2b. Metabolismo - respirazione aerobica e anaerobica

Respirazione

Abbiamo visto finora che in seguito all'ossidazione del glucosio si forma acido piruvico. In condizioni di anaerobiosi (cioè in assenza di ossigeno) l'acido piruvico va incontro al metabolismo fermentativo, cioè il glucosio viene ossidato parzialmente; in altre parole l'acido piruvico viene ridotto a formare, ad esempio, acido lattico oppure etanolo ecc.

Però, in condizioni di aerobiosi (cioè in presenza di ossigeno) la situazione cambia: il glucosio viene ossidato completamente; in altre parole, una volta che si è formato l'acido piruvico per via glicolitica o mediante le altre vie prima descritte, esso viene ulteriormente ossidato a formare anidride carbonica e acqua. Ricordiamo che sia la fermentazione sia la respirazione sono processi preposti a rigenerare NAD⁺ a partire dal NADH che si è formato nei processi di degradazione del glucosio. Nel caso della fermentazione il NAD⁺ si rigenera proprio mediante la riduzione dell'acido piruvico; nel caso della respirazione, invece, il NAD⁺ si rigenera quando il NADH cede gli ioni H all'O₂ (quindi durante la fosforilazione ossidativa). Quindi il NADH si ossida e diventa 2 NAD⁺, l'O₂ si riduce a formare H₂O. Diremo che l'O₂ è l'accettore finale di elettroni.

Bisogna specificare, come sopra ricordato, che il passaggio degli elettroni non avviene direttamente da un composto ad un altro. Gli elettroni vengono ceduti a composti intermedi che attuano una sorta di catena di trasporto degli elettroni fino ad arrivare all'O₂. Tuttavia, non sempre l'O₂ è l'accettore finale di elettroni; quando l'ossigeno scarseggia nell'ambiente, l'accettore finale di elettroni nel processo di respirazione è costituito da un altro composto organico o inorganico. Quindi possiamo parlare di respirazione aerobia quando l'accettore finale di elettroni è l'O₂; parleremo, invece, di respirazione anaerobia quando l'accettore ultimo di elettroni non è l'O₂. Dato che nella respirazione il glucosio viene ossidato completamente fino a formare minerali come CO₂ e H₂O (comunemente chiamati composti inorganici), diremo che il substrato organico (quindi il glucosio in questo caso) è completamente mineralizzato.

Respirazione aerobia

La respirazione aerobia si realizza mediante l'alternanza di tre principali fasi: decarbossilazione ossidativa, ciclo degli acidi tricarbossilici (TCA o ciclo di Krebs) e fosforilazione ossidativa. Nella decarbossilazione ossidativa ciascuna delle due molecole di piruvato, prodotte a partire da una molecola di glucosio, viene trasportata nel mitocondrio (se si tratta di microrganismi eucarioti; nei procarioti i mitocondri sono assenti e quindi il piruvato rimarrà nel citoplasma) e convertita in acetile. Si formano due molecole di acetile, a ciascuna delle quali si lega il CoA. Si formano così due molecole di acetil-CoA con conseguente produzione di 2 NADH (uno per ogni molecola di piruvato) e 2 molecole di CO₂ (una per ogni molecola di piruvato). L'intero processo di decarbossilazione è catalizzato dal complesso della piruvato deidrogenasi (viene disattivato ad alte concentrazioni di piruvato).

Ciclo di Krebs

Ciascuna molecola di acetil-CoA entra ora nel ciclo di Krebs. Come per la decarbossilazione ossidativa, anche il ciclo di Krebs si svolgerà nei mitocondri in caso di microrganismi eucarioti, nel citoplasma nel caso di microrganismi procarioti. Il ciclo di Krebs in generale si compone di otto reazioni.

Nella prima reazione, la citrato sintasi catalizza la condensazione di ogni molecola di acetil-CoA con l'ossalacetato. In seguito all'interazione tra le due molecole, il gruppo tioestere (CoA) viene idrolizzato a formare citrato (per un totale di due molecole di citrato). Ciascuna molecola di citrato viene poi isomerizzata a isocitrato attraverso una reazione catalizzata dall'aconitasi. Successivamente, la isocitrato deidrogenasi catalizza l'ossidazione di ciascun isocitrato in presenza di NAD⁺ a formare due molecole di ossalsuccinato e due di NADH. Ciascuna molecola di ossalsuccinato subisce una decarbossilazione con conseguente formazione di due molecole di alpha-chetoglutarato e due di CO₂. La decarbossilazione avviene con l'aiuto del coenzima NAD, che viene ridotto a NADH. Quindi si formano altre due molecole di NADH.

Avviene una seconda reazione di decarbossilazione ossidativa con conseguente formazione di una molecola di succinil-CoA a partire da ciascuna molecola di alpha-chetoglutarato. Si formano, quindi, due molecole di succinil-CoA e due di CO₂. Da ciascuna molecola di succinil-CoA deriva una molecola di succinato. Durante la conversione di ciascuna molecola di succinil-CoA a succinato si forma una molecola di GTP, per un totale di due molecole di GTP.

Ogni molecola di succinato viene ossidata a fumarato producendo anche FADH₂ per ogni molecola di succinato che viene ossidata. Quindi in totale si ottengono due molecole di fumarato e due molecole di FADH₂. Ogni molecola di fumarato è idratata a malato consumando una molecola di acqua per ogni idratazione. Ogni molecola di malato, infine, è ossidata a ossalacetato con conseguente produzione totale di due molecole di NADH. Durante il ciclo di Krebs, quindi, si formano 6 molecole di NADH, 4 molecole di CO₂, 2 molecole di FADH₂ e due molecole di GTP.

Sommando ai prodotti del ciclo di Krebs quelli della decarbossilazione ossidativa del piruvato si ottengono 8 NADH, 2 FADH₂, 2 GTP, e 6 CO₂. Principalmente FADH₂ e NADH contengono energia che verrà immagazzinata sotto forma di ATP durante la fosforilazione ossidativa: da ciascuna molecola di NADH si formano 3 molecole di ATP per fosforilazione ossidativa; da ciascuna molecola di FADH₂ si formano 2 molecole di ATP per fosforilazione ossidativa; da una molecola di GTP si ricava 1 di ATP tramite fosforilazione a livello del substrato. Quindi, dai prodotti del ciclo di Krebs e della decarbossilazione ossidativa, a loro volta derivanti da una molecola di glucosio, si ricavano 30 molecole di ATP. A queste vanno aggiunte anche le due molecole di ATP che si ricavano attraverso l'ossidazione del glucosio. Durante quest'ultimo processo vengono prodotte anche due molecole di NADH, che vengono convertite anch'esse in ATP. Da queste due molecole si ricavano ulteriori 6 molecole di ATP. Sommando, quindi, tutte le molecole di ATP, si può dire che da ogni molecola di glucosio si ricavano 38 molecole di ATP.

Abbiamo detto che il ciclo di Krebs è seguito dalla fosforilazione ossidativa, vediamo più da vicino e dettagliatamente cosa e come si realizza la fosforilazione ossidativa.

Fosforilazione ossidativa

Nella fosforilazione ossidativa, detta anche fosforilazione a livello della membrana, gli atomi di idrogeno sono trasportati dal NADH, che si forma durante il ciclo di Krebs (ma anche dal FADH₂) all'ossigeno. Questo processo si realizza a livello di invaginazioni della membrana plasmatica nel caso di microrganismi procarioti; mentre nei microrganismi eucarioti, che sono dotati quindi di mitocondri, questo processo si realizza sulla membrana interna mitocondriale. È importante ricordare che i procarioti sono dotati, oltre che di una membrana, anche di una parete. Quindi le invaginazioni della membrana plasmatica dei procarioti sono paragonabili alle creste della membrana mitocondriale interna degli eucarioti.

Il passaggio di elettroni all'accettore finale, come già ricordato precedentemente, avviene in modo ordinato e graduale attraverso la serie di trasportatori di elettroni associati alla membrana citoplasmatica. L'insieme di questi trasportatori è chiamato catena di trasporto degli elettroni. Il trasporto degli elettroni avviene, più precisamente, grazie a 4 complessi transmembrana indicati con complesso I, complesso II, complesso III, complesso IV.

Il complesso I (detto anche complesso NADH-coenzima Q-ossidoreduttasi) è composto da varie proteine Fe-S (proteine Ferro-Zolfo) e da una flavoproteina contenente il coenzima FMN (flavina mononucleotide). L'FMN può scambiare sia uno che due elettroni per volta. Quindi può fare da ponte tra un donatore a due elettroni, come l'NADH, e un accettore a un elettrone, il Fe³⁺ delle proteine ferro zolfo.