Metabolismo aerobico

 

Se una cellula lavora in condizioni anaerobiche, produce energia convertendo il glucosio in lattato e, tramite il ciclo di Cori, smaltisce quest'ultimo; se c'è disponibilità di ossigeno (quindi in condizioni di riposo), più del 90% di glucosio viene consumato per via aerobica e solamente il restante 10%, per via anaerobica. Quando c'è bisogno di più ATP rispetto a quello che è in grado di fornire la via aerobica (ad esempio quando i muscoli sono sotto sforzo), allora l'ulteriore apporto viene fornito dal metabolismo anaerobico (siamo in condizioni di scarsità di ossigeno: affanno, fatica nella respirazione ecc.): occorre velocizzare tale metabolismo riconvertendo il lattato (che si ottiene dalla glicolisi) in glucosio attraverso la gluconeogenesi.
Il metabolismo aerobico si sviluppa nei mitocondri.
Il primo enzima che si incontra nel metabolismo aerobico è la piruvato deidrogenasi; è più corretto dire che la piruvato deidrogenasi è un complesso enzimatico, piuttosto che un enzima, dal momento che è un aggregato di 48-60 unità proteiche con tre siti catalitici che agiscono in successione.
La piruvato deidrogenasi catalizza la seguente reazione (redox):

 

Piruvato  +  NAD+  +  CoA-SH  →   Acetil CoA  +  NADH  +  H+  +  CO2

 

CoA-SH  è il coenzima A: è un derivato dell'acido pantotenico; l'acetil coenzima A è un tioestere. Questo è un processo redox perché il primo carbonio del piruvato passa da numero di ossidazione tre a numero di ossidazione quattro (si è ossidato) e il secondo carbonio del piruvato, passa da numero di ossidazione due a numero di ossidazione tre (si è ossidato). Quindi il piruvato viene ossidato (perde due elettroni complessivamente) e si riduce il NAD.
Come si è detto, la piruvato deidrogenasi possiede tre tipi di attività enzimatica ognuna supportata da un proprio cofattore catalitico:

  1. tiammina pirofosfato  (è un derivato della vitamina B1); è attivo in forma deprotonata: si forma un carbanione.
  2. lipoamide (è un derivato dell'acido lipoico); contiene un ponte disolfuro molto reattivo.
  3. flavin adenin dinucleotide (è un derivato della vitamina B2); è un nucleotide con proprietà redox: il suo centro redox è costituito dalla flavina.

Nelle cellule eucariote, il metabolismo aerobio avviene in organuli specializzati della cellula che sono i mitocondri; nei batteri il metabolismo del glucosio e delle altre specie, avviene nella cellula ma non ci sono organuli specializzati.
Quando il piruvato entra in un mitocondrio, viene sottoposto all'azione della piruvato carbossilasi se c'è necessità di fare la gluconeogenesi (per ricostruire il materiale di partenza), oppure può essere sottoposto alla piruvato deidrogenasi se bisogna produrre energia: l'acetil coenzima A  che si forma dal metabolismo aerobico stimola l'azione della piruvato carbossilasi, quindi, favorisce la gluoconeogenesi e riduce l'azione della piruvato deidrogenasi.
Vediamo ora come agisce la piruvato deidrogenasi; si ha innanzitutto, una decarbossilazione del piruvato per azione della tiammina pirofosfato.
Un ambiente acido può inibire il metabolismo aerobico perché è attiva la forma anionica della tiamina pirofosfato che verrebbe protonata a pH acido e non avverrebbe la decarbossilazione.
Una decarbossilazione è una reazione difficile dal momento che occorre rompere un legame carbonio-carbonio; in questo caso la reazione è favorita termodinamicamente dal fatto che l'intermedio di reazione (idrossietil-tiammina pirofosfato) dà risonanza (gli elettroni p della molecola sono delocalizzati):  l'idrossietil-tiammina pirofosfato esiste in tre possibili forme (di risonanza) e ciò lo rende piuttosto stabile. Inoltre l'idrossietil-tiammina pirofosfato in forma anionica, sopravvive per un tempo abbastanza lungo da poter interagire con il ponte disolfuro della lipoamide (secondo  cofattore catalitico della piruvato deidrogenasi); il ponte disolfuro è un braccio oscillante (si trova alla fine di una lunga catena flessibile) e può spostarsi da un sito catalitico all'altro nel complesso enzimatico.
Quindi la lipoamide, attraverso il ponte disolfuro, lega l'idrossietil-tiammina pirofosfato: si è ottenuta la acetil lipoamide. Quella appena descritta è la prima fase di una reazione di transacetilazione catalizzata dal primo enzima del complesso piruvato deidrogenasi; in tale fase è stato rotto un legame tra il gruppo ossidrile e la tiammina pirofosfato che è tornata alla sua forma originale: è avvenuta una reazione di ossidoriduzione in cui il ponte disolfuro ha agito da ossidante (i due atomi di zolfo si sono ridotti) nei confronti nel gruppo idrossile che si è ossidato ad acetile.
Dopo questa fase, il braccio oscillante della lipoamide si sposta e si avvicina al secondo enzima della piruvato deidrogenasi che svolge la vera attività transacetilasica trasportando con sé il gruppo acetile: avviene la seconda fase della reazione di transacetilazione catalizzata dal secondo enzima; abbiamo, così, ottenuto l'acetil coenzima A. Occorre, ora, ripristinare la lipoamide che è in forma ridotta: interviene il terzo enzima della piruvato deidrogenasi che riossida la lipoamide e trasferisce i suoi elettrodi al FAD che si riduce a FADH2.  La coppia FAD/FADH2 può funzionare come coppia redox in due stadi monoelettronici distinti o in un unico stadio bielettronico.
Il FADH2 cede subito i suoi elettroni al NAD+ ottenendo FAD e NADH + H+.
L'acetil coenzima A, ottenuto come descritto, è il prodotto di partenza per il ciclo di Krebs (o ciclo degli acidi tricarbossilici).



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Ultima modifica dell'articolo: 18/01/2016