Tutte le cellule viventi hanno bisogno di energia per rimanere in vita. L’energia viene utilizzata per alimentare tutte le attività della vita, tra cui la digestione, la sintesi proteica e il trasporto attivo. Le fonti di energia di una cellula sono gli zuccheri e altre sostanze derivate dai nutrienti, che possono essere scomposte per rilasciare l’energia che tiene insieme le loro molecole. La graduale scomposizione di molecole di nutrienti come glucosio e acidi grassi con cui la cellula riesce ad ottenere energia sotto forma di ATP, per mezzo dell’ossigeno è la respirazione cellulare :l’ossidazione completa di una molecola di glucosio porta alla formazione di un massimo di 36 molecole di ATP, mentre l’energia rimanente si trasforma in calore (Q).

Se questa reazione avvenisse in una sola tappa, l’energia prodotta verrebbe persa quasi totalmente sotto forma di calore, il che porterebbe a un aumento della temperatura incompatibile con la vita della cellula. Per questo motivo il processo metabolico si attua in numerose tappe, che consentono di trasferire l’energia chimica contenuta nel glucosio, attraverso una serie di prodotti intermedi, al prodotto finale a elevato contenuto energetico l’ATP(Fig.12.01).

Glicolisi

Il primo stadio della respirazione cellulare è la glicolisi. Il glucosio presente nel citoplasma di una cellula viene scomposto da una serie di enzimi, per produrre due molecole di un composto più semplice chiamato piruvato. Quando questo accade, c’è una produzione netta di due molecole di ATP (Figura 12.01).

Respirazione aerobica e anaerobica.

La fase successiva della respirazione cellulare dipende dalla disponibilità o meno di ossigeno. In presenza di ossigeno può avvenire la respirazione aerobica; senza di essa, la respirazione deve essere anaerobica.

La respirazione anaerobica si verifica nel citoplasma delle cellule. Nelle cellule animali il piruvato prodotto dalla glicolisi viene convertito in lattato, che è un prodotto di scarto e viene prelevato dalle cellule. Negli esseri umani, la respirazione anaerobica si verifica se una persona sta facendo un esercizio vigoroso e il suo sistema cardiovascolare non è in grado di fornire ossigeno sufficiente per la respirazione aerobica per fornire ATP alla velocità necessaria. Sebbene la respirazione anaerobica rilasci molta meno energia per molecola di glucosio rispetto alla respirazione aerobica, l’ATP extra consente alla persona di continuare ad allenarsi per un breve periodo, in un momento di grande sforzo, in modo da massimizzare la produzione di potenza .La conseguenza dell’accumulo di lattato nei muscoli che si verifica durante la respirazione anaerobica è la sensazione di crampi, quindi questo tipo di respirazione non può essere sostenuto a lungo. In altri organismi, come il lievito, la respirazione anaerobica è anche nota come fermentazione e produce un risultato diverso. Le molecole di piruvato dalla glicolisi vengono convertite in etanolo (alcool) e anidride carbonica. Nessuna ulteriore ATP viene prodotta dalla respirazione anaerobica del piruvato; quindi, questo tipo di respirazione fornisce solo una piccola resa di ATP dal glucosio. Nella produzione alimentare, la respirazione anaerobica del lievito è stata utilizzata dalle persone nella panificazione e nella preparazione della birra per migliaia di anni. Oggi nella produzione di pane, vino e birra vengono utilizzati molti tipi diversi di lievito. I ceppi di lievito utilizzati per la panificazione e la preparazione della birra sono diversi e ciascuno è stato selezionato per le sue diverse caratteristiche. I lieviti da forno si nutrono di zucchero e nell’impasto del pane crescono più rapidamente dei lieviti da birra, che sono a crescita lenta ma in grado di tollerare concentrazioni alcoliche più elevate. Nella panificazione, il lievito respira inizialmente in modo aerobico, rilasciando anidride carbonica e acqua nell’impasto in un brevissimo periodo di tempo. L’anidride carbonica nell’impasto lo fa salire mentre il gas rimane intrappolato in sacche tra le fibre di glutine . Quando l’ossigeno nell’impasto si è esaurito il lievito continua a respirare in modo anaerobico, producendo etanolo che evapora durante la cottura, inoltre il lievito viene ucciso dall’alta temperatura del forno.

La respirazione aerobica è svolta da cellule che hanno i mitocondri e produce una grande quantità di ATP. Le 2 molecole di piruvato prodotte dalla glicolisi ,entrate nei mitocondri dove ci sono gli enzimi necessari , vengono scomposte o ossidate, in una serie di reazioni che rilasciano anidride carbonica e acqua e producono ATP( Fig.12.). Perdono prima anidride carbonica e diventano due molecole di acetil CoA nella reazione di collegamento. L’acetil CoA entra quindi in una fase chiamata ciclo di Krebs e viene ulteriormente modificato, rilasciando più anidride carbonica. Infine, i prodotti del ciclo reagiscono direttamente con l’ossigeno e il risultato è il rilascio di grandi quantità di ATP, mentre la molecola di glucosio originale viene completamente scomposta in anidride carbonica e acqua.

L’ossidazione del glucosio si completa attraverso ulteriori 3 processi metabolici: l’ossidazione del piruvato, il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa. Tali processi non si svolgono isolatamente dal resto del metabolismo, ma esiste uno scambio e interconnessione tra le vie metaboliche. Sintesi e demolizione di aminoacidi, nucleotidi, acidi grassi, glucosio coesistono o certe volte i processi possono agire in senso inverso in base alle esigenze (vedi glucolisi e glucogenesi).( Fig.12 02).

Ossidazione del piruvato

Prima che questa reazione abbia luogo, il piruvato passa prima nei mitocondri per diffusione facilitata. Questo perché è solo nei mitocondri che si trovano gli enzimi richiesti (Figura 12.). Il piruvato viene ossidato in acetil-CoA e CO₂. Questo processo di trasformazione avviene grazie all’azione di un complesso enzimatico, localizzato nei mitocondri (negli eucarioti) e nel citosol (nei procarioti), che si chiama “piruvato-deidrogenasi. La reazione è la decarbossilazione ossidativa, un processo di ossidazione dove il gruppo carbossilico viene rimosso dal piruvato sotto forma di una molecola di CO₂, e i due atomi di C che restano diventano il gruppo acetilico legato al coenzima A. Durante questa reazione si forma il trasportatore di elettroni NADH, che trasporta alla catena respiratoria due elettroni. La reazione è irreversibile.

piruvato + CoA + NAD+ -> acetil-CoA + CO2 + NADH + H+

Il ciclo di Krebs

Avviene all’interno dei mitocondri: l’innesco è l’acetil-coenzima A. Attraverso una serie di reazioni, vengono prodotte molecole di ATP, altre molecole trasportatrici di energia (NADH e FADH₂), e viene liberata anidride carbonica. L’acetil-coA interagisce con gli amminoacidi e acidi grassi, determinando il ciclo dell’acido citrico o ciclo di Krebs, o ciclo degli acidi tricarbossilici ( Fig. 12.05).

Il processo è catalitico a 8 tappe e converte i gruppi acetile derivati dai carboidrati, dagli acidi grassi e dagli amminoacidi in CO₂, producendo NADH, FADH₂ e GTP (energia metabolica).

Il ciclo di Krebs (o dell’acido citrico) si svolge nella matrice mitocondriale. È diviso in 8 fasi, in cui le reazioni si verificano una alla volta, ciascuna catalizzata da un diverso enzima. 1) l’acetil-CoA (a 2 atomi di C) si condensa con l’ossalacetato (a 4 atomi di C) per formare il citrato (un composto a 6 atomi di C);2) Il citrato forma il suo isomero isocitrato attraverso disidratazione (l’idrogeno (protone) trasportato dalle molecole accettrici di idrogeno ridotte reagisce con l’ossigeno per formare acqua);3) L’isocitrato viene ossidato a alfa chetoglutarato, producendo NADH +H e CO₂, nella prima decarbossidazione ossidativa del ciclo;4)L’ alfa chetoglutarato viene ossidato a succinil-CoA con formazione di NAD + H e CO₂ nella seconda decarbossidazione ossidativa del ciclo;5) Il succilCoA viene convertito in succinato attraverso la fosforilazione del substrato, l’energia liberata converte il GDP a GTP, che a sua volta converte l’ADP in ATP;6)Il succinato viene ossidato in fumarato;7) il fumarato viene idratato a malato; 8) il malato viene ossidato a ossalacetato.

Al termine del ciclo l’ossalacetato viene rigenerato. Delle 4 reazioni di ossidazione, 2 avvengono con concomitante decarbossilazione e comportano la formazione di 3 molecole di NADH, una di FADH₂. Inoltre, una molecola di GTP viene sintetizzata attraverso una reazione di fosforilazione a livello del substrato( Fig.12.02).

La fosforilazione ossidativa

L’ultima fase della respirazione cellulare, nota come fosforilazione ossidativa, avviene sempre all’interno dei mitocondri, e consiste nel trasporto finale degli elettroni. È questa la fase in cui si ha la maggior produzione di ATP. NADH e FADH_2, che hanno ricevuto gli elettroni e i protoni nelle tappe precedenti, devono essere nuovamente ossidate in NAD+ e FAD, cedendo elettroni e protoni, ossia atomi di idrogeno. Gli elettroni vengono perciò trasferiti attraverso una serie di trasportatori di elettroni al loro destinatario finale: l’ossigeno. Il trasferimento degli elettroni lungo la catena di trasporto degli elettroni porta alla liberazione di energia, che viene utilizzata dal mitocondrio per produrre ATP.

Durante questo processo, le grandi quantità di NADH e FADH₂ prodotte si ossidano cedendo elettroni all’O₂ che si riduce ad acqua. Il passaggio di elettroni ed idrogeno ad ossigeno non avviene direttamente, ma attraverso una catena di trasportatori della membrana interna del mitocondrio, i cosiddetti complessi I, III, IV che pompano protoni verso lo spazio intermembrana. Il passaggio di protoni provoca una differenza di carica tra lo spazio inter-membrana e la matrice. Grazie a questa forza generata, chiamata forza proton-motrice, i protoni tornano alla matrice, passando solo dal canale protonico dell’ATP sintasi, perché la membrana interna è impermeabile agli ioni H. Viene coì sintetizzata l’ATP in grande quantità(32ATP) e prodotto calore( Fig,12.04-5-6).

Quindi, l’equazione della respirazione aerobica viene spesso mostrata come:

glucosio + ossigeno–     ——-> anidride carbonica + acqua + 38 ATP

C₆H₁₂O₆ + 6O₂         ——->                           -6CO₂ + 6H₂O + 38 ATP

Questa equazione è un bilancio degli input (materie prime) e degli output (prodotti).

Se l’ossigeno è disponibile per cellule e tessuti, il piruvato viene completamente ossidato ad anidride carbonica, acqua e una grande quantità di ATP( Fig,12.08).

Il ciclo di Krebs e la metafora della ruota

In natura e in biologia esistono dei cicli. Un CICLO è una successione nel tempo di fenomeni che tendono a ripetersi in modo sempre uguale. In biologia esiste il Ciclo di Krebs, quello di Calvin, il ciclo del Carbonio, dell’Azoto e del Fosforo solo per fare esempi che incontrerai in questo libro.

Un ciclo però può produrre dei fenomeni che si ripetono con un prodotto finale fisso; oppure come nel caso del Ciclo di Calvin prodotti diversi, con il ripetersi del ciclo. Quindi per questo la metafora della ruota che continua girare costantemente( vedi Immagine della metafora della ruota).( Fig.12.09)