La respirazione cellulare (prima parte)
LA LEZIONE
Introduzione
Gli organismi viventi traggono l’energia necessaria ai propri processi vitali da reazioni
di ossidoriduzione, ossia reazioni in cui gli elettroni sono trasferiti da un agente
riducente (donatore di elettroni) a un agente ossidante (accettore di elettroni). Nel
caso degli organismi aerobi la maggior parte di questa energia è ottenuta tramite la
respirazione cellulare (nota anche come respirazione dei tessuti), nella quale il
materiale di partenza (ovvero le molecole organiche derivate dalla degradazione
enzimatica delle sostanze nutritive) è ossidato dall’ossigeno molecolare, che quindi
funziona da accettore finale di elettroni. In questo modo, al termine delle reazioni che
avvengono durante la respirazione cellulare, si hanno il rilascio di acqua e anidride
carbonica e la produzione di molecole di adenosintrifosfato (ATP), che conservano
l’energia contenuta nei legami chimici dei prodotti demoliti.
Meccanismo generale della respirazione cellulare
La respirazione cellulare è costituita da tre fasi principali, che in questo paragrafo
verranno esaminate in modo generale, mentre nei paragrafi successivi più
approfonditamente. Nella prima fase, entro il citoplasma cellulare, avviene la
degradazione delle molecole organiche ottenute dalle sostanze nutritive, fino a
ottenere come prodotto finale, all'interno dei mitocondri, l’acetil-coenzima A
(acetilCoA), costituito da un gruppo acetile legato al coenzima A.
Nella seconda tappa (sempre
interna ai mitocondri), attraverso
una serie di reazioni enzimatiche
note come ciclo degli acidi
tricarbossilici o di Krebs o
dell'acido citrico (fig.1),
l’acetilCoA viene ossidato fino a
ottenere atomi di idrogeno, i quali
si legano a un coenzima (NAD,
nicotinammideadenindinucleotide
in forma ossidata), e anidride
carbonica.
fig.1 Il ciclo degli acidi
tricarbossilici
Nella terza fase, che si svolge sulle membrane interne dei mitocondri, gli atomi di
idrogeno sono trasportati da coenzimi in forma ridotta, sia nicotinici (NADH,
nicotinammideadenindinucleotide) sia flavinici (FADH2, flavinadenindinucleotide).
Il trasporto avviene secondo una sequenza ordinata di reazioni enzimatiche di
ossidoriduzione, che determinano un trasferimento di elettroni grazie all’intervento di
una serie di molecole accettrici, l’ultima delle quali è rappresentata dall’ossigeno
molecolare che viene ridotto ad acqua. Questa sequenza di reazioni è nota come
catena respiratoria o catena di trasporto degli elettroni. Il flusso di elettroni è
associato al rilascio di energia che viene utilizzata per formare molecole di ATP nel
corso di un processo di fosforilazione ossidativa. Una parte dell’energia prodotta
durante i processi di respirazione cellulare è dissipata sotto forma di calore.
Grazie a questo complesso insieme di reazioni, la cellula ottiene in piccoli quantitativi
l'energia necessaria ai processi vitali. In questo modo l'ambiente cellulare (inteso
come pH e temperatura) non subisce alterazioni nel suo equilibrio.
L’ossigeno non agisce direttamente nell’ossidazione dei substrati che si verifica nelle
varie fasi della respirazione cellulare: tali substrati, infatti, sono ossidati in tappe
enzimatiche successive, nelle quali spesso vengono coinvolti enzimi del gruppo delle
deidrogenasi. Un ruolo fondamentale è svolto anche dalle molecole trasportatrici di
elettroni della catena respiratoria, il cui componente finale, l’emoproteina enzimatica
citocromoossidasi, è responsabile della reazione terminale della respirazione cellulare
che provoca la riduzione dell’ossigeno molecolare ad acqua.
Prima fase: produzione dell’acetilCoA
Le molecole che costituiscono il materiale di partenza della respirazione cellulare sono
gli elementi principali dei composti organici, ossia gli aminoacidi (per le proteine), gli
acidi grassi e il glicerolo (per i lipidi), gli esosi e i pentosi (per i carboidrati). Tali
molecole sono convertite in molecole sempre più piccole e semplici, fino ad arrivare a
un composto a due atomi di carbonio, l’acetilCoA, il quale rappresenta la molecola con
la quale può cominciare il ciclo di Krebs. Le vie di reazione coinvolte in questo
processo di conversione sono catalizzate da enzimi e sono specifiche per le diverse
composizioni delle molecole organiche di partenza.
Nel caso degli acidi grassi liberi, si ha un’iniziale attivazione mediante esterificazione
con CoA, che porta alla formazione di tioesteri acilCoA. Questi composti,
opportunamente modificati, possono entrare nel mitocondrio, nella cui matrice avviene
la rimozione ossidativa di unità di acetilCoA dagli acilCoA saturi a lunga catena,
processo noto con il nome di β-ossidazione. Nel corso di tale processo può essere
prodotto anche propionilCoA, immesso poi nella gluconeogenesi epatica per generare
glucosio. Per quanto riguarda il glicerolo, negli organismi superiori entra nella glicolisi
a livello epatico oppure può essere trasformato in glucosio (gluconeogenesi).
La degradazione ossidativa dei 20 diversi aminoacidi presenti nelle proteine prevede
20 diverse reazioni multienzimatiche, i cui prodotti finali possono essere così
raggruppati: acido piruvico (che viene successivamente degradato ad acetilCoA);
acetilCoA; intermedi del ciclo degli acidi tricarbossilici (che entrano direttamente nel
ciclo).
Per quanto riguarda i carboidrati, la respirazione cellulare è preceduta dalla glicolisi,
un processo catabolico che non richiede necessariamente la presenza di ossigeno: in
ambiente anaerobio la glicolisi porta alla conversione di una molecola di zucchero a sei
atomi di carbonio (soprattutto glucosio) in due molecole di acido lattico (a tre atomi di
carbonio), mentre in ambiente aerobio l’ultimo prodotto di reazione è costituito da due
molecole di acido piruvico (anch'esso dotato di tre atomi di carbonio), che
successivamente forma acetilCoA. In termini di energia, la glicolisi permette di
recuperare una frazione molto ridotta di quella potenzialmente disponibile nella
molecola di glucosio, mentre con la respirazione cellulare, grazie al fatto che la
degradazione del glucosio è completa (come detto, fino ad anidride carbonica e
acqua), viene rilasciata una quantità di energia molto più elevata.
L’acido piruvico viene trasformato in acetilCoA secondo la seguente reazione di
decarbossilazione ossidativa:
acido piruvico + NAD+ + CoA → acetilCoA + NADH + H+ + CO2
ΔG0 = -33,4 kJ/mole
La reazione (fig.2) nelle cellule animali è fortemente esoergonica e quindi irreversibile.
Essa è catalizzata dal complesso enzimatico della piruvico deidrogenasi, che si trova
entro la matrice mitocondriale. L'attività di questo gruppo di enzimi è regolata
soprattutto dalla concentrazione di ATP e Ca2+. Infatti, quando l'ATP si accumula, la
piruvico deidrogenasi viene bloccata, in modo da rallentare la produzione di acetilCoA
e quindi di ulteriore ATP; quando è elevata la concentrazione di ADP
(adenosindifosfato) e vi è ampia disponibilità di acido piruvico, il complesso enzimatico
viene attivato, grazie a una reazione facilitata dal Ca2+.
fig.2 Reazione di formazione di acetilCoA a partire
da acido piruvico
Seconda fase: ciclo degli acidi tricarbossilici o di Krebs
Questa fase della respirazione cellulare inizia con la trasformazione dell'acetilCoA in
acido citrico, secondo la reazione, anch'essa irreversibile,
acetilCoA + acido ossalacetico + H2O → acido citrico + CoA
ΔG0 = -32,2 kJ/mole
fig.3 Reazione di formazione di acido citrico a
partire da acido ossalacetico e acetilCoA
L'enzima catalizzatore è l'acido citrico sintetasi, che permette la condensazione tra il
gruppo metilico dell'acetilCoA e il gruppo carbonilico dell'acido ossalacetico (fig.3). Il
legame tra le due molecole determina l'idrolisi del gruppo tioestere, con formazione di
acido citrico e rilascio di CoA libero. Questa reazione ha il ruolo principale nel regolare
la velocità del ciclo degli acidi tricarbossilici. L'effetto di modulazione è dovuto
soprattutto alla concentrazione dei reagenti (la cui presenza promuove la reazione) e
del succinilCoA, composto chimico che compete con l'acetilCoA per legarsi all'acido
citrico sintetasi, bloccandola, e che quindi ha un effetto negativo sulla reazione.
L'acido citrico è successivamente convertito in acido isocitrico, secondo una reazione
catalizzata dall'enzima aconitico idratasi:
acido citrico ↔ [cis-aconitico] ↔ acido isocitrico
ΔG0 = 13,3 kJ/mole
dove il composto intermedio, in seguito all'addizione di acqua, è modificato in
isocitrato (fig.4).
fig.4 Reazione di formazione di
acido isocitrico a partire da acido
citrico (intermedio di reazione è
l'acido cis-aconitico)
Sebbene la reazione nel suo complesso sia reversibile, in condizioni normali la
concentrazione di acido citrico è talmente elevata e quelle del prodotto intermedio e
del prodotto finale talmente basse che la reazione progredisce naturalmente nella
direzione indicata. Per quanto riguarda l'aconitico idratasi, nel suo sito attivo è
presente un cluster ferro-zolfo che, insieme ad alcuni aminoacidi, permette il legame
con l'acido citrico. Nel passaggio seguente l'acido isocitrico è ossidato ad acido αchetoglutarico:
acido isocitrico + NAD+(NADP+) → acido α-chetoglutarico + CO2+ NADH(NADPH) +
H+ ΔG0 = -20,9 kJ/mole
La reazione (fig.5) presenta una fase
intermedia, con la produzione di acido
ossalsuccinico. L'enzima catalizzatore è
l'isocitrico deidrogenasi, che esiste in due
forme, una NAD dipendente, presente nei
mitocondri, l'altra NADP
(nicotinammideadenindinuleotide fosfato)
dipendente, localizzata sia nei mitocondri
sia nel citoplasma cellulare.
fig.5 Reazione di formazione di acido α-chetoglutarico a partire da acido isocitrico
La forma NAD dipendente è quella in particolar modo coinvolta in questa reazione di
ossidazione. La sua attività è modulata in vari modi: il Mg2+ è necessario per avviare
la reazione; l'aumento nella concentrazione di ADP (adenosindifosfato) stimola
l'attività dell'enzima; un'elevata disponibilità di NADH o ATP ha un effetto negativo.
Il ciclo di Krebs prosegue con l'ossidazione dell'acido α-chetoglutarico a succinilCoA,
reazione irreversibile nelle cellule animali:
acido α-chetoglutarico + CoA + NAD+ → succinilCoA + CO2 + NADH + H+
ΔG0 = -33,5 kJ/mole
Questa reazione (fig.6) è catalizzata dal complesso dell'α-chetoglutarico deidrogenasi
(o ossoglutarico deidrogenasi), formato da tre enzimi e molto simile al complesso
della piruvico deidrogenasi. L'α-chetoglutarico
deidrogenasi rappresenta un punto determinante nel
controllo della velocità del ciclo di Krebs e richiede la
presenza dei coenzimi NAD+, FAD, CoA, pirofosfato e
acido lipoico.
fig.6 Reazione di formazione di succinilCoA a partire
da acido α-chetoglutarico
Successivamente il succinilCoA è privato del gruppo acile in una reazione catalizzata
dalla succinilCoA sintetasi, ossia:
succinilCoA + Pi + GDP ↔ acido succinico + GTP + CoA
ΔG0 = -2,9 kJ/mole
nella quale la rottura del legame tioestere ad alta
energia del succinilCoA (fig.7) permette la
fosforilazione del GDP (guanidindifosfato) a GTP
(guanidintrifosfato). Questo processo è chiamato
fosforilazione a livello del substrato (diversa dalle
fosforilazioni che avvengono lungo la catena di
trasporto degli elettroni).
fig.7 Reazione di formazione di acido succinico a partire da succinilCoA
Il GTP, importante soprattutto nei processi di trasduzione del segnale, nel ciclo di
Krebs funziona come deposito di energia. Questa è poi ceduta all'ADP, nella reazione:
GTP + ADP ↔ GDP + ATP
catalizzata dalla nucleoside difosfato chinasi.
L'acido succinico è a sua volta ossidato ad acido fumarico secondo la reazione:
acido succinico + FAD ↔ acido fumarico + FADH2
ΔG0 = 0 kJ/mole
In questa reazione (fig.8) il catalizzatore è la succinico
deidrogenasi, una flavoproteina unita con legame
covalente al coenzima FAD. La reazione è attivata dalla
presenza di acido succinico, fosfato, ATP e coenzima Q
in forma ridotta, mentre l'acido ossalacetico a
bassissima concentrazione ha un effetto negativo in
quanto inibisce la reazione.
fig.8 Reazione di formazione di acido fumarico a partire da acido succinico
L'acido fumarico è quindi idratato ad acido L-malico, in una reazione catalizzata dalla
fumarico idratasi:
acido fumarico + H2O ↔ acido L-malico
ΔG0 = -3,8 kJ/mole
In fig.9 è riportata la modificazione chimica che
avviene nella reazione.
fig.9 Reazione di formazione di acido L-malico a
partire da acido fumarico
L'acido L-malico viene poi ossidato ad acido ossalacetico:
acido L-malico + NAD+ ↔ acido ossalacetico + NADH + H+
ΔG0 = 29,7 kJ/mole
La reazione (fig.10) è catalizzata dalla L-malico
deidrogenasi NAD dipendente e rappresenta il punto
finale del percorso del ciclo degli acidi tricarbossilici:
l'acetilCoA è stato del tutto degradato e si è formato
nuovamente il reagente con il quale il ciclo inizia.
fig.10 Reazione di formazione di acido ossalacetico da
acido L-malico
Il rendimento netto dell'intero processo può essere così definito:
acetilCoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O →
CoA + 3NADH + FADH2 + GTP + 2CO2 + 3H+
I coenzimi ridotti e la molecola di GTP, attraverso il processo condotto dalla catena di
trasporto degli elettroni, rilasceranno l'energia contenuta per formare ATP.
Regolazione del ciclo degli acidi tricarbossilici
Tutte le reazioni coinvolte nelle varie tappe della respirazione cellulare sono catalizzate
da enzimi specifici, alcuni dei quali, attraverso la modulazione dell’attività catalitica da
parte di piccole molecole effettrici, regolano la velocità della fase in cui agiscono.
Questo significa che la respirazione cellulare, essendo accoppiata alla produzione di
substrati ad alta energia sotto forma di ATP, è regolata dalle richieste energetiche della
cellula stessa, del tessuto al quale la cellula appartiene o, in ultimo, dell’intero
organismo. Stimoli ormonali, concentrazione cellulare di ATP, richiesta di lavoro
muscolare, concentrazione di substrati metabolizzabili, sono tra i principali fattori
responsabili della regolazione della respirazione cellulare.
Per quanto riguarda il ciclo di Krebs, la sua velocità viene regolata in modo continuo,
perché possa essere adeguata con precisione alle necessità energetiche della cellula.
La prima tappa di questa modulazione è esterna al ciclo e riguarda la produzione di
acetilCoA: infatti, la fosforilazione ATP-dipendente di una subunità del complesso della
piruvico deidrogenasi, così come alte concentrazioni di acetilCoA e NADH, hanno un
effetto inibitorio sull'enzima, mentre sia la defosforilazione (reazione stimolata da
Ca2+) sia l'abbondanza di NAD+, CoA e AMP lo attivano. In questo modo, la quantità
di molecole ad alta energia (ATP) regola la sintesi e quindi la disponibilità del
precursore (acetilCoA) necessario al ciclo di Krebs.
Il principale punto di controllo del ciclo degli acidi tricarbossilici, come già detto, è
rappresentato dall'attività dell'acido citrico sintetasi: elevate concentrazioni dei
reagenti di partenza (acetilCoA e acido ossalacetico), ADP e NAD + favoriscono la
reazione, mentre elevate quantità di succinilCoA, ATP e NADH hanno un effetto
inibitorio.
Altri importanti punti di controllo riguardano l'attività dell'isocitrico deidrogenasi e
dell'α-chetoglutarico deidrogenasi.
Come già detto, l'isocitrico deidrogenasi è stimolata dalla presenza di ADP, che
aumenta l'affinità dell'enzima per il substrato. Un effetto positivo è dovuto anche a
acido isocitrico e Mg2+, mentre NADH e ATP hanno un effetto inibitorio.
L'α-chetoglutarico deidrogenasi è invece inibita sia dal succinilCoA e dal NADH sia da
alti livelli di ATP; in questo modo la cellula è in grado di ridurre la produzione di
energia, quando questa è immagazzinata in abbondanza.
Infine, alcuni intermedi del processo ciclico hanno la possibilità di essere deviati verso
altre vie metaboliche (vedi paragrafo successivo), a seconda delle esigenze cellulari.
Anche questa proprietà rappresenta un punto di modulazione, in quanto la
concentrazione delle molecole fondamentali interagisce con il funzionamento del ciclo.
In molti batteri è presente un controllo anche all'inizio del ciclo degli acidi
tricarbossilici: infatti, la sintesi di acido citrico da acido ossalacetico e acetilCoA è
regolata dalla presenza di ATP, che agisce come inibitore allosterico dell'acido citrico
sintetasi.
Interazioni con altre vie metaboliche
Il ciclo degli acidi tricarbossilici è noto per essere un processo anfibolico, ovvero un
processo cellulare che partecipa sia al catabolismo (ossidando molecole) sia
all'anabolismo (fornendo precursori per la sintesi di composti organici come
aminoacidi, glucosio, porfirine). Infatti, gli intermedi del ciclo sono coinvolti in
numerose altre vie metaboliche, che di seguito sono indicate:
acetilCoA:
o biosintesi degli acidi grassi;
o β-ossidazione degli acidi grassi;
o degradazione di lisina, valina e isoleucina;
o metabolismo di fenilalanina, leucina e arginina;
acido citrico:
o biosintesi di colesterolo e acidi grassi;
acido α-chetoglutarico:
o biosintesi della lisina;
o metabolismo di acido ascorbico e acido glutamico (e indirettamente di
glutamina, prolina, acido aspartico);
succinilCoA:
o metabolismo dell'acido propanoico;
o biosintesi delle porfirine;
o degradazione di leucina e isoleucina;
o metabolismo della fenilalanina;
acido succinico:
o metabolismo dell'acido n-butanoico;
o metabolismo della tirosina;
acido fumarico:
o ciclo dell'urea;
o metabolismo di arginina, fenilalanina, tirosina e acido aspartico;
acido L-malico:
o gluconeogenesi;
acido ossalacetico:
o metabolismo del gliossilato;
o metabolismo dell'acido glutamico e dell'acido aspartico;
o gluconeogenesi.
Bibliografia
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