Respirazione cellulare negli esseri umani

Lo scopo della respirazione cellulare è convertire il glucosio dal cibo in energia.

Le cellule scompongono il glucosio in una serie di complesse reazioni chimiche e combinano i prodotti della reazione con l'ossigeno per immagazzinare energia in adenosina trifosfato (ATP) molecole. Le molecole di ATP sono utilizzate per alimentare le attività cellulari e fungono da fonte di energia universale per gli organismi viventi.

Respirazione cellulare nell'uomo inizia nei sistemi digestivo e respiratorio. Il cibo viene digerito nell'intestino e convertito in glucosio. L'ossigeno viene assorbito nei polmoni e immagazzinato nei globuli rossi. Il glucosio e l'ossigeno viaggiano nel corpo attraverso il sistema circolatorio per raggiungere le cellule che necessitano di energia.

Le cellule utilizzano il glucosio e l'ossigeno del sistema circolatorio per la produzione di energia. Forniscono il prodotto di scarto, l'anidride carbonica, ai globuli rossi e l'anidride carbonica viene rilasciata nell'atmosfera attraverso i polmoni.

Mentre i sistemi digestivo, respiratorio e circolatorio svolgono un ruolo importante nella respirazione umana, la respirazione a livello cellulare avviene all'interno delle cellule e nel mitocondri delle cellule. Il processo può essere suddiviso in tre fasi distinte:

• glicolisi: La cellula scinde la molecola di glucosio nel citosol cellulare.
  
• Ciclo di Krebs (o ciclo dell'acido citrico): Una serie di reazioni cicliche produce i donatori di elettroni utilizzati nella fase successiva e ha luogo nei mitocondri.
• La catena di trasporto degli elettroni: La serie finale di reazioni che utilizza l'ossigeno per produrre molecole di ATP avviene sulla membrana interna dei mitocondri.

Nella reazione di respirazione cellulare complessiva, ogni molecola di glucosio produce 36 o 38 molecole di ATP, a seconda del tipo di cellula. La respirazione cellulare nell'uomo è un processo continuo e richiede un apporto continuo di ossigeno. In assenza di ossigeno, il processo di respirazione cellulare si arresta alla glicolisi.

Lo scopo della respirazione cellulare è quello di produrre molecole di ATP attraverso il ossidazione di glucosio.

Ad esempio, la formula della respirazione cellulare per la produzione di 36 molecole di ATP da una molecola di glucosio è C₆H₁₂oh₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O + energia (36 molecole di ATP). Le molecole di ATP immagazzinano energia nei loro tre legami del gruppo fosfato.

L'energia prodotta dalla cellula è immagazzinata nel legame del terzo gruppo fosfato, che viene aggiunto alle molecole di ATP durante il processo di respirazione cellulare. Quando l'energia è necessaria, il terzo legame fosfato viene rotto e utilizzato per le reazioni chimiche cellulari. Un adenosina difosfato (ADP) molecola con due gruppi fosfato rimane.

Durante la respirazione cellulare, l'energia del processo di ossidazione viene utilizzata per riportare la molecola di ADP in ATP aggiungendo un terzo gruppo fosfato. La molecola di ATP è quindi di nuovo pronta a rompere questo terzo legame per rilasciare energia da utilizzare per la cellula.

Nella glicolisi, una molecola di glucosio a sei atomi di carbonio viene divisa in due parti per formare due piruvato molecole in una serie di reazioni. Dopo che la molecola di glucosio è entrata nella cellula, le sue due metà a tre atomi di carbonio ricevono ciascuna due gruppi fosfato in due passaggi separati.

Primo, due molecole di ATP fosforilato le due metà della molecola di glucosio aggiungendo a ciascuna un gruppo fosfato. Quindi gli enzimi aggiungono un altro gruppo fosfato a ciascuna delle metà della molecola di glucosio, risultando in due metà della molecola a tre atomi di carbonio, ciascuna con due gruppi fosfato.

In due serie finali e parallele di reazioni, le due metà a tre atomi di carbonio fosforilate della molecola di glucosio originale perdono i loro gruppi fosfato per formare le due molecole di piruvato. La scissione finale della molecola di glucosio rilascia energia che viene utilizzata per aggiungere i gruppi fosfato alle molecole di ADP e formare ATP.

Ogni metà della molecola di glucosio perde i suoi due gruppi fosfato e produce la molecola del piruvato e due molecole di ATP.

La glicolisi avviene nel citosol cellulare, ma il resto del processo di respirazione cellulare si sposta nel mitocondri. La glicolisi non richiede ossigeno, ma una volta che il piruvato si è spostato nei mitocondri, l'ossigeno è necessario per tutti gli ulteriori passaggi.

I mitocondri sono le fabbriche di energia che lasciano entrare ossigeno e piruvato attraverso la loro membrana esterna e quindi lasciare che i prodotti di reazione anidride carbonica e ATP escano di nuovo nella cellula e nel circolo sistema.

Il ciclo dell'acido citrico è una serie di reazioni chimiche circolari che genera NADH e FADH₂ molecole. Questi due composti entrano nella fase successiva della respirazione cellulare, la catena di trasporto degli elettroni, e donare gli elettroni iniziali utilizzati nella catena. Il NAD. risultante⁺ e i composti FAD vengono restituiti al ciclo dell'acido citrico per essere riportati al loro originale NADH e FADH original₂ forme e riciclati.

Quando le molecole di piruvato a tre atomi di carbonio entrano nei mitocondri, perdono una delle loro molecole di carbonio per formare anidride carbonica e un composto a due atomi di carbonio. Questo prodotto di reazione viene successivamente ossidato e unito a coenzima A formare due acetil-CoA molecole. Nel corso del ciclo dell'acido citrico, i composti del carbonio sono collegati a un composto a quattro atomi di carbonio per produrre un citrato a sei atomi di carbonio.

In una serie di reazioni, il citrato rilascia due atomi di carbonio sotto forma di anidride carbonica e produce 3 NADH, 1 ATP e 1 FADH₂ molecole. Alla fine del processo, il ciclo ricostituisce il composto originale a quattro atomi di carbonio e ricomincia. Le reazioni avvengono all'interno dei mitocondri, e il NADH e FADH₂ le molecole poi prendono parte alla catena di trasporto degli elettroni sulla membrana interna dei mitocondri.

La catena di trasporto degli elettroni è composta da quattro complessi proteici situato sulla membrana interna dei mitocondri. NADH dona elettroni al primo complesso proteico mentre FADH₂ cede i suoi elettroni al secondo complesso proteico. I complessi proteici passano gli elettroni lungo la catena di trasporto in una serie di riduzione-ossidazione o redox reazioni.

L'energia viene liberata durante ogni fase redox e ogni complesso proteico la utilizza per pompare protoni attraverso la membrana mitocondriale nello spazio inter-membrana tra le membrane interna ed esterna. Gli elettroni passano attraverso il quarto e ultimo complesso proteico dove le molecole di ossigeno agiscono come accettori finali di elettroni. Due atomi di idrogeno si combinano con un atomo di ossigeno per formare molecole d'acqua.

All'aumentare della concentrazione di protoni all'esterno della membrana interna, an gradiente di energia è stabilito, tendendo ad attirare i protoni indietro attraverso la membrana verso il lato che ha la concentrazione di protoni più bassa. Un enzima della membrana interna chiamato ATP sintasi offre ai protoni un passaggio indietro attraverso la membrana interna.

Quando i protoni passano attraverso l'ATP sintasi, l'enzima utilizza l'energia del protone per trasformare l'ADP in ATP, immagazzinando l'energia del protone dalla catena di trasporto degli elettroni nelle molecole di ATP.

I complessi processi biologici e chimici che compongono la respirazione a livello cellulare coinvolgono enzimi, pompe protoniche e proteine ​​che interagiscono a livello molecolare in modi molto complicati. Mentre gli input di glucosio e ossigeno sono sostanze semplici, gli enzimi e le proteine ​​non lo sono.

Una panoramica di glicolisi, il ciclo di Krebs o dell'acido citrico e la catena di trasferimento degli elettroni aiuta a dimostrare come funziona la respirazione cellulare a livello di base, ma il funzionamento effettivo di queste fasi è molto più complesso.

Descrivere il processo della respirazione cellulare è più semplice a livello concettuale. Il corpo assume nutrienti e ossigeno e distribuisce il glucosio nel cibo e l'ossigeno alle singole cellule secondo necessità. Le cellule ossidano le molecole di glucosio per produrre energia chimica, anidride carbonica e acqua.

L'energia viene utilizzata per aggiungere un terzo gruppo fosfato a una molecola di ADP per formare ATP e l'anidride carbonica viene eliminata attraverso i polmoni. L'energia ATP dal terzo legame fosfato viene utilizzata per alimentare altre funzioni cellulari. È così che la respirazione cellulare costituisce la base per tutte le altre attività umane.