Respiración celular: Laboratorio de biología

¿Qué es la respiración celular?

¿Cuánto tiempo tardas en quedarte sin aliento? Ya sea que empiece a jadear solo por subir las escaleras o que pueda aguantar hasta los quince kilómetros de un maratón, quedarse sin aliento es la forma en que su cuerpo le dice que necesita más oxígeno. Cuando pensamos en la respiración, tendemos a pensar en los órganos de nuestro sistema respiratorio, como los pulmones y los alvéolos. Pero la verdadera respiración es mucho más fundamental que eso. La respiración celular es el proceso dependiente del oxígeno en el que las células convierten los compuestos de carbono en energía.

Recuerde que la ‘moneda’ química utilizada por las células para obtener energía es una molécula llamada trifosfato de adenosina o ATP. Aunque el cuerpo genera ATP de más de una forma, la más común es la respiración celular y se produce a través de la oxidación de la glucosa, C6H12O6. Este proceso se puede resumir en la reacción: C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O + energía (ATP).

Es útil pensar en la respiración celular como una serie de pasos. La oxidación de la glucosa comienza en el citoplasma. Durante la glucólisis, la glucosa se descompone en dos moléculas de piruvato y se crean dos moléculas de ATP. Estas moléculas de piruvato se transportan a las mitocondrias, donde se envían a través del ciclo de Krebs y se utilizan para generar algunas moléculas más de ATP. La mayoría de las moléculas de ATP se producen durante el paso final de la respiración celular, la cadena de transporte de electrones, en la que el oxígeno juega un papel vital como aceptor de electrones.

Volviendo a la ecuación resumida, puede ver que por cada molécula de glucosa y un conjunto de seis moléculas de oxígeno que se consumen, se forman seis moléculas de dióxido de carbono.

Medición de la respiración celular

¿Cómo podemos medir este importante proceso en un laboratorio? Comencemos por elegir un buen tema experimental. ¿Qué tipo de células necesitan mucha energía y, por lo tanto, albergarían mucha respiración celular? ¿Qué hay de las células que se dividen rápidamente? Una forma fácil de obtener células que se dividen rápidamente es utilizar semillas que están en proceso de germinación o crecimiento. Para este laboratorio, usaremos semillas de guisantes en germinación.

Podemos medir el oxígeno consumido al germinar semillas de guisantes usando un respirómetro, un sistema que mide los cambios en el volumen de gas. Si colocamos semillas en germinación en un respirómetro, deberíamos poder tener una idea bastante clara de cuánta respiración celular está ocurriendo en esas semillas si lo comparamos con una condición de control.

Los respirómetros pueden ser tecnológicamente bastante complejos, pero se puede hacer un respirómetro bastante simple con una jeringa, un tubo capilar marcado con graduaciones en microlitros o mililitros, algo de algodón y un poco de hidróxido de potasio (KOH). Si sellamos el tubo capilar en la punta de la jeringa (dejando el otro extremo abierto al aire), empaquetamos el extremo del cilindro de la jeringa con algodón, agregamos una gota de KOH y luego colocamos otra capa protectora de limpia, no- algodón absorbente en la parte superior (para evitar que el KOH cáustico entre en contacto con el organismo), hemos creado un bonito respirómetro hermético.

Hagamos tres respirómetros. El primero tendrá 0,5 ml de perlas de vidrio. Esta será nuestra condición de control. Nuestro segundo respirómetro tendrá 0.5 mL de semillas que han sido horneadas para asegurar que estén completamente secas. El tercer respirómetro tendrá 0.5 mL de semillas de guisantes que se han remojado durante la noche en agua tibia para comenzar a germinar.

Colocaremos el émbolo en cada una de las jeringas, las empujaremos hasta que alcancen la marca de 1.0 ml y luego colocaremos cada jeringa en un baño de agua a 20 grados Celsius. Dejaremos que todo alcance el equilibrio durante unos minutos, y luego colocaremos una gota de líquido de color rojo en cada tubo capilar y marcaremos su posición inicial, y volveremos a hundir los respirómetros en el baño de agua, permitiendo que los tubos capilares permanezcan fuera el agua para que podamos leerlos fácilmente. ¿Qué crees que sucederá cuando se produzca la respiración celular?

La respuesta es que las semillas en germinación necesitarán oxígeno. A medida que se consume el oxígeno, se liberará dióxido de carbono. Este dióxido de carbono reaccionará con el KOH mediante la siguiente ecuación: CO2 + 2 KOH -> K2CO3 + H2O.

Esta ecuación muestra que el dióxido de carbono se elimina del aire dentro de la jeringa, formando carbonato de potasio sólido que se deposita en el algodón. Sin dióxido de carbono que ocupe espacio en la jeringa, el oxígeno consumido durante la respiración moverá el líquido a través del tubo capilar hacia la jeringa.

Volviendo a nuestra configuración, ¿qué predice que sucederá en los tres respirómetros? Si tomamos lecturas cada cinco minutos y marcamos el movimiento del líquido en el tubo capilar, deberíamos ver poco o ningún movimiento en los guisantes horneados y un movimiento sustancial en los guisantes en germinación. ¿Y el control? Aunque esperamos no ver ningún movimiento en el respirómetro de control, dado que las perlas de vidrio no están respirando, podríamos ver un cambio en el nivel de líquido en el capilar debido a cambios en la temperatura o la presión del aire alrededor de la configuración experimental. Usaremos cualquier cambio para asegurarnos de tener lecturas precisas en las otras dos condiciones.

Representar gráficamente la respiración

Si hiciéramos un gráfico de lo que ocurrió en cada uno de nuestros respirómetros, ¿qué crees que veríamos? La condición de control, si todo es igual, no debería mostrar ningún cambio. Sin embargo, si es así, tendremos que dar cuenta de esto y corregir las lecturas de los otros dos respirómetros sumando o restando cualquier cambio en el volumen que muestre la condición de control. Las semillas de guisantes horneadas están inactivas; es decir, no sucede nada metabólicamente, por lo que deberían mostrar poco o ningún oxígeno consumido. Y finalmente, esperaría ver una cantidad bastante alta en esos guisantes en germinación y crecimiento.

Para calcular la tasa de respiración para cada condición, debe tomar la cantidad total de oxígeno consumido por la respiración y dividirla por el tiempo del experimento. Una comparación de las tasas de respiración para cada tubo debería indicar que las semillas en germinación muestran una mayor tasa de respiración en comparación con las semillas horneadas.

¿Tiene alguna idea de por qué los guisantes horneados muestran alguna evidencia de respiración? No olvide que el mundo que nos rodea está lleno de vida. Incluso los organismos microscópicos, como las bacterias y las esporas de hongos, necesitan oxígeno para completar la respiración celular, incluso los que están ocupados dividiéndose y creciendo en semillas de guisantes horneadas.

Resumen de la lección

Concluyamos revisando los conceptos principales cubiertos en esta lección. La respiración celular es el proceso dependiente del oxígeno en el que las células convierten los compuestos de carbono en energía. Este proceso es crucial para la vida porque produce trifosfato de adenosina, o ATP, el compuesto que utilizan las células para obtener energía. La ecuación de resumen general para la respiración celular es: C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O + energía (ATP). El proceso tiene lugar en una serie de pasos y concluye con la cadena de transporte de electrones, en la que se utiliza oxígeno para generar la mayor parte del ATP que el cuerpo necesita.

En este laboratorio, podemos medir el oxígeno consumido al germinar semillas de guisantes usando un respirómetro, un sistema que mide los cambios en el volumen de gas. Si colocamos semillas de guisantes en germinación en un simple respirómetro y tomamos medidas para evitar que el CO2 formado interfiera con la capacidad del respirómetro para medir el oxígeno consumido, podemos calcular la tasa de respiración que ocurre en las semillas de guisantes.

Para calcular la tasa de respiración para cada condición, podemos tomar la cantidad total de oxígeno consumida por la respiración y dividirla por el tiempo del experimento. Una comparación de las tasas de respiración entre las semillas de guisantes horneadas que no estaban germinando y las semillas de guisantes germinando mostrará una tasa de respiración celular mucho más alta en las semillas en germinación.

Los resultados del aprendizaje

Después de esta lección, debería tener la capacidad de:

• Definir respiración celular
• Identificar la ecuación general para la respiración celular.
• Resumir cómo medir el oxígeno consumido al germinar semillas de guisantes mediante el uso de un respirómetro
• Explicar los resultados de dicho experimento y cómo calcular la tasa de respiración para las condiciones de la muestra.