La cellula trae energia dai legami chimici contenuti nelle molecole del cibo. Sicuramente la più importante fonte di energia è composta dagli zuccheri che vengono sintetizzati autonomamente dai vegetali, mentre gli animali devono procurarseli nutrendosi di altri organismi. Una volta ingeriti, gli zuccheri vengono degradati a CO2 ed H2O e viene prodotto ATP, la nostra fonte di energia di rapido utilizzo.

Anche lipidi e proteine possono fornire energia ma attraverso vie differenti e con differenti bilanci energetici.

In una cellula sono presenti circa 1 miliardo di molecole di ATP e si stima che vengano ricambiate ogni 1-2 minuti.

Glicolisi: cos’è e dove avviene

È la via metabolica principale da cui si produce ATP partendo dallo zucchero glucosio in assenza di O2. Una piccola parte di energia sviluppata viene anche immagazzinata per essere utilizzata a sua volta nella sintesi di altro ATP (guadagno netto di 2 ATP).

Alla fine del processo di glicolisi, la molecola finale viene demolita formando: CO2 come scarto, NADH e Acetil CoA come prodotti principali.

Ricordiamoci che l’Acetil CoA viene prodotto anche dalla degradazione degli acidi grassi, di cui parleremo successivamente.

Ciclo dell’acido citrico

Il ciclo dell'acido citrico, o ciclo di Krebs o ciclo degli acidi tricarbossilici, ha un ruolo principale nel metabolismo della cellula sia nella produzione di energia che per la sintesi di nuove molecole.

Il ciclo di Krebs costituisce la terza e ultima tappa delle reazioni di degradazione dello zucchero glucosio. 

Il ciclo di Krebs è importante anche per altre vie biosintetiche; questo perché fornisce degli intermedi di reazione utilizzati, per esempio, per la sintesi di amminoacidi. 

Otto reazioni del ciclo di Krebs

Le otto reazioni del ciclo di Krebs hanno lo scopo di degradare completamente l'Acetil CoA, prodotto dalla glicolisi, in 2 molecole di CO2 e terminare così il suo ciclo vitale, mentre il resto della molecola che non viene smaltita torna ad essere ossalacetato e rientra in nuovo round del ciclo di Krebs.

 

 

 

La β-ossidazione: magazzini di molecole nutritive

Gli acidi grassi vengono conservati sotto forma di goccioline presenti principalmente nelle cellule adipose (adipociti), mentre i carboidrati vengono immagazzinati sotto forma di lunghi polimeri, il glicogeno, nel fegato e nei muscoli. Queste riserve sono utilizzate quando l’ATP, prodotto dalla degradazione degli alimenti durante il pasto, non è più sufficiente. A questo punto viene idrolizzato glicogeno che funge da materia prima per produrre glucosio-1-fosfato che a sua volta entrerà nel processo di glicolisi.

I grassi costituiscono una riserva energetica elevata (9kcal per grammo rispetto alle 4kcal per grammo dei carboidrati) ed occupano un volume minore. Gran parte del grasso, infatti, si accumula nel tessuto adiposo. Al mattino appena svegli l’Acetil CoA viene preso soprattutto dai grassi, mentre durante la giornata dal cibo che viene consumato ai pasti. Le cellule animali sanno trasformare gli zuccheri in grassi ma non viceversa.

Nei mitocondri viene prodotta la quantità maggiore di ATP cellulare, sono da considerarsi quindi le nostre centrali energetiche. Difetti nella funzionalità mitocondriale possono avere gravi problematiche sull’organismo.

I mitocondri possono essere presenti in numero e disposizione differenti a seconda del tipo di cellula e/o del fabbisogno energetico dell’individuo in un preciso momento. 

 

 

Fosforilazione ossidativa: dove avviene e come funziona

La β-ossidazione inizia nel citoplasma della cellula dove l'acido grasso viene attivato mediante un legame tra zolfo e CoA formando così acil-S-CoA e consumando 2 molecole di ATP. L'acil-S-CoA che si è venuto a formare viene trasportato all'interno del mitocondrio, la centrale energetica, attraverso un trasportatore a base di carnitina.

Sebbene alcune molecole di Acil-S-CoA sono in grado di attraversare autonomamente e facilmente la membrana interna dei mitocondri, la maggior parte dell’Acil-S-CoA prodotto non è in grado. In questi casi interviene in aiuto un altro enzima che lo trasporta alla carnitina e viene immesso nel mitocondrio.

L’enzima di trasporto è particolarmente attivo durante il digiuno quando i livelli plasmatici circolanti di glucagone (antagonista dell’insulina) e acidi grassi sono più alti. 

La β-ossidazione è una reazione che separa dall'acido grasso due atomi di carbonio per volta, sotto forma di aceti-CoA, ossidando sempre il terzo carbonio (C3 o carbonio β). 

Questo processo ha luogo nella matrice mitocondriale ed è strettamente collegato al ciclo di Krebs (per l'ulteriore ossidazione dell'acetato) e alla catena respiratoria (per la ri-ossidazione dei coenzimi NAD e FAD). 

Le fasi della β-ossidazione

Come primo passaggio della β-ossidazione viene tolto H (deidrogenazione) all'acido grasso ad opera di un enzima chiamato acil-Coa-deidrogenasi FAD dipendente.

Questo enzima permette la formazione di un doppio legame tra il C2 e il C3: gli atomi di H+ persi si legano infine al FAD che diventa FADH2.

La seconda reazione consiste nell'addizionare una molecola di H2O al doppio legame (idratazione).

La terza reazione è un'altra deidrogenazione che trasforma il gruppo ossidrilico sul C3 in gruppo carbonilico, però in questa occasione l’H+ che viene staccato, si lega al NAD.

La quarta reazione comporta la scissione della molecola di chetoacido portando alla formazione di un Acetil-CoA e un Acil-CoA con catena più corta (2 C in meno).

Questo concatenarsi di reazioni viene ripetuta tante volte quanti sono i C della catena/2 meno uno, poiché alla fine si formano 2 molecole Acetil-CoA che, come ultima via metabolica, possono entrare nel ciclo di Krebs dove si legheranno all'ossalacetato per un'ulteriore ossidazione fino ad arrivare a produrre CO2 e H2O. Per ogni Acetil-CoA ossidato nel ciclo di Krebs si producono 12 ATP.