RESPIRAZIONE AEROBICA: CARATTERISTICHE, STADI E ORGANISMI - BIOLOGIA - 2025

La respirazione aerobica o aerobica è un processo biologico che prevede l'ottenimento di energia da molecole organiche - principalmente glucosio - mediante una serie di reazioni di ossidazione, dove l'ultimo accettore di elettroni è l'ossigeno.

Questo processo è presente nella stragrande maggioranza degli esseri organici, in particolare eucarioti. Tutti gli animali, piante e funghi respirano aerobicamente. Inoltre, alcuni batteri mostrano anche un metabolismo aerobico.

Negli eucarioti, il meccanismo per la respirazione cellulare si trova nei mitocondri.
Fonte: National Human Genome Research Institute (NHGRI) di Bethesda, MD, USA, tramite Wikimedia Commons

In generale, il processo per ottenere energia dalla molecola di glucosio è suddiviso in glicolisi (questo passaggio è comune sia nella via aerobica che in quella anaerobica), nel ciclo di Krebs e nella catena di trasporto degli elettroni.

Il concetto di respirazione aerobica è opposto alla respirazione anaerobica. In quest'ultimo, l'accettore finale degli elettroni è un'altra sostanza inorganica, diversa dall'ossigeno. È tipico di alcuni procarioti.

Cos'è l'ossigeno?

Prima di discutere il processo di respirazione aerobica, è necessario conoscere alcuni aspetti della molecola di ossigeno.

È un elemento chimico rappresentato nella tavola periodica con la lettera O e il numero atomico 8. In condizioni standard di temperatura e pressione, l'ossigeno tende a legarsi a coppie, dando origine alla molecola di diossigeno.

Questo gas, composto da due atomi di ossigeno, non ha colore, odore o sapore ed è rappresentato dalla formula O ₂ . Nell'atmosfera è una componente prominente ed è necessaria per sostenere la maggior parte delle forme di vita sulla terra.

Grazie alla natura gassosa dell'ossigeno, la molecola è in grado di attraversare liberamente le membrane cellulari - sia la membrana esterna che separa la cellula dall'ambiente extracellulare, sia le membrane dei compartimenti subcellulari, inclusi i mitocondri.

Caratteristiche della respirazione

Le cellule utilizzano le molecole che ingeriamo attraverso la nostra dieta come una sorta di "carburante" respiratorio.

La respirazione cellulare è il processo di generazione di energia, sotto forma di molecole di ATP, in cui le molecole da degradare subiscono l'ossidazione e l'accettore finale degli elettroni è, nella maggior parte dei casi, una molecola inorganica.

Una caratteristica essenziale che consente il verificarsi dei processi respiratori è la presenza di una catena di trasporto degli elettroni. Nella respirazione aerobica, l'accettore finale per gli elettroni è la molecola di ossigeno.

In condizioni normali, questi "combustibili" sono carboidrati o carboidrati e grassi o lipidi. Poiché il corpo va in condizioni precarie a causa della mancanza di cibo, ricorre all'uso di proteine ​​per cercare di soddisfare il suo fabbisogno energetico.

La parola respirazione fa parte del nostro vocabolario nella vita di tutti i giorni. L'atto di portare aria nei nostri polmoni, in continui cicli di espirazioni e inalazioni, lo chiamiamo respirazione.

Tuttavia, nel contesto formale delle scienze della vita, tale azione è designata con il termine ventilazione. Pertanto, il termine respirazione viene utilizzato per riferirsi a processi che avvengono a livello cellulare.

Processi (fasi)

Le fasi della respirazione aerobica comportano i passaggi necessari per estrarre energia dalle molecole organiche - in questo caso descriveremo il caso della molecola di glucosio come combustibile respiratorio - fino a raggiungere l'accettore di ossigeno.

Questa complessa via metabolica è suddivisa in glicolisi, ciclo di Krebs e catena di trasporto degli elettroni:

Glicolisi

Figura 1: glicolisi vs gluconeogenesi. Reazioni ed enzimi coinvolti.

Il primo passo nella scomposizione del glucosio monomero è la glicolisi, chiamata anche glicolisi. Questo passaggio non richiede ossigeno direttamente ed è presente praticamente in tutti gli esseri viventi.

L'obiettivo di questa via metabolica è la scissione del glucosio in due molecole di acido piruvico, ottenendo due molecole di energia netta (ATP) e riducendo due molecole di NAD ⁺ .

In presenza di ossigeno, il percorso può proseguire verso il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni. In caso di assenza di ossigeno, le molecole seguiranno il percorso di fermentazione. In altre parole, la glicolisi è una via metabolica comune per la respirazione aerobica e anaerobica.

Prima del ciclo di Krebs, deve avvenire la decarbossilazione ossidativa dell'acido piruvico. Questo passaggio è mediato da un complesso enzimatico molto importante, chiamato piruvato deidrogenasi, che effettua la suddetta reazione.

Pertanto, il piruvato diventa un radicale acetile che viene successivamente catturato dal coenzima A, che è responsabile del trasporto al ciclo di Krebs.

ciclo di Krebs

Il ciclo di Krebs, noto anche come ciclo dell'acido citrico o ciclo dell'acido tricarbossilico, consiste in una serie di reazioni biochimiche catalizzate da enzimi specifici che cercano di rilasciare gradualmente l'energia chimica immagazzinata nell'acetil coenzima A.

È un percorso che ossida completamente la molecola di piruvato e si verifica nella matrice dei mitocondri.

Questo ciclo si basa su una serie di reazioni di ossidazione e riduzione che trasferiscono energia potenziale sotto forma di elettroni agli elementi che li accettano, in particolare la molecola NAD ⁺ .

Riepilogo del ciclo di Krebs

Ogni molecola di acido piruvico si scompone in anidride carbonica e una molecola a due atomi di carbonio, nota come gruppo acetile. Con l'unione al coenzima A (menzionato nella sezione precedente) si forma il complesso acetil coenzima A.

I due atomi di carbonio dell'acido piruvico entrano nel ciclo, si condensano con ossalacetato e formano una molecola di citrato a sei atomi di carbonio. Pertanto, si verificano reazioni di fase ossidativa. Il citrato ritorna ad ossalacetato con una produzione teorica di 2 moli di anidride carbonica, 3 moli di NADH, 1 di FADH ₂ e 1 mole di GTP.

Poiché due molecole di piruvato si formano nella glicolisi, una molecola di glucosio comporta due rivoluzioni del ciclo di Krebs.

Catena di trasporto degli elettroni

Una catena di trasporto di elettroni è costituita da una sequenza di proteine ​​che hanno la capacità di eseguire reazioni di ossidazione e riduzione.

Il passaggio di elettroni attraverso questi complessi proteici si traduce in un rilascio graduale di energia che viene successivamente utilizzata nella generazione di ATP dalla chemioosmotica. È importante sottolineare che l'ultima reazione a catena è di tipo irreversibile.

Negli organismi eucarioti, che hanno compartimenti subcellulari, gli elementi della catena trasportatrice sono ancorati alla membrana dei mitocondri. Nei procarioti, che mancano di questi compartimenti, gli elementi della catena si trovano nella membrana plasmatica della cellula.

Le reazioni di questa catena portano alla formazione di ATP, attraverso l'energia ottenuta dallo spostamento dell'idrogeno attraverso i trasportatori, fino a raggiungere l'accettore finale: l'ossigeno, reazione che produce acqua.

Classi di molecole trasportatrici

La catena è composta da tre varianti di trasportatori. La prima classe sono le flavoproteine, caratterizzate dalla presenza di flavina. Questo tipo di trasportatore può eseguire due tipi di reazioni, alternativamente sia di riduzione che di ossidazione.

Il secondo tipo è costituito da citocromi. Queste proteine ​​hanno un gruppo eme (come quello dell'emoglobina), che può presentare diversi stati di ossidazione.

L'ultima classe di trasportatori è l'ubiquinone, noto anche come coenzima Q. Queste molecole non sono proteine ​​in natura.

Organismi con respirazione aerobica

La maggior parte degli organismi viventi ha una respirazione di tipo aerobico. È tipico degli organismi eucarioti (esseri con un vero nucleo nelle loro cellule, delimitato da una membrana). Tutti gli animali, piante e funghi respirano aerobicamente.

Animali e funghi sono organismi eterotrofi, il che significa che il "carburante" che verrà utilizzato nella via metabolica della respirazione deve essere attivamente consumato nella dieta. A differenza delle piante, che hanno la capacità di produrre il proprio cibo tramite la fotosintesi.

Alcuni generi di procarioti necessitano anche di ossigeno per la loro respirazione. In particolare, ci sono batteri aerobici rigorosi, cioè crescono solo in ambienti ricchi di ossigeno, come lo pseudomonas.

Altri generi di batteri hanno la capacità di cambiare il loro metabolismo da aerobico ad anaerobico in base alle condizioni ambientali, come le salmonelle. Nei procarioti, essere aerobici o anaerobici è una caratteristica importante per la loro classificazione.

Differenze dalla respirazione anaerobica

Il processo opposto alla respirazione aerobica è la modalità anaerobica. La differenza più evidente tra i due è l'uso dell'ossigeno come accettore finale di elettroni. La respirazione anaerobica utilizza altre molecole inorganiche come accettori.

Inoltre, nella respirazione anaerobica il prodotto finale delle reazioni è una molecola che ha ancora il potenziale per continuare a ossidarsi. Ad esempio, l'acido lattico si è formato nei muscoli durante la fermentazione. Al contrario, i prodotti finali della respirazione aerobica sono l'anidride carbonica e l'acqua.

Ci sono differenze anche dal punto di vista energetico. Nella via anaerobica, vengono prodotte solo due molecole di ATP (corrispondenti alla via glicolitica), mentre nella respirazione aerobica il prodotto finale è generalmente di circa 38 molecole di ATP - che è una differenza significativa.

Riferimenti

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