Il respirazione cellulare è un processo che genera energia sotto forma di ATP (adenosina trifosfato). Successivamente, questa energia viene diretta ad altri processi cellulari. Durante questo fenomeno, le molecole subiscono l'ossidazione e l'accettore finale degli elettroni è, nella maggior parte dei casi, una molecola inorganica..
La natura dell'accettore di elettroni finale dipende dal tipo di respirazione dell'organismo studiato. Negli aerobi, come l'Homo sapiens, l'accettore finale di elettroni è l'ossigeno. Al contrario, per i respiratori anaerobici l'ossigeno può essere tossico. In quest'ultimo caso, l'accettore finale è una molecola inorganica diversa dall'ossigeno..
La respirazione aerobica è stata ampiamente studiata dai biochimici e si compone di due fasi: il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni..
Negli organismi eucarioti, tutto il meccanismo necessario per la respirazione si trova all'interno dei mitocondri, sia nella matrice mitocondriale che nel sistema di membrana di questo organello..
Il macchinario è costituito da enzimi che catalizzano le reazioni del processo. La stirpe procariotica è caratterizzata dall'assenza di organelli; per questo motivo la respirazione avviene in specifiche regioni della membrana plasmatica che simulano un ambiente molto simile a quello dei mitocondri.
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Nel campo della fisiologia, il termine "respirazione" ha due definizioni: respirazione polmonare e respirazione cellulare. Quando usiamo la parola respiro nella vita di tutti i giorni, ci riferiamo al primo tipo.
La respirazione polmonare comprende l'azione di inspirare ed espirare, questo processo si traduce nello scambio di gas: ossigeno e anidride carbonica. Il termine corretto per questo fenomeno è "ventilazione".
Al contrario, la respirazione cellulare avviene - come suggerisce il nome - all'interno delle cellule ed è il processo incaricato di generare energia attraverso una catena di trasporto degli elettroni. Quest'ultimo processo è quello che verrà discusso in questo articolo..
La respirazione cellulare avviene in un complesso organello chiamato mitocondrio. Strutturalmente, i mitocondri sono larghi 1,5 micrometri e lunghi da 2 a 8 micrometri. Sono caratterizzati dall'avere il proprio materiale genetico e dalla divisione per fissione binaria - caratteristiche vestigiali della loro origine endosimbiotica..
Hanno due membrane, una liscia e una interna con pieghe che formano le creste. Più attivi sono i mitocondri, più creste ha.
L'interno del mitocondrio è chiamato matrice mitocondriale. In questo compartimento sono gli enzimi, i coenzimi, l'acqua e i fosfati necessari per le reazioni respiratorie.
La membrana esterna consente il passaggio della maggior parte delle piccole molecole. Tuttavia, è la membrana interna che in realtà limita il passaggio attraverso trasportatori molto specifici. La permeabilità di questa struttura gioca un ruolo fondamentale nella produzione di ATP.
Gli enzimi e gli altri componenti necessari alla respirazione cellulare si trovano ancorati nelle membrane e liberi nella matrice mitocondriale..
Pertanto, le cellule che richiedono una maggiore quantità di energia sono caratterizzate dall'avere un numero elevato di mitocondri, a differenza delle cellule il cui fabbisogno energetico è inferiore..
Ad esempio, le cellule del fegato hanno una media di 2.500 mitocondri, mentre una cellula muscolare (molto metabolicamente attiva) ne contiene un numero molto più alto ei mitocondri di questo tipo di cellule sono più grandi.
Inoltre, questi si trovano nelle regioni specifiche in cui è richiesta energia, ad esempio attorno al flagello dello sperma..
Logicamente, gli organismi procarioti hanno bisogno di respirare e non hanno mitocondri, né organelli complessi caratteristici degli eucarioti. Per questo motivo il processo respiratorio avviene in piccole invaginazioni della membrana plasmatica, analogamente a quanto avviene nei mitocondri..
Esistono due tipi fondamentali di respirazione, a seconda della molecola che ha agito come accettore finale degli elettroni. Nella respirazione aerobica l'accettore è l'ossigeno, mentre nell'anaerobica è una molecola inorganica, sebbene in alcuni casi specifici l'accettore sia una molecola organica. Descriveremo ciascuno in dettaglio di seguito:
Negli organismi di respirazione aerobica, l'accettore finale di elettroni è l'ossigeno. I passaggi che si verificano si dividono nel ciclo di Krebs e nella catena di trasporto degli elettroni.
La spiegazione dettagliata delle reazioni che avvengono in questi percorsi biochimici sarà sviluppata nella sezione successiva.
L'accettore finale è costituito da una molecola diversa dall'ossigeno. La quantità di ATP generata dalla respirazione anaerobica dipende da diversi fattori, tra cui l'organismo in esame e la via utilizzata..
Tuttavia, la produzione di energia è sempre maggiore nella respirazione aerobica, poiché il ciclo di Krebs funziona solo parzialmente e non tutte le molecole trasportatrici della catena partecipano alla respirazione.
Per questo motivo, la crescita e lo sviluppo degli individui anaerobici è significativamente inferiore rispetto a quelli aerobici..
In alcuni organismi l'ossigeno è tossico e sono chiamati anaerobi stretti. L'esempio più noto è quello dei batteri che causano il tetano e il botulismo: Clostridium.
Inoltre, ci sono altri organismi che possono alternare respirazione aerobica e anaerobica, definendosi anaerobi facoltativi. In altre parole, usano l'ossigeno quando gli conviene e in mancanza di esso ricorrono alla respirazione anaerobica. Ad esempio, il noto batterio Escherichia coli possiede questo metabolismo.
Alcuni batteri possono utilizzare lo ione nitrato (NO3-) come accettore finale di elettroni, come i generi di Pseudomonas Y Bacillo. Detto ione può essere ridotto a ione nitrito, protossido di azoto o azoto gassoso.
In altri casi, l'accettore finale è costituito dallo ione solfato (SO4Due-) che dà origine all'idrogeno solforato e utilizza il carbonato per formare metano. Il genere dei batteri Desulfovibrio è un esempio di questo tipo di accettore.
Questa ricezione di elettroni nelle molecole di nitrato e solfato è cruciale nei cicli biogeochimici di questi composti: azoto e zolfo..
La glicolisi è un percorso prima della respirazione cellulare. Inizia con una molecola di glucosio e il prodotto finale è il piruvato, una molecola a tre atomi di carbonio. La glicolisi avviene nel citoplasma della cellula. Questa molecola deve essere in grado di entrare nei mitocondri per continuare la sua degradazione.
Il piruvato può diffondersi attraverso gradienti di concentrazione nell'organello, attraverso i pori della membrana. La destinazione finale sarà la matrice dei mitocondri.
Prima di entrare nella prima fase della respirazione cellulare, la molecola di piruvato subisce alcune modifiche.
Innanzitutto, reagisce con una molecola chiamata coenzima A. Ogni piruvato si scinde in anidride carbonica e nel gruppo acetile, che si lega al coenzima A, dando origine al complesso aceil coenzima A..
In questa reazione, due elettroni e uno ione idrogeno vengono trasferiti a NADP+, producendo NADH ed è catalizzato dal complesso enzimatico piruvato deidrogenasi. La reazione richiede una serie di cofattori.
Dopo questa modifica, iniziano le due fasi della respirazione: il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni..
Il ciclo di Krebs è una delle reazioni cicliche più importanti in biochimica. È anche noto in letteratura come ciclo dell'acido citrico o ciclo dell'acido tricarbossilico (TCA).
Prende il nome in onore del suo scopritore: il biochimico tedesco Hans Krebs. Nel 1953 Krebs ricevette il Premio Nobel per questa scoperta che segnò il campo della biochimica..
L'obiettivo del ciclo è il rilascio graduale dell'energia contenuta nell'acetil coenzima A. Consiste in una serie di reazioni di ossidazione e riduzione che trasferiscono energia a diverse molecole, principalmente NAD+.
Per ogni due molecole di acetil coenzima A che entrano nel ciclo, vengono rilasciate quattro molecole di anidride carbonica, vengono generate sei molecole di NADH e due di FADH.Due. Il CODue viene rilasciato nell'atmosfera come sostanza di scarto dal processo. Viene generato anche GTP.
Poiché questo percorso partecipa sia ai processi anabolici (sintesi delle molecole) che catabolici (degradazione delle molecole), è chiamato "anfibolico".
Il ciclo inizia con la fusione di una molecola di acetil coenzima A con una molecola di ossalacetato. Questa unione dà origine a una molecola a sei atomi di carbonio: il citrato. In questo modo viene rilasciato il coenzima A. In effetti, viene riutilizzato molte volte. Se c'è molto ATP nella cellula, questo passaggio è inibito.
La reazione di cui sopra richiede energia e la ottiene dalla rottura del legame ad alta energia tra il gruppo acetile e il coenzima A.
Il citrato viene convertito in cis aconitato e viene convertito in isocitrato dall'enzima aconitasi. Il passaggio successivo è la conversione dell'isocitrato in alfa chetoglutarato mediante isocitrato deidrogenato. Questa fase è rilevante perché porta alla riduzione del NADH e rilascia anidride carbonica..
L'alfa chetoglutarato viene convertito in succinil coenzima A dall'alfa chetoglutarato deidrogenasi, che utilizza gli stessi cofattori della piruvato chinasi. Anche l'NADH viene generato in questa fase e, come fase iniziale, viene inibito dall'eccesso di ATP..
Il prossimo prodotto è succinato. Nella sua produzione, si verifica la formazione di GTP. Il succinato diventa fumarato. Questa reazione produce FADH. Il fumarato, a sua volta, diventa malato e infine ossalacetato.
La catena di trasporto degli elettroni mira a prendere gli elettroni dai composti generati nei passaggi precedenti, come NADH e FADHDue, che si trovano a un livello di energia elevato e li portano a un livello di energia inferiore.
Questa diminuzione di energia avviene passo dopo passo, cioè non avviene bruscamente. Consiste in una serie di passaggi in cui si verificano reazioni redox.
I componenti principali della catena sono complessi formati da proteine ed enzimi accoppiati a citocromi: metalloporfirine di tipo eme.
I citocromi sono abbastanza simili nella loro struttura, sebbene ognuno abbia una particolarità che gli consente di svolgere la sua specifica funzione all'interno della catena, cantando elettroni a diversi livelli di energia..
Il movimento degli elettroni attraverso la catena respiratoria a livelli inferiori produce il rilascio di energia. Questa energia può essere utilizzata nei mitocondri per sintetizzare l'ATP, in un processo noto come fosforilazione ossidativa..
Per molto tempo il meccanismo di formazione dell'ATP nella catena è stato un enigma, fino a quando il biochimico Peter Mitchell ha proposto l'accoppiamento chemosmotico.
In questo fenomeno, viene stabilito un gradiente protonico attraverso la membrana mitocondriale interna. L'energia contenuta in questo sistema viene rilasciata e utilizzata per sintetizzare l'ATP.
Come abbiamo visto, l'ATP non si forma direttamente nel ciclo di Krebs, ma nella catena di trasporto degli elettroni. Per ogni due elettroni che passano dal NADH all'ossigeno, si verifica la sintesi di tre molecole di ATP. Questa stima può variare leggermente a seconda della letteratura consultata..
Allo stesso modo, per ogni due elettroni che passano da FADHDue, si formano due molecole di ATP.
La funzione principale della respirazione cellulare è la generazione di energia sotto forma di ATP per poterla dirigere verso le funzioni della cellula..
Sia gli animali che le piante hanno bisogno di estrarre l'energia chimica contenuta nelle molecole organiche che usano per il cibo. Nel caso delle verdure, queste molecole sono gli zuccheri che la pianta stessa sintetizza con l'utilizzo dell'energia solare nel famoso processo fotosintetico..
Gli animali, invece, non sono in grado di sintetizzare il proprio cibo. Pertanto, gli eterotrofi consumano cibo nella dieta, come noi, per esempio. Il processo di ossidazione è responsabile dell'estrazione di energia dal cibo.
Non dobbiamo confondere le funzioni della fotosintesi con quelle della respirazione. Anche le piante, come gli animali, respirano. Entrambi i processi sono complementari e mantengono le dinamiche del mondo vivente.
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