Respirazione cellulare

Respirazione cellulare Processo che avviene nelle cellule in presenza di ossigeno (aerobiosi), attraverso il quale le sostanze nutritive derivanti dalla digestione (negli animali) o dalla fotosintesi e chemiosintesi (negli organismi foto e chemio-sintetici) vengono ossidate allo scopo di produrre l’energia necessaria al metabolismo. In particolare, la principale molecola che agisce da substrato per la respirazione cellulare è il glucosio; l’energia che si ottiene viene immagazzinata nei legami ad alta energia contenuti nella molecola adenosina trifosfato, ATP.

La respirazione cellulare porta complessivamente alla formazione netta di 38 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio coinvolta nella reazione; pertanto, ha un rendimento energetico più elevato di un altro processo ossidativo che avviene in assenza di ossigeno nelle cellule dei viventi, la glicolisi, reazione che porta da una molecola di glucosio a due molecole di acido piruvico e alla formazione di 2 ATP. La glicolisi può costituire, in presenza di ossigeno, il primo ciclo di reazioni della respirazione cellulare e, pertanto, le due molecole di ATP concorrono al rendimento energetico di questo processo. In assenza di ossigeno, l’acido piruvico derivante dalla glicolisi può essere utilizzato nelle reazioni di fermentazione, operate da alcuni microrganismi o da alcuni organi in determinate condizioni (ad esempio, dai muscoli quando si trovano in condizioni di intenso sforzo fisico).

Il primo stadio della respirazione cellulare è rappresentato dalla glicolisi, che avviene a livello del citoplasma cellulare, in assenza di ossigeno. Nella glicolisi, una molecola di glucosio viene parzialmente demolita in due molecole di un composto a tre atomi di carbonio, il piruvato, con la produzione netta di due molecole di ATP.

Il piruvato entra poi nel ciclo di Krebs, che negli eucarioti ha luogo nei mitocondri; in questa via metabolica, tale composto viene completamente demolito in anidride carbonica e acqua, e avviene la riduzione di alcune molecole accettrici di idrogeno (le principali delle quali sono la nicotinamide adenin dinucleotide o NAD, che diventa NADH, e il flavin adenin dinucleotide, o FAD, che diventa FADH).

La terza fase della respirazione cellulare è denominata fosforilazione ossidativa, e avviene a livello delle creste mitocondriali, ossia dei ripiegamenti della membrana interna. Essa consiste nel trasferimento degli elettroni dell’idrogeno del NADH a una catena di trasporto (detta catena respiratoria), formata da citocromi (particolari pigmenti), fino all’ossigeno, che rappresenta l’accettore finale. Il passaggio degli elettroni comporta la liberazione di energia che viene immagazzinata nei legami di 36 molecole di adenosin difosfato, ADP, tramite il legame di gruppi fosfato e la sintesi di molecole di ATP. La sintesi di tali molecole viene operata dall’enzima ATP sintetasi; avviene attraverso un processo detto chemiosmosi, e sfrutta l’energia liberata da un flusso di ioni idrogeno H⁺ che si spostano attraverso la membrana del mitocondrio secondo il loro gradiente di concentrazione.

Dalla riduzione dell’ossigeno e dagli ioni H⁺ che si formano dopo il trasferimento degli elettroni dal NADH e dal FADH, derivano molecole di acqua che si aggiungono a quelle prodotte con il ciclo di Krebs.

Il trasferimento degli elettroni attraverso la catena respiratoria richiede l’intervento di enzimi detti deidrogenasi, che hanno la funzione di “strappare” l’idrogeno alle molecole donatrici (FADH e NADH), in modo che si producano ioni H⁺ ed elettroni per la catena respiratoria; inoltre, sono necessarie alcune vitamine (in particolare, la vitamina C, la E, la K e la vitamina B₂, o riboflavina, entrano nella struttura del FAD).