Log In Iscriviti
StudySmarter - The all-in-one study app.
4.8 • +11k Ratings
More than 3 Million Downloads
Free
|
|

All-in-one learning app

  • Flashcards
  • NotesNotes
  • ExplanationsExplanations
  • Study Planner
  • Textbook solutions
Start studying

Respirazione cellulare

Save Salva
Print Stampa
Edit Modifica
Iscriviti gratis per sbloccare tutte le funzioni. Iscriviti ora

Oramai dovrebbe suonarti familiare la frase: "le cellule sono i mattoni della vita". Va notato, però, che le cellule non sono semplicemente blocchi inanimati che compongono tessuti e organismi. Tutt'altro: le cellule sono entità dinamiche e incredibilmente attive. Per essere attive, hanno bisogno di energia. A uno studente come te servono del cibo e dell'ossigeno per poter andare a lezione, fare i compiti e imparare. Beh, le cellule non sono da meno! Dopotutto, noi stessi siamo interamente composti da cellule. Ma come riescono le cellule a ricavare l'energia necessaria per compiere tutte le loro funzioni? La risposta è proprio il titolo della nostra spiegazione: tramite la respirazione cellulare.

Basi chimiche della respirazione cellulare

La respirazione cellulare è il processo tramite il quale la cellula trasforma lo zucchero in energia.

La respirazione cellulare è un esempio di processo catabolico. Il catabolismo è la scomposizione di grandi molecole in molecole più piccole con conseguente rilascio di energia. La serie di reazioni chimiche cataboliche che caratterizzano la respirazione cellulare sono chiamate vie metaboliche.

La respirazione umana e la respirazione cellulare sono contraddistinte da una differenza sostanziale: mentre la respirazione umana necessita di ossigeno, quella cellulare può avvenire con o senza ossigeno. Come vedremo più avanti in questa spiegazione, la respirazione cellulare che avviene in presenza di ossigeno è definita aerobica, mentre la respirazione cellulare che accade in assenza di ossigeno è chiamata anaerobica.

Dato che non richiede ossigeno, cosa è fondamentale per la respirazione cellulare? L'ossidazione.

L'ossidazione è la perdita di elettroni o protoni. Comunemente (ma non necessariamente), essa è causata da una reazione con l'ossigeno.

Per comprendere appieno il modo in cui le cellule producono energia da una molecola di zucchero sfruttando l'ossidazione è necessario un rapido ripasso di chimica.

In generale, l'energia è definita come la capacità di compiere lavoro o di esercitare una forza. In biologia, l'energia si riferisce principalmente all'energia cinetica (movimento) o potenziale (immagazzinata). Le cellule hanno bisogno di energia per compiere azioni come contrarsi, espandersi, oppure trasportare o sintetizzare molecole.

A livello atomico, la dinamica tra gli elettroni e l'elettronegatività di un atomo sono fondamentali per capire come viene prodotta l'energia.

L'elettronegatività è una proprietà chimica che indica la tendenza di un atomo ad attrarre elettroni. Maggiore è l'elettronegatività, maggiore è la forza con cui un atomo attrae verso di sé elettroni.

Un elemento altamente elettronegativo, come l'ossigeno, attira fortemente gli elettroni. Immaginiamo un atomo di ossigeno collocato accanto a un atomo di potassio e stabiliamo che l'ossigeno attrae gli elettroni cinque volte di più del potassio. Quando l'atomo di ossigeno si avvicina al potassio, gli "ruba" l'elettrone. Il potassio utilizzava una certa quantità di energia per mantenere l'elettrone nella sua orbita. Una volta avvenuto il "furto", l'elettrone non è più nell'orbita del potassio e la quantità di energia che lo teneva legato al suo precedente "padrone" non è più necessaria e viene rilasciata. Il rilascio di energia dovuta al trasferimento di elettroni è il concetto chimico chiave alla base della respirazione cellulare.

Formula chimica della respirazione cellulare

L'equazione che descrive respirazione cellulare è la seguente:

1 molecola di glucosio + 6 molecole di ossigeno → 6 molecole di anidride carbonica + 6 molecole di acqua + energia

Sembra tutto molto semplice, non è vero? Purtroppo, questa equazione non è altro che una semplificazione tramite generalizzazione del processo di respirazione cellulare. L'intero processo è suddiviso in diverse fasi (le famose "vie metaboliche citate prima) che, prese nel loro insieme, comportano la trasformazione di glucosio e ossigeno in anidride carbonica, acqua ed energia.

Fasi della respirazione cellulare aerobica

La respirazione cellulare può essere definito un processo di combustione nel quale i nutrienti, estratti ed assorbiti durante la digestione degli alimenti e ridotti a biomolecole semplici come monosaccaridi, aminoacidi e acidi grassi, vengono demoliti in vari step passando per intermedi ancora più semplici, e ottenendo energia sotto forma di ATP.

Nella respirazione aerobica, e in particolare in riferimento all'ossidazione dei carboidrati, si distinguono quattro fasi o vie metaboliche. Di seguito troverai una rapida panoramica delle fasi. Non preoccuparti se qui troverai molti termini nuovi, perché verranno spiegati in modo più dettagliato nel corso di questa spiegazione. Per il momento, è sufficiente familiarizzare con questa nuova terminologia.

  1. Glicolisi: scissione di una molecola di glucosio in molecole di piruvato e ATP, che avviene nel citoplasma della cellula.

  2. Ossidazione del piruvato: conversione del piruvato in acetil-CoA, che avviene nei mitocondri.

  3. Ciclo di Krebs (o Ciclo dell'acido citrico): produzione di NADH dall'acetil-CoA, sempre nei mitocondri.

  4. Fosforilazione ossidativa: sintesi di ATP attraverso la catena di trasporto degli elettroni, ancora una volta situata nei mitocondri.

La respirazione aerobica in realtà si suddivide in ben 24 fasi! Le quattro fasi sopra elencate raggruppano ciascuna una serie di passaggi intermedi.

Per aiutarti a visualizzare questo concetto, puoi immaginare la respirazione aerobica come una scala che porta all'ultimo piano di un edificio. I diversi pianerottoli lungo il percorso rappresentano le quattro fasi della respirazione aerobica. Per arrivare a un pianerottolo occorre superare diversi gradini, che rappresentano quindi i passaggi intermedi tra le fasi.

Glicolisi

La prima fase della respirazione aerobica, la glicolisi, scinde una molecola di glucosio in due molecole di piruvato, oltre a produrre quattro molecole di ATP. Il piruvato o acido piruvico è la molecola risultante dalla glicolisi. La glicolisi richiede nel complesso dieci passaggi intermedi, ma, per facilitare la comprensione, ne riportiamo soltanto alcuni:

  1. Innanzitutto, devono essere disponibili due molecole di ATP. Ciascuna di esse cede un gruppo fosfato a una molecola di glucosio. Questa operazione è chiamata fosforilazione.

  2. In secondo luogo, ciascuna molecola di glucosio con il suo nuovo ospite, il gruppo fosfato, si divide in due molecole identiche chiamate triosio fosfato.

  3. In terzo luogo, un atomo di idrogeno viene rimosso da entrambe le molecole di triosio fosfato.

  4. In quarto luogo, le molecole di triosio fosfato, ora prive di un idrogeno, vengono convertite in piruvato. Vengono prodotte anche quattro molecole di ATP.

  • Glucosio → triosio fosfato → piruvato

Ossidazione del piruvato

La seconda fase della respirazione aerobica, l'ossidazione del piruvato, è più semplice. Si verifica nei mitocondri, che sono gli organelli cellulari responsabili della produzione di energia. Come indica il nome di questa fase, il piruvato viene ossidato, cioè perde un elettrone.

  1. In primo luogo, il piruvato perde un gruppo carbossilico (come l'anidride carbonica) e si lega a un gruppo idrossietilico, il quale perde un elettrone. La molecola risultante è chiamata piruvato deidrogenasi.
  2. In secondo luogo, come conseguenza della perdita di un elettrone, si forma un gruppo acetile sulla molecola di piruvato deidrogenasi.
  3. In terzo luogo, il coenzima A, un enzima specializzato nell'ossidazione del piruvato, si lega al gruppo acetile appena formato sulla molecola di piruvato deidrogenasi. Si crea così una molecola di acetil-CoA o acetil-coenzima A, necessaria per la fase successiva.

I gruppi carbossilico, idrossietilico e acetile sono tutti gruppi funzionali. In chimica organica, con il termine "gruppi funzionali" si descrive una disposizione unica di atomi con proprietà chimiche distinte su una molecola. I gruppi funzionali esulano dallo scopo di questo articolo, ma sono comunque un concetto chiave per comprendere la respirazione cellulare. Per curiosità, ecco una rapida panoramica dei gruppi funzionali trattati in questo articolo:

  • Il carbossile è una combinazione di idrossile e carbonile.
  • L'acetile è una combinazione di metile e carbonile.
  • L'idrossietile è una combinazione di etile e idrossile.
  • Piruvato → piruvato deidrogenasi → acetil-CoA

Ciclo di Krebs o ciclo dell'acido citrico

La terza fase della respirazione aerobica è chiamata ciclo di Krebs o ciclo dell'acido citrico. Anch'essa avviene nei mitocondri e può essere riassunta in tre fasi. Come indica il nome, questa fase è un ciclo, ovvero si ripete continuamente in loop.

Immagina di essere una molecola di acetil-CoA che salta su una ruota del luna park. Dopo un rapido giro, perdi le scarpe, gli occhiali e il telefono, ma la ruota continua ignara il suo folle giro. Il Ciclo di Krebs è simile, quindi salta a bordo!

  1. In primo luogo, l'acetil-CoA perde il suo coenzima A e si combina con l'acido ossalacetico, formando citrato e NADH.

  2. In secondo luogo, il citrato si converte in acido 2-chetoglutarico e si forma altro NADH.

  3. In terzo luogo, l'acido 2-chetoglutarico si converte in acido ossalacetico e si ha un'ulteriore sintesi di NADH.

  4. ...e si riparte! L'acido ossalacetico si combina nuovamente con un altro acetil-CoA e il ciclo ricomincia.

Il NADH o nicotinammide adenina dinucleotide si converte in NAD+ quando perde un protone (H+). Il NADH e il NAD+ sono composti molecolari la cui funzione essenziale è quella di donatore o ricevitore di elettroni. Non è quindi un caso che durante la respirazione cellulare, in cui si verificano frequenti ossidazioni, viene generata una grande quantità di NADH.

  • Acetil-CoA -> citrato & NADH -> acido 2-chetoglutarico & NADH -> acido ossalacetico & NADH -> acetil-CoA

Fosforilazione ossidativa

La fosforilazione ossidativa si basa su due fasi, la catena di trasporto degli elettroni e la chemiosmosi, per formare ATP.

Avrai notato che anche le fasi precedenti hanno generato ATP, il che ti porta forse a chiederti perché ne serva di più. La risposta è che non è ancora stato prodotto abbastanza ATP per alimentare in modo significativo le cellule. La fosforilazione ossidativa produce una quantità di ATP significativamente maggiore rispetto alle fasi precedenti.

  1. Ora è il momento di rendere utile l'accumulo di molecole di NADH. Innanzitutto, la catena di trasporto degli elettroni avviene sulla membrana interna dei mitocondri. Nella parete della membrana sono incorporati quattro enzimi. Le molecole di NADH cedono i loro protoni (H+) a questa sequenza di enzimi. I protoni si accumulano su un lato della membrana, creando un gradiente di concentrazione.
  2. In secondo luogo, un quinto enzima, l'ATP sintasi, si lega a una molecola di ADP sul lato della membrana in cui si sono accumulati i protoni. L'energia del gradiente di concentrazione viene utilizzata per formare ATP in grande quantità.

Il gradiente di concentrazione è l'aumento o la diminuzione della concentrazione di una sostanza.

Abbiamo raggiunto la fase finale! Non ti senti carico/a di energia ora?

Fasi della respirazione cellulare anaerobica

La respirazione cellulare anaerobica (anche nota come fermentazione), come abbiamo visto, avviene quando l'ossigeno nella cellula è assente o non è presente in quantità sufficiente. Senza ossigeno, la fase di fosforilazione ossidativa non può essere portata a termine. Tuttavia, se ti ricordi la sua definizione saprai bene che l'ossidazione può semplicemente significare la perdita di un elettrone: la presenza di ossigeno non è dunque obbligatoria!

Disambiguazione: la fermentazione è un tipo particolare di respirazione anaerobica che non utilizza la catena di trasporto degli elettroni. La fermentazione è il tipo più comune di fermentazione anaerobica, ma non tutta la respirazione anaerobica avviene come fermentazione. Ad esempio, la metanogenesi è un tipo di fermentazione anaerobica caratteristica di alcuni organismi arcaici che permette di rilasciare metano.

Se sei un(')amante dei vini e dei formaggi, continua a leggere...

La respirazione anaerobica inizia in modo simile a quella aerobica, con la glicolisi che produce piruvato. In assenza di ossigeno, il piruvato viene fermentato o convertito in un sottoprodotto e in NAD+. Il NAD+ viene poi riutilizzato durante la glicolisi per produrre altro ATP. Esistono due tipi di fermentazione, che prendono il nome dal loro sottoprodotto:

  • Fermentazione alcolica: fermentazione del piruvato da parte del lievito, che produce alcol etilico come sottoprodotto. Viene utilizzata per produrre vini, birre e liquori.

  • Fermentazione lattica: fermentazione del piruvato da parte dei batteri, che produce acido lattico come sottoprodotto. Viene utilizzata per produrre formaggi e yogurt.

Bilancio energetico della respirazione cellulare

Una volta completata la respirazione cellulare, il prodotto principale è l'ATP, che nella formula vista prima è identificato semplicemente come energia.

Per ciascuna molecola di glucosio, la cellula tramite la respirazione riesce a produrre ben 30-38 molecole di ATP. Una performance niente male!

ATP

L'adenosina trifosfato, o ATP, è il prodotto chiave della respirazione cellulare. L'ATP è un composto molecolare che trasporta energia nei suoi legami fosfato. Questa energia viene messa a disposizione delle cellule durante la respirazione cellulare. La struttura dell'ATP è composta da un'adenosina e tre fosfati. Quando un legame fosfato viene spezzato, l'ATP perde un gruppo fosfato e si libera energia. La molecola risultante, ovvero l'ATP senza un gruppo fosfato, è chiamata adenosina difosfato, o ADP.

Per ricordare la differenza tra ATP e ADP, può essere utile notare la differenza tra i prefissi di- e tri-: di- significa due (due fosfati), mentre tri- significa tre (tre fosfati).

Respirazione cellulare e fotosintesi clorofilliana

Osserva brevemente la formula della respirazione cellulare e quella della fotosintesi clorofilliana:

Noterai che sono essenzialmente l'una l'inverso dell'altra!

La fotosintesi clorofilliana è un processo endoergonico poiché assorbe energia dall'esterno, mentre la respirazione cellulare è un processo esoergonico, perché produce energia e la rilascia all'esterno.

Respirazione cellulare - Punti chiave

  • La respirazione cellulare è il processo con cui le cellule convertono glucosio e ossigeno in anidride carbonica, acqua ed energia (ATP).
  • La condizione fondamentale per la respirazione cellulare è l'ossidazione, ovvero il passaggio di elettroni e/o protoni.
  • La principale respirazione cellulare è detta aerobica e si svolge in presenza di ossigeno.
  • La respirazione cellulare anaerobica avviene in assenza o carenza di ossigeno; è responsabile della produzione di alcol etilico (vino, birre, liquori) e acido lattico (formaggi, yogurt).
  • Le quattro fasi della respirazione cellulare aerobica sono la glicolisi, l'ossidazione del piruvato, il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa.

Domande frequenti riguardo Respirazione cellulare

La respirazione cellulare avviene inizialmente nel citoplasma e successivamente nei mitocondri della cellula. Si tratta di una serie di reazioni chimiche volte a trasformare biomolecole come zuccheri ed acidi grassi in energia e si basa sull'ossidazione, ovvero la perdita di elettroni e/o protoni.

La respirazione cellulare che avviene in presenza di ossigeno è definita aerobica, mentre la respirazione cellulare che accade in assenza di ossigeno è chiamata anaerobica.

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energia

Nel caso dell'ossidazione dei carboidrati, la prima tappa della respirazione cellulare è la glicolisi, ovvero la scissione di una molecola di glucosio in molecole di piruvato e ATP. Essa avviene nel citoplasma della cellula.

In realtà, la respirazione cellulare aerobica è composta da 24 passaggi, anche se, per semplicità, essi vengono raggruppati in 4 fasi (riferite all'ossidazione dei carboidrati): glicolisi, ossidazione del piruvato, ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa.

Quiz Finale Respirazione cellulare

L'ossidazione del piruvato avviene prima della fosforilazione ossidativa.

Vero

Qual è la molecola che le cellule convertono in energia durante la respirazione cellulare?

Glucosio

Il catabolismo è un processo che descrive l'assemblaggio di piccole molecole in una molecola più grande.

Falso, è l'opposto.

La prima fase della respirazione cellulare aerobica è il ciclo di Krebs.

Falso, è la glicolisi.

Quale delle seguenti non descrive una fase della respirazione cellulare?

Ciclo di Krebs

Il ciclo di Kreb e il ciclo dell'acido citrico sono sinonimi.

Vero

Qual è il risultato finale della glicolisi?

Glucosio

Quale dei seguenti fenomeni si verifica durante la fosforilazione ossidativa?

I protoni vengono spostati attraverso la catena di trasporto degli elettroni.

ATP è l'acronimo di quale sostanza?

Adenosina trifosfato

Qual è la molecola risultante dall'ossidazione del piruvato?

Acetil-CoA

Come si chiama il fenomeno per cui un gruppo fosfato dell'ATP si lega a una molecola di glucosio?

Fosforilazione

L'ossigeno è indispensabile per la respirazione cellulare.

Falso

Quale organello della cellula svolge un ruolo importante nella respirazione cellulare?

Il mitocondrio

Che cos'è una via metabolica?

Una sequenza di reazioni chimiche che avvengono in una cellula.

Quanti fosfati ci sono nell'ATP?

3

Le reazioni di riduzione sono meccanismi chiave della respirazione cellulare. Vero o falso? Perché?

Falso; l'ossidazione è il meccanismo chiave della respirazione cellulare.

Descrivi brevemente le proteine.

Proteine: macromolecole biologiche formate da catene di aminoacidi legate tramite legami peptidici e in grado di svolgere molteplici funzioni biologiche, critiche per la sopravvivenza di ogni organismo.

Quali sono le fasi principali della sintesi proteica?

Trascrizione e traduzione.

Dove avviene la prima fase della sintesi proteica?

La prima fase della sintesi proteica, la trascrizione, avviene nel nucleo cellulare.

Dove avviene la seconda fase della sintesi proteica?

La seconda fase della sintesi proteica, la traduzione, avviene nel citoplasma ed in particolare nei ribosomi. 

Definisci il processo di trascrizione.

La trascrizione è il trasferimento di una sequenza di basi del DNA in RNA.

Definisci il processo di traduzione.

La traduzione è la "lettura" di questo materiale genetico RNA.

In quale fase della sintesi proteica è coinvolto il DNA e come?

Il processo di sintesi proteica inizia con il DNA che si trova nel nucleo. Il DNA contiene il codice genetico sotto forma di sequenza di basi, che memorizza tutte le informazioni necessarie per la creazione delle proteine.

I geni codificano per specifiche cate di aminoacidi e di conseguenza proteine.

vero

Qual'è la prima fase della trascrizione?

La fase in cui si produce l'RNA pre-messaggero (pre-mRNA), che è un breve filamento singolo di RNA complementare a un gene presente nel nostro DNA. 

Quali enzimi principali sono coinvolti nella trascrizione?

Elicasi e polimerasi

Che cosa succede dopo lo splacing dell'mRNA?

Una volta completato lo splicing, l'mRNA può uscire dal poro nucleare e dirigersi verso il ribosoma per la traduzione.

I ribosomi sono organelli responsabili della traduzione dell'mRNA.

vero

Qual'è la funzione principale dei ribosomi nella sintesi proteica?

Questi organelli, costituiti da RNA ribosomiale e proteine, mantengono l'mRNA in posizione durante questa fase.

Il tRNA è costituito da?

Un anticodone, che si legherà al suo codone complementare sull'mRNA. Un sito di attacco per un amminoacido.

Quale enzima principale caratterizza la traduzione?

La peptidil transferasi.

Cosa indica il termine glicolisi?

Il termine glicolisi indica letteralmente la scissione di glucosio.

Dove avviene la glicolisi?

Nel citoplasma

Descrivi in breve il principale  risultato derivante dalla glicolisi.

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

Gli enzimi ricoprono un ruolo fondamentale nella glicolisi.

vero

Quali tra queste rappresenta una reazione della glicolisi.

Fosforilazione del glucosio

Qual'è il bilancio energetico complessivo della glicolisi. 

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

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

vero

In quante tappe viene suddivisa la glicolisi?

10 tappe complessive.

Quali sono le due fasi della glicolisi?

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.

Cosa succede nella fase di investimento della glicolisi?

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. 

Cosa succede nella fase di rendimento della glicolisi?

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

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

vero

In quale organello cellulare avviene la fosforilazione ossidativa?

Negli eucarioti la fosforilazione ossidativa avviene nei mitocondri.

A cosa serve la fosforilazione ossidativa?

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.

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

Coenzima Q

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

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

Che cos'è la catena di trasporto degli elettroni?

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.

Che cos'è la chemiosmosi?

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

Il mitocondrio è composto da:

Una membrana interna ed una esterna

SCOPRI DI PIÙ RIGUARDO Respirazione cellulare
60%

degli utenti non supera il quiz di Respirazione cellulare! Tu lo passeresti?

INIZIA IL QUIZ

Scopri i migliori contenuti per le tue materie

Iscriviti per sottolineare e prendere appunti. É tutto gratis.