Cómo mata un accidente (8): ¿Por qué necesitamos la respiración celular?

En anteriores entregas de la saga hemos repetido hasta la saciedad que, al final, lo que termina por desencadenar el fatídico desenlace tras un politraumatismoes causado en un accidente es un fallo cardiorespiratorio. Es decir, la incapacidad de nuestro cuerpo de llevar oxígeno a todas las células de nuestro organismo. Hoy es el día donde afrontaremos preguntas como ¿por qué necesitamos respirar? La respuesta es la respiración celular.

Fijaos que, en realidad, podríamos titular el artículo con una pregunta aparentemente muy diferente: ¿Por qué necesitamos que el corazón bombee sangre? En realidad, la respuesta es la misma. Como ya indicamos en alguna entrega anterior, el sistema circulatorio no sirve de nada sin la respiración, y viceversa.

Respiración celular

La respuesta es que las células de nuestro cuerpo (en realidad, todas las células, tanto de organismos complejos como muchas bacterias) necesitan un aporte constante de oxígeno para generar la energía que utilizan para realizar sus funciones. Es un proceso que se conoce como respiración celular, y tiene dos partes: el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa.

Es importante notar que el oxigeno no aporta la energía a la célula, procede de los nutrientes que ingerimos (azúcares, grasas, proteínas, etc). Pero la presencia de oxígeno es imprescindible para que dichos nutrientes puedan ser procesados. En particular, el oxígeno es importante en la fosforilación (por eso se llama oxidativa). Eso lo veremos más adelante.

De forma extremadamente sencilla, hay un ciclo de reacciones (el ciclo de Krebs) donde se convierten los nutrientes procedentes de la comida para generar una molécula llamada NADH. Luego, esa molécula se oxida para producir la energía en la forma en que la célula es capaz de utilizarla. Y, para que esa oxidación sea posible, es necesaria la presencia de oxígeno. Los próximos párrafos explican esto mismo con mucho más detalle; si no os queréis complicar la vida, podéis pasar directamente al último párrafo del artículo.

En definitiva, como hemos dicho, el objetivo de la respiración celular es la generación de energía. A nivel celular, la energía se almacena en moléculas que reciben el nombre de adenosina trifosfato (ATP). Cada ATP es como una moneda de energía, cada vez que la célula necesitar hacer algo consume gran cantidad de ATP.

Ciclo de Krebs

El diagrama tan monstruoso que acabo de poner es un esquema simplificado del ciclo de Krebs, para que lo veáis. En esencia, es una cadena de reacciones químicas que se producen de forma cíclica. No vamos a hablar de todas las reacciones, eso sería aburrido e inútil… y de hecho, yo sería incapaz de hacerlo. Sólo hablaremos de los conceptos generales.

Las moléculas están formadas por átomos, como si fueran bloques de construcción (es decir, piezas de lego si queréis poner la marca más conocida). En una reacción química, las moléculas que están presentes (que reciben el nombre de reactivos, o substratos) se desmontan, y las piezas se utilizan para formar moléculas diferentes (los productos de la reacción). Por lo tanto, para que la reacción química se produzca, de entrada es necesario que se encuentren presentes todos los reactivos necesarios.

Una reacción en cadena no es más que una sucesión de reacciones químicas, donde en la primera reacción se crea uno de los reactivos necesarios para la segunda reacción. En la segunda reacción se crea uno de los reactivos necesarios para la tercera reacción. Y así, sucesivamente.

En el caso del ciclo de Krebs, tenemos un total de diez reacciones químicas. Con la particularidad que la décima reacción genera uno de los reactivos necesarios para la primera reacción. Por lo tanto, después de la última se vuelve a producir la primera de nuevo. Y, por eso, se produce un ciclo que gira y gira sin parar.

Fijaos que en cada reacción se necesitan más de un reactivo (dos o tres, en este caso). No obstante, sólo uno de esos reactivos se generan en el paso anterior de la cadena de reacciones. Por lo tanto, para que el ciclo siga rodando, es necesario que esos reactivos estén presentes en el interior de la célula. Entre esos reactivos necesarios que el ciclo consume, destaca el Acetil Conezima A (Acetil-CoA). Esta molécula se forma a través de la metabolización de los nutrientes que ingerimos. Si alguna vez os habéis preguntado por qué es importante comer, la respuesta es que la célula necesita convertir la comida en el Acetil-CoA necesario para sustentar el ciclo de Krebs.

Asimismo, algunas de las diez reacciones químicas producen más de una molécula, cuando sólo una de ellas es consumidas en el siguiente paso del ciclo. Esas moléculas restantes son el resultado neto del ciclo, y se liberan a la célula. Algunas de esas moléculas sobrantes son residuos, como el CO₂ que espiramos. Pero otras moléculas resultantes son especialmente útiles. El ejemplo más claro es la Nicotinamida adenina dinucleido (NADH), que es la molécula necesaria para que se produzca la Fosforilación oxidativa.

Fosforilación oxidativa

Como acabamos de decir, una de las moléculas que se genera en cada vuelta del ciclo de Krebs es la NADH. Esta es una molécula que contiene bastante energía. El NADH se forma en la última reacción del ciclo de Krebs a partir de la molécula iónica NAD⁺. El signo positivo indica que es un ión con carga positiva, es decir, que le falta un electrón. Durante el ciclo de Krebs, el NAD⁺ recibe un electrón extra para volverse neutro, y formar el NADH.

Pues bien, ese electrón que se ha insertado en el ión a la fuerza almacena bastante energía, el equivalente a varios ATP. La fosforilación oxidativa consiste en volver a retirar ese electrón del NADH, y utilizar esa energía para formar ATP. Ese electrón tiene que ir a alguna parte, a lo que llamamos un receptor de electrones.

El proceso de quitar un electrón de una molécula para pasarlo a otra recibe el nombre de oxidación. Y el oxígeno se llama oxígeno porque es la molécula que mejor oxida. Es decir, para que todo esto sea posible, es necesario que haya oxígeno en la célula. Y ahí es donde entra el sistema cardiorespiratorio. Si no hay oxígeno, no hay fosforilación oxidativa.

Nuestras células son capaces de producir ATP a partir del NADH a través de procesos diferentes a la fosforilación, por ejemplo la fermentación (el mismo proceso que las bacterias del vino utilizan para convertir el azúcar en alcohol; o que usan las bacterias del yogur para transformar la leche). No obstante, no son tan eficientes porque, como hemos dicho, el oxigeno es el mejor oxidando.

La célula tiene un mecanismo muy ingenioso para realizar esta transferencia de electrones. Hay proteínas atravesadas en la membrana interna de las mitocondrias que forman como una especie de túnel por el que pueden ser transportados los electrones del NADH (que queda oxidado a NAD⁺, que puede volver a ser utilizado en el ciclo de Krebs) al oxígeno. Al lado de esta gran proteína que realiza el transporte de electrones, hay otra que utiliza la energía liberada para crear el ATP. De esta forma, la mitocondria es la gran central eléctrica de la célula.

Un inciso: seguramente habréis oído hablar del ejercicio aeróbico y anaeróbico. Está relacionado con lo que estamos diciendo. El primero es aquél ejercicio que puede ser efectuado únicamente con la energía procedente de la fosforilación oxidativa. El segundo es un ejercicio tan intenso que requiere más energía de la que se puede crear de esta forma (porque no somos capaces de respirar todo el oxígeno necesario). En el ejercicio anaeróbico entran las vías metabólicas alternativas, como la fermentación, pero al ser más ineficientes no pueden mantenerse durante mucho tiempo.

En general, se calcula que el 90% de la energía de la célula se forma a partir de la fosforilación oxidativa, que obviamente sólo es posible si hay oxígeno. Como veis, si el suministro de oxígeno a la célula es insuficiente, rápidamente se producirá un grave déficit energético que hará que la célula colapse en poco tiempo. Este es el shock respiratorio, que ya mencionamos en entradas anteriores como el proceso final que ocurre en nuestro cuerpo cuando se desencadena el fallecimiento. Será el protagonista del siguiente (y penúltimo) artículo de esta larga serie.

Asesoramiento | Dr. Josep Serra
Fotos | db_in_uk, Qwertyytrewqqwerty, Richard Wheeler