Biochimica dell'Energia Cellulare: Ciclo di Krebs, Fermentazione e Respirazione

Il Ciclo di Krebs: Cuore del Metabolismo Aerobico

Il ciclo di Krebs (o ciclo dell'acido citrico) è il percorso comune in tutte le cellule aerobiche per l'ossidazione completa di carboidrati, grassi e proteine. Può anche essere il punto di partenza di reazioni biosintetiche. Questo perché ci sono metaboliti intermedi che possono lasciare il citosol e agire come precursori anabolici. In questo senso, si dice che il ciclo di Krebs abbia natura anfibolica.

Il processo consiste nell'ossidazione totale dell'acetil-CoA, con rimozione del biossido di carbonio. Gli e-/H+ ottenuti nelle ossidazioni successive sono usati per formare molecole di potere riducente (NADH e FADH2) e energia chimica sotto forma di GTP. Questa energia di formazione è nota come fosforilazione a livello di substrato.

In breve, il ciclo di Krebs avviene così: l'acetil-CoA si unisce all'acido ossalacetico per formare acido citrico, liberando CoA. Successivamente, si produce una serie di reazioni che alla fine rigenerano l'acido ossalacetico. In questa sequenza, le reazioni più importanti sono le decarbossilazioni e le quattro deidrogenazioni (3 con NAD+ e 1 con FAD), che rilasciano energia sotto forma di GTP.

Trasporto di Elettroni e Catena Respiratoria

Il trasporto di elettroni (catena respiratoria) corrisponde alla fase finale della respirazione, quando gli elettroni strappati dalle molecole che vengono ossidate e immagazzinati nel NADH e FADH2 passano attraverso una serie di trasportatori, situati nelle creste mitocondriali, che formano tre complessi enzimatici.

La disposizione dei trasportatori consente agli elettroni di saltare da uno all'altro, rilasciando una certa quantità di energia utilizzata per formare un legame ad alta energia tra ADP e Pi, che si traduce nella formazione di una molecola di ATP. L'accettore finale di elettroni è l'ossigeno molecolare e il risultato sarà la formazione di acqua.

Nella catena respiratoria si osserva che ogni NADH genera 3 ATP e ogni FADH2 genera 2 ATP.

Reazioni di Fermentazione: Vie Anaerobiche

Le reazioni di fermentazione sono processi anaerobici, essenziali per rigenerare il NAD+ consumato nella glicolisi, a partire dal NADH. In queste reazioni redox si produce molta meno ATP rispetto alla respirazione aerobica. L'accettore finale di elettroni/protoni non è l'ossigeno, bensì una semplice molecola organica.

Ci sono due tipi principali di fermentazione:

• Fermentazione Lattica

  Si verifica in molti microrganismi e nelle cellule di organismi superiori in condizioni anaerobiche. Permette di ottenere energia dal lattosio del latte (precedentemente idrolizzato a glucosio) dopo la glicolisi. Il piruvato viene convertito in lattato (es. Lactobacillus bulgaricus). Su questo processo si basano le industrie di formaggio, yogurt, ecc.

• Fermentazione Alcolica

  Avviene in lieviti (es. Saccharomyces cerevisiae) e molti altri anaerobi. Il piruvato viene decarbossilato e produce acetaldeide che, successivamente, viene ridotta a etanolo. L'acetaldeide è l'accettore finale di elettroni.

La Respirazione Aerobica: Produzione Efficiente di Energia

La respirazione aerobica comprende reazioni energetiche che le cellule aerobiche svolgono. L'energia viene ottenuta attraverso il trasferimento di e-/H+ dalle molecole organiche all'ossigeno molecolare. Avviene nei mitocondri degli eucarioti e nel citoplasma e nelle membrane dei procarioti.

Si svolge in tre fasi principali:

• Ossidazione del Piruvato e Formazione di Acetil-CoA

  L'acido piruvico, tramite la piruvato deidrogenasi, NAD+ e CoA, viene decarbossilato e produce acetil-CoA. Questa reazione viene inibita quando la quantità di ATP nella cellula è elevata. Questo perché la sua funzione è quella di fornire combustibile per il ciclo di Krebs. D'altra parte, il NAD+ viene rigenerato quando il NADH ha ceduto i suoi e-/H+ all'ossigeno molecolare nella respirazione aerobica mitocondriale. L'acetil-CoA è il punto di ingresso per la respirazione aerobica. Attraverso di essa, verrà estratta più energia dal glucosio quando completamente ossidato a CO2 e H2O. L'acetil-CoA svolge un ruolo centrale nel metabolismo per due motivi: ha origine dalla degradazione di diverse biomolecole organiche e agisce come precursore per diverse vie biosintetiche.

• Ciclo di Krebs

  In cui i residui acetilici vengono degradati, si forma CO2 e vengono generate molecole di potere riducente ed energia.

• Trasporto di Elettroni (Catena Respiratoria) e Fosforilazione Ossidativa

  Trasporto di H+ ed e- dalle molecole di potere riducente all'ossigeno molecolare. Il flusso di H+ ed e- è accoppiato alla fosforilazione di ADP ad ATP.

Ipotesi Chemiosmotica: Il Meccanismo dell'ATP Sintesi

L'energia rilasciata dall'ipotesi chemiosmotica del trasporto degli elettroni è utilizzata per pompare protoni dalla matrice allo spazio intermembrana (o dallo stroma nei tilacoidi). Il pompaggio dei protoni è effettuato da complessi enzimatici situati nella membrana. Generando così un gradiente elettrochimico di protoni che esercita quella che è conosciuta come forza proton-motrice. Quando i protoni attraversano nuovamente la membrana interna seguendo il gradiente, lo fanno attraverso il complesso dell'ATP sintasi, situato in quelle membrane, dove l'energia proton-motrice viene trasformata in energia chimica sotto forma di ATP.

Catabolismo delle Proteine: Vie di Ossidazione degli Amminoacidi

Il catabolismo delle proteine: Le proteine hanno diverse funzioni energetiche. Si distinguono tre vie di ossidazione degli amminoacidi:

• Transaminazione

  Consiste nel trasferimento del gruppo amminico di un amminoacido a una molecola chiamata alfa-chetoacido, che lo accetta e si trasforma in un altro amminoacido. In questo modo, un amminoacido viene degradato per consentirne la sintesi di un altro.

• Deaminazione Ossidativa

  È la rimozione diretta dei gruppi amminici dagli amminoacidi sotto forma di NH4+, con formazione di alfa-chetoacidi.