IL METABOLISMO ENERGETICO BIOCHIMICA. GLICOLISI, FERMENTAZIONE E RESPIRAZIONE CELLULARE

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Metabolismo energetico Introduzione

Funzione Il metabolismo energetico è un’attività coordinata cui partecipano milioni di reazioni che svolgono tre

funzioni principali:

Ricavare energia mediante la trasformazione di energia luminosa in energia chimica, è quanto

avviene negli autotrofi (piante e vegetali); o demolendo molecole di nutrienti, negli eterotrofi.

Idrolizzare i polimeri biologici (polisaccaridi, proteine, acidi nucleici) in monomeri (monosaccaridi,

amminoacidi, nucleotidi), e trasformare i trigliceridi in glicerolo e a acidi grassi.

Sintetizzare i polisaccaridi, le proteine e gli acidi nucleici a partire dai monomeri che li costituiscono,

e i trigliceridi a partire da glicerolo e acidi grassi.

Queste trasformazioni si svolgono grazie ad una serie di enzimi, che sono presenti ognuno in una diversa

tappa e catalizzano le reazioni che trasformano il substrato in prodotti intermedi, e quelli nel prodotto finale.

L’insieme delle reazioni coinvolte nello stesso processo metabolico si chiama via metabolica.

Numerose vie metaboliche sono comuni a tutti gli organismi, altre invece sono peculiari di alcuni gruppi. Negli

eucarioti molte vie metaboliche sono compartimentate, avvengono cioè all’interno di organuli specifici come

i mitocondri o i cloroplasti.

Le Redox Sappiamo che le reazioni metaboliche si dividono in cataboliche, esoergoniche che producono energia libera

utile per la sintesi di ATP, e anaboliche, endoergoniche che utilizzano l’energia dell’ATP per i processi cellulari.

Nella cellula la maggior parte delle reazioni anaboliche e cataboliche sono reazioni di ossidoriduzione (o

reazioni redox), in cui uno o più elettroni vengono trasferiti da una specie chimica (un composto) ad un’altra.

Una reazione redox è costituita da due semireazioni:

La semireazione di ossidazione (OX), che consiste nella perdita di uno o più elettroni;

La semireazione di riduzione (RED) che consiste nell’acquisto di uno o più elettroni.

La specie chimica che perde elettroni è detta riducente, quella che li acquista è chiamata ossidante.

L’ossidazione e la riduzione avvengono sempre assieme: il trasferimento di elettroni richiede la presenza

contemporanea di un donatore e di un accettore di elettroni. Il riducente, che perde elettroni, si ossida,

mentre l’ossidante, che li acquista, si riduce.

Nei sistemi biologici le semireazioni di ossidazione e di riduzione avvengono in genere attraverso la perdita e

l’acquisto di atomi di idrogeno: il loro trasferimento infatti comporta anche il trasferimento di un elettrone.

𝐻 = 𝐻+ + 𝑒−

Per questo motivo in biologia, ossidazione è sinonimo di deidrogenazione, così gli enzimi che catalizzano

reazioni di ossidazione, e che fanno parte della famiglia delle ossidoreduttasi, sono detti anche deidrogenasi.

Coenzimi Le deidrogenasi cellulari catalizzano l’ossidazione di centinaia di composti diversi assieme a specifici coenzimi

chiamati NAD, NADP e FAD. Questi coenzimi possono andare incontro a ossidazioni e riduzioni reversibili,

comportandosi di fatto come “navette” di idrogeno (e quindi di elettroni) che passano da una via metabolica

ad un’altra.

Il NAD Il nicotinammide-adenin-dinucleotide (NAD) e il nicotinammide-adenin-dinucleotide-fosfato (NADP) sono

coenzimi costituiti da due nucleotidi uniti da due gruppi fosfato. In genere il NAD opera nelle reazioni

cataboliche (es. ossidazione del glucosio), mentre il NADP in quelle anaboliche e nella protezione dai radicali

liberi prodotti dall’ossigeno.

Entrambi i coenzimi possono esistere in due forme distinte: quella ossidata e quella ridotta. Quando in una

via metabolica una molecola di substrato va incontro a ossidazione perdendo due atomi di idrogeno, essi

possono essere accettati dalla forma ossidata del coenzima (NAD+), che si trasforma in questo modo nella

forma ridotta (NADH). È importante questo processo perché in questo modo l’idrogeno (H), acido, non si

trova libero nella cellula, il che ne altererebbe il PH. La reazione avviene tra il NAD e una molecola di idrogeno

(2H).

𝑁𝐴𝐷+ + 2𝐻 → 𝑁𝐴𝐷𝐻 + 𝐻+

All’opposto il NADH può essere ossidato grazie all’ossigeno: ciò comporta una riduzione dell’ossigeno

molecolare e la trasformazione del coenzima nella forma ossidata NAD+.

𝑁𝐴𝐷𝐻 + 𝐻+ →1

2𝑂2 → 𝑁𝐴𝐷+ + 𝐻2𝑂

Questa reazione è fortemente esoergonica e porta ad una variazione di energia libera di -52,4 kcal/mole. Ciò

significa che il NADH trasporta una grande quantità di energia: basti pensare che l’ATP ne trasporta solo 7,3

kcal/mole. Il NAD deriva dalla vitamina B, o niacina, che è sintetizzata a sua volta a partire dall’amminoacido

triptofano.

Il FAD Il flavin-adenin-dinucleotide (FAD) è il coenzima tipico delle flavoproteine, una classe di enzimi che catalizza

reazioni redox. Anche il FAD si presenta in una forma ossidata (FAD) ed in una ridotta (FADH2). La forma

ossidata può accettare due atomi di idrogeno e trasformarsi in quella ridotta. Questo coenzima è coinvolto

nelle reazioni cataboliche dell’ossidazione del glucosio e deriva dalla vitamina B2 o riboflavina, presente nel

fegato e nei muscoli.

𝐹𝐴𝐷 + 2𝐻 → 𝐹𝐴𝐷𝐻2

Il catabolismo del glucosio Alcune vie metaboliche sono comuni a tutti gli organismi, in particolare il metabolismo del glucosio ricopre

un ruolo centrale per le piante, gli animali e molti microrganismi eucarioti e procarioti. Questo esoso è ricco

di energia potenziale che viene liberata grazie alla combustione (catabolismo), questo processo avviene nelle

cellule: i legami del glucosio vengono rotti e liberano l’energia che li formavano, questa energia viene

immagazzinata nelle molecole di ATP e può essere trasportata per tutta la cellula.

Questa estrazione di energia dai legami di glucosio (catabolismo del glucosio) avviene tramite tre grandi

processi catabolici:

La glicolisi, via iniziale del catabolismo del glucosio, che lo converte con una serie di reazioni in una

molecola a tre atomi di carbonio, il piruvato. L’energia che si è liberata è accumulata sotto forma di

ATP e NADH. La glicolisi è un processo anaerobico perché non richiede ossigeno: costituisce per alcuni

organi, come il cervello, la sola fonte di energia!

In presenza di ossigeno alla glicolisi segue la respirazione cellulare, che ossida ulteriormente il

piruvato formando acqua e anidride carbonica. Questo processo libera una grande quantità di

energia immagazzinata nell’ATP, per avvenire richiede ossigeno, per tanto è un processo aerobico.

In assenza di ossigeno alla glicolisi segue la fermentazione: un processo anaerobico come la glicolisi,

che consiste nella trasformazione del piruvato in lattato o etanolo. Questo processo libera un’energia

assai minore rispetto la respirazione cellulare.

La glicolisi La glicolisi si svolge nel citoplasma di tutte le cellule e comprende dieci reazioni, ognuna catalizzata da uno

specifico enzima. Durante le reazioni della glicolisi si verifica l’ossidazione incompleta della molecola di

glucosio con formazione di due molecole di piruvato e liberazione di energia chimica: l’energia liberata è

impiegata per la sintesi di ATP e per la riduzione di NAD+.

Le dieci tappe del processo si possono raggruppare in due grandi fasi di cinque ciascuna:

La fase endoergonica, in cui il glucosio (6 atomi di C) viene scisso tramite una serie di reazioni in due

molecole a 3 atomi di C. Questa fase è detta endoergonica perché è necessario fornire energia, sotto

forma di due molecole di ATP, per avviarla. Ogni ATP fornisce al glucosio un gruppo fosfato (processo

che prende nome di fosforilazione) che rende la molecola più instabile e reattiva e le impedisce di

uscire dalla membrana plasmatica della cellula, grazie alla carica negativa.

La fase esoergonica in cui le due molecole di gliceraldeide 3-fosfato (G3P, una ottenuta come

isomero: diidrossiacetone fosfato), vengono trasformate in piruvato sciogliendone i legami esteri con

il fosfato. I gruppi fosfato vengono accettati da molecole di ATP. Si ottengono alla fine del processo:

2 molecole di piruvato, 4 ATP e 2 NADH. La seconda fase deve essere considerata “doppia” per ogni

tappa in quanto il processo si ripete per ognuna delle due molecole di G3P.

La reazione della glicolisi ha per bilancio:

𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑖𝑜 + 2𝐴𝑇𝑃 + 2𝑁𝐴𝐷+ + 4𝐴𝐷𝑃 + 2𝑃𝑖 → 2 𝑝𝑖𝑟𝑢𝑣𝑎𝑡𝑜 + 2 𝐴𝐷𝑃 + 2𝑁𝐴𝐷𝐻 + 2𝐻+ + 2𝐴𝑇𝑃 + 2𝐻2𝑂

Semplificando i termini comuni, otteniamo

𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑖𝑜 + 2𝑁𝐴𝐷+ + 2𝐴𝐷𝑃 + 2𝑃𝑖 → 2 𝑝𝑖𝑟𝑢𝑣𝑎𝑡𝑜 + 2𝑁𝐴𝐷𝐻 + 2𝐻+ + 2𝐴𝑇𝑃 + 2 𝐻2𝑂

La fermentazione L’obbiettivo della fermentazione è ritrasformare il NADH prodotto nella glicolisi (2NADH) in 2NAD++2H

riossidandolo in assenza di ossigeno (via anaerobica): in assenza di NAD+ infatti il processo di glicolisi si

bloccherebbe e la cellula morirebbe per mancanza di energia! Il substrato che le cellule usano per riossidare

il NADH per via anaerobica è ovviamente il piruvato, prodotto della glicolisi.

La fermentazione lattica In alcune condizioni le cellule non dispongono di ossigeno sufficiente per riossidare il NADH prodotto dalla

glicolisi attraverso la respirazione cellulare, per rigenerare il NAD+ usano allora un processo detto

fermentazione lattica, che riduce il piruvato al lattato per mezzo dell’enzima lattato deidrogenasi.

Il legame centrale del carbonio con l’ossigeno “si apre” per legarsi ai due idrogeni del NADH + H. Questa

fermentazione avviene tipicamente nelle cellule muscolari durante un’attività intensa: il circolo sanguineo

non fornisce abbastanza ossigeno e le cellule non riescono ad ossidare il piruvato e il NADH prodotto dalla

glicolisi. Il muscolo utilizza le riserve di glucosio per produrre ATP: la glicolisi ne produce 2 molecole e il

piruvato viene smaltito in lattato con la fermentazione. Quando i livelli di lattato nel sangue sono alti i tessuti

possono acidificarsi e si avverte lo sforzo: il lattato deve allora essere ritrasformato in glucosio dal fegato.

Questo processo prende nome di ciclo di Cori, dal nome degli studiosi che chiarirono questa via metabolica

e la sua funzione. La fermentazione lattica è impiegata anche da batteri come Lactobacillus casei, che si trova

nell’intestino umano ma usato anche per produrre lo yogurt.

La fermentazione alcolica Il lievito e altri microorganismi riossidano il NADH in NAD+ attraverso un processo chiamato fermentazione

alcolica. È suddiviso in due fasi: la prima il piruvato è decarbossilato, perde cioè un carbonio che viene

trasformato in CO2, grazie all’enzima piruvato decarbossilasi e trasformato in acetaldeide; la seconda fase

avviene con l’alcol deidrogenasi e prevede l’ossidazione del NADH + H in NAD+ e trasformando l’acetaldeide

in etanolo.

La respirazione cellulare Per tutti gli organismi che non svolgono la fermentazione la glicolisi è solo la prima fase dell’ossidazione del

glucosio. In presenza di ossigeno il piruvato prodotto dalla glicolisi viene ulteriormente ossidato a H2O e CO2;

questa fase aerobica costituisce la respirazione cellulare.

La respirazione cellulare avviene nei mitocondri, organuli avvolti da una doppia membrana:

la membrana mitocondriale esterna, liscia e permeabile, a piccole molecole e a ioni, grazie a canali

transmembrana formati da proteine chiamate porine;

la membrana mitocondriale interna, estesa e ripiegata a formare le creste, impermeabile alle

molecole di piccole dimensioni e agli ioni.

Grazie alla presenza di due membrane i mitocondri risultano divisi in due compartimenti: lo spazio

intermembrana, posto tra la membrana esterna e quella interna, e la matrice mitocondriale, delimitata dalla

membrana interna.

La respirazione cellulare comprende tre vie metaboliche che avvengono in sequenza:

1. la decarbossilazione ossidativa del piruvato, nella matrice mitocondriale ossida il piruvato a gruppo

acetile;

2. il ciclo di Krebs, serie ciclica di reazioni che ossidano il gruppo acetile a CO2, anche questa nella

matrice mitocondriale;

3. la fosforilazione ossidativa, che riossida i coenzimi ridotti NADH e FADH2 liberando elettroni e

protoni, i primi sono trasferiti all’ossigeno tramite una catena di trasporto o catena respiratoria,

lungo il processo l’energia liberata è accumulata sotto forma di ATP.

La decarbossilazione del piruvato Prima di entrare nel Ciclo di Krebs il piruvato deve essere trasformato in acetil-CoA, nei procarioti questa

conversione avviene nel citoplasma, mentre negli eucarioti il piruvato deve entrare nella matrice

mitocondriale grazie ad una proteina di trasporto. La reazione, catalizzata dalla piruvato deidrogenasi,

comprende due eventi:

1. la decarbossilazione e l’ossidazione del piruvato (3 atomi di C) ad acetile (2 atomi di C) con liberazione

di una molecola di CO2 e la riduzione di una molecola di NAD+ a NADH.

2. La formazione di un legame tra il gruppo acetile e il coenzima A (CoA) per produrre acetil-CoA.

Complessivamente, quindi, per ogni molecola di glucosio si otterranno due CO2, due acetil-CoA e due NADH.

Per il suo ruolo centrale nel collegamento tra la glicolisi e la respirazione cellulare, la piruvato deidrogenasi

costituisce un enzima chiave del nostro metabolismo e le sue alterazioni risultano essere molto pericolose.

Il Ciclo di Krebs Il ciclo di Krebs o ciclo dell’acido citrico è una via metabolica costituita da otto reazioni, ciascuna catalizzata

da uno specifico enzima. Il ciclo inizia con il legame del gruppo acetile dell’acetil-CoA (2 atomi di C)

all’ossalacetato (4 C), per formare il citrato (6 C), questa reazione costruttiva (anabolica) necessita di energia

per essere attivata e si ricava dal legame con il CoA che viene perso. Il citrato diventa isocitrato (sempre 6 C)

grazie ad un enzima isomerasi, e l’isocitrato viene decarbossilato (CO2 + NADH + H+) per formare l’α-

chetoglutrato (5C). Quest’ultimo è ancora decarbossilato, diventa succinil-CoA (il CoA è uno dei coenzimi

utilizzati, ma lo perde), e quindi succinato. Il succinato è ossidato (FADH2) in fumerato, che con l’acqua

reagisce in malato, che è di nuovo ossidato (NADH + H+) per ottenere l’ossalacetato.

L’energia impiegata nel Ciclo di Krebs è impiegata per la riduzione di tre molecole di NAD+ e di una di FAD,

oltre che per la sintesi di una molecola di ATP. Questi risultati, se considerati per ogni molecola di glucosio

avviata alla glicolisi, devono essere raddoppiati: al ciclo di Krebs giungono due acetil-CoA, uno per ogni

piruvato decarbossilato. Nel complesso le reazioni del ciclo di Krebs portano all’ossidazione completa dei

due atomi di carboni del gruppo acetile.

2 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑖𝑙𝐶𝑜𝐴 + 6𝑁𝐴𝐷+ + 2𝐹𝐴𝐷 + 2𝐴𝐷𝑃 + 2𝑃𝑖 + 4𝐻2𝑂

→ 4𝐶𝑂2 + 6𝑁𝐴𝐷𝐻 + 6𝐻+ + 2𝐹𝐴𝐷𝐻2 + 2𝐴𝑇𝑃 + 2𝐶𝑜𝐴

La fosforilazione ossidativa L’ossidazione del glucosio, del piruvato e del gruppo acetile producono molte molecole di NADH e FADH2:

queste molecole contengono un’elevata quantità di energia che viene usata nella fosforilazione ossidativa

per sintetizzare ATP.

Tale processo ha inizio con l’ingresso nella catena respiratoria mitocondriale, che si trova nella membrana

interna del mitocondrio, degli elettroni che si trovano nei coenzimi NAD e FAD (sotto forma di H). NADH e

FADH2 passano attraverso una serie di trasportatori di elettroni fino ad arrivare all’ossigeno con cui formano

una molecola d’acqua. Durante questo percorso gli elettroni prendono parte ad una serie di reazioni redox

rilasciando gradualmente la loro energia.

I trasportatori di energia hanno natura diversa, le flavoproteine, l’ubichinone o coenzima Q (ponte tra i

complessi), i citocromi (proteine), e le proteine ferro-zolfo; e sono organizzati in quattro grandi complessi

proteici di membrana distinti in:

Complesso I, NADH deidrogenasi che si occupa di trasferire due elettroni del NADH all’ubichinone, e

quattro protoni dalla matrice allo spazio intermembrana

Complesso II, succinato deidrogenasi trasferisce elettroni dal FADH2 all’ubichinone.

Complesso III, o ubichinone-citocromo c ossidoreduttasi

Complesso IV, o citocromo c ossidasi che trasferisce quattro elettroni dal citocromo C ad una mezza

mole di molecola di ossigeno per formare l’acqua, secondo la reazione:

𝑂2 + 4𝑒− + 4𝐻+ → 2𝐻2𝑂

La chemiosmosi Il trasferimento di elettroni lungo la catena respiratoria è accompagnato da un trasferimento di protoni dalla

matrice verso lo spazio intermembrana, questo provoca uno scompenso chimico, per l’alta concentrazione

di H+ nello spazio intermembrana a differenza di quanto presente nella matrice, e elettrico per la differenza

di cariche.

Questo scompenso, o gradiente, elettrochimico costituisce una fonte di energia potenziale detta forza

proton-motrice. Poiché la membrana interna è impermeabile ai protoni per attraversarla devono passare

attraverso un complesso proteico chiamato ATP sintasi che: canalizza i protoni permettendo di diffondersi di

nuovo nella matrice e utilizza l’energia di questa diffusione per formare ATP a partire da ADP e Pi.

L’accoppiamento tra la forza proton-motrice e la sintesi dell’ATP è detto chemiosmosi e avviene in tutte le

cellule che respirano. La reazione che produce ATP è

𝐴𝑇𝑃 ⇋ 𝐴𝐷𝑃 + 𝑃𝑖 + 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑙𝑖𝑏𝑒𝑟𝑎

Bilancio energetico Bilancio glicolisi e fermentazione: 𝐶6𝐻12𝑂6 → 2 𝑙𝑎𝑡𝑡𝑎𝑡𝑜 (𝑜 2 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙𝑜 + 2𝐶𝑂2) + 2𝐴𝑇𝑃

Bilancio glicolisi e respirazione cellulare: 𝐶6𝐻12𝑂6 + 6𝑂2 → 6𝐶𝑂2 + 6𝐻2𝑂 + 32𝐴𝑇𝑃

Realizzato da Paolo Franchi, 5°BC A.S. 2015/2016 il 02/05/2016. AMDG