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Gli esseri viventi, dai più semplici come i batteri ai più complessi come i vertebrati, dipendono da infinite reazioni chimiche che richiedono energia. Questa energia è ottenuta dall’ambiente. Quasi invariabilmente, quell’energia proviene da una molecola chiamata adenosina trifosfato o ATP. Tuttavia, l’ATP non si trova nell’ambiente, quindi gli esseri viventi si sono evoluti per convertire altre fonti di energia (come luce solare, calore e sostanze nutritive) in ATP. I due modi più comuni per effettuare tale trasformazione sono la respirazione cellulare e la fermentazione.
I primi esseri viventi si sono evoluti per produrre ATP fermentando diversi tipi di carboidrati. Successivamente, gli eucarioti hanno sviluppato la capacità di sfruttare più energia immagazzinata nei carboidrati attraverso la respirazione anaerobica. Infine, altri organismi più avanzati iniziarono a sfruttare uno dei prodotti di scarto della fotosintesi, l’ossigeno, dando vita alla respirazione cellulare aerobica.
Poiché sono due processi anaerobici, molte persone confondono la respirazione anaerobica con la fermentazione. Tuttavia, sono due processi molto diversi in termini di meccanismo, prodotti finali e produzione di energia.
Nelle sezioni seguenti tratteremo cosa sono la respirazione anaerobica e la fermentazione, quindi le confronteremo per evidenziare le differenze più importanti tra l’una e l’altra.
respirazione anaerobica
La respirazione anaerobica è un tipo di respirazione cellulare che avviene in assenza di ossigeno, o quando la concentrazione di ossigeno è molto bassa (da cui il termine anaerobico, che letteralmente significa in assenza di aria). Questo tipo di respirazione cellulare viene eseguito solo da alcune specie di batteri e altri procarioti.
Essendo un tipo di respirazione cellulare, il processo inizia con la glicolisi, durante la quale una molecola di glucosio viene trasformata in due molecole di acido piruvico, producendo due molecole nette di ATP. L’acido piruvico entra quindi nel ciclo di Krebs, chiamato anche ciclo dell’acido citrico o ciclo dell’acido tricarbossilico, in cui una serie di reazioni chimiche ossidano l’acido piruvico in anidride carbonica.
Nella fase successiva del processo, le molecole chiamate portatori di elettroni li portano nella catena di trasporto degli elettroni dove l’energia potenziale immagazzinata in questi portatori viene trasformata in un gradiente di concentrazione di protoni che muove un enzima produttore di ATP chiamato ATP.-synth.
Durante questa fase del processo è dove viene generata la maggior parte dell’energia chimica sotto forma di molecole di ATP; È comune a tutti i processi respiratori, sia aerobici che anaerobici. Ciò che differenzia l’uno dall’altro è quale molecola è responsabile della ricezione e del trasporto degli elettroni in modo che non si accumulino alla fine della catena di trasporto degli elettroni.
In presenza di ossigeno, questa molecola è l’accettore finale degli elettroni, e la sua riduzione produce molecole d’acqua. Nella respirazione anaerobica, invece, l’accettore finale di elettroni è una molecola diversa dall’ossigeno e dipende dal particolare microrganismo in questione.
Accettori finali di elettroni nella respirazione anaerobica
La tabella seguente mostra tre esempi di diversi accettori finali di elettroni nella respirazione anaerobica insieme al prodotto della loro riduzione e ad alcuni microrganismi che lo utilizzano come fonte di energia:
| accettore | Prodotto finale | Microrganismo |
| Zolfo | solfuri | termoplasma |
| Nitrato | Nitriti, ossidi di azoto e N2 | Pseudomonas , Bacillo |
| Solfato | solfuri | Desulfovibrio, Clostridium |
Produzione di energia nella respirazione anaerobica
La respirazione anaerobica utilizza gli stessi meccanismi di produzione di ATP della respirazione aerobica, cioè la glicolisi, il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni. Per questo motivo la produzione di energia è la stessa in entrambi i tipi di respirazione, il che significa che in totale vengono prodotte tra le 36 e le 38 molecole di ATP. Al netto di quelle consumate, la produzione netta è compresa tra 30 e 32 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio che viene ossidata.
Fermentazione
Anche la fermentazione, come la respirazione cellulare, è un processo atto a utilizzare l’energia contenuta in nutrienti come i carboidrati e trasformarla in energia chimica utilizzabile dalla cellula sotto forma di molecole di ATP. È un processo puramente anaerobico, cioè non richiede ossigeno e può avvenire in assenza di aria. Infatti, nella maggior parte dei corsi di biologia di base, la fermentazione è citata come l’alternativa anaerobica alla respirazione cellulare, ovviando così all’esistenza della respirazione anaerobica.
Esiste però una differenza fondamentale tra fermentazione e respirazione anaerobica e cioè che la prima non utilizza il ciclo dell’acido citrico, tanto meno la catena di trasporto degli elettroni, quindi non può essere considerata un tipo di respirazione cellulare.
La fermentazione inizia allo stesso modo della respirazione, cioè con la glicolisi di diversi tipi di zuccheri a sei atomi di carbonio chiamati esosi, tra i quali il glucosio è il più comune. Tuttavia, dopo la glicolisi, il piruvato si trasforma in altri prodotti finali a seconda dell’organismo che effettua la fermentazione.
tipi di fermentazione
A seconda del prodotto finale della fermentazione, questo può essere di diversi tipi:
Fermentazione alcolica: in alcuni casi, come il lievito, la fermentazione che segue la glicolisi produce alcol etilico o etanolo. Questo tipo di fermentazione si chiama fermentazione alcolica. Questo è il tipo di fermentazione utilizzato nella produzione di bevande alcoliche.
Fermentazione acetica: altre cellule ossidano ulteriormente l’etanolo in acido acetico, come avviene nella produzione dell’aceto.
Fermentazione lattica: è quella che dà l’acido lattico come prodotto finale. I batteri che fermentano il latte per produrre lo yogurt fermentano il lattosio (lo zucchero nel latte) in acido lattico, che provoca la coagulazione delle proteine del latte. Nel caso dei tessuti muscolari dei vertebrati, sono in grado di fermentare il glucosio in acido lattico quando la concentrazione di ossigeno è bassa.
Produzione di energia
La fermentazione è un processo inefficiente in termini di produzione di energia. Il primo stadio, la glicolisi, produce solo 2 molecole nette di ATP (ne produce 4 in totale ma ne consuma anche 2). La successiva fermentazione produce correttamente due molecole nette di NADH, che è anche una molecola ad alta energia, sebbene non così alta come l’ATP.
Differenze tra fermentazione e respirazione anaerobica
Come si può vedere, ci sono differenze e somiglianze tra fermentazione e respirazione anaerobica. Le principali somiglianze sono che entrambi iniziano con la glicolisi, entrambi si verificano in assenza di ossigeno e alcune specie di procarioti possono eseguire entrambi. Tuttavia, le somiglianze finiscono qui. La tabella seguente riassume le principali differenze tra questi due modi per ottenere ATP:
| Fermentazione | respirazione anaerobica |
| Può essere eseguito sia da organismi procarioti che eucarioti, inclusi organismi multicellulari come i vertebrati. | Solo alcune specie di procarioti possono eseguirlo. |
| Diversi tipi di fermentazione danno diversi prodotti finali dell’ossidazione del glucosio, tra cui acido lattico, acido acetico ed etano, tra gli altri. | Ossida completamente il glucosio in anidride carbonica e trasferisce gli elettroni a diversi tipi di accettori di elettroni finali, come zolfo elementare, solfati o nitrati. |
| Produce relativamente poca energia utilizzabile per la cellula. Solo due molecole nette di ATP e due molecole di NADH. | Produce grandi quantità di ATP, sfruttando al massimo l’energia contenuta nel glucosio. Per ogni molecola di glucosio vengono prodotte più di 30 molecole di ATP. |
| Si verifica esclusivamente nel citoplasma. | Inizia nel citoplasma e termina all’interno dei mitocondri. |
| È un processo relativamente semplice che consiste in un piccolo numero di reazioni enzimatiche. | È un processo molto complesso che richiede l’intervento di numerosi enzimi diversi sia nel citosol che nella matrice, nello spazio intermembrana e nella membrana interna dei mitocondri. |
| Può essere effettuato in vitro . Sono necessari solo gli enzimi responsabili della fermentazione, che possono funzionare in un ambiente extracellulare adatto. | Dipende dalla presenza dei mitocondri, quindi non può essere effettuato in vitro . |
Riferimenti
- ambiente. (2018, 11 aprile). Tipi di fermentazione . Estratto da https://www.ambientum.com/enciclopedia_medioambiental/suelos/tipos_de_fermentacion.asp
- Clark, MA (2018, 5 marzo). Metabolismo senza ossigeno–Biologia 2e . Estratto da https://opentextbc.ca/biology2eopenstax/chapter/metabolism-without-oxygen/
- Lakna, B. (2017, 26 dicembre). Differenza tra fermentazione e respirazione anaerobica | Definizione, Processo, Applicazione . Estratto da https://pediaa.com/difference-between-fermentation-and-anaerobic-respiration/
- Kaur, J. (nd). In che modo la fermentazione e la respirazione anaerobica differiscono? | socratico . Estratto da https://socratic.org/questions/how-do-fermentation-and-anaerobic-respiration-differ
