Respirazione cellulare

Il processo biochimico con cui parte dell’energia chimica contenuta nelle molecole organiche viene convertita in energia utilizzabile nei processi vitali della cellula è la respirazione cellulare. In essa il 40% dell’energia liberata è immagazzinata come ATP, il restante 60% è disperso come calore. Molte molecole organiche possono essere impiegate come combustibile per la respirazione, ma trattiamo il glucosio. In tutte le cellule la demolizione del glucosio inizia con la glicolisi che può essere demolito in presenza di ossigeno, con la respirazione cellulare,o in assenza di esso, con la fermentazione.
La respirazione cellulare, che avviene in ambiente aerobico, è riassumibile in:
C6H12O6 + O2 -> 6 CO2+ 6 H20 + energia; il processo si snoda in 3 fasi:
1 Glicolisi: è formata da nove reazioni, ciascuna catalizzata da uno specifico enzima, il cui prodotto di una reazione funge da substrato per quella successiva. In una prima parte endoergonica si consumano 2 ATP, il glucosio viene trasformato attraverso quattro reazioni in due molecole di fosfogliceraldeide (PGCAL); successivamente nella seconda fase esoergonica ogni molecola di PGAL è convertita in una molecola di acido piruvico: una parte dell’energia liberata viene utilizzata per sintetizzare quattro molecole di ATP, un’altra parte è immagazzinata sotto forma di elettroni nel NADH, forma ridotta del coenzima NAD+, grazie al PGAL che, nella 5 fase, perde due atomi di idrogeno, uno dei quali ceduto al NAD+, che si trasforma in NADH, l’altro finisce invece nel citosol. Riassumendo si formano 2 molecole di acido piruvico, 2 di ATP 2 di NADH.
2 Conversione acido piruvico in acetilcoenzima A: l’acido piruvico prodotto viene trasportato dal citosol nella matrice del mitocondrio dove si ossida e viene convertito in acetilcoenzima A che entra poi nel ciclo di Krebs. Per ogni molecola di acido piruvico ossidata si formano una molecola di acetilcoenzima A, una di anidride carbonica, prodotto di rifiuto fuoriesce dalla cellula, e due atomi di idrogeno che si combinano con il NAD+ formando NADH e un H+.
3 Ciclo di Krebs: l’acetilcoenzima A entra nel ciclo di Krebs (o dell’acido citrico) che ha luogo nella matrice dei mitocondri. Il ciclo è costituito da otto reazioni che ad ogni giro rigenerano il composto di partenza, l’acido ossalacetico a 4 atomi di carbonio. Ha inizio quando l’acido ossalacetico si combina con l’acetilCoA formando l’acido citrico (6 atomi C): esso viene nelle successive fasi trasformato in modo che 2 dei suoi atomi di carbonio formino due molecole di anidride carbonica e gli altri riformino una molecola di acido ossalacetico per iniziare il ciclo. Parte dell’energia liberata nel processo è utilizzata per sintetizzare una molecola di ATP, parte è immagazzinata sotto forma di elettroni nei coenzimi NADH e FADH. Alcune reazioni del ciclo infatti sono di ossidazione e in esse vengono ceduti otto atomi di idrogeno che riducono tre molecole di NAD+ a NADH e una molecola di FAD+ a FADH2. Considerando che ci vogliono 2 giri del ciclo di Krebs per demolire completamente le due molecole di acido piruvico ottenute da una di glucosio, il guadagno energetico complessivo del ciclo per ogni molecola di glucosio è di due molecole di ATP, sei di NADH e due di FADH.
Durante la catena di trasporto degli elettroni poi il NADH e il FADH2 si ossidano cedendo elettroni ai componenti della catena: il NADH cede uno ione H+ mentre il FADH2 2 ioni H+ i quali finiscono nella matrice secondo gradiente tramite l’ATP sintetasi (questo flusso di ioni libera energia che forma ATP); entrambi poi cedono 2 elettroni che trasportati lungo la catena cedono energia a ogni trasportatore che si riduce, acquisendo energia, e si ossida, cedendola a livello energetico inferiore. L’ultimo trasportatore cede gli elettroni all’ossigeno che si combina con gli ioni H+ formando acqua. Durante il passaggio degli elettroni nella catena si libera energia usata per formare ATP (fosforilazione ossidativa): 1 per ogni coppia di elettroni ceduta dal NADH e 2 per ogni coppia del FADH2. In questa fase dato che 10 NADH (2 dalla glicolisi, 2 dalla conversione 6 dal ciclo di Krebs) e 2 FADH2 cedono elettroni, si ricavano 34 ATP contro i 4 delle fasi precedenti.