Glicolisi, ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa

L’insieme delle trasformazioni chimiche che avvengono nelle cellule prende il nome di metabolismo. Le vie metaboliche possono essere classificate per lo più come:

vie anaboliche (o sintetiche) = formano molecole complesse a partire da precursori semplici

vie cataboliche (o demolitive) = degradano molecole complesse in molecole più semplici e catturano l’energia che si libera sotto forma di ATP

Ossidazione e sintesi di ATP

La cellula ricava energia tramite la graduale ossidazione di sostanze organiche, come il glucosio, che hanno un alto contenuto energetico. L’ossidazione di queste molecole comporta una serie di reazioni accoppiate di ossidoriduzione nel corso delle quali gli elettroni vengono trasferiti dai substrati organici a diversi trasportatori intermedi, cedendo a poco a poco la loro energia, per essere infine trasferiti all’ossigeno, l’accettore finale della respirazione aerobica. Punto chiave del processo è la sintesi di ATP.

Queste reazioni comunque non sono solo ossidoriduzioni ma possono essere considerate anche deidrogenazioni, in quanto gli elettroni persi vengono accompagnati anche da protoni.

Il catabolismo dei carboidrati in particolare avviene attraverso 3 stadi: glicolisi, ciclo di Krebs, fosforilazione ossidativa

Glicolisi: fasi e regolazione

La glicolisi avviene nel citoplasma e ha la funzione di convertire il glucosio in piruvato. Comprende in totale 10 reazioni, ognuna catalizzata da un enzima specifico, che possono essere divise in due stadi.

1. Il primo stadio comprende le prime 5 reazioni, che sono processi endoergonici e consumano energia: due molecole di ATP vengono scisse in ADP + P e i due gruppi fosfato vengono aggiunti alla molecola di glucosio. Questa viene poi scissa in due zuccheri fosfati a 3 atomi di carbonio, la gliceraldeide-3-fosfato (G3P).

2. il secondo stadio comprende le 5 reazioni successive che producono energia:

2 elettroni e 1 protone vengono trasferiti dal G3P al NAD+ formando NADH. Ad ogni G3P viene poi trasferito un ulteriore gruppo fosfato formando 1,3 bisfosfoglicerato (BPG). Il fosfato incorporato verrà trasferito all’ADP per formare ATP mentre il BPG verrà convertito in piruvato.

La resa totale della glicolisi è quindi di: 2 molecole di piruvato, 2 ATP e 2 NADH.

Fermentazione e respirazione aerobica

La glicolisi è inoltre regolata attraverso due importanti siti di controllo, quello della fosfofruttochinasi e quello della piruvato chinasi, due enzimi allosterici e multimerici.

La fosfofruttochinasi catalizza la conversione di fruttosio fosfato in fruttosio difosfato.

La piruvato chinasi catalizza la conversione di fosfoenolpiruvato (PEP) in piruvato. È composta da quattro subunità, con i siti attivi disposti in alto e in basso e i siti regolatori nella zona centrale. Ai siti regolatori si lega il fruttosio 1,6-difosfato, che attiva la piruvato chinasi. L’enzima viene invece inibito da un’elevata concentrazione di ATP, in modo tale che quando la cellula non ha un alto fabbisogno energetico la conversione di fosfoenolpiruvato a piruvato viene rallentata.

La glicolisi è una via metabolica comune a tutti i tessuti e a tutte le cellule, che demoliscono quindi il glucosio a piruvato. Il piruvato può invece avere destini diversi a seconda che le cellule siano aerobiche o anaerobiche:

in condizioni anaerobiche le cellule non possono utilizzare l’ossigeno come accettore finale di elettroni; questi vengono invece trasferiti ad altre molecole organiche in un processo chiamato fermentazione. La fermentazione può essere di due diversi tipi. Nella fermentazione alcolica, tipica ad esempio dei lieviti, il piruvato viene convertito in acetaldeide e successivamente in etanolo. La fermentazione lattica avviene tipicamente nelle cellule muscolari quando un’attività muscolare prolungata e intensa richiede più ossigeno di quanto la respirazione possa fornire. Converte invece il piruvato in acido lattico. In entrambi i casi il processo rigenera NAD+, in modo tale che la respirazione possa procedere.

in condizioni aerobiche la respirazione cellulare procede con il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa.

Prima di entrare nel ciclo di Krebs il piruvato viene ossidato. Uno dei 3 atomi di carbonio si stacca e si libera sotto forma di CO2. Il composto restante a 2 atomi di C, detto gruppo acetilico, viene legato al coenzima A e la molecola prende il nome di acetil-CoA.

Al tempo stesso due elettroni e un protone vengono trasferiti al NAD+ formando NADH.

Ciclo di Krebs e trasporto elettronico

Il ciclo di Krebs avviene nella matrice mitocondriale ed è la via metabolica nella quale convergono il metabolismo dei carboidrati, degli amminoacidi e degli acidi grassi. Tutte queste macromolecole vengono infatti scisse nelle loro unità costitutive e degradate ad acetil-CoA, che può essere considerato il metabolita intermedio comune. Consiste in una serie di nove reazioni che avvengono ciclicamente.

Inizia nel momento in cui il gruppo acetilico a 2 atomi di C dell’acetil-CoA si combina con una molecola a 4 atomi di carbonio chiamata ossalacetato. La molecola risultante a 6 atomi di C, il citrato, subisce una serie di ossidazioni fin quando non viene rigenerato ossalacetato. Questa molecola potrà quindi legare un ulteriore gruppo acetilico ed iniziare un nuovo ciclo.

Per ogni giro del ciclo:

vengono perse due molecole di CO2

un FAD è ridotto a FADH2

si producono 1 ATP e 3 NADH

Catena di trasporto e ATP sintasi

La catena di trasporto degli elettroni consiste in una serie di trasportatori elettronici, la maggior parte dei quali sono proteine integrali di membrana organizzate in complessi e ancorate alla membrana mitocondriale interna.

La catena di trasporto riceve prima di tutto gli elettroni dalle molecole ridotte di NADH e FADH2 formatesi durante la respirazione, che vengono riossidate dai complessi multienzimatici della membrana. Ciascun complesso compie quindi delle reazioni redox in sequenza, ossia può accettare o donare a sua volta questi elettroni ad altri trasportatori intermedi fino all’ultimo complesso detto citocromo ossidasi. Questo complesso utilizza gli elettroni per ridurre una molecola di ossigeno, che è quindi l’accettore finale. Ogni ossigeno si combina con due protoni e forma acqua.

Ogni complesso della catena di trasporto opera inoltre come una pompa protonica, ossia guida un protone attraverso la membrana fino alla spazio intermembrana. I protoni tendono poi a rientrare all’interno della matrice passando attraverso un canale proteico specifico, l’ATP sintasi, che utilizza l’energia del gradiente per catalizzare la sintesi di ATP a partire da ADP e P. Questo processo prende il nome di chemiosmosi.

Dal punto di vista strutturale, l’ATP sintasi possiede due diverse porzioni: il complesso F0 rappresenta una porzione di ancoraggio alla membrana ed è unito tramite un sottile stelo al complesso F1 che rappresenta la porzione catalitica.

Il complesso F0 contiene un canale grazie al quale i protoni attraversano la membrana; il passaggio dei protoni causa una rotazione della porzione F0 e dello stelo rispetto alla porzione F1 che subisce invece dei cambiamenti conformazionali. Proprio per questa ragione l’ATP sintasi può essere considerata una sorta di motore rotante.