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Respirazione aerobica

Hai mai sentito parlare di attività fisica o sport di tipo aerobico? Questi termini sottolineano l'importanza del metabolismo aerobico nel compiere una specifica attività. Il metabolismo o respirazione aerobica è infatti di primaria importanza durante attività fisica o sport di "media" intensità. Pertanto, durante la respirazione aerobica, l'ATP viene generato dall'ossigeno e dai sottoprodotti derivanti dall'ossidazione dei nutrienti. A tal proposito, il glucosio è noto come il principale substrato respiratorio e viene scomposto dalle cellule per produrre energia sotto forma di ATP.

L'aspetto fondamentale della respirazione aerobica è che richiede ossigeno per avvenire. È diversa dalla respirazione anaerobica, che non richiede ossigeno e produce molto meno ATP.

Dove avviene la respirazione aerobica?

Nelle cellule animali, tre delle quattro fasi della respirazione aerobica hanno luogo nei mitocondri. La glicolisi avviene nel citoplasma, che è il liquido che circonda gli organelli della cellula. La reazione di legame, il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa avvengono tutti all'interno dei mitocondri.

Le caratteristiche strutturali dei mitocondri aiutano a capire il perchè del loro ruolo primario nella respirazione aerobica. I mitocondri hanno una membrana interna e una esterna. Questa struttura a doppia membrana crea cinque componenti distinti all'interno dei mitocondri, ognuno dei quali contribuisce in qualche modo alla respirazione aerobica:

  • La membrana mitocondriale esterna permette la creazione dello spazio intermembrana.
  • Lo spazio intermembrana consente ai mitocondri di trattenere i protoni che vengono pompati fuori dalla matrice dalla catena di trasporto degli elettroni, caratteristica della fosforilazione ossidativa.
  • La membrana mitocondriale interna organizza la catena di trasporto degli elettroni e contiene l'ATP sintasi che aiuta a convertire l'ADP in ATP.
  • Le cristae si riferiscono alle pieghe della membrana interna. La struttura ripiegata delle cristae contribuisce a espandere la superficie della membrana mitocondriale interna, che può così produrre ATP in modo più efficiente.
  • La matrice è il sito di sintesi dell'ATP ed è anche la sede del ciclo di Krebs.

Fasi della respirazione aerobica

La respirazione aerobica può essere suddivisa in 4 fasi principali. Di seguito prenderemo in esame l'esempio del glucosio.

Glicolisi

La glicolisi avviene nel citoplasma e comporta la scissione di una singola molecola di glucosio a 6 atomi di carbonio in due molecole di piruvato a 3 atomi di carbonio. Durante la glicolisi avvengono molteplici reazioni, più piccole e controllate dagli enzimi, che si svolgono in quattro fasi:

  • Fosforilazione del glucosio - Prima di essere scisso in due molecole di piruvato a 3 atomi di carbonio, il glucosio deve essere reso più reattivo. Ciò avviene attraverso l'aggiunta di due molecole di fosfato, motivo per cui questa fase viene definita fosforilazione. Le due molecole di fosfato si ottengono dalla scissione di due molecole di ATP in due molecole di ADP e due molecole di fosfato inorganico (Pi). Ciò avviene tramite idrolisi, ovvero l'acqua viene utilizzata per scindere l'ATP. Questo fornisce l'energia necessaria per attivare il glucosio e abbassa l'energia di attivazione per la successiva reazione controllata dagli enzimi.
  • Scissione del glucosio fosforilato - In questa fase, ogni molecola di glucosio (con i due gruppi Pi aggiunti) viene scissa in due. Si formano così due molecole di fosfato di triosio, una molecola a 3 carboni.
  • Ossidazione della gliceraldeide 3 fosfato - Una volta formate queste due molecole di fosfato di triosio, l'idrogeno viene rimosso da entrambe. Questi gruppi idrogeno vengono poi trasferiti a una molecola portatrice di idrogeno, il NAD+. Si forma così il NAD ridotto o NADH.
  • Produzione di ATP - Entrambe le molecole di fosfato di triosio, appena ossidate, vengono poi convertite in un'altra molecola a 3 carboni, il piruvato. Questo processo rigenera anche due molecole di ATP da due molecole di ADP.

L'equazione globale della glicolisi è:

Fase di collegamento

Durante la fase di collegamento, le molecole di piruvato a 3 atomi di carbonio prodotte durante la glicolisi subiscono una serie di reazioni diverse dopo essere state trasportate attivamente nella matrice mitocondriale. Le reazioni sono le seguenti:

  • Ossidazione - Il piruvato viene ossidato in acetato. Durante questa reazione, il piruvato perde una molecola di anidride carbonica e due idrogeni. Il NAD assume gli idrogeni di riserva e viene prodotto NAD ridotto. La nuova molecola a 2 carboni formata dal piruvato è chiamata acetato.
  • Produzione di acetil-coenzima A - L'acetato si combina poi con una molecola chiamata coenzima A, talvolta abbreviato in CoA. Si forma l'acetil-coenzima A a 2 atomi di carbonio.

L'equazione complessiva è la seguente:

Ciclo di Krebs

Il ciclo di Krebs è la più complessa delle quattro reazioni. Prende il nome dal biochimico britannico Hans Krebs ed è caratterizzato da una sequenza di reazioni redox che avvengono nella matrice mitocondriale. Le reazioni possono essere riassunte in tre fasi:

  • L'acetil coenzima A, prodotto durante la reazione di legame, si combina con una molecola a 4 atomi di carbonio. Si ottiene così una molecola a 6 atomi di carbonio.
  • Questa molecola a 6 atomi di carbonio perde una molecola di anidride carbonica e una molecola di idrogeno attraverso una serie di reazioni diverse. Si ottiene così una molecola a 4 atomi di carbonio e una singola molecola di ATP. Questo è un risultato derivante dalla fosforilazione a livello del substrato.
  • Questa molecola a 4 atomi di carbonio è stata rigenerata e può ora combinarsi con un nuovo acetil coenzima A a 2 atomi di carbonio, che può ricominciare il ciclo.

Queste reazioni comportano anche la produzione di ATP, NAD ridotto e FAD come sottoprodotti.

Fosforilazione ossidativa

È la fase finale della respirazione aerobica. Gli atomi di idrogeno rilasciati durante il ciclo di Krebs, insieme agli elettroni che possiedono, vengono trasportati da NAD e FAD ridotti (cofattori coinvolti nella respirazione cellulare) in una catena di trasferimento degli elettroni. Si verificano le seguenti fasi:

  • Dopo la rimozione degli atomi di idrogeno da varie molecole durante la glicolisi e il ciclo di Krebs, abbiamo molti coenzimi ridotti, come NAD e FAD ridotti.
  • Questi coenzimi ridotti donano gli elettroni trasportati dagli atomi di idrogeno alla prima molecola della catena di trasferimento degli elettroni.
  • Questi elettroni si muovono lungo la catena di trasferimento degli elettroni utilizzando molecole di trasporto. Si verifica una serie di reazioni redox (ossidazione e riduzione) e l'energia rilasciata da questi elettroni provoca il flusso di ioni H+ attraverso la membrana mitocondriale interna e nello spazio intermembrana. In questo modo si stabilisce un gradiente elettrochimico in cui gli ioni H+ fluiscono da un'area di maggiore concentrazione a un'area di minore concentrazione.
  • Gli ioni H+ si accumulano nello spazio intermembrana. Poi si diffondono nuovamente nella matrice mitocondriale attraverso l'enzima ATP sintasi, una proteina canale con un foro simile a un canale attraverso il quale possono passare i protoni.
  • Quando gli elettroni raggiungono la fine della catena, si combinano con gli ioni H+ e l'ossigeno, formando acqua. L'ossigeno agisce come accettore finale di elettroni e l'ADP e il Pi (fosfato inorganico) si combinano in una reazione catalizzata dall'ATP sintasi per formare ATP.

L'equazione complessiva della respirazione aerobica è la seguente:

Respirazione aerobica - Punti chiave

  • La respirazione aerobica avviene nei mitocondri e nel citoplasma della cellula. È un tipo di respirazione che richiede ossigeno e produce acqua, anidride carbonica e ATP.
  • La respirazione aerobica prevede quattro fasi: la glicolisi, la fase di collegamento, il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa.
  • L'equazione complessiva della respirazione aerobica è:

Domande frequenti riguardo Respirazione aerobica

Le fasi della respirazione aerobica sono quattro. Prendendo come esempio l'ossidazione del glucosio: 1) Glicolisi; 2) fase di collegamento; 3) ciclo di Krebs; 4) fosforilazione ossidativa.

L'acido piruvico derivante dai nutrienti ossidati nelle fasi precedenti viene demolito negli step successivi fino ad arrivare alla fosforilazione ossidativa.

Si intende il processo metabolico in grado di produrre ATP in assenza di ossigeno.

La respirazione anaerobica può produrre ATP e NADH e/o FADH2

Esistono organismi anaerobi come i batteri o funghi ma anche organismi aerobi come l'uomo sono in grado di svolgere la respirazione anaerobica seppur per periodi di tempo limitati in condizioni di totale anaerobiosi.

Quiz Finale Respirazione aerobica

Domanda

Cosa indica il termine glicolisi?

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Risposta

Il termine glicolisi indica letteralmente la scissione di glucosio.

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Domanda

Dove avviene la glicolisi?

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Risposta

Nel citoplasma

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Domanda

Descrivi in breve il principale risultato derivante dalla glicolisi.

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Risposta

La glicolisi comporta la scissione del glucosio, una molecola a 6 atomi di carbonio, in due molecole di piruvato a 3 atomi di carbonio.

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Domanda

Gli enzimi ricoprono un ruolo fondamentale nella glicolisi.

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Risposta

Vero

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Domanda

Quali tra queste rappresenta una reazione della glicolisi.

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Risposta

Fosforilazione del glucosio

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Domanda

Qual'è il bilancio energetico complessivo della glicolisi. 

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Risposta

Complessivamente, la glicolisi produce due molecole di ATP, due molecole di NADH e due ioni H+

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Domanda

La gliceraldeide-3-fosfato è un intermedio primario della glicolisi.

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Risposta

Vero

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Domanda

In quante tappe viene suddivisa la glicolisi?

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Risposta

10 tappe complessive.

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Domanda

Quali sono le due fasi della glicolisi?

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Risposta

Nella glicolisi vengono identificate due fasi principali: una prima fase definita di investimento ed una seconda fase definita di rendimento. In totale le due fasi contengono 10 tappe di reazioni chimiche.

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Domanda

Cosa succede nella fase di investimento della glicolisi?

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Risposta

La fase di investimento si riferisce alla prima metà della glicolisi, in cui si investono due molecole di ATP per scindere il glucosio in due molecole a 3 atomi di carbonio. 

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Domanda

Cosa succede nella fase di rendimento della glicolisi?

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Risposta

La fase di rendimento si riferisce alla parte finale della glicolisi, che genera due molecole di piruvato e quattro molecole di ATP.

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Domanda

Dalla tappa 5 della glicolisi tutti i processi avvengono due volte poichè a partire da un glucosio si ottengono 2 gliceraldeidi-3-fosfato.

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Risposta

Vero

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Domanda

In quale organello cellulare avviene la fosforilazione ossidativa?

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Risposta

Negli eucarioti la fosforilazione ossidativa avviene nei mitocondri.

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Domanda

A cosa serve la fosforilazione ossidativa?

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Risposta

La fosforilazione ossidativa costituisce l'ultima tappa del metabolismo energetico comune ai processi ossidativi d carboidrati, grassi e aminoacidi, e consente di produrre energia tramite la sintesi di ATP.

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Domanda

Come si chiama un coenzima essenziale nel trasporto di elettroni durante la fosforilazione ossidativa?

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Risposta

Coenzima Q

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Domanda

Qual'è il ruolo di FADH2 È il NADH nella fosforilazione ossidativa?

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Risposta

Durante la fosforilazione ossidativa gli elettroni trasportati da NADH e FADHvengono utilizzati per generare il gradiente protonico.

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Domanda

Che cos'è la catena di trasporto degli elettroni?

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Risposta

La catena di trasporto degli elettroni comprende proteine incorporate nella membrana mitocondriale e molecole organiche suddivise in quattro complessi principali, denominati da I a IV.

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Domanda

Che cos'è la chemiosmosi?

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Risposta

Un processo biochimico che sfrutta un gradiente elettrochimico di ioni H+ per compiere lavoro cellulare che può essere utilizzato per la sintesi di ATP.

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Domanda

Il mitocondrio è composto da:

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Risposta

Una membrana interna ed una esterna

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Domanda

Quale importante complesso è situato nella membrana interna del mitocondrio?

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Risposta

Nella membrana interna si trovano la catena di trasporto degli elettroni e l'ATP sintasi.

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Domanda

Qual'è la funzione delle creste mitocondriali?

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Risposta

Le creste mitocondriali aumentano il rapporto superficie/volume disponibile per la fosforilazione ossidativa, il che significa che la membrana può contenere una quantità maggiore di complessi proteici di trasporto degli elettroni e di ATP sintasi rispetto a una membrana non altamente convoluta. 

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Domanda

Quali sono le quattro fasi principali della fosforilazione ossidativa?

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Risposta

Trasporto di elettroni da parte di NADH e FADH2.

Pompaggio di protoni e trasferimento di elettroni.

Formazione di acqua.

Sintesi di ATP.


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Domanda

Che cos'è un gradiente elettrochimico?

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Risposta

Un gradiente elettrochimico descrive la differenza di carica elettrica tra due lati di una membrana dovuta alle differenze di abbondanza di ioni tra i due lati. 

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Domanda

Il NADH trasporta elettroni ad alta energia.

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Risposta

Vero

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Domanda

Quante molecole di ATP si ottengono al termine della respirazione cellulare per ogni molecola di glucosio ossidata?

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Risposta

In totale, la respirazione cellulare produce tra 30 e 32 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio. 

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Domanda

Quali sono i tre prodotti principali derivanti dalla fosforilazione ossidativa?

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Risposta

  • ATP 
  • Acqua
  • NAD+ e FAD

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Domanda

Le proteine complesse della catena di trasporto degli elettroni generano un gradiente elettrochimico tra lo spazio intermembrana e la matrice mitocondriale.

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Risposta

Vero

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Domanda

Qual'è la differenza principale tra respirazione aerobica ed anaerobica?

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Risposta

La respirazione anaerobica avviene in assenza di ossigeno mentre la respirazione aerobica avviene in presenza di ossigeno.

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Domanda

Quale tra respirazione aerobica ed anaerobica produce più ATP?

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Risposta

La respirazione aerobica consente di ottenere più molecole di ATP rispetto a quella anaerobica.

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Domanda

Come si chiama l'organello fondamentale in cui avviene la respirazione aerobica?

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Risposta

Mitocondrio

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Domanda

In quante componenti fondamentali può essere suddiviso il mitocondrio?

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Risposta

5

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Domanda

Dove avviene la glicolisi?

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Risposta

Nel citolplasma.

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Domanda

Prendendo come nutriente di riferimento il glucosio, la glicolisi rappresenta la prima tappa della respirazione aerobica.

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Risposta

Vero.

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Domanda

Cosa succede nella fase di collegamento tra la glicolisi ed il ciclo di Krebs?

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Risposta

Il piruvato viene trasformato in Acetil-coenzima-A

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Domanda

Dove avviene il ciclo di Krebs?

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Risposta

Nella matrice mitocondriale.

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Domanda

Cosa si ottiene dal ciclo di Krebs?

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Risposta

Le reazioni che avvengono durante il ciclo di Krebs comportano la produzione di ATP, NAD ridotto e FAD come sottoprodotti. 

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Domanda

Qual'è la fase finale della respirazione aerobica?

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Risposta

Fosforilazione ossidativa.

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Domanda

Che cos'è la beta ossidazione?

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Risposta

Per beta-ossidazione si intende la via metabolica in cui gli acidi grassi vengono degradati attraverso quattro reazioni cicliche e al termine del quale viene prodotto acetil-coenzima-A.

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Domanda

Da dove derivano i lipidi utilizzati nella beta ossidazione?

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Risposta

Lipidi derivanti dall'alimentazione, lipidi di riserva e lipidi sintetizzati all'interno dell'organismo.

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Domanda

In quale situazione la beta-ossidazione potrebbe essere particolarmente attiva?

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Risposta

In situazioni specifiche di elevata richiesta energetica (esempio: deficit calorico o esercizio aerobico a bassa intensità e di lunga durata), gli acidi grassi vengono trasportati al mitocondrio, per andare in contro alla beta-ossidazione.

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Domanda

Quante fasi principali comprende la beta-ossidazione

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Risposta

3

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Domanda

La beta-ossidazione è:

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Risposta

Intramitocondriale

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Domanda

Gli acidi grassi possono entrare all'itnerno del mitocondrio dopo essere stati "legati" ad una molecola di ___________ ?

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Risposta

Carnitina

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Domanda

Quante reazioni comprende la fase di reazioni cicliche?

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Risposta

4

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Domanda

L'acido palmitico rappresenta uno degli acidi grassi più abbondanti nei trigliceridi e richiede ben 7 cicli di reazioni per essere demolito.

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Risposta

Vero.

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Domanda

Quali di questi è uno degli step fondamentali della beta-ossidazione?

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Risposta

Fase di attivazione degli acidi grassi.

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Domanda

Quali di questi è uno degli step fondamentali della beta-ossidazione?

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Risposta

Fase di trasporto all'interno del mitocondrio e fase ciclica di reazioni.

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Domanda

In quanti modi può avvenire la respirazione cellulare?

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Risposta

La respirazione cellulare può avvenire in modo aerobico o anaerobico. 

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Domanda

Cosa succede al piruvato ottenuto tramite la glicolisi nel caso della respirazione aerobica?

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Risposta

Il piruvato viene prima convertito in acetil-coenzima-A,  che successivamente andrà incontro alle reazioni cicliche del ciclo di Krebs.

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Domanda

La respirazione aerobica produce più molecole di ATP rispetto a quella anaerobica.

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Risposta

Vero.

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