Respirazione cellulare: definizione, equazione e passaggi

Il filosofo Bertrand Russell disse: "Ogni cosa vivente è una sorta di imperialista, che cerca di trasformare il più possibile del suo ambiente in se stesso." A parte le metafore, la respirazione cellulare è il modo formale in cui alla fine gli esseri viventi lo fanno Questo. La respirazione cellulare preleva sostanze catturate dall'ambiente esterno (fonti aria e carbonio) e li converte in energia per costruire più cellule e tessuti e per svolgere attività di sostegno alla vita attività. Genera anche prodotti di scarto e acqua. Questo non deve essere confuso con "respirazione" nel senso quotidiano, che di solito significa la stessa cosa di "respirazione". Respirare è come gli organismi acquisiscono ossigeno, ma questo non è lo stesso che processare l'ossigeno e la respirazione non può fornire anche il carbonio necessario respirazione; la dieta si prende cura di questo, almeno negli animali.

La respirazione cellulare si verifica sia nelle piante che negli animali, ma non nei procarioti (ad es. mitocondri e altri organelli e quindi non possono fare uso di ossigeno, limitandoli alla glicolisi come energia fonte. Le piante sono forse più comunemente associate alla fotosintesi che alla respirazione, ma la fotosintesi è il fonte di ossigeno per la respirazione delle cellule vegetali e una fonte di ossigeno che esce dalla pianta che può essere utilizzata da animali. Il sottoprodotto finale in entrambi i casi è l'ATP, o adenosina trifosfato, il principale vettore chimico di energia negli esseri viventi.

La respirazione cellulare, spesso chiamata respirazione aerobica, è la completa scomposizione della molecola di glucosio in presenza di ossigeno per produrre anidride carbonica e acqua:

C₆H₁₂oh₆ + 6O₂ + 38 ADP +38 P –> 6CO₂ + 6H₂O + 38 ATP + 420 Kcal

Questa equazione ha una componente di ossidazione (C₆H₁₂oh₆ –> 6CO₂), essenzialmente una rimozione di elettroni sotto forma di atomi di idrogeno. Ha anche un componente di riduzione, 6O₂ –> 6H₂O, che è l'aggiunta di elettroni sotto forma di idrogeno.

Ciò in cui l'equazione nel suo insieme si traduce è che l'energia trattenuta nei legami chimici dei reagenti è utilizzato per collegare l'adenosina difosfato (ADP) agli atomi di fosforo liberi (P) per generare l'adenosina trifosfato (ATP).

Il processo nel suo insieme prevede più passaggi: la glicolisi avviene nel citoplasma, seguita dal Krebs ciclo e la catena di trasporto degli elettroni nella matrice mitocondriale e sulla membrana mitocondriale rispettivamente.

Il primo passo nella scomposizione del glucosio sia nelle piante che negli animali è una serie di 10 reazioni note come glicolisi. Il glucosio entra nelle cellule animali dall'esterno, attraverso gli alimenti che vengono scomposti in molecole di glucosio che circolano nel sangue e sono assorbiti dai tessuti dove l'energia è più necessaria (compresi i cervello). Le piante, al contrario, sintetizzano il glucosio assorbendo anidride carbonica dall'esterno e utilizzando la fotosintesi per convertire la CO₂ al glucosio. A questo punto, indipendentemente da come ci sia arrivata, ogni molecola di glucosio è destinata alla stessa sorte.

All'inizio della glicolisi, la molecola di glucosio a sei atomi di carbonio viene fosforilata per intrappolarla all'interno della cellula; i fosfati sono caricati negativamente e quindi non possono spostarsi attraverso la membrana cellulare come a volte possono fare le molecole non polari e prive di carica. Viene aggiunta una seconda molecola di fosfato, che rende la molecola instabile, e viene presto scissa in due composti a tre atomi di carbonio non identici. Questi assumono presto la forma chimica venuta e vengono riorganizzati in una serie di passaggi per produrre alla fine due molecole di piruvato. Lungo il percorso vengono consumate due molecole di ATP (forniscono i due fosfati aggiunti precocemente al glucosio) e quattro sono prodotti, due da ciascun processo a tre atomi di carbonio, per produrre una rete di due molecole di ATP per molecola di glucosio.

Nei batteri, la sola glicolisi è sufficiente per il fabbisogno energetico della cellula, e quindi dell'intero organismo. Ma nelle piante e negli animali non è così, e con il piruvato il destino finale del glucosio è appena iniziato. Va notato che la glicolisi stessa non richiede ossigeno, ma l'ossigeno è generalmente incluso in discussioni sulla respirazione aerobica e quindi sulla respirazione cellulare perché è necessaria per sintetizzare piruvato.

Un malinteso comune tra gli appassionati di biologia è che i cloroplasti svolgano nelle piante la stessa funzione che i mitocondri svolgono negli animali e che ogni tipo di organismo ha solo l'uno o l'altro. Non è così. Le piante hanno sia cloroplasti che mitocondri, mentre gli animali hanno solo mitocondri. Le piante usano i cloroplasti come generatori – usano una piccola fonte di carbonio (CO₂) per costruirne uno più grande (glucosio). Le cellule animali ottengono il loro glucosio scomponendo macromolecole come carboidrati, proteine ​​e grassi, e quindi non hanno bisogno di creare glucosio dall'interno. Questo può sembrare strano e inefficiente nel caso delle piante, ma le piante hanno evoluto una caratteristica che gli animali non hanno: la capacità di sfruttare la luce solare per l'uso diretto nelle funzioni metaboliche. Ciò consente alle piante di produrre letteralmente il proprio cibo.

Si ritiene che i mitocondri siano stati una specie di batteri indipendenti molte centinaia di milioni di anni fa, una teoria supportata dalla loro notevole somiglianza strutturale con i batteri così come il loro apparato metabolico e la presenza del proprio DNA e organelli chiamati ribosomi. Gli eucarioti nacquero per la prima volta oltre un miliardo di anni fa quando una cellula riuscì a inghiottirne un'altra (l'ipotesi dell'endosimbionte), portando a una disposizione che era molto vantaggiosa per l'engulfer in questa disposizione a causa della produzione di energia espansa capacità. I mitocondri sono costituiti da una doppia membrana plasmatica, come le cellule stesse; la membrana interna comprende pieghe chiamate creste. La porzione interna dei mitocondri è nota come matrice ed è analoga al citoplasma delle cellule intere.

I cloroplasti, come i mitocondri, hanno membrane esterne ed interne e un proprio DNA. All'interno dello spazio racchiuso da una membrana interna si trova un assortimento di sacche membranose interconnesse, stratificate e piene di liquido chiamate tilacoidi. Ogni "pila" di tilacoidi forma un granum (plurale: grana). Il fluido all'interno della membrana interna che circonda il grana è chiamato stroma.

I cloroplasti contengono un pigmento chiamato clorofilla che conferisce alle piante la loro colorazione verde e funge da collettore di luce solare per la fotosintesi. L'equazione per la fotosintesi è esattamente l'inverso di quella della respirazione cellulare, ma i singoli passaggi per ottenere da anidride carbonica a glucosio non assomigliano in alcun modo alle reazioni inverse della catena di trasporto degli elettroni, il ciclo di Krebs e glicolisi.

In questo processo, chiamato anche ciclo dell'acido tricarbossilico (TCA) o ciclo dell'acido citrico, le molecole di piruvato vengono prima convertite in molecole a due atomi di carbonio chiamate acetil coenzima A (acetil CoA). Questo rilascia una molecola di CO₂. Le molecole di acetil CoA entrano quindi nella matrice mitocondriale, dove ciascuna di esse si combina con una molecola a quattro atomi di carbonio di ossalacetato per formare acido citrico. Quindi, se stai facendo un'attenta contabilità, una molecola di glucosio si traduce in due molecole di acido citrico all'inizio del ciclo di Krebs.

L'acido citrico, una molecola a sei atomi di carbonio, viene riorganizzato in isocitrato, quindi un atomo di carbonio viene strappato via per formare chetoglutarato, con un CO₂ uscita dal ciclo. Il chetoglutarato a sua volta viene privato di un altro atomo di carbonio, generando un altro CO₂ e succinato e formando anche una molecola di ATP. Da lì, la molecola di succinato a quattro atomi di carbonio viene trasformata sequenzialmente in fumarato, malato e ossalacetato. Queste reazioni vedono gli ioni idrogeno rimossi da queste molecole e attaccati su portatori di elettroni ad alta energia NAD+ e FAD+ per formare NADH e FADH₂ rispettivamente, che è essenzialmente "creazione" di energia sotto mentite spoglie, come vedrete presto. Alla fine del ciclo di Krebs, la molecola di glucosio originale ha dato origine a 10 NADH e due FADH₂ molecole.

Le reazioni del ciclo di Krebs producono solo due molecole di ATP per molecola di glucosio originale, una per ogni "giro" del ciclo. Ciò significa che oltre ai due ATP prodotti nella glicolisi, dopo il ciclo di Krebs, il risultato è un totale di quattro ATP. Ma i veri risultati della respirazione aerobica devono ancora manifestarsi in questa fase.

La catena di trasporto degli elettroni, che si verifica sulle creste della membrana mitocondriale interna, è il primo passo nella respirazione cellulare che si basa esplicitamente sull'ossigeno. Il NADH e il FADH₂ prodotti nel ciclo di Krebs sono ora pronti a contribuire in modo sostanziale al rilascio di energia.

Il modo in cui ciò accade è che gli ioni idrogeno immagazzinati su queste molecole portatrici di elettroni (uno ione idrogeno può, per scopi presenti, essere considerato come una coppia di elettroni in termini di contributo a questa parte della respirazione) sono usati per creare un gradiente chemiosmotico. Forse hai sentito parlare di un gradiente di concentrazione, in cui le molecole fluiscono da regioni di maggiore concentrazione a aree di minore concentrazione, come una zolletta di zucchero che si dissolve in acqua e le particelle di zucchero si disperdono per tutto. In un gradiente chemiosmotico, tuttavia, gli elettroni di NADH e FADH₂ finiscono per essere trasmessi da proteine ​​​​incastonate nella membrana e servono come sistemi di trasferimento di elettroni. L'energia rilasciata in questo processo viene utilizzata per pompare ioni idrogeno attraverso la membrana e creare un gradiente di concentrazione attraverso di essa. Ciò porta a un flusso netto di atomi di idrogeno in una direzione e questo flusso viene utilizzato per alimentare un enzima chiamato ATP sintasi, che produce ATP da ADP e P. Pensa alla catena di trasporto degli elettroni come a qualcosa che mette un grande peso d'acqua dietro una ruota idraulica, la cui successiva rotazione viene utilizzata per costruire le cose.

Questo, non a caso, è lo stesso processo utilizzato nei cloroplasti per alimentare la sintesi del glucosio. La fonte di energia per creare un gradiente attraverso la membrana del cloroplasto non è in questo caso NADH e FADH₂, ma la luce del sole. Il successivo flusso di ioni idrogeno nella direzione di una minore concentrazione di ioni H+ viene utilizzato per alimentare la sintesi di molecole di carbonio più grandi da quelle più piccole, a partire dalla CO₂ e termina con C₆H₁₂oh₆.

L'energia che fluisce dal gradiente chemiosmotico viene utilizzata per alimentare non solo la produzione di ATP ma altri processi cellulari vitali, come la sintesi proteica. Se la catena di trasporto degli elettroni viene interrotta (come con una prolungata privazione di ossigeno), questo gradiente protonico non può essere mantenuto e la produzione di energia cellulare si interrompe, proprio come una ruota idraulica smette di scorrere quando l'acqua intorno non ha più un flusso di pressione pendenza.

Poiché è stato dimostrato sperimentalmente che ogni molecola di NADH produce circa tre molecole di ATP e ogni FADH₂ produce due molecole di ATP, l'energia totale rilasciata dalla reazione a catena di trasporto degli elettroni è (riferendosi alla sezione precedente) 10 volte 3 (per NADH) più 2 volte 2 (per FADH₂) per un totale di 34 ATP. Aggiungi questo al 2 ATP della glicolisi e al 2 del ciclo di Krebs, ed è qui che deriva la cifra di 38 ATP nell'equazione per la respirazione aerobica.