Gli organismi viventi formano una catena energetica in cui le piante producono cibo che gli animali e altri organismi usano per produrre energia. Il processo principale che produce il cibo è fotosintesi nelle piante e il metodo principale per convertire il cibo in energia è la respirazione cellulare.
TL; DR (troppo lungo; non ho letto)
La molecola di trasferimento di energia utilizzata dalle cellule è ATP. Il processo di respirazione cellulare converte la molecola ADP in ATP, dove viene immagazzinata l'energia. Ciò avviene attraverso il processo in tre fasi della glicolisi, il ciclo dell'acido citrico e la catena di trasporto degli elettroni. La respirazione cellulare scinde e ossida il glucosio per formare molecole di ATP.
Durante la fotosintesi, le piante catturano l'energia luminosa e la usano per alimentare le reazioni chimiche nelle cellule vegetali. L'energia della luce consente alle piante di combinare il carbonio dall'anidride carbonica nell'aria con l'idrogeno e l'ossigeno dall'acqua per formare glucosio.
Nel respirazione cellulare, gli organismi come gli animali mangiano cibi contenenti glucosio e scompongono il glucosio in energia, anidride carbonica e acqua. L'anidride carbonica e l'acqua vengono espulse dall'organismo e l'energia viene immagazzinata in una molecola chiamata adenosina trifosfato o ATP. La molecola di trasferimento di energia utilizzata dalle cellule è l'ATP e fornisce l'energia per tutte le altre attività cellulari e dell'organismo.
I tipi di cellule che usano il glucosio per produrre energia
Gli organismi viventi sono o unicellulari procarioti o eucarioti, che può essere unicellulare o pluricellulare. La principale differenza tra i due è che i procarioti hanno una struttura cellulare semplice senza nucleo o organelli cellulari. Gli eucarioti hanno sempre un nucleo e processi cellulari più complessi.
Gli organismi unicellulari di entrambi i tipi possono utilizzare diversi metodi per produrre energia e molti usano anche la respirazione cellulare. Le piante e gli animali avanzati sono tutti eucarioti e usano quasi esclusivamente la respirazione cellulare. Le piante usano la fotosintesi per catturare l'energia dal sole, ma poi immagazzinano la maggior parte di quell'energia sotto forma di glucosio.
Sia le piante che gli animali utilizzano il glucosio prodotto dalla fotosintesi come an fonte di energia.
La respirazione cellulare consente agli organismi di catturare l'energia del glucosio
La fotosintesi produce glucosio, ma il glucosio è solo un modo per immagazzinare energia chimica e non può essere utilizzato direttamente dalle cellule. Il processo di fotosintesi complessivo può essere riassunto nella seguente formula:
6CO2 + 12H2O + energia luminosa → C6H12oh6 + 6O2 + 6H2oh
Le piante usano la fotosintesi per convertire energia luminosa in energia chimica e immagazzinano l'energia chimica in glucosio. È necessario un secondo processo per utilizzare l'energia immagazzinata.
La respirazione cellulare converte l'energia chimica immagazzinata nel glucosio in energia chimica immagazzinata nella molecola di ATP. L'ATP è utilizzato da tutte le cellule per alimentare il loro metabolismo e le loro attività. Le cellule muscolari sono tra i tipi di cellule che utilizzano il glucosio per produrre energia, ma prima lo convertono in ATP.
La reazione chimica complessiva per la respirazione cellulare è la seguente:
C6H12oh6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + molecole di ATP
Le cellule scompongono il glucosio in anidride carbonica e acqua mentre producono energia che immagazzinano nelle molecole di ATP. Quindi usano l'energia dell'ATP per attività come la contrazione muscolare. Il completo processo di respirazione cellulare ha tre fasi.
La respirazione cellulare inizia rompendo il glucosio in due parti
Il glucosio è un carboidrato con sei atomi di carbonio. Durante la prima fase del processo di respirazione cellulare chiamato glicolisi, la cellula rompe le molecole di glucosio in due molecole di piruvato, o molecole a tre atomi di carbonio. Per avviare il processo è necessaria energia, quindi vengono utilizzate due molecole di ATP dalle riserve della cellula.
Alla fine del processo, quando vengono create le due molecole di piruvato, l'energia viene rilasciata e immagazzinata in quattro molecole di ATP. La glicolisi utilizza due molecole di ATP e ne produce quattro per ogni molecola di glucosio processata. Il guadagno netto è di due molecole di ATP.
Quale degli organelli di una cellula rilascia energia immagazzinata negli alimenti?
La glicolisi inizia nel citoplasma cellulare ma il processo di respirazione cellulare avviene principalmente nel mitocondri. I tipi di cellule che utilizzano il glucosio per produrre energia includono quasi tutte le cellule del corpo umano ad eccezione delle cellule altamente specializzate come le cellule del sangue.
I mitocondri sono piccoli organelli legati alla membrana e sono le fabbriche cellulari che producono ATP. Hanno una membrana esterna liscia e una superficie molto piegata membrana interna dove avvengono le reazioni di respirazione cellulare.
Le reazioni avvengono prima all'interno dei mitocondri per produrre un gradiente di energia attraverso la membrana interna. Le reazioni successive che coinvolgono la membrana producono l'energia utilizzata per creare molecole di ATP.
Il ciclo dell'acido citrico produce enzimi per la respirazione cellulare
Il piruvato prodotto dalla glicolisi non è il prodotto finale della respirazione cellulare. Una seconda fase trasforma le due molecole di piruvato in un'altra sostanza intermedia chiamata acetil-CoA. L'acetil CoA entra nel ciclo dell'acido citrico e gli atomi di carbonio della molecola di glucosio originale sono completamente convertiti in CO2. Il acido citrico la radice viene riciclata e si collega a una nuova molecola di acetil CoA per ripetere il processo.
L'ossidazione degli atomi di carbonio produce altre due molecole di ATP e converte gli enzimi NAD+ e FAD a NADH e FADH2. Gli enzimi convertiti vengono utilizzati nella terza e ultima fase della respirazione cellulare dove agiscono come donatori di elettroni per la catena di trasporto degli elettroni.
Le molecole di ATP catturano parte dell'energia prodotta ma la maggior parte dell'energia chimica rimane nelle molecole di NADH. Le reazioni del ciclo dell'acido citrico avvengono all'interno dei mitocondri.
La catena di trasporto degli elettroni cattura la maggior parte dell'energia dalla respirazione cellulare
Il catena di trasporto degli elettroni (ECCETERA) è costituito da una serie di composti situati sulla membrana interna dei mitocondri. Usa gli elettroni del NADH e del FADH2 enzimi prodotti dal ciclo dell'acido citrico per pompare protoni attraverso la membrana.
In una catena di reazioni, gli elettroni ad alta energia di NADH e FADH2 vengono tramandate la serie di composti ETC con ogni passaggio che porta a uno stato di energia degli elettroni inferiore e protoni pompati attraverso la membrana.
Alla fine delle reazioni ETC, le molecole di ossigeno accettano gli elettroni e formano molecole d'acqua. L'energia dell'elettrone originariamente proveniente dalla scissione e dall'ossidazione della molecola di glucosio è stata convertita in a gradiente di energia protonica attraverso la membrana interna dei mitocondri.
Poiché c'è uno squilibrio di protoni attraverso la membrana interna, i protoni sperimentano una forza per diffondersi all'interno dei mitocondri. Un enzima chiamato ATP sintasi è incorporato nella membrana e crea un'apertura, consentendo ai protoni di tornare indietro attraverso la membrana.
Quando i protoni passano attraverso l'apertura dell'ATP sintasi, l'enzima utilizza l'energia dei protoni per creare molecole di ATP. La maggior parte dell'energia proveniente dalla respirazione cellulare viene catturata in questa fase ed è immagazzinata in 32 molecole di ATP.
La molecola di ATP immagazzina l'energia della respirazione cellulare nei suoi legami fosfatici
L'ATP è una sostanza chimica organica complessa con una base adenina e tre gruppi fosfato. L'energia è immagazzinata nei legami che tengono i gruppi fosfato. Quando una cellula ha bisogno di energia, rompe uno dei legami dei gruppi fosfato e utilizza l'energia chimica per creare nuovi legami in altre sostanze cellulari. La molecola di ATP diventa adenosina difosfato o ADP.
Nella respirazione cellulare, l'energia liberata viene utilizzata per aggiungere un gruppo fosfato all'ADP. L'aggiunta del gruppo fosfato cattura l'energia dalla glicolisi, il ciclo dell'acido citrico e la grande quantità di energia dall'ETC. Le molecole di ATP risultanti possono essere utilizzate dall'organismo per attività come il movimento, la ricerca di cibo e la riproduzione.