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Aerobico e anaerobico

Qual è la differenza tra un processo aerobico e uno anaerobico

Aerobico ed anaerobico sono due accezioni utilizzate per distinguere i processi di produzione dell'energia cellulare che si attivano in presenza o assenza di ossigeno all'interno di un organismo vivente.

 In generale, l'insieme dei processi  di produzione di energia che avvengono in una cellula costituisce quello che viene definito metabolismo cellulare. Attraverso il metabolismo, la cellula ottiene i nutrienti ed elimina i rifiuti.

Una volta assunte le biomolecole attraverso il cibo, esse vengono degradate fino ad ottenere sostanze più semplici quali acqua ed anidride carbonica. Con la scomposizione delle molecole biologiche viene prodotta energia sotto forma di adenosina trifosfato (ATP) la quale verrà riutilizzata per dar luogo a diversi processi che possono portare non solo alla composizione di molecole più complesse ma anche alla eliminazione delle sostanze di scarto ed al movimento attraverso la contrazione muscolare.

Uno dei processi biologici fondamentali per la maggior parte aerobico è rappresentato dalla Respirazione Cellulare, mentre in assenza di ossigeno, si assiste ad un processo anaerobico definito Fermentazione.

Anaerobico ed anaerobico sono termini utilizzati anche per definire i microrganismi che sono capaci di vivere in ambienti in cui l'ossigeno è presente o meno. In particolar modo parliamo di microrganismi batterici che hanno sviluppato processi metabolici che gli permettono di produrre energia anche in assenza di ossigeno, oppure di quei batteri che riescono a produrre energia in presenza ed assenza di ossigeno grazie alla attivazione di differenti processi metabolici.

Respirazione Cellulare

La respirazione cellulare è un processo metabolico per la maggior parte di tipo aerobico che avviene all'interno dei mitocondri negli eucarioti e sulla membrana citoplasmatica nei procarioti.

Questo meccanismo consente il trasporto di elettroni e protoni dal glucosio all'ossigeno formando H2O; in più gli atomi di carbonio vengono liberati sotto forma di CO2. Questo consente di produrre energia (ATP) e degradare le molecole complesse derivate dall'ingestione del cibo.

In maniera generale possiamo dividere la respirazione cellulare in tre fasi (Fig. 1)
 tra cui la prima risulta essere di tipo anaerobico e le successive di tipo aerobico.

1) Glicolisi: è l'unica parte anaerobica del processo di respirazione cellulare. Questo processo avviene all'interno del citosol cellulare e consente di scindere una molecola di glucosio in due molecole di acido piruvico o piruvato attraverso dieci differenti reazioni catalizzate da diversi enzimi. Durante la glicolisi viene prodotta una piccola quantità di ATP.  Il piruvato ottenuto dalla scissione del glucosio ha ancora elettroni che possono essere rimossi con l'ossidazione e quindi rappresenta il "carburante" del secondo passaggio della respirazione.

2) Ossidazione del piruvato: è il secondo passaggio della respirazione cellulare che avviene nella matrice mitocondriale. Attraverso dei catalizzatori enzimatici il piruvato (con tre atomi di C) viene convertito in un gruppo acetilico a due atomi di carbonio (Acetil Coenzima A). Questa molecola entra nel ciclo dell'acido citrico (anche detto ciclo di Krebs) ove viene ossidata completamente in CO2.

Contemporaneamente viene prodotta ATP poichè ad ogni ciclo, gli elettroni disponibili vengono trasferiti a NAD+ e FAD i quali sono ridotti in NADH e FADH2. Questo processo di trasferimento degli elettroni è denominato Fosforilazione a livello del substrato.

3) Fosforilazione Ossidativa: si tratta dell'ultimo passaggio della respirazione cellulare che avviene sempre a livello mitocondriale. Tutti gli elettroni immagazzinati dalle molecole trasportatrici di NAD+ e FAD vengono trasferiti all'O2 generando un gradiente di ioni H+ che viene sfruttato per sintetizzare l'ATP a partire dall'enzima ATP sintasi.

A livello globale, dalla scomposizione di una molecola di glucosio si ottengono 6 molecole di H2O, 6 molecole di O2 e 32 molecole di ATP. 

Fasi della Respirazione Cellulare

(Fig. 1): Rappresentazione generale delle fasi della Respirazione Cellulare. L'ossigeno ed il glucosio passano all'interno della cellula. Nel citosol avviene la glicolisi mentre la restante parte delle reazioni avviene nel mitocondrio. La reazione preparatoria rappresenta l'ossidazione del piruvato in Acetil CoA mentre la catena di trasporto degli elettroni è la Fosforilazione Ossidativa.

Fermentazione

La fermentazione è il processo metabolico che si attiva in assenza di ossigeno e pertanto risulta essere di tipo anaerobico. In questo processo avviene regolarmente la glicolisi ma non si attiva la fosforilazione ossidativa con relativo trasferimento di elettroni all'O2. La produzione di ATP quindi avviene solo attraverso la Fosforilazione a livello del substrato.

Esistono due tipologie di fermentazione:

1) Lattica (Fig.2): il piruvato prodotto dalla glicolisi viene convertito in lattato il quale accumula in maniera temporanea gli elettroni e quando l'ossigeno torna a livelli normali, viene riconvertito in piruvato e NADH così da poter cedere gli elettroni alla catena di trasporto.

La fermentazione lattica avviene nel citosol delle cellule muscolari quando si effettua una attività fisica intensa e prolungata tale da richiedere più ossigeno di quello che la circolazione sanguigna può mettere a disposizione.

Fermentazione lattica

(Fig. 2): rappresentazione della reazione di fermentazione lattica. Il piruvato è convertito in lattato grazie all'enzima lattato deidrogenasi e il NADH è ridotto a NAD+.

2) Alcolica (Fig. 3) : Il piruvato prodotto dalla glicolisi viene convertito in alcol etilico e CO2 in un processo a due passaggi in cui anche il NADH viene convertito in NAD+.

La fermentazione alcolica è quel processo che avviene nella panificazione durante la lievitazione. Le cellule del lievito trasformano lo zucchero in alcol e anidride carbonica la quale forma le caratteristiche bolle che si espandono col calore facendo evaporare l'alcol.

Fermentazione alcolica

(Fig. 3): rappresentazione della reazione di fermentazione alcolica. Essa avviene in due passaggi: dapprima vi è la formazione della Acetaldeide grazie all'enzima piruvato decarbossilasi con eliminazione di CO2, in secondo luogo grazie all'enzima alcol deidrogenasi si forma l'etanolo o alcol etilico con riduzione del NADH a NAD+.

Organismi aerobi ed anaerobi

Come abbiamo accennato in precedenza, vi sono organismi che possono sopravvivere in assenza o in presenza di ossigeno ma anche in entrambi i casi. Distinguiamo questi organismi in :

  • Anaerobi obbligati: sono organismi che vivono solo in ambienti che non presentano alcuna traccia di ossigeno poichè privi di enzimi necessari alla fosforilazione ossidativa. Tra questi vi sono i batteri che causano il botulismo (Clostridium Botulinum ) ed il tetano (Clostridium Tetani).
  • Anaerobi facoltativi: sono organismi che possono scegliere di utilizzare la via ossidativa o fermentativa a seconda della disponibilità di ossigeno nell'ambiente. Tra questi possiamo citare il batterio Escherichia Coli che colonizza il tratto gastrointestinale umano ed i batteri del genere Lactobacillus utilizati per produrre lo yogurt e il siero del latte. Anche alcuni tipi cellulari dei vertebrati quali le cellule muscolari possono definirsi tali.
  • Aerobi obbligati: sono organismi che vivono solo in ambienti in cui domina l'ossigeno. Questi infatti non hanno la possibilità di effettuare le reazioni di fermentazione poichè sprovvisti degli enzimi necessari. Un esempio tipico è rappresentato dalle cellule celebrali dei vertebrati.  

Riassumendo

  • Aerobico ed anaerobico sono due accezioni utilizzate per distinguere i processi di produzione dell'energia cellulare che si attivano in presenza o assenza di ossigeno
  • Anaerobico ed anaerobico sono termini utilizzati anche per definire i microrganismi che sono capaci di vivere in ambienti in cui l'ossigeno è presente o meno
  • La respirazione cellulare è un processo metabolico per la maggior parte di tipo aerobico diviso in tre fasi : Glicolisi, Ossidazione del piruvato e Fosforilazione ossidativa
  • La Glicolisi è l'unico passaggio anaerobico del processo di respirazione cellulare. Questo processo avviene all'interno del citosol cellulare e consente di scindere una molecola di glucosio in due molecole di piruvato attraverso dieci differenti reazioni catalizzate da diversi enzimi
  • L' Ossidazione del piruvato è il secondo passaggio della respirazione cellulare ed avviene nella matrice mitocondriale. Attraverso dei catalizzatori enzimatici il piruvato (con tre atomi di C) viene convertito in un gruppo acetilico a due atomi di carbonio (Acetil Coenzima A). Questa molecola entra nel ciclo di Krebs ove viene ossidata completamente in CO2.
  • La Fosforilazione Ossidativa è l'ultimo passaggio della respirazione cellulare che avviene sempre a livello mitocondriale. Tutti gli elettroni immagazzinati vengono trasferiti all'O2 generando un gradiente di ioni H+ che viene sfruttato per sintetizzare l'ATP
  • La Fermentazione è il processo metabolico che si attiva in assenza di ossigeno e pertanto risulta essere di tipo anaerobico. In questo processo avviene regolarmente la glicolisi ma non si attiva la fosforilazione ossidativa con relativo trasferimento di elettroni all'O2
  • La Fermentazione può essere Lattica se converte il piruvato in lattato e Alcolica se converte il piruvato in alcol etilico con produzione di CO2
  • Distinguiamo gli organismi in base ai processi metabolici che possono attivare in assenza/presenza di O2 : Anaerobi obbligati che sopravvivono solo in assenza di ossigeno, Anaerobi facoltativi che possono sopravvivere sia in presenza che in assenza di ossigeno e gli Aerobi obbligati che possono sopravvivere solo in presenza di ossigeno.

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