Nella glicolisi, via centrale per il catabolismo del glucosio, (dal greco glykys, che significa “dolce” e lysis che significa “scissione”), una molecola di glucosio viene degradata in una serie di reazioni catalizzate da enzimi per generare due molecole di piruvato. Durante le reazioni sequenziali della glicolisi, una parte dell’energia libera rilasciata dal glucosio viene convertita in ATP ed in NADH.
La maggior parte delle cellule eucariotiche e molti tipi di batteri sono aerobici e in grado di ossidare completamente le loro sostanze nutrienti a CO2 e H2O.
In queste condizioni il piruvato che si forma dalla glicolisi, in condizioni aerobiche, viene ossidato, con perdita del suo gruppo carbossilico sotto forma di CO2, nella fase aerobica del catabolismo, la respirazione.
In senso macroscopico e in termini fisiologici, la respirazione è l’assunzione di ossigeno dall’ambiente da parte di un organismo multicellulare e il rilascio di CO2. Per i biochimici ed i biologi cellulari, il termine respirazione assume un significato diverso e si riferisce ai processi molecolari in cui è coinvolto il consumo di ossigeno e la formazione di CO2 da parte della cellula. Questo processo dovrebbe quindi essere chiamato più correttamente respirazione cellulare.
La respirazione cellulare ha luogo in tre fasi principali.
-Nella prima fase, le molecole delle sostanze nutrienti organiche – glucosio, acidi grassi e qualche amminoacido – sono ossidate fino a formare frammenti a due atomi di carbonio e cioè il gruppo acetilico dell’acetil-coenzima A (acetil-CoA).
-Nella seconda fase, questi gruppi acetilici sono immessi nel ciclo dell’acido citrico, in cui vengono ossidati enzimaticamente a CO2. L’energia rilasciata dall’ossidazione viene conservata riducendo contemporaneamente i trasportatori di elettroni NAD+ e FAD rispettivamente a NADH e FADH2.
-Nella terza fase della respirazione, i cofattori ridotti sono a loro volta ossidati liberando protoni (H+) ed elettroni. Gli elettroni sono trasferiti lungo una catena di molecole di trasportatori di elettroni, nota come catena respiratoria, all’ossigeno, che si riduce formando acqua. Durante questo processo di trasferimento degli elettroni, viene rilasciata molta energia che è poi convertita in ATP, in un processo chiamato fosforilazione ossidativa.
Per rispondere alla domanda, dobbiamo soffermarci sulla seconda fase della respirazione, il ciclo dell’acido citrico (o ciclo degli acidi tricarbossilici o ciclo di Krebs, dal nome dello scopritore).
Il piruvato formatosi, come abbiamo visto, dalla glicolisi viene ossidato con perdita del suo gruppo carbossilico formando il gruppo acetilico dell’acetil-coenzima A grazie ad un complesso enzimatico: il complesso della piruvato deidrogenasi.
Il ciclo “parte” con la sintesi di citrato a partire proprio da Acetil-Coa ed ossalacetato, ad opera dell’enzima citrato sintasi. (Vedremo che tali composti hanno notevole importanza nella regolazione).
Pertanto il piruvato, prodotto delle reazioni glicolitiche è un precursore per le reazioni del ciclo di Krebs ed è uno degli elementi chiave che lega i due processi metabolici e li regola.
La velocità delle reazioni con produzione di intermedi e prodotti deve essere tale da mantenere la cellula in uno stato “stazionario” ed evitare la sovrapproduzione di composti non utili o, al contrario, una carenza di prodotti necessari. Nel nostro caso “obiettivo” della cellula è mantenere una concentrazione pressoché costante di ATP, indipendentemente da quale sostanza nutriente venga utilizzata per produrlo e da quale sia la sua velocità di consumo.
I punti di “controllo” della velocità si trovano a due livelli e sono strettamente regolati:
– conversione del piruvato in acetil-CoA, il materiale di partenza del ciclo (reazione del complesso della piruvato deidrogenasi)
– ingresso dell’acetil-CoA nel ciclo con formazione di citrato (reazione della citrato sintasi).
Dato che il piruvato non è l’unica fonte di acetil-CoA (infatti la maggior parte delle cellule lo ottiene anche dall’ossidazione degli acidi grassi e da alcuni amminoacidi), la disponibilità di intermedi da queste vie alternative diventa importante nella regolazione dell’ossidazione del piruvato e nella velocità del ciclo stesso. La glicolisi è solo una di queste vie (anche se la più importante) e la sua velocità (della glicolisi) viene adeguata a quella del ciclo dell’acido citrico in una regolazione “a ritroso”, in inglese “feedback”.
Le velocità della glicolisi e del ciclo di Krebs sono coordinate in modo che la quantità di glucosio metabolizzato a piruvato sia soltanto quella che poi entra nel ciclo dell’acido citrico sotto forma di Acetil-CoA. Piruvato e acetil-CoA sono mantenuti a concentrazioni stazionarie non soltanto dai livelli di ATP e NADH, prodotti sia della fase glicolitica che respiratoria dell’ossidazione del glucosio, ma anche dal citrato. Quest’ultimo, cioè il prodotto della prima tappa del ciclo dell’acido citrico, è in grado di inibire (rallentare) una tappa fondamentale della via glicolitica (la fosforilazione del fruttosio-6-fosfato da parte della fosfofruttochinasi-1), in una regolazione “a ritroso” appunto.
Approfondimento: in che modo viene regolata la velocità del ciclo di Krebs?
Le strategie di controllo biochimico sono sostanzialmente tre:
-disponibilità di substrato: la concentrazione di substrato determina la velocità della reazione. Questo avviene nella prima reazione del ciclo e diventa dunque fondamentale la disponibilità di acetil-CoA ed ossalacetato.
-inibizione da accumulo di prodotti: una concentrazione eccessiva di prodotti può portare ad un “rallentamento” delle reazioni necessarie per produrre i prodotti stessi, agendo in particolari punti. L’accumulo di ATP, prodotto finale, del ciclo, ha proprio questo effetto.
-inibizione allosterica retroattiva (a feedback) dei primi enzimi del ciclo da parte degli ultimi intermedi del ciclo stesso: in alcune reazioni molto complesse con molti intermedi, come appunto il ciclo di Krebs, può essere un eccessivo accumulo di intermedi, senza giungere ai prodotti, a provocare un rallentamento del ciclo stesso. Ad es. un accumulo di citrato, prodotto della prima reazione porta proprio ad un rallentamento.
http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lectf03am/lect11.htm