La respirazione cellulare è il processo mediante il quale gli organismi viventi ottengono energia dal cibo. Ci sono due metodi principali. La respirazione aerobica, utilizzata da tutte le forme di vita multicellulari e da alcune unicellulari, utilizza l’ossigeno nell’atmosfera, o disciolto nell’acqua, come parte di un processo complesso che rilascia e immagazzina energia. La respirazione anaerobica è utilizzata da una varietà di organismi unicellulari e non coinvolge l’ossigeno non combinato.
L’emergere della respirazione aerobica
Le prime forme di vita sulla Terra sono nate in un mondo privo di ossigeno libero. Hanno usato processi anaerobici per procurarsi energia. Ad un certo punto, ancora all’inizio della storia della Terra, si sono evoluti organismi che utilizzavano la fotosintesi per produrre molecole di zucchero utilizzando l’anidride carbonica, ottenuta dall’atmosfera, e l’acqua. Lo zucchero serviva come fonte di energia e il processo produceva ossigeno come sottoprodotto. L’ossigeno era tossico per molti organismi anaerobici, ma alcuni si sono evoluti per usarlo in un nuovo tipo di respirazione che in realtà forniva molta più energia rispetto al processo anaerobico.
Le prime forme di vita consistevano in cellule prive di nuclei o altre strutture ben definite. Questi sono noti come procarioti e comprendono organismi come batteri e cianobatteri, noti anche come alghe blu-verdi. Successivamente sono emerse cellule con nuclei e altre strutture; questi sono conosciuti come eucarioti. Includono alcuni organismi unicellulari e tutti gli organismi multicellulari, come piante e animali. Tutti gli eucarioti e alcuni procarioti usano la respirazione aerobica.
Come funziona la respirazione aerobica
Le cellule immagazzinano energia in una molecola chiamata adenosina trifosfato (ATP). Questo composto contiene tre gruppi fosfato (PO4), ma può rilasciare energia perdendo uno di questi per formare adenosina difosfato (ADP). Al contrario, l’ADP può acquisire un gruppo fosfato per diventare ATP, immagazzinando così energia.
Un’altra molecola importante è la nicotinammide adenina dinucleotide. Può esistere in due forme: NAD+, che può accettare due elettroni e uno ione idrogeno (H+) per formare NADH, che può dare elettroni ad altre molecole. Il composto viene utilizzato nella respirazione per trasportare gli elettroni da un luogo all’altro.
Il punto di partenza per la respirazione è il glucosio (C6H12O6), uno dei carboidrati più semplici. Le molecole di zucchero più complesse negli alimenti vengono prima scomposte in questo composto. Il glucosio è a sua volta scomposto da un processo chiamato glicolisi, che avviene nel citoplasma, o fluido cellulare, ed è comune sia alla respirazione anaerobica che a quella aerobica.
La glicolisi
Il processo di glicolisi utilizza due molecole di ATP per convertire il glucosio, che ha sei atomi di carbonio, in due molecole a tre atomi di carbonio di un composto chiamato piruvato in una serie di passaggi. Alla fine di questo processo, vengono prodotte quattro molecole di ATP, in modo che vi sia un guadagno complessivo di due ATP, che rappresenta un guadagno di energia immagazzinata. La glicolisi si traduce anche in due molecole di NAD+ che prendono ciascuna due elettroni e uno ione idrogeno dal glucosio per formare NADH. Complessivamente, quindi, la glicolisi risulta in due molecole di piruvato, due di ATP e due di NADH.
Nelle cellule eucariotiche, le restanti fasi della respirazione aerobica avvengono in strutture note come mitocondri. Si pensa che questi minuscoli organi fossero un tempo organismi indipendenti incorporati nelle cellule in un lontano passato. Ogni molecola di piruvato viene convertita, con l’aiuto di NAD+, in un composto chiamato acetil coA, perdendo un carbonio e due atomi di ossigeno per formare anidride carbonica come prodotto di scarto e formando un’altra molecola di NADH.
Il ciclo di Krebs
La fase successiva è chiamata ciclo di Krebs, noto anche come ciclo dell’acido tricarbossilico (TCA) o ciclo dell’acido citrico. L’acetil coA dal piruvato si combina con un composto chiamato ossaolacetato per produrre citrato, o acido citrico, che, in una serie di passaggi che coinvolgono NAD+, produce ATP oltre a NADH e un’altra molecola chiamata FADH2, che ha una funzione simile. Ciò si traduce nella riconversione dell’acido citrico in ossalacetato per ricominciare il ciclo. Ogni ciclo completato produce due molecole di ATP, otto di NADH e due di FADH2 da due molecole di piruvato.
Fosforilazione del trasporto di elettroni
Lo stadio finale è noto come fosforilazione del trasporto di elettroni o fosforilazione ossidativa. A questo punto del processo, gli elettroni trasportati da NADH e FADH2 vengono utilizzati per fornire l’energia per attaccare i gruppi fosfato alle molecole di ADP per produrre fino a 32 molecole di ATP. Questo avviene sulla membrana del mitocondrio tramite una serie di cinque proteine, attraverso le quali vengono trasportati gli elettroni. L’ossigeno, che accetta prontamente gli elettroni, è necessario per rimuoverli alla fine del processo. L’ossigeno si combina quindi con gli ioni idrogeno rilasciati dal NADH per formare acqua.
Efficienza
Nel complesso, il processo di respirazione aerobica può, in teoria, produrre fino a 36 molecole di ATP che immagazzinano energia per ogni molecola di glucosio, rispetto a solo due per la respirazione anaerobica, rendendolo un processo molto più efficiente dal punto di vista energetico. In pratica, però, si pensa che tipicamente vengano prodotte circa 31 o 32 molecole di ATP, in quanto altre reazioni possono avvenire negli stadi finali. Sebbene questo processo sia un modo altamente efficiente di produrre e immagazzinare energia, produce anche piccole quantità di forme molto reattive di ossigeno, note come perossidi e superossidi. Questi sono potenzialmente dannosi per le cellule e alcuni scienziati ritengono che possano essere coinvolti nell’invecchiamento e in alcune malattie.