Un’introduzione ai tipi di respirazione

Respirazione è il processo in cui gli organismi scambiano gas tra le cellule del loro corpo e l’ambiente. Dai batteri procarioti e archaeans ai protisti eucarioti, funghi, piante e animali, tutti gli organismi viventi subiscono la respirazione. La respirazione può riferirsi a uno qualsiasi dei tre elementi del processo.

Nome, la respirazione può riferirsi alla respirazione esterna o al processo di respirazione (inspirazione ed espirazione), chiamato anche ventilazione. In secondo luogo, la respirazione può riferirsi alla respirazione interna, che è la diffusione di gas tra i fluidi corporei (sangue e fluido interstiziale) e i tessuti. Infine, la respirazione può riferirsi ai processi metabolici di conversione dell’energia immagazzinata nelle molecole biologiche in energia utilizzabile sotto forma di ATP. Questo processo può comportare il consumo di ossigeno e la produzione di anidride carbonica, come si osserva nella respirazione cellulare aerobica, o può non comportare il consumo di ossigeno, come nel caso della respirazione anaerobica.

Tipi di respirazione: esterna e interna

Quando si inspira, il diaframma si contrae ei polmoni si espandono, spingendo il torace verso l’alto. Quando si espira, il diaframma si rilassa ei polmoni si contraggono, riportando il torace verso il basso.

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Respirazione esterna

Un metodo per ottenere ossigeno dall’ambiente è attraverso la respirazione esterna o la respirazione. Negli organismi animali, il processo di respirazione esterna viene eseguito in diversi modi. Gli animali privi di organi specializzati per la respirazione fanno affidamento sulla diffusione attraverso le superfici dei tessuti esterni per ottenere ossigeno. Altri hanno organi specializzati per lo scambio di gas o hanno un sistema respiratorio completo. In organismi come i nematodi (nematodi), i gas e le sostanze nutritive vengono scambiati con l’ambiente esterno mediante diffusione attraverso la superficie del corpo degli animali. Insetti e ragni hanno organi respiratori chiamati trachee, mentre i pesci hanno branchie come siti per lo scambio di gas.

Gli esseri umani e altri mammiferi hanno un sistema respiratorio con organi respiratori specializzati (polmoni) e tessuti. Nel corpo umano, l’ossigeno viene portato nei polmoni per inalazione e l’anidride carbonica viene espulsa dai polmoni mediante espirazione. La respirazione esterna nei mammiferi comprende i processi meccanici legati alla respirazione. Ciò include la contrazione e il rilassamento del diaframma e dei muscoli accessori, nonché la frequenza respiratoria.

Respirazione interna

I processi respiratori esterni spiegano come si ottiene l’ossigeno, ma come arriva l’ossigeno alle cellule del corpo? La respirazione interna comporta il trasporto di gas tra il sangue e i tessuti del corpo. L’ossigeno nei polmoni si diffonde attraverso il sottile epitelio degli alveoli polmonari (sacche d’aria) nei capillari circostanti contenenti sangue impoverito di ossigeno. Allo stesso tempo, l’anidride carbonica si diffonde nella direzione opposta (dal sangue agli alveoli polmonari) e viene espulsa. Il sangue ricco di ossigeno viene trasportato dal sistema circolatorio dai capillari polmonari alle cellule e ai tessuti del corpo. Mentre l’ossigeno viene rilasciato alle cellule, l’anidride carbonica viene raccolta e trasportata dalle cellule dei tessuti ai polmoni.

Respirazione cellulare

I tre processi di produzione di ATP o respirazione cellulare includono la glicolisi, il ciclo dell’acido tricarbossilico e la fosforilazione ossidativa.
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L’ossigeno ottenuto dalla respirazione interna viene utilizzato dalle cellule nella respirazione cellulare. Per accedere all’energia immagazzinata negli alimenti che mangiamo, le molecole biologiche che compongono gli alimenti (carboidrati, proteine, ecc.) Devono essere scomposte in forme che il corpo può utilizzare. Ciò si ottiene attraverso il processo digestivo in cui il cibo viene scomposto e le sostanze nutritive vengono assorbite nel sangue. Quando il sangue circola in tutto il corpo, i nutrienti vengono trasportati alle cellule del corpo. Nella respirazione cellulare, il glucosio ottenuto dalla digestione viene suddiviso nelle sue parti costituenti per la produzione di energia. Attraverso una serie di passaggi, il glucosio e l’ossigeno vengono convertiti in anidride carbonica (CO2), acqua (H2O) e adenosina trifosfato ad alta energia (ATP). L’anidride carbonica e l’acqua formate nel processo si diffondono nel fluido interstiziale che circonda le cellule. Da lì, la CO2 si diffonde nel plasma sanguigno e nei globuli rossi. L’ATP generato nel processo fornisce l’energia necessaria per svolgere le normali funzioni cellulari, come la sintesi delle macromolecole, la contrazione muscolare, il movimento delle ciglia e dei flagelli e la divisione cellulare.

Respirazione aerobica

Questo è il diagramma della respirazione cellulare aerobica che include la glicolisi, il ciclo di Krebs (ciclo dell’acido citrico) e la catena di trasporto degli elettroni.
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Respirazione cellulare aerobica consiste di tre fasi: glicolisi, ciclo dell’acido citrico (ciclo di Krebs) e trasporto di elettroni con fosforilazione ossidativa.

  • La glicolisi si verifica nel citoplasma e comporta l’ossidazione o la scissione del glucosio in piruvato. Nella glicolisi vengono prodotte anche due molecole di ATP e due molecole di NADH ad alta energia. In presenza di ossigeno, il piruvato entra nella matrice interna dei mitocondri cellulari e subisce un’ulteriore ossidazione nel ciclo di Krebs.
  • Ciclo di Krebs: Due molecole aggiuntive di ATP vengono prodotte in questo ciclo insieme a CO2, protoni ed elettroni aggiuntivi e le molecole ad alta energia NADH e FADH2. Gli elettroni generati nel ciclo di Krebs si muovono attraverso le pieghe della membrana interna (creste) che separano la matrice mitocondriale (compartimento interno) dallo spazio intermembrana (compartimento esterno). Questo crea un gradiente elettrico, che aiuta la catena di trasporto degli elettroni a pompare protoni di idrogeno fuori dalla matrice e nello spazio intermembrana.
  • La catena di trasporto degli elettroni è una serie di complessi proteici trasportatori di elettroni all’interno della membrana interna mitocondriale. NADH e FADH2 generati nel ciclo di Krebs trasferiscono la loro energia nella catena di trasporto degli elettroni per trasportare protoni ed elettroni nello spazio intermembrana. L’elevata concentrazione di protoni di idrogeno nello spazio intermembrana è utilizzata dal complesso proteico ATP sintasi per trasportare i protoni nella matrice. Questo fornisce l’energia per la fosforilazione di ADP in ATP. Il trasporto di elettroni e la fosforilazione ossidativa spiegano la formazione di 34 molecole di ATP.

In totale, 38 molecole di ATP sono prodotte dai procarioti nell’ossidazione di una singola molecola di glucosio. Questo numero è ridotto a 36 molecole di ATP negli eucarioti, poiché due ATP vengono consumati nel trasferimento di NADH ai mitocondri.

Fermentazione

Processi di fermentazione alcolica e lattato.
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La respirazione aerobica avviene solo in presenza di ossigeno. Quando l’apporto di ossigeno è basso, solo una piccola quantità di ATP può essere generata nel citoplasma cellulare dalla glicolisi. Sebbene il piruvato non possa entrare nel ciclo di Krebs o nella catena di trasporto degli elettroni senza ossigeno, può comunque essere utilizzato per generare ATP aggiuntivo mediante fermentazione. Fermentazione è un altro tipo di respirazione cellulare, un processo chimico per la scomposizione dei carboidrati in composti più piccoli per la produzione di ATP. Rispetto alla respirazione aerobica, durante la fermentazione viene prodotta solo una piccola quantità di ATP. Questo perché il glucosio è solo parzialmente scomposto. Alcuni organismi sono anaerobi facoltativi e possono utilizzare sia la fermentazione (quando l’ossigeno è basso o non disponibile) sia la respirazione aerobica (quando l’ossigeno è disponibile). Due tipi comuni di fermentazione sono la fermentazione dell’acido lattico e la fermentazione alcolica (etanolo). La glicolisi è la prima fase di ogni processo.

Fermentazione con acido lattico

Nella fermentazione dell’acido lattico, NADH, piruvato e ATP sono prodotti dalla glicolisi. Il NADH viene quindi convertito nella sua forma a bassa energia NAD +, mentre il piruvato viene convertito in lattato. NAD + viene riciclato nuovamente in glicolisi per generare più piruvato e ATP. La fermentazione dell’acido lattico viene comunemente eseguita dalle cellule muscolari quando i livelli di ossigeno si esauriscono. Il lattato viene convertito in acido lattico che può accumularsi ad alti livelli nelle cellule muscolari durante l’esercizio. L’acido lattico aumenta l’acidità muscolare e provoca una sensazione di bruciore che si verifica durante uno sforzo estremo. Una volta ripristinati i normali livelli di ossigeno, il piruvato può entrare nella respirazione aerobica e può essere generata molta più energia per aiutare il recupero. L’aumento del flusso sanguigno aiuta a fornire ossigeno e rimuovere l’acido lattico dalle cellule muscolari.

Fermentazione alcolica

Nella fermentazione alcolica, il piruvato viene convertito in etanolo e CO2. NAD + viene anche generato nella conversione e viene riciclato nuovamente in glicolisi per produrre più molecole di ATP. La fermentazione alcolica viene eseguita da piante, lieviti e alcune specie di batteri. Questo processo viene utilizzato nella produzione di bevande alcoliche, carburante e prodotti da forno.

Respirazione anaerobica

I bifidobatteri sono batteri anaerobici Gram-positivi che vivono nel tratto gastrointestinale.
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Come sopravvivono gli estremofili come alcuni batteri e archei in ambienti senza ossigeno? La risposta è tramite la respirazione anaerobica. Questo tipo di respirazione avviene senza ossigeno e comporta il consumo di un’altra molecola (nitrato, zolfo, ferro, anidride carbonica, ecc.) Al posto dell’ossigeno. A differenza della fermentazione, la respirazione anaerobica comporta la formazione di un gradiente elettrochimico da parte di un sistema di trasporto di elettroni che si traduce nella produzione di un certo numero di molecole di ATP. A differenza della respirazione aerobica, il destinatario finale dell’elettrone è una molecola diversa dall’ossigeno. Molti organismi anaerobici sono anaerobi obbligati; non svolgono la fosforilazione ossidativa e muoiono in presenza di ossigeno. Altri sono anaerobi facoltativi e possono anche eseguire la respirazione aerobica quando l’ossigeno è disponibile.

fonti

  • “Come funzionano i polmoni.” National Heart Lung and Blood Institute, US Department of Health and Human Services ,. 
  • Lodish, Harvey. “Trasporto di elettroni e fosforilazione ossidativa”. Current Neurology and Neuroscience Reports, US National Library of Medicine, 1 gennaio 1970,. 
  • Oren, Aharon. “Respirazione anaerobica.” The Canadian Journal of Chemical Engineering, Wiley-Blackwell, 15 settembre 2009.