Respirazione cellulare e sintesi dell’acetilCoA

In presenza di ossigeno, il piruvato, (2-ossopropanoato CH3COCOO), viene ossidato completamente a composti poveri di energia come H2O e CO2 attraverso il processo noto complessivamente come respirazione cellulare, processo, che passa attraverso tre stadi: la formazione dell’acetilcoenzima A, il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa. Nel primo stadio il piruvato si trasforma in acetile  CH3CO attraverso reazioni successive che comprendono  deidrogenazione e decarbossilazione.

Il gruppo acetile viene trasferito  ad un accettore, il coenzima A per produrre l’acetilcoenzima A ad alta energia. Il secondo stadio, dello anche ciclo dell’acido citrico, è la fase conclusiva dell’ossidazione delle molecole di partenza . mentre le reazioni enzimatiche della glicolisi avvengono secondo una sequenza lineare,  nel ciclo di Krebs avvengono in maniera ciclica a causa della resistenza all’ossidazione dell’acetile.

Il terzo stadio, la fosforilazione ossidativa, è un esempio di trasmissione di energia libera mediante gradiente di protoni. Attraverso questi tre stadi che avvengono nei mitocondri la cellula riesce a ricavare dal glucosio una quantità di ATP che è maggiore di quella ottenibile dalla sola glicolisi. E’ per questo motivo che i mitocondri sono stati denominati la centrale energetica della cellula. Dato che la struttura di questi organelli cellulari svolge un ruolo fondamentale nel processo di respirazione cellulare, è utile, considerarne la loro struttura.

cell_mitochondria

I mitocondri sono organuli presenti nel citoplasma di tutte le cellule animali e vegetali a metabolismo aerobio. Mancano solo nelle cellule procariotiche, cioè i batteri, dove le funzioni .respiratorie vengono espletate da proteine enzimatiche contenute nella membrana cellulare e nelle sue invaginazioni, dette mesosomi. I mitocondri sono costituiti da due membrane,interna e esterna procedendo dall’esterno interna ed esterna, separate tra loro da uno spazio, delimitano la camera interna, fungendo  così a guscio. Dal punto di vista strutturale queste membrane sono elastiche e flessibili.

Evidenze sperimentali dimostrano che tali membrane sono di tipo lipidiche. Procedendo dall’esterno, troviamo in successione: membrana esterna, a struttura trilaminare formate da proteine globulari che rappresentano il 60% della membrana esterna e sono localizzate nello spessore dello strato lipidico che a sua volta rappresenta il 40%. Le proteine si dispongono in modo da delimitare dei pori atti a facilitare il passaggio bidirezionale di metaboliti con peso molecolare inferiore a 10000 u.m.a.
La membrana esterna contiene numerosi enzimi: alcune transferasi, alcune chinasi, ATP acetili-CoA sintetasi, citocromo b, NADH, citicromo b reduttasi. La membrana interna ha un’organizzazione diversa da quella esterna. Non solo ha una particolare ricchezza in proteine (80%) e una relativa povertà in lipidi (20%) , ma possiede una sua organizzazione molecolare. Contiene gli enzimi responsabili delle reazioni di ossidazione che liberano energia necessaria alla fosforilazione ossidativa cioè alla formazione di ATP a partire da ADP. Vi è poi la membrana interna che rappresenta la matrice mitocondriale.

La membrana interna presenta le creste mitocondriali , invaginazioni a forma di tubuli che penetrano in profondità nella matrice mitocondriale.

Queste accrescono notevolmente la superficie di contatto della membrana e si estendono nella matrice, la parte più interna del mitocondrio. Lo spazio compreso tra la membrana esterna e quella interna è denominato compartimento esterno per distinguerlo dalla matrice che costituisce il compartimento interno. La camera interna è lo spazio della matrice mitocondriale delimitato dalla membrana interna, compreso tra le creste mitocondriali. La matrice è finemente granulare e la sua densità varia in funzione dello stato funzionale.

Vi si trovano costantemente o molecole di DNA , o mito ribosomi, o mtRNA, o granulazioni dense e irregolari. La camera interna contiene tutti gli enzimi coinvolti nel ciclo di Krebs e quelli della biosintesi degli acidi grassi. Mentre la maggior parte delle sostanze possono attraversare facilmente la membrana esterna, solo alcune molecole come O2 e H2O possono passare facilmente anche attraverso la membrana interna e penetrare nella matrice. A differenza della membrana esterna, quella interna è praticamente impermeabile agli ioni e a molecole più grosse. L’ingresso di queste sostanze nella matrice richiede l’intervento di apposite proteine trasportatrici. Nei mitocondri si svolgono reazioni biochimiche che possono essere così riassunte:

  • Ciclo di Krebs : questo processo metabolico si svolge nella camera interna. Si tratta di una sequenza organizzata di reazioni enzimatiche che ha come substrato iniziale e come prodotto finale l’acido ossalacetico. Il prodotto finale del  catabolismo dei principi nutritivi ( glucidi, proteine, lipidi) è l’acido acetico, il cui radicale acetilico si combina con il coenzima A. l’acetilCoA cede il raddicale acetilico all’acido ossalacetico: comincia così una serie di reazioni ossidative che trasformano ogni radicale acetilico in due molecole di CO2,8 ioni H+ e 8 elettroni.
  • Catena respiratoria: gli 8 elettroni liberati durante ogni ciclo vengono trasferiti sulla nicotinammide-adenin-dinucleotide (NAD) e sulla flavin-adenin-dinucleotide (FAD) e quindi trasportati all’accettore finale rappresentato dall’ossigeno molecolare.
  • Fosforilazione ossidativa: il passaggio di elettroni da un trasportatore all’altro libera energia a ogni tappa mettendola a disposizione della cellula.  β-ossidazione degli acidi grassi: un acido grasso non viene ossidato se precedentemente non viene attivato combinandosi con il coenzima A e se non penetra nella matrice mitocondriale (il passaggio attraverso la membrana interna avviene grazie alla carnitina ). L’ossidazione ha luogo nella matrice attraverso stadi successivi e a ogni stadio l’acido grasso perde 2 atomi di carbonio, cioè un acetile, CH3CO. Sintesi degli acidi grassi: la sintesi degli acidi grassi può avvenire all’interno dei mitocondri grazie alla presenza di un sistema noto come sistema mitocondriale che ripercorre il cammino inverso a quello compiuto dagli acidi grassi durante la loro ossidazione. Si ottiene soprattutto acido stearico, assieme a piccole quantità di acido palmitico, miristico e oleico. Concentrazione di sostanze: i mitocondri possono concentrare sostanze nella camera interna ed in particolare proteine, lipidi, ioni metallici, coloranti ed enzimi. Il calcio concentrato nei mitocondri appare sotto forma di granulazioni di circa 50 nm : si tratta essenzialmente di fosfato di calcio: Ca3(PO4)2

Riassumendo gli enzimi che catalizzano la trasformazione del piruvato in acetilCoA e quelli che permettono le varie reazioni del ciclo di Krebs sono localizzati nella matrice; invece gli enzimi e le sostanze che convogliano verso il processo di produzione dell’ATP , gli elettroni e gli ioni H+ ceduti da coenzimi trasportatori sono contenuti nella membrana interna del mitocondrio.

Le due molecole di piruvato che si sono formate da una molecola di glucosio nella glicolisi migrano, attraverso le due membrane mitocondriali, dal citoplasma nella matrice. Qui, in un passaggio complesso, che richiede l’intervento di alcuni enzimi, da ogni molecola di piruvato vengono rimossi uno dei tre atomi di carbonio, sotto forma di CO2 e due atomi di idrogeno; di questi uno si combina sotto forma di ione idruro H con una molecola di NAD+, che si trasforma in NADH mentre l’altro resta nel mezzo acquoso sotto forma di H+. del piruvato resta un gruppo acetile, un frammento a due atomi di carbonio, che si combina con una molecola di CoA, formando l’acetilCoA. L’intero processo si può sintetizzare così:

CH3COCOO + CoA-SH + NAD+→ CH3CO-S-CoA + NADH + CO2 + H+       ΔG = – 33.4 Kj/mol

Piruvato                                        acetilCoA

 

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Author: Chimicamo

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