RESPIRACION CELULAR

LA ENERGIA ES LA MONEDA COMUN QUE HACE POSIBLE LA VIDA. TODOS LOS ORGANISMOS TIENE LA NECESIDAD DE ADQUIRIR ENERGIA. LAS PLANTAS ATRAPAN LA ENERGIA CONTENIDA EN LA LUZ SOLAR, PERO LA MAYOR PARTE DE LOS ORGANISMOS SE MANTIENEN VIVOS OXIDANDO LOS ALIMENTOS.
¡ALIMENTO!, maravilloso alimento, ¿qué seríamos sin él?. Una dieta balanceada nos provee de una mezcla de grasas, proteínas y carbohidratos ricos en energía. Al masticar y digerir los alimentos los fraccionamos en moléculas menores de grasas, azúcares y aminoácidos.

Estas partículas se absorben en el intestino y pasan luego al torrente sanguíneo, y luego transportadas a las células, donde sufren una serie de reacciones químicas, proceso que se denomina "metabolismo". Este tiene dos aspectos diferentes: el "catabolismo", que consiste en la degradación de las moléculas grandes en subunidades más pequeñas, lo que libera energía, y el "anabolismo", que consiste en que pequeñas unidades se unen para formar moléculas más grandes, lo que a menudo requiere de energía.

La demanda constante de energía, es un requerimiento clave de todo ser vivo, sea este vegetal o animal. La fuente última de energía para que la vida sea posible en la Tierra, proviene del sol. Las plantas la obtienen directamente (a través del proceso denominado "fotosíntesis") y la usan para todos sus procesos anabólicos necesarios para construir sus estructuras y como también para mantener reservas para cuando llega la noche y el sol no está o, por último, para almacenarla como almidón, ya sea en las semillas o en los tubérculos (como por ejemplo en las papas). Esto último es lo que les permite a las nuevas plantas iniciar su crecimiento durante las primeras etapas, cuando aún no disponen del mecanismo de la fotosíntesis para producir su propia energía.

CORRIENDO POR SU CENA

Perdiendo electrones

La forma de un organismo está determinada, desde un punto de vista muy general, por su necesidad de adquirir energía. Así, por ejemplo, las hojas proveen a las plantas de una gran área de superficie que necesitan para su fotosíntesis, en cambio, los herbívoros como las vacas tienen un gran estómago, o rumen, en el interior del cual pueden fermentar grandes cantidades de pasto. Por su parte, los carnívoros tienden a ser pequeños y veloces para así poder capturar sus presas también rápidas y escurridizas. Pero, en definitiva, todo proviene del sol, ya que en el caso de los herbívoros, al comer vegetales, están indirectamente haciendo uso de la energía solar que se a almacenado en las plantas. También los carnívoros indirectamente están aprovechando la energía solar, al consumir otros animales.

En un organismo, la mayoría de las reacciones químicas ocurren dentro de las células. Cada célula de nuestro cuerpo puede compararse a una compleja fábrica química equipada para desarrollar cientos de reacciones diversas. En una célula hepática típica, rutinariamente se suceden más de 600 reacciones separadas. Para que estas reacciones sean posibles, a la velocidad que se necesita para sostener la vida, ellas necesariamente deben ser catalizadas. Esta función la realizan catalizadores biológicos, denominados enzimas. Los procesos metabólicos se desarrollan en una secuencia de etapas individuales, donde el producto de una reacción, pasa ser el substrato (reactante) de la siguiente.

Para ello las enzimas necesitan estar agrupadas en sistemas organizados, lo que permite que las moléculas vayan siendo procesadas en etapa tras etapa, como sucede en una correa transportadora en una fábrica.

Las células contienen en su interior varios pequeños órganos, llamados organelos, que desarrollan diversas funciones específicas. Uno de estos organelos son las mitocondrias, que están presentes en casi todas las moléculas.

Se trata de pequeños paquetes que contienen las enzimas necesarias para obtener la energía de los alimentos. Las enzimas están tanto dentro del espacio central de la mitocondria (matriz), como también unidas firmemente a la membrana interna de ella. Es en este organelo donde la célula produce la mayor parte de su energía, mediante los procesos de oxidación, que los biólogos llaman "respiración celular".

La oxidación siempre representa la pérdida de electrones, ya sea de moléculas, átomos o iónes. Esto se logra de dos formas: ya sea agregando oxígeno o retirando hidrógeno. El proceso se puede resumir simplemente como:

X  + 1 electrón

Aquellos nutrientes en cuyas moléculas existe una alta proporción de hidrógeno con respecto al oxígeno, son más apropiados para perder electrones y así liberar más energía. Si poseen esta estructura ellas son una excelente fuente de energía.. La glucosa en cambio (C6H12O6), que tiene una relación de Hidrógeno Oxígeno de 2 a 1, es parcialmente oxidada y puede liberar 17 kilojoules por gramo. 38 ATP

LA REDUCCION es lo opuesto de la oxidación. Se dice que las moléculas han sido reducidas, cuando aumentan el número de electrones que contienen, generalmente por la adición de hidrógeno o pérdida de oxígeno:

X+ + electrón- -> X

Mientras la oxidación significa liberación de energía, la reducción requiere de un ingreso de energía. Un ejemplo de reducción en un sistema biológico, es la formación de moléculas complejas y largas a partir de pequeñas, como sucede y es necesario en el proceso de crecimiento. Este proceso requiere de energía, que es suministrada por la oxidación de otras moléculas.

La glucosa es una de las fuentes primarias de energía. Ella constituye el bloque básico del almidón y también de muchos azúcares que provienen de nuestra dieta. Su oxidación en el proceso de respiración celular, puede subdividirse en tres fases: a.- la Glicólisis; b. acetilacion c.- el ciclo de Krebs y d.- el sistema de transporte de electrones.

CAMINO DEL PODER
Ciclos y cadenas

La primera etapa de la oxidación es la glicólisis. En esta, la glucosa que es una molécula compuesta por seis carbones, se degrada a dos moléculas de tres carbones, que se llama piruvato. Para comenzar a echar a rodar la pelota, hay que previamente agregarle energía a la glucosa, para lograr que de este modo sea mas reactiva. Esto se logra mediante el agregado de dos grupos fosfato de alta energía, que provienen del adenosín-trifosfato (ATP). El ATP es el transportador universal de la energía de todas las células vivas. Juega un rol fundamental en todas las actividades que requieren de energía (fig. 2). Cuando los fosfatos de alta energía se han agregado, se activa la molécula de glucosa y ahora es capaz de dividirse en dos compuestos más pequeños. De esto se generan una serie de reacciones de oxidación, perdiendo hidrógeno y liberando energía para la formación de cuatro moléculas de ATP. El resultado final, es un par de moléculas de piruvato y una ganancia neta de dos moléculas de ATP.

En la mayor parte de los organismos, el camino que tomará el piruvato dependerá de que esté o no presente el oxígeno. La producción de energía en ausencia de oxígeno se ha llamado "respiración anaeróbica". Si el oxígeno no está disponible, no se puede extraer más energía de la glucosa y sólo habrá una ganancia neta de dos ATPs y cuatro átomos de hidrógeno. Para que la glicólisis continúe produciendo energía, los hidrógenos tienen que removerse, ya que de lo contrario se detiene la reacción. Los organismos unicelulares, como las levaduras, logran esto combinando cada átomo de hidrógeno con una molécula de piruvato, formando así alcohol (etanol) y dióxido de carbono. Esta reacción se llama "fermentación" y es la que se utiliza en la industria cervecera. Otra reacción que también se produce en ausencia de oxígeno, es la formación de "lactato". Ello puede ocurrir en tejidos musculares de animales, acumulándose en este tejido el lactato. Sin embargo, cuando esta acumulación es demasiada elevada, se producen fuertes dolores musculares conocidos como
calambres.

Tanto la producción de etanol como la de lactato, es una forma muy ineficiente de utilizar la glucosa. Así, por ejemplo, si una molécula de glucosa es completamente oxidada, se liberan 38 de energía. la glicólisis solamente se ganan dos ATP (se producen cuatro, pero se utilizan dos para la activación de la glucosa) de modo que, disponibles para el organismo, quedan solo. Esto significa que en la respiración anaeróbica tienen sólo una eficiencia de 2:1.

Extraer el exceso de iónes hidrógeno, formando lactato en lugar de etanol, tiene la ventaja que tan pronto como el oxígeno este disponible, el lactato puede otra vez entrar al camino metabólico correcto y, de esta forma, avanzar en su oxidación liberando la energía que aún contienen.

Si en el proceso está presente el oxígeno, se puede obtener mucha mayor energía. Esto es lo que se llama "respiración aeróbica". En este caso el piruvato entra en un camino de reacciones químicas más complejas y después de muchas etapas los iones hidrógenos eventualmente se combinan con el oxígeno y llegan a formar agua. Con todo, el oxígeno sólo se requiere muy al final del proceso, pero sin él no hay forma de remover el hidrógeno y necesariamente el proceso se detiene.

Si el oxígeno está presente, continua la respiración celular en que cada molécula de piruvato se va transportando en el interior de la mitocondria y allí se convierte en dos moléculas de carbón-acetil, liberando un par de átomos de hidrógeno y dióxido de carbono. La molécula acetil puede ahora entrar a un ciclo de reacciones químicas, que se ha llamado "Ciclo de krebs", en honor a su descubridor alemán Hans krebs. Este camino de reacciones circulares, también se conoce como el "Ciclo Tricarboxilico" (TCA) o el "Ciclo del Ácido Cítrico", que es un intermediario químico que se va produciendo a lo largo de este proceso

El ciclo de Krebs transforma cada grupo acetilo en dos moléculas de dióxido de carbono, más cuatro pares de átomos de hidrógeno y suficiente energía como para construir dos moléculas más de ATP. Tanto los hidratos de carbono, como las grasas y algunos aminoácidos, se oxidan en el ciclo de krebs. Según sea el caso, cada uno entra en algún punto preciso del ciclo. Todo esto sucede dentro de la mitocondria, en cuyo interior las enzimas están colocadas en una secuencia precisa.

Aún cuando la glucosa es oxidada completamente en este ciclo, se logran sólo cuatro moléculas de ATP. La mayor parte de la energía se genera cuando en "el sistema de transporte de electrones", se producen los 24 átomos de hidrógeno provenientes de la oxidación de la glucosa

Esta es la secuencia final de las reacciones y compromete a una serie de transportadores de hidrógeno y electrones, denominadas co-enzimas. En la primera etapa, los átomos de hidrógeno pasan del co-enzimo llamado nicotín adenín dinucleótido (NAD), a un segundo llamado flavin adenín dinucleótido (FAD). En este punto, cada átomo de hidrógeno se divide en un electrón y un ion hidrógeno (un protón). Los electrones continúan a través del resto de la correa transportadora de co-enzimos. Los protones se vuelven a juntar con los electrones para formar agua, una vez que han pasado a través de la cadena. La transferencia de electrones por etapa a través del sistema, permite a los electrones el ser empujados en la dirección opuesta, fuera de la matriz interna y a través de la membrana mitocondrial. La gran concentración de protones genera entre el interior y exterior de la membrana un "potencial de membrana". El potencial liberado en la medida que los protones vuelven dentro de la matriz de la mitocondria y se produce energía en forma de ATP.

Mediante este proceso ahora se han formado 38 moléculas de ATP, proveniente de la oxidación de cada molécula de glucosa, lo que representa una liberación de 1162,8 kilojouls, es decir el 40% de la energía encerrada en la molécula. La energía que se deriva del metabolismo, permite al animal desarrollar todos los procesos anabólicos que se requiere para el crecimiento, para la reparación de daños, para eliminar substancias de desgaste y producir substancias de secreción. La energía también se necesita para transportar substancias. Las membranas celulares están provistas de bombas que mueven iones y moléculas como la glucosa, desde un lado al otro de la membrana, contra una gradiente de concentración. Este proceso se llama "transporte activo". Así, por ejemplo, las células nerviosas consumen energía manteniendo una gradiente de concentración de iones en sus axones.

El músculo también necesita energía para lograr su concentración. En condiciones de descanso, el músculo utiliza ácidos grasos provenientes de las grasas como fuente de energía. En cambio, durante el ejercicio, que necesita más energía, va quebrando las moléculas de glicógeno que previamente ha almacenado en su interior habiéndolas tomado del torrente circulatorio. Con el ejercicio, inicialmente la glucosa de la sangre puede elevarse, ya que las células hepáticas entran a utilizar grandes cantidades de glicógeno, pero después de unos pocos minutos este se agota y la glucosa cae en sangre.