Energia e metabolismo Parte 2: respirazione cellulare

Nella parte 1 della nostra panoramica su Energia e metabolismo, abbiamo parlato dei diversi tipi di nutrienti di cui il tuo corpo ha bisogno e di come li scompone in componenti chimici che il tuo corpo può utilizzare. Ora è il momento di parlare di come il corpo utilizza il glucosio per creare una delle molecole più importanti in biologia: l'ATP.

Se stavi seguendo la metafora arcade del post precedente, ora è il momento della parte buona. Hai scomposto quei $ 20 (un polisaccaride) in un mucchio di banconote da $ 1 (glucosio) e sei pronto per procurarti dei gettoni d'oro scintillanti in modo da poter giocare!

Adenosina trifosfato: gettone Arcade biologico

Per quanto possa sembrare così, il glucosio non è energia di per sé. L'energia del glucosio viene trasferita a una molecola chiamata ATP (adenosina trifosfato). L'ATP è il vero affare quando si tratta di alimentare le funzioni delle tue cellule, il token arcade di cui hai bisogno per giocare a skee-ball o Tetris o Pacman. Quando l'ATP viene scomposto in ADP, l'energia accumulata viene rilasciata.

Nel tuo corpo, l'ATP è coinvolto nella contrazione muscolare, nella trasmissione degli impulsi nervosi, nel trasporto di ioni e molecole attraverso le membrane cellulari e in una serie di reazioni anaboliche come l'assemblaggio di proteine ​​e lipidi. Hai anche bisogno di ATP per produrre più ATP.

Allora come si fa ATP? Respirazione cellulare. Va un po' più o meno così:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + Energia (circa 38 ATP)

Fondamentalmente, ciò che dice questa formula chimica è che per produrre ATP, hai bisogno di una molecola di glucosio e un po' di ossigeno. Quando li usi per produrre ATP, verranno prodotti anche anidride carbonica e acqua. Suona familiare? Questo probabilmente perché i nostri corpi assorbono ossigeno, le nostre cellule lo usano per la respirazione ed espiriamo anidride carbonica!

Tuttavia, il passaggio dal glucosio all'ATP non avviene tutto in una volta. La respirazione cellulare è composta da quattro sottoprocessi: la glicolisi, il ciclo dell'acido citrico (ciclo di Krebs) e la fosforilazione ossidativa. Parliamo di ciascuno in dettaglio.

Glicolisi: il fondamento della respirazione cellulare

La glicolisi, il primo passaggio della respirazione cellulare, si verifica nel citoplasma delle cellule. Durante questo processo, una molecola di glucosio viene scomposta in due molecole di piruvato (acido piruvico). Questo processo richiede l'investimento di 2 molecole di ATP e produce 4 ATP oltre al piruvato e un altro tipo di molecola chiamata NADH, che contribuirà alla fase finale della respirazione cellulare.

Processi

Posizione

Ingresso

Produzione

Glicolisi

Citoplasma

1 Glucosio (C 6 H 12 O 6 )

2 ATP

2 Piruvato (C 3 H 4 O 3 )

*4 ATP

2 NADH

*Ricorda: anche se la glicolisi produce 4 ATP, devi pagare 2 ATP per iniziare, quindi in realtà c'è solo un guadagno netto di 2 ATP.

Ecco l'inizio del processo, con 2 ATP e 1 C 6 H 12 O 6 per avviare la glicolisi nel citoplasma della cellula.

L'inizio della glicolisi, il primo passo della respirazione cellulare aerobica. Immagine da Biologia Visibile.

Nell'immagine qui sotto, puoi vedere gli output della glicolisi. Vengono generati 4 ATP (due dei quali alimenteranno un altro ciclo di glicolisi) e 2 molecole di piruvato (C 3 H 4 O 3 ) e 2 NADH sono pronte per passare alla fase successiva della respirazione cellulare aerobica.

I risultati finali della glicolisi, il primo passo della respirazione cellulare aerobica. Immagine da Biologia Visibile.

Vale la pena ricordare che la glicolisi è il primo passo nella respirazione cellulare sia aerobica che anaerobica. La respirazione cellulare può procedere in assenza di ossigeno, ma ha un aspetto piuttosto diverso dopo la glicolisi. Se l'ossigeno non è presente, alcuni organismi, come molti batteri intestinali, possono subire una fermentazione anaerobica (senza ossigeno). Questa è la fonte di molto gas intestinale.

In definitiva, l'obiettivo della fermentazione è mantenere attiva la glicolisi (e produrre la sua piccola quantità di ATP) convertendo nuovamente l'NADH in NAD+. Probabilmente hai familiarità con i sottoprodotti della fermentazione in diversi organismi, ad esempio, il lievito produce l'alcol che conferisce alla birra la sua potenza. I batteri come il Lactobacillus, che sono usati nello yogurt e nel latticello, producono acido lattico, conferendo a quei prodotti caseari il loro sapore piccante.

Alcune fibre muscolari utilizzano la glicolisi anaerobica per generare energia e il prodotto finale di tale processo è il lattato. Il lattato viene portato via dal flusso sanguigno e riciclato dal fegato. Ricerche recenti suggeriscono anche che la produzione di lattato si verifica anche in condizioni aerobiche.

Ossidazione del piruvato: prepararsi per il ciclo dell'acido citrico

E ora, torniamo alla respirazione cellulare aerobica. Dopo la glicolisi e prima del ciclo dell'acido citrico, le due molecole di piruvato perdono i loro gruppi carbossilici (le molecole di carbonio che vengono rimosse vengono rilasciate come CO 2 ) e si combinano con il coenzima A per formare acetil-CoA.

Processi

Posizione

Ingresso

Produzione

Piruvato -> acetil-CoA

Mitocondri (matrice)

2 piruvato

2 NADH

2 CO 2

2 Acetil-CoA

L'acetil-CoA è l'ingrediente di partenza per il ciclo dell'acido citrico, che si svolge all'interno dei mitocondri cellulari (la famosa centrale elettrica della cellula).

Viene rilasciata anidride carbonica e 2 molecole di acetil-CoA pronte per iniziare il ciclo dell'acido citrico all'interno di un mitocondrio. Immagine da Biologia Visibile.

Il ciclo dell'acido citrico: ancora una volta, con il sentimento

Il ciclo dell'acido citrico prende il nome dal fatto che nella sua prima fase, il gruppo acetilico di una delle molecole di acetil-CoA si combina con l'acido ossalacetico (C 4 H 4 O 5 ) per formare acido citrico (C 6 H 8 O 7 ).

Questa molecola di acido citrico passa quindi attraverso una serie di reazioni chimiche. L'energia di queste reazioni viene catturata nelle molecole carrier: NAD + diventa NADH e FAD diventa FADH 2 . Come prodotto di scarto vengono prodotte due molecole di CO 2 e lungo il percorso viene prodotta anche una molecola di ATP.

Al termine di tutte queste reazioni, l'acido citrico è stato scomposto e lasciato nuovamente con acido ossalacetico. Questo è fantastico, perché anche l'altro acetil-CoA deve attraversare il ciclo. Per questo motivo, diciamo che ci sono due giri nel ciclo dell'acido citrico per ogni acetil-CoA.

Il risultato finale di due round del ciclo dell'acido citrico. Immagine da Biologia Visibile.

Processi

Posizione

Ingresso

*Produzione

Ciclo dell'acido citrico (ciclo di Krebs)

Mitocondri (matrice)

2 Acetil-CoA

2 ATP

6 NADH

2 FADH 2

4 CO 2

*I numeri in questo grafico rappresentano il totale di entrambi i giri del ciclo dell'acido citrico.

Fosforilazione ossidativa: produzione di massa di ATP

La fosforilazione ossidativa è l'origine della maggior parte dell'ATP. Consiste in due fasi: la catena di trasporto degli elettroni e la chemiosmosi che creano e utilizzano un gradiente elettrochimico per produrre ATP dall'ADP.

La catena di trasporto degli elettroni sta per iniziare a sfornare ATP. Immagine da Biologia Visibile.

Gli elettroni ad alta energia di FADH 2 e NADH vengono utilizzati per pompare ioni idrogeno (H + ) attraverso la membrana interna del mitocondrio, nel compartimento esterno. Questo crea uno squilibrio: c'è un intero gruppo di ioni caricati positivamente su un lato della membrana e vogliono attraversarlo di nuovo per ripristinare l'equilibrio.

Gli ioni idrogeno viaggiano indietro attraverso la membrana attraverso una proteina chiamata ATP sintasi. Il passaggio degli ioni attraverso di essa alimenta l'ATP sintasi, permettendole di trasformare una molecola di ADP (adenosina di fosfato) in una molecola di ATP (adenosina trifosfato) aggiungendovi un terzo gruppo fosfato. Tieni presente che quando una molecola di ATP viene esaurita in un secondo momento, questo terzo gruppo fosfato viene rimosso, rilasciando energia e trasformando di nuovo l'ATP in ADP.

Processi

Posizione

Ingresso

Produzione

Fosforilazione ossidativa

Mitocondri (membrana interna)

Elettroni (trasportati da 6 NADH e 2 FADH 2 dal ciclo dell'acido citrico)

Ossigeno (serve come accettore finale per gli elettroni "spesi")

6H 2O

34 (ish) ATP

Scopri la diffusione e la catena di trasporto degli elettroni con questa lezione dalla nostra serie YouTube di Visible Biology con la dottoressa Cindy Harley.

È durante quest'ultima fase della respirazione cellulare che vediamo l'importante ruolo svolto dall'ossigeno. L'ossigeno funge da accettore finale per gli elettroni esauriti, combinandoli con H + per formare il nostro BFF H 2 O.

Il numero esatto di molecole di ATP generate dall'ETC varia da cellula a cellula. Una buona stima è di circa 2-3 ATP per NADH e 1,5 ATP per FADH 2 . Una cellula molto efficiente può produrre un totale di 38 ATP da una singola molecola di glucosio. Se consideriamo che la glicolisi e il ciclo di Krebs generano un totale di 4 di questi ATP, ciò significa che l'ETC può produrre 34 molecole di ATP in una volta.

Il risultato finale dell'ETC e della fosforilazione ossidativa: molecole d'acqua e un sacco di ATP! Immagine da Biologia Visibile.

La respirazione cellulare aerobica ha sicuramente i suoi benefici se la glicolisi fosse il nostro unico modo per produrre ATP, sicuramente non ne avremmo abbastanza per svolgere tutte le funzioni di base del nostro corpo!

Ed ecco qua, la versione molto ridotta della respirazione cellulare! Ecco un grafico che riassume ogni fase della respirazione cellulare aerobica:

Processi

Posizione

Ingresso

Produzione

Glicolisi

Citoplasma

1 Glucosio (C 6 H 12 O 6 )

2 ATP

2 Piruvato (C 3 H 4 O 3 )

4 ATP

2 NADH

Ossidazione del piruvato

Mitocondri (matrice)

2 piruvato

2 NADH

2 CO 2

2 Acetil-CoA

Ciclo dell'acido citrico (ciclo di Krebs)

Mitocondri (matrice)

2 Acetil-CoA

2 ATP

6 NADH

2 FADH 2

4 CO 2

Fosforilazione ossidativa

Mitocondri (membrana interna)

Elettroni

Ossigeno

6H 2O

34 (ish) ATP

Vuoi una rapida revisione della respirazione cellulare? Dai un'occhiata a questa panoramica di due minuti sulla respirazione cellulare dalla nostra serie YouTube di Visible Biology:


Fonti aggiuntive:

  • Chiavi del Dipartimento di Scienze dell'Educazione dell'Arkansas: respirazione cellulare
  • BBC Bitesize Guide: respirazione
  • Chimica per la salute alleata (Chemistry LibreText): 15.2 Il ciclo dell'acido citrico
  • Biologia del corso accelerato: ATP e respirazione
  • Khan Academy: catena di trasporto degli elettroni
  • Khan Academy: Panoramica sulla respirazione cellulare
  • Libreria NCBI: fosforilazione ossidativa

Quali sono le fasi della respirazione cellulare

Le fasi della respirazione cellulare comprendono la glicolisi, l'ossidazione del piruvato, il ciclo dell'acido citrico o di Krebs e la fosforilazione ossidativa.

Qual è il primo passo del quiz sulla respirazione cellulare

Il primo stadio della respirazione cellulare è la glicolisi. Non richiede ossigeno. Durante la glicolisi, una molecola di glucosio viene divisa in due molecole di piruvato, utilizzando 2 ATP e producendo 4 molecole di ATP e 2 NADH.

Quali sono le 3 fasi della respirazione cellulare

Ci sono tre fasi principali della respirazione cellulare: glicolisi; l'acido citrico (TCA) o il ciclo di Krebs; e la catena di trasporto degli elettroni, dove avviene la fosforilazione ossidativa.

Qual è il primo passo di quattro per la respirazione cellulare

La glicolisi è il primo passo della respirazione cellulare. La glicolisi coinvolge dieci reazioni enzimatiche che iniziano con una molecola di glucosio e finiscono con la produzione netta di due molecole di piruvato insieme a due molecole ciascuna di ATP, NADH e acqua.

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