La respirazione aerobica

Definizione

La respirazione aerobica è il processo attraverso il quale gli organismi usano l’ossigeno per trasformare il carburante, come grassi e zuccheri, in energia chimica. Al contrario, la respirazione anaerobica non usa ossigeno.

La respirazione è usata da tutte le cellule per trasformare il combustibile in energia che può essere usata per alimentare i processi cellulari. Il prodotto della respirazione è una molecola chiamata adenosina trifosfato (ATP), che usa l’energia immagazzinata nei suoi legami fosfato per alimentare le reazioni chimiche. Viene spesso definita la “moneta” della cellula.

La respirazione aerobica è molto più efficiente, e produce ATP molto più rapidamente, della respirazione anaerobica. Questo perché l’ossigeno è un eccellente accettore di elettroni per le reazioni chimiche coinvolte nella generazione di ATP.

Aerobica vs Anaerobica

Similitudini

Sono entrambi metodi per generare energia. Inoltre, entrambi iniziano nello stesso modo, con il processo di glicolisi. “Glicolisi” significa letteralmente “scissione dello zucchero”, e comporta la rottura di una molecola di zucchero in due molecole più piccole.

Nel processo di glicolisi, due molecole di ATP vengono consumate e quattro prodotte. Questo si traduce in un guadagno netto di due molecole di ATP prodotte per ogni molecola di zucchero scomposta attraverso la glicolisi. Qui finiscono le somiglianze tra la respirazione aerobica e anaerobica.

Nelle cellule che hanno ossigeno e la respirazione aerobica può procedere, una molecola di zucchero viene scissa in due molecole di piruvato. Nelle cellule che non hanno ossigeno, la molecola di zucchero viene scomposta in altre forme, come il lattato.

Differenze

Dopo la glicolisi, le diverse chimiche di respirazione possono prendere alcune strade diverse:

• Le cellule che usano la respirazione aerobica continuano la loro catena di trasferimento di elettroni in un processo altamente efficiente che finisce per produrre 38 molecole di ATP da ogni molecola di zucchero.
• Le cellule che sono prive di ossigeno ma non usano normalmente la respirazione anaerobica, come le nostre cellule muscolari, possono lasciare in giro i prodotti finali della glicolisi, ottenendo solo due ATP per ogni molecola di zucchero che dividono. Questo è un metodo inefficiente per ottenere energia attraverso la respirazione.
• Le cellule che sono fatte per la respirazione anaerobica, come molti tipi di batteri, possono continuare la catena di trasferimento degli elettroni per estrarre più energia dai prodotti finali della glicolisi.

Dopo la glicolisi, le cellule che non usano l’ossigeno per la respirazione, ma procedono ad un treno di trasporto degli elettroni possono usare un diverso accettore di elettroni, come il solfato o il nitrato, per portare avanti la loro reazione.

Questi processi rappresentano un tipo di respirazione anaerobica chiamata “fermentazione”. Alcuni tipi di reazioni di fermentazione producono alcol e anidride carbonica. Questo è il modo in cui sono fatte le bevande alcoliche e il pane.

La respirazione aerobica, d’altra parte, manda il piruvato rimasto dalla glicolisi lungo un percorso chimico molto diverso, i cui passi sono discussi in dettaglio qui sotto.

Passi della respirazione aerobica

Equazione complessiva

L’equazione della respirazione aerobica descrive i reagenti e i prodotti di tutti i suoi passi, inclusa la glicolisi. Questa equazione è:

1 glucosio + 6 O2 → 6 CO2+ 6 H2O + 38 ATP

In sintesi, 1 molecola di glucosio a sei carboni e 6 molecole di ossigeno sono convertite in 6 molecole di anidride carbonica, 6 molecole di acqua, e 38 molecole di ATP. Le reazioni della respirazione aerobica possono essere suddivise in quattro fasi, descritte qui di seguito.

Glicolisi

La glicolisi è la prima fase della respirazione aerobica e avviene nel citoplasma della cellula. Comporta la scissione di 1 molecola di zucchero a sei carboni in 2 molecole di piruvato a tre carboni. Questo processo crea due molecole di ATP.

L’equazione complessiva è la seguente:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 PI + 2 NAD+ → 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

Questo processo riduce il co-fattore NAD+ a NADH. Questo è importante, perché più avanti nel processo di respirazione cellulare, il NADH alimenterà la formazione di molto più ATP attraverso la catena di trasporto degli elettroni dei mitocondri.

Nella fase successiva, il piruvato viene processato per trasformarlo in carburante per il ciclo dell’acido citrico, usando il processo di decarbossilazione ossidativa.

Decarbossilazione ossidativa del piruvato

2 (Piruvato- + Coenzima A + NAD+ → Acetil CoA + CO2 + NADH)

La decarbossilazione ossidativa, talvolta chiamata reazione di collegamento o di transizione, è il collegamento tra la glicolisi e il ciclo dell’acido citrico. Il piruvato è trasferito nella matrice mitocondriale attraverso una proteina nota come piruvato translocasi. Qui, il piruvato si combina con il coenzima A per rilasciare una molecola di anidride carbonica e formare acetil-CoA.

Questa reazione di transizione è importante perché l’acetil-CoA è un carburante ideale per il ciclo dell’acido citrico, che può a sua volta alimentare il processo di fosforilazione ossidativa nei mitocondri, che produce enormi quantità di ATP.

In questa reazione si crea anche più NADH. Questo significa più carburante per creare più ATP più tardi nel processo di respirazione cellulare.

Ciclo dell’acido citrico

Il ciclo dell’acido citrico, chiamato anche ciclo dell’acido tricarbossilico o ciclo di Krebs, è una serie di reazioni redox che inizia con l’Acetil CoA. Queste reazioni avvengono nella matrice dei mitocondri delle cellule eucariotiche. Nelle cellule procariotiche, avviene nel citoplasma. La reazione complessiva è la seguente:

2 (ACETYL COA + 3 NAD+ + FAD + ADP + PI → CO2 + 3 NADH + FADH2 + ATP + H+ + COENZIMA A)

La reazione avviene due volte per ogni molecola di glucosio, poiché ci sono due piruvati e quindi due molecole di Acetil CoA generate per entrare nel ciclo dell’acido citrico.

Sono creati sia NADH che FADH2, un altro trasportatore di elettroni per la catena di trasporto degli elettroni. Tutto il NADH e il FADH2 creati nelle fasi precedenti entrano ora in gioco nel processo di fosforilazione ossidativa.

In sintesi, per ogni giro del ciclo, due carboni entrano nella reazione sotto forma di Acetil CoA. Questi producono due molecole di anidride carbonica. Le reazioni generano tre molecole di NADH e una di FADH. Viene prodotta una molecola di ATP.

Fosforilazione ossidativa

La fosforilazione ossidativa è la fase primaria della respirazione aerobica che fornisce energia. Utilizza le membrane ripiegate all’interno dei mitocondri della cellula per produrre enormi quantità di ATP.

34 (ADP + PI+ NADH + 1/2 O2 + 2H+ → ATP + NAD+ + 2 H2O)

In questo processo, NADH e FADH2 donano gli elettroni ottenuti dal glucosio durante le fasi precedenti della respirazione cellulare alla catena di trasporto degli elettroni nella membrana dei mitocondri.

La catena di trasporto degli elettroni consiste in una serie di complessi proteici che sono incorporati nella membrana mitocondriale, tra cui il complesso I, Q, il complesso III, il citocromo C e il complesso IV.

Tutti questi servono in definitiva a passare gli elettroni dai livelli di energia più alti a quelli più bassi, raccogliendo l’energia rilasciata nel processo. Questa energia è usata per alimentare le pompe protoniche, che alimentano la formazione di ATP.

Proprio come la pompa sodio-potassio della membrana cellulare, le pompe protoniche della membrana mitocondriale sono usate per generare un gradiente di concentrazione che può essere usato per alimentare altri processi.

I protoni che sono trasportati attraverso la membrana usando l’energia raccolta da NADH e FADH2 “vogliono” passare attraverso le proteine canale dalla loro zona di alta concentrazione alla loro zona di bassa concentrazione.

Specificamente, le proteine canale sono ATP sintetici, che sono enzimi che fanno ATP. Quando i protoni passano attraverso l’ATP sintasi, guidano la formazione di ATP.

Questo processo è il motivo per cui i mitocondri sono chiamati “le centrali elettriche della cellula”. La catena di trasporto degli elettroni dei mitocondri produce quasi il 90% di tutto l’ATP prodotto dalla cellula dalla scomposizione del cibo.

Questa è anche la fase che richiede ossigeno. Senza molecole di ossigeno per accettare gli elettroni esauriti alla fine della catena di trasporto degli elettroni, gli elettroni tornerebbero indietro e il processo di creazione di ATP non potrebbe continuare.

La respirazione aerobica e la perdita di peso

La respirazione aerobica è il processo con cui molte cellule, comprese le nostre, producono energia usando cibo e ossigeno. Dà anche origine all’anidride carbonica, di cui il nostro corpo deve poi liberarsi.

La respirazione aerobica è il motivo per cui abbiamo bisogno sia di cibo che di ossigeno, poiché entrambi sono necessari per produrre l’ATP che permette alle nostre cellule di funzionare. Inspiriamo O2 ed espiriamo lo stesso numero di molecole di CO2. Da dove viene l’atomo di carbonio? Viene dal cibo, come lo zucchero e il grasso, che hai mangiato.

Questo è anche il motivo per cui respiri più forte e più veloce durante le attività che bruciano calorie. Il tuo corpo sta usando sia l’ossigeno che lo zucchero a un ritmo più veloce del normale e sta producendo più ATP per alimentare le tue cellule, insieme a più prodotto di scarto CO2.

Anche se le nostre cellule usano normalmente l’ossigeno per la respirazione, quando usiamo ATP più velocemente di quanto stiamo ricevendo molecole di ossigeno alle nostre cellule, le nostre cellule possono eseguire la respirazione anaerobica per soddisfare le loro esigenze per alcuni minuti.

Fatto divertente: L’accumulo di lattato dalla respirazione anaerobica è uno dei motivi per cui i muscoli possono sentirsi doloranti dopo un esercizio intenso!

Funzione della respirazione aerobica

La respirazione aerobica fornisce energia per alimentare tutti i processi cellulari. Le reazioni producono ATP, che viene poi utilizzato per alimentare altre funzioni vitali, tra cui la crescita, la riparazione e il mantenimento. Per esempio, l’ATP alimenta l’azione della pompa sodio-potassio, che ci permette di muoverci, pensare e percepire il mondo intorno a noi. L’ATP alimenta le azioni di molti enzimi e le azioni di innumerevoli altre proteine che sostengono la vita!

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