¿Por qué inhalamos oxígeno y exhalamos dióxido de carbono?

Respuesta corta y larga, ¿estás listo?

La respuesta corta es que inhalas oxígeno porque necesitas oxígeno para algunos procesos biológicos. Una bastante importante es la producción de ATP, la energía que todas nuestras células usan. En el proceso, se usan electrones y el oxígeno tiene una gran afinidad por los electrones. Los productos de desecho de este proceso son dióxido de carbono y agua, en diferentes pasos a lo largo del camino

La respuesta larga necesita algunas imágenes (Dios mío, amo las imágenes). Esta es una respuesta seriamente larga y explicará la producción de ATP. El CO2 está involucrado en el ciclo del ácido cítrico y el agua está involucrada en la cadena de transporte de electrones.

¿Sabes cómo comemos para vivir? Bueno, ahí es donde comienza. La principal fuente de energía que obtenemos de los alimentos es el azúcar, más específicamente la glucosa. Ahora las cosas se ponen un poco originales, así que tengan paciencia conmigo. La glucosa debe desglosarse en pasos. Esto tiene que hacerse lentamente porque la glucosa contiene mucha energía y no queremos volar cosas.

Paso 1: glucólisis

Las moléculas de glucosa se descomponen en dos moléculas de piruvato. Se necesitan 10 pasos para pasar de la glucosa a los piruvatos. Todo esto sucede en el citosol, que es todo el fluido dentro de una célula entre los orgánulos.

La gran molécula de glucosa de 6 carbonos primero necesita dividirse en dos moléculas más pequeñas de 3 carbonos (fosfogliceraldehído, PGAL), esta división usa ATP. Puede parecer contraproducente ya que estamos tratando de hacer ATP, pero la inversión dará sus frutos. Cada reacción de cinasa utiliza un ATP y los pasos 1 y 3 lo requieren, por lo que se utilizan un total de 2 ATP para dividir la glucosa en las moléculas PGAL más pequeñas.

Estas moléculas de PGAL luego se transforman en piruvato, y durante ese proceso dos ADP se convierten en ATP por una reacción de cinasa (en los pasos 7 y 10). Como tenemos 2 PGAL, creamos 4 ATP (así que ganamos 2 porque usamos 2 antes).

Por lo tanto, todo el proceso utiliza glucosa y 2 ATP y luego produce 2 piruvatos, 2 NADH y 4 ATP. La ganancia neta es de 2 ATP, la inversión pagada desde que la doblamos.

Paso 2: oxidación de piruvato / descarboxilación / piruvato deshidrogenasa

En el último paso, nos quedamos con piruvato después de separar la glucosa; de hecho, tenemos dos moléculas de piruvato para cada modelo de glucosa. El siguiente paso es la oxidación de piruvato, que tiene lugar dentro de las mitocondrias. Recuerde el famoso dicho: “Las mitocondrias son las potencias de la célula “. Llegaremos pronto. La transformación tiene lugar en unos pocos pasos.

• El primer paso es romper una molécula de carbono, este carbono lleva consigo dos oxígenos (por lo que se elimina el CO2).
• En el segundo paso, la molécula de 2 carbonos que queda se oxida (los electrones se pierden), estos electrones son recogidos por el NAD + convirtiéndolo en NADH.
• La molécula de 2 carbonos está unida a la Coenzima-A, esto la convierte en Acetil CoA. Esto es solo una molécula transportadora para llevar al grupo de 2 carbonos al próximo paso.

A partir de una molécula de glucosa se fabrican dos moléculas de piruvato, que se convierten en dos moléculas de acetil-CoA. Dos carbonos se liberan como dióxido de carbono, estos son 2 carbonos de los seis originales en glucosa. Por último, dos NADH se producen a partir de NAD +.

Paso 3: El ciclo del ácido cítrico / ciclo de Krebs / ácido tricarboxílico (TCA)

Este ciclo (sea cual sea el nombre que elija) es un paso esencial en el proceso. Toma el Acetil-CoA producido en el último paso y exprime cada poquito de energía potencial que puede. Al igual que el último paso, este proceso tiene lugar en la matriz de las mitocondrias. Se llama ciclo por una razón, porque es un ciclo cerrado. La última parte reforma la molécula utilizada en el primer paso.

1. En la primera etapa, la acetil-CoA se combina con oxaloacetato (una molécula de 4 carbonos) en el citrato de la molécula de 6 carbonos (de ahí el nombre).
2. En un proceso de dos etapas, se elimina una molécula de agua y se vuelve a agregar al citrato para convertirlo en isocitrato.
3. Luego, en una serie de reacciones, se rompe de dos moléculas de carbono, que se liberan como dióxido de carbono. Esto sucede de manera similar a la Oxidación de piruvato con la ayuda de NAD +. Esta parte del ciclo tiene una función reguladora, las enzimas que lo hacen pueden acelerar o ralentizar dependiendo de las necesidades energéticas. En el tercer paso, nos queda una molécula de 5 carbonos llamada a-cetoglutarato.
4. En la etapa 4 tenemos una repetición de la etapa 3, donde se crea una molécula de 4 carbonos, que nuevamente se conecta a la coenzima A para formar succinil-CoA .
5. Ahora nos queda la molécula de 4 carbonos de succinil-CoA. La parte CoA es reemplazada por un grupo fosfato, y el grupo fosfato se transfiere inmediatamente a ADP para producir ATP. Algunas células también usan Guanina en lugar de Adenosina, convirtiendo el PIB en GTP. Estos dos son básicamente los mismos, portadores de energía. Lo que queda de Succinyl ahora es Succinate.
6. Estamos trabajando con Succinate ahora y en la etapa 6 se oxida en fumarato, pierde 2 H +. Los átomos de hidrógeno se transfieren a FAD, convirtiéndolo en FADH2. Se usa FAD en lugar de NAD + porque a Succinate no le gusta regalar electrones. FAD tiene una mayor afinidad electrónica y es capaz de obtenerlos de Succinate, NAD + no es lo suficientemente fuerte. La producción de FADH2 es realizada por una enzima integrada en la membrana interna de las mitocondrias, por lo que los electrones van directamente a la cadena de transporte de electrones.
7. En la etapa 7, se agrega agua al fumarato, convirtiéndolo en malato.
8. Etapa 8 Oxida el malato usando NAD + nuevamente, esto da como resultado Oxaloacetato la molécula que agregamos en el primer paso.

Por acetil-CoA

• En cada ciclo, dos carbonos entran con Acetil-CoA, dos moléculas de Dióxido de Carbono se liberan en el proceso (en los pasos 3 y 4).
• Se forman tres moléculas de NADH (en los pasos 3, 4 y 8) y una molécula de FADH2 (en el paso 6).
• Se produce una molécula de ATP / GTP (en el paso 5).

Per Glucose (se producen dos acetil-CoA)

• 4 CO2
• 6 NADH
• 2 FADH2
• 2 ATP / GTP

Paso 4: fosforilación oxidativa

Desde el último paso tenemos bastantes moléculas NADH y FADH2, el ATP real producido por el Ciclo de Ácido Cítrico no es mucho, pero las moléculas importantes son, de hecho, esta abundancia de NADH y FADH2. Esto es lo que vamos a usar en el último paso, la fosforilación oxidativa. Este es en realidad un proceso de dos etapas que consiste en la cadena de transporte de electrones y la quimiiosmosis .

Cadena de transporte de electrones

La cadena de transporte de electrones está compuesta de varias proteínas y moléculas orgánicas que están incrustadas en la membrana de las mitocondrias. Estas proteínas se agrupan en complejos , cuatro de ellos en este caso.

Comenzamos con las moléculas NADH y FADH2 que se crearon en el paso anterior. Estos son los que obtenemos a través de la glucólisis, la oxidación de piruvato y luego el ciclo del ácido cítrico.

1. En el complejo 1, NADH transfiere sus electrones, volviendo a convertirse en NAD + y H + que se mueve al espacio intermembrana. Los electrones se transfieren a ubiquinona (Q). FADH2 mantiene sus electrones un poco más ajustados (tienen un nivel de energía más bajo), por lo que el complejo 1 no puede hacer nada con él, sino transmitirlo.
2. En el Complejo 2 sucede lo mismo con FADH2 usando la misma enzima que lo hizo durante el ciclo cítrico. Los electrones se toman y pasan a ubiquinona (Q) a través de proteínas de hierro y azufre.
3. Los electrones están ahora en ubiquinona (Q), que en el proceso se ha convertido en QH2 y viaja a través de la membrana para entregar los electrones al complejo 3. El complejo 3 usa la energía para bombear más H + en el espacio intermembrana.
4. Los electrones se transmiten a otro portador: el citocromo C (Cyt C), transportándolos al complejo 4. El complejo 4 hace un buen uso del gradiente y bombea un poco más de H + a través de la membrana. Los electrones eventualmente terminan unidos al O2 que se divide en átomos de oxígeno separados. Los átomos de oxígeno separados necesitan Hidrógeno para compartir un protón, y como sabemos que el oxígeno más el hidrógeno es igual al agua (buena H2O).

Entonces, lo que ocurre es que NADH y FADH2 se vuelven a convertir en NAD + y FAD, lo necesitamos porque son necesarios en la glucólisis y en el ciclo del ácido cítrico. Si no se rechazaran, no habría ninguno disponible para los ciclos anteriores y todo se derrumba.

En segundo lugar, se crea un gradiente, H + se bombea al espacio intermembrana cambiando las concentraciones y creando energía almacenada para ser utilizada posteriormente. Es como cerrar un juguete, la bobina almacena energía para ser lanzada más tarde.

El producto “desperdiciado” es agua; El oxígeno se utiliza porque tiene una gran afinidad por los electrones. Es por eso que respiramos, necesitamos oxígeno para eliminar los electrones al final. Si no hay oxígeno para recoger los electrones, la cadena termina, la producción se detiene y la producción de energía se detiene.

Chemiosmosis

En la primera etapa, el complejo de proteínas 1, 2 y 3 bombea activamente H + al espacio intermembrana. Con esta diferencia en la concentración de H +, se crea un gradiente, también llamado fuerza protónica-motriz (el hidrógeno / H + se llaman protones). Debido al gradiente H + quiere regresar a la matriz, como una pelota quiere moverse cuesta abajo. Pero la membrana no permitirá que el H + se vaya, solo hay un camino que puede tomar. Una proteína llamada ATP sintasa forma un canal a través de la membrana. De manera similar a como una presa hidroeléctrica usa la fuerza del agua, la proteína ATP sintasa usa el flujo de H +. El proceso de usar un gradiente de protones para hacer algo se llama quimiosmosis (de ahí el nombre).

Cuando H + fluye a través de la proteína, la parte superior (asomándose al espacio intermembrana) gira, la base (dentro de la matriz) permanece estacionaria. Girando la parte interna dentro de la base, agarra ADP y le agrega un fosfato. En cierto sentido, el ADP se energiza como ATP (se pasa de di-fosfato a tri-fosfato). Por cada 4 iones H + que fluyen a través del canal, una sola molécula ADP se convierte en ATP.

Esta es la razón por la cual las mitocondrias son llamadas “potencias de la célula” , esta es casi una descripción bastante literal de lo que está sucediendo. Así como una presa hidroeléctrica genera energía para una ciudad, la ATP sintasa crea la energía utilizada por todo.

ATP Synthase es un verdadero monstruo ATP, que produce más del 80% del rendimiento de ATP que se obtiene al descomponer la glucosa. De esta forma, cada molécula de glucosa produce 26-28 ATP adicionales mediante el uso del gradiente creado por NADH y FADH2. El gran total de ATP producido para cada molécula de glucosa es aproximadamente de 30-32 ATP.

• Se hacen dos ATP en Glycolysis y dos más se hacen durante el ciclo de ácido cítrico. El resto proviene de NADH y FADH2 convertidos en ATP sintasa. Cuando NADH se mueve a través de la cadena de transporte, se bombean alrededor de 10 iones H + a través de la membrana, por lo que para cada NADH se puede hacer 2.5 ATP (10/4 = 2.5).
• FADH2 ingresa a la cadena un poco más tarde (durante el complejo 2), por lo que fallaron en la primera bomba. FADH2 conduce a 6 H + bombeados a través de la membrana. Por lo tanto, para cada FADH2 se pueden obtener aproximadamente 1,5 ATP (6/4 = 1,5).

Esta es la razón por la que todo lo que NADH y FADH2 dan sus frutos, aquí es de donde proviene la mayoría del eventual ATP. Controla la bomba de protones (H +) que establece el gradiente de ATP sintasa.

El rendimiento de la glucólisis no es exacto, puede ser de 3 o 5. Esto se debe a que la glucólisis ocurre en el citosol y el NADH no puede pasar a través de la membrana hacia la mitocondria. Debido a que no puede entregar los electrones al complejo 1, necesita un intermediario, un sistema de lanzadera.

• Algunas células se lo pasan a FADH2 dentro de la membrana mitocondrial interna, esto resulta en 3 ATP (2 NADH -> 2FADH2 -> 12 H + -> 3 ATP).
• Otras células usan NADH dentro de la membrana mitocondrial interna, dando como resultado 5 ATP (2 NADH -> 2NADH -> 20 H + -> 5 ATP).

30-32 ATP es el límite superior de la estimación, en realidad es probablemente más bajo. A veces, los intermedios se desvían para ser utilizados por otros sistemas biológicos, la producción de ATP no es más que un proceso de muchos.

Este es el proceso completo en el que la glucosa se convierte en energía que una célula puede usar. El oxígeno es vital ya que es el receptor de los electrones utilizados en el proceso. Sin oxígeno, el proceso se detiene y no obtienes energía. El producto de desecho es dióxido de carbono y agua, donde el oxígeno se une a un carbono o dos de hidrógeno (no podemos tenerlos volando por sí solos, ¿verdad?).

Entonces respiras para vivir, porque necesitas el oxígeno para convertir la glucosa en energía. Sin oxígeno, la producción se detiene. El dióxido de carbono es el producto de desecho de este proceso.