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I processi aerobici e anaerobici sono due diversi tipi di processi che le cellule utilizzano per ottenere energia dal cibo che mangiano, a seconda delle condizioni circostanti. La principale differenza tra i due è che il primo viene effettuato dalle cellule quando si trovano in un mezzo ricco di ossigeno, mentre il secondo viene effettuato quando esso è assente o quando la concentrazione di questo gas non è sufficientemente elevata.
Oltre a questa differenza fondamentale, anche le reazioni biochimiche che avvengono in presenza o in assenza di ossigeno sono diverse, quindi i processi aerobici e anaerobici generalmente portano a diversi prodotti intermedi e finali, nonché a un diverso livello di utilizzo dell’energia immagazzinata in energia. nutrienti. D’altra parte, ci sono anche differenze riguardo al tipo di organismo in grado di utilizzare ciascun processo e la parte della cellula in cui si verificano.
Differenze tra processi cellulari aerobici e anaerobici
La tabella seguente riassume le differenze più importanti tra questi due processi metabolici. Sono spiegati in modo più approfondito in seguito.
| Processi aerobici | Processi anaerobici | |
| Quando si verificano: | Si verificano in presenza di ossigeno. | Si verificano in assenza di ossigeno o quando la concentrazione di ossigeno è bassa. |
| Substrato iniziale: | glucosio e ossigeno. | Solo glucosio. |
| Prodotto finale: | CO 2 , acqua ed energia sotto forma di ATP | Energia sotto forma di ATP e, a seconda del particolare tipo di processo, il prodotto finale può essere acido lattico o etanolo e CO 2 . |
| Fasi coinvolte: | • Glicolisi • Ossidazione del piruvato • Ciclo dell’acido citrico o ciclo di Krebs. • Fosforilazione ossidativa. |
• Glicolisi • Ossidazione del piruvato • La maggior parte non coinvolge il ciclo di Krebs. • La maggior parte non coinvolge la fosforilazione ossidativa. |
| Coinvolge la catena di trasporto degli elettroni. | Nel caso della fermentazione, non coinvolge la catena di trasporto degli elettroni. | |
| Efficienza di produzione di energia: | Produce grandi quantità di energia sotto forma di ATP. Per ogni molecola di glucosio vengono prodotte in totale 30-32 molecole nette di ATP. | Produce poca energia sotto forma di ATP. Per ogni molecola di glucosio fermentata vengono prodotte solo 2 molecole nette di ATP. |
| Parte della cellula in cui si verifica: | Una parte si verifica nel citoplasma e un’altra all’interno dei mitocondri. | Si verifica nel citoplasma e, in alcuni casi, sulla membrana cellulare. |
| Tipo di organizzazione che lo utilizza: | Si verifica negli organismi aerobici e negli anaerobi facoltativi. Non si verifica negli anaerobi stretti o negli anaerobi tolleranti. |
Si verifica negli anaerobi stretti, facoltativi e tolleranti. |
| Differenze nell’evoluzione: | È un processo metabolico più recente. | Si suppone che sia il più antico processo metabolico dei carboidrati. |
ATP: carburante cellulare
Anche dopo la digestione, le cellule non possono utilizzare direttamente come fonte di energia le sostanze in cui viene convertito il cibo che mangiamo. Questo deve elaborarli e convertirli in una molecola speciale chiamata adenosina trifosfato, adenosina trifosfato o ATP, per il suo acronimo in inglese.
È qui che entrano in gioco i processi metabolici aerobici e anaerobici, poiché entrambi rappresentano modi diversi di trasformare il glucosio e altri nutrienti in ATP. In altre parole, i processi aerobici e anaerobici possono essere visti come modi diversi di raffinare il cibo per produrre le celle a combustibile effettivamente necessarie.
Processi aerobici
I processi aerobici si riferiscono alla respirazione cellulare in presenza di ossigeno. Sono una serie di reazioni biochimiche che hanno l’ossigeno come accettore finale degli elettroni generati dall’ossidazione del glucosio. La reazione netta della respirazione aerobica è:
C 6 H 12 O 6 (glucosio) + 6O 2 + 32ADP + 32Pi → 6CO 2 + 6H 2 O + 32ATP
In questa equazione chimica, l’ADP rappresenta l’adenosina monofosfato, Pi si riferisce al fosfato inorganico e l’ATP è l’adenosina trifosfato.
Gli elettroni dall’ossidazione del glucosio vengono trasportati lungo la catena di trasporto degli elettroni attraverso una serie di reazioni di ossidoriduzione note collettivamente come fosforilazione ossidativa. Questo processo avviene nei mitocondri e produce grandi quantità di energia sotto forma di ATP.
La respirazione aerobica inizia con una fase che non richiede ossigeno chiamata glicolisi . Durante questa prima fase, che avviene nel citoplasma della cellula, la molecola di glucosio viene scissa in due attraverso varie reazioni per produrre due molecole di un composto chiamato piruvato, generando due molecole nette di ATP.
Il piruvato formato durante la glicolisi viene ossidato e quindi entra nei mitocondri dove entra nel ciclo di Krebs, noto anche come ciclo dell’acido tricarbossilico o ciclo dell’acido citrico. Questo ciclo è accoppiato con la fosforilazione ossidativa e questi due processi insieme alla glicolisi producono un totale di 32 molecole nette di ATP per ogni molecola di glucosio metabolizzata.
Processi anaerobici
A differenza dei processi aerobici, i processi anaerobici non utilizzano l’ossigeno in nessuna delle loro fasi. Il termine racchiude infatti i processi di metabolismo del glucosio e di altri nutrienti in assenza di ossigeno.
I processi anaerobici più comuni sono la respirazione anaerobica ei diversi tipi di fermentazione.
respirazione anaerobica
Si riferisce al modo in cui alcuni microrganismi anaerobici effettuano l’ossidazione del glucosio. In questi casi, invece di essere l’ossigeno l’accettore finale degli elettroni dal glucosio, altri composti inorganici come ioni nitrato, solfato, anidride carbonica e anche, in alcuni casi, alcuni cationi metallici come ferro (III), manganese (IV) o uranio (VI).
La respirazione anaerobica è molto simile alla respirazione aerobica in quanto comporta anche una fase iniziale di glicolisi e una serie di reazioni di ossidazione accoppiate a una catena di trasporto degli elettroni, ma produce meno energia della respirazione aerobica.
fermentazione
La fermentazione è un altro tipo di processo anaerobico. Anche se inizia anch’esso con la formazione del piruvato attraverso la glicolisi, non segue una catena di reazioni che porti alla sua totale ossidazione come avviene durante la respirazione (anaerobica o meno).
A seconda del tipo di prodotto finale in cui si trasforma il piruvato, si possono effettuare diversi tipi di fermentazione. Ad esempio, le cellule muscolari possono fermentare il piruvato in acido lattico se non c’è abbastanza ossigeno o se c’è più piruvato di quanto i mitocondri possano gestire attraverso la respirazione aerobica. Questo può accadere quando facciamo un esercizio prolungato e ad alta intensità.
Molti microrganismi possono svolgere anche altri tipi di fermentazione. Alcuni, come il lievito ad esempio, fermentano i carboidrati in alcool etilico . Questo processo è utilizzato per la produzione di bevande alcoliche. Altri batteri ancora possono produrre metano per fermentazione.
Poiché la fermentazione sottrae il piruvato prima che raggiunga la catena di trasporto degli elettroni, non è considerata un tipo di respirazione, ma è un tipo di processo anaerobico.
Differenza nella produzione di energia nei processi aerobici e anaerobici
Una delle differenze più importanti tra i processi aerobici e anaerobici è la loro capacità di sfruttare l’energia chimica contenuta nel glucosio e in altri alimenti cellulari. La respirazione aerobica è molto più efficiente nel produrre energia rispetto a qualsiasi processo anaerobico.
Entrambi i processi aerobici e anaerobici iniziano con lo stesso stadio iniziale, che è la glicolisi. Questo processo ha una produzione netta di sole 2 molecole di ATP.
Tuttavia, le somiglianze finiscono qui. Nei processi anaerobici, non essendoci ossigeno, il piruvato non entra nel ciclo di Krebs che si accoppia con il macchinario di produzione di ATP formato dalla catena di trasporto degli elettroni, quindi non è possibile produrre più ATP delle due molecole che provengono dalla glicolisi.
Per questo motivo, i processi aerobici sono molto più efficienti dal punto di vista energetico rispetto a quelli anaerobici.
Differenze nella loro evoluzione
Si ritiene che i processi anaerobici siano più antichi di quelli aerobici, poiché l’atmosfera primordiale non conteneva ossigeno. Non si è formato fino a quando gli organismi fotosintetici, principalmente piante verdi, non si sono evoluti, molto tempo dopo la nascita della vita sulla terraferma.
Si suppone che anche i primi organismi eucarioti unicellulari fossero anaerobi. Tuttavia, evolvendosi attraverso l’endosimbiosi, a un certo punto hanno incorporato cellule fotosintetiche che producevano ossigeno come sottoprodotto, e successivamente si sono evolute per poter sfruttare questo composto in virtù del suo alto potenziale di riduzione.
Quando gli organismi eucarioti multicellulari iniziarono ad apparire sulla Terra, organismi più grandi e più complessi avevano bisogno di produrre più energia, quindi i processi aerobici rappresentarono un grande vantaggio evolutivo. Attraverso la selezione naturale, gli organismi con il maggior numero di mitocondri che potevano subire la respirazione aerobica sono sopravvissuti e si sono riprodotti in maniera massiccia, trasmettendo questi adattamenti favorevoli alla loro prole. Le versioni precedenti non potevano più soddisfare la domanda di ATP nell’organismo più complesso e si estinsero.
