Processi biochimici della respirazione cellulare e fermentazione

Respirazione cellulare e ossidoriduzione

Durante la respirazione cellulare l’ossigeno è utilizzato per scomporre il glucosio e formare acqua e anidride carbonica.

La reazione della respirazione cellulare porta alla liberazione di energia utilizzabile per sintetizzare ATP perché gli elettroni che si trovano in una molecola di cui possiedono più energia passano in due molecole in cui ne hanno meno. Una reazione in cui gli elettroni si spostano da una molecola ad un’altra si chiama ossidoriduzione e consiste nel fatto che alcune molecole si ossidano perdendo elettroni mentre altre si riducono acquistando elettroni e questo trasferimento avviene grazie all’intervento dell’enzima deidrogenasi e dei relativi coenzimi NAD+ e FAD.

Glicolisi e fasi energetiche

La glicolisi fa parte di un processo più ampio che si chiama respirazione cellulare che comprende: glicolisi (anaerobico: avviene in assenza di ossigeno in tutte le cellule sia eucarioti che procarioti come i batteri nel citosol), ciclo di Krebs e catena di trasporto elettroni (aerobi: che avvengono solo in presenza di O2 nei mitocondri) o fermentazione in caso di mancanza di ossigeno.

La glicolisi ha luogo tramite una serie di reazioni, ciascuna catalizzata da un enzima specifico e osservando l’intera sequenza delle reazioni ci sono due fasi: una fase di preparazione endoergonica che richiede un apporto di energia in cui viene consumata energia sotto forma di ATP (energia fornita dalle trasformazioni di ATP in ADP che si verificano nella prima e nella terza tappa) e una fase di recupero energetico in cui i prodotti devono essere contati due volte per ogni molecola di glucosio (vengono prodotti ATP).

Reazioni della glicolisi

In questa prima reazione vengono idrolizzate due molecole di ATP e sono inseriti due gruppi fosfato nella molecola di glucosio che facilitano la rottura dei legami in modo che la molecola si trasforma in due molecole di zucchero-fosfato a tre atomi di carbonio, G3P e DAP.

Il glucosio, grazie alla compartecipazione di una molecola di ATP e un enzima appartenente alla classe delle chinasi, è convertito in glucosio 6-fosfato. In questa prima reazione si ha quindi la fosforilazione del glucosio grazie alla trasformazione di una molecola di ATP in ADP quando l’enzima esochinasi in tutti i tessuti del corpo e la glucochinasi nel fegato appartenenti alla famiglia delle transferasi carica un gruppo fosfato sul carbonio 6. C’è l’idrolisi di una molecola di ATP e si passa a ADP + fosfato inorganico. Questo gruppo P va a legarsi a finire sul carbonio 6. Se non ci fosse questa reazione di fosforilazione, questa reazione avrebbe un DELTA G>0 e non sarebbe spontanea. Diventano importanti le reazioni accoppiate. Si ha una trasformazione da glucosio a glucosio 6 fosfato e la contemporanea idrolisi dell’ATP. Questo passaggio consente di mantenere bassa la concentrazione di glucosio libero all’interno della cellula e permette un continuo ingresso di glucosio nel citosol.

Isomerizzazione e fosforilazione

Nella seconda reazione avviene l’isomerizzazione del glucosio 6-fosfato in fruttosio 6-fosfato grazie all’intervento dell’enzima fosfoesoso-isomerasi appartenente alla famiglia delle isomerasi. Stessa formula molecolare (C6H1206) e diversa formula di struttura tant’è vero che uno è un esagono e l’altro un pentagono. Nulla cambia se c’è un gruppo fosfato sul carbonio 6 perché l’enzima che catalizza questa reazione è l’isomerasi. Il glucosio è aldoso (gruppo aldeidico sul carbonio 1) mentre il fruttosio è chetoso (gruppo chetonico/carbonile sul carbonio 2).

Nella terza reazione al fruttosio 6-fosfato viene aggiunta una molecola di fosfato in posizione C1 prelevata da un ATP che di conseguenza diventa ADP grazie all’intervento dell’enzima fosfofruttochinasi. Fosforilazione per cui otteniamo il fruttosio 1,6 bifosfato a spese di una molecola di ATP che viene idrolizzata, scissa e si forma ADP + fosforo inorganico + energia. Anche questa reazione è accoppiata (DELTA G sarebbe positivo ma diventa negativo tramite l’idrolisi di una molecola di ATP) e endoergonica perché viene liberata energia.

Fosfofruttochinasi e regolazione

La fosfofruttochinasi è un enzima allosterico: ha un sito attivo in cui si lega il substrato e ha un altro sito che serve da regolatore: se il prodotto finale è in eccesso, se c’è troppo ATP, ADP, fruttosio 1,6 bifosfato (prodotto finale) o molto acido citrico l’enzima viene inibito; se invece nella cellula c’è poco ATP, ADP o una bassa concentrazione di acido citrico viene al contrario attivato sempre attraverso il sito.

Sintesi di fruttosio 1-6 bisfosfato

Nelle successive quarta e quinta reazione la sintesi di fruttosio 1-6 bisfosfato avviene attraverso una seconda fosforilazione, così che il costo complessivo delle prime tre tappe della glicolisi è di 2 molecole di ATP (perché il DELTA G che sarebbe >0 rimanga aldolasi della famiglia dei liasi, forma due composti intermedi più stabili a tre atomi di carbonio e da un esoso si passa a due triosi: una molecola di gliceraldeide 3 fosfato e una molecola di diidrossiacetone fosfato DAP (molto instabile: si converte in glicaraldeide 3 fosfato G3P grazie all’enzima fosfo-trioso-isomerasi che favorisce lo spostamento del gruppo carbonilico dal secondo al primo carbonio della catena).

Percorsi paralleli e NAD+

Le tappe successive sono identiche per entrambe le molecole di gliceraldeide 3-fosfato: ci sono due percorsi paralleli di due triosi per cui gli stessi processi avvengono due volte. Il processo è nel complesso esoergonico perché l’energia libera viene utilizzata per produrre 4 molecole di ATP e per ridurre due molecole di NAD+ a NADH+H+. Affinché la glicolisi possa procedere è necessario che il NAD+ (un coenzima che ha la funzione di trasportare gli elettroni che sono tossici quindi da trasportare con i rispettivi protoni) sia continuamente rigenerato attraverso un processo di riossidazione della forma ridotta. In condizioni aerobie il NADH+H+ viene trasferito nel mitocondrio dove è ossidato a NAD+ mentre in assenza di ossigeno sono necessarie una o più reazioni addizionali che consentono di rigenerare il NAD+ nel citosol.

Conversione e produzione di ATP

Nella sesta reazione la gliceraldeide 3-fosfato, mediante l’enzima gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi della famiglia ossido reduttasi è convertita in acido 1,3 difosfoglicerico attraverso il legame del fosfato al gruppo carbonilico della gliceraldeide 3-fosfato e mediante la riduzione di una molecola in NAD+ in NADH+H+.

Nella settima reazione l’acido 1,3 difosfoglicerico, mediante l’enzima fosfoglicerato chinasi della famiglia transferasi è convertito in acido 3-fosfoglicerico, una molecola con un solo gruppo fosfato: il secondo gruppo è stato infatti ceduto a una molecola di ADP trasformata in ATP. Questo enzima catalizza la fosforilazione a livello di substrato dell’ADP. Per ogni reazione vengono prodotte 2 molecole di ATP (reazione esoergonica).

Mutasi e idratazione

Nell’ottava reazione, grazie all’intervento dell’enzima fosfoglicerato mutasi, la molecola di 3-fosfoglicerato è convertita in acido 2-fosfoglicerato per lo spostamento del gruppo fosfato dal terzo al secondo atomo di carbonio della catena.

Nella nona reazione, l’acido 2-fosfoglicerico ad opera della fosfoglicerato idratasi o enzima enolasi della famiglia dei liasi, perde una molecola di acqua che forma un doppio legame tra il secondo e il terzo carbonio della catena portando alla sintesi dell’acido fosfoenolpiruvico.

Defosforilazione e bilancio energetico

Nella decima reazione l’acido fosfoenolpiruvico, coadiuvato all’enzima fosfopiruvatochinasi della famiglia transferasi, è defosforilato e trasformato in acido piruvico: il gruppo fosfato viene trasferito mediante una chinasi del carbonio del fosfoelpiruvato alla catena fosforica di una molecola di ADP sintetizzando una nuova molecola di ATP e consentendo la trasformazione di un gruppo carbonilico del secondo carbonio della catena. La cosa importante della reazione è la riossidazione di NADH+H+ a NAD+. In tal modo la glicolisi si conclude con la produzione di piruvato che passa nel mitocondrio dove viene ulteriormente metabolizzato.

Il bilancio energetico della glicolisi è positivo perché a fronte delle due molecole di ATP utilizzate nelle prime fasi, si producono due molecole di ATP per ciascuna molecola di G3P. Pertanto il guadagno finale è di due molecole di NADH e 2 di ATP per cui la reazione è esoergonica.

La fermentazione

Fermentazione e debito di ossigeno

A questo punto il ciclo di Krebs e trasporto finale di elettroni costituiscono, in presenza di ossigeno, la principale via metabolica per la maggior parte delle cellule. Nel caso più semplice, cioè in assenza di ossigeno O2 avviene la fermentazione. L’acido piruvico formatosi nella glicolisi viene trasformato in alcol etilico o acido lattico nelle cellule muscolari durante un intenso esercizio fisico. Spesso l’ossigeno non è sufficiente e le cellule vanno incontro al cosiddetto debito di ossigeno. La glicolisi continua usando il glucosio liberato dal glicogeno immagazzinato nel muscolo mentre l’acido piruvico non si trasforma in acetil-CoA ma in acido lattico.

Ad esempio nei muscoli quando c’è assenza di O2= accumulo di acido lattico che si manifesta con il crampo muscolare.

Fermentazione lattica e batteri

Fermentazione: anaerobico: batteri, citoplasma.

Fermentazione: cellule muscolari: fermentazione lattica. Da due molecole di piruvato a due molecole di acido lattico=crampi. Lattato deidrogenasi.

Dove c’è una riduzione c’è sempre una ossidazione. Questa fermentazione avviene normalmente dei batteri (o fermenti) lattici (o lattobacilli). Esclusivamente di natura positiva: permette ai batteri di vivere.

L’acido piruvico viene ridotto ad acido lattico perché acquista elettroni. Sul carbonio in posizione 2 vengono legati due atomi di idrogeno. 2h+ e 2h- quindi possiamo dire che l’acido piruvico si riduce per 2 motivi:

-acquista 2 elettroni che però sono tossici e devono essere uniti ai rispettivi H+. Quindi nell’acido lattico ci sono due idrogeni in posizione c2. Questi atomi di idrogeno provengono dal coenzima NADH+H+ trasportatore di elettroni e idrogeniche nella reazione 6 dove c’era stata l’ossidoriduzione aveva acquistato elettroni e idrogeni che cede nella fermentazione all’acido piruvico. Cede 2H+ e 2E- e torna nella forma ossidata. Il substrato si riduce mentre il NADH+H+ si ossida a NAD+ perché cede i due elettroni e i rispettivi protoni. Entra in funzione il lattato deidrogenasi e la reazione avviene due volte perché le molecole sono due. Ai muscoli questa reazione non piace perché in mancanza di ossigeno i muscoli non lavorano bene.