Respirazione cellulare - Sintesi e formule

La respirazione cellulare è un processo di combustione che avviene in modo lento, in cui i nutrienti vengono demoliti in fase digestiva in delle molecole ancora più piccole, le quali sono in grado di dare energia alla cellula sotto forma di quel processo che si chiama ATP (il 40 per cento dell'energia circa, mentre circa il 60 per cento viene disperso sotto forma di calore). La respirazione cellulare si articola in determinate e precise fasi: le glicolisi, la conversione acido piruvico in acetilcoenzima A, il ciclo di Krebs.

la respirazione cellulare avviene per tappe sempre in presenza dell'ossigeno. Si tratta di un processo facente parte del metabolismo cellulare.

Respirazione cellulare

Ecco come avviene la respirazione cellulare.

Il processo biochimico con cui parte dell’energia chimica contenuta nelle molecole organiche viene convertita in energia utilizzabile nei processi vitali della cellula è la respirazione cellulare. In essa il 40% dell’energia liberata è immagazzinata come ATP, il restante 60% è disperso come calore. Molte molecole organiche possono essere impiegate come combustibile per la respirazione, ma trattiamo il glucosio. In tutte le cellule la demolizione del glucosio inizia con la glicolisi che può essere demolito in presenza di ossigeno, con la respirazione cellulare,o in assenza di esso, con la fermentazione.

Fasi della respirazione cellulare: La respirazione cellulare, che avviene in ambiente aerobico, è riassumibile in:

+ -> + + energia; il processo si snoda in 3 fasi:
1 Glicolisi e respirazione cellulare: è formata da nove reazioni , ciascuna catalizzata da uno specifico enzima, il cui prodotto di una reazione funge da substrato per quella successiva. In una prima parte endoergonica si consumano 2 ATP, il glucosio viene trasformato attraverso quattro reazioni in due molecole di fosfogliceraldeide (PGCAL); successivamente nella seconda fase esoergonica ogni molecola di PGAL è convertita in una molecola di acido piruvico: una parte dell’energia liberata viene utilizzata per sintetizzare quattro molecole di ATP, un’altra parte è immagazzinata sotto forma di elettroni nel NADH, forma ridotta del coenzima NAD+, grazie al PGAL che, nella 5 fase, perde due atomi di idrogeno, uno dei quali ceduto al NAD+, che si trasforma in NADH, l’altro finisce invece nel citosol. Riassumendo si formano 2 molecole di acido piruvico, 2 di ATP 2 di NADH.
2 Conversione acido piruvico in acetilcoenzima A: l’acido piruvico prodotto viene trasportato dal citosol nella matrice del mitocondrio dove si ossida e viene convertito in acetilcoenzima A che entra poi nel ciclo di Krebs. Per ogni molecola di acido piruvico ossidata si formano una molecola di acetilcoenzima A, una di anidride carbonica, prodotto di rifiuto fuoriesce dalla cellula, e due atomi di idrogeno che si combinano con il NAD+ formando NADH e un H+.
3 Ciclo di Krebs: l’acetilcoenzima A entra nel ciclo di Krebs (o dell’acido citrico) che ha luogo nella matrice dei mitocondri. Il ciclo è costituito da otto reazioni che ad ogni giro rigenerano il composto di partenza, l’acido ossalacetico a 4 atomi di carbonio. Ha inizio quando l’acido ossalacetico si combina con l’acetilCoA formando l’acido citrico (6 atomi C): esso viene nelle successive fasi trasformato in modo che 2 dei suoi atomi di carbonio formino due molecole di anidride carbonica e gli altri riformino una molecola di acido ossalacetico per iniziare il ciclo. Parte dell’energia liberata nel processo è utilizzata per sintetizzare una molecola di ATP, parte è immagazzinata sotto forma di elettroni nei coenzimi NADH e FADH. Alcune reazioni del ciclo infatti sono di ossidazione e in esse vengono ceduti otto atomi di idrogeno che riducono tre molecole di NAD+ a NADH e una molecola di FAD+ a FADH2. Considerando che ci vogliono 2 giri del ciclo di Krebs per demolire completamente le due molecole di acido piruvico ottenute da una di glucosio, il guadagno energetico complessivo del ciclo per ogni molecola di glucosio è di due molecole di ATP, sei di NADH e due di FADH.
Durante la catena di trasporto degli elettroni poi il NADH e il FADH2 si ossidano cedendo elettroni ai componenti della catena: il NADH cede uno ione H+ mentre il FADH2 2 ioni H+ i quali finiscono nella matrice secondo gradiente tramite l’ATP sintetasi (questo flusso di ioni libera energia che forma ATP); entrambi poi cedono 2 elettroni che trasportati lungo la catena cedono energia a ogni trasportatore che si riduce, acquisendo energia, e si ossida, cedendola a livello energetico inferiore. L’ultimo trasportatore cede gli elettroni all’ossigeno che si combina con gli ioni H+ formando acqua. Durante il passaggio degli elettroni nella catena si libera energia usata per formare ATP (fosforilazione ossidativa): 1 per ogni coppia di elettroni ceduta dal NADH e 2 per ogni coppia del FADH2. In questa fase dato che 10 NADH (2 dalla glicolisi, 2 dalla conversione 6 dal ciclo di Krebs) e 2 FADH2 cedono elettroni, si ricavano 34 ATP contro i 4 delle fasi precedenti.

Respirazione cellulare, riassunto

E’ una reazione chimica che avviene a tappe e in presenza di ossigeno.
Fa parte del metabolismo cellulare.
La cellula vegetale per svolgere le sue funzioni ha bisogno di materia ed energia.
Per quanto riguarda la materia, la cellula provvede autonomamente a procurarsela; prende composti inorganici e li trasforma in organici.
La cellula animale prende la materia dall'esterno , attraverso gli alimenti che contengono zuccheri e proteine.
Entrambe hanno bisogno di energia; e se la procurano dal glucosio, che in presenza di ossigeno si trasforma in anidride carbonica, 6 molecole di acqua e 38 di ATP.

Mitocondrio: è un organulo che produce energia per la cellula quando ne ha bisogno. Si trova nel citoplasma e somiglia al cloroplasto, infatti ha una doppia membrana. In esso ci sono le creste mitocondriane che sono delle inter-flessioni che ingrandiscono l’organulo.
La respirazione cellulare porta alla formazione di 38 molecole di ATP.

La demolizione del glucosio prevede la glicolisi che avviene in assenza di ossigeno ,nel citoplasma.
Il glucosio si scinde e si formano due molecole di acido piruvico a 3 atomi di carbonio, più due molecole di ATP e 2 molecole di NADH.
La glicolisi, in presenza di ossigeno, è seguita dalla respirazione cellulare.
In assenza di ossigeno invece è seguita dalla fermentazione.

Respirazione cellulare, descrizione

La respirazione cellulare è un processo aerobico che prevede la demolizione del glucosio (C6 H12 O6) tramite l'ossidazione, producendo ATP (adenosina trifosfato, energia), H2O e CO2 di scarto, ossigenando la cellula per intero.

Processo:

Prima fase: Glicolisi: La glicolisi è un processo in nove tappe anaerobico, che termina con la produzione di due molecole di acido piruvico. L'acido piruvico è un metabolita (molecola che favorisce l'assimilazione) di collegamento tra la circolazione di carboidrati, grassi e amminoacidi.

Fase intermedia: Nei mitocondri l'acido piruvico viene ossidato, producendo il gruppo acetile. Il gruppo acetile è il radicale dell'acido acetico senza l'ossidrile.

Seconda fase: Il gruppo acetile (Ac) si unisce al coenzima A per entrare nel Ciclo di Krebs. Alla fine si avrà guadagno di energia con ATP ed altri trasportatori specifici: il FADH2 e il NADH.
Ciclo di Krebs: è una sequenza di reazioni che avvengono nella respirazione cellulare anaerobica e che accade dopo la glicolisi.

Terza fase (ultima): Nel trasporto finale di elettroni, gli elettroni trasportati da FADH2 e NADH vengono ceduti all'ossigeno, scendendo gradualmente di livello energetico.

Respirazione cellulare, definizione

La Respirazione Cellulare segue la Glicolisi quando vi sia presenza di ossigeno. Essa è dunque un Processo Aerobico che viene svolto da quasi tutte le cellule eucariote per produrre energia. Infatti a differenza della Glicolisi e della Fermentazione, la Respirazione Cellulare produce molta energia sotto forma di ATP. Avviene nei Mitocondri delle cellule ed è formata da una fase preparatoria ed altre due: Ossidazione del Piruvato (Preparatoria); Ciclo di Krebs; Fosforilazione Ossidativa.
Le prime due degradano completamente il Piruvato C₃H₄O₃, formatosi nella Glicolisi, in CO₂ e H₂O ed avvengono nella Matrice Mitocondriale. L'energia liberata in queste fasi viene immagazzinata da NADH e FADH₂ e sarà poi utilizzata nella terza ed ultima fase che avviene sulla Membrana Interna del Mitocondrio per convertire l'ADP in ATP.

Ossidazione del Piruvato: Questo è il processo che collega il Ciclo di Krebs alla Glicolisi. Il Piruvato C₃H₄O₃ viene ossidato ad Acetile al quale viene aggiunto il CoA (Coenzima A), un composto derivato dalla Vitamina B. Diventa dunque Acetil-CoA (AcetilCoenzima A). Suddiviso in più tappe, è catalizzato dall'enzima Piruvato Deidrogenasi che si trova nella Matrice Mitocondriale. Questo processo può essere riassunto cosi: C₃H₄O₃ + NAD⁺ + CoA → Acetil-CoA + (NADH + H⁺) + CO₂
Il Piruvato si ossida ad Acetato liberando 1 molecola di CO₂.
Una parte dell'energia liberata per produrre l'acetato (Perso un atomo C) è usata per ridurre il NAD⁺ in NADH + H⁺.
L'energia rimanente viene immagazzinata dall'Acetil-CoA che l'utilizzerà nel Ciclo di Krebs.

Ciclo di Krebs: Il processo che completa l'Ossidazione del Glucosio partendo dall'Acetil-CoA. Il Ciclo di Krebs è conosciuto anche come Ciclo dell'Acido Citrico, un composto con 6 atomi di Carbonio che è prodotto intermedio della Prima Tappa del Ciclo. Per ogni molecola di Acetil-CoA abbiamo una resa di:
- 2 molecole di CO₂ grazie all'ossidazione nelle tappe 3 e 4.
- 3 molecole di NADH + H⁺ nelle tappe 3, 4 e 8.
- 1 molecola di FADH₂ nella tappa 6.
- 1 ATP nella tappa 5.
Viene definito Ciclo perchè dopo le varie tappe del processo si torna al prodotto di partenza. Questo si svolge nella Matrice Mitocondriale ed ha il compito di ridurre una grande quantità di Trasportatori NAD e FAD che saranno poi utilizzati nell'ultima fase della Respirazione Cellulare, la Fosforilazione Ossidativa.

Il Metabolismo del Glucosio dall'inizio al Ciclo di Krebs ha portato i seguenti prodotti:
C₆H₁₂O₆ → 2 C₃H₄O₃ → 2 C₂H₃O + 2CO₂ → 6CO₂ + 2 ATP + 8(NADH + H⁺) + 2FADH₂

Respirazione, nozione

La respirazione cellulare avviene attraverso una serie di fasi che interessano determinate aree della cellula.
Prima fase: glicolisi.
E' una sequenza di dieci reazioni attraverso le quali il glucosio viene ossidato a due molecole di piruvato. Si generano due molecole di ATP e due molecole di coenzima e avviene nel citoplasma.
Seconda fase: conversione del piruvato in acetil coenzima A.
Il piruvato entra nel mitocondrio dove viene ossidato e trasformato in acetilcoenzima A, il punto di partenza del ciclo di Krebs. Si generano due molecole di coenzima ridotto.
Terza fase: ciclo di Krebs o dell'acido citrico o dell'acido tricarbossibilico.
Avviene nella matrice mitocondriale e consiste in una serie di deidrogenazioni, decarbossilazioni e isomerizzazioni. A ogni passaggio attraverso il ciclo si formano una molecola di ATP e quattro di coenzima.
Quarta fase: fosfolirazione ossidativa.
Si svolge sulla membrana interna del mitocondrio e genera un gradiente protonico il cui potenziale elettrochimico è usato per realizzare la sintesi di 32 molecole di ATP.
L'ossigeno è l'accettatore finale del potenziale riducente liberato durante l'ossidazione delle molecole organiche provenienti dal cibo.

Respirazione cellulare, spiegazione

Nella religione prevale l'immaginazione ed essa mira ad ottenere l'obbedienza,mentre la filosofia mira alla verità. Spinoza parla di diritto e leggi naturali nel senso che ogni individuo è per natura determinato a esistere ed operare in un certo modo.
-espirazione in cui l'aria esce dai polmoni e i muscoli intercostali e il diaframma si rilassano così le costole si riavvicinano e il diaframma si innalza. a anidride carbonica. Il termine respirazione indica il processo di introduzione dell'ossigeno nel corpo e sia l'insieme dei processi cellulari di combustione.
Negli organismi unicellulari gli scambi di ossigeno e anidride carbonica avvengono attraverso la membrana plasmatica. Negli organismi pluricellulari vi sono delle superfici respiratorie. La maggior parte di questi animali respira attraverso lo strato cellulare più superficiale e questa viene definita respirazione cutanea. Vi è poi la respirazione branchiale che mantiene umide le superfici respiratorie branchiali ed è allo stesso tempo povera d'ossigeno ed è un meccanismo di scambio controcorrente. La respirazione polmonare è quella più ricca d'ossigeno e poi vi è quella tracheale che presenta minuscoli fori dell'esoscheletro chiamati spiracoli e poi le trachee da cui passa l'aria. Inoltre questa respirazione permette al sistema circolatorio di non trasportare necessariamente grandi quantità d'ossigeno ed è perciò privo di globuli rossi.

Respirazione cellulare, sintesi

Il processo di respirazione cellulare si divide ulteriormente in due fasi: il ciclo di Krebs e il trasporto finale di elettroni. L’acido piruvico prodotto dalla glicolisi, prima di entrare nel ciclo di Krebs, perde un atomo di carbonio e si trasforma in un gruppo acetile; questo composto a due atomi di carbonio si lega a un particolare coenzima, il coenzima A, ed entrerà nel ciclo di Krebs sottoforma di acetilcoenzima A. Grazie alla serie di reazioni che fanno parte del ciclo di Krebs la cellula completa il processo di demolizione dei legami presenti originariamente nella molecola di glucosio. I composti finali sono anidride carbonica e acqua, ma per la cellula l’importanza di tale processo richiede soprattutto in un consistente guadagno energetico. L’energia è immagazzinata sia nei legami che si trovano tra i gruppi fosfato delle molecole di ATP sia in particolari molecole trasportatrici di energia chiamate NADH e FADH2; tali molecole sono coenzimi che sono capaci di trattenere gli elettroni a un alto livello di energia. Nella fase successiva, chiamata trasporto finale di elettroni, il NADH e il FADH2 cedono i loro elettroni a una catena di trasporto, ossia a un dispositivo mitocondriale costituito in gran parte da speciali proteine chiamate citocromi. Lungo la catena gli elettroni sono trasferiti da un trasportatore all’altro scendendo a livelli di energia via via inferiori, e l’energia liberata è utilizzata per formare ATP da ADP e fosfato. Gli elettroni hanno quindi raggiunto il loro livello energetico più basso e si combinano con i protoni e l’ossigeno per formare acqua. Il processo a questo punto è concluso: la molecola di glucosio è stata definitivamente demolita e l’energia utilizzabile in essa contenuta è stata immagazzinata dalla cellula.

Respirazione cellulare, analisi

La Respirazione Cellulare è quel Meccanismo Metabolico tra i più importanti degli esseri viventi aerobici (90% di tutti gli esseri viventi); corrisponde ad una serie di reazioni, difatti la Respirazione Cellulare è composta da tre fasi:
_la Glicolisi consiste in una successione di Reazioni Chimiche (7 o 8) che consistono nella demolizione delle molecole di Glucosio e avviene nel Citosol; porta alla produzione di 2 ATP;
_il Ciclo di Krebs il nome deriva dal biologo Krebs, avviene nei Mitocondri; porta alla produzione di 2 ATP;
_la Fosforilazione Ossidativa consiste in un Trasporto di Elettroni e in un Processo Chemio-Osmotico; porta alla produzione di 32 ATP.

Nella Respirazione Cellulare entrano in azione anche due Coenzimi che attuano il Trasporto degli Elettroni: sono il “FAD” e il “NAD”.

Formula Chimica per la Respirazione: C6H12O6 + 6O2 + 36 ATP + 36 ADP → 6CO2 + 6H2O + 36 ATP

La Maggior parte delle Reazioni Chimiche che avvengono nella Respirazione Cellulare sono di tipo “Ossidoriduttivo”, ossia Reazioni “Redox”, reazioni che costituiscono un processo mediante il quale gli Elettroni, assiemi agli Ioni H+, sono trasferiti da una molecola all’altra.

Metabolismo dei Carboidrati (Glucidi), Lipidi e Proteine: I Carboidrati intervengono sempre nella Respirazione Cellulare e anche in modo diretto, difatti il principale elemento che viene usato in essa è appunto un Carboidrato, il Glucosio.

I Lipidi possono intervenire attraverso gli Acidi Grassi e il Glicerolo, ossia due suoi componenti, nella Respirazione Cellulare, difatti il Glicerolo interviene durante la Glicolisi, mentre gli Acidi Grassi nella formazione di Acetile e nel legame “Acetil-Coenzima A”.

Le Proteine possono intervenire per mezzo delle loro componenti monomeriche, ossia gli Amminoacidi, che possono intervenire in quasi tutte le tappe della Respirazione Cellulare, esclusa la Catena di Trasporto di Elettroni. Se intervengono essi producono anche, come prodotto di scarto, dell’ammoniaca (NH3).

Le tre fasi della respirazione cellulare

Le fasi che compongono la Respirazione Cellulare sono tre e vengono descritte di seguito.

La Glicolisi corrisponde alla scissione di Molecole di Glucosio a metà sfruttando l’ATP, in modo da formare due molecole di ATP, due molecole di NADH e anche altre due di Acido Piruvico; in presenza di ossigeno avviene la Respirazione Cellulare, che porterà alla produzione finale di ATP, Anidride Carbonica e Acqua; mentre in assenza di ossigeno avviene nel Citosol la Fermentazione, che porta alla produzione di Etanolo, Acido Acetico ed Acido Lattico.

Dopo la Glicolisi, l’Acido Piruvico, composto da tre Atomi di Carbonio, viene trasformato in Acetile, ossia una derivazione del Glucosio con un Atomo di Carbonio in meno con il rilascio di CO2; questo avviene poiché l’Acido Piruvico non può entrare nei Mitocondri, ma solo l’Acetile.

A questo punto un Coenzima, definito “Coenzima A”, si lega all’Acetile e forma l’”Acetil-Coenzima A”, che a questo punto entra nel Ciclo di Krebs.

Il Ciclo di Krebs corrisponde alla fonte principale di Elettroni di tutte le tappe della Respirazione Cellulare. In questo Ciclo di Krebs vengono a formarsi complessivamente 6 NADH, 2FADH2 e 2 ATP.
Ogni molecola di Glucosio compie due giri del Ciclo, visto che da ognuna di queste si formano due molecole di “Acetil-Coenzima A”.

Successivamente il FADH2 e il NADH trasportano gli Elettroni e gli Ioni H+ verso la tappa successiva, ossia la Fosforilazione Ossidativa.

→Il “FAD” nella Forma Ridotta corrisponde a “FADH2”, mentre in Forma Ossidata a “FADH”;
→Il “NAD” nella Forma Ridotta corrisponde a “NADH”, mentre in Forma Ossidata a “NAD+”.

La Fosforilazione Ossidativa è chiamata così poiché comprende un processo di Ossidazione, ossia il trasporto di Elettroni, più la produzione totale di 36 ATP.

In questa terza ed ultima tappa della Respirazione Cellulare l’Energia necessaria per procurare ATP sono i Carboidrati, i Lipidi e le Proteine. I Carboidrati sono i più utilizzati, mentre i Lipidi vengono soprattutto immagazzinati, soprattutto perché questi ultimi occupano meno spazio a parità d’energia.
Il Carboidrato base usato per procurare ATP è, ovviamente, il Glucosio, difatti grazie a quest’ultimo l’ATP riesce ad essere ricaricato, seppur in modo indiretto: vengono sottratti elettroni al Glucosio e traportati dal NAD e dal FAD, quindi la Molecola di Glucosio, ricca di energia (l’energia del Glucosio è di tipo Chimico), viene ossidata da un’altra molecola, che a sua volta viene ossidata dalla molecola che la segue lungo la catena di trasporto degli elettroni.
Dopo ciò si arriva alla fase finale di questa terza tappa, nella quale Elettroni e Ioni H+ vengono trasportati dalla camera interna mitocondriale a quella esterna, dove incontrano l’ossigeno, però precedentemente, ogni atomo di ossigeno cattura due elettroni e forma una molecola d’acqua: ½O2 + 2H+ + 2e(-) → H2O
Passando lungo la catena di trasporto, fino a raggiungere l’ossigeno, gli elettroni, un po’ alla volta, cedono energia attraverso reazioni redox, e questa energia viene usata dalla cellula per formare ATP.
L’ATP viene formato grazie ad un Enzima, l’ATP-Sintetasi, che aggiunge un gruppo fosfato dell’ADP per produrre quindi ATP.
Il funzionamento di questo Enzima è alimentato dall’energia potenziale immagazzinata nel gradiente di concentrazione degli Ioni H+ tra i due lati della membrana mitocondriale.

Respirazione della cellula e Fosforilazione Ossidativa

* E’ lo stadio finale ed avviene nella membrana interna dei mitocondri, ripiegata in creste in modo da garantire la lenta e progressiva liberazione di energia (ATP)

* Il NADH ritorna alla forma ossidata NAD+ per dare nuovamente avvio alla glicolisi e lo stesso per FADH2 che torna ad essere FAD. In tal modo NADH libera due elettroni, che rotolano lungo una sorta di scala, portandosi a livelli energetici sempre minori e passando sempre da uno stato ossidato ad uno ridotto (con un graduale rilascio di energia utilizzabile per la sintesi di ATP).

* Secondo la teoria della chemiosmosi, mentre gli elettroni scendono lungo la catena di trasporto, gli ioni H+ vengono trasportati contro gradiente di concentrazione ed arrivano nello spazio intermembrana.

* Da qui gli ioni H+ tendono a rientrare per diffusione, quindi secondo gradiente di concentrazione ed attraversano la membrana mediante l’ATP sintetàsi, che è una proteina di trasporto. Infatti da soli non potrebbero passare, perché portatori di una carica.

* Alla fine di tutto ciò si trovano l’ossigeno (1/2 O2) e 2H+, che combinati ai 2e-, danno H2O come prodotto di rifiuto.

Autori che hanno contribuito al presente documento: Trustnt1, Stefaniab., Raskolnikov, Langello, giannyetonia, fedeb950, red_alessia_red, sc1512, ely90.