Biologia (9/10): La respirazione cellulare

Con l'aiuto degli enzimi, la cellula degrada molecole organiche complesse ricche di energia potenziale, in prodotti di rifiuto più semplici con un minor contenuto energetico, dove parte dell'energia dissipata viene utilizzata per compiere lavoro, il resto viene dissipata come calore.

Esistono 2 principali vie cataboliche: la fermentazione e la respirazione cellulare, quest'ultima è il più efficace e principle processo catabolico in cui l'ossigeno viene consumato come uno dei reagenti assieme al combustibile organico.
I mitocondri contengono la maggior parte del corredo metabolico necessario per la respirazione cellulare.

Gli alimenti sono il combustibile della respirazione:
Composti organici -> Ossigeno -> Biossido di carbonio -> Acqua -> Energia.
Di solito le tappe della respirazione cellulare vengono descritte seguendo la degradazione dello zucchero glucosio (C₆H₁₂O₆).

L'ATP viene utilizzato dalle cellule per compiere lavoro, infatti la sua coda trifosfato è come una molla compressa, una carica negativa instabile.
La fosforilazione rende una molecola idonea a subire un qualche tipo di trasformazione che permette di effettuare lavoro perdendo gruppo fosfato, infatti il prezzo della maggior parte dei lavori cellulari è la trasformazione di ATP in ADP e fosfato inorganico (P_i), dai quali poi l'ATP viene rigenerato dalle cellule per poter continuare a compiere lavoro.

Le reazioni redox avvengono quando si verifica il trasferimento di uno o più elettroni da un altro reagente.
La perdita di elettroni da una sostanza viene detta ossidazione, mentre l'aggiunta di elettroni viene detta riduzione, e il donatore di elettroni viene detto agente riducente mentre l'accettatore viene detto agente ossidante.
Non tutte le reazioni redox comportano il trasferimento di elettroni, alcune si limitano solo a modificare il loro grado di condivisione nei legami covalenti.

Nella respirazione cellulare il combustibile (glucosio) viene ossidato mentre l'ossigeno viene ridotto, gli elettroni perdono energia potenziale nella trasformazione, e solo la barriera dell'energia di attivazione trattiene gli elettroni dal fluire verso un livello energetico minore.

Il glucosio e gli altri combustibili vengono decomposti gradualmente attraverso una serie di tappe/reazioni, ciascuna delle quali catalizzata da uno specifico enzima.
Di solito gli atomi strappati al glucosio vengono trasferiti su un coenzima detto NAD⁺ (nicotinammide adenin dinucleotide) che funziona da egente ossidante nella respirazione.
Il NAD⁺ ossidato possiede una carica positiva mentre la sua forma ridotta, il NADH è neutro, ed è una molecola che può essere utilizzata per sintetizzare l'ATP al termine della caduta degli elettroni dal NADH all'ossigeno.
La respirazione usa una catena di trasporto degli elettroni per scomporre la caduta degli elettroni sull'ossigeno in tappe diverse che rilasciano quindi energia un po' alla volta.
Gli elettroni allontanati dalle molecole degli alimenti dal NADH vengono trasferiti sull'apice della catena di trasporto, mentre alla base della catena, l'ossigeno cattura questi elettroni insieme a nuclei di idrogeno H⁺ formando molecole di acqua.

La respirazione comprende 3 stadi: glicolisi, ciclo di Krebs e catena di trasporto degli elettroni.

I primi 2 stadi decompongono i combustibili: la glicolisi avviene nel citosol, e scinde in 2 molecole del composto piruvato, il ciclo di krebs invece si svolge nella matrice mitocondriale dove decompone il derivato del piruvato in biossido di carbonio.
Alcune tappe di questi 2 stadi sono reazioni redox.
Nel terzo stadio la catena di trasporto degli elettroni accetta gli elettroni dei prodotti di demolizione degli altri 2 stadi (di solito via NADH) e trasferisce questi elettroni da una molecola ad un'altra, dove al termine della catena vengono combinati con ioni idrogeno e ossigeno, formando acqua.
L'energia liberata in ogni tappa della catena viene depositata in forma utilizzabile dal mitocondrio per sintetizzare l'ATP, in un processo chiamato fosforilazione ossidiva, che produce circa il 90% dell'ATP mentre una quantità minore di ATP si forma direttamente nella glicolisi e nel ciclo di krebs attraverso un meccanismo chiamato fosforilazione a livello del substrato.
Il sito di trasporto degli elettroni e della fosforilazione è la membrana mitocondriale interna.
Per ogni molecola di glucosio la cellula sintetizza circa 38 molecole di ATP.

La glicolisi decompone lo zucchero (glucosio) facendolo diventare piruvato, in 10 tappe, ciascuna caratterizzate da uno specifico enzima, e queste tappe possono essere divise in 2 fasi: la fase di investimento energetico o attivazione, dove la cellula spende ATP per fosforilare il combustibile, e la fase di liberazione dell'energia, dove viene prodotto ATP mediante la fosforilazione a livello del substrato e viene ridotto NAD⁺ a NADH.
La resa netta di energia della glicolisi è pari a 2 molecole di ATP e 2 molecole di NADH per ogni molecola di glucosio consumata.
Durante la glicolisi viene rilasciato CO₂ e questa cmq avviene sia in presenza che in assenza di ossigeno.

In presenza di ossigeno i piruvati penetrano nei mitocondri, dove l'ossidazione del combustibile viene portata a termine dal ciclo di Krebs.
Dentro il mitocondrio il piruvato viene trasformato in un composto detto acetil CoA che con il suo gruppo acetato serve a formare un'altra ossidazione.
Il ciclo di krebs è costituito da 8 tappe, ciascuna catalizzata da uno specifico enzima, dove per ogni giro entrano in ciclo 2 atomi di carbonio acetato e ne escono con la forma completamente ossidata, e per ogni molecola di acetato che entra in circolo 3 molecole di NAD⁺ vengono ridotte a NADH.
Nella tappa 5 viene creata una molecola di ATP attraverso fosforilazione a livello di substrato, tuttavia il maggior numero di ATP viene prodotto grazie alla catena respiratoria degli elettroni del NADH e del FADH, prodotti nel ciclo di Krebs.

Glicosi e ciclo di Krebs producono solo 4 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio consumata, mentre sono 34 le molecole di ATP prodotte dalla fosforilazione ossidativa (catena) per un totale di 38 molecole di ATP.

La catena di trasporto degli elettroni consta di una serie di molecole intessute nella membrana mitocondriale interna, e la maggior parte dei componenti della catena sono proteine a cui sono legati gruppi prostetici che passano dallo stato ridotto a quello ossidato accettando o cedendo elettroni.
Gli elettroni rimossi dalle molecole degli alimenti vengono trasferiti attraverso NADH alla prima molecola della catena di trasporto e da qui passano da una proteina ad un'altra.
La maggior parte dei trasportatori sono proteine dette citocromi, proteine il cui gruppo è simile alla emoglobina, la proteina responsabile del colore rosso del sangue che porta l'ossigeno.
L'ultimo citocromo della catena trasferisce i suoi elettroni all'ossigeno.
La catena non produce direttamente ATP ma serve per far cadere gli elettroni dalle molecole degli alimenti all'ossigeno.

La membrana interna del mitocondrio è cosparsa di molte copie di un complesso proteico detto ATP sintasi, l'enzima responsabile della sintesi di ATP da ADP o fosfato inorganico.
La fonte di energia per l'ATP sintasi è una differenza di concentrazioni di ioni H⁺ ai 2 lati della membrana mitocondriale interna.
Il complesso dell'ATP sintasi consiste di 3 parti: un rotore cilindrico immerso nello spessore della membrana mitocondriale interna, una protuberanza che sporge nella matrice mitocondriale e un segmento interno cilindrico che collega i 2, dove gli ioni idrogeno causano la rotazione del cilindro e dello stelo che causa una modificazione della protuberanza che attiva i siti catalitici in cui ADP e fosfato inorganico si combinano per formare ATP.

La catena è un convertitore di energia che utilizza il flusso esoergonico degli elettroni per pompare ioni H⁺ attraverso la membrana.
La chemioosmosi è un meccanismo in cui un gradiente di ioni H⁺ attraverso la membrana accoppia le reazioni redox della catena di trasporto alla sintesi dell'ATP, e il gradiente di ioni H⁺ che ne risulta viene detto forza protono-motrice.
La chemiosi è dunque un meccanismo di accoppiamento energetico che utilizza l'energia depositata sotto forma di gradiente di ioni H⁺ ai 2 lati di una membrana per compiere lavoro cellulare.

Durante la respirazione, la maggior parte dell'energia ha questa successione:
glucosio -> NADH -> catena di trasporto degli elettroni -> forza protono-motrice -> ATP

In assenza di ossigeno la fosforilazione si arresta, tuttavia grazie alla fermentazione è possibile produrre ATP senza ossigeno.
Si ha la condizione aerobia quando c'è ossigeno, l'anaerobia si ha in sua assenza.
Il catabolismo anaerobio può verificarsi attraverso la fermentazione, che è una estensione della glicolisi che genera ATP solo mediante la fosforilazione a livello di substrato.
Nella fermentazione si ha la glicolisi con in più l'aggiunta di rezioni che permettono di rigenerare il NAD⁺ trasferendo elettroni dal NADH al piruvato o derivanti da questo, e il NAD⁺ così rigenerato può essere riutilizzato per ossidare lo zucchero.
Le due principali fermentazioni sono:

1. Fermentazione alcolica: Il piruvato viene convertito in etanolo in 2 tappe, la prima elimina il biossido di carbonio dal piruvato, la seconda riduce l'acetaldeide ad etanolo ad opera del NADH, rigenerando il NAD⁺ necessario per la glicolisi.
2. Fermentazione lattica: Il piruvato viene ridotto direttamente dal NADH con formazione di lattato, senza liberazione di CO₂.

In presenza di quantità ridotta di ossigeno le cellule umane sintentizzano ATP attraverso la fermentazione lattica, ciò si verifica durante le prime fasi dell'esercizio fisico intenso, quando il catabolismo degli zuccheri per la produzione di ATP supera la possibilità di rifornimento di ossigeno da parte del sangue.

La respirazione ricava molta più energia da ogni singola molecola di zucchero rispetto alla fermentazione, ma per certi organismi, tipo i lieviti e molti batteri, la fermentazione produce ATP sufficiente per sopravvivere.
Gli organismi che possono sopravvivere con entrambi i sistemi sono detti anaerobi facoltativi.

I più antichi fossili batteri risalgono a più di 3.5 miliardi di anni fa, però l'ossigeno ha iniziato ad accumularsi nell'atmosfera solo circa 2.7 miliardi di anni fa, questo significa che i primi procarioti possono avere prodotto ATP solo dalla glicolisi in assenza di ossigeno, e dato che la glicolisi è la via metabolica più diffusa tra gli organismi attuali, è probabile che essa si sia evoluta molto precocemente.

Anche le proteine possono essere usate come combustibile, ma prima devono essere digerite nei loro costituenti amminoacidi, e prima che questi amminoacidi possano entrare nella via glicolitica o nel ciclo del Krebs, i loro gruppi amminici devono essere allontanati attraverso un processo noto come deaminazione.
Anche l'energia depositata nei grassi può essere utitlizzata nel catabolismo, grazie alla via metabolica beta ossidazione, che demolisce le molecode degli acidi grassi in frammenti a 2 atomi di carbonio che entrano nel ciclo di krebs come CoA.

La biosintesi si ha quando si consuma ATP per convertire certi tipi di molecole in altre.

Per evitare sprechi o esuberi di energia, Il metabolismo è controllato dal meccanismo dell'inibizione per retroazione (feedback), dove il prodotto finale di una via anabolica inibisce l'enzima che catalizza una delle tappe iniziali della via stessa.
La cellula controlla le proprie vie cataboliche facendo accellerare la respirazione cellulare quando la cellula è in intensa attività e le sue riserve di ATP sono in calo, e fa il contrario quando l'ATP è in quantità sufficiente per le richieste energetiche della cellula.

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