Autore Bruno Pacifici

Metabolismo, biosintesi e nutrizione

Mezzi alternativi per la produzione di energia

Panoramica del metabolismo

Energia

Energia di attivazione, catalisi ed enzimi

Ossido-riduzione

Trasportatori di elettroni

Adenosina trifosfato (ATP) e composti difosfato ad alta energia

Energia rilasciata nei sistemi biologici

Fermentazione

Respirazione

Sistema di trasporto degli elettroni

Conservazione dell’energia nei sistemi di trasporto degli elettroni

Flusso del carbonio: il ciclo degli acidi tricarbossilici

Bilancio energetico della respirazione aerobica

Ricambio di ATP e ruolo dei composti che immagazzinano energia

Mezzi alternativi per la produzione di energia

L’energia viene generata, alternativamente, con una modificazione del sistema di respirazione dove vengono usati altri accettori diversi dall’ossigeno. Per le analogie con la respirazione, questi processi sono denominati respirazione anaeorobica. In questo processo gli accettori di elettroni fanno rilasciare al processo minore energia rispetto a quanta ne fa rilasciare l’ossigeno come accettore, in quanto si trovano in una posizione più alta nella torre degli elettroni. Comunque, l’utilizzazione di questi accettori alternativi permette a microrganismi non fermentativi di svilupparsi in ambienti in cui l’ossigeno è assente.

Il metabolismo chemiolitotrofo coinvolge processi di respirazione aerobica, ma usa una fonte di energia inorganica. I chemiolitotrofi hanno gli stessi componenti del trasporto di elettroni dei chemiorganotrofi e sono capaci di generare una forza motrice di protoni. Una distinzione importante tra chemiolitotrofi e chemiorganotrofi, comunque, sta nelle fonti di carbonio usate per la biosintesi. I chemiorganotrofi possono generalmente usare come risorsa di carbonio e come fonte di energia composti quali il glucosio, ma i chemiolitotrofi non possono certo, usare i loro composti energetici inorganici come fonte di carbonio. I chemiolitotrofi che utilizzano il biossido di carbonio sono chiamati autotrofi. Quelli che usano composti organici come fonte di carbonio sono chiamati eterotrofi.

I processi in cui la luce è usata come fonte di energia sono unici e complessi, ma il loro risultato è la generazione di una forza motrice di protoni che può essere usata nella sintesi dell’ATP. La maggior parte dei fototropi usano l’energia conservata nell’ATP per l’assimilazione del biossido di carbonio come fonte di carbonio per la biosintesi. Tali fototrofi, sono anche quindi, autotrofi. Tuttavia la fotosintesi nei microrganismi ha alcune caratteristiche particolari e alcune complicazioni. Ci sono ad esempio, due tipi di fotosintesi nei microrganismi, una forma simile a quella delle piante superiori e un tipo unico di fotosintesi, trovato soltanto in alcuni procarioti.

Una delle caratteristiche principali di un organismo vivente è la sua capacità di organizzare molecole e reazioni chimiche in sequenze specifiche. L‘espressione ultima di questa organizzazione è la capacità di un organismo vivente di replicare se stesso. Il termine metabolismo viene usato in riferimento a tutti i processi chimici che hanno luogo nella cellula. Il termine metabolismo deriva dalla parola greca metabole, che significa “cambiamento”, e possiamo pensare che una cellula sia in continuo cambiamento quando compie i suoi processi vitali Benché la cellula appaia al microscopio come una struttura fissa e stabile. è. in realtà, una entità dinamica, che va continuamente incontro a cambiamenti.

Le cellule microbiche sono costituite da una grande varietà di sostanze chimiche, e quando una cellula cresce, tutti questi costituenti chimici aumentano di quantità. Gli elementi chimici base di una cellula vengono dall’ambiente e sono trasformati da questa nei costituenti caratteristici che la compongono.

Gli elementi chimici provenienti dall’ambiente sono detti nutrienti. I nutrienti assorbiti dalla cellula vengono trasformati nei costituenti cellulari. L’anabolismo è il processo per cui una cellula viene “costruita”, partendo dai nutrienti semplici ottenuti dal suo ambiente. Poiché l’anabolismo ha come risultato la sintesi biochimica di nuovo materiale, è spesso chiamato biosintesi.

La biosintesi è un processo che richiede energia, e ogni cellula deve avere un mezzo per ottenerla. Le fonti di energia sono ottenute dall’ambiente, e ne vengono usate due: luce e sostanze chimiche. Benché alcuni organismi ottengano l’energia dalla luce, la maggior parte la ottiene dall’ossidazione dei composti chimici. Le sostanze chimiche usate come fonte di energia vengono degradate in costituenti più semplici, e quando avviene la degradazione viene rilasciata energia. Il catabolismo è il processo per cui le sostanze chimiche vengono degradate e l’energia rilasciata. Le cellule necessitano di energia anche per funzioni cellulari come il movimento cellulare e il trasporto dei nutrienti.

Ci sono quindi due tipi di processi di trasformazioni chimiche che avvengono nelle cellule, il processo di costruzione, chiamato anabolismo, e quello di degradazione, chiamato catabolismo. Il metabolismo è il risultato complessivo delle reazioni anaboliche e cataboliche.

Panoramica del metabolismo

Nell’anabolismo, le sostanze nutritive provenienti dall’ambiente vengono convertite nei vari componenti cellulari, mentre nel catabolismo le fonti di energia dell’ambiente sono convertite nei prodotti di rifiuto. Le reazioni cataboliche hanno come risultato il rilascio di energia, mentre le reazioni anaboliche hanno come risultato il consumo di energia. In questa parte, prenderemo in considerazione alcuni dei processi anabolici e catabolici usati dai microrganismi.

I microrganismi vengono classificati per convenzione in classi metaboliche, secondo le fonti di energia che usano. Tutti i termini usati per descrivere queste classi impiegano la combinazione con il suffisso tropho che deriva dalla parola greca “nutrire”. Così. gli organismi che usano la luce come fonte di energia sono chiamati fototrofici (photo In greco significa “luce”). Gli organismi che usano sostanze chimiche come fonte di energia sono chiamati chemiotrofici. La maggior parte degli organismi di cui ci occupiamo in microbiologia usano composti organici come fonte di energia e così sono chiamati chemiorganotrofici. In questa prima parte tratteremo il metabolismo di fonti di energia organiche, e la discussione sull’uso della luce e delle sostanze chimiche inorganiche come fonti di energia verrà affrontata per ultima.

La conoscenza del metabolismo cellulare è utile per la comprensione della biochimica della crescita microbica. L‘energia è necessaria per la sintesi delle macromolecole e per la varietà di reazioni chimiche necessarie per la crescita cellulare. Inoltre, la conoscenza del metabolismo aiuta lo sviluppo di utili procedure di laboratorio per coltivare microrganismi e per prevenire la crescita di microrganismi indesiderati.. Poiché molte delle conseguenze pratiche importanti della crescita microbica, come le malattie infettive e la produzione di prodotti utili dai microrganismi, sono legate al metabolismo microbico, una conoscenza del metabolismo cellulare è di grande utilità nella microbiologia medica e applicata. Persino la formazione dei prodotti metabolici di rifiuto è di grande interesse. Per esempio, un prodotto di rifiuto del lievito durante il catabolismo è l’etanolo, il costituente principale delle bevande alcoliche (vino. birra, whiskey, ecc.).

Energia

L‘energia è definita come la capacità di fare lavoro. In questo capitolo discutiamo di come gli organismi viventi usino l’energia chimica. L‘energia chimica è l’energia rilasciata quando i composti organici o inorganici vengono ossidati. La prima legge della termodinamica ci dice che l’energia può essere convertita da una forma ad un`altra ma non può essere né creata né distrutta. Poiché le sue molte forme sono interconvertibili, l’energia è più convenientemente espressa da una singola unità energetica. Benché esistano molte unità di energia, in biologia le più comunemente usate sono le chilocalorie (kcal) e i chilojoule (kJ). Una chilocaloria è definita come la quantità di calore necessaria per innalzare la temperatura di un chilogrammo di acqua di l’C. Una chilocaloria equivale a 4,184 kJ. Poiché il M è largamente usato nell’energetica microbica, In questo testo useremo il chilojoule.

Energia libera

Le reazioni chimiche sono accompagnate da trasformazioni energetiche. La quantità di energia coinvolta in una reazione chimica viene espressa in termini di guadagno o perdita di energia durante la reazione. La quantità di energia rilasciata durante una reazione chimica viene descritta dalle due espressioni H e G.

H, chiamata entalpia, esprime la quantità totale di energia rilasciata durante una reazione chimica. Comunque, una parte dell’energia rilasciata non è disponibile per fare lavoro utile e viene infatti persa come calore.

G, chiamata energia libera, è usata per esprimere l’energia rilasciata che è disponibile per fare lavoro utile. La trasformazione dell’energia libera durante una reazione è espressa come DG°’, dove il simbolo D dovrebbe essere letto come “cambiamento di”. La concentrazione di reagenti e prodotti e il pH (dove H⁺ è un reagente o un prodotto) interesserà le trasformazioni dell’energia libera osservata. I soprascritti º e ' significano che un dato valore di energia libera è stata ottenuta in condizioni “standard”: pH 7, 25ºC e con tutti i reagenti e i prodotti inizialmente alla concentrazione di 1 molare.

Se nella reazione A + B -> C + D il DG°’è negativo, allora viene rilasciata energia libera e la reazione, così come è scritta, avverrà spontaneamente; tali reazioni sono chiamate esoergoniche. Se, d’altra parte, il DG°’ è positivo, la reazione non avverrà spontaneamente, ma avverrà spontaneamente invece la reazione inversa (verso sinistra); tali reazioni sono chiamate endoergoniche.

Una reazione esoergonica procederà finchè aumenta la concentrazione dei prodotti; quando la concentrazione dei prodotti non aumenta più, si ha la reazione opposta, cioè la riconversione dei prodotti a reagenti. Alla fine, viene raggiunto un equilibrio in cui le reazioni diretta e inversa sono esattamente bilanciate. Questa condizione bilanciata non significa che reagenti e prodotti siano presenti in concentrazioni uguali. La concentrazione di prodotti e reagenti all’equilibrio è correlata all’energia libera della reazione, Se la reazione, procede con un DG°’ largamente negativo, allora l’equilibrio è spostato verso i prodotti e rimarranno pochi reagenti. Al contrario, se la reazione procede con un DG°’negativo. allora all’equilibrio ci sono quantità pressoché uguali di prodotti e reagenti. Determinando le concentrazioni di prodotti e reagenti all’equilibrio, è possibile calcolare l’energia libera prodotta da ogni reazione.

Oltre a parlare di energia libera prodotta dalle reazioni, è necessario parlare dell’energia libera delle specifiche sostanze. Questa è l’energia libera di formazione, l’energia prodotta o l’energia rilasciata per la formazione di una data molecola dagli elementi. Per convenzione l’energia libera di formazione (G°_f)degli elementi (per esempio C, H₂, N₂) è zero. Se la formazione di un composto dagli elementi procede in modo esoergonico, allora l’energia libera di formazione del composto è negativa (viene rilasciata energia), mentre se la reazione è endoergonica (viene richiesta energia) allora l’energia libera di formazione del composto è positiva. Per la maggior parte dei composti G°_f è negativo, riflettendo il fatto che i composti tendono a formarsi spontaneamente dagli elementi. Inoltre le relative probabilità di diverse reazioni (in questo caso le formazioni) possono essere calcolate paragonando le rispettive energie di formazione; vediamo ad esempio che si forma più facilmente il glucosio (G°_f ,-917,22 kj/mole) da C, H ed O che non il metano (G°_f, -50,75 kJ/mole) da C ed H. Il G°_f positivo per l’ossido di azoto (+ 104,81 kj/mole) ci dice che questa molecola non si formerà spontaneamente, ma che, anzi, si decomporrà facilmente in azoto e ossigeno.

Usando l’energia libera di formazione è possibile calcolare la trasformazione in energia libera che avviene in una data reazione. Per una semplice reazione, come A + B à C + D, il DG°’ è calcolato sottraendo la somma delle energie libere di formazione dei reagenti (in questo caso A e B) dal prodotti (C e D). Così: DG°’di A + B à C + D = G°_f’ [C + D] - G°_f, [A + B]

La frase “prodotti meno reagenti” riassume in poche parole gli stadi che sono necessari per calcolare le trasformazioni dell’energia libera che avvengono durante le reazioni chimiche. La reazione deve, comunque, essere chimicamente bilanciata prima che vengano fatti i calcoli dell’energia libera.

Energia di attivazione, catalisi ed enzimi

I calcoli dell’energia libera ci dicono soltanto quali condizioni prevarranno quando la reazione o il sistema è all’equilibrio; non ci dicono però quanto ci vorrà per raggiungere l’equilibrio. La formazione di acqua dall’ossigeno gassoso e dall’idrogeno è un buon esempio. Il guadagno energetico di questa reazione è abbastanza favorevole (l’energia libera di formazione è di -237,17kJ/mole). Comunque, se bastasse semplicemente mescolare O₂ e H₂ insieme, non avverrebbe , nessuna formazione d’acqua. La spiegazione è che il riarrangiamento degli atomi di ossigeno e idrogeno per formare l’acqua richiede che i legami chimici dei reagenti si rompano. La rottura dei legami richiede energia, e questa energia è detta energia di attivazione. L`energia di attivazione è la quantità di energia (in Kj) richiesta per portare tutte le molecole di una reazione chimica allo stato reattivo.L `idea di energia di attivazione ci porta al concetto di catalisi. Un catalizzatore è una sostanza che serve per abbassare l’energia di attivazione di una reazione. Un catalizzatore serve anche ad aumentare la velocita‘ di reazione, anche se esso non viene modificato. E` importante notare che i catalizzatori non influenzano cambiamenti energetici di una reazione, ma influenzano soltanto la velocità a cui procedono le reazioni.

La maggior parte delle reazioni negli organismi viventi non avverrebbero ad una velocità apprezzabile senza catalizzatore. I catalizzatori delle reazioni biologiche sono proteine chiamate enzimi. Gli enzimi sono altamente specifici per le reazioni che catalizzano; infatti. ogni enzima catalizza un singolo tipo di reazione chimica, o, nel caso di certi enzimi, una classe di reazioni correlate. Questa specificità è connessa a precise strutture tridimensionali della molecola enzimatica. In una reazione catalizzata da un enzima, l’enzima si combina temporaneamente con il reagente, chiamato substrato (S) dell’enzima, formando il complesso enzima-substrato. Quando la reazione procede, il prodotto (P) viene rilasciato e l` enzima (E) ritorna al suo stato iniziale:

E + SD E-S D E + P

L`enzima è generalmente più grande del substrato e la combinazione tra enzima e substrato dipende generalmente da legami deboli, come i legami idrogeno, le forze di van der Waal e le interazioni idrofobiche necessarie per unire l`enzima al substrato. Ci riferiamo alle parti di enzima a cui si legano i substrati come al sito attivo dell’enzima.

Catalisi enzimatica

Il potere catalitico degli enzimi è impressionante. Gli enzimi aumentano da 10⁸ a 10²⁰ volte la velocità a cui le reazioni chimiche avverrebbero spontaneamente. Per catalizzare una specifica reazione. un enzima deve fare due cose:

(1) legare il substrato appropriato,

(2) posizionare il substrato relativo sul sito attivo dell’enzima.

Il legame del substrato all’enzima produce il complesso enzima-substrato, che serve per allineare i gruppi reattivi e porre in tensione legami specifici nel substrato. Il risultato della formazione del complesso enzima-substrato è una riduzione dell’energia di attivazione richiesta per far procedere la reazione di conversione da substrato a prodotto.

Gli enzimi possono anche catalizzare reazioni endoergoniche, convertendo i substrati poveri di energia in prodotti ricchi di energia. In questo caso, non soltanto si deve superare la barriera dell’energia di attivazione, ma deve essere immessa nel sistema energia sufficiente per innalzare il livello di energia dei substrati a quello dei prodotti. Benché, teoricamente. l’azione degli enzimi sia reversibile, in pratica gli enzimi che catalizzano reazioni altamente esoergoniche o altamente endoergoniche sono essenzialmente unidirezionali. Se una reazione particolarmente esoergonica necessita di essere invertita durante il metabolismo cellulare, in tale reazione vi è frequentemente coinvolto un diverso enzima.

Struttura degli enzimi

Come abbiamo visto, gli enzimi sono proteine, quindi polimeri di subunità chiamate aminoacidi. Ogni enzima ha una specifica forma tridimensionale. La disposizione lineare di aminoacidi (struttura primaria) si piega e ruota in una specifica configurazione per ottenere una struttura secondaria e terziaria. La conformazione specifica di un enzima può essere vista più facilmente in un modello piano generato al computer. Gli enzimi, essendo proteine, sono soggetti anche agli effetti di variabili fisiche e chimiche, particolarmente temperatura e pH. Ad esempio, gli enzimi degli organismi capaci di crescere ad alta temperatura (termofili e ipertermofili) sono abbastanza stabili al calore, mentre quelli da organismi non termofili vengono rapidamente inattivati dal calore. Tali differenze vengono da variazioni nella sequenza di aminoacidi dei diversi enzimi. Bisogna ricordare che le differenze nella sequenza di aminoacidi in realtà si traducono in differenze nel ripiegamento della proteina. Una proteina ripiegata in modo specifico assumerà così specifiche proprietà fisiche e di legame.

Molti enzimi contengono piccole molecole non proteiche che partecipano alla funzione catalitica. queste piccole molecole associate agli enzimi sono divise in due categorie, sulla base della natura dell’associazione con l’enzima, i gruppi prostetici e i coenzimi. I gruppi prostetici sono strettamente legati ai loro enzimi, generalmente in modo permanente. Se un enzima contiene un gruppo prostetico, la sola parte proteica è chiamata apoenzima e l’enzima completo, che si forma quando il gruppo prostetico viene legato, è chiamato oloenzima. Il gruppo eme è un esempio di gruppo prostetico presente nei citocromi, che saranno descritti in dettaglio più avanti . I coenzimi sono legati piuttosto debolmente agli enzimi e una singola molecola di coenzima può associarsi con enzimi diversi nelle varie fasi della crescita cellulare. I coenzimi servono come intermedi portatori di piccole molecole da un enzima ad un altro. La maggior parte dei coenzimi sono derivati delle vitamine.

Gli enzimi prendono il nome o dal substrato che legano o dalla reazione chimica che catalizzano, per aggiunta del suffisso -asi. Così la cellulasi è un enzima cha attacca la cellulosa, la glucosio ossidasi è un enzima che catalizza l’ossidazione del glucosio, e la ribonucleasi è un enzima che decompone l’acido ribonucleico.

Ossido-riduzione

L’utilizzazione dell’energia chimica negli organismi viventi coinvolge le reazioni di ossido-riduzione (talvolta chiamate redox). Chimicamente, un’ossidazione è definita come la rimozione di uno o più elettroni da una sostanza. Una riduzione è definita come l’aggiunta di uno o più elettroni ad una sostanza. In biochimica, ossidazioni e riduzioni frequentemente coinvolgono il trasferimento non soltanto di elettroni, ma di interi atomi di idrogeno. Un atomo di idrogeno (H) consiste di un elettrone più un protone. Quando un elettrone è rimosso l’atomo di idrogeno diventa un protone (o ione idrogeno, H⁺). Avremo necessità di distinguere tra reazioni di ossido-riduzione che coinvolgono soltanto elettroni e quelle che coinvolgono soltanto atomi di idrogeno, ma i concetti che verranno sviluppati avranno come esempio principalmente il trasferimento degli atomi di idrogeno.

Nelle reazioni di ossido-riduzione in cui non è coinvolto l’ossigeno molecolare (O₂), è importante il trasferimento degli atomi di idrogeno (o degli elettroni). Per esempio l’idrogeno gassoso (H₂) può rilasciare elettroni e ioni idrogeno (protoni) e diventare ossidato: H₂ à 2e^- + 2H⁺

Gli elettroni non possono, comunque, esistere isolati in soluzione, devono essere parti di atomi o molecole. L`equazione così scritta ci dà l’informazione chimica, ma non rappresenta essa stessa una vera reazione. La precedente reazione è soltanto metà reazione, e questo implica la necessità di una seconda reazione. Questo perchè per ogni ossidazione deve anche avvenire una successiva riduzione. Per esempio, l’ossidazione di H₂ potrebbe accoppiarsi alla riduzione di molte sostanze diverse, compreso O₂, in una seconda reazione: ½O₂ + 2e^- + 2H⁺ à H₂O

Questa semi reazione, che è una riduzione, quando è accoppiata all’ossidazione di H₂, porta alla seguente reazione complessiva bilanciata: H₂ + ½02 à H₂O

Nelle reazioni di questo tipo, ci riferiamo alla sostanza ossidata, in questo caso H₂, come al donatore di elettroni, e alla sostanza ridotta, in questo caso O₂, come all’accettore di elettroni. La chiave di comprensione delle ossidazioni e riduzioni biologiche è che esse devono mantenere bilanciate le proprie semi-reazioni; ci deve essere sempre una reazione che coinvolge un donatore di elettroni e un`altra reazione che coinvolge un accettore di elettroni.

Potenziali di riduzione

I composti chimici hanno una diversa tendenza a rilasciare elettroni e diventare ossidati o ad accettare elettroni e diventare ridotti. Questa tendenza è espressa come potenziale di riduzione (E₀) delle sostanze. Questo potenziale è misurato elettricamente in riferimento ad una sostanza standard, H₂. Mettendo in relazione tutti i potenziali ai valori standard è possibile esprimere i potenziali di varie semi-reazioni su una singola scala, rendendo possibili facili paragoni tra varie reazioni. Per convenzione i potenziali di riduzione sono espressi come semi-reazioni scritte con l’ossidante a sinistra, ossia come riduzioni, ovvero ossidante + e^- à prodotto ridotto. Se i protoni sono coinvolti nella reazione, come spesso accade, allora il potenziale di riduzione sarà in qualche modo influenzato dalla concentrazione di ioni idrogeno (pH). Per convenzione in biologia, i valori dei potenziali di riduzione sono dati alla neutralità (pH 7). poiché il citoplasma della cellula è neutro o quasi. Usando queste convenzioni, a pH 7 il potenziale di riduzione (Eº') di

½O₂ + 2e^-+ 2H⁺ ’ H₂O è +0,816 V

e che di 2H⁺ + 2e^- ’ H₂ è -0,421 V.

Coppie di ossido-riduzione e reazioni accoppiate

Le molecole funzionano da donatori o accettori di elettroni in diverse circostanze, secondo le sostanze con cui reagiscono. Il medesimo atomo, da ciascun lato della freccia della semi-reazione, può essere pensato come rappresentante di una coppia di ossido-riduzione (0-R), ad esempio 2H⁺/H₂ 0 ½0₂/H₂0. Quando si scrive una coppia di O-R, la forma ossidata sarà sempre posta a sinistra.

Nel ricostruire reazioni accoppiate di ossido-riduzione partendo dalle semi-reazioni che le costituiscono, è più semplice ricordare che la sostanza ridotta di una coppia O-R (il cui potenziale di riduzione è più negativo) dona elettroni alla sostanza ossidata di una coppia O-R (il cui potenziale di riduzione è più positivo), Così, nella coppia redox 2H⁺/H₂ che ha un potenziale di -0.42 V l’H₂ ha una grande tendenza a donare elettroni. D’altra parte, nella coppia redox ½0₂/H₂0, che ha un potenziale di +0,82 V l’H₂0 ha una scarsa tendenza a donare elettroni, ma 0₂ ha una grande tendenza ad accettare elettroni. Ne segue, allora, che nelle reazioni accoppiate di H₂ e 0₂, H₂ servirà come donatore di elettroni, e diventerà ossidato, 0₂ invece servirà come accettore di elettroni e diventerà ridotto . Nel caso in cui, per convenzione. entrambe le semi-reazioni fossero scritte come riduzioni, in una reazione di O-R una delle due semi-reazioni deve essere scritta come una ossidazione e perciò procederà nella direzione inversa.

La torre di elettroni

Un modo conveniente di vedere il trasferimento di elettroni nei sistemi biologici è di immaginare una torre verticale (Figura ).

FIGURA La torre degli elettroni. le coppie redox sono posizionate dai riducenti più forti (potenziali di riduzione negativi) in cima, agli ossidanti più forti (potenziali di riduzione positivi) in fondo. Quando gli elettroni vengono donati dalla cima della torre, essi vengono ‘catturati’ dagli accettori a vari livelli. Quanto più lontano gli elettroni cadono prima che essi vengono catturati, tanto più grande è la differenza nel potenziale di riduzione tra donatori e accettori di elettroni, tanta più energia viene rilasciata. A destra della scala si trova l’energia rilasciata, data in gradini di 40kJ/mole, assumendo due trasferimenti di elettroni in ogni caso. Alcune delle semi-reazioni indicate coinvolgono il trasferimento di parecchi elettroni, per esempio, la coppia CO₂-glucosio. Questa reazione è inclusa come esempio biologicamente importante di un processo generico. La riduzione reale da CO₂ a glucosio coinvolge diverse reazioni redox piu` piccole. DGº' per 2 electrons,40KJ steps = DGº' per 2 elettroni, gradini di 40Kj ciascuno.

La torre rappresenta l’intervallo di potenziale di riduzione per le coppie di O-R, dal più negativo in cima al più positivo in basso. La sostanza ridotta nella coppia alla cima della torre ha un potenziale di energia più alto. e la sostanza ridotta nella parte bassa della torre ha il potenziale di energia più basso. D’altra parte, la sostanza ossidata nella coppia di O-R in cima alla torre ha la minor tendenza ad accettare elettroni, mentre la- sostanza ossidata nella coppia nel fondo della torre ha la maggiore tendenza ad accettare elettroni.

Quando gli elettroni cadono dal donatore di elettroni in cima alla torre, essi possono essere “catturati” dagli accettori a vari livelli. La differenza nel potenziale elettrico tra due sostanze è espresso come DE_O’. Più lontano gli elettroni cadono prima che vengano catturati, maggiore è la quantità di energia che viene rilasciata; questo significa che DE_O’ è proporzionale a DG_O’. O₂, in fondo alla torre è l’accettore finale (in altri termini, è l’agente ossidante più potente). Nel mezzo della torre, la coppia di O-R può agire sia da accettore che da donatore. Ad esempio, la coppia 2H⁺/H₂ ha un potenziale di riduzione di -0,42 volts. La coppia acido fumarico-acido succinico ha un potenziale di +0,02 volts. Quindi, l’ossidazione dell’idrogeno può essere accoppiata alla riduzione dell’acido fumarico:

H₂ + ac. fumarico ---> acido succinico

D’altra parte, l’ossidazione dell’acido succinico ad acido fumarico può essere accoppiata alla riduzione di N0₃^- o di ½O₂:

Acido succinico + NO₃à acido fumarico + NO₂^-

Acido succinico + ½O₂ à acido fumarico + H₂O

Quindi, in condizioni in cui l’ossigeno sia assente (chiamate anaerobiche o anossiche) in presenza di H₂, l’acido fumarico può agire come accettore di elettroni (producendo acido succinico), e in altre condizioni (per esempio anaerobiche in presenza di NO₃^-, o aerobiche) l’acido succinico può agire come donatore di elettroni (producendo acido fumarico). Infatti, tutte le trasformazioni che coinvolgono l’acido fumarico e l’acido succinico possono essere portate avanti da vari microrganismi in certe condizioni nutrizionali e ambientali.

Nel catabolismo ci si riferisce spesso al donatore di elettroni come alla fonte di energia. È necessario ricordare, comunque, che è la reazione accoppiata di ossido-riduzione che realmente rilascia energia. Come discusso nel contesto della torre di elettroni, la quantità di energia rilasciata in una O-R dipende dalla natura di entrambi, il donatore di elettroni e l’accettore di elettroni: maggiore è la differenza tra i potenziali di riduzione di due semi reazioni, più energia sarà rilasciata dopo il loro accoppiamento.

Trasportatori di elettroni

Il trasferimento di elettroni dal donatore all’accettore in una reazione cellulare di ossido-riduzione coinvolge uno o più intermedi, a cui ci si riferisce come trasportatori. Quando vengono usati tali trasportatori, ci si riferisce al donatore iniziale come donatore primario di elettroni e all’accettore finale come accettore terminale di elettroni. Il guadagno netto di energia nella reazione completa è determinato dalla differenza nei potenziali di riduzione tra donatore primario e accettore terminale. Il trasferimento di elettroni tramite intermedi coinvolge una serie di reazioni di ossido-riduzione, ma il guadagno di energia da ciascuno di questi stadi deve aggiungersi al valore ottenuto considerando soltanto i composti iniziale e finale.

I trasportatori di elettroni intermedi possono essere divisi in due classi generali: quelli liberamente diffusibili, e quelli che aderiscono agli enzimi nella membrana citoplasmatica. I trasportatori fissati lavorano nelle reazioni di trasporto di elettroni associate alla membrana. I trasportatori liberamente diffusibili Includono i coenzimi NAD⁺ (nicotinamide adenina dinucleotide) e NADP⁺ (NAD fosfato).

NAD⁺ e NADP⁺ sono trasportatori di atomi di idrogeno e trasferiscono sempre due atomi di idrogeno al successivo trasportatore nella catena. Tale trasferimento di atomi di idrogeno è detto deidrogenazione (Correttamente parlando, NAD⁺ o NADP⁺ trasportano due elettroni e un protone, essendo il secondo H⁺ rilasciato in soluzione. Perciò, la reazione NAD⁺ + 2e^- + 2H⁺ realmente significa NADH + H^+. Comunque, per semplicità, scriveremo “NADH + H⁺” come NADH). Il potenziale di riduzione della coppia NAD⁺/NADH (o NADP⁺/NADH) è -0,32 V, il che la pone a un posto alto nella torre di elettroni; questo significa che NADH (o NAPDH) è un buon donatore di elettroni. Benchè le coppie NAD⁺ e NADP⁺ abbiano lo stesso potenziale di riduzione. generalmente hanno funzioni diverse nella cellula. Il NAD⁺ è direttamente coinvolto nelle reazioni che generano energia (cataboliche), mentre il NADP⁺ è coinvolto principalmente nelle reazioni biosintetiche (anaboliche).

I coenzimi, agendo da intermediari aumentano la diversità delle possibili reazioni O-R in quanto rendono possibile l’accoppiamento di molecole chimicamente differenti, come il donatore iniziale e l’accettore finale di elettroni. Come abbiamo visto, la maggior parte delle reazioni biologiche sono catalizzate da enzimi specifici che possono reagire soltanto con un numero limitato di substrati.

Le reazioni di ossido-riduzione procedono in tre stadi:

1.rimozione degli elettroni dal donatore primario

2.trasferimento di elettroni attraverso uno o più trasportatori di elettroni e

3.cessione degli elettroni all’accettore terminale.

Ogni stadio della reazione è catalizzato da un enzima diverso, ognuno dei quali si lega al suo substrato e al suo specifico coenzima. Lo schema nella Figura mostra il funzionamento del coenzima NAD⁺. Dopo che un coenzima ha assolto alla sua funzione biochimica in una reazione, può diffondere attraverso il citoplasma fino a quando incontra un altro enzima che richiede il coenzima in quella forma. La successiva conversione del coenzima lo riporta alla sua forma originale, e così l’intero processo può essere ripetuto di nuovo.

Energia rilasciata nei sistemi biologici

Gli organismi usano molte fonti di energia per la sintesi dei legami fosfato ad alta energia dell’ATP generalmente vengono utilizzate l’energia chimica e l’energia luminosa. Tra tutte le sostanze chimiche, sia i composti organici che i composti inorganici possono servire da donatori di elettroni. Similmente, accettori di elettroni diversi possono essere usati nelle reazioni redox accoppiate, e questi includono sia composti organici che inorganici. Nelle pagine che seguono prenderemo in considerazione i meccanismi con cui l’ATP viene sintetizzato nelle reazioni di ossido-riduzione che coinvolgono composti organici. Il metabolismo dei composti organici è la risorsa di energia per tutti gli animali e per la maggior parte dei microrganismi. In questo capitolo studiamo le reazioni che generano energia a partire dai composti organici, e in diversità metabolica dei microrganismi, invece, i meccanismi che generano energia partendo dalla luce e dai composti inorganici.

L‘insieme delle reazioni che coinvolgono l’ossidazione di un composto è complessivamente chiamato via biochimica. Le vie per l’ossidazione dei composti organici e la conservazione dell’energia nell’ATP possono essere divise in due grandi gruppi: (1) la fermentazione, In cui il processo O-R avviene in assenza di qualsiasi aggiunta di accettori terminali di elettroni; e (2) la respirazione, in cui l’ossigeno molecolare o altri ossidanti servono da accettori terminali di elettroni.

Fermentazione

In assenza di accettori di elettroni forniti dall’esterno, molti organismi compiono reazioni di ossido-riduzione dei composti organici internamente bilanciate, con rilascio di energia; questo processo è chiamato fermentazìone. Ci sono diversi tipi di fermentazioni, ma in condizioni fermentative avviene soltanto l’ossidazione parziale degli atomi di carbonio dei composti organici e perciò viene rilasciata soltanto una piccola quantità del potenziale di energia disponibile. L‘ossidazione in una fermentazione è accoppiata alla successiva riduzione di un composto organico generato dal catabolismo del substrato fermentabile iniziale; così non è richiesto nessun accettore di elettroni fornito dall’esterno .

L‘ATP è prodotto nelle fermentazioni da un processo chiamato fosforilazione a livello del substrato. Nella fosforilazione a livello del substrato, l’ATP viene sintetizzato durante specifici stadi nel catabolismo dei composti. Questo è in contrasto con la fosforilazione ossidativa (o trasporto di elettroni, discussa più avanti), dove l’ATP è prodotto durante eventi mediati dalla membrana, non connessi direttamente al metabolismo di substrati specifici.

Un esempio di fermentazione è il catabolismo del glucosio da parte del batterio dell’acido lattico:

glucosio --> 2 acido lattico

C₆H₁₂0₆ à 2C₃H₆0₃

Notare che questa è una reazione bilanciata e che il prodotto, l’acido lattico, ha la stessa proporzione di atomi di idrogeno e ossigeno del glucosio. Verosimilmente, una simile situazione esiste nel catabolismo del glucosio per mezzo di lievito in assenza di ossigeno:

glucosio --> 2 etanolo + 2 biossido di carbonio

C₆H₁₂0₆ à 2C₂H₆0 + 2CO₂

Notare che in questa reazione alcuni degli atomi di carbonio finiscono in CO₂, una forma più ossidata degli atomi di carbonio che nella molecola iniziale, il glucosio, mentre altri atomi di carbonio finiscono in etanolo, che è una forma più ridotta (significa che ci sono più atomi di idrogeno e elettroni per atomo di carbonio) del glucosio.

L‘energia rilasciata nella fermentazione del glucosio a etanolo o ad acido lattico (-235,08 e -118,4 kj/mole rispettivamente) è conservata per mezzo di fosforilazione a livello del substrato nella forma di legami fosfato ad alta energia nell’ATP con una produzione netta di due legami in ciascun caso. Discutiamo ora in dettaglio la fermentazione del glucosio e il modo in cui parte dell’energia rilasciata è conservata nel legami fosfato ad alta energia.

Fermentazione del glucosio: ossidazione e produzione di ATP

La via biochimica della degradazione del glucosio è abbastanza semplice e, può essere divisa in almeno tre stadi principali. Lo stadio I è di tipo preparatorio. Le reazioni non coinvolgono ossido-riduzioni e non rilasciano energia, ma portano alla produzione di due molecole di gliceraldeide-3-fosfato: un intermedio chiave. Nello stadio II avviene l’ossido-riduzione, e si producono legami fosfato ad alta energia nella forma di ATP e si formano due molecole di acido piruvico. Nello stadio III, avviene una seconda reazione di ossido-riduzione, e si formano i prodotti della fermentazione (per esempio etanolo e CO₂, o acido lattico). La via biochimica comune da glucosio a acido piruvico è chiamata glicolisi, detta anche via di Embden-Meyerhof (EM), dal nome dei ricercatori che l’hanno scoperta.

Nello stadio I, il glucosio è fosforilato dall’ATP producendo glucosio-6-fosfato; quest’ultimo può anche essere formato quando il glucosio viene trasportato dal sistema della fosfotransferasi. Le reazioni di fosforilazione di questo genere spesso avvengono precedentemente alla ossidazione. La fosforilazione iniziale del glucosio attiva la molecola per le reazioni successive. Il glucosio-6-fosfato è convertito nel suo isomero, il fruttosio-6-fosfato, e una seconda fosforilazione porta alla produzione fruttosio-1,6-difosfato, che è un prodotto intermedio. L‘enzima aldolasi catalizza la scissione del fruttosio-1,6-difosfato in due molecole a tre atomì di carbonio, la gliceraldeide-3-fosfato e il suo isomero, il diidrossiacetone fosfato. Finora, quindi non ci sono state reazioni di ossido-riduzione, e tutte le reazioni, Incluse quelle che consumano ATP, procedono senza trasferimento di elettroni.

La reazione di ossidazione della glicolisi avviene nella conversione della gliceraldeide-3-fosfato ad acido 1,3 difosfoglicerico. In questa reazione (che avviene due volte, una per ogni molecola di gliceraldeide-3-fosfato), un enzima che coinvolge il coenzima NAD⁺ accetta due atomi di idrogeno e il NAD⁺ è convertito in NADH. Simultaneamente, ogni molecola di gliceraldeide-3-P è fosforilata per aggiunta di fosforo inorganico. Questa reazione energeticamente favorevole, in cui il fosforo inorganico è stato convertito nella forma organica, pone le basi per il processo successivo, lo stadio in cui è realmente formato l’ATP La formazione del legame ad alta energia è possibile perché ogni fosforo sulla molecola dell’acido 1,3 difosfoglicerico rappresenta un legame fosfato ad alta energia. La sintesi di ATP avviene quando ogni molecola di acido 1,3 difosfoglicerico è convertito in acido 3 difosfoglicerico, e più avanti nella via, quando ogni molecola di acido fosfoenol-piruvico è convertita in acido piruvico.

Nella glicolisi, due molecole di ATP sono consumate nelle due fosforilazioni del glucosio. e quattro molecole di ATP sono sintetizzate (due da ogni molecola di acido1,3 difosfoglicerico convertita in acido piruvico). Così il guadagno netto per l’organismo è due molecole di ATP per molecola di glucosio fermentato.

Fermentazione del glucosio: gli stadi della riduzione

Durante la formazione delle due molecole di acido 1,3 difosfoglicerico, due molecole di NAD⁺ vengono ridotte a NADH . Comunque, una cellula contiene solo una piccola quantità di NAD⁺, e, se tutto fosse convertito in NADH, l’ossidazione del glucosio dovrebbe fermarsi; l’ossidazione della gliceraldeide-3-fosfato potrebbe procedere soltanto se ci fosse una molecola di NAD⁺ presente per accettare gli elettroni rilasciati. Questo “blocco” è superato nella fermentazione per ossidazione dell’NADH indietro a NAD⁺, attraverso reazioni che coinvolgono la riduzione di acido piruvico a vari tipi di prodotti di fermentazione. Nel caso del lievito, l’acido piruvico è ridotto ad etanolo con il rilascio di CO₂. Nei batteri dell’acido lattico (o nel tessuto muscolare reso anaerobico per esercizio vigoroso) l’acido piruvico è ridotto ad acido lattico. Sono conosciute molte vie della riduzione dell’acido piruvico nei vari procarioti fermentativi (come sarà discusso in diversità metabolica nei microrganismi), ma il risultato netto è lo stesso; il NADH deve essere riportato alla forma ossidata, il NAD⁺, per continuare le reazioni di fermentazione che producono energia. Il NADH, come coenzima diffusibile, può allontanarsi dall’enzima che ossida la gliceraldeide-3-fosfato, attaccarsi ad un enzima che riduce l’acido piruvico ad acido lattico (o ad altri prodotti), e diffondere via ancora una volta, seguendo la conversione a NAD⁺ per ripetere tutto il ciclo.

In ogni processo che produca energia, l’ossidazione deve bilanciare la riduzione, e deve esserci un accettore di elettroni per ogni elettrone rimosso. In questo caso, la riduzione di NAD⁺ in un passaggio enzimatico è accoppiato con la sua ossidazione in un altro. Il prodotto finale deve anche essere in bilancio di ossido-riduzione con il substrato iniziale, il glucosio. Inoltre, i prodotti discussi qui, etanolo più CO₂ o acido lattico, sono in bilancio elettrico con il glucosio iniziale.

Fermentazione del glucosio: risultati netti e pratici

Il risultato ultimo della glicolisi è il consumo di glucosio, la sintesi netta di due molecole di ATP e la produzione dei prodotti di fermentazione. Per l’organismo, il prodotto cruciale è l’ATP che è usato in molte reazioni che richiedono energia, mentre i prodotti di fermentazione sono soltanto prodotti di rifiuto. Tuttavia, queste ultime sostanze vengono difficilmente considerate prodotti di rifiuto dal distillatore, dal produttore di birra o di formaggio. La fermentazione anaerobica del glucosio tramite il lievito è un mezzo per produrre etanolo, il prodotto desiderato nelle bevande alcoliche, e la produzione di acido lattico dal glucosio per mezzo del batterio dell’acido lattico è lo stadio iniziale nella produzione dei derivati del latte fermentato, che includono i formaggi. Per il panettiere, d’altra parte, la produzione di CO₂ per mezzo della fermentazione è lo stadio iniziale della lievitazione del pane.

Respirazione

Abbiamo discusso come avviene il catabolismo del glucosio in assenza di accettori di elettroni esterni. In questo processo, viene rilasciata una quantità di energia relativamente piccola (e sono sintetizzate poche molecole di ATP). I processi di fermentazione producono poca energia per due ragioni: (1) gli atomi di carbonio nel composto iniziale sono ossidati soltanto parzialmente, e (2) è piccola la differenza nei potenziali di riduzione tra il donatore di elettroni iniziale e l’accettore di elettroni terminale. Comunque, se l’0₂ o altri accettori esterni sono presenti, tutte le molecole di substrato possono essere completamente ossidate a C0₂, ed è teoricamente possibile una produzione molto più elevata di ATP. Il processo per cui un composto è ossidato usando 0₂ come accettore di elettroni esterno è chiamato respirazione aerobica.

Il maggiore rilascio di energia durante la respirazione avviene perché le cellule che respirano superano le due limitazioni appena elencate per la fermentazione: (1) gli atomi di carbonio nel composto iniziale possono essere completamente ossidati a C0₂ e (2) l’accettore terminale di elettroni ha un potenziale di riduzione relativamente positivo, questo porta ad una grande differenza netta nei potenziali tra il donatore primario e l’accettore terminale, e perciò si ha la sintesi di molto ATP

La nostra discussione sulla respirazione prenderà in considerazione i meccanismi biochimici coinvolti sia nelle trasformazioni degli elettroni che del carbonio: (1) le vie biochimiche coinvolte nella trasformazioni di carbonio organico a C0₂ e (2) il modo in cui gli elettroni sono trasferiti dal composto organico all’accettore di elettroni terminale, che guida la sintesi di ATP . Iniziamo con una discussione sul flusso di elettroni.

Sistemi di trasporto degli elettroni

I sistemi di trasporto degli elettroni sono composti da trasportatori di elettroni associati alla membrana. Questi sistemi hanno due funzioni basilari: (1) accettare gli elettroni da un donatore di elettroni e trasferirli a un accettore di elettroni e (2) conservare parte dell’energia, rilasciata durante il trasferimento di elettroni, per la sintesi dell’ATP

Nel trasporto degli elettroni sono coinvolti parecchi tipi di enzimi di ossido-riduzione: (1) NADH deidrogenasi, che trasferisce degli atomi di idrogeno dal NADH; (2) trasportatori di elettroni che contengono riboflavina, generalmente chiamate flavoproteine (come il FAD); (3) proteine ferro-zolfo, e (4) citocromi, che sono proteine che contengono un anello ferro-porfirinico chiamato eme. Inoltre, esiste una classe di trasportatori non proteici, i chinoni solubili nei lipidi, talvolta chiamati coenzimi Q. Questi componenti di trasporto degli elettroni diffondono liberamente attraverso la membrana, e generalmente trasferiscono elettroni dalle proteine ferrozolfo ai citocromi. Discutiamo di seguito ognuna di queste classi di componenti di trasporto di elettroni.

Le NADH deidrogenasi sono proteine che si legano alla superficie interna della membrana cellulare. Esse accettano elettroni dal NADH, generati nelle varie reazioni cellulari, e passano due atomi di idrogeno alle flavoproteine.

Le flavoproteine sono proteine che contengono un derivato delle riboflavine ; la porzione fiavinica, legata ad una proteina, è il gruppo prostetico che è, alternativamente, ridotto quando accetta gli atomi di idrogeno e ossidato quando gli elettroni vengono trasferiti. Notare che le flavoproteine accettano gli atomi di idrogeno e donano gli elettroni; più avanti considereremo cosa avviene ai protoni. Le due flavine più note sono la flavina mononucleotide (FMN) e la flavin adenin dinucleotide (FAD), in cui FMN è legata a ribosio e adenina attraverso un secondo fosfato. La riboflavina, chiamata anche vitamina B2, è un fattore di crescita organico richiesto per alcuni organismi.

I citocromi sono proteine cui sono legati i gruppi prostetici di un anello porfirinico contenente ferro. Essi sono sottoposti a ossido-riduzione attraverso la perdita o il guadagno di un singolo elettrone per mezzo di un atomo di ferro posto al centro del citocromo:

Citocromo - Fe²⁺ à Citocromo - Fe³⁺ + e^-

Sono note molte classi di citocromi, che differiscono per i loro potenziali di riduzione. Un citocromo può trasferire elettroni ad un altro che ha un potenziale di riduzione più positivo e può esso stesso accettare elettroni da un citocromo con un potenziale di riduzione meno positivo. I diversi citocromi sono designati da lettere, come citocromo a, citocromo b, citocromo c. I citocromi di un organismo possono differire leggermente l’uno all’altro, cosi che ci sono designazioni quali citocromo al, citocromo a₂, e così via. Occasionalmente, i citocromi formano complessi con altri citocromi o con proteine ferro-zolfo. Un esempio è il complesso del citocromo bc1, che contiene due diversi citocromi di tipo b, ed uno di tipo c; questo complesso gioca un ruolo importante nel metabolismo energetico (vedere la prossima sezione).

Oltre ai citocromi, dove il ferro è legato all’eme, troviamo anche alcune proteine ferro-zolfo non eme associate alla catena di trasporto degli elettroni. Sono state trovate molte combinazioni di zolfo e ferro in diverse proteine ferro-zolfo non eme, tra questi i gruppi Fe₂S₂ e Fe₄S₄ sono i più comuni. Gli atomi di ferro vengono legati allo zolfo libero e alla proteina tramite gli atomi di zolfo dei residui di cisteina . La ferredoxina, una comune proteina ferro-zolfo dei sistemi biologici, ha una configurazione Fe₂S_2.I potenziali di riduzione delle proteine ferro-zolfo variano molto, in modo dipendente dal numero di atomi di idrogeno e di zolfo presenti e dal tipo di legame con cui i centri di ferro sono attaccati alle proteine. In questo modo diverse proteine ferro-zolfo sono presenti in diversi punti nel processo di trasporto degli elettroni. Come i citocromi, le proteine ferro-zolfo portano soltanto elettroni, non atomi idrogeno.

I chinoni sono sostanze solubili nei lipidi, e sono coinvolti nel trasporto degli elettroni. Alcuni chinoni trovati nei batteri sono correlati alla vitamina K, un fattore di crescita degli animali superiori.

Come le flavoproteine, i chinoni fungono da accettori di atomi di idrogeno e da donatori di elettroni.

Conservazione dell’energia nei sistemi di trasporto degli elettroni

La globalità del processo di trasporto degli elettroni lungo la catena di trasportatori è mostrata nella Figura. L‘ATP viene prodotto dal processo di fosforilazione ossidativa, durante il trasporto degli elettroni. La produzione di ATP è direttamente legata al gradiente di protoni che si stabilisce attraverso la membrana, e le reazioni di trasporto degli elettroni servono a generare il gradiente. Consideriamo ora i dettagli di questo processo.

La forza motrice dei protoni: chemiosmosi

Per comprendere il modo con cui il trasporto degli elettroni è legato alla sintesi di ATP dobbiamo prima discutere il modo in cui il sistema di trasporto degli elettroni è orientato nella membrana cellulare. Le proteine sono intrappolate nel doppio strato lipidico e l’orientamento delle proteine nella membrana è tale che la maggior parte ha accesso sia all’esterno che all’interno della cellula (proteine transmembrana). I trasportatori di elettroni discussi sopra sono orientati nella membrana in modo che durante il processo di trasporto avvenga la separazione dei protoni dagli elettroni. Gli atomi di idrogeno, rimossi da trasportatori come il NADH, sono separati in protoni ed elettroni; gli elettroni ritornano dal lato interno della membrana per mezzo di trasportatori specifici, i protoni sono espulsi all’esterno della cellula . Al termine della catena di trasporto gli elettroni vengono passati all’accettore finale di elettroni (nel caso della respirazione aerobica questo è O₂) e lo riducono.

Quando l’O₂ viene ridotto a H₂O richiede H⁺ dal citoplasma per completare la reazione, e questi protoni hanno origine dalla dissociazione dell’acqua in H⁺ e OH^-; H₂O à H⁺ + OH^-. L’uso di H⁺ nella riduzione dell’O₂ ad H₂O e l’espulsione dell’H⁺ causa una formazione netta di OH^-sulla parte interna della membrana. Malgrado siano piccole molecole, né l’H⁺ né l’OH^-passano liberamente attraverso la membrana, quindi l’equilibrio non può essere ristabilito spontaneamente. Così, benché si possa pensare che il trasporto degli elettroni all’O₂ produca acqua, in realtà vengono prodotti gli elementi dell’acqua, l’H⁺ e l’OH^- che si accumulano su parti opposte della membrana. Il risultato netto è la generazione di un gradiente di pH e di un potenziale elettrico attraverso la membrana, con l’interno del citoplasma negativo e alcalino, e l’esterno della membrana elettricamente positivo ed acido. Questo gradiente di pH e di potenziale elettrico provoca l’energizzazione della membrana (qualcosa di simile ad una batteria), e questa energia elettrica può essere usata dalla cellula.

Così come lo stato energetico di una batteria è espresso come la sua forza elettromotrice (in volts), lo stato energetico di una membrana può essere espresso come forza motrice dei protoni (anche essa espressa in volt). Lo stato energetico della membrana, provocato dai processi di trasporto degli elettroni, può essere usato direttamente per fare lavoro utile come il trasporto ionico o la rotazione flagellare , o può essere usato per guidare la formazione dei legami fosfato ad alta energia dell’ATP come sarà descritto più avanti. L’idea di un gradiente di protoni che guida la sintesi di ATP è stata proposta come teoria chemiosmotica nel 1961 dall’inglese Peter Mitchell; Mitchell ha poi ricevuto il Premio Nobel per questo importante contributo.

Generazione della forza motrice dei protoni

Gli stadi principali della formazione del gradiente di protoni attraverso la membrana coinvolgono le attività degli enzimi flavinici, dei chinoni, e del complesso del citocromo bc. Il complesso del citocromo bc_l contiene diverse proteine ed è presente nella catena di trasporto degli elettroni della maggioranza degli organismi capaci di respirare. Esso ha anche un ruolo nel flusso di elettroni della fotosintesi. La funzione principale del complesso del citocromo bc₁ è di trasferire elettroni dai chinoni al citocromo c, legato alla traslocazione di protoni attraverso la membrana. I trasportatori come il complesso del citocromo bc, sono orientati vettorialmente (direzionalmente) nella membrana in modo tale che i protoni siano ceduti all’ambiente circostante quando gli elettroni vengono trasferiti ad un accettore, il risultato è l’accumulo di OH^-nel citoplasma.

Le reazioni di ossido-riduzione che avvengono durante il trasporto degli elettroni possono essere analizzate esaminando sequenzialmente ogni coppia di trasportatori . In seguito alla cessione di due atomi di idrogeno dai NADH al FAD, due H⁺ sono espulsi quando il FADH dona due elettroni (soltanto) ad una proteina ferro-zolfo. Due protoni sono assorbiti dal citoplasma quando la ferro proteina non eme riduce una molecola di chinone chiamata coenzima Q. Il coenzima Q passa gli elettroni uno alla volta al complesso del citocromo bc₁. Il coenzima Q ridotto (QH₂) dona un elettrone al complesso bc₁, che espelle un protone e converte QH₂ a QH., la forma semichinonica del coenzima Q. Il semichinone può essere ridotto a QH₂ da uno dei citocromi di tipo b che si trovano nel complesso bc, insieme con l’assorbimento di un protone. Per ogni due molecole di QH che entrano nel complesso, una è ridotta a QH₂ mentre l’altra è ossidata a Q. Questo “ciclo Q” , agisce per incrementare il numero di protoni espulsi attraverso la membrana al sito Q-bc_l. Gli elettroni viaggiano dal complesso bc, al citocromo c e al citocromo a, quest‘ultimo lavora insieme all’ossidasi terminale . Infine, la riduzione di ½O₂ a H₂O consuma due H⁺, ma questi non sono espulsi. Tutti questi protoni, ad eccezione di quelli donati dal FADH, sono generati dalla dissociazione dell’acqua che produce OH^- sulla parte interna della superficie della membrana .

Lo schema di trasporto degli elettroni mostrato nella Figura è solo una delle molte sequenze di trasportatori osservate in diversi organismi. Caratteristica importante di tutti i trasportatori è, comunque, la generazione di un gradiente di protoni, acido all’esterno e alcalino all’interno. Il gradiente ha come risultato una forza motrice dei protoni che guida la sintesi di ATP .

La forza motrice dei protoni e la formazione di ATP

Come viene usata la forza motrice dei protoni per sintetizzare ATP? Un importante componente di questo processo è un enzima di membrana chiamato ATPasi,

che contiene due parti: una testa a subunità multiple presente sulla parte interna della membrana, e una coda che conduce i protoni, che si estende attraverso la membrana . Questo enzima catalizza una reazione reversibile tra ATP e ADP + P, (fosfato Inorganico) come mostrato nella Figura . Operando in una direzione, questo enzima catalizza la formazione di ATP consentendo l’entrata controllata di protoni attraverso la membrana energizzata. Così come la formazione del gradiente di protoni è guidata dall’energia, la dissipazione controllata della forza motrice dei protoni avviene rilasciando energia, parte della quale è usata per sintetizzare ATP nel processo chiamato fosforilazione ossidativa (trasporto degli elettroni).

L‘ATPasi può anche catalizzare la reazione inversa, cioè l’idrolisi dell’ATP e l’espulsione di 3H⁺ verso la parte esterna della membrana . Questo ha come risultato la conversione dell’energia del legame fosfato nell’energia della forza motrice del protone. Così, i legami fosfato ad alta energia e la forza motrice dei protoni possono essere visti come diverse forme di energia cellulare. Poiché il potenziale di membrana è usato da una cellula per guidare diverse reazioni, soprattutto trasporto e mobilità, le ATPasi sono presenti persino negli organismi che non attuano la fosforilazione ossidativa, come i batteri dell’acido lattico.

Le evidenze a supporto dell’operatività della catena di trasporto degli elettroni e dello sviluppo di una forza motrice del protone vengono dagli studi di varie sostanze chimiche che interessano questi processi. Sono note due classi di sostanze chimiche: gli inibitori e i disaccoppianti. Gli inibitori bloccano Il flusso di elettroni, e quindi la sintesi di ATP come ad esempio il monossido di carbonio (CO), che previene la riduzione di 0₂ a H₂0, il cianuro (CN^-) o l’azide (N3^-), che si legano strettamente al citocromi e bloccano il trasporto degli elettroni. Al contrario, i disaccoppianti inibiscono la sintesi di ATP senza interessare il trasporto degli elettroni. Tutti questi agenti, come il dinitrofenolo e il dicumarolo, sono sostanze solubili nel lipidi che distruggono i gradienti di protoni, promuovendo perciò la perdita di protoni attraverso la membrana. Questo comporta la dissipazione della forza motrice del protone e quindi l’inibizione della sintesi di ATP

La respirazione: confronto tra procarioti ed eucarioti

Finora abbiamo discusso il trasporto degli elettroni e la forza motrice dei protoni in termini astratti. Nella cellula, comunque. questi processi avvengono in strutture di membrana e ci sono importanti differenze tra procarioti ed eucarioti.

Nei procarioti, i componenti del trasporto degli elettroni si trovano nella membrana citoplasmatica, e lo sviluppo di una forza motrice dei protoni avviene attraverso la membrana. Così, nei procarioti, i protoni sono espulsi dalla cellula nell’ambiente (nei procarioti Gram-negativi, i protoni sono espulsi nel periplasma);

Il risultato è una lieve acidificazione dell’ambiente esterno.

Negli eucarioti, i processi di trasporto degli elettroni e la sintesi dell’ATP avvengono nelle membrane dei mitocondri. Come abbiamo visto, il mitocondrio è una struttura legata alla membrana che ha anche estese membrane interne ed è attraverso queste membrane interne che si sviluppa la forza motrice dei protoni. La struttura - dell‘ATPasi è una parte di questa membrana interna e la sintesi dell’ATP avviene nella matrice mitocondriale. L‘ATP sintetizzato quindi diffonde nel citoplasma attraverso la membrana esterna permeabile, dove viene usato in varie reazioni biosintetiche.

Flusso del carbonio: il ciclo degli acidi tricarbossilici

Consideriamo ora gli aspetti metabolici del flusso del carbonio nella respirazione. Gli stadi iniziali nella respirazione del glucosio coinvolgono gli stessi stadi biochimici della glicolisi . L‘acido piruvico, come abbiamo visto, è uno dei principali intermedi della glicolisi. Mentre nella fermentazione l’acido piruvico è convertito nei prodotti della fermentazione, nella respirazione l’acido piruvico è pienamente ossidato a C0₂. Il ciclo degli acidi tricarbossilici (ciclo del TCA) è l’importante via in cui l’acido piruvico viene completamente ossidato a CO₂.

L‘acido piruvico viene prima decarbossilato, portando alla produzione di una molecola di NADH, e di un gruppo acetile accoppiato al coenzima A (acetil-CoA,). Il gruppo acetile dell’acetil-CoA si combina con l’acido ossalacetico, un composto a quattro atomi di carbonio, portando alla formazione di acido citrico, un acido organico a sei atomi di carbonio, e l’energia del legame ad alta energia dell’acetil-CoA viene usata per guidare questa sintesi . Seguono poi le reazioni di deidratazione, di decarbossilazione, e di ossidazione, e sono rilasciate due molecole di C0₂. Alla fine, l’acido ossalacetico viene rigenerato e può servire di nuovo come un accettore di acetile, completando così il ciclo.

Per ogni molecola di acido piruvico ossidata attraverso il ciclo, sono rilasciate tre molecole di C0₂ , una durante la formazione dell’acetil CoA, una per mezzo della decarbossilazione dell’acido isocitrico, ed una per decarbossilazione dell’acido a-chetoglutarico. Come nella fermentazione, gli elettroni rilasciati durante l’ossidazione di intermedi nel ciclo del TCA sono di solito trasferiti inizialmente agli enzimi contenenti il coenzima NAD⁺. Comunque, la respirazione differisce dalla fermentazione nel modo in cui il NADH è ossidato. Nella respirazione, gli elettroni provenienti dal NADH, invece di essere trasferiti ad un intermedio come l’acido piruvico, sono trasferiti all’ossigeno o altri accettori terminali attraverso l’azione del sistema di trasporto degli elettroni appena descritto. Così, diversamente dalla fermentazione, la presenza di un accettore di elettroni nella respirazione permette la completa ossidazione del glucosio a C0₂, con una resa energetica molto più grande.

Bilancio energetico della respirazione aerobica

Il risultato netto delle reazioni del ciclo degli acidi tricarbossillci è l’ossidazione completa dell’acido piruvico a tre molecole di CO₂ con la produzione di quattro molecole di NADH e una molecola di FADH. Le molecole di NADH e FADH possono essere riossidate attraverso il sistema di trasporto degli elettroni, producendo tre molecole di ATP per molecola di NADH e due molecole di ATP per molecola di FADH. L‘ossidazione dell’acido a-chetoglutarico ad acido succinico coinvolge una fosforilazione a livello di substrato, producendo guanosina trifosfato (GTP), che è convertita ad ATP. Così possono essere sintetizzate un totale di 15 molecole di ATP ogni volta che il ciclo viene completato. Poiché l’ossidazione del glucosio produce due molecole di acido piruvico, nel ciclo dell’acido citrico possono essere sintetizzate in totale 30 molecole di ATP. Inoltre, quando l’ossigeno è disponibile, le due molecole di NADH prodotte durante la glicolisi possono essere riossidate dal sistema di trasporto degli elettroni, portando alla produzione di altre sei molecole di ATP. Infine, durante la conversione del glucosio ad acido piruvico sono prodotte due molecole di ATP dalla fosforilazione a livello del substrato. Così, gli aerobi possono formare fino a 38 molecole di ATP da una molecola di glucosio in confronto alle due molecole di ATP prodotte nella fermentazione.

Se assumiamo che il legame fosfato ad alta energia dell’ATP ha un‘energia di circa 31,8 kj/mole allora dalla ossidazione completa del glucosio a CO₂ e H₂0 si ricavano 1208 Kj di energia che possono essere convertiti in legami ad alta energia dell’ATP.Poiché i calcoli dell’energia libera mostrano che l’ammontare totale di energia disponibile proveniente dall’ossidazione completa del glucosio mediante ossigeno è 2822 kj/mole l’efficienza della respirazione aerobica è circa il 43%, e il resto dell’energia viene perso come calore.

Se un organismo fosse efficente al 100%, tutto il prodotto energetico di una reazione biochimica sarebbe conservato in forma di legami ad alta energia o di potenziale di membrana. Pertanto, gli organismi non sono efficenti al 100% e una parte dell’energia prodotta non è conservata, ma persa come calore. Dobbiamo così distinguere tra il rilascio di energia - il prodotto energetico totale di una reazione - e la conservazione dell’energia - l’energia disponibile per l’organismo. E‘ interessante che, benché il guadagno di ATP dalla fermentazione sia molto basso, l’efficienza della fermen-tazione può essere ragionevolmente alta. La fermentazione lattica [glucosio --- > acido lattico], per esempio,rilascia 118 kj/mole e porta alla sintesi di due molecole di ATP con un‘efficienza di oltre 50%. In altre parole,la fermentazione rilascia una quantità di energia relativamente bassa, ma il processo di conversione è termodinamicamente efficiente.

Il ciclo degli acidi tricarbossilici fornisce degli intermedi importanti per i processi biosintetici, oltre ad usare il meccanismo fondamentale per la produzione di energia. L‘acido ossalacetico e l’acido a-chetoglutarico sono trasformati in vari aminoacidi , il succinil-CoA è l’elemento iniziale della biosintesi delle porfirine, e l’acetil-CoA fornisce il materiale per la sintesi degli acidi grassi.

Benché soltanto due legami fosfato ad alta energia siano conservati come ATP durante la fermentazione di una molecola di glucosio, 38 ATP possono essere formati durante la respirazione aerobica. Parte dell’energia è persa come calore, così che la quantità di energia conservata nella respirazione è circa 40% o meno del totale presente nella fonte di energia.

Ricambio di ATP e ruolo dei composti che immagazzinano energia

Si può calcolare che per la sintesi di 1 grammo di materiale cellulare (in peso) dovrebbero essere consumate circa 20 millimoli (mmoli) di ATP. Poiché la concentrazione intracellulare è soltanto circa 2 millimolare, l’ATP ha soltanto un ruolo catalitico durante la crescita; esso viene continuamente usato e risintetizzato. È stato calcolato che nel tempo in cui una cellula si duplica, il suo ATP deve essere riconvertito circa 10.000 volte.

Il fatto che l’ATP se non viene usato immediatamente come fonte di energia per la crescita o per i processi biosintetici, viene idrolizzato tramite reazioni che non producono energia, è la spiegazione della sua breve emivita. Per immagazzinare l’energia a lungo termine, la maggior parte degli organismi produce polimeri organici insolubili che possono più tardi essere ossidati per la produzione di ATP. I polimeri del glucosio, l’amido e il glicogeno, sono prodotti da molti microrganismi, sia procariotici che eucariotici, e il poli-beta-idrossibutirrato (PHB) e altri poliidrossialcanoati sono prodotti da molti procarioti. Questi polimeri sono spesso depositati nelle cellule in grandi granuli che possono essere visti al microscopio ottico o al microscopio elettronico. In assenza di una risorsa di energia esterna, la cellula può, allora, ossidare questo materiale di riserva energetica ed essere capace di mantenere se stessa persino in condizioni di deprivazione.

La formazione di polimeri produce un doppio vantaggio per la cellula. Non soltanto carbonio ed energia potenziale sono conservati in forma stabile, ma i polimeri insolubili hanno poco effetto sulla pressione osmotica interna della cellula. Se lo stesso numero di unità fosse presente come monomeri nella cellula, l’alta concentrazione di sostanze solubili incrementerebbe la pressione osmotica, avendo come risultato l’ingresso di acqua, il possibile rigonfiamento e la lisi. Una certa quantità di energia viene persa quando un polimero si forma da monomeri, ma questo svantaggio è più che controbilanciato dal beneficio per la cellula.