Respirazione Cellulare: Glicolisi

Respirazione Cellulare

• La respirazione cellulare è un processo che permette alle cellule di avere ossigeno disponibile, estratto dalle sostanze nutritive.
• L'ossigeno è coinvolto in reazioni che producono ATP, necessario per distribuire l'energia nell'organismo.
• Il processo complessivo di produzione di ATP si chiama respirazione cellulare. La trasformazione dell’energia del glucosio in ATP avviene in tre fasi principali:
  • Glicolisi
  • Ciclo di Krebs
  • Catena di trasporto degli elettroni (ETC)

Glicolisi

• La glicolisi è un processo anaerobico che avviene nel citosol delle cellule, senza la necessità di ossigeno nelle sue reazioni.
• I prodotti della glicolisi partecipano alla catena di trasporto degli elettroni, che richiede ossigeno.
• L'intera respirazione cellulare può essere considerata aerobica.
• Si compone di due fasi: una fase di investimento e una fase di rendimento.
• Nella fase di investimento, il glucosio è fosforilato a glucosio-6-fosfato e poi scisso in due molecole di gliceraldeide-3-fosfato utilizzando due molecole di ATP.
• I primi cinque passaggi della via metabolica comportano un consumo netto di energia.
• Nella fase di rendimento, le due molecole di gliceraldeide-3-fosfato vengono trasformate in due molecole di piruvato.
• Vengono prodotte quattro molecole di ATP e due di NADH, che rigenerano il pool di molecole riducenti.
• Questa seconda fase vede un recupero di energia, portando l'intero pathway glicolitico ad un guadagno netto di energia.

Fase di Investimento: Le Tappe

• Il glucosio, trasportato dal sangue, entra nella cellula e si lega a un gruppo fosfato ceduto da una molecola di ATP.
• Il fosfato si lega al sesto atomo di carbonio del glucosio, formando glucosio-6-fosfato in un processo chiamato fosforilazione.
• Viene consumata una molecola di ATP.
• Il glucosio-6-fosfato subisce una riorganizzazione per formare fruttosio-6-fosfato.
• Un'altra molecola di ATP viene utilizzata per aggiungere un secondo gruppo fosfato al fruttosio-6-fosfato, trasformandolo in fruttosio-1,6-difosfato.
• La molecola di fruttosio-1,6-difosfato si scinde in due molecole di gliceraldeide-3-fosfato, ciascuna con tre atomi di carbonio e un gruppo fosfato.
• La glicolisi si sdoppia, con entrambe le molecole che subiscono le stesse trasformazioni.
• La trioso fosfato isomerasi combina la gliceraldeide-3-fosfato con il trasportatore di elettroni NAD e un gruppo fosfato.
• La molecola di gliceraldeide-3-fosfato viene ossidata dal NAD, formando NADH, che si sposta verso l'ETC.
• L'ossidazione produce energia sufficiente per unire un gruppo fosfato alla molecola principale, trasformandola in acido 1,3-difosfoglicerico; si producono due molecole di NADH.

Fase di Recupero: Le Tappe

• L'acido 1,3-difosfoglicerico perde un gruppo fosfato, trasformandosi in acido 3-fosfoglicerico.
• La reazione produce energia sufficiente per unire il gruppo fosfato a una molecola di ADP, producendo ATP; si producono due molecole di ATP.
• L'acido 3-fosfoglicerico si trasforma in acido fosfoenolpiruvico, che produce altro ATP trasferendo il suo 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, producendo 2-fosfoglicerato.
• La penultima reazione è una disidratazione del 2-fosfoglicerato che porta alla formazione di fosfoenolpiruvato ad alta energia e acqua, catalizzata dall'enzima enolasi.
• Nell'ultima tappa, il fosfoenolpiruvato viene idrolizzato in enolpiruvato dalla piruvato chinasi (Mg2+ dipendente).
• Il gruppo fosfato viene ceduto a un ADP per formare ATP.
• L'energia per la produzione di ATP deriva dalla conversione dell'enolpiruvato in piruvato, una reazione esoergonica.

Resa Energetica

• 1 Glucosio + 2 ATP si trasformano;
• 2 gliceraldeide 3' fosfato che producono 2 x (2 ATP + 1 NADH)
• Il totale è 2 ATP + 2 NADH / 1 glucosio

Destini del Piruvato

• Il piruvato può andare incontro a diversi destini in base a:
  • Tipo di organismo
  • Compartimento cellulare
  • Condizioni aerobiche o anaerobiche
• I principali destini sono:
  • Ciclo dell'acido citrico.
  • Conversione del glucosio in lattato, anche in condizioni aerobiche, in tessuti come retina, cervello ed eritrociti.
• Alcuni tessuti vegetali e microrganismi (lievito di birra).
• Destini anabolici.

Fermentazione Etanolica

• In condizioni anaerobiche, alcuni organismi fermentanti come il lievito convertono il piruvato in etanolo e CO2.
• Richiede due tappe consecutive e l'intervento di due enzimi:
  • Piruvato decarbossilasi: catalizza la decarbossilazione irreversibile del piruvato ad acetaldeide e CO2.
  • Richiede tiamina pirofosfato (TPP) e ioni Mg2+ per l'attività.
  • Alcol deidrogenasi: riduce l'acetaldeide ad etanolo tramite il coenzima NADH, che viene convertito a NAD+.
• La fermentazione alcolica rigenera il NAD+, impedendo l'arresto della glicolisi.
• Il piruvato si trasforma in etanolo + CO2
  • Il vino e la birra rilasciano CO2 nell'aria o lo usano per rendere frizzante la bevanda
  • Il pane rilascia l'etanolo durante la cottura

Tiamina (Vitamina B1)

• La tiamina (Vitamina B1) si trova sia in alimenti di origine animale che vegetale.
• Alimenti vegetali: si trova per lo più libera.
• Alimenti animali: si trova mono- o difosfato.
• Fonti particolarmente ricche di tiamina sono i legumi e il germe/pericarpo dei cereali.
• Concentrazioni elevate di Tiamina in alimenti gli animali: fegato, rene, cervello e intestino.
• Il lievito di birra ne è una fonte importante.
• La fermentazione alcolica ha le seguenti applicazioni e aree di interesse:
  • Produzione di etanolo (solvente/combustibile).
  • Competizione con la sintesi chimica.
  • Produzione di bevande (vino, birra).
  • Produzione di bevande distillate (liquori).
  • Produzione di biomassa di lievito.

Fermentazione Lattica

• Essa si attiva da lieviti e batteri in assenza di ossigeno
• È attivata da tessuti muscolari dei vertebrati per affaticamento muscolare.
• L'acido lattico provoca una sensazione di indolenzimento
• La fermentazione lattica consente la trasformazione il latte in yogurt o in formaggio in un unico passaggio
• Batteri Streptococcus e Lactobacillus trasformano il glucosio in acido lattico

Altre considerazioni Fermentazione Lattica

• Lo stesso processo si verifica nei tessuti animali dei vertebrati durante uno sforzo prolungato.
• E' attivata in mancanza di ossigeno.
• Grazie alla rigenerazione del piruvato si riduce in acido lattico
• Il piruvato viene ridotto a lattato da Lattico deidrogenasi (LDH) con coenzima NADH convertito in NAD+
• Avviene anche in aerobiosi.
• Gli eritrociti, senza mitocondri, usano la glicolisi come unica fonte energetica.

Lo Yogurt

• Trasformazioni negli alimenti che i batteri rilasciano: fisico, chimico, batteriologico, organolettico e nutrizionale.
• Viene modificato profondamente l'aspetto
• I batteri usano il lattosio per crescere e viene prodotto acido lattico
• Determinazione della caseina
• Batteri del tipo lattico
• Ricco di fermenti vivo circa (1% della massa totale)

Verdure Lattofermentate

• La fermentazione lattica conserva le verdure preservandone la qualità
• I batteri svolgono un ruolo di primo piano
• Il cavolo, cetrioli, rape rosse vengono tagliati
• Vengono preservate immersi in salamoia, sigillate in atmosfera ermetica
• Viene conferito a sapore acido e ha azione di conservante
• Le verdure lattofermentate hanno elevato valore salutare
• La flora intestinale trae beneficio.
• Nella nostra zona crauti ricavati dal cavolo bianco
• Il "Kimchi" utilizzato nella cucina coreana è tra gli alimenti di questo tipo

La respirazione cellulare estrae energia dalle sostanze nutritive tramite l'ossigeno, producendo ATP. La trasformazione dell’energia del glucosio in ATP avviene in tre fasi principali: glicolisi, ciclo di Krebs e catena di trasporto degli elettroni. La glicolisi è un processo anaerobico che avviene nel citosol.