Qual è il ruolo del glucosio nella respirazione cellulare?

La vita sulla Terra è straordinariamente varia, dai batteri più piccoli che vivono nelle prese d'aria termali ai maestosi elefanti multi-tonnellate che abitano in Asia. Ma tutti gli organismi (gli esseri viventi) hanno in comune una serie di caratteristiche di base, tra cui la necessità di molecole da cui ricavare energia. Il processo di estrazione di energia da fonti esterne per la crescita, la riparazione, il mantenimento e la riproduzione è noto come metabolismo.

Tutti gli organismi sono costituiti da almeno uno cellula (il tuo stesso corpo include trilioni), che è la più piccola entità irriducibile che include tutte le proprietà attribuite alla vita usando definizioni convenzionali. Il metabolismo è una di queste proprietà, così come la capacità di replicarsi o riprodursi in altro modo. Ogni cellula del pianeta può e ne fa uso glucosio, senza la quale la vita sulla Terra non sarebbe mai nata o sarebbe molto diversa.

Il glucosio ha la formula C₆H₁₂oh₆, dando alla molecola una massa molecolare di 180 grammi per mole. (Tutti i carboidrati hanno la formula generale C

Il glucosio in natura esiste come un anello di sei atomi, raffigurato come esagonale nella maggior parte dei testi. Cinque degli atomi di carbonio sono inclusi nell'anello insieme a uno degli atomi di ossigeno, mentre il sesto atomo di carbonio fa parte di un gruppo idrossimetile (-CH₂OH) attaccato a uno degli altri carboni.

Gli amminoacidi, come il glucosio, sono monomeri di spicco in biochimica. Proprio come glicogeno è assemblato da lunghe catene di glucosio, le proteine ​​sono sintetizzate da lunghe catene di amminoacidi. Mentre ci sono 20 amminoacidi distinti con numerose caratteristiche in comune, il glucosio si presenta in una sola forma molecolare. Così la composizione del glicogeno è essenzialmente invariante, mentre le proteine ​​variano notevolmente da una all'altra.

Il metabolismo del glucosio per produrre energia sotto forma di adenosina trifosfato (ATP) e CO₂ (anidride carbonica, un prodotto di scarto in questa equazione) è noto come respirazione cellulare. Il primo dei tre stadi fondamentali della respirazione cellulare è glicolisi, una serie di 10 reazioni che non richiedono ossigeno, mentre le ultime due fasi sono le ciclo di Krebs (noto anche come ciclo dell'acido citrico) e il catena di trasporto degli elettroni, che richiedono ossigeno. Insieme, queste ultime due fasi sono conosciute come respirazione aerobica.

La respirazione cellulare avviene quasi interamente in eucarioti (animali, piante e funghi). procarioti (i domini per lo più unicellulari che includono batteri e archaea) traggono energia dal glucosio, ma praticamente sempre dalla sola glicolisi. L'implicazione è che le cellule procariotiche possono generare solo circa un decimo dell'energia per molecola di glucosio rispetto alle cellule eucariotiche, come verrà spiegato più avanti.

"Respirazione cellulare" e "respirazione aerobica" sono spesso usati in modo intercambiabile quando si discute del metabolismo delle cellule eucariotiche. Resta inteso che la glicolisi, pur essendo un processo anaerobico, procede quasi invariabilmente alle ultime due fasi della respirazione cellulare. Indipendentemente da ciò, per riassumere il ruolo del glucosio nella respirazione cellulare: senza di esso, la respirazione si interrompe e segue la perdita della vita.

Enzimi sono proteine ​​globulari che agiscono come catalizzatori nelle reazioni chimiche. Ciò significa che queste molecole aiutano ad accelerare le reazioni che altrimenti continuerebbero a procedere senza gli enzimi, ma molto più lentamente, a volte di un fattore ben oltre il migliaio. Quando gli enzimi agiscono, non vengono modificati essi stessi alla fine della reazione, mentre le molecole su cui agiscono, dette substrati, vengono modificate volutamente, con reagenti come il glucosio trasformato in prodotti come la CO₂.

Il glucosio e l'ATP hanno una certa somiglianza chimica tra loro, ma usando l'energia immagazzinata nei legami del prima molecola per alimentare la sintesi di quest'ultima molecola richiede notevoli acrobazie biochimiche attraverso la cellula. Quasi ogni reazione cellulare è catalizzata da un enzima specifico e la maggior parte degli enzimi è specifica per una reazione e i suoi substrati. La glicolisi, il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni, combinati, presentano circa due dozzine di reazioni ed enzimi.

Quando il glucosio entra in una cellula diffondendosi attraverso la membrana plasmatica, viene immediatamente attaccato a un gruppo fosfato (P), o fosforilato. Questo intrappola il glucosio nella cellula a causa della carica negativa del P. Questa reazione, che produce glucosio-6-fosfato (G6P), avviene sotto l'influenza dell'enzima esochinasi. (La maggior parte degli enzimi termina con "-ase", rendendo abbastanza facile sapere quando hai a che fare con uno nel mondo della biologia.)

Da lì, G6P viene riorganizzato in un tipo fosforilato dello zucchero fruttosio, e quindi viene aggiunta un'altra P. Subito dopo la molecola a sei atomi di carbonio viene divisa in due molecole a tre atomi di carbonio, ciascuna con un gruppo fosfato; questi si dispongono presto nella stessa sostanza, la gliceraldeide-3-fosfato (G-3-P).

Ogni molecola di G-3-P passa attraverso una serie di passaggi di riarrangiamento per essere convertita nella molecola a tre atomi di carbonio piruvato, producendo due molecole di ATP e una molecola del vettore di elettroni ad alta energia NADH (ridotto dalla nicotinammide adenina dinucleotide o NAD+) nel processo.

La prima metà della glicolisi consuma 2 ATP nelle fasi di fosforilazione, mentre la seconda metà produce un totale di 2 piruvato, 2 NADH e 4 ATP. In termini di produzione diretta di energia, la glicolisi risulta quindi in 2 ATP per molecola di glucosio. Questo, per la maggior parte dei procarioti, rappresenta il limite effettivo di utilizzo del glucosio. Negli eucarioti, lo spettacolo della respirazione glucosio-cellulare è appena iniziato.

Le molecole di piruvato si spostano quindi dal citoplasma della cellula all'interno degli organelli chiamati mitocondri, che sono racchiusi dalla propria doppia membrana plasmatica. Qui il piruvato viene scisso in CO₂ e acetato (CH₃COOH-), e l'acetato viene afferrato da un composto della classe della vitamina B chiamato coenzima A (CoA) per diventare acetil-CoA, un importante intermedio a due atomi di carbonio in una serie di reazioni cellulari.

Per entrare nel ciclo di Krebs, l'acetil CoA reagisce con il composto a quattro atomi di carbonio ossalacetato per formare citrato. Poiché l'ossalacetato è l'ultima molecola creata nella reazione di Krebs e un substrato nella prima reazione, la serie guadagna la descrizione "ciclo". Il ciclo comprende un totale di otto reazioni, che riducono il citrato a sei atomi di carbonio a una molecola di cinque atomi di carbonio e quindi a una serie di intermedi a quattro atomi di carbonio prima di arrivare nuovamente a ossalacetato.

Ogni molecola di piruvato che entra nel ciclo di Krebs porta alla produzione di altre due CO₂, 1 ATP, 3 NADH e una molecola di un trasportatore di elettroni simile al NADH chiamato flavina adenina dinucleotide, o FADH₂.

• Il ciclo di Krebs può procedere solo se la catena di trasporto degli elettroni opera a valle per raccogliere NADH e FADH₂ genera. Pertanto, se non è disponibile ossigeno per la cellula, il ciclo di Krebs si interrompe.

Il NADH e il FADH₂ passare alla membrana mitocondriale interna per questo processo. Il ruolo della catena è il fosforilazione ossidativa delle molecole di ADP per diventare ATP. Gli atomi di idrogeno dei trasportatori di elettroni vengono utilizzati per creare un gradiente elettrochimico attraverso la membrana mitocondriale. L'energia di questo gradiente, che si basa sull'ossigeno per ricevere alla fine gli elettroni, viene sfruttata per alimentare la sintesi dell'ATP.

Ogni molecola di glucosio contribuisce da 36 a 38 ATP attraverso la respirazione cellulare: 2 nella glicolisi, 2 nel ciclo di Krebs e da 32 a 34 (a seconda di come viene misurato in laboratorio) nel trasporto di elettroni catena.