Tutti gli organismi fanno uso di una molecola chiamata glucosio e un processo chiamato glicolisi per soddisfare in tutto o in parte il loro fabbisogno energetico. Per gli organismi procarioti unicellulari, come i batteri, questo è l'unico processo disponibile per generare ATP (adenosina trifosfato, la "valuta energetica" delle cellule).
Organismi eucarioti (animali, piante e funghi) hanno macchinari cellulari più sofisticati e possono ottenere molto di più da una molecola di glucosio – oltre quindici volte più ATP, infatti. Questo perché queste cellule impiegano la respirazione cellulare, che nella sua interezza è glicolisi più respirazione aerobica.
Una reazione che coinvolge decarbossilazione ossidativa nella respirazione cellulare chiamato the reazione ponte bridge funge da centro di elaborazione tra le reazioni strettamente anaerobiche della glicolisi e le due fasi della respirazione aerobica che si verificano nei mitocondri. Questo stadio ponte, più formalmente chiamato ossidazione del piruvato, è quindi essenziale.
Avvicinamento al ponte: glicolisi
Nella glicolisi, una serie di dieci reazioni nel citoplasma cellulare converte la molecola di zucchero a sei atomi di carbonio glucosio in due molecole di piruvato, un composto a tre atomi di carbonio, producendo un totale di due ATP molecole. Nella prima parte della glicolisi, chiamata fase di investimento, sono effettivamente necessari due ATP per muovere le reazioni lungo, mentre nella seconda parte, la fase di ritorno, questa è più che compensata dalla sintesi di quattro ATP molecole.
Fase di investimento: Il glucosio ha un gruppo fosfato attaccato e quindi viene riorganizzato in una molecola di fruttosio. Questa molecola a sua volta ha un gruppo fosfato aggiunto e il risultato è una molecola di fruttosio doppiamente fosforilata. Questa molecola viene quindi divisa e diventa due molecole identiche a tre atomi di carbonio, ciascuna con il proprio gruppo fosfato.
Fase di ritorno: Ognuna delle due molecole a tre atomi di carbonio ha lo stesso destino: ha un altro gruppo fosfato attaccato e ciascuna di questi viene utilizzato per produrre ATP dall'ADP (adenosina difosfato) mentre viene riorganizzato in un piruvato molecola. Questa fase genera anche una molecola di NADH da una molecola di NAD+.
La resa energetica netta è quindi di 2 ATP per glucosio.
La reazione del ponte
La reazione ponte, detta anche reazione di transizione, si compone di due passaggi. Il primo è il decarbossilazione di piruvato, e il secondo è l'attaccamento di ciò che resta ad una molecola chiamata coenzima A.
L'estremità della molecola di piruvato è un doppio legame di carbonio a un atomo di ossigeno e un legame singolo a un gruppo ossidrile (-OH). In pratica, l'atomo di H nel gruppo ossidrile è dissociato dall'atomo di O, quindi questa porzione di piruvato può essere pensata come avente un atomo di C e due atomi di O. Nella decarbossilazione, questo viene rimosso come CO2, o diossido di carbonio.
Quindi, il residuo della molecola del piruvato, chiamato gruppo acetile e avente la formula CH3C(=O), si unisce al coenzima A nel punto precedentemente occupato dal gruppo carbossilico del piruvato. Nel processo, NAD+ si riduce a NADH. Per molecola di glucosio, la reazione ponte è:
2 CH3C(=O)C(O)O- + 2 CoA + 2 NAD+ → 2 CH3C(=O)CoA + 2 NADH
Dopo il ponte: respirazione aerobica
Ciclo di Krebs: La posizione del ciclo di Krebs è nella matrice mitocondriale (il materiale all'interno delle membrane). Qui, l'acetil CoA si combina con una molecola a quattro atomi di carbonio chiamata ossalacetato per creare una molecola a sei atomi di carbonio, il citrato. Questa molecola viene ridotta a ossalacetato in una serie di passaggi, ricominciando il ciclo.
Il risultato è 2 ATP insieme a 8 NADH e 2 FADH2 (portatori di elettroni) per il passaggio successivo.
Catena di trasporto degli elettroni: Queste reazioni si verificano lungo la membrana mitocondriale interna, in cui sono incorporati quattro gruppi di coenzimi specializzati, denominati dal complesso I al IV. Questi usano l'energia negli elettroni su NADH e FADH2 per guidare la sintesi di ATP, con l'ossigeno che è l'accettore finale di elettroni.
Il risultato è da 32 a 34 ATP, mettendo la resa energetica complessiva della respirazione cellulare da 36 a 38 ATP per molecola di glucosio.