Respirazione cellulare

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La respirazione cellulare è un lento processo di combustione nel quale i nutrienti, ridotti dalla digestione a componenti elementari come zuccheri semplici, amminoacidi e acidi grassi, vengono demoliti in molecole ancora più semplici ottenendo energia disponibile alla cellula sotto forma di ATP. È un processo esotermico di ossidoriduzione formato da una catena di reazioni in cui i prodotti di un passaggio sono utilizzati come reagenti per il passo successivo.

Comunemente per respirazione cellulare si intende la respirazione cellulare aerobica,[1][2] che avviene in presenza di ossigeno, utilizzato come accettore di elettroni. Esiste poi una respirazione cellulare anaerobica di cui la forma più importante, comune a procarioti ed eucarioti, è la glicolisi. Si tratta di una via metabolica di origini antichissime[3] che dal glucosio ottiene ATP e piruvato, utilizzato dagli organismi superiori nella fase aerobica.

Il termine “respirazione cellulare” è correlato al noto processo macroscopico della respirazione polmonare, che negli organismi superiori ha la funzione di ottenere l'ossigeno necessario al processo cellulare ed eliminare l'anidride carbonica, ottenuta come prodotto di scarto assieme all'acqua.

Il ruolo dell'ATPModifica

L'ATP è la molecola con cui viene temporaneamente immagazzinata l'energia ottenuta dalla respirazione cellulare. Può essere considerata la "moneta energetica di scambio" dell'organismo, per la sua posizione intermedia tra i composti donatori/accettori di gruppi fosfato. La reazione ADP->ATP e la reazione opposta ATP->ADP avvengono continuamente nei diversi ambienti cellulari; la seconda libera 30 kJ per mole. Perlopiù l'ATP, altamente instabile, agisce da coenzima cedendo un gruppo fosfato.

I mitocondriModifica

Organulo fondamentale, sede di buona parte del processo è il mitocondrio. Tra le sue diverse funzioni, la più importante è infatti la produzione di energia, ottenuta a partire dai coenzini prodotti dalla glicolisi e dal ciclo di Krebs. La creazione di un gradiente protonico permette la fosforilazione ossidativa tramite L 'ATP sintasi.

I tipi di substrato che permettono la maggior resa energetica sono gli acidi grassi, che attraverso vie come la beta ossidazione, in gran parte sempre nei mitocondri, vengono trasformati in molecole di acetil-coenzima A che entra nella fase successiva comune del ciclo di Krebs. Il substrato fondamentale della respirazione cellulare resta comunque il glucosio, che in alcuni tessuti, come quello nervoso, è l'unico substrato energetico utilizzabile.

Fasi della respirazione cellulareModifica

La glicolisiModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Glicolisi.

Si tratta di una via metabolica citoplasmatica che vede la riduzione di NAD+ a NADH (coenzima che funge da trasportatore di elettroni) e la produzione di piruvato e ATP, partendo da una molecola di glucosio, secondo l'equazione:

C6H12O6 + 2 ATP + 4 ADP + 4 Pi + 2 NAD+ 2 piruvato + 4 ATP + 2 H2O + 2 H+ + 2 NADH(CO) + 2 ADP + 2 Pii

Come si nota, vengono usate 2 molecole di ATP (nella prima fase) e prodotte 4 molecole di ATP (nella seconda fase). Il coenzima NAD+ viene ridotto formando NADH + H+, il tutto moltiplicato per due. Il glucosio (composto a 6 atomi di C) viene diviso in due molecole di acido piruvico (da 3 atomi di C ciascuna).

 
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Negli organismi anaerobici, quali i lieviti fermentanti, la glicolisi è la sola via metabolica per produrre ATP. Negli organismi superiori può diventare temporaneamente la sorgente più importante di energia in tessuti in grado di funzionare in condizioni di anaerobia, come quello muscolare. Il rendimento ottenuto è basso e il piruvato viene smaltito trasformandolo in altri composti, come l'etanolo nella fermentazione alcolica o il lattato, senza ulteriori guadagni energetici. Tramite reazioni che richiedono l'apporto di energia può anche venire ritrasformato in glucosio (gluconeogenesi) o utilizzato dall'alanina transaminasi per produrre alanina.

Decarbossilazione ossidativa del piruvatoModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Decarbossilazione ossidativa del piruvato.

È un passaggio intermedio nel quale la molecola di piruvato, a 3 atomi di carbonio, viene trasportata all'interno del mitocondrio, utilizzando un trasportatore specifico, il carrier del piruvato, una proteina integrale della membrana mitocondriale interna. Questo passaggio avviene tramite scambiatori antiporto Piruvato/OH- o piruvato/H+, senza consumo di energia. Grazie alla piruvato deidrogenasi viene decarbossilato, trasformato in "gruppo acetile" (molecola con soli 2 atomi di carbonio), e legato al co-enzima A (CoA) a formare l'acetil-coenzima A, punto d'ingresso nel ciclo di Krebs. Questa reazione rilascia come scarto CO2 e produce NADH.

Ciclo di KrebsModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Ciclo di Krebs.

Nel ciclo di Krebs (detto anche "ciclo dell'acido citrico" o "degli acidi tricarbossilici") l'acetil-CoA subisce una serie di reazioni di ossidazione fino alla formazione di molecole di CO2 ed alla riduzione dei composti NAD+/p e FAD rispettivamente in NADH + H+ e FADH2. Tale processo di fondamentale importanza, che oltre a produrre energia fornisce anche composti intermedi importanti per l'anabolismo, avviene all'interno dei mitocondri negli eucarioti e nel citosol nei procarioti.

Il nome stesso chiarisce la natura ciclica di questa catena di reazioni: il prodotto del primo passaggio, il citrato, viene ottenuto a partire da quello dell'ultima reazione del ciclo, l'ossalacetato.

Fosforilazione ossidativaModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Fosforilazione ossidativa.
 
La catena mitocondriale di trasporto degli elettroni.

La fosforilazione ossidativa è l'ultimo passaggio della respirazione cellulare. Avviene sempre grazie a complessi enzimatici intramembrana (Citocromi): talvolta su quella plasmatica (nel caso dei procarioti), talvolta sulle "creste mitocondriali (introflessioni della membrana mitocondriale interna).

È composta da due parti:

catena di trasporto degli elettroni 
gli elettroni trasportati da NADH e FADH2 vengono scambiati dalla catena enzimatica transmembrana, che provvede a sfruttare questo movimento per generare un gradiente protonico transmembrana, riducendo l'ossigeno ad acqua
sintesi di ATP 
tramite fosforilazione di ADP da parte dell'enzima ATP sintasi con catalisi rotazionale che sfrutta il gradiente creato in precedenza.

Rendimento e produzione di ATPModifica

La produzione teorica totale dell'intera catena di reazioni sarebbe di 38 molecole di ATP per ciascuna molecola di glucosio ossidata. Tuttavia vanno considerate delle perdite inevitabili. La resa effettiva del processo è quindi di 30-32 molecole di ATP per molecola di glucosio, in condizioni ottimali.[4]

Un importante contributo negativo è quello del trasporto attivo di piruvato, fosfato e ADP nei mitocondri, che avviene a spese del gradiente protonico elettrochimico transmembrana.

  • Il piruvato ha un carrier specifico a basso peso molecolare, non ancora del tutto identificato[5]
  • Il trasportatore del gruppo fosfato (SLC25A3) si occupa dell'antiporto degli ioni H2PO4-; Pi e OH o del simporto di ione fosfato e protoni (H+) nella membrana interna. Ciò che guida lo scambio è sempre la forza protonmotrice, energia potenziale derivante dal gradiente elettrochimico.
  • L'antiporto di una molecola di ATP dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana e di una molecola di ADP da esso alla matrice mitocondriale è mediato dalla ATP-ADP traslocasi. L'ATP ha una carica negativa in più dell'ADP, pertanto il trasporto avviene ancora una volta a spese del gradiente di protoni.

Tutti questi processi di trasporto richiedono più di 3 H+ per ogni molecola di ATP prodotta. Inoltre l'impermeabilità della membrana mitocondriale interna ai protoni non è comunque totale.[6] Ci sono anche altri fattori che possono dissipare il gradiente di protoni, ad esempio in alcuni tipi di cellula viene espressa la termogenina, che genera calore a spese del potenziale energetico del gradiente.

La tabella seguente descrive le reazioni coinvolte quando una molecola di glucosio è completamente ossidata ad anidride carbonica. Si assume che tutti i coenzimi ridotti vengano ossidati dalla catena di trasporto degli elettroni ed usati nella fosforilazione ossidativa.

Passo Guadagno in coenzimi Guadagno in ATP Sorgente di ATP
Glicolisi - fase di investimento −2 La fosforilazione del glucosio e l'ottenimento del fruttosio 6-fosfato utilizzano 2 ATP dal citoplasma.
Glicolisi - fase di rendimento 4 o 2 Fosforilazione a livello del substrato
2 NADH 6 Fosforilazione ossidativa - ciascun NADH produce 3 ATP grazie al trasporto transmembrana
Decarbossilazione ossidativa del piruvato 2 NADH 6 Fosforilazione ossidativa
Ciclo di Krebs 2 Fosforilazione a livello del substrato
6 NADH 18 Fosforilazione ossidativa
2 FADH2 4 Fosforilazione ossidativa
Guadagno totale 36 o 38 Dalle ossidazioni complete di una molecola di glucosio ad anidride carbonica e di tutti i coenzimi ridotti.

Bisogna in ogni caso ricordare che il guadagno totale teorico massimo è di 38ATP (ogni NADH produce 3ATP, ogni FADH2 produce 2ATP), ma il guadagno netto reale è di 32ATP (ogni NADH produce 2,5 ATP e ogni FADH2 produce 1,5 ATP). Inoltre il guadagno netto può anche essere di 30 molecole di ATP perché, in alcune cellule, il prezzo da pagare per l'accezione degli elettroni e ioni H+ da parte del NADH e FADH2 è di 2 molecole di ATP.

NoteModifica

  1. ^ Respirazione cellulare, su Enciclopedia Treccani online. URL consultato il 6 aprile 2013.
  2. ^ Stefano Bertocchi, I test ufficiali di medicina 2004-2009, Alpha Test, 2010, 130, ISBN 978-88-483-1179-3.
  3. ^ (EN) RS. Ronimus, HW. Morgan, Distribution and phylogenies of enzymes of the Embden-Meyerhof-Parnas pathway from archaea and hyperthermophilic bacteria support a gluconeogenic origin of metabolism., in Archaea, vol. 1, n. 3, ottobre 2003, pp. 199-221, PMID 15803666.
  4. ^ Maria Nicola Gadaleta, Ossidazione del piruvato - Ciclo di Krebs (PDF), Università di Bari. URL consultato il 10 novembre 2013 (archiviato dall'url originale il 10 novembre 2013).
  5. ^ John C. Schell, Jared Rutter, The long and winding road to the mitochondrial pyruvate carrier, in Cancer & Metabolism, vol. 1, n. 1, gennaio 2013, ISSN 2049-3002 (WC · ACNP).
  6. ^ PMID 7654171

BibliografiaModifica

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