Respiración celular: Crash Course Biología #27

De seguro has escuchado- ¡la  mitocondria es el motor de la célula! Y bueno, seguro te has cansado de escuchar eso, pero los dichos se convierten en dichos  porque casi siempre son la manera más sencilla de expresar una idea, en  las buenas y en las malas - mira, ¡ahí hay otro! Pero en este caso, las mitocondrias  realmente son los motores de las células.

Estos organelos se encuentran dentro de  tus billones de células y se dedican a transferir la energía de lo que comes y el  oxígeno, a la energía que necesitas para poder hacer todo lo que haces - desde mandar  un mensaje de texto hasta correr un maratón. Las mitocondrias son sumamente  importantes en la respiración celular, el proceso en el que se usa la comida y el  oxígeno para energizar a nuestras células. Y muchas veces damos por descontado  a la respiración celular.

Después de todo, ocurre tras bambalinas,  y pasa completamente desapercibida. Pero es un proceso tremendamente  importante para todos los organismos multicelulares que respiramos oxígeno. ¡Hola!

Soy Mini Contreras y  esto es Crash Course Biología. [MÚSICA TEMA] La energía en nuestro cuerpo se guarda en una  molécula llamada ATP o adenosina trifosfato. El ATP es como una batería recargable -  se puede llenar de energía una y otra vez.

Y esta energía se usa para impulsar muchos  procesos celulares muy importantes - como asegurar que nuestros cuerpos puedan  mantener la homeostasis, o sea, regular nuestros cuerpos manteniendo todas  las cosas que necesitamos en equilibrio. Esto es lo que nos permite funcionar  de manera relativamente estable, inclusive cuando cambian las condiciones a  nuestro alrededor, como cuando nuestro cuerpo suda para deshacerse de energía térmica,  o cuando temblamos para generar calor. ¡El ser humano promedio necesita usar  más de 45 kilos de ATP todos los días!

Pero, al igual que el dinero,  el ATP no cae del cielo. Nuestros cuerpos necesitan crear y romper  moléculas de ATP en un proceso de reciclaje continuo que prácticamente es un trabajo  de tiempo completo para nuestras células. Ese trabajo es la Respiración Celular.

Verás, tú y yo, al igual que los insectos,  los osos, las aves, y los peces somos organismos aeróbicos, lo cual quiere decir  que necesitamos oxígeno para vivir y crecer. Y con ayuda del oxígeno, nuestras  células pueden liberar energía de todo lo que comemos y guardarla en forma de ATP. Pero es importante saber que hay organismos  como las bacterias, que pueden liberar y guardar energía sin necesidad de oxígeno, a través  de un proceso llamado respiración anaeróbica.

Y también tienes la fermentación, un  proceso que tampoco requiere oxígeno, gracias al cual tenemos masa  madre, vinagre, yogurt, y cerveza. Dicho de otra forma, el proceso  de respiración celular es como tener millones de pequeñas fogatas  ardiendo dentro de tus células. El oxígeno y la glucosa son como  el combustible de este proceso, y vienen del aire que respiras y de la comida  que consumes, especialmente de los carbohidratos.

Y los productos son dióxido de carbono y agua. A diferencia de una fogata, en  donde los carbohidratos de la madera se queman rápido para emitir  energía en forma de luz y calor, el proceso de descomposición de comida a  través de la respiración celular libera energía de forma lenta y controlada a  través de muchas reacciones químicas, para que la energía se use para formar moléculas de ATP en lugar de liberarse en forma  de llama o, bueno, una explosión. La respiración celular combina varias  rutas metabólicas, que son reacciones químicas vinculadas y que ocurren dentro  de tus células para completar un proceso.

Es como una máquina de rube goldberg, en donde  una reacción activa la reacción que le sigue, y luego esa activa la reacción  que le sigue, y así sucesivamente. Este proceso necesita algo de ATP para  poder empezar, pero una vez que termina, se produce bastante más ATP que  lo que se necesitó al principio. Como dice el dicho, para ganar  dinero tienes que gastar dinero.

Pero bueno, ¿cómo funciona realmente  este sistema complicado, que está ocurriendo en todo momento  en todas nuestras células? La respiración celular ocurre  en tres etapas principales. Empezamos con la glucólisis,  en la que se rompe la glucosa, un azúcar simple que obtenemos  al comer carbohidratos.

Verás, la glucosa no nos  sirve realmente en esta forma, es como si fuera el tipo de moneda incorrecta. Porque la “moneda” de la  energía en la célula es el ATP. ¿Y qué haces en un país que no aceptan tu moneda?

¡La cambias! La glucólisis es el primer paso  en ese sistema cambiario celular. Ocurre en el citoplasma, que es la sustancia  gelatinosa que hay en el interior de la célula.

Diez enzimas diferentes - imagina que son pequeñas  empleadas del banco- se dedican a catalizar, o acelerar, las diez reacciones  químicas que rompen la glucosa. Cada una le hace un pequeño cambio a la  moneda y se la da a la siguiente cajera. La última empleada te da una molécula  de tres carbonos llamada piruvato, una sustancia de transición que  se vuelve un reactivo crucial en otros procesos como el ciclo del ácido  cítrico o la respiración anaeróbica.

La glucólisis resulta en la producción  neta de 2 moléculas de ATP, la moneda que queremos, dos moléculas de piruvato, y dos  moléculas de NAD+, una molécula portadora. Verás, en el Banco Nacional de  la Célula también tenemos unas monedas de protones y electrones que se  pueden intercambiar por todavía más ATP. Guardaremos estas monedas  pegadas a esta molécula de NAD+.

Al terminar la primera etapa, esta molécula  mueve dos electrones y un protón – en forma de una molécula de NADH --, que se va utilizar  en el último paso de la respiración celular. Pero no pongamos la carreta delante de los bueyes. Una vez que termina la glucólisis, comienza la preparación para la segunda  etapa - el ciclo del ácido cítrico.

El piruvato se mueve del  citoplasma hacia la mitocondria. Una vez ahí, una enzima procesa al  piruvato, para conseguir más energía. La enzima oxida al piruvato, quitándole un par de monedas de electrones para  que se puedan usar después.

En este paso es de donde se  empieza a generar el dióxido de carbono que caracteriza  a la respiración celular. Una molécula de CO2, - que en algún momento va  a salir de tu cuerpo, quizás con un poco de mal aliento - se separa del piruvato y deja  un producto que sólo tiene dos carbonos. Y esta molécula de dos carbonos es lo que se  usa para echar a andar la vía metabólica que caracteriza a la respiración celular, el ciclo  del ácido cítrico, también llamado ciclo de Krebs.

Cuando una molécula de dos carbonos se  une a una molécula de cuatro carbonos, el oxaloacetato, se forma un producto  que tiene seis carbonos, ácido cítrico. Es un proceso complicado, con  muchos pasos, pero en resumen, participan varias enzimas que remueven  dos de los carbonos para producir otras dos moléculas de dióxido de carbono, que  se liberan con un poco más de mal aliento. Además de CO2, en el ciclo del ácido cítrico  se producen otras dos moléculas de ATP, tres moléculas de NADH, y una molécula adicional  para acarrear electrones y protones llamada FADH2.

El ciclo del ácido cítrico es… bueno, cíclico. Así que al final regresamos a un compuesto de cuatro carbonos - el mismo compuesto de  cuatro carbonos con el que empezamos. Esta molécula de cuatro carbonos se une con una nueva molécula de dos carbonos y así  empieza el ciclo de Krebs otra vez.

Y esto ocurre dos veces por  cada molécula de glucosa con la que se inicia la respiración celular. Y con esto llegamos al último paso de la  respiración celular - la tercera etapa, la fosforilación oxidativa. Esta también ocurre dentro de la mitocondria,  que es donde se genera la mayor parte del ATP.

Si los primeros dos pasos del  proceso son como ir al banco, la fosforilación oxidativa es como ir a la  casa de la moneda, donde se imprime el dinero. Aquí, chiqui-pum, chiqui-pum, chiqui-pum. Verás, la mitocondria tiene una estructura muy particular que permite que ocurra  esta reacción sumamente peculiar.

Tiene una membrana externa con  grandes poros que permiten que entren y salgan muchos compuestos químicos, y  una segunda membrana plegada en su interior. Pegados a la membrana interna, encontramos  los enormes complejos de proteínas de la cadena de transporte de electrones,  que tiene dos trabajos principales. El primero es aceptar los electrones que son  acarreados por las moléculas de transporte que hemos mencionado, una vez que estas están en el  espacio que queda en medio de ambas membranas.

Una vez en la cadena de transporte de electrones, los electrones viajan de una molécula  aceptora a otra, volviéndolas más estables. Por lo tanto, en cada paso se libera energía. La energía química se transforma en energía  mecánica que permite que varios de los complejos proteínicos de la cadena de transporte  de electrones hagan su segundo trabajo: el bombeo de protones.

Los protones que están en la matriz  de la mitocondria ahora se necesitan en otra parte del organelo: en el espacio  intermembranoso, que como su nombre lo indica, es el espacio entre la membrana  interna y externa de la mitocondria. Y la energía que se libera cuando los  electrones se mueven a lo largo de la cadena de transporte de electrones  es lo que los lleva a este espacio. Así que los protones son transportados activamente gracias a la energía que es liberada  en las etapas previas del proceso.

El bombeo de protones mete un montón  de protones al espacio intermembranoso, lo cual aumenta su concentración. Esto crea un gradiente de protones,  donde la cantidad de protones es mucho mayor entre las membranas  en comparación con la matriz. Es algo así como una represa.

Un lado de la represa tiene  mucha más agua que el otro, y si abrimos un canal, el agua del lado  lleno va a fluir con muchísima fuerza. Esta fuerza se puede utilizar para mover generadores hidroeléctricos  y así producir electricidad. Un proceso muy parecido ocurre con la concentración de protones en  el espacio intermembranoso.

Los protones tienen un camino para  llegar a la matriz a través de un canal que forma una enzima llamada ATP sintasa. Tiene forma parecida a una flor, con el tallo  dentro de la membrana interna de la mitocondria. Los protones entran al canal desde el espacio  intermembranoso y regresan a la matriz, moviéndose de una concentración alta a una  concentración baja, para equilibrar el gradiente.

El movimiento de los protones mueve a la  ATP Sintasa como si fuera un carrusel, proporcionando la fuerza que se necesita para  hacer girar a la ATP Sintasa, de manera parecida a como el agua mueve un generador hidroeléctrico  en una represa para generar electricidad. Esta rotación genera movimiento a lo  largo de todo el tallo de la enzima. En la última etapa de la respiración celular, el movimiento de los protones activa a  la ATP sintasa, que genera un montón de ATP - alrededor de 30 moléculas por cada  molécula de glucosa con la que empezamos.

Entonces, la tasa de cambio para  una molécula de glucosa es 30 ATP. ¿Y qué le pasa a todos los electrones después  de viajar a través de la cadena de electrones? Pues se mueven hacia una molécula  compuesta por dos átomos de oxígeno.

Y para equilibrar las cargas  negativas de los electrones, los átomos de oxígeno aprovechan para agarrar  unos protones y así formar moléculas de agua. ¡Uffff, esto es un montón de información! Con el  tiempo y la paciencia, se adquiere la ciencia.

Vamos a tomarnos un respiro para repasar todo eso. La respiración celular comienza afuera  de la mitocondria, con la glucólisis. La glucólisis utiliza la glucosa de  lo que comes para producir piruvato, un poco de ATP y NADH, comenzando  el proceso de cambio de divisas.

El piruvato se mueve dentro de  la mitocondria en donde se oxida, y se convierte en un compuesto de dos carbonos. Este compuesto químico entra al ciclo del  ácido cítrico en donde varias enzimas se dedican a descomponerlo, hasta producir  el dióxido de carbono que exhalamos. También se producen un poquito más de ATP y NADH.

Y mientras ocurre todo eso, los  electrones y los protones, o H+, que se remueven de manera gradual a lo  largo de este proceso son llevados al interior de la mitocondria con ayuda de las  moléculas de transporte, el NADH y el FADH2. Los electrones proporcionan la energía  que se usa para mover protones, los cuales crean un gradiente  que siempre busca el equilibrio. Y mientras tanto, los electrones que sobran se enganchan a moléculas de  oxígeno para generar agua.

El movimiento de los protones hacia  la matriz de la mitocondria impulsa a la ATP Sintasa, la cual genera un montón de ATP. Y todo este ATP se utiliza  para hacer funcionar todos los procesos y reacciones de nuestras células. Y lo más impresionante es que todo esto  no solo ocurre de manera constante, sino también super super super rápida.

Claro, es algo lenta cuando lo comparas a las  reacciones de una fogata o con una explosión, pero es muy rápida a una escala humana. Todas las reacciones que expliqué a lo largo  de todo este episodio ocurren en un parpadeo. Cada segundo, en una célula, se generan  alrededor de 10 millones de moléculas de ATP.

La respiración celular, como todo  proceso celular, es compleja. Pero es verdaderamente importante. Genera las moléculas de ATP que  se necesitan para que las máquinas complejas que son nuestros cuerpos  tengan la energía para funcionar.

Y para hacerlo, necesitamos a la  mitocondria, el motor de la célula. Sin estos organelos en todas nuestras  células, estaríamos en serios problemas. Así que muchas gracias mitocondria, gracias por hacer que tengamos suficiente  energía para correr y bailar.

En nuestro siguiente episodio, vamos  a estudiar una de las reacciones más importantes que ocurren en el  planeta Tierra: la fotosíntesis. Pero cuando lleguemos a ese  río hablaremos de ese puente. ¡Nos vemos pronto!

Esta serie fue producida en  colaboración con HHMI BioInteractive. Si eres educador, visita  BioInteractive. org/es/CrashCourse para obtener recursos para el salón  de clases y desarrollo profesional relacionado con los temas tratados en este curso.

Gracias por ver este episodio  de Crash Course Biología, que se hizo con la ayuda de  todas estas personas energéticas. Si quieres ayudar a que Crash  Course sea gratis para todos, por siempre, puedes unirte a  nuestra comunidad en Patreon.