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Siamo come sempre nell’ambito del metabolismo cellulare, che – ricordo – include tutte le reazioni chimiche che avvengono nelle cellule degli esseri viventi col fine di utilizzare o creare energia.

Cos’è la glicolisi

Come sempre parto dall’inizio e comincio col darti una definizione di glicolisi: si tratta di un processo metabolico in cui – in condizioni di anaerobiosi non stretta – il glucosio viene scisso in due molecole di piruvato così da produrre molecole di ATP, la moneta energetica del metabolismo (e altre molecole, come vedremo più avanti) e dare successivamente avvio ad altri processi quali la fermentazione (in condizione di anaerobia) e la respirazione cellulare (in condizione di aerobia).

In alcuni casi (come per alcuni i batteri e le alghe azzurre) la glicolisi rappresenta l’unica forte di respirazione. Per altri, come i mammiferi, si tratta invece del primo passaggio della degradazione degli zuccheri.

Si tratta di una via metabolica molto antica che si è sviluppata con i primi procarioti e si è conservata in migliaia di anni di evoluzione: per intenderci, anche nelle nostre cellule avviene la glicolisi!
Pensa quanta strada ha fatto, sarà quindi sicuramente una cosa importantissima

Come molte reazioni del metabolismo cellulare, anche quella della glicolisi si basa sull’ossidoriduzione. Se non sai di che si tratta o hai bisogno di un ripasso sull’argomento, devi fare uno sforzo in più e andare a leggerti con attenzione il riassunto sull’ossidoriduzione, cosicché tu abbia le basi necessarie per comprendere quanto spiegherò in merito alla glicolisi.

Dove avviene

Ma dove avviene la glicolisi? Cominciamo con l’identificare la parte della struttura della cellula in cui ha luogo questa particolare reazione metabolica di ossidoriduzione.

La glicolisi avviene nel citoplasma di tutte le cellule, siano esse procariote o eucariote.

È proprio in questa parte della cellula che le molecole di glucosio vengono infatti trasformate in piruvato, sintetizzando allo stesso tempo l’ATP.

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La glicolisi è anaerobica o aerobica?

In tanti si chiedono se la glicolisi sia una via metabolica anaerobica o aerobica.

Comincio col dire che di per sé la glicolisi non ha bisogno di ossigeno per funzionare, ma la presenza di ossigeno – una volta terminata la glicolisi – diventa il bivio per due differenti vie metaboliche.

Ogni singola molecola di glucosio utilizzata nel processo della glicolisi dà infatti vita a due molecole di piruvato, ovvero un composto contenente tre atomi di carbonio.

Se la cellula vive in presenza di ossigeno (quindi in una condizione di aerobiosi) il piruvato va incontro a una via metabolica che ha un rendimento energetico molto alto, ovvero la respirazione cellulare che si compone di altre tre vie:

• La sintesi dell’Acetil-CoA (enzima Acetil coenzima A)
• Il ciclo di Krebs
• La fosforilazione ossidativa

Si tratta di una via energetica molto fruttuosa perché da una singola molecola di glucosio si ottengono circa 36 molecole di ATP.

Se una cellula, al contrario, vive in assenza di ossigeno (quindi in una condizione di anerobiosi, come succede per i lieviti o per alcune cellule procariote), il piruvato viene fermentato attraverso la via metabolica della fermentazione (che può essere lattica o alcolica).

La rendita energetica di questi processi è bassa, perché il glucosio iniziale non viene completamente ossidato (proprio perché non c’è ossigeno) e per questo la cellula produce poco ATP.

Avete quindi capito il trucchetto relativo all’aerobiosi e all’anerobiosi?

Ripetiamo tutti insieme: la glicolisi rappresenta lo step iniziale A PRESCINDERE dalle condizioni ambientali in cui si trova la cellula.

QUINDI che sia presente o meno l’ossigeno, TUTTE le cellule – come primo step metabolico di demolizione del glucosio – fanno la glicolisi.

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Le tappe della glicolisi e il suo bilancio energetico

Ora che abbiamo capito che la glicolisi avviene nel citoplasma di tutte le cellule in assenza di ossigeno, possiamo passare a tutte le tappe o reazioni che avvengono durante questo processo metabolico: queste tappe sono 10 e rappresentano tutti i passaggi attraverso i quali il glucosio viene trasformato in altre molecole fino a ottenere il prodotto della glicolisi, che è rappresentato dalle due molecole di piruvato e dall’ATP.

Queste 10 tappe possono essere suddivise in due diverse fasi:

1. Fase preparatoria (le prime cinque tappe): si chiama così perché, nelle tappe che la compongono, la cellula fa un investimento energetico col fine di portare avanti la glicolisi. Utilizza e consuma infatti due molecole di ATP.
2. Fase di recupero energetico (le ultime cinque tappe): durante le tappe che compungono questa fase la cellula recupera energia producendo quattro molecole di ATP e due molecole di NADH+ H+, due molecole di piruvato e l’acqua.

Appare chiaro che, avendo utilizzato nella fase preparatoria due molecole di ATP, il guadagno energetico netto della glicolisi è di due molecole di ATP.

Ora che abbiamo chiaro questo punto, possiamo andare a scoprire l’equazione della glicolisi nella sua completezza

Ti prego di non metterti le mani nei capelli perché poi ti spiegherò tutto nel dettaglio passando in rassegna tutte e dieci le tappe della glicolisi.

A sinistra della freccia troviamo i reagenti dell’equazione, mentre a sinistra i prodotti della glicolisi.

Semplificando moltissimo: si parte da una molecola di glucosio, che viene scomposta in due molecole di piruvato, producendo poi in tutto quattro molecole di ATP, due molecole di NADH+ H+ e due molecole di acqua.

A questo punto andiamo a vedere, fase per fase, cosa succede nelle singole tappe della glicolisi.

Fase preparatoria

Qui di fianco trovi le tappe relative alla fase preparatoria della glicolisi. Guardala bene, perché a sinistra potrai leggere i nomi dei diversi composti, mentre a destra trovi la loro struttura chimica. Stai tranquillo, cercherò di rendere la spiegazione molto semplice.

1. Tappa 1: Il glucosio viene fosforilato, ovvero gli viene aggiunto un gruppo fosfato derivante dall’idrolisi di una molecola di ATP, diventando Glucosio 6-fosfato. L’enzima che catalizza questa reazione è l’Esochinasi
2. Tappa 2: Il glucosio 6-fosfato viene isomerizzato, ovvero convertito nel fruttosio 6 fosfato grazie al lavoro dell’enzima fosfoesosoisomerasi.
3. Tappa 3: Il fruttosio 6-fosfato viene ulteriormente fosforilato tramite l’idrolisi di un’altra molecola di ATP diventando fruttosio 1-6 bifosfato grazie al lavoro dell’enzima fosfofruttochinasi 1.
4. Tappa 4: il fruttosio 1-6 bifosfato è una molecola instabile e per questo si scinde dando vita a tre molecole con 3 atomi di carbonio ciascuna che sono la Gliceraldeide 3-fosfato e la Diidrossiacetone fosfato. L’enzima che consente questa reazione è l’aldolasi.
5. Tappa 5: si trasforma il Diidrossiacetone fosfato in una molecola di gliceraldeide trifosfato dall’enzima trioso fosfato isomerasi.

Alla fine della fase preparatoria la glicolisi avrà quindi prodotto due molecole di gliceraldeide trifosfato.

Fase di recupero energetico

Terminate le prime cinque tappe preparatorie, il processo della glicolisi affronta poi la fase del rendimento che, come ho già detto poco fa, conta anch’essa di cinque tappe che illustro qui sotto nel dettaglio. Ricorda che d’ora in poi ogni molecola deve essere conteggiata due volte, perché avviene per ogni molecola di gliceraldeide trifosfato che è stata prodotta alla fine della fase preparatoria.

1. Tappa 6: si parte con le due molecole di gliceraldeide trifosfato che subiscono un processo di ossidazione e fosforilazione grazie al lavoro del coenzima gliceraldeide 3 fosfato deidrogenasi. L’ossidazione del gliceraldeide trifosfato consente infatti l’ossidazione del NAD+, che diventa NADH+ H+ (ne vengono prodotte due molecole in tutto) e due molecole di 1,3- bifosfoglicerato.
2. Tappa 7: a questo punto il 1,3- bifosfoglicerato viene fosforilato, ovvero gli viene rimosso un gruppo fosfato, che consentirà la produzione di molecole di ATP. Il gruppo fosfato “vagante” andrà infatti a fosforilare l’ADP ottenendo, appunto, ATP. Quindi in questo caso otteniamo due molecole di ATP e due molecole di 3-fosfoglicerato. L’enzima che catalizza questa reazione si chiama fosfogliceratochinasi.
3. Tappa 8: a questo punto le due molecole di 3-fosfoglicerato vengono trasformate in due molecole di 2fosfoglicerato. Accade quindi che un gruppo fosfato viene spostato: prima era legato al carbonio 3 per poi legarsi al carbonio 2. La molecola insomma non cambia, viene solo cambiata la posizione del gruppo fosfato. L’enzima che catalizza questa reazione si chiama fosfogliceratomutasi.
4. Tappa 9: le due molecole di fosfoglicerato vengono ora deitratate, ovvero perdono molecole di acqua ottenendo anche due molecole di fosfoenolpiruvato. L’enzima che catalizza questa reazione è l’enolasi.
5. Tappa 10. Siamo finalmente alla fine , con la sintesi delle altre due molecole di ATP. Il fosfoenolpiruvato viene fosforilato ulteriormente perdendo l’ultimo gruppo fosfato trasformandosi in piruvato, mentre il gruppo fosfato perso consentirà la fosforilazione dell’ADP in ATP. E siccome le molecole di fosfoenolpiruvato sono due, saranno ben due le molecole di ATP a essere prodotte.

A questo punto facciamo il conteggio totale dei prodotti della glicolisi: le due molecole di NADH +H+ si producono durante la sesta reazione, le prime due molecole di ATP durante la settima reazione, le due molecole di acqua durante la nona reazione e le ultime due durante la decima reazione, insieme al piruvato.

Direi che, stando a guardare la formula iniziale evidenziata in arancione… i conti tornano!

La spiegazione sulla glicolisi termina qui, spero di essere stata il più chiara possibile. Sappi che se hai bisogno di una spiegazione completa puoi sempre contare su Futura con esercizi e ripetizioni mirate.

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L'articolo Glicolisi, dal glucosio al piruvato: spiegazione semplice proviene da Futura Blog.

La mia (spero esauriente) spiegazione sul metabolismo cellulare ha introdotto diversi concetti, fra i quali troviamo anche le temute reazioni di ossidoriduzione. Siccome finora le ho spiegate in breve, ho deciso questo sarà l’argomento del ripasso di oggi.

In questo nuovo capitolo dedicato alla biologia e alla bioenergetica ci sarà quindi anche un po’ di chimica.

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Nella prima parte dell’articolo capiremo l’ossidoriduzione nell’ambito del metabolismo cellulare, scoprendo cos’è, come avviene e soprattutto a cosa serve; nella seconda parte affronteremo invece l’ossidoriduzione dal punto di vista chimico, scoprendo proprio come si bilancia una reazione redox.

Cos’è l’ossidoriduzione: come funzionano le redox

Te l’ho detto che partivo dall’inizio: voglio che tutti questi concetti di base ti siano chiari così da darti le basi per comprendere – più avanti – le diverse vie metaboliche, dalla glicolisi alla fermentazione.

Bene, quindi cos’è l’ossidoriduzione o reazione redox? Si tratta di una particolare reazione chimica che avviene fra due composti:

• L’agente riducente
• L’agente ossidante

L’agente riducente è l’elemento che si ossida, ovvero che perde uno o più elettroni, quindi il suo numero di ossidazione (n.o.) aumenta.
L’agente ossidante è invece l’elemento che si riduce, ovvero che acquista uno o più elettroni, quindi il suo numero di ossidazione (n.o.) diminuisce

Per semplificare, nell’ambito del metabolismo cellulare, invece che pensare all’acquisto o alla perdita di elettroni, possiamo pensare in termini di idrogeno. Ecco che quando un composto (o molecola) si ossida significa che ha perso atomi di idrogeno. Se si riduce, al contrario, significa che ha acquisito atomi di idrogeno.

Spero di non averti perso , perché la presenza di idrogeno/elettroni è di fondamentale importanza all’interno del metabolismo energetico della cellula: tanto più una molecola è ridotta (e quindi ha al suo interno uno o più atomi di idrogeno), maggiore è l’energia che racchiude al suo interno, o meglio fra i legami che la compongono.

L’immagine qui di fianco farà capire meglio come funziona l’ossidoriduzione: le lettere A e B identificano, rispettivamente, l’agente riducente e l’agente ossidante. A si ossida e perde elettroni: questi elettroni vengono ceduti all’agente ossidante B che, riducendosi, acquista elettroni e immagazzina energia.

Schemino per ricordare meglio le reazioni di ossidoriduzione:

• Se una molecola ha tanti atomi di idrogeno è ridotta e ha molta energia immagazzinata nei suoi legami
• Se una molecola non ha atomi di idrogeno è ossidata e per questo ha liberato energia spezzando gli atomi di idrogeno contenuti al suo interno

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I coenzimi coinvolti nelle reazioni redox nel metabolismo cellulare

Passiamo al livello successivo facendo la conoscenza dei coenzimi coinvolti nelle reazioni di ossidoriduzione. Si tratta di molecole organiche che, lavorando in sinergia con un enzima, permettono le reazioni chimiche. Nell’ambito delle reazioni redox relative al metabolismo cellulare, i coenzimi coinvolti sono:

• il coenzima NAD, ovvero il nicotinammide adenin dinucleotide
• il coenzima FAD, ovvero il flavin adenin dinucleotide

Questi coenzimi possono presentarsi in forma ossidata o ridotta. Sono molto buona , e per questo ti ho fatto una mini tabella per farti capire meglio:

Ricordo che le forme ossidate hanno minore energia, al contrario delle forme ridotte che sono ricche di energia a causa dei legami rappresentati dagli atomi di idrogeno che contengono al loro interno.

Come starai già immaginando, questi coenzimi hanno la capacità di passare da uno stato ridotto a uno stato ossidato a seconda delle necessità. Se un elemento si ossida, contemporaneamente un altro elemento viene ridotto ed entrambi i prodotti non rimangono ossidati o ridotti per sempre, ma possono tornare alla forma “originaria” grazie al passaggio di elettroni/atomi di idrogeno.

Ricordiamo quindi che ogni ossidazione è accompagnata dalla corrispondente riduzione ed è per questo, fondamentalmente, che l’ossidoriduzione si chiama così! Ecco perché, infine, una reazione di ossidoriduzione si può leggere sia da destra verso sinistra che da sinistra verso destra.

Un esempio di ossidoriduzione con il glucosio

Ok, ma qual è la molecola da cui si parte per dare avvio alle reazioni di ossidoriduzione nel metabolismo cellulare? Ebbene, la maggior parte delle volte si tratta del glucosio, che è la sostanza organica che, proprio attraverso le reazioni redox, produce energia sotto forma di ATP, ovvero l’adenosina trifosfato.

Per un ripasso sul tema (e per non allungare troppo questo articolo) ti consiglio di andare a leggerti la spiegazione sull’ATP, ovvero la vera e propria moneta energetica del metabolismo cellulare.

Ma torniamo al glucosio, che contiene ben 12 atomi di idrogeno: in presenza di ossigeno (l’agente ossidante), il glucosio si ossida e perde elettroni trasformandosi in anidride carbonica (che non ha più atomi di idrogeno).

Ma ricordiamo che se c’è una specie chimica che si ossida, ce n’è un’altra che si riduce perché ossidazione e riduzione avvengono contemporaneamente, E a ridursi è proprio l’ossigeno che quindi acquista atomi di idrogeno e diventa acqua liberando energia sotto forma di ATP.

Queste reazioni di ossidoriduzione, che trovano nel glucosio il loro motore, sono quelle che ad esempio avvengono nella glicolisi e nella respirazione cellulare, che ha il suo culmine nella fosforilazione, che produce moltissima energia sotto forma di ATP.

Bilanciare le reazioni redox

Ok, ma come bilanciare una redox? Non preoccuparti, perché ora ho spiegato a grandi linee le regole dell’ossidoriduzione possiamo passare al paragrafo che fa tremare le gambe anche ai tavoli: il bilanciamento delle redox! Non andare a nasconderti, giuro che proverò a spiegarti il tutto nel modo più semplice possibile.

Come macrotema, qui si passa dalla biologia/bionenergetica alla chimica. Ma ti assicuro che questo paragrafetto ti sarà molto utile anche per capire meglio come funziona il metabolismo cellulare.

Le coppie redox e le semireazioni

Per capire meglio il bilanciamento delle redox partiamo al concetto di coppia redox, perché all’interno di ogni reazione di ossidoriduzione si possono appunto individuare queste coppie. Prendiamo ad esempio questa reazione redox:

Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

In questa reazione lo zinco si ossida acquisendo due elettroni, mentre il rame si riduce perdendoli. Per evidenziare il trasferimento di elettroni si divide l’equazione chimica dell’ossidoriduzione in due semireazioni:

• Semireazione di ossidazione: Zn → Zn²⁺ + 2e-

Lo zinco, da forma atomica passa da forma ionica e cede due elettroni

• Semireazione di riduzione: Cu²⁺ + 2e- → Cu

Il rame in forma ionica acquista i due elettroni dello zinco trasformandosi in rame in forma atomica.

In questo modo abbiamo evidenziato la semireazione di ossidazione (cessione degli elettroni) e la semi reazione di riduzione (acquisizione di due elettroni). In queste reazioni, come dice la definizione stessa di ossidoriduzione, avviene un cambio nel numero di ossidazione della specie coinvolta. Quindi:

• Con l’ossidazione aumenta il numero di ossidazione
• Con la riduzione diminuisce il numero di ossidazione

Ed ecco che abbiamo individuato le coppie redox , che differiscono appunto per il numero di ossidazione:

• Zn/Zn2+
• Cu2+/Cu

Individuare queste coppie ci permette di identificare quanti elettroni sono stati coinvolti nelle reazioni redox, e questo ci darà un grandissimo vantaggio quando ci toccherà bilanciarle!

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Come bilanciare le reazioni redox

Inizio col dire che esistono tantissimi modi per bilanciare le reazioni di ossidoriduzione ma, se si conosce il numero di ossidazione, il metodo della variazione dei numeri di ossidazione consente di andare molto più velocemente (soprattutto qualora tu ti stia preparando per il test d’ingresso!)

Ricorda che il numero di ossidazione cambia a seconda della molecola in cui il singolo atomo di trova!

Ecco gli step da seguire illustrati qui sotto su una specifica reazione di ossidoriduzione:

1. Si assegnano i numeri di ossidazione agli atomi coinvolti nella reazione.
In questa reazione illustrata qui sotto sono coinvolti, in ordine di apparizione: l’acido solfidrico e l’acido nitrico, che producono zolfo, monossido di azoto e acqua. In questa formula abbiamo quindi assegnato i numeri di ossidazione ad ogni elemento.

• Il numero di ossidazione dello zolfo all’interno della molecola di acido solfidrico è -2
• Il numero di ossidazione dell’azoto nella molecola dell’acido nitrico è +5
• Il numero di ossidazione dello zolfo in forma atomica è 0
• Il numero di ossidazione dell’azoto nel monossido di azoto è +2

2. Si individuano le coppie redox, capendo la specie che si ossida quella che si riduce, collegando entrambe le coppie con le frecce

3. A questo punto, sulle frecce, si scrivono quanti sono gli elettroni acquisiti o ceduti, ovvero la differenza fra questi all’interno della coppia redox. Nella sopracitata formula:

• Lo zolfo aumenta il suo numero di ossidazione (passa da – 2 a 0), quindi si ossida acquisendo 2 elettroni
• L’azoto diminuisce il suo numero di elettroni (passa da 5 a +2), quindi si riduce perdendo 3 elettroni

4. A questo punto si moltiplica il numero di elettroni scambiati (acquisiti o persi) per i coefficienti, ovvero il minimo comun denominatore fra gli elettroni acquisiti dallo zolfo e quelli persi dall’azoto.

In questo caso i numeri di elettroni acquisiti e persi sono rispettivamente sono 2 e 3: il minimo comun denominatore fra questi due numeri è 6.

Ora bisogna individuare dei fattori che, moltiplicati per 2 (relativo all’ossidazione) e 3 (relativo riduzione), diano come risultato 6. Rispettivamente si tratta dei fattori 3 e 2, come evidenziato qui sotto.

Quindi

• 3 è il fattore stechiometrico da prendere in considerazione nel caso dell’ossidazione.
• 2 è il fattore stechiometrico da prendere in considerazione nel caso della riduzione

5. A questo punto si assegnano i fattori stechiometrici all’agente ossidante e all’agente riducente in modo da rendere uguale il numero degli elettroni ceduti e quello degli elettroni acquisiti. Scritto nella formula, risulterà così:

6. Infine si bilancia in modo definitivo la reazione chimica in accordo con la legge di Lavoisier, andando a bilanciare anche le masse degli atomi che non partecipano direttamente alla reazione di ossidoriduzione.

Infatti, mettendo semplicemente i fattori stechiometrici di fronte alle molecole che si sono ossidate e ridotte e facendo la conta degli atomi di ossigeno e idrogeno all’interno della reazione nell’immagine qui sopra, questi ultimi non sarebbero uguali. In particolare:

• Nei reagenti, gli atomi di idrogeno sono 8, e ossigeno sono 6
• Nei prodotti gli atomi di ossigeno sono 3, e gli atomi di l’idrogeno sono 2.

È quindi necessario bilanciare anche la molecola dell’acqua, mettendo semplicemente il numero 4 davanti alla molecola dell’acqua, come illustrato qui sotto.

Amici, è tempo di stappare lo champagne, la reazione di ossidoriduzione è finalmente bilanciata!

Ossidoriduzione in ambienti acidi e basici

Purtroppo non finisce qui Le reazioni di ossidoriduzione in soluzione acquosa coinvolgono anche gli ioni H+ e ioni OH−, che partecipano allo scambio di elettroni influenzando tutto il processo.

Ne consegue che, per bilanciare correttamente una reazione redox di questo tipo, è necessario specificare in che tipo di ambiente si opera, ovvero se è basico o acido. Come procedere?

• In entrambi i casi scriviamo l’equazione redox non bilanciata e separiamo i reagenti che si ossidano da quelli che si riducono.
• Dopo, tracciamo le semireazioni di ossidazione e di riduzione ed equilibriamo il numero di atomi e di cariche.
  A questo punto moltiplichiamo ogni semireazione per un fattore in modo che il numero di elettroni ceduti sia uguale al numero di elettroni ricevuti.
• Sommando le due semireazioni moltiplicate insieme (ed eliminando gli elettroni) possiamo controllare che la carica sia bilanciata e che il numero di atomi sia uguale.

In ambiente acido, possiamo:

• aggiungere ioni H+ in modo da bilanciare il numero di atomi di idrogeno;
• aggiungere ioni OH– in modo da bilanciare gli ioni H+ e formare acqua.

In ambiente basico, possiamo:

• aggiungere ioni OH– in modo da bilanciare gli ioni H+ presenti nell’equazione e formare acqua;
• controllare che gli ioni H+ e gli ioni OH– siano bilanciati e aggiungere altri per equilibrare.

Siamo finalmente giunti alla fine! Doppio brindisi!

Spero davvero che questa spiegazione completa sulle reazioni di ossidoriduzione possa esserti utile per capire meglio la chimica, ma anche il metabolismo cellulare in biologia.

Nei prossimi episodi entriamo nel vivo e trattiamo i processi che seguono la produzione e il consumo di ATP. Infatti, incontreremo la glicolisi e i suoi prodotti, la respirazione cellulare con il ciclo di Krebs e molto altro ancora. Non stai nella pelle, vero?

Ricorda, inoltre, che se vuoi ripassare in modo approfondito tutti gli argomenti connessi alla branca della biologia puoi affidarti a Futura, che ti mette a disposizione spiegazioni complete, esercizi e ripetizioni mirate.

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Se sei stato attento hai già una piccola infarinatura sul tema, perché dell’adenosina trifosfato (questo il nome completo della molecola di ATP) ne avevo già parlato quando ho fatto il riassunto sul metabolismo cellulare.

Oggi restringo un po’ il campo per spiegarti tutto quello che c’è da sapere sulla cosiddetta moneta energetica del nostro organismo, che fa letteralmente andare avanti tutta la baracca (non sto scherzando!).

Continua a leggere per ripassare in modo semplice cos’è l’ATP in biologia e la sua importanza nella bioenergetica. Non preoccuparti, perché procederò piano e con ordine.

Cos’è l’ATP e a cosa serve

Te l’ho detto che partivo dall’inizio! Eccomi quindi con la definizione di ATP, acronimo di Adenosina Trifosfato. Si tratta di una molecola, o meglio di un nucleotide trifosfato, composto – come dice la parola stessa – da:

• Tre gruppi fosfato
• Una molecola di ribosio
• Una molecola di Adenina

Qui di seguito trovi la formula dell’ATP: visualizzandola capirai meglio la spiegazione che sto per darti sul ruolo dell’ATP nel metabolismo cellulare.

Come potrai notare, i gruppi fosfato sono evidenziati in giallo. Perché cotanta importanza? Semplice, perché sono uniti fra loro da legami ad alta energia.

Questi legami fosfoanidridici, legandosi e spezzandosi attraverso l’idrolisi o la fosforilazione, generano consumano o producono l’energia di cui la cellula ha bisogno per funzionare alla perfezione.

E, in estrema sintesi è a questo che serve l’ATP: siamo di fronte alla molecola energetica per eccellenza, che le cellule sono in grado di produrre e utilizzare per gli scopi più diversi.

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Nell’uso e nella sintesi dell’adenosina trifosfato sono coinvolti tutti i processi metabolici principali (glicolisi, fermentazione e respirazione cellulare).

Si tratta di processi fondamentali che, andando a usare o produrre ATP, forniscono alla cellula l’energia necessaria per svolgere qualsiasi tipo di lavoro biologico (chimico, meccanico o di trasporto), tra cui menzioniamo:

• La trasmissione degli impulsi nervosi
• La contrazione muscolare
• La divisione cellulare
• La sintesi dell’RNA

Fin qui ci sei, vero? Spero di non averti ancora perso perché fino a questo momento la spiegazione sull’ATP si è mantenuta sul semplice.

Ora vado un attimo a complicare le cose andando a illustrare come si forma l’ATP.

Utilizzo e produzione di ATP: idrolisi e fosforilazione

Come abbiamo visto, i legami ad alta energia sono quelli che collegano i tre gruppi fosfato all’interno dell’ATP. I processi attraverso i quali questi legami sono scissi o ricomposti prendono il nome di idrolisi e fosforilazione che, in soldoni, sono le vie attraverso le quali l’adenosina trifosfato viene utilizzata e prodotta.

L’idrolisi, in particolare, è il processo attraverso il quale viene spezzato il legame che unisce i gruppi fosfato. Avviene grazie a un particolare enzima chiamato ATPasi che, lavorando insieme a una molecola di acqua, a partire dalla scissione della molecola di ATP ottiene:

• L’energia di cui le cellule hanno bisogno per gli scopi più vari
• Una molecola di ADP
• Un gruppo fosfato

L’idrolisi può essere anche totale: viene spezzato anche l’ultimo legame trifosfato contenuto dall’ADP ottenendo AMP (molecola con un solo gruppo fosfato) e liberando ulteriore energia.

Com’è facile immaginare, la fosforilazione è invece il processo opposto e ha lo scopo di trarre energia e immagazzinarla sotto forma di ATP a partire dall’ADP. Si tratta dell’ultima via metabolica e la tappa finale della respirazione cellulare, processo che avviene dopo la glicolisi in presenza di ossigeno.

Riassumendo:

• l’idrolisi è coinvolta nel consumo di ATP, poiché un gruppo fosfato deve essere rimosso da una molecola di di ATP per formare ATP (adenosina difosfato) e liberare energia;
• la fosforilazione è coinvolta nella produzione di ATP, poiché un gruppo fosfato deve essere aggiunto a una molecola di ADP per formare ATP.

In questa sede ci interessa più della fosforilazione rispetto all’idrolisi, perché è col primo processo che viene a tutti gli effetti prodotto l’ATP.

La fosforilazione ossidativa

Come abbiamo viso, l’ATP non è una moneta che esiste di per sé nelle nostre cellule, ma (ahinoi!) ogni cellula deve prodursela da sola. Come anticipato, la produzione più ingente di adenosina trifosfato avviene con la fosforilazione, che è l’ultima tappa della respirazione cellulare.

Prima di addentrarci nell’argomento faccio una piccola premessa: le vie metaboliche sono essenzialmente tre e sono tutte coinvolte nella produzione di ATP, anche se in maniera diversa e con rese energetiche differenti (se non nulle). Funzionano attraverso le reazioni di ossidoriduzione (redox per gli amici) che sono attivate dal carburante chimico del metabolismo cellulare, il glucosio.

Queste vie metaboliche sono la glicolisi, la fermentazione, e la respirazione e funzionano in maniera diversa a seconda che sia presente o meno l’ossigeno. Se quello che sto dicendo è arabo, ti consiglio di leggere (prima di proseguire), gli approfondimenti dedicati proprio alle reazioni redox, alla glicolisi, alla fermentazione e alla respirazione cellulare (con il suo celebre ciclo di Krebs).

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La fosforilazione ossidativa è l‘ultimissima tappa dell’ultimo processo metabolico (la respirazione) e segue la sintesi dell’Acetil-CoA e il già nominato ciclo di Krebs. Si tratta del livello gold del metabolismo cellulare perché avviene in tutti gli organismi in presenza di ossigeno col fine di produrre enormi quantità di ATP.

Questa avviene a livello dei mitocondri e si realizza grazie a degli speciali complessi enzimatici che, localizzati all’interno delle creste mitocondriali, rappresentano una vera e propria catena di trasporto degli elettroni. Questi speciali complessi enzimatici consentono l‘ossidazione dei coenzimi ridotti (NADH e FADH2, prodotti durante il ciclo di Krebs) strappandogli di dosso (letteralmente) gli elettroni. Questi ultimi vengono fatti viaggiare all’interno della cellula fino ad essere accettati dall’ossigeno che, riducendosi in acqua, dà vita a un gradiente protonico che consente infine la sintesi dell’ATP.

Le diverse fasi

Se non ti è abbastanza chiaro quanto spiegato poco sopra, te lo illustro nuovamente e in modo più approfondito nell’elenco puntato che trovi qui sotto.

Troverai, infatti, la lista di tutte le azioni che avvengono durante la fosforilazione ossidativa per la sintesi di enormi quantità di ATP.

1. I coenzimi ridotti (NADH e FADH2) prodotti durante il ciclo di Krebs si trovano nella matrice mitocondriale, dove avviene la loro ossidazione: vengono trasformati in NAD+ e FAD.
2. La loro ossidazione libera elettroni che, viaggiando lungo la preposta catena enzimatica di trasporto, arrivano fino all’ossigeno.
3. L’ossigeno accetta gli elettroni, diventando acqua.
4. Il passaggio degli elettroni lungo questa catena enzimatica libera energia, che questi stessi enzimi utilizzano per pompare nello spazio intermembrana gli ioni H+, ovvero i protoni, che derivano dalla precedente ossidazione dei coenzimi.
5. Man mano che gli ioni H+ si accumulano nello spazio intermembrana, si genera il cosiddetto gradiente protonico, ovvero un’elevata concentrazione di H+ nello spazio intermembrana della cellula rispetto a quelli contenuti nella matrice mitocondriale.
6. A causa del gradiente protonico, tutti gli ioni H+ vorrebbero tornare nella matrice mitocondriale ma, essendo particelle cariche, da soli non riescono ad attraversare la membrana interna dei mitocondri.
7. Per attraversarla devono passare per forza attraverso un enzima chiamato ATP sintasi, composto dalla sub-unità F0 e F1.
8. Gli ioni H+ passano nella sub-unità F0 facendola ruotare, e questo movimento attiva la sub-unità F1.
9. La sub unità F1 sfrutta l’energia cinetica per fosforilare l’ADP, ovvero dargli un gruppo fosfato per ottenere (finalmente!!!!!) l’ATP.

Dì la verità, hai sudato freddo per capire come viene prodotta la molecola di ATP! Spero che i concetti siano chiari e che possa farli tuoi. A pensarci bene questa storia è anche piuttosto avvincente, non trovi?

Ricorda, inoltre, che se vuoi ripassare in modo approfondito tutti gli argomenti connessi alla branca della biologia puoi affidarti a Futura, che ti mette a disposizione spiegazioni complete, esercizi e ripetizioni mirate.

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L'articolo ATP: cos’è e a cosa serve la molecola alla base del metabolismo cellulare proviene da Futura Blog.

Perché fra processi anabolici e catabolici, ATP e metabolismo autotrofo ed eterotrofo potresti avere un bella confusione in testa.

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Se stai cercando un riassunto sul metabolismo cellulare sei nel posto giusto! Non perdo altro tempo e mi metto subito all'opera per darti una spiegazione semplice sul tema.

Cos'è il metabolismo cellulare?

Prima di capire cos'è il metabolismo cellulare è bene orientarsi all'interno della materia cominciando a fare - almeno mentalmente - una mappa concettuale e uno schema mentale dell'argomento.

Stiamo infatti per affrontare uno dei tanti rami della ben più ampia bioenergetica, ovvero la scienza che studia tutti i processi con cui le cellule utilizzano, immagazzinano e scambiano energia.

Col termine metabolismo energetico si intendono proprio tutte le reazioni chimiche che avvengono nelle cellule degli esseri viventi. Queste ultime (affamate come te dopo tre spritz all'aperitivo) assimilano i nutrienti di cui hanno bisogno per poi scomporli in forme utilizzabili e utili alla creazione di energia.

In estrema sintesi, è proprio questa la definizione di metabolismo cellulare!

Ma magari fosse così semplice Queste reazioni sono infatti composte da una complessa rete di processi che, a loro volta, si suddividono nel catabolismo e nell'anabolismo. E, a loro volta, questi processi non potrebbero esistere senza un vettore chimico fondamentale.

Ne avrai sicuramente sentito parlare, perché mi sto riferendo alla celebre molecola di ATP, l'adenosina trifosfato. Senza l'ATP non avverrebbero infatti le reazioni di ossidoriduzione (redox per gli amici) che permettono il trasferimento di elettroni fra due molecole alimentando così lo scambio di energia.

Ma attenzione, la produzione di ATP è differente da cellula a cellula e proprio da questa diversità dipende il modo in cui gli organismi producono e conservano le molecole di ATP.

Ci sono ad esempio gli organismi autotrofi, che bastano a sé stessi e utilizzano composti inorganici per produrre i nutrienti e immagazzinare ATP; ci sono poi gli organismi eterotrofi, che producono ATP partendo da composti organici che devono reperire nutrendosi.

Ti sei già perso? Niente paura. So che c'è tanta carne al fuoco e per questo - dopo questa densa premessa - ti faccio uno schema qui sotto.

A brevissimo andrò a spiegare ogni singolo punto nominato in questo paragrafo, ovvero:

1. La definizione di metabolismo cellulare
2. La differenza fra anabolico e catabolico
3. Il ruolo dell'ATP nel metabolismo energetico
4. Le reazioni di ossidoriduzione

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Se poi hai ancora qualche dubbio in merito, puoi sempre dare un'occhiata alla nostra fantastica playlist su Youtube in cui illustriamo per filo e per segno tutti gli argomenti correlati a questa tematica.

Non ci resta che addentrarci nell'argomento!

La differenza fra anabolico e catabolico

Cominciamo dal primo punto, fondamentale per capire al meglio il metabolismo cellulare: la differenza fra le reazione anaboliche e cataboliche.

Il catabolismo riguarda le reazioni di demolizione delle macromolecole organiche in sostanze più semplici da assimilare e per liberare energia. Quest'energia viene poi utilizzata dalla cellula per sintetizzare la famosa ATP. Queste reazioni vengono anche definite esoergoniche. Alcuni esempi di catabolismo sono la glicolisi, l'idrolisi delle macromolecole e la respirazione cellulare.

L'anabolismo, al contrario, riguarda tutte quelle reazioni di sintesi che sono preposte a creare macromolecole a partire da elementi più semplici, quindi si tratta dell'esatto contrario del catabolismo: per fare questo viene consumato ATP. Le reazioni anaboliche sono anche chiamate reazioni endoergoniche, ovvero che necessitano del consumo di energia. Un esempio di anabolismo è la fotosintesi clorofilliana.

Quindi, riassumendo in modo estremo: il catabolismo produce energia che viene poi utilizzata, l'anabolismo consuma energia per creare molecole più complesse.

E il primo punto l'abbiamo sfangato. Ora tocca alla molecola dell'ATP, la temutissima adenosina trifosfato.

ATP e metabolismo cellulare

Bene, a questo punto possiamo parlare dell'ATP, per esteso adenosina trifosfato. Come abbiamo appena visto è essenziale per alimentare i processi del metabolismo cellulare. Potremmo quasi immaginarla come una moneta energetica che le cellule producono e o utilizzano per ottenere altro.

Ma come viene prodotta l'ATP e, visto che è una moneta, è possibile rubarla chiudendosi nella zecca di stato delle cellule per poi ridarla al popolo e vivere costantemente energizzati? Ovviamente no!!

Ma non perdiamoci d'animo, perché ora sto per spiegare meglio cos'è l'ATP in biologia e il suo ruolo nella vastissima branca della bioenergetica.

Dal punto di vista strutturale siamo di fronte a un nucleotide trifosfato la cui particolarità sta proprio nel legame chimico che c'è fra i tre diversi gruppi fosfato che la compongono.

I legami che uniscono i gruppi fosfato sono infatti ad alta energia (legami fosfoanidridici). Infatti, quando i legami consentono l'unione dei diversi gruppi fosfato, in essi è potenzialmente racchiusa molta energia.

Quindi, se la cellula ha bisogno di recuperare energia, può spezzare questi legami, idrolizzandoli. A questo punto l'energia può essere usata dalla cellula per compiere altre fondamentali funzioni.

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L'idrolisi dell'ATP e il suo contrario

Ecco quindi comparire un concetto che bisogna tenere bene a mente, quindi appuntatelo : l'idrolisi dell'ATP, ovvero il processo di demolizione che consente la rottura del legame fosfoanidridico, il conseguente distacco del gruppo fosfato e la liberazione di energia. Facile no?

Ma cosa succede quando l'ATP viene idrolizzato? Semplice, si crea un altro nucleotide che prende il nome di ADP (che contiene solo due gruppi fosfato), che può essere a sua volta idrolizzato creando a sua volta l'AMP (con un solo gruppo fosfato) liberando ulteriore energia.

Ma la cellula, oltre a consumare ATP idrolizzandolo, può anche produrlo, sintetizzandolo con le reazioni cataboliche. Il processo è esattamente il contrario dell'idrolisi: la cellula, utilizzando uno specifico enzima, utilizza energia per unire l'ADP a un grippo fosfato, sintetizzando ancora una volta l'ATP.

Se non hai capito bene questo concetto rileggilo più volte e fallo tuo, perché è F-O-N-D-A-M-E-N-T-A-L-E per comprendere il metabolismo cellulare.

Metabolismo autotrofo ed eterotrofo

Entriamo un po' nel vivo del discorso parlando degli organismi autotrofi ed eterotrofi che, come vedremo, hanno un metabolismo energetico molto diverso fra loro.

Partendo dal presupposto che una cellula può degradare composti organici (come il glucosio) per ricavare energia, questi composti organici devono essere pur sintetizzati in qualche modo per essere utilizzati in questo importante processo energetico.

E, in base al meccanismo attraverso il quale gli organismi si procurano le sostanze organiche, si differenziano in autotrofi ed eterotrofi.

Gli organismi autotrofi riescono a sintetizzare in maniera autonoma i composti organici di cui hanno bisogno partendo da composti inorganici. Vuoi un esempio concreto?

Fanno parte di questo gruppo gli organismi foto-autotrofi come le piante, che a partire da acqua e anidride carbonica (attraverso la fotosintesi) utilizzano la luce solare per sintetizzare il glucosio che poi servirà loro per tutti i loro processi energetici.

Gli organismi eterotrofi al contrario non sono in grado di sintetizzate autonomamente i composti organici di cui hanno bisogno a partire dalla materia inorganica, e per questo devono ricavare le molecole organiche dall'ambiente circostante per dare alle cellule quello di cui hanno bisogno per funzionare. Come? Nutrendosi ovviamente!

Come avrai capito, tutti gli animali (ma anche i funghi e i procarioti) fanno parte di questo nutrito gruppo, compresi noi esseri umani.

Ora che hai capito cos'è il metabolismo cellulare, cos'è l'ATP e come funziona, e le diverse tipologie di metabolismo energetico hai guadagnato abbastanza punti esperienza per passare al livello successivo e affrontare le reazioni del metabolismo cellulare e la temutissima ossidoriduzione!

Le reazioni del metabolismo cellulare e l'ossidoriduzione

Ma come funziona il metabolismo energetico della cellula dal punto di vista chimico? Semplice, attraverso specifiche reazioni che, la maggior parte delle volte, sono di ossidoriduzione. L'ossidoriduzione è una particolare reazione chimica che avviene attraverso due specie chimiche:

• Il riducente, ovvero l'elemento che si ossida perdendo elettroni, o meglio atomi di idrogeno (ossidazione)
• L'ossidante, ovvero l'elemento che si riduce acquisendo elettroni, o meglio atomi di idrogeno (riduzione)

Tanto più una molecola è ridotta, tanto più è l'energia contenuta all'interno dei suoi legami, che poi la cellula può utilizzare per creare ATP (ecco finalmente tornare l'adenosina trifosfato!): come potrai immaginare, abbiamo quasi finito perché stiamo finalmente per chiudere il cerchio del metabolismo cellulare, quindi tieni duro!

Il glucosio quindi rappresenta il substrato fondamentale per la creazione di energia all'interno della cellula: è proprio attraverso il processo di ossidoriduzione che il glucosio assunto dalle cellule viene completamente ossidato per trasformarsi in anidride carbonica. Quello che rimane è l'ossigeno, che si riduce dando origine alle molecole di acqua, liberando energia. Questo è quello che avviene, durante tutte le reazioni metaboliche e la creazione dell'ATP.

I processi metabolici più importanti utilizzati dalla cellula per ossidare il glucosio e sfruttare l’energia ricavata sono:

• la glicolisi
• la respirazione cellulare
• la fermentazione

La glicolisi

Spieghiamo meglio cos'è la glicolisi, una reazione anaerobica che quindi avviene in assenza di ossigeno nel citoplasma di tutte le cellule. La glicolisi è un processo metabolico con cui una molecola di glucosio viene scissa in due molecole di piruvato così da generare ulteriore molecole con più energia, ovvero quattro molecole di ATP e due molecola di NADH per ogni molecola di glucosio utilizzata.

Si suddivide in due parti che contano cinque reazioni (o tappe) ciascuna, tutte consecutive: le due parti sono la fase preparatoria e la fase di recupero energetico.

Nella fase preparatoria la cellula, attraverso cinque reazioni, fa un investimento energetico e consuma due molecole di ATP. Nella fase di recupero, con le ultime cinque reazioni, la cellula recupera invece energia producendo quattro molecole di ATP e due molecole di NADH H+ (anch'esse ricche di energie), e due molecole di acqua. Com'è facile immaginare, quindi, la resa energetica di questo processo metabolico è limitata perché, utilizzando due molecole di ATP si ha un guadagno netto di sole 2 molecole di ATP, più le altre molecole sopra elencate.

La fermentazione

La fermentazione è anch'essa un processo metabolico che si realizza nel citoplasma di una cellula e segue la glicolisi nelle cellule eucariotiche e procariotiche che vivono in assenza di ossigeno (processo anaerobico).

Si suddivide a sua volta nella fermentazione lattica (che produce molecole di acido lattico) e nella fermentazione alcolica (che produce molecole di etanolo). Nessuno di questi processi contribuisce a produrre ATP, quindi la resa energetica di questo processo è nulla.

A cosa serve quindi la fermentazione? In parole povere, essendo successiva alla glicolisi, ha il compito di ossidare ossidare il NADH H+, ritrasformalo nella sua forma ossidata NAD+, affinché poi possa avvenire una nuova glicolisi.

La respirazione cellulare

Eccoci arrivati (finalmente!) all'ultimo processo metabolico. Cos'è la respirazione cellulare? Te ne darò una spiegazione semplice e stringata. Come si può facilmente intuire dalla presenza della parola "respirazione", si tratta di una via metabolica che, per funzionare, necessita della presenza dell'ossigeno. Si realizza, all'interno delle cellule eucariotiche, nei mitocondri.

Attraverso la respirazione, il famoso piruvato che è stato prodotto dalla glicolisi viene modificato per produrre tante molecole di ATP. Le vie metaboliche della respirazione cellulare sono:

• La sintesi dell'Acetil-CoA
• Il ciclo di Krebs
• Fosforilazione ossidativa

La fosforilazione ossidativa è il processo livello gold del metabolismo cellulare perché avviene in modo ubiquitario in tutti gli organismi aerobi (cioè quelli che usano l’ossigeno per produrre energia) per produrre enormi quantità di ATP, fondamentali per far funzionare tutta la baracca.

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Bene, abbiamo finito! Hai sudato vero? Un po' anche io! Non è facile rendere chiari questi processi tanto basilari per il funzionamento degli esseri viventi quanto complessi e articolati.

Sappi, comunque che questo riassunto sul metabolismo cellulare ti sarà utilissimo per comprendere meglio tutta la biologia e soprattutto per superare con successo interrogazioni, compiti in classe e test di ammissione.

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Ebbene sì, questo perché la reazione chimica della fotosintesi è speculare a quella della respirazione cellulare (no vabbè ).

Infatti, queste due reazioni rappresentano i processi opposti che avvengono all’interno delle cellule degli organismi viventi.

In questo episodio sul metabolismo cellulare capiamo quali processi avvengono all’interno delle nostre amiche verdi (parliamo anche di avocado …gnammi gnammi).

Bene, ora che abbiamo un po’ di languorino, possiamo iniziare.

Le piante, come tutti gli organismi, ricavano energia dalla glicolisi e dalla respirazione cellulare (che ormai sono di famiglia).
Tuttavia, le nostre amichette verdi sono in grado di svolgere anche un altro processo metabolico , la fotosintesi.

Tale reazione richiede l’intervento di un pigmento chiamato “clorofilla” e per questo la chiamiamo “fotosintesi clorofilliana”. Essa sfrutta l’energia luminosa per avviare una serie di reazioni utili a convertire la CO₂ (composto inorganico) in glucosio (composto organico).

Questo processo prende il nome di organicazione del carbonio, che ha tale nome in quanto le piante assorbono luce solare, anidride carbonica (CO2) e acqua (H2O) per produrre zuccheri (come il glucosio) e rilasciare ossigeno (O2).

La formula della fotosintesi è:

6 CO₂ + 6 H₂O → C6H12O6 + 6 O₂

Per i comuni mortali: 6 CO₂ + 6 H₂O (+ energia luminosa) → glucosio + 6 O₂

Vi sembrano personaggi familiari vero ?

Questo perché i prodotti della fotosintesi sono, allo stesso tempo, i reagenti della respirazione cellulare e viceversa.

Per rinfrescarci la memoria, la formula (semplificata) della respirazione cellulare è:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + energia

Durante questa reazione, gli organismi viventi (comprese le piante) utilizzano il glucosio e l’ossigeno per produrre energia, anidride carbonica e acqua.

In generale, la formula della fotosintesi clorofilliana utilizza gli stessi elementi (CO₂ e H₂O), ma in direzioni opposte. Ciò consente il flusso continuo di energia alla base della materia vivente.

Bene, addentriamoci in questo viaggio e prepariamoci a sviluppare il pollice più verde di sempre .

Dove avviene la fotosintesi clorofilliana? Le fasi della reazione

La fotosintesi clorofilliana avviene nei cloroplasti ed è composta da due momenti: la fase luminosa e la fase oscura.

Le reazioni luminose avvengono nei tilacoidi, mentre quelle indipendenti dalla luce avvengono nello stroma.

La prima fase avviene a livello della membrana in cui sono collocati i pigmenti, che sono molecole in grado di assorbire radiazioni elettromagnetiche (come la luce) con determinate lunghezze d’onda.

Infatti, nelle piante fotosintetiche troviamo:

• clorofille (a, b), che assorbono rispettivamente le frequenze nel blu e nel rosso.
• pigmenti accessori, come i carotenoidi e le ficobiline, che assorbono nel blu e nel blu-verde.

Tali molecole sono inserite all’interno di complessi proteici chiamati fotosistemi.

Questi ultimi hanno il compito di convogliare la luce dai complessi antenna (gli insiemi di proteine e pigmenti) verso una molecola di clorofilla presente nel centro di reazione (il complesso proteico).

Infatti, nella formula della fotosintesi clorofilliana, l’energia luminosa contribuisce a far avvenire il processo metabolico. Il complesso proteico, poi, la trasforma in energia chimica.

I prodotti della fotosintesi durante la fase luminosa sono: ATP e NADPH.

Fase oscura e ciclo di Calvin

ATP e NADPH saranno fondamentali per dare inizio alla fase oscura, che è chiamata così poiché non necessita di luce per avvenire (scommettiamo che non l’avresti mai detto ).

Tale processo ha luogo all’interno dello stroma (all’esterno dello spazio tilacoidale), ma avviene comunque nella membrana interna dei cloroplasti.

Nella formula della fotosintesi clorofilliana, l’ATP e il NADPH prodotti e consumati si bilanciano, e quindi non compaiono esplicitamente nell’equazione bilanciata finale.

Durante la fase oscura avviene il ciclo di Calvin-Benson (anche conosciuto come ciclo di Calvin).

Tale processo utilizza la CO₂ atmosferica e i prodotti della fase luminosa (ATP e NADPH) per sintetizzare il glucosio attraverso le reazioni di organicazione e fissazione.

Il ciclo di Calvin impiega 6 CO₂, 18 ATP e 12 NADPH per sintetizzare 1 molecola di glucosio e rigenerare il reagente di partenza.

Okay, ma cosa vuol dire? Keep calm che ora lo vediamo bene bene, piano piano.

Ciclo di Calvin: formula e prodotti della fase oscura

l ciclo è composto da 3 momenti fondamentali.

Il primo è la fissazione della CO₂.

Durante tale processo l’anidride carbonica (molecola con 1 atomo di carbonio) viene unita ad una molecola di ribulosio bifosfato (con 5 atomi di carbonio).

Tale reazione avviene grazie al rubisco (ribulosio bifosfato carbossilasi), che è l’enzima chiave dell’intero processo.

A questo punto viene creato un intermedio instabile che viene immediatamente diviso in 2 molecole di 3-fosfoglicerato (3-PGA).

La seconda fase è la riduzione del 3-PGA.

Durante questo processo avviene la fosforilazione con consumo di ATP a 1,3-bifosfoglicerato. Tale molecola viene successivamente ridotta a gliceraldeide-3-fosfato (G3P).

Delle 12 molecole di G3P, 2 verranno usate per costruire il glucosio, mentre 10 saranno utilizzate per ripristinare il ribulosio bifosfato.

Da qui arriviamo alla terza fase, in cui le 10 molecole di G3P (3 atomi di carbonio) vengono fosforilate.

A questo punto abbiamo sia il consumo di 6 molecole di ATP, sia la produzione finale di 6 molecole di ribulosio bifosfato (5 atomi di carbonio).

Tale processo permette la rigenerazione del ribulosio bifosfato, che sarà utilizzato per ricominciare il ciclo e partecipare ai processi per fissare l’anidride carbonica (CO₂).

Tuttavia, le piante utilizzano reazioni metaboliche per effettuare questo primo step.

Vediamole nel dettaglio.

Le categorie delle piante (C3, C4, CAM)

Alcune piante fissano l’anidride carbonica in un composto a 3 atomi di carbonio, ovvero la gliceraldeide-3-fosfato (G3P).

Queste sono dette C3 e ne sono un esempio le piante arboree e arbustive come i lamponi, i mirtilli, la soia.
In generale, le C3 sono vegetali con tronco quasi inesistente e tanti rami (non spiegatelo così se vi chiedono qualcosa a riguardo, è solo per capirci ).

Poi ci sono le amichette verdi che fissano l’anidride carbonica in un composto chiamato fosfoenolpiruvato. Tali piante sono dette C4 e utilizzano un meccanismo di fotosintesi più complesso rispetto alle C3.

Infatti, grazie all’azione dell’enzima PEP carbossilasi (fosfoenolpiruvato carbossilasi) producono l’ossalacetato, un composto a 4 atomi di carbonio.

Alcuni esempi sono il mais, il dattero e la canna da zucchero, cioè piante che sono in grado di effettuare la fotosintesi in condizioni di carenza d’acqua e alta intensità di luminosa e calore.

Infine, ci sono le piante CAM (acronimo di Crassulacean Acid Metabolism – metabolismo acido delle crassulacee), che usano l’enzima PEP carbossilasi per addizionare la CO₂ al fosfoenolpiruvato e ottenere un composto a 4 atomi di carbonio chiamato acido malico.

Queste piante fissano CO₂ solo di notte per non perdere acqua perché tendenzialmente sono piante che crescono in ambienti aridi. Alcuni esempi sono le orchidee, l’ananas, i cactus e l’avocado (maledetto guacamole, esci dalla mia testa ).

Il metabolismo delle piante C4 e delle CAM è un’evoluzione del normale metabolismo C3 ed è sviluppato in quelle piante che vivono rispettivamente in climi secchi e desertici.

Bene doctorz! Speriamo che questo approfondimento sul metabolismo cellulare delle piante ti permetta di avere un’idea più completa riguardo all’argomento.
Ti ricordiamo che trovi un’intera playlist dedicata al tema sul nostro canale YouTube.

Ci vediamo nei prossimi episodi, ciao doctorz!

L'articolo A cosa ti serve sapere la formula della fotosintesi clorofilliana? proviene da Futura Blog.

Ebbene sì, questo è tipo il capitolo conclusivo in cui capiamo cosa combina l’ATP insieme ai suoi amichetti per produrre energia.

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Cioè, non è che sia l’Endgame di questo cinematic universe, ma sicuramente siamo alle battute finali.
Sappiamo che può essere una brutta notizia perché ci divertiamo tanto insieme alla nostra molecola energetica, ma anche le cose belle hanno una fine (tipo il weekend ).

Tornando a noi. Siamo partiti dalla glicolisi e ne abbiamo visto le fasi, i prodotti e il bilanciamento. Dopodiché, abbiamo chiarito che tale processo porta alla respirazione cellulare quando le condizioni biochimiche sono di aerobiosi (presenza di ossigeno).

E se invece non c’è ossigeno? Niente, stai male .

Scherziamo, perché in condizioni anaerobiche abbiamo l’inizio dei processi di fermentazione.

Questo processo è fondamentale per la sopravvivenza di molti organismi, come i batteri che si trovano nell’intestino, ma anche per la produzione di cibi come il pane, lo yogurt e il vino.

Con questo articolo vediamo da vicino la fermentazione lattica e alcolica e capiamo come influenzano sia la demolizione delle molecole organiche in sostanze più semplici, sia la produzione e il consumo di ATP (la moneta energetica della cellula, ma questo già lo avevamo detto molti episodi fa. Precisamente qui).

La produzione di acido lattico: cos’è e come funziona

La fermentazione lattica e quella alcolica sono processi metabolici successivi alla glicolisi.
Avvengono in condizioni di anaerobiosi, cioè in assenza di ossigeno, nelle cellule eucariotiche e procariotiche.

Il processo di fermentazione inizia nel citoplasma e la sua funzione è l’ossidazione del NADH per rigenerare NAD⁺, che è uno dei reagenti della glicolisi ed è necessario perché tale processo possa continuare.

La fermentazione non è funzionale alla produzione di ATP, che avviene solo durante la glicolisi.

In che cosa consiste la fermentazione lattica?

È il processo metabolico che trasforma due molecole di piruvato in due molecole di acido lattico.
L’enzima della reazione è la lattato deidrogenasi, il coenzima è il NADH + H⁺ che in questo modo si ossida e rigenera NAD⁺.
I prodotti della fermentazione lattica (conosciuti anche come “resa energetica finale“) sono di 2 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio convertita in acido lattico.

Ciò rende tale processo meno efficiente rispetto alla respirazione cellulare aerobica, che ha una resa energetica di 36-38 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio convertita in anidride carbonica e acqua.

Cosa si produce nella fermentazione lattica?

Viene prodotto acido lattico, che viene utilizzato come fonte di energia per le cellule.

Ti ricordiamo che questo processo avviene a seguito della glicolisi in molti procarioti, ma può coinvolgere anche le cellule muscolari umane.

I muscoli la utilizzano per produrre energia in assenza di ossigeno (ecco cosa succede quando carichi abbestia sulla panca ).

Infatti, in caso di sforzo intenso e prolungato il flusso sanguigno diviene insufficiente nel fornire ossigeno. A questo punto le cellule abbandonano la respirazione cellulare a favore della fermentazione lattica.

L’acido lattico viene così diffuso nel sangue, giunge al fegato e viene convertito di nuovo in piruvato .

Come avviene il processo di fermentazione alcolica?

Anche questo inizia in presenza di un eccesso di piruvato, ottenuto dalla conversione del glucosio della glicolisi.
Il processo metabolico della fermentazione alcolica trasforma ogni molecola in eccesso in due molecole di acetaldeide e, successivamente, in due molecole di alcol etilico.

Inoltre, la reazione produce 2 molecole di CO₂ e ossida il NADH + H⁺ per rigenerare il NAD⁺.
La resa energetica finale è di 2 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio convertita in etanolo.

La fermentazione alcolica avviene in certi lieviti e cellule vegetali ed è responsabile della produzione di bevande alcoliche e della lievitazione del pane.
Cioè, renditi conto. Il pane, tu lo vedi e pensi “ah vabbè, cosa vuoi che sia”.

Senza la fermentazione sarebbe un alimento triste, piatto e denso anziché spugnoso e leggero.

Piccolo fun fact sulla fermentazione del pane: avviene all’interno della massa di farina, acqua e lievito. Quest’ultimo consuma gli zuccheri della farina e produce alcool etilico e anidride carbonica, che è l’elemento che fa lievitare l’impasto conferendogli la consistenza spugnosa e morbida.

Vabbè a questo punto vediamo anche come interviene nella produzione di vino, birra & co.
In tal caso, la fermentazione avviene all’interno di una miscela di ingredienti (mosto per la birra e il vino, mela per il sidro, tante altre cose strane per altri tipi di bevande, ecc.) contenente zuccheri e altri nutrienti.
I lieviti agiscono metabolizzando gli zuccheri e producendo alcool etilico e anidride carbonica.

Questo vuol dire che, per esempio, la frutta fermentata (un po’ più in là con l’età rispetto alla frutta matura) è più ricca dal punto di vista energetico perché contiene etanolo. Infatti, molti animali usano questo trick nutrizionale per selezionare il cibo.

Poi vabbè, si ubriacano per farlo, ma è diverso perché loro non vogliono sbronzarsi (tu invece sì…salute ).

Bene! Dal mondo della fermentazione è tutto.

Speriamo che questo articolo ti sia utile per unire tutti i tasselli e capire la produzione e il consumo di energia nei processi del metabolismo cellulare.

Se vuoi approfondire questi temi puoi dare un’occhiata alla nostra playlist YouTube interamente dedicata all’argomento.

Ciao DoctorZ, alla prossima!

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Nei prossimi scroll vediamo i processi e i protagonisti coinvolti nel Ciclo di Krebs, in modo da comprendere l’importanza e il ruolo di questo processo biologico

Perché si chiama Ciclo di Krebs?

Iniziamo con il dire che questo processo metabolico, è talmente importante che ha altri 3 nomi.

Tipo la nobiltà di altri tempi o i calciatori brasiliani

Infatti può essere chiamato anche “ciclo degli acidi tricarbossilici“, “ciclo dell’acido citrico” o “ciclo dell’ossalacetato“.

Questo perché è il processo del ciclo metabolico attraverso cui gli organismi aerobici (tipo me e te per esempio) ricavano energia attraverso la respirazione.

Direi roba al livello di importanza: “perché continuo a respirare” quindi.

Ora che sappiamo cos’è il ciclo di Krebs e cosa vuole dalla tua vita, entriamo un po’ più nel dettaglio.

Abbiamo detto che serve a produrre energia, bene, adesso aggiungiamo il fatto che inizia con l’ossidazione del piruvato derivante dalla glicolisi.

Ora, se mi segui assiduamente come se fossi bello bello in modo assurdo, potresti ricordare che, nello scorso episodio, abbiamo visto che la glicolisi è una delle prime fasi della respirazione cellulare e può avvenire sia in condizioni aerobiche (in presenza di ossigeno), sia in condizioni anaerobiche (in assenza di ossigeno).

Ecco, il ciclo di Krebs non è altro che il sequel della glicolisi nel momento in cui le condizioni sono di aerobiosi. Quindi potremmo anche chiamare l’articolo “glicolisi 2: il ritorno dell’ossigeno“, o qualcosa di simile .

Il ruolo dei mitocondri

Ora che sappiamo a cosa serve e come inizia, mi chiederei “dove”.

Bene, Il ciclo dell’acido citrico (è sempre il ciclo di Krebs come ti dicevo) avviene all’interno dei mitocondri delle cellule eucariotiche.

In pratica, il ciclo di Krebs inizia quando le molecole di piruvato entrano nei mitocondri e vengono scomposte in sostanze più semplici. Questo processo rilascia una piccola quantità di energia, sotto forma di ATP

Le molecole più piccole vengono combinate con altre per formare ulteriori sostanze chimiche come il NADH, il FADH₂ e CO₂, i famosi prodotti tra i protagonisti delle domande del test d’ammissione.

I prodotti del ciclo di Krebs sono poi utilizzati in altre fasi del processo di produzione di energia cellulare, come la catena di trasporto degli elettroni.

I prodotti e le fasi del ciclo di Krebs

In generale, il ciclo di Krebs è un “centro di smistamento” delle sostanze chimiche prodotte dalla glicolisi e il suo risultato principale è la produzione di energia sotto forma di ATP.
Inoltre, questo processo permette anche di liberare CO₂, che se accumulata diventa dannosa per le cellule.

I prodotti del ciclo di Krebs sono ATP, CO₂, NADH, FADH₂ e ossalacetato.

Il primo passo del ciclo è la sintesi dell’acetil-CoA. Questo processo avviene nel citoplasma, dove le molecole di piruvato vengono trasformate in acetil-CoA.

Tale reazione richiede l’apporto di energia, che è fornita grazie all’azione di un enzima chiamato piruvato deidrogenasi.

Una volta che le molecole di acetil-CoA sono state prodotte, entrano nel mitocondrio dove iniziano le diverse fasi del processo aerobico della respirazione cellulare.

Il ciclo di Krebs è composto da otto fasi, che possiamo dividere in due processi principali:

• fase anaplerotica, in cui l’ossalacetato si combina con l’acetil-CoA per formare il citrato e rifornire gli intermedi sottratti per la sintesi dei composti;
• fase catabolica, in cui il citrato viene ossidato in CO₂ e altri composti intermedi per degradare il glucosio (e altre molecole a sei atomi di carbonio) in piruvato.

Tutto inizia con l’ossidazione del piruvato e termina quando è rigenerato il composto di partenza, l’ossalacetato.

In generale, non è necessario ricordare tutte le modifiche chimiche, piuttosto è utile focalizzare l’attenzione su attori e prodotti.

Le fasi del ciclo di Krebs

Inizialmente l’acetil-CoA è combinato con una molecola di ossalacetato per formare una molecola di citrato. Tale reazione è catalizzata dall’enzima citrato sintasi.

In seguito, il citrato è convertito in isocitrato grazie all’azione dell’enzima aconitasi.

A questo punto l’isocitrato è trasformato dall’isocitrato deidrogenasi in alfa-chetoglutarato.

Quest’ultimo è convertito a sua volta in succinil-CoA grazie all’azione del complesso dell’alfa-chetoglutarato deidrogenasi.

Successivamente, il succinil-CoA è trasformato in succinato grazie all’azione dell’enzima succinil-CoA sintetasi. Il succinato è poi convertito in fumarato grazie all’azione dell’enzima succinato deidrogenasi.

Infine, il fumarato è convertito in malato () grazie all’azione dell’enzima fumarasi. Il malato, a sua volta, è poi trasformato di nuovo in ossalacetato grazie all’azione dell’enzima malato deidrogenasi.

A questo punto il ciclo è completo e durante le reazioni chimiche sono state prodotte molecole importanti per il processo di produzione di energia cellulare, come l’ATP, il NADH e il FADH₂.

Questi due coenzimi sono poi utilizzati nella fase di fosforilazione ossidativa, che è il processo finale della produzione di energia cellulare e avviene sulla membrana interna del mitocondrio.

Complessivamente, ogni “giro” del ciclo di Krebs produce una molecola di ATP, tre molecole di NADH e una molecola di FADH₂, che sono poi utilizzati nella fase conclusiva.

Occhio però , poiché nel ciclo di Krebs entrano in gioco due molecole di acetil-CoA per ogni molecola iniziale di glucosio, la produzione complessiva di ATP, NADH e FADH₂ è rispettivamente due, sei e due.

La fosforilazione ossidativa e il ruolo dei coenzimi NAD e FAD

La produzione di NADH e FADH₂ durante il ciclo di Krebs è importante in quanto entrambi i coenzimi sono poi utili nella fase finale del processo biochimico.

Questo momento conclusivo prende il nome di fosforilazione ossidativa e avviene nei mitocondri.

Produce ATP a partire dall’energia liberata dagli intermedi del ciclo di Krebs e dalla catena di trasporto degli elettroni. Quest’ultima è costituita da una serie di complessi proteici, localizzati nella membrana interna dei mitocondri.

Qui cosa accade? In pratica il NADH e il FADH₂ trasferiscono elettroni sulla catena di trasporto degli elettroni, che è costituita da una serie di proteine presenti sulla membrana interna del mitocondrio.

Tale processo genera un gradiente di protoni tra la membrana interna ed esterna del mitocondrio. Questa concentrazione di particelle con carica positiva è utilizzata per produrre ATP grazie all’azione dell’enzima ATP sintasi.

Bene! Questo è ciò che c’è da sapere sulla respirazione cellulare passando per le fasi e i prodotti del ciclo di Krebs.

Mettiamo dei punti per orientarci.

Rispetto alla glicolisi, il ciclo di Krebs genera un maggiore rendimento di energia.

Infatti per ogni “giro” il ciclo genera:

• una molecola di ATP;
• tre molecole di NADH;
• una molecola di FADH₂.

Inoltre, poiché nel ciclo di Krebs entrano in gioco due molecole di acetila-CoA per ogni molecola iniziale di glucosio dobbiamo raddoppiare i risultati (come abbiamo visto qualche riga più sopra ).

In più, non dimenticare che saranno generate 2 molecole di CO₂ come scarto.

Ciclo di Krebs e metabolismo cellulare

Speriamo che questo step in più sul metabolismo cellulare ti sia utile per lo studio e il ripasso dei cocnetti di biologia.

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