Se un combustibile biologico, come il glucosio, fosse trasformato in CO₂ e H₂O in un singolo evento di combustione, l’energia liberata supererebbe di gran lunga la capacità di cattura di qualunque trasportatore intracellulare di energia (Figura 05.09-01). Le cellule, invece, operano una combustione “a piccoli passi”: una sequenza di reazioni di ossidoriduzione, strettamente regolate e catalizzate da enzimi attivi alle temperature fisiologiche, frammenta gradualmente l’energia libera del substrato in quote gestibili e accoppiabili alla formazione di trasportatori ad alta energia (Figura 05.09-01). In questo modo, l’energia chimica contenuta nel glucosio viene convogliata, in misura prevalente, nei legami fosfoanidridici dell’ATP e in altri vettori riducenti, rendendola disponibile per il lavoro cellulare.

Negli animali, la formazione di ATP procede attraverso due strategie principali, che operano in sinergia:

• fosforilazione a livello del substrato, in cui reazioni esoergoniche della via catabolica sono accoppiate direttamente alla trasformazione energeticamente sfavorita \( \mathrm{ADP} + P_i \rightarrow \mathrm{ATP} \);
• fosforilazione ossidativa, nella quale l’energia immagazzinata in trasportatori ridotti (soprattutto NADH e FADH₂) alimenta, tramite il trasferimento di elettroni, la sintesi di ATP; questo processo avviene sulla membrana mitocondriale interna delle cellule eucariotiche (Figura 05.09-02) e, nei procarioti aerobici, sulla membrana plasmatica.

Nel seguito si considerano le reazioni iniziali che ossidano i nutrienti nel citosol e nella matrice mitocondriale (Figura 05.09-02). Tali reazioni forniscono una quota diretta di ATP e, soprattutto, generano i trasportatori ridotti che in seguito sosterranno la produzione della frazione maggiore di ATP mediante fosforilazione ossidativa.

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Ossidazione graduale del glucosio

L’ossidazione graduale controllata di uno zucchero che avviene nella cellula conserva energia utile, a differenza di quanto avviene semplicemente bruciando la stessa molecola. (A) Bruciando direttamente gli zuccheri in sistemi non viventi, si genera più energia di quella che può essere conservata dai trasportatori. Questa energia viene quindi rilasciata sotto forma di calore. (B) Nella cellula, gli enzimi catalizzano le ossidazioni degli zuccheri in tante piccole tappe nelle quali una parte dell’energia libera rilasciata viene catturata tramite la formazione di molecole di trasporto, molto spesso ATP e NADH. In ogni passaggio, un enzima controlla la reazione riducendo la barriera dell’energia di attivazione che deve essere superata dalle collisioni casuali delle molecole alla temperatura delle cellule (temperatura corporea), in modo da far avvenire una determinata reazione. L’energia libera complessiva che si sviluppa dall’ossidazione del glucosio (686 kcal/mol ovvero 2880 kJ/mol) è esattamente la stessa in (A) e in (B).

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Ossidazione graduale del glucosio

L’ossidazione graduale controllata di uno zucchero che avviene nella cellula conserva energia utile, a differenza di quanto avviene semplicemente bruciando la stessa molecola. (A) Bruciando direttamente gli zuccheri in sistemi non viventi, si genera più energia di quella che può essere conservata dai trasportatori. Questa energia viene quindi rilasciata sotto forma di calore. (B) Nella cellula, gli enzimi catalizzano le ossidazioni degli zuccheri in tante piccole tappe nelle quali una parte dell’energia libera rilasciata viene catturata tramite la formazione di molecole di trasporto, molto spesso ATP e NADH. In ogni passaggio, un enzima controlla la reazione riducendo la barriera dell’energia di attivazione che deve essere superata dalle collisioni casuali delle molecole alla temperatura delle cellule (temperatura corporea), in modo da far avvenire una determinata reazione. L’energia libera complessiva che si sviluppa dall’ossidazione del glucosio (686 kcal/mol ovvero 2880 kJ/mol) è esattamente la stessa in (A) e in (B).

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Mitocondrio

Un mitocondrio ha due membrane e un ampio spazio interno detto matrice. Gran parte dell’energia derivante dalle molecole alimentari viene raccolta nei mitocondri, sia nella matrice sia nella membrana mitocondriale interna.

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Mitocondrio

Un mitocondrio ha due membrane e un ampio spazio interno detto matrice. Gran parte dell’energia derivante dalle molecole alimentari viene raccolta nei mitocondri, sia nella matrice sia nella membrana mitocondriale interna.

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Le macromolecole alimentari — proteine, lipidi e polisaccaridi — devono essere convertite in unità più semplici per essere utilizzate come fonte energetica e come mattoni per la biosintesi. Questo insieme di trasformazioni degradative, denominato catabolismo, procede in tre stadi coordinati (Figura 05.09-03).

Stadio 1: digestione e depolimerizzazione. Enzimi idrolitici scindono le macromolecole nelle loro subunità: proteine in amminoacidi, carboidrati complessi in zuccheri semplici, trigliceridi in acidi grassi e glicerolo. Nella maggior parte degli animali, tali reazioni si svolgono nel lume intestinale; nelle cellule, processi analoghi avvengono in organuli dedicati come i lisosomi. I monomeri così generati entrano nel citosol, dove hanno inizio le tappe ossidative.

Stadio 2: ossidazione citosolica e attivazione mitocondriale. La glicolisi, via citosolica universale, converte una molecola di glucosio in due molecole di piruvato, producendo direttamente ATP e il trasportatore ridotto NADH. Zuccheri diversi dal glucosio possono confluire nella via dopo opportune conversioni in intermedi glicolitici. Il piruvato, quindi, viene importato nella matrice mitocondriale, dove il complesso della piruvato deidrogenasi rilascia CO₂ e forma acetil-CoA, generando ulteriore NADH. Nella stessa sede, gli acidi grassi subiscono β-ossidazione, una sequenza ciclica che produce grandi quantità di acetil-CoA oltre a NADH e FADH₂ (Figura 05.09-03).

Stadio 3: ossidazione completa e cattura dell’energia nei mitocondri. Il gruppo acetile dell’acetil-CoA si condensa con ossalacetato per formare citrato, che entra nel ciclo dell’acido citrico. Durante il ciclo, il carbonio acetilico viene completamente ossidato a CO₂ e si accumulano equivalenti riducenti, principalmente NADH e FADH₂. Gli elettroni ad alta energia vengono quindi trasferiti alla catena di trasporto degli elettroni localizzata nella membrana mitocondriale interna. L’energia liberata dal flusso elettronico pompa protoni nello spazio intermembrana, generando una forza proton-motrice che alimenta la fosforilazione ossidativa e la sintesi di ATP consumando ossigeno molecolare, l’accettore finale di elettroni.

La resa energetica della cellula è sostanziale: una frazione consistente, tipicamente intorno al 40–55 %, dell’energia teoricamente estraibile dall’ossidazione completa di zuccheri e acidi grassi viene catturata nella reazione sfavorita \( \mathrm{ADP} + P_i \rightarrow \mathrm{ATP} \), valore che supera di molto l’efficienza di un moderno motore a combustione interna, che raramente oltrepassa il 20 % in condizioni operative. L’energia non catturata viene dissipata come calore, contribuendo alla termoregolazione in molti organismi omeotermi.

Le concentrazioni intracellulari di ATP sono elevate e dinamiche: in una tipica cellula eucariotica si stima una dotazione di circa 1–2×10⁹ molecole di ATP in continuo ricambio, con tempi di turnover inferiori a 1 minuto in condizioni metaboliche attive. Su scala dell’intero organismo, un adulto a riposo rigenera quotidianamente un ammontare di ATP paragonabile a 50–70 kg di molecole, cifra che riflette l’intenso flusso energetico necessario al mantenimento dell’omeostasi.

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Scomposizione degli alimenti

La scomposizione degli alimenti avviene in tre fasi. (A) Lo stadio 1 avviene in gran parte al di fuori delle cellule nella bocca e nell’intestino, per quanto anche i lisosomi intracellulari siano in grado di digerire grandi molecole organiche. Lo stadio 2 ha luogo principalmente nel citoplasma, tranne il passaggio finale di conversione del piruvato in gruppo acetilico dell’acetil-CoA, che avviene nei mitocondri. Lo stadio 3 inizia con il ciclo dell’acido citrico nella matrice mitocondriale e si conclude con la fosforilazione ossidativa nella membrana interna dei mitocondri. Il NADH prodotto durante la mitocondriale fase 2, ovvero durante la glicolisi e la conversione del piruvato in acetil-CoA, si somma al NADH prodotto dal ciclo dell’acido citrico per produrre ATP tramite fosforilazione ossidativa. (B) I prodotti netti dell’ossidazione completa degli alimenti comprendono ATP, NADH, CO₂ e H₂O. L’ATP e il NADH forniscono l’energia e gli elettroni necessari per la biosintesi; CO₂ e H₂O sono prodotti di scarto.

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Scomposizione degli alimenti

La scomposizione degli alimenti avviene in tre fasi. (A) Lo stadio 1 avviene in gran parte al di fuori delle cellule nella bocca e nell’intestino, per quanto anche i lisosomi intracellulari siano in grado di digerire grandi molecole organiche. Lo stadio 2 ha luogo principalmente nel citoplasma, tranne il passaggio finale di conversione del piruvato in gruppo acetilico dell’acetil-CoA, che avviene nei mitocondri. Lo stadio 3 inizia con il ciclo dell’acido citrico nella matrice mitocondriale e si conclude con la fosforilazione ossidativa nella membrana interna dei mitocondri. Il NADH prodotto durante la mitocondriale fase 2, ovvero durante la glicolisi e la conversione del piruvato in acetil-CoA, si somma al NADH prodotto dal ciclo dell’acido citrico per produrre ATP tramite fosforilazione ossidativa. (B) I prodotti netti dell’ossidazione completa degli alimenti comprendono ATP, NADH, CO₂ e H₂O. L’ATP e il NADH forniscono l’energia e gli elettroni necessari per la biosintesi; CO₂ e H₂O sono prodotti di scarto.

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La trasformazione centrale dello stadio 2 è la glicolisi, via citosolica antica e ampiamente conservata che funziona in assenza di ossigeno in quasi tutte le cellule, inclusi numerosi microrganismi anaerobi. Il termine, dal greco glykys (dolce) e lýsis (scissione), descrive la conversione di un esoso in due triosi: una molecola di glucosio a sei atomi di carbonio viene scissa in due molecole di piruvato a tre atomi di carbonio. La ridistribuzione degli elettroni durante la via comporta un calo dell’energia libera del sistema, poiché gli elettroni nel piruvato risultano in media in uno stato energetico inferiore rispetto a quelli del glucosio.

La via si articola in due fasi funzionali:

• fase di investimento, in cui due molecole di ATP vengono consumate per fosforilare e rendere più reattivo lo zucchero, predisponendolo alla scissione aldolica;
• fase di rendimento, in cui si formano quattro ATP per fosforilazione a livello del substrato e si accumulano equivalenti riducenti sotto forma di NADH, attraverso la reazione \( \mathrm{NAD}^+ + 2 e^- + H^+ \rightarrow \mathrm{NADH} \).

Il bilancio netto, per ogni glucosio, è quindi di due ATP e due NADH, oltre a due piruvati pronti per l’ossidazione mitocondriale (Figura 05.09-04). Zuccheri diversi (ad esempio fruttosio e galattosio) possono entrare nella rete metabolica dopo conversione in intermedi come fruttosio-6-fosfato o glucosio-6-fosfato. In condizioni di carenza di ossigeno, molte cellule rigenerano \( \mathrm{NAD}^+ \) riducendo il piruvato a lattato o convertendolo in etanolo e CO₂, mantenendo così il flusso glicolitico; in presenza di ossigeno, invece, il piruvato è preferenzialmente decarbossilato ad acetil-CoA nella matrice mitocondriale, e i NADH prodotti nella glicolisi alimentano la catena respiratoria tramite navette redox specifiche.

La glicolisi, unita alla successiva ossidazione del piruvato e al ciclo dell’acido citrico, funge da snodo metabolico che collega l’apporto alimentare al lavoro chimico, meccanico ed osmotico della cellula, traducendo l’energia dei legami C–C e C–H in quanti di energia prontamente utilizzabili dall’ATP sintasi e da molte reazioni accoppiate.

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Glicolisi

La glicolisi scompone una molecola di glucosio formando due molecole di piruvato. Per iniziare, il processo richiede un apporto energetico sotto forma di ATP. Questo investimento di energia viene successivamente recuperato tramite la produzione di due NADH e di quattro ATP.

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La definizione completa della via glicolitica, ottenuta negli anni ’30 del Novecento, rappresenta un traguardo storico della biochimica: la sequenza comprende 10 trasformazioni enzimatiche distinte, ciascuna con specifici intermedi e catalizzata da un enzima diverso, come schematizzato in (Figura 05.09-05). La nomenclatura degli enzimi coinvolti segue la convenzione generale in -asi (per esempio, isomerasi, deidrogenasi), indicativa della classe di reazione catalizzata (Tabella 05.09-01). Una quota sostanziale dell’energia chimica liberata dalla degradazione del glucosio è convogliata nella sintesi di ATP a partire da ADP e \(P_i\) per fosforilazione a livello di substrato: nella via glicolitica ciò avviene alle tappe 7 e 10, dove un gruppo fosfato ad alta energia viene trasferito direttamente da un intermedio fosforilato all’ADP, generando ATP. Questo meccanismo è l’inverso della più comune fosforilazione cellulare, in cui l’ATP cede il proprio fosfato a un substrato.

L’energia rimanente viene immagazzinata come potenziale redox negli equivalenti riducenti, in particolare nelle molecole di NADH formate alla tappa 6 per ossidazione della gliceraldeide 3-fosfato. La reazione redox non richiede necessariamente ossigeno: è sufficiente un trasferimento di elettroni tra specie chimiche. In assenza di O₂ molecolare, può comunque verificarsi ossidazione se un accettore di elettroni alternativo è disponibile. Nella glicolisi, un idruro \(\mathrm{H^-}\) viene estratto dalla gliceraldeide 3-fosfato e trasferito al NAD⁺, producendo NADH. Per ogni molecola di glucosio si ottengono due molecole di NADH e, al netto dell’investimento iniziale, due molecole di ATP.

Negli eucarioti, il NADH citosolico prodotto dalla glicolisi alimenta la catena di trasporto degli elettroni nella membrana mitocondriale interna, direttamente o tramite navette metaboliche, dove gli elettroni vengono infine trasferiti all’O₂ per formare H₂O. La cessione degli elettroni rigenera NAD⁺, necessario per mantenere il flusso glicolitico. In condizioni di scarsa disponibilità di ossigeno, la rigenerazione di NAD⁺ può avvenire tramite vie alternative che producono energia, come la fermentazione, descritta oltre.

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Glicolisi e ossidazione degli zuccheri

L’ossidazione graduale degli zuccheri inizia con la glicolisi. Ognuno dei 10 stadi della glicolisi è catalizzato da un enzima diverso. Si noti che nello stadio 4 uno zucchero a sei atomi di carbonio viene scisso in due zuccheri a tre atomi di carbonio, cosicché il numero di molecole raddoppia in tutti gli stadi seguenti. Si noti inoltre che uno dei prodotti dello stadio 4 deve essere modificato (isomerizzato) nello stadio 5 prima di poter procedere allo stadio 6. Come indicato, nello stadio 6 inizia la produzione energetica della glicolisi che ha come risultato finale la sintesi di ATP e di NADH. La glicolisi viene chiamata anche via di Embden-Meyerhof, dal nome dei chimici che per primi la descrissero.

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Nelle cellule di animali e piante, la glicolisi costituisce generalmente un passaggio preliminare rispetto alla produzione massiva di ATP nei mitocondri tramite fosforilazione ossidativa, processo dipendente dall’ossigeno. Per numerosi microrganismi anaerobi, invece, la glicolisi rappresenta la principale fonte di ATP; analogamente, in tessuti come il muscolo scheletrico, l’attività può proseguire a basse tensioni di O₂ grazie al contributo della glicolisi anaerobia. In assenza di ossigeno, piruvato e NADH restano nel citosol (Figura 05.09-03) e vengono convogliati in reazioni che consentono di smaltire elettroni in eccesso rigenerando NAD⁺, condizione indispensabile affinché la glicolisi continui.

Il destino del piruvato dipende dal sistema biologico. Nelle fibre muscolari, il piruvato viene ridotto a lattato; nei lieviti impiegati in panificazione e fermentazioni alcoliche, viene decarbossilato a acetaldeide e successivamente ridotto a etanolo, con rilascio di CO₂. In entrambi i casi il NADH dona gli elettroni e ritorna a NAD⁺, sostenendo il bilancio redox necessario alla produzione netta di ATP per fosforilazione a livello di substrato. Queste vie cataboliche anaerobie, che ossidano parzialmente gli zuccheri in assenza di O₂, sono denominate fermentazioni (Figura 05.09-06). A titolo di confronto, molti batteri e archei sono capaci di respirazione anaerobica, che impiega una catena di trasporto degli elettroni di membrana e utilizza accettori finali diversi dall’ossigeno:

• Fermentazione lattica: rigenera NAD⁺ riducendo il piruvato a lattato; tipica di cellule muscolari e di vari batteri lattici;
• Fermentazione alcolica: converte il piruvato in etanolo e CO₂ via acetaldeide, che funge da accettore degli elettroni del NADH; caratteristica dei lieviti e di alcuni microrganismi;
• Respirazione anaerobica: presenza di catena respiratoria con accettori terminali alternativi, per esempio nitrato (\(\mathrm{NO_3^-}\)), solfato (\(\mathrm{SO_4^{2-}}\)) o fumarato, localizzata nella membrana plasmatica dei procarioti.

La resa energetica della sola glicolisi può essere riassunta dalla stechiometria globale:

\[ \mathrm{Glucosio + 2\,ADP + 2\,P_i + 2\,NAD^+ \rightarrow 2\,Piruvato + 2\,ATP + 2\,NADH + 2\,H^+ + 2\,H_2O}. \]

In condizioni anaerobiche, la riconversione di NADH a NAD⁺ mediante fermentazione mantiene attiva la via, consentendo di sostenere un flusso di ATP pur in assenza di fosforilazione ossidativa.

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Scomposizione degli alimenti

La scomposizione degli alimenti avviene in tre fasi. (A) Lo stadio 1 avviene in gran parte al di fuori delle cellule nella bocca e nell’intestino, per quanto anche i lisosomi intracellulari siano in grado di digerire grandi molecole organiche. Lo stadio 2 ha luogo principalmente nel citoplasma, tranne il passaggio finale di conversione del piruvato in gruppo acetilico dell’acetil-CoA, che avviene nei mitocondri. Lo stadio 3 inizia con il ciclo dell’acido citrico nella matrice mitocondriale e si conclude con la fosforilazione ossidativa nella membrana interna dei mitocondri. Il NADH prodotto durante la mitocondriale fase 2, ovvero durante la glicolisi e la conversione del piruvato in acetil-CoA, si somma al NADH prodotto dal ciclo dell’acido citrico per produrre ATP tramite fosforilazione ossidativa. (B) I prodotti netti dell’ossidazione completa degli alimenti comprendono ATP, NADH, CO₂ e H₂O. L’ATP e il NADH forniscono l’energia e gli elettroni necessari per la biosintesi; CO₂ e H₂O sono prodotti di scarto.

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Fermentazione del piruvato

Durante la fermentazione il piruvato viene demolito in assenza di ossigeno. (A) Quando non è presente una quantità adeguata di ossigeno, come per esempio in una cellula muscolare in stato di contrazione protratta, il piruvato prodotto dalla glicolisi viene convertito in lattato nel citoplasma. Questa reazione rigenera il NAD⁺ consumato nello stadio 6 della glicolisi, ma l’intera via apporta una quantità complessiva di energia minore rispetto all’ossidazione completa del piruvato nei mitocondri. (B) In alcuni microrganismi in grado di crescere in condizioni anaerobiche, il piruvato viene convertito in diossido di carbonio ed etanolo. Anche questa via rigenera NAD⁺ da NADH, condizione necessaria perché la glicolisi possa continuare. Sia (A) sia (B) sono esempi di fermentazione. Si noti che in entrambi i casi per ogni molecola di glucosio che entra nel ciclo di glicolisi vengono prodotte due molecole di piruvato. La fermentazione di queste due molecole di piruvato produce in seguito due molecole di lattato, o due molecole di CO₂ ed etanolo, più due molecole di NAD⁺.

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Le cellule ricavano lavoro utile dall’ossidazione dei composti organici grazie all’accoppiamento tra trasformazioni energeticamente sfavorite e processi termodinamicamente favoriti. Un esempio didatticamente rilevante è offerto dalla coppia di reazioni delle tappe 6 e 7 della glicolisi, che trasformano la gliceraldeide 3-fosfato (un’aldeide a tre atomi di carbonio) in 3-fosfoglicerato (un acido carbossilico), come illustrato complessivamente in (Figura 05.09-07). Nell’insieme, l’ossidazione dell’aldeide fornisce l’energia libera necessaria per due eventi chiave: la riduzione di NAD⁺ a NADH (tappa 6) e la formazione di ATP a partire da ADP mediante trasferimento di un fosfato ad alta energia (tappa 7). L’energia totale resa disponibile, parte della quale è dissipata come calore, rende la sequenza nel suo complesso favorita, con \(\Delta G^\circ \approx -12,5\ \mathrm{kcal/mol}\).

La tappa 6 è peculiare perché genera direttamente un legame fosfato ad alta energia utilizzando fosfato inorganico. L’enzima gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi forma un intermedio tioestere con un residuo di cisteina nel sito attivo; questo intermedio eleva l’energia del sistema e facilita l’attacco nucleofilo del \(P_i\), producendo 1,3-bisfosfoglicerato, un acil-fosfato con energia di idrolisi superiore a quella dei legami fosfoanidridici dell’ATP. La tappa 7, catalizzata dalla fosfoglicerato chinasi, sfrutta tale intermedio per trasferire il gruppo fosfato all’ADP, generando ATP per fosforilazione a livello di substrato. La (Figura 05.09-09) dettaglia la formazione e l’utilizzo del legame ad alta energia nello stadio 6 e il suo consumo nello stadio 7.

Il confronto tra l’energia di idrolisi dei diversi legami fosforici formati nella via è mostrato in (Figura 05.09-08): i legami fosfoanidridici dell’ATP coesistono con legami a energia ancora più elevata, come gli acil-fosfati (ad esempio 1,3-bisfosfoglicerato) e i fosfoenolici. Definiamo “ad alta energia” quei legami la cui idrolisi comporta una variazione di energia libera standard fortemente negativa; questa denominazione non implica instabilità intrinseca della molecola, ma riflette le condizioni termodinamiche della reazione di idrolisi:

• Stadio 6: ossidazione della gliceraldeide 3-fosfato con formazione di un intermedio tioestere e riduzione di NAD⁺ a NADH; incorporazione di \(P_i\) per generare 1,3-bisfosfoglicerato;
• Stadio 7: trasferimento del fosfato ad alta energia dall’1,3-bisfosfoglicerato all’ADP, con formazione di ATP e 3-fosfoglicerato.

Questa architettura di reazioni accoppiate illustra come gli enzimi orchestrino il flusso energetico: l’ossidazione controllata dell’aldeide viene temporaneamente “immagazzinata” in un legame ad alta energia e immediatamente convertita in lavoro chimico utile sotto forma di ATP e di equivalenti riducenti (NADH). In tal modo, la via glicolitica bilancia in modo efficiente trasferimenti di gruppi e scambi redox, sostenendo sia il fabbisogno energetico immediato sia l’alimentazione delle vie ossidative a valle.

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Accoppiamento delle reazioni nella glicolisi

L’accoppiamento di varie reazioni negli stadi 6 e 7 della glicolisi permette la formazione, energeticamente sfavorita, di ATP. In questo schema, le reazioni energeticamente favorite vengono rappresentate dalle frecce blu, mentre quelle sfavorite dalle frecce rosse. Nello stadio 6, l’energia rilasciata dall’ossidazione energeticamente favorita del legame C—H nel gliceraldeide 3-fosfato (frecce blu) è sufficiente a indurre due reazioni dispendiose dal punto di vista energetico: la formazione di NADH e di un legame fosfato ad alta energia nell’1,3-bisfosfoglicerato (frecce rosse). L’idrolisi energeticamente favorita di quel legame fosfato ad alta energia nello stadio 7 conduce alla formazione di ATP. La formazione dell’1,3-bisfosfoglicerato (nello stadio 6) e di ATP (nello stadio 7) rappresentano entrambi una fosforilazione a livello di substrato.

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Ossidazione della gliceraldeide 3-fosfato

L’ossidazione della gliceraldeide 3-fosfato è associata alla formazione di ATP e NADH negli stadi 6 e 7 della glicolisi. (A) Nello stadio 6, l’enzima gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi accoppia l’ossidazione di un’aldeide alla formazione, energeticamente sfavorita, di un legame fosfato ad alta energia. Allo stesso tempo, questo consente di accumulare energia nel NADH. Nella reazione dello stadio 7, il legame fosfato ad alta energia contenuto nell’1,3-bisfosfoglicerato viene trasferito all’ADP, producendo una molecola di ATP e lasciando un gruppo carbossilico libero sullo zucchero ossidato. La parte della molecola che subisce il cambiamento è ombreggiata in azzurro; il resto della molecola rimane immutato in tutte queste reazioni. (B) Schema riassuntivo delle trasformazioni chimiche complessive avvenute negli stadi 6 e 7.

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Differenze di energia nei legami fosfato

Le differenze di energia tra i diversi legami fosfato permettono la formazione di ATP tramite fosforilazione a livello di substrato. Nella figura sono riportati alcuni esempi di molecole della glicolisi che contengono diversi tipi di legami fosfatici, in corrispondenza della variazione di energia libera per la loro idrolisi in kJ/mol. Il trasferimento di un gruppo fosfato da una molecola a un’altra è energeticamente favorito se la variazione di energia libera standard (ΔG°) per l’idrolisi del legame fosfato della prima molecola è più negativa di quella per l’idrolisi del legame fosfato della seconda. La reazione idrolitica può essere vista come il trasferimento del gruppo fosfato all’acqua. Perciò, un gruppo fosfato passa facilmente all’ADP dall’1,3-bisfosfoglicerato, per formare l’ATP.

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Nelle cellule eucariotiche in condizioni aerobiche, il piruvato generato dalla glicolisi viene importato nella matrice mitocondriale tramite il trasportatore specifico della membrana interna (Figura 05.09-03). Qui, un complesso multienzimatico di grandi dimensioni, il complesso piruvato deidrogenasi (PDH), ne catalizza la decarbossilazione ossidativa, producendo CO₂, NADH e acetil‑CoA (Figura 05.09-10). La reazione globale può essere rappresentata come \( \text{piruvato} + \text{CoA} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{acetil‑CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+ \). Il gruppo acetile trasferito al coenzima A (CoA) costituisce il punto d’ingresso principale al metabolismo ossidativo del carbonio;

Nei viventi non fotosintetici, inclusi gli esseri umani, i lipidi rappresentano un’importante riserva energetica. Gli acidi grassi, una volta attivati a acil‑CoA nel citosol, vengono veicolati nella matrice tramite il sistema della carnitina e degradati sequenzialmente per β‑ossidazione: a ogni ciclo si rimuovono due atomi di carbonio dall’estremità carbossilica generando una molecola di acetil‑CoA, insieme a una molecola di NADH e una di FADH₂ (Figura 05.09-11). In parallelo, una quota di amminoacidi è trasferita dal citosol ai mitocondri, dove le relative vie di deaminazione e transaminazione li convogliano in acetil‑CoA o in intermedi del ciclo dell’acido citrico (Figura 05.09-03);

Questa convergenza fa dei mitocondri il nodo centrale del metabolismo energetico eucariotico, a prescindere che il carbonio derivi da zuccheri, lipidi o proteine. Nei batteri aerobi, privi di mitocondri, glicolisi, formazione di acetil‑CoA e reazioni del ciclo dell’acido citrico si svolgono nel citoplasma, mentre la catena di trasporto degli elettroni è localizzata nella membrana plasmatica;

Il catabolismo non si arresta all’acetil‑CoA: nella conversione delle molecole alimentari fino a questo intermedio si recupera solo una frazione dell’energia sotto forma di ATP, NADH e FADH₂, mentre la porzione maggiore rimane nel legame tioestere dell’acetil‑CoA. Lo stadio successivo, il ciclo dell’acido citrico, ossiderà completamente il gruppo acetile a CO₂ all’interno della matrice mitocondriale:

• Fonti principali di acetil‑CoA nella matrice: piruvato di origine glicolitica;
• acidi grassi attivati e importati tramite la navetta della carnitina;
• amminoacidi che confluiscono in acetil‑CoA o in intermedi del ciclo.

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Scomposizione degli alimenti

La scomposizione degli alimenti avviene in tre fasi. (A) Lo stadio 1 avviene in gran parte al di fuori delle cellule nella bocca e nell’intestino, per quanto anche i lisosomi intracellulari siano in grado di digerire grandi molecole organiche. Lo stadio 2 ha luogo principalmente nel citoplasma, tranne il passaggio finale di conversione del piruvato in gruppo acetilico dell’acetil-CoA, che avviene nei mitocondri. Lo stadio 3 inizia con il ciclo dell’acido citrico nella matrice mitocondriale e si conclude con la fosforilazione ossidativa nella membrana interna dei mitocondri. Il NADH prodotto durante la mitocondriale fase 2, ovvero durante la glicolisi e la conversione del piruvato in acetil-CoA, si somma al NADH prodotto dal ciclo dell’acido citrico per produrre ATP tramite fosforilazione ossidativa. (B) I prodotti netti dell’ossidazione completa degli alimenti comprendono ATP, NADH, CO₂ e H₂O. L’ATP e il NADH forniscono l’energia e gli elettroni necessari per la biosintesi; CO₂ e H₂O sono prodotti di scarto.

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Piruvato deidrogenasi

La piruvato deidrogenasi nella matrice mitocondriale catalizza l’ossidazione del piruvato ad acetil-CoA e a CO₂. Il complesso della piruvato deidrogenasi, che contiene molte copie di tre enzimi diversi, piruvato deidrogenasi (1), diidrolipoil transacetilasi (2) e diidrolipoil deidrogenasi (3), converte il piruvato in acetil-CoA; vengono inoltre prodotti NADH e CO₂. Il piruvato e i suoi prodotti sono evidenziati in rosso. In questo grande complesso multienzimatico, gli intermedi passano da un enzima all’altro. Per avere un’idea delle proporzioni, il complesso della piruvato deidrogenasi è più grande di un ribosoma.

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Ossidazione degli acidi grassi

Anche gli acidi grassi vengono ossidati ad acetil-CoA nella matrice mitocondriale. (A) I grassi sono immagazzinati sotto forma di triacilgliceroli. La parte del glicerolo, alla quale sono legati tramite legami di tipo estere tre catene di acidi grassi (in rosso), è evidenziata in azzurro. Gli enzimi lipasi sono in grado di spezzare i legami di tipo estere che collegano gli acidi grassi al glicerolo quando questi sono necessari per produrre energia (non mostrata). Gli acidi grassi vengono prima di tutto associati al coenzima A in una reazione con consumo di ATP. Le catene di acidi grassi attivate (acil-CoA) vengono quindi ossidate in un ciclo contenente una serie di quattro enzimi mitocondriali. Ogni ciclo accorcia la catena dell’acido grasso di due atomi di carbonio (indicati in rosso) e genera una molecola di acetil-CoA, una di NADH e una di FADH₂. (B) I grassi non sono solubili in acqua e formano spontaneamente grandi gocce lipidiche in cellule specializzate dette adipociti. Questa immagine al microscopio elettronico mostra una gocciolina lipidica nel citoplasma di un adipocita.

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Scomposizione degli alimenti

La scomposizione degli alimenti avviene in tre fasi. (A) Lo stadio 1 avviene in gran parte al di fuori delle cellule nella bocca e nell’intestino, per quanto anche i lisosomi intracellulari siano in grado di digerire grandi molecole organiche. Lo stadio 2 ha luogo principalmente nel citoplasma, tranne il passaggio finale di conversione del piruvato in gruppo acetilico dell’acetil-CoA, che avviene nei mitocondri. Lo stadio 3 inizia con il ciclo dell’acido citrico nella matrice mitocondriale e si conclude con la fosforilazione ossidativa nella membrana interna dei mitocondri. Il NADH prodotto durante la mitocondriale fase 2, ovvero durante la glicolisi e la conversione del piruvato in acetil-CoA, si somma al NADH prodotto dal ciclo dell’acido citrico per produrre ATP tramite fosforilazione ossidativa. (B) I prodotti netti dell’ossidazione completa degli alimenti comprendono ATP, NADH, CO₂ e H₂O. L’ATP e il NADH forniscono l’energia e gli elettroni necessari per la biosintesi; CO₂ e H₂O sono prodotti di scarto.

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Nella matrice mitocondriale, il gruppo acetile dell’acetil‑CoA non viene ossidato direttamente, ma è dapprima condensato con l’ossalacetato a quattro atomi di carbonio per formare citrato, un acido tricarbossilico a sei atomi di carbonio, che dà il nome alla via. La successiva sequenza di otto reazioni riconverte il citrato in ossalacetato, completando un ciclo catalitico (Figura 05.09-12). L’ossidazione graduale del carbonio acetilico libera energia, immagazzinata prevalentemente nei trasportatori ridotti NADH e FADH₂, in analogia al principio visto per la glicolisi;

Sebbene nessuna tappa del ciclo utilizzi direttamente O₂, la via è strettamente dipendente dalla disponibilità di O₂, poiché solo la catena di trasporto degli elettroni può riossidare NADH e FADH₂ a NAD⁺ e FAD, indispensabili per il proseguimento del ciclo. In termini globali, la stechiometria per un turno è ben approssimata da: \[ \text{acetil‑CoA} + 3\,\text{NAD}^+ + \text{FAD} + \text{GDP} + \text{P}_\text{i} + 3\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\,\text{CO}_2 + 3\,\text{NADH} + \text{FADH}_2 + \text{GTP} + \text{CoA} + 3\,\text{H}^+ . \] Ogni giro fornisce dunque tre NADH, un FADH₂ e una molecola di GTP, che può trasferire il suo fosfato all’ADP formando ATP per azione della nucleoside‑difosfato chinasi (Figura 05.09-13);

È diffusa l’idea errata che l’ossigeno atmosferico “diventi” la CO₂ espirata. In realtà, gli atomi di ossigeno della CO₂ prodotta nel ciclo provengono dall’acqua: a ogni turno vengono consumate tre molecole di H₂O, i cui ossigeni si ritrovano nella CO₂ rilasciata. Le molecole di O₂ inalate, invece, accettano elettroni alla fine della catena respiratoria e sono ridotte a H₂O;

Dal punto di vista regolatorio, il flusso attraverso la via è sensibile allo stato energetico: NADH e ATP inibiscono varie tappe chiave (per esempio citrato sintasi, isocitrato deidrogenasi e α‑cheto-glutarato deidrogenasi), mentre ADP e Ca²⁺ ne favoriscono l’attività in tessuti ad alta richiesta energetica. Le origini evolutive del ciclo, comune a tutti gli organismi aerobi, si collocano verosimilmente dopo l’aumento dell’O₂ atmosferico avvenuto circa 1–2 miliardi di anni fa, pur con antecedenti più antichi in reti metaboliche ancestrali.

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Ciclo dell’acido citrico

Il ciclo dell’acido citrico catalizza l’ossidazione completa dei gruppi acetile forniti dall’acetil-CoA. Il ciclo comincia con la reazione dell’acetil-CoA con l’ossalacetato per formare il citrato (acido citrico). Il numero di atomi di carbonio di ogni intermedio è evidenziato in giallo.

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Prodotti del ciclo dell’acido citrico

Il ciclo dell’acido citrico, a ogni giro, produce una molecola di GTP e una molecola di FADH₂. (A) Il GTP e il GDP sono strettamente affini rispettivamente all’ATP e all’ADP; l’unica differenza consiste nella sostituzione di una guanina con un’adenina. (B) Nonostante la sua struttura notevolmente diversa, il FADH₂, come il NADH e il NADPH, è un trasportatore di idrogeno e di elettroni ad alta energia. Qui viene mostrato nella sua forma ossidata (FAD) con gli atomi responsabili del trasporto di idrogeno evidenziati in giallo. Il FAD è in grado di accettare due atomi di idrogeno, compresi i loro elettroni, per formare FADH₂. Questi stessi atomi sono riportati separatamente nella loro forma ridotta, a destra.

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Oltre a generare energia, glicolisi e ciclo dell’acido citrico forniscono precursori carboniosi per numerose vie anaboliche. Intermedi centrali vengono “dirottati” verso la sintesi di amminoacidi, nucleotidi, lipidi e altre piccole molecole mediante reazioni enzimatiche specifiche. Per esempio, ossalacetato e α‑cheto-glutarato, prodotti del ciclo, attraversano la membrana mitocondriale e nel citosol fungono da precursori rispettivamente di aspartato e glutammato tramite transaminazione (Figura 05.09-14);

Analogamente, intermedi glicolitici come il 3‑fosfoglicerato alimentano la sintesi della serina, il piruvato quella dell’alanina, mentre il diidrossiacetone fosfato è alla base della formazione del glicerolo‑3‑fosfato per i glicerofosfolipidi. Il citrato esportato può essere riconvertito a acetil‑CoA nel citosol tramite l’ATP‑citrato liasi, fornendo unità acetiliche per la biosintesi degli acidi grassi e dell’ossalacetato per le vie anaplerotiche. Per preservare la capacità ossidativa del ciclo quando gli intermedi vengono sottratti alle biosintesi, le cellule impiegano reazioni anaplerotiche, tra cui la carbossilazione del piruvato a ossalacetato catalizzata dalla piruvato carbossilasi:

• Intermedi catabolici come piattaforme anaboliche: transaminazioni da α‑chetoacidi a amminoacidi;
• esportazione di citrato per la generazione citosolica di acetil‑CoA destinato alla lipogenesi;
• rifornimento anaplerotico del ciclo per sostenere sia ossidazione sia biosintesi;
• integrazione con la via dei pentoso fosfati per nucleotide e cofattori riducenti.

La rete emergente, schematizzata nella (Figura 05.09-14), evidenzia come la cellula bilanci dinamicamente domanda energetica e fabbisogno di precursori molecolari.

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Precursori da glicolisi e ciclo dell’acido citrico

La glicolisi e il ciclo dell’acido citrico forniscono i precursori necessari alle cellule per sintetizzare molte molecole organiche importanti. Gli amminoacidi, i nucleotidi, i lipidi, gli zuccheri e altre molecole, mostrate qui come prodotti, servono come precursori per molte macromolecole cellulari. Ogni freccia nera in questo schema rappresenta una reazione catalizzata da enzimi; le frecce rosse, invece, rappresentano in genere le vie e i passaggi più necessari per ottenere i prodotti indicati.

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Precursori da glicolisi e ciclo dell’acido citrico

La glicolisi e il ciclo dell’acido citrico forniscono i precursori necessari alle cellule per sintetizzare molte molecole organiche importanti. Gli amminoacidi, i nucleotidi, i lipidi, gli zuccheri e altre molecole, mostrate qui come prodotti, servono come precursori per molte macromolecole cellulari. Ogni freccia nera in questo schema rappresenta una reazione catalizzata da enzimi; le frecce rosse, invece, rappresentano in genere le vie e i passaggi più necessari per ottenere i prodotti indicati.

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Nello stadio finale del catabolismo ossidativo, la fosforilazione ossidativa, l’energia chimica immagazzinata in NADH e FADH₂ viene convertita in ATP. Questi trasportatori cedono i loro elettroni alla catena di trasporto degli elettroni localizzata nella membrana mitocondriale interna (nei batteri aerobi, nella membrana plasmatica). Il flusso elettronico verso accettori progressivamente a potenziale redox più alto è accoppiato al pompaggio di protoni dalla matrice verso lo spazio intermembrana in siti specifici della catena (Figura 05.09-02), generando una forza proton‑motrice \( \Delta p \), somma del gradiente elettrico e di pH: \[ \Delta p = \Delta \psi - \frac{2{,}303\,RT}{F}\,\Delta \text{pH}. \] L’enzima ATP sintasi utilizza \( \Delta p \) per catalizzare la fosforilazione dell’ADP a ATP sulla faccia matriciale della membrana interna (Figura 05.09-15);

Al termine della catena, gli elettroni vengono trasferiti all’O₂ diffuso nei mitocondri, riducendolo a H₂O mediante combinazione con protoni della soluzione (Figura 05.09-15). A questo punto, l’energia estraibile dal substrato è stata praticamente interamente recuperata. La resa complessiva dell’ossidazione completa del glucosio a CO₂ e H₂O è di circa 30 molecole di ATP per molecola di glucosio, a confronto delle sole due molecole di ATP generate direttamente dalla glicolisi. La fosforilazione ossidativa opera sia in eucarioti sia in batteri aerobi e rappresenta una conquista fondamentale dell’evoluzione cellulare, alla base dell’elevata efficienza energetica dei sistemi viventi.

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Mitocondrio

Un mitocondrio ha due membrane e un ampio spazio interno detto matrice. Gran parte dell’energia derivante dalle molecole alimentari viene raccolta nei mitocondri, sia nella matrice sia nella membrana mitocondriale interna.

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Fosforilazione ossidativa

La fosforilazione ossidativa completa il catabolismo delle molecole alimentari e crea l’ATP cellulare. I trasportatori di elettroni attivati prodotti dal ciclo dell’acido citrico e dalla glicolisi cedono i propri elettroni ad alta energia a una catena di trasporto degli elettroni nella membrana mitocondriale interna (o nella membrana cellulare dei batteri aerobi). Questo trasferimento di elettroni pompa i protoni attraverso la membrana interna (frecce rosse). Il gradiente protonico che si crea viene quindi utilizzato per alimentare la sintesi di ATP attraverso il processo della fosforilazione ossidativa, come si vedrà in dettaglio nel prossimo capitolo.

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Fosforilazione ossidativa

La fosforilazione ossidativa completa il catabolismo delle molecole alimentari e crea l’ATP cellulare. I trasportatori di elettroni attivati prodotti dal ciclo dell’acido citrico e dalla glicolisi cedono i propri elettroni ad alta energia a una catena di trasporto degli elettroni nella membrana mitocondriale interna (o nella membrana cellulare dei batteri aerobi). Questo trasferimento di elettroni pompa i protoni attraverso la membrana interna (frecce rosse). Il gradiente protonico che si crea viene quindi utilizzato per alimentare la sintesi di ATP attraverso il processo della fosforilazione ossidativa, come si vedrà in dettaglio nel prossimo capitolo.

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