cubos representa los electrones. Los electrones pasan de proteína en proteína hasta que llegan al final de la cadena.
Mientras que los electrones se transfieren a lo largo de la cadena de transporte de electrones, las proteínas utilizan energía para mover protones (H+) a través de las membranas internas de las mitocondrias. Apilan los protones como si fueran agua detrás de la “presa” de las membranas internas. Estos protones vuelven a fluir a través de las membranas de las mitocondrias a través de una proteína llamada ATP sintasa que transforma la energía cinética de los protones en movimiento en energía química en ATP capturando la energía en enlaces químicos a medida que añade moléculas de fosfato al ADP.
Todo el proceso de cómo se produce el ATP en la cadena de transporte de electrones se denomina teoría quimiosmótica de la fosforilación oxidativa.
Al final de todo el proceso de respiración celular, la energía transferida de la glucosa se almacena en 36 a 38 moléculas de ATP, que están disponibles para ser utilizadas en el trabajo celular. (¡Y vaya si se acostumbran rápido!)