Respirația celulară: cum obțin celulele energie din hrană

Respirația celulară este procesul prin care fiecare celulă a corpului extrage energie din hrană. Nu are nimic de-a face cu respirația pe care o simți când tragi aer în piept, deși cele două sunt legate: plămânii aduc oxigenul, iar celulele îl folosesc pentru a "arde" lent zaharurile. Rezultatul nu este foc, ci o monedă energetică numită ATP, pe care celula o cheltuiește pentru tot ce face.

Mai jos urmărești drumul unei molecule de glucoză prin celulă, afli rolul mitocondriilor și vezi ce se întâmplă atunci când oxigenul lipsește, de la mușchii obosiți la aluatul care crește.

Ce este ATP-ul și de ce are nevoie celula de el?

ATP-ul (adenozintrifosfat) este molecula care transportă energia imediat utilizabilă în celulă. Are trei grupări fosfat, iar când ultima se desprinde se eliberează energie, ca la desfacerea unui resort. Rămâne ADP, care poate fi "reîncărcat" cu un fosfat nou, în respirația celulară.

Celula folosește ATP-ul pentru contracția mușchilor, transportul activ al substanțelor prin membrană, transmiterea impulsurilor nervoase și fabricarea moleculelor noi. Un om are la un moment dat doar câteva zeci de grame de ATP, dar îl reciclează continuu; în decursul unei zile, cantitatea prelucrată ajunge la o masă apropiată de cea a corpului.

Spre deosebire de glucoză, care este ca un lingou de aur, ATP-ul este ca moneda măruntă: mai puțină energie într-o unitate, dar acceptată peste tot și gata de plată.

Care este ecuația respirației celulare?

Respirația aerobă transformă glucoza și oxigenul în dioxid de carbon, apă și energie. Ecuația este aproape inversa celei de la fotosinteză, ceea ce nu e o coincidență.

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + energie (ATP și căldură)

Plantele și animalele își completează reciproc ciclul: plantele fabrică glucoză și oxigen, animalele le consumă și eliberează CO₂ și apă. Detaliile părții pe care o fac plantele sunt în articolul despre fotosinteză. Important: și plantele respiră. Ziua, fotosinteza produce mai mult oxigen decât consumă respirația, de aceea par să "elibereze doar oxigen".

Cele trei etape ale respirației celulare

Respirația aerobă are trei etape consecutive, iar fiecare se petrece într-un alt loc din celulă.

Glicoliza: primul pas, fără oxigen

Glicoliza rupe molecula de glucoză în două molecule mai mici, de piruvat, și câștigă o cantitate mică de ATP. Este un proces foarte vechi, prezent la aproape toate organismele, și nu cere oxigen, ceea ce arată că a apărut când atmosfera Pământului nu avea încă oxigen liber.

Ciclul Krebs și lanțul respirator: locul mitocondriei

Ciclul Krebs, numit după Hans Krebs, descompune piruvatul până la dioxid de carbon și încarcă niște molecule transportoare, NADH și FADH₂, cu electroni bogați în energie. Aceștia sunt predați lanțului respirator, un șir de proteine din membrana mitocondriei. Pe măsură ce electronii "coboară" prin lanț, proteinele pompează protoni de o parte a membranei. Protonii se întorc printr-o enzimă numită ATP-sintază, care se rotește ca o turbină și fabrică ATP.

La capătul lanțului, oxigenul primește electronii și se combină cu protoni, formând apă. Aici se află rolul real al oxigenului: este acceptorul final al electronilor. Fără el, lanțul se blochează.

Câtă energie se obține?

O moleculă de glucoză oxidată complet produce, după estimările uzuale din manuale, aproximativ 30–32 de molecule de ATP, din care doar 2 vin din glicoliză. Valoarea exactă variază în funcție de tip de celulă și de condiții, de aceea manualele mai vechi dau cifre diferite.

Restul energiei se pierde sub formă de căldură, ceea ce are un rol util pentru mamifere și păsări: temperatura constantă a corpului vine în mare parte din această "pierdere". La animalele care hibernează, o celulă specială numită grăsime brună produce intenționat mai multă căldură decât ATP.

Ce se întâmplă fără oxigen: fermentația

Atunci când oxigenul lipsește, celulele pot continua doar cu glicoliza, completată de fermentație. Fermentația nu produce multă energie, dar regenerează purtătorii necesari ca glicoliza să nu se oprească.

• Fermentația lactică: piruvatul devine acid lactic. Apare în mușchii care lucrează intens și în bacteriile care transformă laptele în iaurt sau varza în murături.
• Fermentația alcoolică: piruvatul devine alcool etilic și CO₂. O fac drojdiile, iar bulele de CO₂ fac aluatul să crească, în timp ce alcoolul din pâine se evaporă la coacere.

Fermentația produce doar 2 molecule de ATP per glucoză, adică mult mai puțin decât respirația aerobă. De aceea sprinterii obosesc rapid, iar alergătorii de cursă lungă depind de metabolismul cu oxigen. Rolul drojdiilor și al bacteriilor este discutat în articolul despre microorganisme.

Atenție: acidul lactic nu este cauza febrei musculare de a doua zi. Durerea apare din microleziuni ale fibrelor, iar lactatul este eliminat sau reciclat în ficat în ore.

De ce contează mitocondriile?

Mitocondriile sunt "centralele energetice" ale celulei, iar numărul lor arată cât de mult consumă țesutul respectiv. O celulă din mușchiul inimii poate avea mii de mitocondrii, în timp ce o celulă din piele are mult mai puține. Mitocondriile au propriul ADN și se înmulțesc singure, un indiciu că provin din bacterii preluate în celule în trecutul îndepărtat. Structura întregii celule este descrisă în articolul despre celulă, iar o imagine de ansamblu asupra vieții găsești în ghidul principal de biologie. Dacă te interesează partea de fizică, transformările de energie de mai sus sunt un caz particular al legii conservării energiei.