Metabolismo energetico: le varie fasi che portano alla sintesi di ATP

Generalità sul metabolismo energetico

Quando parliamo di metabolismo energetico ci riferiamo all’insieme di reazioni biochimiche che avvengono all’interno della cellula.
Esse comprendo sia reazioni di sintesi (anabolismo) che di degradazione (catabolismo) di molecole.
Si tratta di vie metaboliche strettamente collegate tra di loro dal momento in cui l’energia, prodotta nelle vie cataboliche attraverso la demolizione di macromolecole (carboidrati, lipidi e proteine), viene poi sfruttata nelle vie anaboliche per sintetizzare molecole nuove.

Figura 1 *– mappa delle vie metaboliche* *[fonte: wikimedia.org]*

Si parla di metabolismo energetico in quanto durante ogni reazione chimica si verifica una variazione della quantità di energia libera G (energia disponibile per compiere un lavoro).
Quando questo valore è negativo siamo di fronte a reazioni esoergoniche (cataboliche), ossia che portano alla liberazione di energia. Quando è positivo invece sono endoergoniche (anaboliche), cioè richiedono energia per poter avvenire.

Le reazioni del metabolismo energetico sono di ossidoriduzione, o redox. Esse sono caratterizzate da un trasferimento di elettroni che si verifica da una specie donatrice, che diventa ossidata, ad una ricevente, che diventa ridotta.
Tali reazioni avvengono grazie a specifici enzimi chiamati deidrogenasi e prevedono anche l’intervento di coenzimi, molecole che fungono da trasportatori di elettroni, come il NAD e il FAD.

Catabolismo glucidico

Dunque attraverso le reazioni cataboliche molecole più complesse vengono scisse in costituenti semplici.
Questi processi sono importanti poiché determinano la liberazione di energia, conservata poi nella cellula sottoforma di ATP, una macromolecola ad alta energia.

Il catabolismo degli zuccheri, in particolar modo del glucosio, è una via di degradazione essenziale nel metabolismo di animali, piante e microrganismi.
Il glucosio infatti è uno zucchero semplice (monosaccaride) a 6 atomi di carbonio, che ricopre funzioni fondamentali all’interno della cellula.
È un nutriente essenziale e rappresenta la più importante fonte di energia per gli organismi viventi. Inoltre svolge il ruolo di riserva energetica (amido, glicogeno), di precursore di intermedi metabolici e di polisaccaridi complessi con funzione strutturale (cellulosa).

Andando ad analizzare la via catabolica di degradazione del glucosio vediamo che questa si realizza attraverso varie tappe:

ossidazione dello zucchero attraverso glicolisi, via dei pentoso fosfati o via di Entner-Doudoroff (esclusiva dei procarioti) e, in condizioni aerobie (in presenza di ossigeno), respirazione cellulare (ciclo di krebs e fosforilazione ossidativa) .
in condizioni anaerobie (assenza di ossigeno) all’ossidazione dello zucchero, che avviene con analoghe modalità, segue la fermentazione lattica o alcolica.

Glicolisi nel metabolismo energetico

La glicolisi è una via centrale del metabolismo energetico.
Si tratta di una via metabolica anossica (avviene in assenza di ossigeno) che si verifica sia in organismi eucarioti, vegetali e animali, che procarioti. Nelle cellule animali e nei procarioti avviene nel citosol, mentre negli organismi vegetali ha doppia localizzazione, citosolica e plastidiale.

Consiste in 10 reazioni, funzionalmente divise in due blocchi di 5 reazioni ognuno, descritte nella figura 2:

le prime 5 reazioni fanno parte della fase preparatoria: attraverso l’utilizzo di 2 molecole di ATP si creano intermedi di reazione con energia via via crescente, che serviranno per la fase successiva.
fase di recupero energetico: detta così in quanto si produce ATP con resa totale vantaggiosa, ossia maggiore rispetto alla quantità utilizzata.

Si rimanda al link dedicato per la descrizione completa delle singole reazioni.

Reazioni della glicolisi nel dettaglio — *Figura 2: reazioni della glicolisi nel dettaglio [Fonte: wikimedia.org]*

Come possiamo notare tutti gli intermedi del processo glicolitico nel metabolismo energetico sono fosforilati. Questo serve in primis a trattenere i composti all’interno della cellula, i quali altrimenti potrebbero fuoriuscire semplicemente per osmosi. Inoltre la fosforilazione garantisce la conservazione del gruppo fosfato per la formazione di intermedi ad alta energia.

Al termine della glicolisi a partire da una molecola iniziale di glucosio si formano due molecole più semplici di piruvato. Oltre a questi composti a 3 atomi di carbonio si ottengono, considerando la resa netta, anche 2 molecole di ATP e 2 di NADH.
Il piruvato a questo punto può andare incontro a due destini differenti:

in presenza di ossigeno viene completamente ossidato nei mitocondri attraverso la respirazione cellulare.
in assenza di ossigeno viene immesso in un processo citosolico detto fermentazione.

Metabolismo energetico via aerobia: formazione dell’acetil-coA e ciclo di Krebs

Dunque il piruvato, in condizioni aerobie, va incontro ad un processo di ossidazione completa.
Il primo passo consiste nella sua ossidazione ad acetil-coA e CO₂ tramite il complesso multienzimatico della piruvato deidrogenasi (PDH), localizzato nei mitocondri degli eucarioti e nel citosol dei batteri.
I tre enzimi coinvolti sono la diidrolipoil transacetilasi, la piruvato decarbossilasi e la diidrolipoil deidrogenasi.

Reazione di decarbossilazione ossidativa che converte il piruvato in acetil-coA e CO2 — Figura 3: reazione di decarbossilazione ossidativa che converte il piruvato in acetil-coA e CO₂ [fonte: wikibooks.org]

La reazione, descritta in figura 3, è nel complesso una decarbossilazione ossidativa. Abbiamo infatti la rimozione di un atomo di carbonio dal piruvato sotto forma di anidride carbonica, che porta alla formazione di un gruppo acetile che si lega poi al co-A formando l’acetil co-A.
Si verifica inoltre l’ossidazione del coenzima NAD+ che forma NADH ridotto.

L’acetil-coA prodotto a questo punto entra nel ciclo di Krebs, le cui tappe sono descritte in figura 4:

Tappe del ciclo di Krebs del metabolismo energetico — *figura 4: tappe del ciclo di Krebs [fonte: wikipedia.org]*

Il ciclo di Krebs, o ciclo degli acidi tricarbossilici, è una via ciclica fondamentale del metabolismo energetico. Si tratta di 8 tappe, descritte nello specifico in questa pagina, che hanno luogo nella matrice mitocondriale e che portano all’ossidazione completa di acetil-coA in CO₂ tramite la riduzione dei coenzimi. Alla fine del ciclo si avrà la produzione di 3 NADH, 1 FADH₂ e 1 ATP/GTP.

Questa via metabolica è definita anfibolica, serve cioè sia ai processi catabolici che anabolici.
Produce infatti tutta una serie di importanti precursori di vie biosintetiche, come l’alfa-chetoglutarato e l’ossalacetato, che attraverso una transamminazione formano i corrispondenti amminoacidi aspartato e glutammato.

Fosforilazione ossidativa: ultima tappa della respirazione cellulare

Abbiamo visto come dal punto di vista della resa energetica il ciclo di Krebs contribuisca non tanto alla produzione di ATP, che si attesta ad 1 molecola per giro, quanto più la formazione di potere riducente.
Gli elettroni verranno infatti trasferiti dai coenzimi NADH e FADH₂ attraverso la successiva catena di trasporto degli elettroni.

L’ultima fase della respirazione cellulare del metabolismo energetico è la fosforilazione ossidativa, processo fondamentale nel quale alla fine convergono tutte le vie cataboliche di degradazione delle macromolecole principali.
Essa avviene in due tappe successive, strettamente collegate tra di loro:

catena di trasporto degli elettroni
sintesi di ATP

Catena di trasporto degli elettroni

La catena di trasporto degli elettroni è un complesso multiproteico legato alla membrana mitocondriale interna. È costituita innanzitutto da quattro complessi enzimatici transmembrana, tre dei quali (I,III,IV) funzionano da pompe protoniche e sono quindi associati alla successiva sintesi di ATP. Essi sono: NADH deidrogenasi, succinato deidrogenasi, citocromo c reduttasi e citocromo c ossidasi. Ci sono poi tre categorie di trasportatori di elettroni: ubichinone o coenzima Q (liposolubile) e citocromi e cluster ferro-zolfo di natura proteica.
Gli elettroni accumulati precedentemente a livello di NADH e FADH₂ vengono a questo punto trasferiti da un complesso all’altro fino ad arrivare all’ossigeno (accettore finale), determinando la contemporanea separazione dai protoni (4 protoni ogni due elettroni) mediante il loro pompaggio nello spazio intermembrana. Questo va a creare un gradiente elettrochimico (cioè una differenza sia di concentrazione ionica che di carica), che sarà la forza proton motrice sfruttata nella fase successiva per sintetizzare ATP.

Sintesi di ATP

La tappa finale del metabolismo energetico, ossia la sintesi di ATP, avviene secondo il modello chemiosmotico, che prevede l’associazione del gradiente chimico ed elettrico per immagazzinare l’energia nel ribonucleotide.
In particolare, gli ioni che sono stati precedentemente pompati nello spazio intermembrana tendono a rientrare nella membrana mitocondriale. Essendo però quest’ultima impermeabile ad essi, necessitano di una proteina di trasporto che consenta loro di tornarci.
Questo è possibile grazie all’azione dell’ATP sintasi mitocondriale, una pompa protonica di tipo F, che catalizza la sintesi di ATP a partire da ADP e P. Essa è costituita da due complessi distinti: F0, il canale protonico vero e proprio e F1, proteina integrale formata da varie subunità. Quest’ultima è costituita da subunità αβ associate in tre dimeri, ognuno dei quali costituisce un sito attivo di legame per i nucleotidi adeninici, dalla subunità γ direttamente legata a F0 e da altre subinità δ ed ε.

Struttura del complesso dell'ATP sintasi nel metabolismo energetico — Figura 6: struttura del complesso dell’ATP sintasi [fonte: theory.labster.com]

Mediante un meccanismo definito catalisi rotazionale, l’ingresso dei protoni attraverso F0 determina la rotazione della subunità γ e un conseguente cambiamento conformazionale delle subunità αβ.
Tutto ciò fa sì che i dimeri interconvertano tra di loro e vadano a legare nelle varie conformazioni sia ADP+P che ATP, determinando per ogni rotazione completa la sintesi di 3 molecole di ATP.
La resa effettiva dell’intero processo di respirazione cellulare è perciò di 36 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio ossidata.

Fonti

David L Nelson, Michael M Cox – I principi di biochimica di Lehninger – Settima edizione – Zanichelli – ISBN 9788808920690
Gianni Dehò Enrica Galli – Biologia dei Microrganismi – Terza edizione – Casa Editrice Ambrosiana – ISBN: 9788808186232
https://www.my-personaltrainer.it/GLUCOSIO.htm