Respirazione cellulare

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 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.

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.

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:

${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{O}}_2\to 6{\mathrm{CO}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+\mathrm{energia}$

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.

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.

• 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.

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.

• 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.

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.

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!

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.

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.

Respirazione cellulare e fotosintesi clorofilliana

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

$6{\mathrm{CO}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\stackrel{\mathrm{Energia}\mathrm{solare}}{\to }{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{O}}_2$

${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+6{\mathrm{O}}_2\to 6{\mathrm{CO}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+\mathrm{energia}$

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.