Respiración celular en humanos

definición

La respiración celular, también llamada aeróbica (del griego antiguo "aer" - aire), describe la descomposición de nutrientes como la glucosa o los ácidos grasos en humanos usando oxígeno (O2) para generar energía, que es necesaria para la supervivencia de las células. En el proceso, los nutrientes se oxidan, es decir, emiten electrones, mientras que el oxígeno se reduce, lo que significa que acepta electrones. Los productos finales que surgen del oxígeno y los nutrientes son el dióxido de carbono (CO2) y el agua (H2O).

Función y tareas de la respiración celular.

Todos los procesos del cuerpo humano requieren energía. El ejercicio, la función cerebral, los latidos del corazón, la producción de saliva o cabello e incluso la digestión requieren energía para funcionar.

Además, el cuerpo necesita oxígeno para sobrevivir. La respiración celular es de particular importancia aquí. Con la ayuda de esto y del oxígeno gaseoso, es posible que el cuerpo queme sustancias ricas en energía y obtenga de ellas la energía necesaria. El oxígeno en sí no nos aporta ninguna energía, pero es necesario para llevar a cabo los procesos de combustión química en el organismo y, por tanto, es fundamental para nuestra supervivencia.

El cuerpo conoce muchos tipos diferentes de portadores de energía:

• La glucosa (azúcar) es el principal portador de energía y componente básico, así como el producto final que se separa de todos los alimentos con almidón.
• Los ácidos grasos y la glicerina son los productos finales de la descomposición de las grasas y también se pueden utilizar en la producción de energía.
• El último grupo de portadores de energía son los aminoácidos, que quedan como producto de la degradación de las proteínas. Después de una cierta transformación en el cuerpo, estos también pueden usarse en la respiración celular y, por lo tanto, para la generación de energía.

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La fuente de energía más común utilizada por el cuerpo humano es la glucosa. Existe una cadena de reacciones que finalmente conducen a los productos CO2 y H2O con el consumo de oxígeno. Este proceso incluye el Glucólisis, entonces el División de glucosa y la transferencia del producto, la Piruvato a través del paso intermedio del Acetil-CoA en el Ciclo del ácido cítrico (Sinónimo: ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs). Los productos de degradación de otros nutrientes como los aminoácidos o los ácidos grasos también fluyen en este ciclo. El proceso en el que los ácidos grasos se "descomponen" para que también puedan fluir hacia el ciclo del ácido cítrico se llama Oxidación beta.

El ciclo del ácido cítrico es, por tanto, una especie de punto de entrada en el que todas las fuentes de energía pueden introducirse en el metabolismo energético. El ciclo tiene lugar en el Mitocondrias en cambio, las "plantas de energía" de las células humanas.

Durante todos estos procesos se consume algo de energía en forma de ATP, pero ya se ha obtenido, como es el caso, por ejemplo, de la glucólisis. Además, existen predominantemente otros depósitos de energía intermedios (por ejemplo, NADH, FADH2) que solo cumplen su función como depósitos de energía intermedios durante la generación de energía. Estas moléculas de almacenamiento intermedias luego fluyen hacia el último paso de la respiración celular, es decir, el paso de la fosforilación oxidativa, también conocida como cadena respiratoria. Este es el paso hacia el que todos los procesos han trabajado hasta ahora. La cadena respiratoria, que también tiene lugar en la mitocondria, también consta de varios pasos, en los que el ATP, portador de energía para todo uso, se obtiene a partir de las moléculas de almacenamiento intermedias ricas en energía. En total, la descomposición de una molécula de glucosa da como resultado un total de 32 moléculas de ATP.

Para aquellos particularmente interesados

La cadena respiratoria contiene varios complejos de proteínas que juegan un papel muy interesante aquí. Funcionan como bombas que bombean protones (iones H +) hacia la cavidad de la doble membrana mitocondrial mientras consumen las moléculas de almacenamiento intermedias, por lo que hay una alta concentración de protones allí. Esto provoca un gradiente de concentración entre el espacio intermembrana y la matriz mitocondrial. Con la ayuda de este gradiente, finalmente hay una molécula de proteína que funciona de manera similar a un tipo de turbina de agua. Impulsada por este gradiente de protones, la proteína sintetiza una molécula de ATP a partir de un ADP y un grupo fosfato.

Puedes encontrar más información aquí: ¿Qué es la cadena respiratoria?

ATP

La Trifosfato de adenosina (ATP) es el portador de energía del cuerpo humano. Toda la energía que surge de la respiración celular se almacena inicialmente en forma de ATP. El cuerpo solo puede usar la energía si está en forma de molécula de ATP.

Si se agota la energía de la molécula de ATP, se crea difosfato de adenosina (ADP) a partir del ATP, por lo que se separa un grupo fosfato de la molécula y se libera energía. La respiración celular o generación de energía sirve para regenerar continuamente el ATP a partir del llamado ADP para que el cuerpo pueda volver a utilizarlo.

Ecuación de reacción

Debido al hecho de que los ácidos grasos tienen diferentes longitudes y que los aminoácidos también tienen estructuras muy diferentes, no es posible establecer una ecuación simple para estos dos grupos para caracterizar con precisión su rendimiento energético en la respiración celular. Porque cada cambio estructural puede determinar en qué paso del ciclo del citrato fluye el aminoácido.
La descomposición de los ácidos grasos en la llamada oxidación beta depende de su longitud. Cuanto más largos sean los ácidos grasos, más energía se puede obtener de ellos. Esto varía entre ácidos grasos saturados e insaturados, y los ácidos grasos insaturados proporcionan mínimamente menos energía, siempre que tengan la misma cantidad.

Por las razones ya mencionadas, la mejor forma de describir una ecuación para la descomposición de la glucosa. Una molécula de glucosa (C6H12O6) y 6 moléculas de oxígeno (O2) dan como resultado un total de 6 moléculas de dióxido de carbono (CO2) y 6 moléculas de agua (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 se convierte en 6 CO2 + 6 H2O

¿Qué es la glucólisis?

La glucólisis describe la descomposición de la glucosa, es decir, el azúcar de uva. Esta vía metabólica tiene lugar tanto en células humanas como en otras, por ejemplo, la levadura durante la fermentación. El lugar donde las células realizan la glucólisis es el citoplasma. Aquí están presentes enzimas que aceleran las reacciones de glucólisis para sintetizar ATP directamente y proporcionar los sustratos para el ciclo del ácido cítrico. Este proceso crea energía en forma de dos moléculas de ATP y dos moléculas de NADH + H +. La glucólisis, junto con el ciclo del ácido cítrico y la cadena respiratoria, ambos ubicados en la mitocondria, representan la ruta de degradación del azúcar simple glucosa en el portador de energía universal ATP. La glucólisis tiene lugar en el citosol de todas las células animales y vegetales. . El producto final de la glucólisis es el piruvato, que luego se puede introducir en el ciclo del ácido cítrico a través de un paso intermedio.

En total, se utilizan 2 ATP por molécula de glucosa en la glucólisis para poder realizar las reacciones. Sin embargo, se obtienen 4 ATP, por lo que efectivamente hay una ganancia neta de 2 moléculas de ATP.

La glucólisis diez pasos de reacción hasta que un azúcar con 6 átomos de carbono se convierte en dos moléculas de piruvato, cada una formada por tres átomos de carbono. En los primeros cuatro pasos de reacción, el azúcar se convierte en fructosa-1,6-bisfosfato con la ayuda de dos fosfatos y un reordenamiento. Este azúcar activado ahora se divide en dos moléculas con tres átomos de carbono cada una. Otros reordenamientos y la eliminación de los dos grupos fosfato dan como resultado en última instancia dos piruvatos. Si ahora hay oxígeno (O2) disponible, el piruvato puede metabolizarse más a acetil-CoA e introducirse en el ciclo del ácido cítrico. En general, la glucólisis con dos moléculas de ATP y dos moléculas de NADH + H + tiene un rendimiento energético relativamente bajo. Sin embargo, sienta las bases para una mayor descomposición del azúcar y, por lo tanto, es esencial para la producción de ATP en la respiración celular.

En este punto, tiene sentido separar la glucólisis aeróbica y anaeróbica. La glucólisis aeróbica conduce al piruvato descrito anteriormente, que luego puede usarse para generar energía.
Por el contrario, en la glucólisis anaeróbica, que tiene lugar en condiciones de deficiencia de oxígeno, el piruvato ya no se puede utilizar porque el ciclo del ácido cítrico requiere oxígeno. En el contexto de la glucólisis, también se crea la molécula de almacenamiento intermedio NADH, que en sí misma es rica en energía y también fluiría hacia el ciclo de Krebs en condiciones aeróbicas. Sin embargo, la molécula madre NAD + es necesaria para mantener la glucólisis. Es por eso que el cuerpo "muerde" la "manzana agria" aquí y convierte esta molécula de alta energía de nuevo a su forma original. El piruvato se utiliza para realizar la reacción. El llamado lactato o ácido láctico se forma a partir del piruvato.

Lea más sobre esto en

• Lactato
• Umbral anaeróbico

¿Qué es la cadena respiratoria?

La cadena respiratoria es la última parte de la ruta de degradación de la glucosa. Una vez que el azúcar ha sido metabolizado en la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico, la cadena respiratoria tiene la función de regenerar los equivalentes de reducción (NADH + H + y FADH2) que se crean. Esto crea el portador de energía universal ATP (trifosfato de adenosina). Al igual que el ciclo del ácido cítrico, la cadena respiratoria se encuentra en las mitocondrias, por lo que también se las conoce como las "plantas de energía de la célula". La cadena respiratoria consta de cinco complejos enzimáticos que están incrustados en la membrana mitocondrial interna. Cada uno de los dos primeros complejos enzimáticos regenera NADH + H + (o FADH2) a NAD + (o FAD). Durante la oxidación del NADH + H +, se transportan cuatro protones desde el espacio de la matriz al espacio intermembrana. También se bombean dos protones al espacio intermembrana en cada uno de los siguientes tres complejos enzimáticos. Esto crea un gradiente de concentración que se utiliza para producir ATP. Para este propósito, los protones fluyen desde el espacio intermembrana a través de una ATP sintasa de regreso al espacio de la matriz. La energía liberada se utiliza para producir finalmente ATP a partir de ADP (difosfato de adenosina) y fosfato. Otra tarea de la cadena respiratoria es interceptar los electrones generados por la oxidación de los equivalentes de reducción. Esto se hace transfiriendo los electrones al oxígeno. Al unir electrones, protones y oxígeno, se crea agua normal en el cuarto complejo enzimático (citocromo c oxidasa). Esto también explica por qué la cadena respiratoria solo puede tener lugar cuando hay suficiente oxígeno.

¿Cuáles son las tareas de las mitocondrias en la respiración celular?

Las mitocondrias son orgánulos que solo se encuentran en las células eucariotas. También se les conoce como las "plantas de energía de la célula", ya que es en ellas donde tiene lugar la respiración celular. El producto final de la respiración celular es el ATP (trifosfato de adenosina). Este es un portador de energía universal que se requiere en todo el organismo humano. La compartimentación de las mitocondrias es un requisito previo para la respiración celular. Esto significa que hay espacios de reacción separados en la mitocondria. Esto se logra mediante una membrana interna y externa, de modo que haya un espacio entre membranas y un espacio de matriz interno.

En el curso de la cadena respiratoria, los protones (iones de hidrógeno, H +) se transportan al espacio intermembrana, por lo que surge una diferencia en la concentración de protones. Estos protones provienen de varios equivalentes de reducción, como NADH + H + y FADH2, que de ese modo se regeneran en NAD + y FAD.

La ATP sintasa es la última enzima de la cadena respiratoria, donde finalmente se produce ATP. Impulsados ​​por la diferencia de concentración, los protones fluyen desde el espacio intermembrana a través de la ATP sintasa hacia el espacio de la matriz. Este flujo de carga positiva libera energía que se utiliza para producir ATP a partir de ADP (difosfato de adenosina) y fosfato. Las mitocondrias son especialmente adecuadas para la cadena respiratoria, ya que tienen dos espacios de reacción debido a la doble membrana. Además, muchas vías metabólicas (glucólisis, ciclo del ácido cítrico), que proporcionan los materiales de partida (NADH + H +, FADH2) para la cadena respiratoria, tienen lugar en la mitocondria. Esta proximidad espacial es otra ventaja y convierte a las mitocondrias en el lugar ideal para la respiración celular.

Aquí puedes conocer todo sobre el tema de la cadena respiratoria.

Balance de energía

El balance energético de la respiración celular en el caso de la glucosa se puede resumir de la siguiente manera, con la formación de 32 moléculas de ATP por glucosa:

C6H12O6 + 6 O2 se convierte en 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP

(En aras de la claridad, el ADP y el residuo de fosfato Pi se han omitido de los eductos.)

En condiciones anaeróbicas, es decir, falta de oxígeno, el ciclo del ácido cítrico no puede funcionar y la energía solo se puede obtener mediante la glucólisis aeróbica:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP se convierten en 2 lactato + 2 ATP. + 2 H2O. De modo que solo se obtiene alrededor del 6% de la proporción por molécula de glucosa, como sería el caso de la glucólisis aeróbica.

Enfermedades relacionadas con la respiración celular.

La La respiración celular es fundamental para la supervivencia, es decir, que muchas mutaciones en los genes que codifican las proteínas de la respiración celular, por ejemplo, las enzimas de la glucólisis, son letales (fatal) están. Sin embargo, ocurren enfermedades genéticas de la respiración celular. Estos pueden originarse tanto del ADN nuclear como del ADN mitocondrial. Las propias mitocondrias contienen su propio material genético, que es necesario para la respiración celular. Sin embargo, estas enfermedades muestran síntomas similares, ya que todas tienen una cosa en común: intervienen en la respiración celular y la alteran.

Las enfermedades respiratorias celulares a menudo muestran síntomas clínicos similares. Es especialmente importante aquí Trastornos de los tejidos, que necesitan mucha energía. Estos incluyen particularmente las células nerviosas, musculares, cardíacas, renales y hepáticas. Los síntomas como debilidad muscular o signos de daño cerebral a menudo ocurren incluso a una edad temprana, si no en el momento del nacimiento. También habla un pronunciado Acidosis láctica (Una sobre-acidificación del cuerpo con lactato, que se acumula porque el piruvato no se puede descomponer lo suficiente en el ciclo del ácido cítrico). Los órganos internos también pueden funcionar mal.

El diagnóstico y la terapia de las enfermedades de la respiración celular deben ser asumidos por especialistas, ya que el cuadro clínico puede resultar muy diverso y diferente. A día de hoy todavía es sin terapia causal y curativa da. Las enfermedades solo pueden tratarse sintomáticamente.

Dado que el ADN mitocondrial se transmite de madre a hijos de una forma muy complicada, las mujeres que padecen alguna enfermedad de la respiración celular deben contactar con un especialista si quieren tener hijos, ya que solo ellas pueden estimar la probabilidad de herencia.