Respirazione cellulare negli esseri umani

definizione

La respirazione cellulare, chiamata anche aerobica (dal greco antico "aer" - aria), descrive la scomposizione di sostanze nutritive come il glucosio o gli acidi grassi nell'uomo utilizzando l'ossigeno (O2) per generare energia, necessaria per la sopravvivenza delle cellule. Nel processo, i nutrienti vengono ossidati, cioè emettono elettroni, mentre l'ossigeno viene ridotto, il che significa che accetta elettroni. I prodotti finali che derivano dall'ossigeno e dai nutrienti sono l'anidride carbonica (CO2) e l'acqua (H2O).

Funzione e compiti della respirazione cellulare

Tutti i processi nel corpo umano richiedono energia. L'esercizio fisico, la funzione cerebrale, il battito del cuore, la produzione di saliva o di capelli e persino la digestione richiedono tutti energia per funzionare.

Inoltre, il corpo ha bisogno di ossigeno per sopravvivere. La respirazione cellulare è di particolare importanza qui. Con l'aiuto di questo e dell'ossigeno gassoso, è possibile per il corpo bruciare sostanze ricche di energia e ottenere da esse l'energia richiesta. L'ossigeno in sé non ci fornisce alcuna energia, ma è necessario per svolgere i processi di combustione chimica nell'organismo ed è quindi essenziale per la nostra sopravvivenza.

Il corpo conosce molti diversi tipi di vettori energetici:

• Il glucosio (zucchero) è il principale vettore energetico e l'elemento costitutivo di base, nonché il prodotto finale separato da tutti gli alimenti ricchi di amido
• Gli acidi grassi e la glicerina sono i prodotti finali della scomposizione dei grassi e possono essere utilizzati anche nella produzione di energia
• L'ultimo gruppo di vettori energetici sono gli amminoacidi, che rimangono come prodotto della scomposizione delle proteine. Dopo una certa trasformazione nel corpo, questi possono essere utilizzati anche nella respirazione cellulare e quindi per la generazione di energia

Leggi di più su questo sotto Esercizio fisico e bruciare i grassi

La fonte di energia più comune utilizzata dal corpo umano è il glucosio. C'è una catena di reazioni che alla fine portano ai prodotti CO2 e H2O con il consumo di ossigeno. Questo processo include il Glicolisi, così il Scissione del glucosio e il trasferimento del prodotto, il Piruvato tramite il passaggio intermedio di Acetil-CoA nel Ciclo dell'acido citrico (Sinonimo: ciclo dell'acido citrico o ciclo di Krebs). Anche i prodotti di degradazione di altri nutrienti come gli amminoacidi o gli acidi grassi fluiscono in questo ciclo. Viene chiamato il processo in cui gli acidi grassi vengono "scomposti" in modo che possano fluire anche nel ciclo dell'acido citrico Beta ossidazione.

Il ciclo dell'acido citrico è quindi una sorta di punto di ingresso in cui tutte le fonti energetiche possono essere immesse nel metabolismo energetico. Il ciclo si svolge in Mitocondri invece, le "centrali energetiche" delle cellule umane.

Durante tutti questi processi, una parte dell'energia viene consumata sotto forma di ATP, ma è già stata ottenuta, come nel caso, ad esempio, della glicolisi. Inoltre, ci sono prevalentemente altri accumuli di energia intermedi (ad es.NADH, FADH2) che svolgono la loro funzione di accumuli di energia intermedi solo durante la generazione di energia. Queste molecole di immagazzinamento intermedio fluiscono quindi nell'ultima fase della respirazione cellulare, vale a dire la fase della fosforilazione ossidativa, nota anche come catena respiratoria. Questo è il passo verso il quale tutti i processi hanno funzionato fino ad ora. La catena respiratoria, che si svolge anche nei mitocondri, è composta anche da diversi passaggi, in cui il vettore energetico universale ATP viene quindi ottenuto dalle molecole di accumulo intermedio ricche di energia. In totale, la scomposizione di una molecola di glucosio si traduce in un totale di 32 molecole di ATP.

Per chi è particolarmente interessato

La catena respiratoria contiene vari complessi proteici che qui giocano un ruolo molto interessante. Funzionano come pompe che pompano protoni (ioni H +) nella cavità della doppia membrana mitocondriale mentre consumano le molecole di immagazzinamento intermedio, in modo che vi sia un'alta concentrazione di protoni lì. Ciò causa un gradiente di concentrazione tra lo spazio intermembrana e la matrice mitocondriale. Con l'aiuto di questo gradiente, alla fine c'è una molecola proteica che funziona in modo simile a un tipo di turbina ad acqua. Guidata da questo gradiente nei protoni, la proteina sintetizza una molecola di ATP da un gruppo ADP e un gruppo fosfato.

Puoi trovare maggiori informazioni qui: Qual è la catena respiratoria?

ATP

Il Adenosina trifosfato (ATP) è il vettore energetico del corpo umano. Tutta l'energia che deriva dalla respirazione cellulare viene inizialmente immagazzinata sotto forma di ATP. Il corpo può utilizzare l'energia solo se è sotto forma di molecola di ATP.

Se l'energia della molecola di ATP è esaurita, viene creata adenosina difosfato (ADP) dall'ATP, per cui un gruppo fosfato della molecola viene scisso e l'energia viene rilasciata. La respirazione cellulare o la generazione di energia ha lo scopo di rigenerare continuamente l'ATP dal cosiddetto ADP in modo che il corpo possa usarlo di nuovo.

Equazione di reazione

A causa del fatto che gli acidi grassi hanno lunghezze diverse e che gli amminoacidi hanno anche strutture molto diverse, non è possibile impostare una semplice equazione per questi due gruppi per caratterizzare con precisione il loro rendimento energetico nella respirazione cellulare. Perché ogni cambiamento strutturale può determinare in quale fase del ciclo citrato scorre l'amminoacido.
La scomposizione degli acidi grassi nella cosiddetta beta ossidazione dipende dalla loro lunghezza. Più a lungo sono gli acidi grassi, più energia può essere ottenuta da loro. Questo varia tra acidi grassi saturi e insaturi, con acidi grassi insaturi che forniscono energia minimamente inferiore, a condizione che abbiano la stessa quantità.

Per le ragioni già menzionate, un'equazione può essere meglio descritta per la scomposizione del glucosio. Una molecola di glucosio (C6H12O6) e 6 molecole di ossigeno (O2) danno come risultato un totale di 6 molecole di anidride carbonica (CO2) e 6 molecole d'acqua (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 diventano 6 CO2 + 6 H2O

Cos'è la glicolisi?

La glicolisi descrive la scomposizione del glucosio, cioè lo zucchero d'uva. Questa via metabolica si svolge nelle cellule umane e in altre, ad esempio il lievito durante la fermentazione. Il luogo in cui le cellule eseguono la glicolisi è nel citoplasma. Qui sono presenti enzimi che accelerano le reazioni di glicolisi per sintetizzare direttamente l'ATP e fornire i substrati per il ciclo dell'acido citrico. Questo processo crea energia sotto forma di due molecole di ATP e due molecole di NADH + H +. La glicolisi, insieme al ciclo dell'acido citrico e alla catena respiratoria, entrambi situati nel mitocondrio, rappresentano la via di degradazione dello zucchero glucosio semplice al vettore energetico universale ATP. La glicolisi avviene nel citosol di tutte le cellule animali e vegetali . Il prodotto finale della glicolisi è il piruvato, che può quindi essere introdotto nel ciclo dell'acido citrico tramite una fase intermedia.

In totale, vengono utilizzati 2 ATP per molecola di glucosio nella glicolisi per poter effettuare le reazioni. Tuttavia, si ottengono 4 ATP, in modo che vi sia effettivamente un guadagno netto di 2 molecole di ATP.

Glicolisi dieci fasi di reazione fino a quando uno zucchero con 6 atomi di carbonio si trasforma in due molecole di piruvato, ciascuna composta da tre atomi di carbonio. Nelle prime quattro fasi di reazione, lo zucchero viene convertito in fruttosio-1,6-bisfosfato con l'aiuto di due fosfati e un riarrangiamento. Questo zucchero attivato è ora diviso in due molecole con tre atomi di carbonio ciascuna. Ulteriori riarrangiamenti e la rimozione dei due gruppi fosfato alla fine danno luogo a due piruvati. Se l'ossigeno (O2) è ora disponibile, il piruvato può essere ulteriormente metabolizzato in acetil-CoA e introdotto nel ciclo dell'acido citrico. Nel complesso, la glicolisi con due molecole di ATP e due molecole di NADH + H + ha una resa energetica relativamente bassa. Tuttavia, pone le basi per l'ulteriore degradazione dello zucchero ed è quindi essenziale per la produzione di ATP nella respirazione cellulare.

A questo punto ha senso separare la glicolisi aerobica da quella anaerobica. La glicolisi aerobica porta al piruvato sopra descritto, che può quindi essere utilizzato per generare energia.
Al contrario, per la glicolisi anaerobica, che avviene in condizioni di carenza di ossigeno, il piruvato non può più essere utilizzato perché il ciclo dell'acido citrico richiede ossigeno. Nell'ambito della glicolisi si crea anche la molecola di accumulo intermedio NADH, essa stessa ricca di energia e fluirebbe anche nel ciclo di Krebs in condizioni aerobiche. Tuttavia, la molecola madre NAD + è necessaria per mantenere la glicolisi. Questo è il motivo per cui il corpo "morde" la "mela acida" qui e converte questa molecola ad alta energia nella sua forma originale. Il piruvato viene utilizzato per eseguire la reazione. Dal piruvato si forma il cosiddetto lattato o acido lattico.

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• Lattato
• Soglia anaerobica

Qual è la catena respiratoria?

La catena respiratoria è l'ultima parte del percorso di degradazione del glucosio. Dopo che lo zucchero è stato metabolizzato nel ciclo della glicolisi e dell'acido citrico, la catena respiratoria ha la funzione di rigenerare gli equivalenti di riduzione (NADH + H + e FADH2) che si creano. Questo crea il vettore energetico universale ATP (adenosina trifosfato). Come il ciclo dell'acido citrico, la catena respiratoria si trova nei mitocondri, che sono quindi denominati anche "centrali elettriche della cellula". La catena respiratoria è costituita da cinque complessi enzimatici incorporati nella membrana mitocondriale interna. I primi due complessi enzimatici rigenerano ciascuno NADH + H + (o FADH2) in NAD + (o FAD). Durante l'ossidazione del NADH + H +, quattro protoni vengono trasportati dallo spazio della matrice nello spazio intermembrana. Due protoni vengono anche pompati nello spazio intermembrana in ciascuno dei seguenti tre complessi enzimatici. Questo crea un gradiente di concentrazione che viene utilizzato per produrre ATP. A tal fine, i protoni fluiscono dallo spazio intermembrana attraverso una sintasi di ATP nello spazio della matrice. L'energia rilasciata viene utilizzata per produrre infine ATP da ADP (adenosina difosfato) e fosfato. Un altro compito della catena respiratoria è quello di intercettare gli elettroni generati dall'ossidazione degli equivalenti di riduzione. Questo viene fatto trasferendo gli elettroni all'ossigeno. Riunendo elettroni, protoni e ossigeno, si crea acqua normale nel quarto complesso enzimatico (citocromo c ossidasi). Questo spiega anche perché la catena respiratoria può avvenire solo quando c'è abbastanza ossigeno.

Quali sono i compiti dei mitocondri nella respirazione cellulare?

I mitocondri sono organelli che si trovano solo nelle cellule eucariotiche. Sono anche chiamate le "centrali elettriche della cellula", poiché è in esse che avviene la respirazione cellulare. Il prodotto finale della respirazione cellulare è l'ATP (adenosina trifosfato). Questo è un vettore energetico universale che è richiesto in tutto l'organismo umano. La compartimentazione dei mitocondri è un prerequisito per la respirazione cellulare. Ciò significa che ci sono spazi di reazione separati nel mitocondrio. Ciò è ottenuto da una membrana interna ed esterna, in modo che ci sia uno spazio intermembrana e uno spazio matrice interna.

Nel corso della catena respiratoria, i protoni (ioni idrogeno, H +) vengono trasportati nello spazio intermembrana, in modo che si verifichi una differenza nella concentrazione di protoni. Questi protoni provengono da vari equivalenti di riduzione, come NADH + H + e FADH2, che vengono quindi rigenerati in NAD + e FAD.

L'ATP sintasi è l'ultimo enzima nella catena respiratoria, dove viene infine prodotto l'ATP. Spinti dalla differenza di concentrazione, i protoni fluiscono dallo spazio intermembrana attraverso l'ATP sintasi nello spazio della matrice. Questo flusso di carica positiva rilascia energia che viene utilizzata per produrre ATP da ADP (adenosina difosfato) e fosfato. I mitocondri sono particolarmente adatti alla catena respiratoria, in quanto hanno due spazi di reazione dovuti alla doppia membrana. Inoltre, nel mitocondrio si svolgono molte vie metaboliche (glicolisi, ciclo dell'acido citrico), che forniscono i materiali di partenza (NADH + H +, FADH2) per la catena respiratoria. Questa vicinanza spaziale è un altro vantaggio e rende i mitocondri il luogo ideale per la respirazione cellulare.

Qui puoi scoprire tutto sul tema della catena respiratoria

Bilancio energetico

Il bilancio energetico della respirazione cellulare nel caso del glucosio può essere riassunto come segue, con la formazione di 32 molecole di ATP per glucosio:

C6H12O6 + 6 O2 diventano 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP

(Per motivi di chiarezza, l'ADP e il residuo fosfato Pi sono stati omessi dagli edotti)

In condizioni anaerobiche, cioè mancanza di ossigeno, il ciclo dell'acido citrico non può funzionare e l'energia può essere ottenuta solo attraverso la glicolisi aerobica:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP diventano 2 lattato + 2 ATP. + 2 H2O. Quindi solo il 6% circa della proporzione si ottiene per molecola di glucosio, come nel caso della glicolisi aerobica.

Malattie legate alla respirazione cellulare

Il La respirazione cellulare è essenziale per la sopravvivenza, cioè che molte mutazioni nei geni che codificano per le proteine ​​della respirazione cellulare, ad esempio enzimi della glicolisi, sono letali (fatale) siamo. Tuttavia, si verificano malattie genetiche della respirazione cellulare. Questi possono provenire dal DNA nucleare e dal DNA mitocondriale. I mitocondri stessi contengono il proprio materiale genetico, necessario per la respirazione cellulare. Tuttavia, queste malattie mostrano sintomi simili, poiché hanno tutte una cosa in comune: intervengono nella respirazione cellulare e la interrompono.

Le malattie respiratorie cellulari mostrano spesso sintomi clinici simili. È particolarmente importante qui Disturbi dei tessuti, che richiedono molta energia. Questi includono in particolare le cellule nervose, muscolari, cardiache, renali ed epatiche. Sintomi come debolezza muscolare o segni di danno cerebrale spesso si verificano anche in giovane età, se non al momento della nascita. Parla anche un pronunciato Acidosi lattica (Un'eccessiva acidificazione del corpo con lattato, che si accumula perché il piruvato non può essere sufficientemente scomposto nel ciclo dell'acido citrico). Anche gli organi interni possono funzionare male.

La diagnosi e la terapia delle malattie della respirazione cellulare dovrebbero essere prese in carico da specialisti, poiché il quadro clinico può risultare molto vario e diverso. Ad oggi lo è ancora nessuna terapia causale e curativa dà. Le malattie possono essere trattate solo sintomaticamente.

Poiché il DNA mitocondriale viene trasmesso dalla madre ai figli in modo molto complicato, le donne che soffrono di una malattia della respirazione cellulare dovrebbero contattare uno specialista se vogliono avere figli, in quanto solo loro possono stimare la probabilità di eredità.