Respirazione

La respirazione è un processo biochimico complementare a quello della fotosintesi ed in effetti viene espresso con la medesima formula, salvo che la freccia ha verso opposto :

C₆ H₁₂ O₆     +   6 O₂   →  6  CO₂   +   6  H₂  O +   2879  kJoule

Si tratta evidentemente di una reazione di ossido riduzione, in cui il glucosio  si ossida e l'ossigeno si riduce

L'energia che si libera nel corso di questa reazione è misurabile con le unità della termodinamica, CV, Calorie, Joule di solito si usa esprimerla in kJoule. Per ogni mole di glucosio che viene 'bruciata' vengono prodotte 2879 kJoule  di cui più di metà si disperde come calore, mentre il resto viene immagazzinato come energia di legame nelle molecole dell'adenosintrifosfato (ATP) . 

Processi respiratori ed energia.

Quando si osserva la formula che riassume la reazione della respirazione:

si ha l'impressione che questa consista in un diretto processo di combustione. Infatti la combustione dello zucchero si scrive proprio allo stesso modo.

Questa impressione è però erronea ed è dovuta al fatto che per brevità vengono indicati solo il composto di partenza e il composto di arrivo, mentre vengono omesse tutte le numerose e complicate tappe intermedie che permettono l'ossidazione a bassa temperatura; viene anche trascurato un particolare importante: processi di ossidazione non sono solo quelli in cui l'ossigeno si lega direttamente al substrato, ma sono anche quelli in cui viene sottratto H  al substrato e, più in generale, quelli in cui il substrato viene privato di elettroni (quando vengono allontanati, gli elettroni si legheranno sempre ad un accettore che verrà così ridotto).

La prima tappa della respirazione cellulare vera e propria consiste nella perdita, da parte dell'acido piruvico di un atomo di carbonio, che si libera sotto forma di CO₂ e nel contempo si ha la riduzione di una molecola di NAD+ a NADH; rimane così una molecola a 2 atomi di carbonio, detta gruppo acetile che si lega al CoA, costituendo l'acetil CoA;

CH₃COCOOH+ HSCoA + NAD+ CH₃CoSCoA + CO₂+ NADH+H⁺

Questa reazione e le successive avvengono nella matrice dei mitocondri.

Il gruppo acetile entra in una complessa serie di reazioni che prende il nome di il ciclo di Krebs che consiste in una serie di trasformazioni che partono dall'acetil-coenzima A e ad esso ritornano. Questa sostanza reagisce con l'acido ossalacetico, trasformandolo in acido citrico, e liberando così il coenzima A, che può nuovamente legarsi a nuovi gruppi acetile. L'acido citrico, ad opera di vari enzimi, viene deidrogenato, decarbossilato e trasformato quindi in acido  ossalacetico. Questa sostanza reagendo di nuovo con l'acetil-CoA si trasforma in altro acido citrico che viene similmente  metabolizzato. Nel corso di ogni ciclo si formano 3 molecole di NADH, una di FADH₂  2 ATP e 3 CO₂ che diffondono fuori dal mitocondrio. Gran parte dell'energia è stata dunque immagazzinata nel NADH e nel FADH₂, che possono essere ossidate dall'ossigeno, sprigionando una grande quantità di energia. Il processo, ancora una volta, avviene per stadi, attraverso una complessa serie di reazioni che prendono il nome di catena respiratoria o catena di trasporto degli elettroni, in cui sono coinvolte dei trasportatori di elettroni intermedi, i citocromi, disposti ordinatamente sulla superficie della membrana interna dei mitocondri. L'accettore ultimo degli elettroni è l'ossigeno, che, catturando ioni idrogeno, si trasforma in acqua

Una parte dell'energia  che si sprigiona da tutti questi processi si accumula nelle molecole di ATP ed assomma a circa 234 kJoule.

Se calcoliamo la resa energetica a partire dal glucosio, le molecole di ATP recuperato sono 38 e immagazzinano complessivamente 1115 kJoule che rappresentano circa il 40% dell'energia di legame del glucosio. L'altro 60% di energia si libera come calore.  

Da quanto è stato detto, dovrebbe risultare chiaro che la cellula si comporta come una macchina termica, avente rendimento alquanto superiore a quello delle macchine termiche fabbricate dall'uomo, ma non eccezionalmente elevato.

La respirazione diviene possibile per i microorganismi (ma non per l'uomo) quando la concentrazione di O2 è circa 1/100 di quella presente nell'atmosfera, al disotto di questo valore essa non ha luogo. 

Ciclo di Krebs; si parla di ciclo perché un gruppo acetile si lega ad una molecola a 4 atomi di carbonio, formando una molecola a 6 atomi che per gradi e cedendo 2CO2 nel suo percorso, torna a formare la molecola a 4 atomi di carbonio, pronte a caricarsi nuovamente di gruppi acetile