Respirazione aerobica vs. anaerobica

La respirazione aerobica, un processo che utilizza ossigeno, e la respirazione anaerobica, un processo che non utilizza ossigeno, sono due forme di respirazione cellulare. Sebbene alcune cellule possano impegnarsi in un solo tipo di respirazione, la maggior parte delle cellule usa entrambi i tipi, a seconda delle esigenze di un organismo. La respirazione cellulare si verifica anche al di fuori dei macrorganismi, come processi chimici, ad esempio durante la fermentazione. In generale, la respirazione viene utilizzata per eliminare i prodotti di scarto e generare energia.

Tabella di confronto

Respirazione aerobica rispetto alla tabella comparativa della respirazione anaerobica
Respirazione aerobica Respirazione anaerobica
DefinizioneLa respirazione aerobica utilizza ossigeno.La respirazione anaerobica è la respirazione senza ossigeno; il processo utilizza una catena di trasporto di elettroni respiratori ma non utilizza ossigeno come accettori di elettroni.
Le cellule che lo usanoLa respirazione aerobica si verifica nella maggior parte delle cellule.La respirazione anaerobica si verifica principalmente nei procarioti
Quantità di energia rilasciataAlto (molecole 36-38 ATP)Inferiore (tra 36-2 molecole di ATP)
fasiGlicolisi, ciclo di Krebs, catena di trasporto degli elettroniGlicolisi, ciclo di Krebs, catena di trasporto degli elettroni
ProdottiAnidride carbonica, acqua, ATPDiossido di carbonio, specie ridotta, ATP
Sito di reazioniCitoplasma e mitocondriCitoplasma e mitocondri
reagentiglucosio, ossigenoglucosio, accettore di elettroni (non ossigeno)
combustionecompletareincompleto
Produzione di etanolo o acido latticoNon produce etanolo o acido latticoProduce etanolo o acido lattico

Processi aerobici vs. anaerobici

I processi aerobici nella respirazione cellulare possono verificarsi solo se è presente ossigeno. Quando una cellula ha bisogno di rilasciare energia, il citoplasma (una sostanza tra il nucleo di una cellula e la sua membrana) e i mitocondri (organelli nel citoplasma che aiutano i processi metabolici) avviano scambi chimici che avviano la scomposizione del glucosio. Questo zucchero viene trasportato attraverso il sangue e immagazzinato nel corpo come una veloce fonte di energia. La scomposizione del glucosio in adenosina trifosfato (ATP) rilascia anidride carbonica (CO2), un sottoprodotto che deve essere rimosso dal corpo. Nelle piante, il processo di fotosintesi a rilascio di energia utilizza CO2 e rilascia ossigeno come suo sottoprodotto.

I processi anaerobici non usano ossigeno, quindi il prodotto piruvato - l'ATP è un tipo di piruvato - rimane sul posto per essere scomposto o catalizzato da altre reazioni, come ciò che accade nel tessuto muscolare o nella fermentazione. L'acido lattico, che si accumula nelle cellule muscolari quando i processi aerobici non riescono a tenere il passo con le esigenze energetiche, è un sottoprodotto di un processo anaerobico. Tali rotture anaerobiche forniscono energia aggiuntiva, ma l'accumulo di acido lattico riduce la capacità di una cellula di elaborare ulteriormente i rifiuti; su larga scala, per esempio, in un corpo umano, questo porta a stanchezza e indolenzimento muscolare. Le cellule si riprendono respirando più ossigeno e attraverso la circolazione del sangue, processi che aiutano a portare via l'acido lattico.

Il seguente video di 13 minuti illustra il ruolo dell'ATP nel corpo umano. Per avanzare rapidamente alle sue informazioni sulla respirazione anaerobica, fare clic qui (5:33); per la respirazione aerobica, clicca qui (6:45).

Fermentazione

Quando le molecole di zucchero (principalmente glucosio, fruttosio e saccarosio) si rompono nella respirazione anaerobica, il piruvato che producono rimane nella cellula. Senza ossigeno, il piruvato non è completamente catalizzato per il rilascio di energia. Invece, la cella utilizza un processo più lento per rimuovere i trasportatori di idrogeno, creando diversi prodotti di scarto. Questo processo più lento si chiama fermentazione. Quando il lievito viene utilizzato per la scomposizione anaerobica degli zuccheri, i prodotti di scarto sono alcol e CO2. La rimozione di CO2 lascia l'etanolo, la base per bevande alcoliche e carburante. Frutta, piante zuccherate (ad es. Canna da zucchero) e cereali sono tutti usati per la fermentazione, con lievito o batteri come processori anaerobici. In cottura, il rilascio di CO2 dalla fermentazione è ciò che provoca l'aumento di pane e altri prodotti da forno.

Ciclo di Krebs

Il ciclo di Krebs è anche noto come ciclo dell'acido citrico e ciclo dell'acido tricarbossilico (TCA). Il ciclo di Krebs è il principale processo di produzione di energia nella maggior parte degli organismi multicellulari. La forma più comune di questo ciclo utilizza il glucosio come fonte di energia.

Durante un processo noto come glicolisi, una cellula converte il glucosio, una molecola a 6 atomi di carbonio, in due molecole a 3 atomi di carbonio chiamate piruvati. Questi due piruvati rilasciano elettroni che vengono poi combinati con una molecola chiamata NAD + per formare NADH e due molecole di adenosina trifosfato (ATP).

Queste molecole di ATP sono il vero "combustibile" per un organismo e vengono convertite in energia mentre le molecole di piruvato e NADH entrano nei mitocondri. È qui che le molecole a 3 atomi di carbonio vengono scomposte in molecole a 2 atomi di carbonio chiamate acetil-CoA e CO2. In ogni ciclo, l'acetil-CoA viene scomposto e utilizzato per ricostruire catene di carbonio, rilasciare elettroni e quindi generare più ATP. Questo ciclo è più complesso della glicolisi e può anche scomporre i grassi e le proteine ​​per produrre energia.

Non appena le molecole di zucchero libero disponibili si esauriscono, il ciclo di Krebs nel tessuto muscolare può iniziare a scomporre molecole di grasso e catene proteiche per alimentare un organismo. Mentre la disgregazione delle molecole di grasso può essere un beneficio positivo (peso inferiore, colesterolo più basso), se trasportata in eccesso può danneggiare il corpo (il corpo ha bisogno di grasso per la protezione e i processi chimici). Al contrario, la scomposizione delle proteine ​​del corpo è spesso un segno di fame.

Esercizio aerobico e anaerobico

La respirazione aerobica è 19 volte più efficace nel rilasciare energia rispetto alla respirazione anaerobica poiché i processi aerobici estraggono la maggior parte dell'energia delle molecole di glucosio sotto forma di ATP, mentre i processi anaerobici lasciano la maggior parte delle fonti che generano ATP nei prodotti di scarto. Nell'uomo, i processi aerobici iniziano a galvanizzare l'azione, mentre i processi anaerobici vengono utilizzati per sforzi estremi e prolungati.

Gli esercizi aerobici, come la corsa, il ciclismo e la corda per saltare, sono eccellenti per bruciare lo zucchero in eccesso nel corpo, ma per bruciare i grassi, gli esercizi aerobici devono essere eseguiti per 20 minuti o più, costringendo il corpo a usare la respirazione anaerobica. Tuttavia, brevi scoppi di esercizio, come lo sprint, si basano su processi anaerobici per l'energia perché i percorsi aerobici sono più lenti. Altri esercizi anaerobici, come l'allenamento di resistenza o il sollevamento pesi, sono eccellenti per costruire la massa muscolare, un processo che richiede la scomposizione delle molecole di grasso per immagazzinare energia nelle cellule più grandi e più abbondanti presenti nel tessuto muscolare.

Evoluzione

L'evoluzione della respirazione anaerobica precede notevolmente quella della respirazione aerobica. Due fattori rendono questa progressione una certezza. Innanzitutto, la Terra aveva un livello di ossigeno molto più basso quando si svilupparono i primi organismi unicellulari, con la maggior parte delle nicchie ecologiche quasi interamente prive di ossigeno. In secondo luogo, la respirazione anaerobica produce solo 2 molecole di ATP per ciclo, sufficienti per esigenze unicellulari, ma inadeguate per gli organismi multicellulari.

La respirazione aerobica avveniva solo quando i livelli di ossigeno nell'aria, nell'acqua e nelle superfici del terreno lo rendevano abbastanza abbondante da utilizzare per i processi di riduzione dell'ossidazione. L'ossidazione non solo fornisce una maggiore resa di ATP, fino a 36 molecole di ATP per ciclo, ma può anche avvenire con una gamma più ampia di sostanze riduttive. Ciò significava che gli organismi potevano vivere e diventare più grandi e occupare più nicchie. La selezione naturale favorirebbe quindi gli organismi che potrebbero utilizzare la respirazione aerobica e quelli che potrebbero farlo in modo più efficiente per ingrandirsi e adattarsi più rapidamente agli ambienti nuovi e in evoluzione.

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