Respirația celulară aerobă: glicoliză, ciclul Krebs, lanțul respirator

Respirația celulară aerobă este procesul prin care celula descompune glucoza în prezența oxigenului până la CO₂ și apă, eliberând energie stocată sub formă de ATP. Are trei etape: glicoliza (în citoplasmă), ciclul Krebs (în matricea mitocondrială) și lanțul respirator (pe membrana internă a mitocondriei). La BAC biologie se cer, de obicei, localizarea etapelor, ecuația, comparația cu fermentațiile și legătura cu fotosinteza.

Ce este respirația celulară și ecuația ei

Mulți elevi confundă respirația celulară cu respirația pulmonară. Ventilația pulmonară (inspirație–expirație) doar aduce oxigenul și elimină CO₂. Respirația celulară este procesul biochimic din fiecare celulă, în care oxigenul este efectiv folosit pentru a „arde” controlat substanțele organice. O fac toate organismele aerobe: animale, plante, ciuperci, multe bacterii.

Ecuația generală:

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

Diferența față de o ardere obișnuită: energia nu se eliberează brusc, ci treptat, în multe reacții catalizate de enzime. O parte este captată în molecule de ATP (adenozintrifosfat), „moneda energetică” a celulei, iar restul se pierde sub formă de căldură — la animalele homeoterme, această căldură contribuie la menținerea temperaturii corpului.

Etapa 1: glicoliza, în citoplasmă

Glicoliza are loc în citoplasmă (hialoplasmă) și nu necesită oxigen — de aceea este comună respirației aerobe și fermentațiilor.

• O moleculă de glucoză (6 atomi de carbon) este scindată, printr-o serie de reacții enzimatice, în două molecule de acid piruvic (piruvat), fiecare cu 3 atomi de carbon.
• Câștigul net este de 2 ATP (se consumă 2 la început și se produc 4) și de 2 NADH, transportori de hidrogen care vor ceda electronii în lanțul respirator.

Ce se întâmplă mai departe cu piruvatul depinde de prezența oxigenului: în condiții aerobe intră în mitocondrie; în condiții anaerobe rămâne în citoplasmă și este transformat prin fermentație.

Etapa 2: formarea acetil-CoA și ciclul Krebs

Piruvatul pătrunde în matricea mitocondrială, unde pierde un atom de carbon sub formă de CO₂ și se transformă în acetil-coenzima A (acetil-CoA, cu 2 atomi de carbon). Este prima etapă în care se eliberează CO₂.

Acetil-CoA intră apoi în ciclul Krebs (ciclul acizilor tricarboxilici), o succesiune circulară de reacții în care gruparea acetil este oxidată complet. La fiecare „tură” a ciclului:

• se eliberează 2 molecule de CO₂;
• se formează transportori de electroni încărcați: 3 NADH și 1 FADH₂;
• se produce direct 1 ATP.

Cum dintr-o glucoză rezultă două molecule de acetil-CoA, ciclul se parcurge de două ori pentru fiecare moleculă de glucoză. Socotind și decarboxilarea piruvatului, se obțin în total 6 CO₂ — exact cât apare în ecuație. CO₂-ul ajunge în sânge și este eliminat prin plămâni.

Etapa 3: lanțul respirator (lanțul transportor de electroni)

Lanțul respirator se află pe membrana internă a mitocondriei, cutată sub formă de criste — cutele măresc suprafața pe care se pot desfășura reacțiile. Aici:

• NADH și FADH₂ cedează electronii unei serii de transportori din membrană;
• energia eliberată pe măsură ce electronii trec de la un transportor la altul este folosită pentru sinteza de ATP (fosforilarea oxidativă);
• la capătul lanțului, oxigenul este acceptorul final al electronilor și, împreună cu protonii, formează apă.

Aici se produce cea mai mare parte a ATP-ului. Fără oxigen, lanțul se blochează, transportorii rămân încărcați, iar ciclul Krebs se oprește și el. Iată de ce oxigenul este indispensabil: nu pentru glicoliză, ci pentru ultima etapă.

Bilanțul energetic: câte molecule de ATP?

În manualele românești, bilanțul clasic pentru oxidarea completă a unei molecule de glucoză este de 38 de molecule de ATP: 2 din glicoliză, 2 din cele două ture ale ciclului Krebs și 34 din lanțul respirator. Unele surse moderne dau valori mai mici (în jur de 30–32), pentru că o parte din energie se consumă la transportul substanțelor prin membranele mitocondriale. Pentru BAC, folosește valoarea din manualul și din baremul după care te pregătești și reține ideea esențială: respirația aerobă produce de aproximativ 19 ori mai mult ATP decât fermentația (38 față de 2).

Respirația aerobă vs. fermentațiile

În lipsa oxigenului, multe celule obțin energie doar din glicoliză, iar piruvatul este transformat prin fermentație, pentru a regenera transportorii necesari continuării glicolizei:

• fermentația alcoolică — la drojdii: glucoza → alcool etilic + CO₂; este folosită la obținerea vinului, berii și la dospirea aluatului;
• fermentația lactică — la bacteriile lactice (iaurt, murături) și în fibrele musculare care lucrează intens, cu aport insuficient de oxigen: glucoza → acid lactic.

Acumularea acidului lactic în mușchi este asociată în manuale cu oboseala musculară — legătura cu sistemul muscular și contracția musculară apare des în itemii de tip „explicați”.

Cum se demonstrează respirația și greșeli frecvente

Două experimente simple apar în manuale: semințele aflate în germinație, închise într-un vas, eliberează CO₂, care tulbură apa de var; iar într-un termos cu semințe care germinează, temperatura crește — dovadă că o parte din energia eliberată este căldură.

Greșelile care costă puncte:

• „Plantele nu respiră, ele fac fotosinteză.” Plantele respiră continuu, zi și noapte; vezi comparația din articolul despre fotosinteză.
• „Glicoliza are loc în mitocondrie.” Are loc în citoplasmă.
• „Oxigenul este folosit în ciclul Krebs.” Oxigenul intervine doar la capătul lanțului respirator, ca acceptor final de electroni.
• „Energia se produce în respirație.” Energia nu se produce, ci se eliberează din substanțele organice și se stochează în ATP.

Pentru structura mitocondriei și a celorlalte organite, citește celula eucariotă: structură și organite celulare.