Processi metabolici per la produzione di energia negli esseri viventi

Per procurarsi energia tutti gli esseri viventi hanno bisogno di nutrirsi e produrre ATP.

Per far sì che questo avvenga gli esseri viventi hanno adottato diverse strategie. Le cellule hanno bisogno di “bruciare” sostanze, come se fossero del carburante, e ricavarne energia. Questo processo avviene in più tappe, ognuna fondamentale per la buona riuscita delle altre. Ciò che tutte le varie strategie hanno in comune è proprio la sostanza che ha funzione di “carburante”, ossia, il glucosio.

Reazioni redox e glicolisi

Le reazioni chimiche interne a questo processo sono reazioni metaboliche.

Nel momento in cui una sostanza riceve gli elettroni, essa si riduce.

Nel momento in cui l’altra li perde, essa si ossida.

Nel primo caso, la sostanza ridotta è anche l’agente ossidante dell’altra, in quanto sottrae gli elettroni ad essa, ossidandola.

Questo vale anche al contrario, in quanto una sostanza ossidata sarà a sua volta agente riducente rispetto all'altra sostanza.

Ricordando che spesso in queste reazioni gli elettroni sono accompagnati da ioni di idrogeno, possiamo anche vedere le reazioni redox come uno scambio di ioni H. Le regole non si diversificano, abbiamo solo cambiato soggetto al discorso.

Ora, entriamo nel vivo del processo chimico. Il primo processo che andremo a descrivere è denominato Glicolisi, ossia >.

Questo è un processo universale, quindi avviene all’interno del citoplasma delle cellule procariotiche ed eucariotiche. La molecola del glucosio viene quindi scissa e ossidata. Dai sei atomi di carbonio che la costituivano inizialmente, otteniamo due molecole di acido piruvico, ognuna con 3 atomi di carbonio.

Per far sì che la reazione inizi sono presenti nel composto iniziale due molecole di ATP, che poi nel prodotto finale saranno 4, con un guadagno effettivo di 2ATP. Quindi il processo libera una piccola quantità di energia, ma è solo l’inizio. Il piruvato ha ancora un grande energia da poter essere liberata con le fasi metaboliche successive.

Per ultimo ma non meno importante, non dimentichiamoci del coenzima NAD, anch’esso complice nella buona riuscita di questo processo. Partiamo dal composto iniziale con 2NAD, poi esso si riduce a NADH. Nel composto finale infatti avremmo 2NADH. Questa informazione ci servirà fra poco, per chiarire meglio le funzioni delle fasi successive.

Ricapitolando, durante la glicolisi, il glucosio (6C) viene scisso in due molecole di acido piruvico, o piruvato (3C), liberando 2 ATP e riducendo 2NAD in 2NADH.

Fermentazione: lattica e alcolica

A questo punto del processo, la presenza dell’ossigeno o meno fa una grande differenza. In assenza di esso, si verifica la fermentazione, altrimenti abbiamo il processo denominato respirazione cellulare. Ecco qui descritti entrambi i casi.

La fermentazione avviene in assenza di ossigeno ed è il processo utile ad ossidare il NADH, prodotto dalla glicolisi, nuovamente in NAD. Durante questo processo non c’è nessun guadagno in termini di energia (ATP). Avviene nel citoplasma e può essere di due tipi:

Fermentazione lattica: oltre che in completa assenza di ossigeno, questo processo può avvenire anche nelle cellule muscolari umane dopo uno sforzo molto intenso. Infatti, in seguito a molta fatica, il flusso di ossigeno sarà troppo limitato perché possa avvenire la respirazione cellulare, allora l’organismo opterà per la fermentazione lattica. Durante il processo, il piruvato viene ridotto in acido lattico utilizzando come reagente il NADH, che in questo modo si ossida a NAD. A volte, nelle cellule muscolari umane, rimane un po’ di acido lattico in eccesso, creando appunto i caratteristici dolori.

Fermentazione alcolica: Questo processo avviene solo in condizione anaerobiche e produce NAD e diossido di carbonio (CO2). In una prima tappa, il piruvato viene trasformato in una sostanza chiamata acetaldeide, liberando CO2. Successivamente, l’acetaldeide è ridotta ad alcol etilico, ossidando il NADH in NAD.

Questo processo è utile ad ottenere nuovamente NAD per fare in modo che la glicolisi continui a verificarsi.

Respirazione cellulare e mitocondri

Nel caso in cui, invece, l’ossigeno sia presente, tutta la nostra attenzione si deve spostare proprio sui mitocondri, i caratteristici organuli presenti nelle cellule eucariotiche. Questi organuli sono circondati da un doppio strato membranoso: la membrana mitocondriale esterna e quella interna, molto estesa e ripiagata in creste.

Proprio su queste ultime avviene la terza via metabolica, chiamata fosforilazione ossidativa.

Nello spazio delimitato dalla membrana interna, la matrice, avvengono due importanti fasi : la sintesi di acetil-CoA e il Ciclo di Krebs.

Andiamo subito nel vivo del processo. La prima fase metabolica che avviene è proprio la sintesi di acetil-CoA.

Il piruvato (il prodotto della glicolisi) entra nella matrice e qui viene parzialmente ossidato e trasformato in gruppo acetile, una molecola a due atomi di carbonio.

Piruvato(3C) ------> gruppo acetile (2C)

A questo punto, al gruppo acetile che abbiamo ottenuto viene unito il coenzima A (CoA), simile ad una navetta che ha il compito far entrare il gruppo acetile all’interno del Ciclo di Krebs. Questo composto dà anche il nome al processo, infatti è detto Acetil-CoA.

Gruppo acetile (2C) + Coenzima A (CoA)

Questo processo produce CO2 e NADH

Ciclo di Krebs e produzione di ATP

Questo processo è la seconda via metabolica della respirazione cellulare, avviene nella matrice e si svolge in otto tappe. La prima consiste nell’unione del gruppo acetile con una molecola di ossalacetato, composto da 4 molecole di carbonio, dando origine al citrato, composto da 6 molecole di carbonio.

Gruppo acetile (2C) + ossalacetato (4C) = citrato (6C)

Successivamente il gruppo acetile si ossida completamente (quindi perdiamo 2C dal citrato sotto forma di CO2) e il composto passa da citrato a ossalacetato, che può essere riutilizzato. In questo modo il ciclo può ricominciare.

Citrato (6C) - gruppo acetile (2C) = ossalacetato (4C) e CO2

L'energia liberata è usata in parte per ridurre i coenzimi, come il NAD e il FAD (simile al NAD), in NADH e FADH. Inoltre si produce 1 ATP per ogni gruppo acetile. È anche importante ricordare che da una sola molecola di glucosio otteniamo due piruvati, e che per ogni piruvato di svolge un Ciclo di Krebs. In questi termini per ogni molecola di glucosio il ciclo di Krebs di svolge due volte.

Durante questa fase avviene l’ossidazione di FADH e NADH in FAD e NAD, processo vitale affinché la glicolisi e il ciclo di Krebs possano continuare.

Inoltre, in presenza di ossigeno avviene anche la sintesi dell’ATP.

Ossidazione dei coenzimi e chemiosmosi

Ossidazione dei coenzimi: Essi cedono i propri elettroni al primo accettore di una catena di trasporto posta nella membrana mitocondriale interna. Lungo questa catena, detta catena respiratoria, gli elettroni passano da un trasportatore all'altro rilasciando lentamente tutta la loro l’energia attraverso una serie di riduzioni e ossidazioni, fino a raggiungere l’accettore finale della catena, l’ossigeno, che a contatto con essi si riduce producendo molecole d’acqua.

Chemiosmosi (sintesi ATP): Nella struttura della catena respiratoria, i trasportatori elettroni sono disposti in maniera tale da prelevare dei protoni dalla parte più interna e trasportarli fin nello spazio intermembrana. A causa dalla carica positiva dei protoni questa disposizione causa una differenza di concentrazione sia protonica che di carica elettrica. Questa condizione fa sì che i protoni abbiano la tendenza a dirigersi di nuovo verso l’interno, ossia a tornare indietro. Poiché la membrana mitocondriale interna è impermeabile agli ioni, l’unica via percorribile è quella che passa attraverso l’enzima ATP sintasi, una proteina canale che sintetizza le molecole di ATP.

Ricapitolazione e conclusione

Ricapitoliamo ora la produzione di energia di tutti i processi sopra descritti.

In presenza di ossigeno, i processi che avvengono in successione sono:

Glicolisi =2ATP

Ciclo di Krebs= 2ATP

Respirazione cellulare = 28 ATP

In assenza di ossigeno, abbiamo:

Glicolisi=2ATP

Fermentazione= \\

In conclusione, in base ai dati raccolti, possiamo dire che in un ambiente ricco di ossigeno, un organismo in grado di svolgere la respirazione cellulare si trova assai vantaggiato rispetto ad un in grado di svolgere solo la fermentazione.