Ciclo di Krebs e respirazione cellulare: spiegazione facile e schema

Posted on 26/03/2017 by Staff di Medicina OnLine

La respirazione aerobica è il processo che permette di sfruttare il contenuto energetico delle molecole utilizzate nel metabolismo. Per questa via metabolica è necessaria la presenza dell’ossigeno e per questo motivo l’apparizione degli organismi fotosintetici ossigenici è stato un passaggio fondamentale nell’evoluzione dei viventi. La respirazione permette infatti di ossidare il piruvato proveniente dai processi di glicolisi, sfruttando così al massimo il contenuto energetico iniziale del glucosio, zucchero esoso intorno al quale ruota il metabolismo centrale della maggior parte degli esseri viventi.

Negli eucarioti gli enzimi di che intervengono in queste reazioni si trovano nei mitocondri, dove avviene il ciclo di Krebs, o ciclo dei TCA (acidi tricarbossilici) e ciclo dell’acido citrico. Il ciclo è costituito da 8 passaggi. Ma prima di inserirsi in questa via, il piruvato deve essere trasportato attraverso la doppia membrana del mitocondrio, sin nella parte più interna, chiamata matrice mitocondriale. Il piruvato viene poi trasformato in acetilcoenzima A (AcetilCoA) dall’enzima piruvato deidrogenasi, liberando CO₂ e NADH. Questo passaggio è necessario, poiché l’energia contenuta nel legame tioestere (che coinvolge uno zolfo) fra l’acetile e il coenzima A viene usata per il legame con l’ossalacetato, uno degli intermedi del ciclo di Krebs. In quanto ciclo, non si può dire che esso abbia un vero substrato di partenza e un vero prodotto di arrivo.
I vari passaggi di ossidazione, catalizzati dalle deidrogenasi, producono cofattori ridotti: 3 NADH e 1 FADH₂ per ogni piruvato utilizzato, il doppio per ogni glucosio, dato che la glicolisi permette di ottenere 2 molecole di piruvato per ogni glucosio. Gli altri prodotti ottenuti sono 2 CO₂ (che diffonde dalle membrane) e 1 GTP (guanosintrifosfato) dal quale indirettamente si ottiene 1 ATP.

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Il ciclo di Krebs è costituito da 8 reazioni catalizzate da enzimi, i cui intermedi sono spesso substrato di altre vie metaboliche: per questo motivo è necessario che la cellula li sostituisca mediante reazioni di “riempimento” chiamate reazioni anaplerotiche.

L’acetilCoA sintetizzato dalla decarbossilazione ossidativa del piruvato reagisce con l’ossalacetato, ottenendo il citrato. La reazione è catalizzata dall’enzima citrato sintasi, che libera coenzimaA, nuovamente disponibile per la piruvato deidrogenasi.
Il citrato viene trasformato nel suo isomero isocitrato dall’enzima aconitasi, con la formazione di un intermedio insaturo chiamato cis-aconitato.
L’isocitrato viene ossidato ad α-chetoglutarato dall’enzima isocitrato deidrogenasi, che utilizza NAD⁺ come cofattore, il quale viene ridotto a NADH.
L’α-chetoglutarato viene a sua volta ossidato a succinilCoA dall’enzima α-chetoglutarato deidrogenasi, un complesso che utilizza anche il coenzimaA e il NAD⁺ per completare la reazione.
Il succinilCoA perde il coenzimaA, liberando l’energia necessaria per la fosforilazione a livello del substrato del GDP a GTP, in una reazione catalizzata dalla succinilCoA sintetasi, che libera succinato.
Il succinato viene ossidato a fumarato dall’enzima succinato deidrogenasi, liberando FADH₂ a partire da FAD.
Il fumarato subisce l’aggiunta di una molecola d’acqua (idratazione) ottenendo L-malato, mediante l’enzima fumarato idratasi.
L-malato viene ossidato a ossalacetato dall’enzima malato deidrogenasi, liberando NADH.

MEDICINA ONLINE CICLO DI KREBS ACIDI TRICARBOSSILICI.jpg

Visto che non risulta conveniente coinvolgere così tanti enzimi per guadagnare solo 1 ATP, la cellula sfrutta i cofattori ridotti accumulati nella glicolisi e nel ciclo di Krebs per produrre altro ATP. Sulla membrana interna sono presenti un gruppo di proteine integrali che svolgono il ruolo di deidrogenasi. Esse sono in grado di ossidare il NADH e il FADH₂ e di utilizzare l’energia potenziale degli elettroni che da essi ottengono, i quali derivano in origine dall’ossidazione del glucosio e del piruvato. Queste proteine sono enzimi che vengono chiamati nel loro insieme catena di trasporto degli elettroni.

Il complesso I, chiamato anche NADH:ubichinone deidrogenasi, catalizza il trasferimento degli elettroni dal NADH all’ubichinone (coenzima Q): il NADH si ossida a NAD⁺, mentre l’ubichinone risulta ridotto a ubichinolo. Il complesso di più di 40 proteine contiene un centro ferro-zolfo (Fe-S), in grado di facilitare il trasferimento degli elettroni.
Il complesso II è in realtà uno degli enzimi del ciclo di Krebs, ovvero la succinato deidrogenasi, che catilizza la reazione n°6. Questo complesso ha un funzionamento simile al complesso I, in quanto il complesso II catalizza il passaggio di elettroni dal FADH₂ all’ubichinone, ottenendo FAD ossidato e coenzima Q ridotto.
Il complesso III viene chiamato anche ubichinone:citocromo c ossidoreduttasi, e catalizza il trasferimento di elettroni dall’ubichinolo al citocromo c, che risulta ridotto.
Il complesso IV, chiamato citocromo ossidasi, trasferisce gli elettroni all’ossigeno (O₂), riducendolo a H₂O. Senza l’ossigeno, accettore finale degli elettroni, la cellula non sarebbe in grado di smaltire gli elettroni: per questo motivo la sua presenza (e quindi l’aerobiosi) è fondamentale.

I complessi I, III e IV sono in realtà delle pompe protoniche in grado di sfruttare l’energia delle reazioni redox che catalizzano per trasportare protoni (H⁺) dalla matrice allo spazio intermembrana, creando così un gradiente di concentrazione ad alta energia potenziale. I protoni infatti subiscono forte repulsione elettrostatica e cercano una “valvola di sfogo” per allontanarsi, cedendo la propria energia a qualcun altro.
L’enzima ATP sintasi, anch’esso nella membrana interna del mitocondrio, è in grado di usare questo gradiente per legare un gruppo fosfato all’ADP, sintetizzando l’ATP, la cui energia è proprio contenuta nel legame dell’ultimo gruppo fosfato, che qui si forma. Questo tipo di aggiunta di un gruppo fosfato viene chiamato fosforilazione ossidativa. La reazione completa, a partire dal glucosio e comprendendo quindi la glicolisi e la catena di trasporto degli elettroni, è la seguente:

C₆H₁₂O₆ + 6O2 → 6CO₂ + 6H₂O + 36 (o 38) ATP

MEDICINA ONLINE CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI BIOCHIMICA RESPIRAZIONE CELLULARE.jpg

Vi spiego come far entrare sette miliardi di persone in una palla da tennis

Posted on 11/03/2014 by Staff di Medicina OnLine

MEDICINA ONLINE EMILIO ALESSIO LOIACONO MEDICO CHIRURGO SPORT TENNIS PALLA RACCHETTA GARA Che siamo fatti di atomi credo lo sappiate già tutti; ma lo sapete che gli atomi sono fatti al 99,9999999999% di vuoto? Se togliessimo tutto lo spazio vuoto tra nucleo ed elettroni, tutti i 7 miliardi di abitanti della terra entrerebbero nello spazio di una palla da tennis! Ma se siamo fatti di atomi, e gli atomi sono fatti quasi solamente di vuoto, come mai se ci sediamo sulla sedia non cadiamo letteralmente per terra? Cominciamo dal principio!

Com’è fatto un atomo?

L’atomo (dal greco ἄτομος cioè “indivisibile”) è una struttura intorno alla quale è organizzata la materia nel mondo fisico. Più atomi formano le molecole, mentre gli atomi sono a loro volta formati da costituenti subatomici quali protoni, neutroni ed elettroni.

MEDICINA ONLINE CHIMICA ATOMO NUCLEO FISSIONE REAZIONE NUCLEARE BOMBA ATOMICA PROTONE NEUTRONE ORBITALE ENERGIA ELETTRONE IONE POSITIVO NEGATIVO COMPOSTO ELEMENTO H20 HO2

Come potete vedere in questa immagine, al centro dell’atomo c’è un nucleo in cui è concentrata la gran parte della massa dell’intero atomo. Tale nucleo è formato dai protoni (carichi positivamente) e i neutroni (privi di carica). Ad una certa distanza dal nucleo c’è una zona in cui si ha una certa probabilità di trovare uno o più elettroni (carichi negativamente) che possiedono il resto della massa dell’atomo e ruotano all’interno degli orbitali. Gli elettroni hanno una massa estremamente più piccola rispetto al nucleo, per capirci il nucleo è circa 1800 volte più grande di un elettrone.

Atomi piccolissimi e con enormi distanze tra nucleo ed elettroni

I concetti veramente importanti ai fini di questo articolo sono due: un atomo è piccolissimo; la distanza tra nucleo ed elettroni all’interno di un atomo è, in relazione alle dimensioni dell’atomo stesso, enormemente elevata. Eccovi un bell’esempio – tratto da “Il Tao della Fisica” di Fritjof Capra – che chiarisce le dimensioni degli “indivisibili”:
Immaginiamo un’arancia che abbia dimensioni pari a quelle del pianeta terra Terra. A questo punto gli atomi dell’arancia sarebbero grandi come ciliegie. Miriadi di ciliegie strettamente impacchettate in un globo delle dimensioni della Terra: ecco un’immagine ingrandita degli atomi di un’arancia.
Questo per dire che la grandezza di una arancia sta alla grandezza di un suo atomo; come la grandezza del pianeta terra sta alla grandezza di una ciliegia. Le distanze elevatissime tra nucleo ed elettroni si possono comprendere con un altro esempio: se il nucleo atomico fosse grande quanto una mela, gli elettroni gli ruoterebbero attorno ad una distanza pari a circa un chilometro!

Energia

Insomma siamo fatti di tanti piccoli atomi che però sono fatti quasi di nulla. Com’è possibile che due corpi che si scontrano si respingano, se sono entrambi fatti praticamente di… niente? Il motivo è il seguente: due elettroni non possono trovarsi contemporaneamente nello stesso stato quantistico. Quindi quando due elettroni si avvicinano, superato un certo limite iniziano a respingersi automaticamente, come due calamite di polo opposto (principio di esclusione di Pauli). Scritto diversamente: le molecole che compongono la materia non possono essere spinte arbitrariamente una contro l’altra, poiché gli elettroni di ogni molecola non possono entrare nello stesso stato degli elettroni di un’altra molecola. Quando ci sediamo su una sedia pensiamo di toccarla appoggiando il nostro corpo sulla sua superficie, ma in realtà stiamo semplicemente sospesi a meno di un nanometro di distanza dalla sedia, respinti dalle forze elettriche degli atomi che compongono essa ed il nostro corpo. Sono quindi le forze elettriche che entrano in gioco tra gli elettroni delle varie molecole a renderci “solidi” e permetterci di occupare un dato spazio.

Siamo fatti di vuoto

Prima di chiudere voglio insistere su quanto siamo “vuoti dentro” (fisicamente, metaforicamente è un altro discorso!). Ciò appare chiaro facendo un conto: visto che l’atomo ha un raggio di circa 10^-10 metri e il nucleo ha un raggio di 10^-14 metri, a quanto corrisponde la percentuale di spazio vuoto?

1 – (raggioNucleo/raggioAtomo)^3 = 0,999999999999 cioè 99,9999999999% (ci sono ben dieci ’9′ dopo la virgola).

Per capirci: il calcolo che ho fatto nasce dal rapporto tra “volume totale dell’atomo” (raggioAtomo^3 per 4/3 * ∏) e “volume del nucleo” (raggioNucleo^3 per 4/3 * ∏). Semplificando si trova la percentuale. Il calcolo è solo una stima, visto che gli atomi sono molti e hanno tutti raggi diversi, inoltre ogni atomo può avere tanti elettroni; tuttavia il concetto è chiaro: siamo fatti al 99,9999999999% di niente (e il valore di vuoto aumenta quando consideriamo il cervello di certe persone!). Questo ci riporta al pensiero alla base di questo articolo: se togliessimo tutto lo spazio vuoto tra nucleo ed elettroni degli atomi dell’intera umanità, tutti i 7 miliardi di abitanti della terra entrerebbero comodamente nello spazio di una palla da tennis, in barba alla sovrappopolazione!