La aparición del oxígeno en la atmósfera terrestre hace aproximadamente 2.400 millones de años (Gran Oxidación) permitió la selección y el desarrollo de estructuras celulares especializadas y organismos multicelulares. La eficiencia energética ofrecida por la respiración aeróbica (que utiliza oxígeno) hizo posible este desarrollo.
El dioxígeno (O₂), la forma molecular del oxígeno gaseoso que respiramos, es indispensable para la mayoría de los organismos vivos porque desempeña un papel central en la producción de energía celular. Este proceso, llamado Respiración Celular Aeróbica, se lleva a cabo principalmente en las mitocondrias de las células eucariotas.
Sin oxígeno, nuestras células no podrían producir eficientemente ATP (adenosina trifosfato), la molécula energética universal que alimenta todas las funciones biológicas.
El oxígeno es el aceptor final de electrones en la cadena de transporte de electrones ubicada en la membrana interna de las mitocondrias. El oxígeno interviene como aceptor final de electrones en la cadena respiratoria, permitiendo la producción de energía a partir de moléculas de Adenosina Trifosfato (ATP).
La producción de ATP (C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃) a partir de glucosa (C₆H₁₂O₆) y dioxígeno (O₂) es un proceso complejo llamado respiración celular aeróbica (30-38 ATP producidos por glucólisis). Sin oxígeno, el rendimiento energético disminuye considerablemente (solo 2 ATP por glucólisis).
¡Esta transformación es la clave del metabolismo energético de los organismos aeróbicos!
La glucosa (C₆H₁₂O₆) es una estructura química rica en electrones (12 enlaces C-H oxidables). Durante su degradación metabólica, los enlaces de la glucosa se rompen, liberando fácilmente electrones para un aceptor como el oxígeno.
Los electrones transferidos al oxígeno (O₂), a través de la cadena respiratoria mitocondrial, generan un gradiente de protones (H⁺). El flujo de H⁺ alimenta la ATP sintasa. O₂ garantiza la evacuación de los e⁻ y el mantenimiento del gradiente.
ATP (C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃)
| Etapa | Ubicación celular | Reactivos / Productos | ATP formados | Coenzimas reducidas | Energía (ΔG, kJ/mol) |
|---|---|---|---|---|---|
| Glucólisis | Citoplasma | C₆H₁₂O₆ → 2 piruvatos | +2 neto (4 formados, 2 consumidos) | 2 NADH | ≈ –85 |
| Descarboxilación oxidativa | Matriz mitocondrial | 2 piruvatos → 2 acetil-CoA + 2 CO₂ | 0 | 2 NADH | ≈ –60 |
| Ciclo de Krebs | Matriz mitocondrial | 2 acetil-CoA → 4 CO₂ | +2 GTP (≈ ATP) | 6 NADH, 2 FADH₂ | ≈ –150 |
| Cadena respiratoria (fosforilación oxidativa) | Membrana interna mitocondrial | NADH, FADH₂ + O₂ → H₂O | +26 a +34 ATP | NAD⁺, FAD regenerados | ≈ –2575 |
| Total para 1 molécula de glucosa | ≈ 30 a 38 ATP | 10 NADH, 2 FADH₂ | ΔG ≈ –2870 kJ/mol | ||
N.B.: El signo menos en ΔG = –2870 kJ/mol indica una variación de potencial termodinámico, específicamente la energía libre de Gibbs, durante la evolución de un sistema químico.
Fuentes: Nelson & Cox (Lehninger, 2021), Berg et al. (Biochemistry, 2019), CRC Handbook (2022), Atkins (2020), NIH ODS (2023).
La privación de oxígeno (hipoxia) conduce rápidamente a disfunciones celulares. Después de solo unos minutos sin oxígeno, las células cerebrales comienzan a morir, lo que explica por qué la asfixia es tan rápidamente mortal.
Los organismos multicelulares estrictamente anaeróbicos son extremadamente raros, ya que la mayoría de los seres multicelulares dependen de la respiración aeróbica para su alta demanda energética. Sin embargo, existen algunas excepciones notables, principalmente en entornos extremos pobres en oxígeno, como Henneguya salminicola (Parásito del salmón), Loricifera (Ecosistemas anóxicos de los fondos marinos), Nematodos de Sedimentos Profundos, Hongos Anaeróbicos.
| Elemento | Símbolo | Porcentaje en masa (%) | Papel(es) fisiológico(s) | Clase |
|---|---|---|---|---|
| Oxígeno | O | 65 | Constituyente del agua y de las moléculas orgánicas, respiración celular | Elemento mayor |
| Carbono | C | 18 | Base de las moléculas orgánicas (carbohidratos, lípidos, aminoácidos, ADN) | Elemento mayor |
| Hidrógeno | H | 10 | Constituyente del agua, equilibrio ácido-base | Elemento mayor |
| Nitrógeno | N | 3 | Aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos (ADN, ARN) | Elemento mayor |
| Calcio | Ca | 1.5 | Estructura ósea, contracción muscular, señalización celular | Macronutriente |
| Fósforo | P | 1.0 | ATP, ADN, huesos, fosfolípidos de membrana | Macronutriente |
| Potasio | K | 0.35 | Equilibrio osmótico, transmisión nerviosa, contracción muscular | Macronutriente |
| Azufre | S | 0.25 | Aminoácidos sulfurados (cisteína, metionina), coenzimas | Macronutriente |
| Sodio | Na | 0.15 | Transmisión nerviosa, presión osmótica, absorción intestinal | Macronutriente |
| Cloro | Cl | 0.15 | Equilibrio hídrico, ácido clorhídrico gástrico (HCl) | Macronutriente |
| Magnesio | Mg | 0.05 | Cofactor enzimático, estabilización del ATP y de las membranas | Macronutriente |
| Hierro | Fe | 0.006 | Hemoglobina, mioglobina, transporte de electrones (citocromos) | Oligoelemento esencial |
| Zinc | Zn | 0.003 | Cofactor enzimático, sistema inmunológico, síntesis de proteínas | Oligoelemento esencial |
| Cobre | Cu | 0.0001 | Enzimas redox, transporte de hierro, producción de energía | Oligoelemento |
| Yodo | I | 0.00002 | Hormonas tiroideas (T3, T4) | Oligoelemento |
| Selenio | Se | trazas | Antioxidantes (glutatión peroxidasa), inmunidad | Oligoelemento |
| Cromo, Manganeso, Molibdeno, Cobalto | Cr, Mn, Mo, Co | trazas | Varios roles catalíticos (enzimas) | Elementos traza |
Fuentes: Nelson & Cox (Lehninger, 2021), EFSA (2023), ANSES (2022), NIH Dietary Supplements (2023), CRC Handbook.
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