Respirazione Cellulare: Glicolisi

Respirazione Cellulare

• I polmoni effettuano uno scambio di gas, garantendo l'ossigeno alle cellule.
• L'ossigeno è essenziale per estrarre energia dalle sostanze nutritive.
• L'ossigeno è coinvolto in reazioni che producono ATP, necessario per distribuire energia.
• La trasformazione del glucosio in ATP si suddivide in tre fasi principali: glicolisi, ciclo di Krebs, catena di trasporto degli elettroni (ETC).

Glicolisi

• La glicolisi è un processo anaerobico che si svolge nel citosol.
• Le reazioni della glicolisi avvengono in assenza di ossigeno.
• I prodotti della glicolisi partecipano alla catena di trasporto degli elettroni, che richiede ossigeno.
• L'intera respirazione cellulare può essere considerata un processo aerobico dipendente dall'ossigeno.
• La glicolisi può essere divisa in due fasi: fase di investimento e fase di rendimento.
• Nella fase di investimento, il glucosio viene fosforilato a glucosio-6-fosfato e scisso in due molecole di gliceraldeide-3-fosfato.
• La fase di investimento richiede l'utilizzo di due molecole di ATP.
• I primi cinque passaggi comportano un consumo netto di energia.
• Nella fase di rendimento, le due molecole di gliceraldeide-3-fosfato si trasformano in due molecole di piruvato.
• La fase di rendimento produce quattro molecole di ATP e due di NADH.
• Il NADH permette di rigenerare il pool di molecole riducenti nella cellula.
• Questa seconda fase comporta un recupero di energia, portando ad un guadagno netto.

Fase di Investimento: Le Tappe

• Il glucosio entra nella cellula e si lega a un gruppo fosfato ceduto da una molecola di ATP.
• Questo processo è chiamato fosforilazione.
• Il fosfato si lega al sesto atomo di carbonio del glucosio, formando glucosio-6-fosfato.
• In questa tappa si consuma una molecola di ATP.
• Il glucosio-6-fosfato subisce una riorganizzazione che porta alla formazione di fruttosio-6-fosfato.
• Un'altra molecola di ATP viene utilizzata per aggiungere un secondo gruppo fosfato al fruttosio-6-fosfato.
• Il fruttosio-6-fosfato diventa fruttosio-1,6-difosfato.
• La molecola di fruttosio-1,6-difosfato si scinde in due molecole di gliceraldeide-3-fosfato.
• Ognuna delle due molecole ha tre atomi di carbonio e un gruppo fosfato.
• Entrambe le molecole subiscono le stesse trasformazioni.
• La trioso fosfato isomerasi combina la gliceraldeide-3-fosfato con NAD e un gruppo fosfato.
• La molecola di gliceraldeide-3-fosfato viene ossidata dal NAD, che diventa NADH carico di elettroni e si sposta verso la catena di trasporto degli elettroni.
• L'ossidazione della gliceraldeide-3-fosfato produce l'energia per unire un gruppo fosfato alla molecola principale.
• Questa reazione produce acido 1,3-difosfoglicerico.
• In questa tappa si producono due molecole di NADH poiché l'operazione è doppia.

Fase di Recupero: Le Tappe

• L'acido 1,3-difosfoglicerico perde uno dei suoi gruppi fosfato trasformandosi in acido 3-fosfoglicerico.
• La reazione produce energia sufficiente a unire il gruppo fosfato a una molecola di ADP, producendo ATP.
• Questa tappa produce due molecole di ATP perché ogni operazione è doppia.
• L'acido 3-fosfoglicerico si trasforma in acido fosfoenolpiruvico, che produce altro ATP trasferendo a sua volta un gruppo fosfato all'ADP.
• Si ottengono due molecole di ATP.
• La fosfoglicerato mutasi rimuove il fosfato in posizione 3 da una molecola di 2,3-bisfosfoglicerato.
• Questo porta alla formazione di 2-fosfoglicerato.
• La penultima consiste nella disidratazione del 2-fosfoglicerato.
• La disidratazione del 2-fosfoglicerato porta alla formazione di fosfoenolpiruvato, composto ad alta energia, creando anche acqua.
• Questa disidratazione è catalizzata dall'enzima enolasi.
• Nell'ultima tappa il fosfoenolpiruvato, grazie all'azione della piruvato chinasi, Mg2+ dipendente, viene anzitutto idrolizzato in enolpiruvato.
• Il gruppo fosfato viene ceduto a una molecola di ADP per formare ATP.
• L'energia necessaria alla produzione di ATP deriva dalla conversione dell'enolpiruvato in piruvato. Questa è una reazione fortemente esoergonica.

Resa Energetica

• 1 Glucosio + 2 ATP (Fase I)
• 2 gliceraldeide 3' fosfato → 2 x (2 ATP + 1 NADH) (Fase II)
• Totale : 2 ATP + 2 NADH / 1 glucosio

Destini del Piruvato

• Ciclo dell'acido citrico
• Alcuni tessuti e tipi di cellule, come la retina, il cervello e gli eritrociti, convertono glucosio in lattato.
• La conversione avviene anche in condizioni aerobiche.
• In alcuni tessuti di piante, invertebrati, protisti e microorganismi come il lievito di birra.
• Il piruvato può avere destini anche anabolici.
• Il piruvato prende destini diversi a seconda di:
  • tipo di organismo
  • compartimento cellulare
  • condizioni aerobiche o anaerobiche

Fermentazione Etanolica

• In condizioni anaerobiche, alcuni organismi fermentanti come il lievito convertono il piruvato in etanolo e CO2.
• Questo processo richiede due tappe consecutive e due enzimi.
• Piruvato decarbossilasi: decarbossilazione irreversibile del piruvato ad acetaldeide e CO2.
• La reazione richiede tiamina pirofosfato (TPP) e ioni Mg2+ per l'attività dell'enzima.
• Alcol deidrogenasi: riduzione acetaldeide ad etanolo tramite coenzima NADH convertito in NAD+Quindi la fermentazione alcolica rigenera il NAD+, impedendo l'arresto della glicolisi.
• Piruvato → etanolo + CO2
• La CO2 viene rilasciata nell'aria o usata per rendere la bevanda frizzante (vino, birra).
• L'etanolo viene rilasciato durante la cottura (pane).

Tiamina (Vitamina B1)

• Si trova sia in alimenti animali che vegetali.
• Negli alimenti vegetali si essa trova in forma libera, mentre in quelli animali anche in forma fosforilata.
• I legumi, il germe e il pericarpo dei cereali sono particolarmente ricchi di tiamina.
• Concentrazioni elevate si trovano nel fegato, nel rene, nel cervello e nell'intestino degli animali.
• Il lievito di birra è un'altra fonte.

Fermentazione Alcolica e Alimenti

• Produzione di etanolo come solvente o combustibile.
• Produzione di bevande (vino, birra etc).
• Produzione di bevande distillate (liquori).
• Produzione di biomassa di lievito.

Fermentazione Lattica

• Viene attivata da lieviti e batteri in assenza di ossigeno.
• Può avvenire nei tessuti muscolari dei vertebrati a seguito di eccessivo affaticamento.
• L'acido lattico provoca la sensazione di indolenzimento.
• La fermentazione lattica trasforma il latte in yogurt o in formaggio.
• I batteri Streptococcus e Lactobacillus trasformano il glucosio in acido lattico.
• Lo stesso processo avviene nei muscoli durante uno sforzo prolungato, in mancanza di ossigeno e tramite un processo di rigenerazione. Il piruvato viene ridotto in acido lattico.
• Il piruvato viene ridotto a lattato da Lattico deidrogenasi (LDH) in presenza del coenzima NADH.
• La conversione di piruvato in lattato avviene anche in aerobiosi.
• Eritrociti, in assenza di mitocondri, glicolisi è l’unica fonte energetica.

Lo Yogurt

• Le trasformazioni che i batteri innescano negli alimenti (fermentazione) sono di tipo fisico, chimico, batteriologico, organolettico e nutrizionale.
• I batteri modificano profondamente le caratteristiche del latte.
• I batteri utilizzano il lattosio per crescere e moltiplicarsi e, man mano che esso viene consumato, producono acido lattico.
• L'acido lattico è responsabile della riduzione del pH del latte, facendo precipitare le caseine.
• Lo yogurt ha un aspetto denso e cremoso.
• Lo yogurt è ricco di fermenti vivi (1% della massa totale) con valenza biologica e probiotica importante per l'organismo umano.

Verdure Lattofermentate

• La fermentazione lattica è un metodo di conservazione delle verdure oltre il periodo del raccolto.
• I batteri lattici svolgono un ruolo importante.
• Cavolo, cetrioli, rape rosse vengono tagliati, compressi e immersi in salamoia in contenitori a chiusura ermetica.
• Il sale fa rompere la parete delle cellule vegetali fa fuoriuscire il succo.
• I batteri lattici trasformano i carboidrati della verdura in acido lattico e anidride carbonica.
• L'acido lattico conferisce alla verdura in salamoia un sapore acidulo, ostacola batteri indesiderati e svolge un effetto di conserva.
• Le verdure lattofermentate hanno un elevato valore salutare, mantengono le vitamine e hanno un effetto benefico sulla flora intestinale.
• I crauti sono verdure lattofermentata ricavati dal cavolo bianco.
• La lattofermentazione è ampiamente utilizzata nella cucina coreana per il "Kimchi".