I batteri aerobi come effettuano la respirazione?

Hai appena studiato un argomento, pensi di saperlo e poi, risolvendo un quiz, ti “casca il palco”. Il dubbio che ti affligge è come i procarioti effettuino la respirazione non possedendo mitocondri? Se è così continua a leggere e risolvi questo tuo dubbio.

Gli organismi procarioti ed eucarioti hanno dimensioni cellulari e strutture notevolmente diverse; i primi (i batteri, per intenderci) sono organismi unicellulari, privi di organelli, costituiti, oltre che da una membrana plasmatica esterna,  da una robusta parete cellulare. I secondi, invece, sono generalmente pluricellulari e hanno compartimenti funzionali delimitati da (singola o doppia) membrana biologica. Tra questi, solo le cellule vegetali possiedono anche una parete cellulare composta da proteine e cellulosa, che conferisce un certo sostegno alla cellula. Il materiale genetico, nei procarioti, è confinato nel nucleosoma che non ha una collocazione specifica all’interno del citoplasma, mentre negli eucarioti esso si trova all’interno del nucleo.

Probabilmente avrai anche studiato che, secondo la teoria endosimbiontica, è altamente probabile che alcuni organelli presenti nella cellula eucariotica (guarda  caso quelli con doppia membrana, come i mitocondri o i cloroplasti) derivino dalla fagocitosi di batteri ancestrali aerobi (che utilizzano l’ossigeno per convertire i nutrienti in energia, sotto forma di ATP) e che questa simbiosi abbia permesso ad alcuni organismi di sopravvivere nel tempo, rispetto ad altri. La capacità acquisita di “respirare” è un esempio di come tali esseri viventi siano riusciti ad adattarsi al mutare delle condizioni ambientali, trasmettere tale caratteristica alla progenie e giungere fino ai giorni nostri.

Come traggono energia dall’ambiente gli organismi procarioti ed eucarioti per alimentare i diversi processi metabolici che avvengono al loro interno? 

Se i procarioti sono privi di organelli, tra i quali i mitocondri (che negli eucarioti sono sede della respirazione cellulare), come fanno ad essere aerobi?

I batteri come utilizzano l’O2 per produrre energia se non hanno i mitocondri?  

Ebbene ci riescono comunque. Per capirlo, dobbiamo fare un accenno ai punti dove nei due differenti tipi di cellule avvengono  la glicolisi, la decarbossilazione ossidativa del piruvato, il ciclo degli acidi tricarbossilici (ciclo di Krebs) e la fosforilazione ossidativa, che è l’ultima fase della respirazione cellulare, quella aerobia, in cui l’O2 si riduce ad H2O. Tale fase è quella in cui si produce la maggior parte di ATP (energia utilizzabile per la cellula).

Negli eucarioti

La Glicolisi avviene nel citoplasma ed è il sistema metabolico più antico, la glicolisi consiste nell'ossidazione del Glucosio in piruvato, il quale viene trasportato all’interno  del mitocondrio (decarbossilazione del piruvato), dove ad opera dell'enzima Piruvato-Deidrogenasi viene ossidato rimuovendo un atomo di carbonio sotto forma di CO2 e la contemporanea formazione di una molecola di NADH ridotto (da moltiplicare per 2 dato che  per ogni Glucosio si formano due molecole di piruvato). Il risulato  è una molecola con 2 atomi di carbonio che forma un gruppo acetile, il quale viene legato dal Coenzima-A per formare l'Acetil-CoA. Nel ciclo di Krebs, che si svolge nella matrice mitocondriale, le molecole di Acetil-CoA vengono completamente ossidate ad anidride carbonica con la riduzione dei cofattori NADH e FADH2. Il ciclo inizia con il trasferimento del gruppo Acetile dall'Acetil-CoA su una molecola di Ossalacetato. Durante il ciclo di Krebs viene direttamente prodotta 1 molecola di ATP per fosforilazione a livello del substrato, 3 cofattori ridotti NADH e 1 cofattore FADH2 (il tutto da moltiplicare per i 2 Acetil-CoA provenienti da ciascun glucosio). La fosforilazione ossidativa è l'ultima tappa della resiprazione cellulare,  i cofattori generati dal ciclo di Krebs vengono utilizzati per produrre ATP.

Nei procarioti

Il piruvato, prodotto dalla glicolisi, e, successivamente, NADH e FADH2 sono già presenti nel citoplasma. La fosforilazione ossidativa avviene sulle invaginazioni della membrana cellulare. I procarioti, inoltre, possiedono tutti gli enzimi necessari ad effettuare l’intera respirazione cellulare, perché il loro citosol è ricco di ribosomi (sede della sintesi proteica).

Riassumendo:

1. La fosforilazione ossidativa è un processo biochimico cellulare per la produzione di energia fondamentale e ubiquitario. È la fase finale della respirazione cellulare e avviene dopo la glicolisi e il ciclo di Krebs.

2. L’ubicazione fisica del processo è sempre a cavallo di una membrana biologica: negli eucarioti esso avviene presso la cresta mitocondriale, mentre nei procarioti ha luogo sulla membrana cellulare.

Simbiosi di una cellula eucariotica ancestrale

Respirazione cellulare degli eucarioti a carico dei mitocondri