Respirazione cellulare

La respirazione cellulare aerobica consiste nella completa ossidazione del glucosio, trasformato in acido piruvico alla fine della glicolisi, in CO₂ e H₂O con un ricavo di energia molto superiore rispetto alla glicolisi.
Nei Batteri il processo si verifica nella membrana plasmatica mentre negli Eucarioti avviene nei mitocondri.

L'acido piruvico (3C) è una molecola ancora ricca di energia ed è il punto di partenza della respirazione. Esso deriva, non solo dalla glicolisi, ma anche dalla degradazione di acidi grassi e amminoacidi.

Per comodità didattica dividiamo la respirazione in 4 fasi:

0. Glicolisi;
1. Sintesi di acetil-CoA;
2. Ciclo di Krebs;
3. Catena di trasporto degli elettroni (o catena respiratoria);
4. Fosforilazione ossidativa.

Sintesi di acetil-CoA

L'acido piruvico (3C) formatosi in precedenza, prima di entrare nel ciclo di Krebs all'interno del mitocondrio, subisce una serie di trasformazioni con l'intervento del complesso enzimatico piruvato deidrogenasi:

• perde una molecola di CO₂: decarbossilazione, reazione irreversibile che porta alla respirazione aerobica,
• si distacca uno ione H⁺,
• lo ione H⁺ è catturato dal NAD⁺ e forma una molecola di NADH,
• il gruppo acetile rimasto, si unisce al coenzima A, composto che possiede un gruppo solfidrico -SH, per formare acetil~CoA (2C); il simbolo ~ indica che il legame tra il carbonio e lo zolfo è altamente energetico.

Il tutto avviene per ciascuna molecola di acido piruvico.

Ciclo di Krebs

L'acetil-CoA (2C), prodotto sia dopo la glicolisi che da lipidi e proteine, è trasportato da una proteina di membrana all'interno del mitocondrio dove entra nel ciclo di Krebs, o ciclo dell'acido citrico, una serie ciclica di reazioni che ha lo scopo di ossidare gli ultimi due atomi di carbonio rimasti in 2CO₂, con liberazione di una molecola di ATP e il trasferimento di 8H⁺ e 8e^- nei trasportatori, con formazione di 3NADH + 3H⁺ e un FADH₂ per ogni giro.
L'anidride carbonica prodotta è espulsa dalla cellula e poi dall'organismo con l'apparato proprio di ciascuna specie.

Questa è la reazione complessiva, che va contata due volte dove, a ogni ciclo, entra una molecola di acetil-CoA che è ossidato a CO₂ e H₂O.

Esaminiamo ora le tappe, ribadendo che per ciascuna sono richiesti specifici enzimi.

Il ciclo comincia con un composto a 4C, l'acido ossalacetico, che unisce l'acetile proveniente dalla glicolisi - dopo essersi separato dal CoA grazie all'intervento di una molecola di H₂O - per formare l'acido citrico a 6C.
Dopo un rimodellamento in acido isocitrico (6C), si ha la liberazione di una molecola di CO₂ e la formazione del primo NADH + H⁺ e un composto a 5C, l'acido a-chetoglutarico.
Nel passaggio successivo avviene la liberazione della seconda e ultima molecola di CO₂ e la formazione del secondo NADH + H⁺.
Con l'intervento di una molecola di H₂O, e con l'aggiunta di un CoA, abbiamo il succinil-CoA, composto a 4C.
Questo perde subito CoA e libera energia che consente la formazione di una molecola di ATP. In realtà, si forma prima il GTP, poi convertito in ATP. Ora abbiamo ancora un composto a 4C, l'acido succinico.
La tappa seguente porta all'acido fumarico (4C) dopo aver ceduto una coppia di elettroni e di H⁺ per formare una molecola di FADH₂.
L'aggiunta della terza molecola di H₂O produce l'acido malico (4C) che, dopo la formazione del terzo NADH + H⁺, chiude il ciclo con la rigenerazione dell'acido ossalacetico.

Catena respiratoria

La catena respiratoria, o catena di trasporto degli elettroni è il punto di arrivo degli ioni H⁺ ed elettroni trasportati dal NADH e FADH2, prodotti nelle varie fasi della degradazione del glucosio, degli acidi grassi e amminoacidi.
In questo processo viene rigenerato il NAD⁺ e il FAD e liberata energia e i 10NADH e i 2FADH₂ prodotti nel ciclo di Krebs rilasciano 24e^- e 24H⁺ ai componenti della catena respiratoria.

Le creste mitocondriali contengono moltissime catene di trasporto costituite da:

• 4 complessi proteici a Fe-S aventi un gruppo eme che, ossidandosi e riducendosi (Fe²⁺/Fe³⁺), operano il trasferimento di elettroni;
• il conzima Q (CoQ) o ubichinone, posto nella parte idrofobica della membrana mitocondriale interna;
• una serie di citocromi (b, c₁, c, a, a₃).

Gli elettroni sono ceduti dal NADH al complesso I (NADH deidrogenasi) che contiene flavina mononucleotide FMN e proteine Fe-S - al coenzima Q - (il complesso II riceve gli elettroni dal FADH₂) - al complesso III, con citocromi b e c₁ - al citocromo c, una proteina periferica - e infine al complesso IV, una citocromo-ossidasi (con citocromi a e a₃) che cede gli elettroni all'ossigeno.

Nei diversi passaggi lungo la catena, gli elettroni perdono progressivamente energia che sarà utilizzata per attivare la pompa protonica e per la sintesi di ATP e, insieme agli ioni H⁺, sono catturati dall'ossigeno, introdotto con la respirazione polmonare, per formare H₂O.

Fosforilazione ossidativa

Questa fase si sviluppa in concomitanza con la catena respiratoria con un meccanismo chemiosmotico simile a quello della fotosintesi.

I complessi I, III, e IV non trasferiscono solo elettroni ma, essendo proteine transmembrana, sono in grado di prelevare ioni H⁺ dalla matrice per trasferirli nello spazio tra le due membrane (ad ogni coppia di elettroni sono trasferiti circa 4+4+2 protoni), funzionano cioè da pompa protonica.
L'accumulo di questi ioni genera un potenziale chemiosmotico con differenza di pH e un potenziale elettrico per un eccesso di cariche positive nello spazio intermembrana. Gli ioni tenderebbero a ritornare nella matrice ma, poiché la membrana è impermeabile agli ioni, questi sfruttano un canale ionico, l'ATP-sintasi che trasforma l'energia potenziale di gradiente in lavoro utile a produrre ATP.

Quanto ATP viene prodotto nella respirazione? Lo vediamo riassunto nella sottostante tabella, che somma gli ATP prodotti direttamente e quelli derivanti dalla catena respiratoria, ricordando che per ogni NADH si producono 3ATP (tranne nel NADH proveniente dalla glicolisi che ne produce 2) e ogni FADH₂ libera energia per generare 2ATP. Nei Procarioti i 2NADH della glicolisi generano 6ATP mentre negli Eucarioti si formano solo 4ATP perché 2 sono impiegati per trasferire gli elettroni dal citosol al mitocondrio, sede della catena respiratoria.
L'ATP prodotto passa dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana per trasferirsi, infine, nel citoplasma. Ciò avviene facilmente perché la membrana mitocondriale esterna è permeabile all'ATP.

La resa energetica dell'intero processo di respirazione è quindi molto elevata: 36 ATP contro i 2 prodotti dalla sola glicolisi, corrispondenti a 686 kcal/mole. Quindi si ricava circa il 40% di energia contro il 3% della glicolisi.

Riassumiamo i momenti principali della respirazione seguendo il destino stechiometrico degli atomi di C, H, O, tenendo presente la formula generale della respirazione:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O → 6CO₂ + 12H₂O + 36/38ATP

Si parte dal glucosio che ha 6C.

• Nella glicolisi si divide in due molecole da 3C.
• Nella formazione dell'acetil-CoA si libera un C (x2) nella formazione di una molecola di CO₂ (x2). Rimangono quindi 2C.
• L'acetil-CoA (x2) scinde definitivamente i 2C e si liberano 2CO₂ (x2).

? Il C6 del glucosio si è trasferito in 6CO₂.

Seguiamo ora l'atomo di O: 6 atomi si trovano nel glucosio e 12 nell'ossigeno molecolare e 6 nell'acqua per un totale di 24 atomi.

• 12 finiscono nella CO₂: durante la formazione dell'acetil-CoA (2x2) e nel ciclo di Krebs (4x2).
• Gli altri 12 nell'acqua (12H₂O) durante la catena respiratoria.

Passiamo agli atomi di H, che sono 12 nel glucosio e 12 nell'acqua.
Questi sono progressivamente staccati e trasferiti nei trasportatori fino alla catena respiratoria, dove si uniscono all'ossigeno per formare 12H₂O.