Qual è la funzione della respirazione aerobica?

La respirazione aerobica, un termine spesso usato in modo intercambiabile con "respirazione cellulare", è un modo meravigliosamente ad alto rendimento per gli esseri viventi di estrarre l'energia immagazzinata nei legami chimici dei composti del carbonio in presenza di ossigeno e utilizzare questa energia estratta per uso metabolico processi. Gli organismi eucarioti (cioè animali, piante e funghi) fanno tutti uso della respirazione aerobica, grazie principalmente alla presenza di organelli cellulari chiamati mitocondri. Alcuni organismi procarioti (cioè i batteri) utilizzano vie di respirazione aerobica più rudimentali, ma in generale, quando vedi "respirazione aerobica", dovresti pensare "eucariotica multicellulare organismo."

Ma non è tutto quello che dovrebbe saltarti in mente. Quello che segue ti dice tutto quello che devi sapere sui percorsi chimici di base della respirazione aerobica, perché lo è un insieme così essenziale di reazioni, e come tutto è iniziato nel corso di studi biologici e geologici storia.

Tutto il metabolismo dei nutrienti cellulari inizia con molecole di glucosio. Questo zucchero a sei atomi di carbonio può essere derivato da alimenti di tutte e tre le classi di macronutrienti (carboidrati, proteine ​​e grassi), sebbene il glucosio stesso sia un carboidrato semplice. In presenza di ossigeno, il glucosio viene trasformato e scomposto in una catena di circa 20 reazioni per produrre anidride carbonica, acqua, calore, e 36 o 38 molecole di adenosina trifosfato (ATP), la molecola più usata dalle cellule in tutti gli esseri viventi come fonte diretta di carburante. La variazione della quantità di ATP prodotta dalla respirazione aerobica riflette il fatto che le cellule vegetali plants a volte spremono 38 ATP da una molecola di glucosio, mentre le cellule animali generano 36 ATP per glucosio molecola. Questo ATP deriva dalla combinazione di molecole di fosfato libero (P) e adenosina difosfato (ADP), con quasi tutte le questo si verifica negli ultimissimi stadi della respirazione aerobica nelle reazioni di trasporto degli elettroni catena.

La reazione chimica completa che descrive la respirazione aerobica è:

C₆H₁₂oh₆ + 36 (o 38) ADP + 36 (o 38) P + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 420 kcal + 36 (o 38) ATP.

Sebbene la reazione stessa appaia abbastanza semplice in questa forma, smentisce la moltitudine di passaggi necessari per ottenere dal a sinistra dell'equazione (i reagenti) a destra (i prodotti, comprese 420 chilocalorie di calore). Per convenzione, l'intera raccolta di reazioni è suddivisa in tre parti in base a dove si verifica ciascuna: glicolisi (citoplasma), il ciclo di Krebs (matrice mitocondriale) e la catena di trasporto degli elettroni (mitocondriale interno membrana). Prima di esplorare questi processi in dettaglio, tuttavia, è necessario dare uno sguardo a come la respirazione aerobica ha avuto inizio sulla Terra.

La funzione della respirazione aerobica è quella di fornire carburante per la riparazione, la crescita e il mantenimento di cellule e tessuti. Questo è un modo un po' formale per notare che la respirazione aerobica mantiene in vita gli organismi eucarioti. Potresti passare molti giorni senza cibo e almeno alcuni senza acqua nella maggior parte dei casi, ma solo pochi minuti senza ossigeno.

L'ossigeno (O) si trova nell'aria normale nella sua forma biatomica, O₂. Questo elemento è stato scoperto, in un certo senso, nel 1600, quando divenne evidente agli scienziati che l'aria conteneva un elemento vitale per la sopravvivenza degli animali, che potrebbe essere impoverito in un ambiente chiuso da fiamme o, a lungo termine, da respirazione.

L'ossigeno costituisce circa un quinto della miscela di gas che respiri. Ma non è sempre stato così nei 4,5 miliardi di anni di storia del pianeta, e il cambiamento nel quantità di ossigeno nell'atmosfera terrestre nel tempo ha avuto effetti prevedibilmente profondi sul biologico Evoluzione. Per la prima metà dell'attuale vita del pianeta, c'era no ossigeno nell'aria. Entro 1,7 miliardi di anni fa, l'atmosfera consisteva del 4% di ossigeno e apparvero organismi unicellulari. Fino a 0,7 miliardi di anni fa, O₂ costituivano tra il 10 e il 20 percento di aria ed erano emersi organismi pluricellulari più grandi. A partire da 300 milioni di anni fa, il contenuto di ossigeno era salito al 35 percento dell'aria e, di conseguenza, i dinosauri e altri animali molto grandi erano la norma. Successivamente, la quota di aria detenuta da O₂ è sceso al 15 percento fino a tornare al punto in cui è oggi.

È chiaro, seguendo solo questo schema, che sembra estremamente scientificamente probabile che la funzione ultima dell'ossigeno sia quella di far crescere gli animali.

Le 10 reazioni della glicolisi di per sé non richiedono ossigeno per procedere e la glicolisi si verifica in una certa misura in tutti gli esseri viventi, sia procarioti che eucarioti. Ma la glicolisi è un precursore necessario per le reazioni aerobiche specifiche della respirazione cellulare, e normalmente viene descritta insieme a queste.

Una volta che il glucosio, una molecola a sei atomi di carbonio con una struttura ad anello esagonale, entra nel citoplasma di una cellula, viene immediatamente fosforilata, il che significa che ha un gruppo fosfato attaccato a uno dei suoi atomi di carbonio. Questo intrappola efficacemente la molecola di glucosio all'interno della cellula conferendole una carica negativa netta. La molecola viene quindi riorganizzata in fruttosio fosforilato, senza perdita o guadagno di atomi, prima che venga aggiunto un altro fosfato alla molecola. Questo destabilizza la molecola, che poi si frammenta in una coppia di composti a tre atomi di carbonio, ciascuno con il proprio fosfato attaccato. Uno di questi viene trasformato nell'altro e quindi, in una serie di passaggi, le due molecole a tre atomi di carbonio cedono i loro fosfati a molecole di ADP (adenosina difosfato) per produrre 2 ATP. La molecola originale di glucosio a sei atomi di carbonio si trasforma in due molecole di una molecola a tre atomi di carbonio chiamata piruvato e, inoltre, vengono generate due molecole di NADH (discusse in dettaglio più avanti).

Il piruvato, in presenza di ossigeno, si sposta nella matrice (si pensi "al centro") degli organelli cellulari chiamato mitocondri e viene convertito in un composto a due atomi di carbonio, chiamato acetil coenzima A (acetil CoA). Nel processo, una molecola di anidride carbonica (CO₂). Nel processo, una molecola di NAD⁺ (un cosiddetto vettore di elettroni ad alta energia) viene convertito in NADH.

Il ciclo di Krebs, chiamato anche ciclo dell'acido citrico o ciclo dell'acido tricarbossilico, è indicato come un ciclo piuttosto che una reazione perché uno dei suoi prodotti, la molecola a quattro atomi di carbonio ossalacetato, rientra all'inizio del ciclo combinandosi con una molecola di acetil-CoA. Ciò si traduce in una molecola di sei atomi di carbonio chiamata citrato. Questa molecola viene manipolata da una serie di enzimi in un composto a cinque atomi di carbonio chiamato alfa-chetoglutarato, che poi perde un altro carbonio per produrre succinato. Ogni volta che un carbonio viene perso, è sotto forma di CO₂, e poiché queste reazioni sono energeticamente favorevoli, ogni perdita di anidride carbonica è accompagnata dalla conversione di un altro NAD⁺ a NAD. La formazione del succinato crea anche una molecola di ATP.

Il succinato viene convertito in fumarato, generando una molecola di FADH₂ di FAD²⁺ (un trasportatore di elettroni simile a NAD⁺ in funzione). Questo viene convertito in malato, producendo un altro NADH, che viene poi trasformato in ossalacetato.

Se stai tenendo il punteggio, puoi contare 3 NADH, 1 FADH₂ e 1 ATP per turno del ciclo di Krebs. Ma tieni presente che ogni molecola di glucosio fornisce due molecole di acetil CoA per l'ingresso nel ciclo, quindi il numero totale di queste molecole sintetizzate è 6 NADH, 2 FADH₂ e 2 ATP. Il ciclo di Krebs quindi non genera direttamente molta energia – solo 2 ATP per molecola di glucosio fornita a monte – e non è nemmeno necessario ossigeno. Ma il NADH e il FADH₂ sono fondamentali per fosforilazione ossidativa passi nella successiva serie di reazioni, chiamate collettivamente catena di trasporto degli elettroni.

Le varie molecole di NADH e FADH₂ creati nelle fasi precedenti della respirazione cellulare sono pronti per essere utilizzati nella catena di trasporto degli elettroni, che avviene in pieghe della membrana mitocondriale interna chiamate creste. In breve, gli elettroni ad alta energia attaccati al NAD⁺ e FAD²⁺ sono usati per creare un gradiente di protoni attraverso la membrana. Questo significa solo che c'è una maggiore concentrazione di protoni (H⁺ ioni) su un lato della membrana che sull'altro lato, creando un impulso affinché questi ioni fluiscano da aree di maggiore concentrazione di protoni ad aree di minore concentrazione di protoni. In questo modo, i protoni si comportano in modo poco diverso rispetto, ad esempio, all'acqua che "vuole" spostarsi da un'area di maggiore elevazione a un'area di minore altezza. concentrazione – qui, sotto l'influenza della gravità invece del cosiddetto gradiente chemiosmotico osservato nel trasporto degli elettroni catena.

Come una turbina in una centrale idroelettrica che sfrutta l'energia dell'acqua che scorre per lavorare altrove (in tal caso, generare elettricità), parte dell'energia stabilita dal protone il gradiente attraverso la membrana viene catturato per attaccare i gruppi fosfato liberi (P) alle molecole di ADP per generare ATP, un processo chiamato fosforilazione (e in questo caso, ossidativo fosforilazione). In effetti, questo accade più e più volte nella catena di trasporto degli elettroni, fino a quando tutto il NADH e il FADH₂ dalla glicolisi e dal ciclo di Krebs – circa 10 del primo e due del secondo – viene utilizzato. Ciò si traduce nella creazione di circa 34 molecole di ATP per molecola di glucosio. Poiché la glicolisi e il ciclo di Krebs producono ciascuno 2 ATP per molecola di glucosio, la quantità totale di energia rilasciata, almeno in condizioni ideali, è 34 + 2 + 2 = 38 ATP in tutto.

Ci sono tre diversi punti nella catena di trasporto degli elettroni in cui i protoni possono attraversare la membrana mitocondriale interna per entrare nello spazio tra questo più tardi e la membrana mitocondriale esterna, e quattro distinti complessi molecolari (numerati I, II, III e IV) che formano i punti di ancoraggio fisici del catena.

La catena di trasporto degli elettroni richiede ossigeno perché O₂ funge da accettore finale di coppie di elettroni nella catena. Se non è presente ossigeno, le reazioni nella catena cessano rapidamente perché cessa il flusso di elettroni "a valle"; non hanno un posto dove andare. Tra le sostanze che possono paralizzare la catena di trasporto degli elettroni c'è il cianuro (CN^-). Questo è il motivo per cui potresti aver visto il cianuro usato come veleno mortale negli spettacoli di omicidi o nei film di spionaggio; quando viene somministrato in dosi sufficienti, la respirazione aerobica all'interno del ricevente si interrompe e, con essa, la vita stessa.

Si presume spesso che le piante subiscano la fotosintesi per creare ossigeno dall'anidride carbonica, mentre gli animali usano respirazione per generare anidride carbonica dall'ossigeno, aiutando così a preservare un ecosistema pulito, complementare equilibrio. Sebbene questo sia vero in superficie, è fuorviante, perché le piante fanno uso sia della fotosintesi che della respirazione aerobica.

Poiché le piante non possono mangiare, devono produrre, piuttosto che ingerire, il loro cibo. A questo serve la fotosintesi, una serie di reazioni che hanno luogo negli organelli di cui gli animali sono privi chiamati cloroplasti. Alimentato dalla luce solare, CO₂ all'interno della cellula vegetale è assemblato in glucosio all'interno dei cloroplasti in una serie di passaggi che ricordano la catena di trasporto degli elettroni nei mitocondri. Il glucosio viene quindi rilasciato dal cloroplasto; la maggior parte se diventa una porzione strutturale della pianta, ma alcuni subiscono la glicolisi e quindi procedono attraverso il resto della respirazione aerobica dopo essere entrati nei mitocondri delle cellule vegetali.