Respirația celulară este procesul prin care organismele vii obțin energie din alimente. Există două metode principale. Respirația aerobă – folosită de toate formele de viață multicelulare și unele unicelulare – folosește oxigenul din atmosferă sau dizolvat în apă, ca parte a unui proces complex care eliberează și stochează energie. Respirația anaerobă este utilizată de o varietate de organisme unicelulare și nu implică oxigen necombinat.
Apariția respirației aerobe
Primele forme de viață de pe Pământ au apărut într-o lume lipsită de oxigen liber. Au folosit procese anaerobe pentru a se asigura de energie. La un moment dat, încă de la începutul istoriei Pământului, au evoluat organisme care au folosit fotosinteza pentru a produce molecule de zahăr folosind dioxid de carbon, obținut din atmosferă și apă. Zahărul a servit ca sursă de energie, iar procesul a produs oxigen ca produs secundar. Oxigenul a fost toxic pentru multe organisme anaerobe, dar unele au evoluat pentru a-l folosi într-un nou tip de respirație care de fapt a furnizat mult mai multă energie decât procesul anaerob.
Cele mai timpurii forme de viață constau din celule care nu aveau nuclei sau alte structuri bine definite. Acestea sunt cunoscute sub numele de procariote și cuprind organisme precum bacteriile și cianobacteriile, cunoscute și sub numele de alge albastre-verzi. Mai târziu, au apărut celule cu nuclei și alte structuri; acestea sunt cunoscute ca eucariote. Acestea includ unele organisme unicelulare și toate organisme multicelulare, cum ar fi plantele și animalele. Toate eucariotele și unele procariote folosesc respirația aerobă.
Cum funcționează respirația aerobă
Celulele stochează energie într-o moleculă numită adenozin trifosfat (ATP). Acest compus conține trei grupe fosfat (PO4), dar poate elibera energie prin pierderea uneia dintre acestea pentru a forma adenozin difosfat (ADP). În schimb, ADP poate câștiga o grupare fosfat pentru a deveni ATP, stocând astfel energie.
O altă moleculă importantă este nicotinamida adenin dinucleotida. Poate exista sub două forme: NAD+, care poate accepta doi electroni și un ion de hidrogen (H+) pentru a forma NADH, care poate da electroni altor molecule. Compusul este folosit în respirație pentru a transporta electroni dintr-un loc în altul.
Punctul de pornire pentru respirație este glucoza (C6H12O6), unul dintre cei mai simpli carbohidrați. Moleculele de zahăr mai complexe din alimente sunt mai întâi descompuse în acest compus. Glucoza este, la rândul său, descompusă printr-un proces numit glicoliză, care are loc în citoplasmă, sau fluidul celular, și este comună atât respirației anaerobe, cât și aerobe.
glicoliză
Procesul de glicoliză folosește două molecule de ATP pentru a transforma glucoza, care are șase atomi de carbon, în două molecule de trei atomi de carbon dintr-un compus numit piruvat într-o serie de pași. Până la sfârșitul acestui proces, sunt produse patru molecule de ATP, astfel încât există un câștig total de doi ATP, ceea ce reprezintă un câștig în energia stocată. Glicoliza are ca rezultat, de asemenea, două molecule NAD+ care iau fiecare doi electroni și un ion de hidrogen din glucoză pentru a forma NADH. În general, prin urmare, glicoliza are ca rezultat două molecule de piruvat, două de ATP și două de NADH.
În celulele eucariote, etapele rămase ale respirației aerobe au loc în structuri cunoscute sub numele de mitocondrii. Se crede că aceste organe minuscule au fost cândva organisme independente care au fost încorporate în celule la un moment dat în trecutul îndepărtat. Fiecare moleculă de piruvat este convertită, cu ajutorul NAD+, într-un compus numit acetil coA, pierzând un carbon și doi atomi de oxigen pentru a forma dioxid de carbon ca produs rezidual și formând o altă moleculă de NADH.
Ciclul Krebs
Următoarea etapă se numește ciclul Krebs, cunoscut și sub numele de acid tricarboxilic (TCA) sau ciclu al acidului citric. Acetil-coA din piruvat se combină cu un compus numit oxaolacetat pentru a produce citrat, sau acid citric, care, într-o serie de etape care implică NAD+, produce ATP, precum și NADH și o altă moleculă numită FADH2, care are o funcție similară. Acest lucru duce la transformarea acidului citric înapoi în oxalacetat pentru a începe din nou ciclul. Fiecare ciclu finalizat produce două molecule de ATP, opt de NADH și două de FADH2 din două molecule de piruvat.
Fosforilarea transportului de electroni
Etapa finală este cunoscută sub denumirea de fosforilare cu transport de electroni sau fosforilare oxidativă. În acest moment al procesului, electronii transportați de NADH și FADH2 sunt utilizați pentru a furniza energia necesară pentru a atașa grupările de fosfat la moleculele ADP pentru a produce până la 32 de molecule de ATP. Aceasta are loc la nivelul membranei mitocondriale printr-o serie de cinci proteine, prin care electronii sunt transportați. Oxigenul, care acceptă cu ușurință electronii, este necesar pentru a-i elimina la sfârșitul procesului. Oxigenul se combină apoi cu ionii de hidrogen eliberați din NADH pentru a forma apă.
Eficiență
În general, procesul de respirație aerobă poate produce, teoretic, până la 36 de molecule de ATP care stochează energie pentru fiecare moleculă de glucoză, în comparație cu doar două pentru respirația anaerobă, ceea ce îl face un proces mult mai eficient din punct de vedere energetic. În practică, totuși, se crede că în mod obișnuit sunt produse aproximativ 31 sau 32 de molecule de ATP, deoarece alte reacții pot avea loc în etapele finale. Deși acest proces este o modalitate foarte eficientă de producere și stocare a energiei, el produce și cantități mici de forme foarte reactive de oxigen, cunoscute sub numele de peroxizi și superoxizi. Acestea sunt potențial dăunătoare pentru celule și se consideră de către unii oameni de știință că ar putea fi implicate în îmbătrânire și în unele boli.