Il metabolismo energetico

IL METABOLISMO

Il metabolismo cellulare può comprendere sia reazioni anaboliche (ovvero reazioni di costruzioni, in cui è necessario un dispendio di energia) sia reazioni cataboliche (ovvero reazioni di demolizione, dove si libera energia).

Le reazioni metaboliche sono catalizzate da diversi enzimi e svolgono compiti differenti; in particolare, il metabolismo energetico ha il compito di estrarre dall’ambiente energia ricavandola da sostanze nutritive, nel caso degli animale, oppure convertendo la luce solare in energia chimica, nel caso delle piante.

LE VIE METABOLICHE

Il metabolismo energetico non consiste in una singola reazione, ma in una serie di reazioni che procedono gradualmente attraverso una serie di tappe.

In ogni tappa si forma uno specifico prodotto intermedio che verrà utilizzato come reagente nella reazione successiva, fino a quando non si otterrà un prodotto finale. La sequenza di queste reazioni costituisce una via metabolica.

Le vie metaboliche seguono alcuni principi comuni:

• sono simili in tutti gli organismi

• ogni reazione è catalizzata da uno specifico enzima

• negli eucarioti le singole reazioni avvengono all’interno di un particolare organulo

• sono regolate da enzimi chiave che determinano la velocità a cui procedono le reazioni

Le vie metaboliche non comprendono un numero sempre uguale di reazioni e non procedono sempre in modo lineare.

IL METABOLISMO DEL GLUCOSIO

Le cellule animali ricavano energia dalla demolizione di sostanze nutritive. La sostanza nutritiva più comune è il GLUCOSIO (C6 H12 O6).

L’energia può essere fornita anche da altre sostanze nutritive, quali i grassi e le proteine, queste però per liberare energia devono prima essere demolite in glucosio o prodotti intermedi presenti nelle vie metaboliche.

Il glucosio è una molecola che ha un elevato contenuto energetico; questa energia viene utilizzata per costruire molecole di ATP.

I processi metabolici più importanti per lo sfruttamento dell’energia del glucosio sono la glicolisi, la fermentazione e la respirazione cellulare.

LE REAZIONI REDOX

Molte reazioni del metabolismo del glucosio hanno una caratteristica in comune: sono reazioni di ossoriduzione, dette anche reazioni redox.

Dove per riduzione si intende l’acquisto di uno o più elettroni, mentre per ossidazione si intende la perdita di uno o più elettroni.

Diciamo quindi che una sostanza si riduce quando acquista uno o più elettroni, mentre una sostanza si ossida quando perde uno o più elettroni.

In una reazione abbiamo quindi sempre un agente ossidante e un agente riducente.

Nel metabolismo del glucosio, il glucosio funge da agente riducente e l’ossigeno da agente ossidante.

Ogni reazione redox comporta un trasferimento di energia.

IL COENZIMA NAD E FAD

I coenzimi sono delle piccole molecole che favoriscono le reazioni enzimatiche.

Nelle reazioni redox ad esempio il coenzima NAD ( nicotinammide adenin dinucleotide) agisce da trasportatore di elettroni.

Esso si presenta in due forme:

• NAD+: forma ossidata

• NADH + H+: forma ridotta

Oltre al NAD, anche il FAD (flavin adenin dinucleotide) trasferisce elettroni durante il metabolismo del glucosio.

LA GLICOLISI

La glicolisi è un processo di parziale ossidazione del glucosio che avviene nel citoplasma delle cellule. Durante questo processo, una molecola di glucosio viene scissa e ossidata in due molecole di PIRUVATO e una piccola quantità di energia. Tale processo avviene in 10 tappe, ciascuna delle quali è catalizzata da uno specifico enzima.

Queste tappe possono essere a loro volta suddivise in due fasi:

• PRIMA FASE (tappe 1-5) → avvengono una serie di reazioni endoergoniche, in quanto la cellula spende energia per avviare la glicolisi. Infatti per prima cosa vengono idrolizzate due molecole di ATP e vengono aggiunti due gruppi fosfato nella molecola di zucchero. Successivamente la molecola di glucosio dopo una serie di reazioni che portano alla formazione di prodotti, definiti prodotti intermedi, si trasforma in una molecola di diidrossiacetone fosfato (DAP), che poi si isomerizza in due molecole di gliceraldeide 3-fosfato (G3P, uno zucchero- fosfato a 3 atomi di carbonio). Alla fine della prima fase la cellula ha consumato due ATP e ha ottenuto 2 molecole di G3P.

• SECONDA FASE (tappe 6-10) → avvengono una serie di reazioni esoergoniche, infatti qui le due molecole di gliceraldeide 3-fosfato vengono ossidate e trasformate in due molecole di PIRUVATO, con liberazione di energia. Tale energia viene utilizzata per produrre 4 molecole di ATP e per ridurre 2 molecole di NAD+ a NADH + H+.
  La reazione che trasferisce i gruppi fosfato dai prodotti intermedi della glicolisi all’ADP prende il nome di FOSFORILAZIONE A LIVELLO DEL SUBSTRATO; dove per fosforilazione si intende l’aggiunta di un gruppo fosfato a una molecola.

La glicolisi produce quindi un guadagno netto di 2 molecole di ATP, 2 molecole di piruvato e 2 molecole di NADH + H+.

LA FERMENTAZIONE

In assenza di ossigeno, la glicolisi continua con la FERMENTAZIONE.

Questo processo avviene sempre nel citoplasma della cellula e serve a ossidare il NADH + H+ rigenerando NAH+ .

La resa energetica è minima, il guadagno consiste in solo 2 massimo 3 molecole di ATP, non è quindi un processo vantaggioso dal punto di vista energetico.

La fermentazione può essere:

• LATTICA → utilizzata da molti procarioti (es. batteri) ma può avvenire anche nelle cellule muscolari umane, specialmente durante un’attività fisica molto intensa e prolungata. La contrazione muscolare richiede una grande quantità di energia, che viene fornita dall’ATP; generalmente prodotta attraverso la respirazione cellulare. Quando però la quantità di energia necessaria supera la quantità di ossigeno che il flusso sanguigno riesce a portare alla cellula, per permettere ai tessuti muscolari di continuare a funzionare anche in condizioni anaerobiche, le cellule muscolari passano alla fermentazione lattica. Si forma così l’acido lattico, tuttavia se questo viene prodotto più di quanto la circolazione sanguigna non riesca a smaltire, l’acido lattico si accumula nelle fibre muscolari dove ionizza formando ioni H+ e alterando il valore del pH. Tutto ciò riduce le attività cellulari e provoca crampi.

• ALCOLICA → si verifica in certi lieviti e in alcune cellule vegetali. Qui il piruvato perde una molecola di anidride carbonica dando origine al composto acetaldeide, che si riduce in alcol etilico (etanolo).

LA RESPIRAZIONE CELLULARE

In presenza di ossigeno la completa ossidazione del glucosio si raggiunge attraverso il processo della RESPIRAZIONE CELLULARE.

Negli eucarioti, la respirazione cellulare avviene nei mitocondri e comprende tre vie metaboliche: l’ossidazione del piruvato, il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa.

L’OSSIDAZIONE DEL PIRUVATO

Il passaggio tra la glicolisi e le altre reazioni della respirazione cellulare consiste nell’ossidazione del piruvato ad ACETILE (molecola a due atomi di carbonio). Questa poi si lega con un particolare coenzima, derivato da una vitamina del gruppo B, il COENZIMA A, formando l’ acetil Co-A. Questo processo ha inizio quando una proteina di trasporto fa entrare il piruvato nei mitocondri, e avviene attraverso una serie di reazioni catalizzate dalla PIRUVATO DEIDROGENASI.

Possiamo individuare 3 eventi fondamentali:

1. piruvato si ossida ad acetato con liberazione di una molecola di anidride carbonica;

2. parte dell’energia derivata dall’ossidazione è usata per ridurre NAD + a NADH + H+;

3. parte dell’energia viene momentaneamente immagazzinata nell’acetil -CoA.

IL CICLO DI KREBS

L’acetil Co-A rappresenta il “carburante”, il punto di partenza del ciclo di Krebs, un processo che si svolge in otto tappe.

Queste otto tappe sono catalizzate da specifici enzimi e portano all’ossidazione completa dei due atomi di carbonio del gruppo acetile a due molecole di anidride carbonica.

L’energia liberata da queste reazioni viene utilizzata per costruire ATP e produrre NAD e FAD ridotti.

Gli eventi principali sono:

1. il ciclo inizia con il legame che si forma tra il gruppo acetile dell’acetil -CoA e l’ossalacetato, ottenendo così il citrato o acido citrico (ecco perchè il ciclo di Krebs è anche detto ciclo dell’acido citrico)

2. il citrato si isomerizza in isocitrato→ questo viene ossidato ad α - chetoglutarato producendo NADH + H+ e CO2 → α - chetoglutarato viene ossidato a succinil- CoA con la formazione di NADH + H+ e CO2 → succinil-CoA rilascia il coenzima A diventando succinile e tale energia viene utilizzata per convertire GDP a GTP che a sua volta converte ADP in ATP → succinato viene ossidato a fumarato con la formazione di FADH2 → fumarato reagisce con acqua e forma malato → malato viene ossidato a ossalacetato con formazione di NADH + H+ e da qui riparte il ciclo.

3. Per ogni molecola di glucosio il ciclo si ripete due volte.

4. In totale si producono 4 molecole di CO2, 2 di ATP, 6 di NADH + H+ e 2 di FADH2.

LA FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

Durante il processo che prende il nome di fosforilazione ossidativa tutta l’energia contenuta nel NADH e nel FADH2 (prodotti in grandi quantità nell’ossidazione del piruvato e nel ciclo dell’acido citrico) viene utilizzata per sintetizzare ATP.

Durante questo processo che ha luogo nella matrice mitocondriale (spazio interno della membrana mitocondriale interna) il NADH e il FADH2 si ossidano cedendo elettroni e idrogeno all’ossigeno, che si riduce ad acqua. Questo passaggio non avviene direttamente, ma attraverso una CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI (detta anche catena respiratoria) grazie ad una serie di trasportatori di elettroni. Tali trasportatori di elettroni sono contenuti all’interno di quattro grossi COMPLESSI PROTEICI. Ciascun complesso contiene centri redox in grado di accettare e cedere elettroni.

I centri redox sono in genere molecole che contengono atomi di ferro, come i citocromi. Vi è un altro coenzima che prende parte a tali reazioni, il coenzima Q o ubichinone.

La catena respiratoria è paragonabile a un processo a cascata.

L'attività della catena di trasporto di elettroni produce un trasporto attivo di protoni (H+) contro il loro gradiente di concentrazione dalla matrice mitocondriale verso lo spazio intermembrana. Ciò avviene perché i trasportatori di elettroni contenuti nei complessi I, III e IV sono disposti in modo tale che i protoni vengono prelevati su un lato della membrana e trasportati sul lato opposto, nello spazio intermembrana. I complessi proteici quindi, sono POMPE PROTONICHE. Questa pompa genera non soltanto una differenza di concentrazione sui due lati della membrana mitocondriale interna, ma anche una differenza di carica elettrica, rendendo la matrice mitocondriale più negativa dello spazio intermembrana. Il gradiente di concentrazione e la differenza di carica costituiscono una fonte di energia potenziale chiamata forza PROTONOMOTRICE che tende a spingere i protoni indietro verso la matrice mitocondriale. La trasformazione della forza protonomotrice in energia cinetica è impedita dal fatto che i protoni non possono diffondere attraverso la membrana mitocondriale interna, impermeabile agli ioni. Essi quindi devono attraversare uno specifico trasportatore, detto ATP SINTETASI, che impiega la forza protonomotrice per sintetizzare ATP.

Tutto questo è spiegato dal premio Nobel Peter Mitchell grazie alla TEORIA CHEMIOSMOSI.

I COLLEGAMENTI TRA LE VIE METABOLICHE

La glicolisi e la respirazione cellulare sono strettamente collegate con il resto del metabolismo. Esiste un interscambio, una circolazione biochimiche che scorre dentro e fuori queste vie.

Qui entrano gli scheletri carboniosi derivati da varie molecole e ne escono altri per formare le principali componenti macromolecolari della cellula.

Il nostro cibo contiene tre fonti principali di scheletri carboniosi:

• Carboidrati → vengono scissi in polisaccaridi. Questi ultimi vengono idrolizzati a glucosio, che andrà poi incontro alla glicolisi.

• Lipidi (trigliceridi) → scissi in glicerolo dal quale si ricava il diidrossiacetone fosfato (DAP), e in acidi grassi dai quali si ricava l’acetil Co-A

• Proteine → idrolizzate negli amminoacidi, che entrano poi in vari punti della glicolisi o del ciclo di Krebs (es. amminoacido glutammato che si trasforma in α - chetoglutarato, un prodotto intermedio del ciclo di Krebs).