Schema sulla respirazione cellulare

La respirazione cellulare è un processo catabolico nel quale da molecole organiche complesse (quali zuccheri) in presenza di ossigeno si ottengono molecole inorganiche semplici (anidride carbonica ed acqua) con liberazione di energia conservata nell’ATP e liberata sottoforma di energia termica o calore. Questo calore liberato è alla base della omeotermia, cioè alcuni organismi, quali mammiferi ed uccelli, hanno una temperatura del corpo costante (il genere umano ha una temperatura compresa tra i 34° e i 36°). La respirazione cellulare è la reazione di combustione del glucosio, che nelle cellule libera energia utile per le attività dell’organismo. Si tratta di un processo opposto alla fotosintesi.

La respirazione cellulare è un processo di ossidazione delle sostanze, cioè in presenza di O2 le sostanze vengono demolite. Questo processo di ossidazione è possibile grazie agli enzimi, che sono moltissimi e catalizzano ciascuno una reazione specifica. Ogni passaggio di reazione richiede l’intervento di un enzima. Le tappe della respirazione cellulare sono controllate da enzimi e si verificano in due fasi: la prima fase detta anaerobica (senza ossigeno) o glicolisi che avviene nel citoplasma senza coinvolgimento di ossigeno; una seconda fase detta aerobica (con ossigeno) che avviene nei mitocondri e che richiede ossigeno.

1° STADIO: LA DIGESTIONE

2° STADIO: LA GLICOLISI

Attraverso la membrana, l'ossigeno e le sostanze nutritive derivanti dal cibo arrivano alle cellule.

Il glucosio entra nella cellula attraversando la membrana plasmatici ed arriva nel citoplasma. Siamo passati da un ambiente extracellulare ad un ambiente intercellullare. Il glucosio (C6H12O6) una volta entrato nel citoplasma va incontro ad una serie di 11 reazioni ciascuna caratterizzata da un enzima specifico, tali reazioni sono collegate fra loro e portano alla formazione di due molecole di acido piruvico. Nella glicolisi avviene la scissione dello zucchero: la molecola di glucosio si spezza a metà e vengono liberate due molecole di ATP

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La glicolisi è un processo che non necessita di O2 ed è un processo anaerobico, ossia avviene in assenza di ossigeno. La glicolisi è un processo preparatorio alla respirazione che ha sede nei mitocondri. Per alcuni organismi la glicolisi è l’unica fonte di respirazione (batteri, alghe azzurre). La sede della glicolisi è il citoplasma. Il processo di glicolisi fa parte del 2° stadio . Reazione:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 P = 2CH3COCOOH+ 2 ATP

3° STADIO

Struttura di un mitocondrio
In presenza di ossigeno: l’acido piruvico entra nel mitocondrio e si pone nella matrice mitocondriale e qui grazie agli enzimi perde il gruppo O2

Il gruppo acetile si attacca alla grande molecola di coenzima A (COA), quindi si ottiene l’acetil coenzima A.:

Questo acetil Coenzima A entra nella matrice mitocondriale, in un ciclo di reazione che si chiama ciclo di Krebs

Dal terzo al quinto stadio le reazioni avvengono nel mitocondrio

Dal terzo al quinto stadio le reazioni avvengono nel mitocondrio 

4° STADIO: CICLO DI KREBS

Schema complessivo sulla respirazione cellulare: il cerchio sintetizza il ciclo di krebs

Nel ciclo entra l’acetil coenzima A attraverso la reazione con l’ultimo composto del ciclo (Z) che possiede quattro atomi di carbonio. Durante il ciclo si perdono due atomi di carbonio sottoforma di due molecole di CO2. oltre all’anidride carbonica vengono liberate coppie di ioni idrogeno (2H+) e di elettroni (poiché H-e-= H+) e vengono liberate anche due molecole di ATP.

5° STADIO:
Dal ciclo di Krebs arrivano gli ioni 2H+ e coppie di elettroni, che vengono catturati da alcune sostanze dette trasportatori e portati anch’esse sulle creste mitocondriali. I trasportatori sono particolari molecole disposte in file sulle creste mitocondriali. La prima di queste molecole è una sostanza chiamata NAD+ che è una molecola assai complessa (la sigla significa nicotin ammide adenin dinucleotide).

Il NAD+ può essere presente in due forme: NAD+ è la forma ossidata, ossia che cede elettroni, NADH è la forma ridotta che ha assorbito elettroni. Il NADH può ridiventa NAD+ se cede elettroni in qualsiasi momento. Se il NAD+ assume elettroni esso diventa NADH. Il NAD+ è presente nelle creste mitocondriali, nel quale sono presenti molte sostanze:

L’NAD+ assumendo gli ioni 2H+ diventano NADH, i trasportatori A,B,C (i trasportatori sono indicati con lettere a caso) a contatto con gli ioni 2H+ dalla forma ossidata si trasformano alla forma ridotta, l’ossigeno diventa acqua. Si forma una catena detta catena di trasporto degli elettroni o respiratoria. Associata a questa catena di elettroni vi è si osserva produzione di energia sottoforma di ATP.

La produzione di ATP associata alla catena respiratoria prende il nome di fosforilazione ossidativa. Per ogni atomo di ossigeno che diventano acqua si liberano tre molecole di ATP (in totale nella respirazione vengono liberate 2 molecole di ATP nella glicolisi, 2 nel ciclo di Krebs e un numero abbondante nella catena respiratoria) e anidride carbonica (prodotta dal ciclo di Krebs, dalla formazione dell’acido piruvico e da quella dell’acetil coenzima A. .

BILANCIO GENERALE DELLA RESPIRAZIONE:

Il 40% di questa energia viene conservata sottoforma di ATP: si formano 36 molecole di ATP di cui 2 della glicolisi, 2 nel ciclo di Krebs, 32 nella catena di trasporto degli elettroni o catena il glucosio diventa CO2 nel ciclo di Krebs e l’O2 diventa H2O nella catena respiratoria. Il restante 60% viene liberato sottoforma di calore. Data quest’alta percentuale di energia dissipata, possiamo dire che il rendimento umano è inferiore ad 1. La reazione generale, per il principio di conservazione della massa di Lavoisier, viene bilanciata e lo schema generale della respirazione è:

ALTERNATIVA: AMBIENTE PRIVO DI OSSIGENO

Se non c’è ossigeno avviene la glicolisi, sui forma l’acido piruvico, ma non avviene la catena di trasporto. Se manca l’atomo di ossigeno finale, la catena si interrompe e non avviene la catena di trasporto. Questa situazione avviene in alcuni batteri, nei lieviti o anche nelle nostre cellule, quand’esse sono in “deficit” di ossigeno. Le due molecole di acido piruvico danno origine alla fermentazione alcolica e la fermentazione lattica.

 

FERMENTAZIONE ALCOLICA:

Si tratta della fermentazione tipica dei lieviti. Non vi è produzione di energia ad eccezione delle due molecole di ATP liberate dalla glicolisi.

FERMENTAZIONE LATTICA:

L’acido lattico si forma nei muscoli: in caso di eccessivo sforzo le cellulosi ritrovano in deficit di ossigeno. Non vi è alcuna produzione di energia, ad eccezione delle due molecole di ATP della glicolisi.

SCHEMA RIASSUNTIVO DELLA RESPIRAZIONE CELLULARE: