Processo di respirazione cellulare

Il processo generale di respirazione cellulare può essere paragonato all’acqua che scorre lungo un fiume che guida una turbina. Mentre la costruzione e la manutenzione della turbina sono processi dipendenti dall’energia, il flusso d’acqua funziona con gravità finché c’è acqua a monte. Allo stesso modo, sebbene la produzione e il mantenimento degli enzimi mitocondriali, delle membrane cellulari e dei cofattori siano processi dipendenti dall’energia, l’ossidazione del combustibile e il flusso di elettroni respiratori sono esotermici (cioè liberano il calore). Gli elettroni fluiscono nella respirazione cellulare esattamente come fluiscono in altri circuiti elettrici, verso accettori di maggiore affinità elettronica.

Nella membrana mitocondriale interna, i complessi I, III e IV (che reossidano le forme ridotte di NAD+, coenzima Q e citocromo C, rispettivamente) utilizzano le loro affinità elettroniche più elevate per pompare protoni attraverso la membrana per generare un gradiente di protoni. Proprio come il costo di trasformare una turbina ad acqua è pagato dall’acqua che scorre lungo il fiume, il costo di pompaggio dei protoni è pagato dagli elettroni che fluiscono dagli stati di energia superiore agli stati di energia inferiore. Vedi anche: Protone

Il ritorno dei protoni attraverso l’enzima FOF1 ATP sintasi genera ATP mediante fosforilazione ossidativa (Fig. 1), mentre il ritorno dei protoni attraverso i pori protonici (come le proteine di disaccoppiamento) genera calore (Fig. 3). Perché affinità elettronica segue un gradiente modello di O2 > citocromo C > coenzima Q > MODA > NAD+, carburante ossidazione in genere trasferisce elettroni prima di NAD+ e/o FAD, e quindi al coenzima Q, il citocromo C e O2, con molte altre proteine associate metallo poli intermedi in complessi I, II, III, e IV.

Fig. 3 Il flusso di elettroni attraverso la catena di trasporto degli elettroni respiratori può generare specie reattive dell’ossigeno (ROS). Spostando gli equivalenti riducenti da NADH a NADPH, la transidrogenasi del nucleotide della nicotinamide può generare il NADPH per riattivare il glutatione per disintossicare il ROS. Questa attività è protone-dipendente, quindi è direttamente concorrenziali con ATP e/o la produzione di calore, e NADH-dipendente, quindi è competitivo con l’avvio della catena di trasporto degli elettroni al complesso I. (Credit: Illustrazione di Carli Hansen)

Piccolo incremento graduale in affinità elettronica si manifestano con piccole gocce di elettroni liberi di energia lungo le vie respiratorie di elettroni della catena. Le piccole differenze servono a ridurre al minimo la produzione di calore e a ridurre al minimo la produzione di radicali liberi superossido (•O2−) e idrossile (•OH). Questi composti reattivi sono formati dalla collisione tra la forma radicale del coenzima Q (*Q – − e O2(Fig. 3). Il danno prodotto dalle specie reattive dell’ossigeno (ROS) è un costo ovvio del metabolismo aerobico e il ROS sotto forma di perossido di idrogeno (H2O2) e idroperossidi fosfolipidi è controllato dalle glutatione reduttasi e dalle perossidasi del glutatione, che dipendono dal NADPH come agente riducente per riattivare il glutatione ossidato. Pertanto, in condizioni di ROS, vi è una maggiore richiesta di NADPH per le funzioni di riparazione rispetto al NADH per la fosforilazione ossidativa. Inoltre, i mitocondri hanno un enzima chiamato nicotinamide nucleotide transidrogenasi (NNT) che può trasferire idruro da NADH a NADP+ per generare il NADPH. I protoni ritornano attraverso l’NNT per guidare questo processo catalitico in modo direttamente competitivo con la produzione di ATP e calore (Fig. 3). Vedi anche: Energia libera; Radicali liberi; Perossido di idrogeno; Chimica del superossido

Le esigenze respiratorie variano in base al tipo di combustibile, all’equilibrio tra catabolismo e anabolismo in cui è impegnata una cellula e al grado in cui la cellula produce NADPH citosolico anaerobicamente attraverso processi come la via del pentoso fosfato (in cui il glucosio viene metabolizzato o trasformato in NADPH).

Mentre il processo di ossidazione da glucosio a piruvato è anaerobico, gli elettroni catturati sul NADH nella fase della gliceraldeide fosfato deidrogenasi possono essere utilizzati nel metabolismo ossidativo in virtù del trasporto del lattato su un altro tessuto e / o del trasferimento ai mitocondri attraverso altri meccanismi, tra cui la navetta malato-aspartato e la navetta glicerolo-3-fosfato (Fig. 4). Quando il piruvato è completamente ossidato a CO2 nei mitocondri dall’azione combinata della piruvato deidrogenasi e del ciclo dell’acido citrico (ciclo di Krebs), gli elettroni vengono catturati su NADPH, NADH e FADH2, richiedendo O2 come accettore di elettroni per reossidare NADH e FADH2. Il NADPH formato dall’azione dell’isocitrato deidrogenasi (un enzima mitocondriale dell’acido citrico) viene utilizzato in gran parte per controllare i ROS che accompagnano la riossidazione aerobica di NADH e FADH2 nella catena di trasporto degli elettroni (Fig. 5). Vedi anche: Ciclo dell’acido citrico

Fig. 4 Più sistemi shuttle possono muoversi riducendo equivalenti dal citoplasma ai mitocondri. La navetta glicerolo-3-fosfato sposta l’idruro dal NADH citosolico al coenzima Q attraverso il FAD. Il sistema di navetta malato-aspartato sposta malato, aspartato, α-chetoglutarato e glutammato attraverso la membrana interna mitocondriale per accoppiare l’ossidazione del NADH citosolico alla riduzione del NAD+mitocondriale. La direzione e il grado di questi flussi sono limitati dal respiratorio-dipendente NADH reoxidation dal complesso I. (Credit: Illustrazione di Carli Hansen)

Fig. 5 L’ossidazione totale del glucosio coinvolge le fasi ossidative e non ossidative della via del pentoso fosfato (non mostrata) o la glicolisi e il ciclo dell’acido citrico legato alla respirazione. (Credit: Illustration by Carli Hansen)

In contrasto con l’ossidazione del glucosio, l’ossidazione completa dei trigliceridi (lipidi neutri costituiti da tre catene aciliche grasse esterificate in una spina dorsale di glicerolo) è quasi interamente aerobica (Fig. 6). L’ossidazione del glicerolo a piruvato produce un NADH citosolico anaerobicamente, mentre gli acidi grassi saturi pari che sono ossidati a CO2 nei mitocondri hanno tutti gli elettroni catturati su NAD+ e FAD, richiedendo O2 come accettore di elettroni finale. Il rapporto tra carboni acidi grassi e carboni glicerolo in un trigliceride fornisce un’indicazione di come aerobicamente esigente trigliceridi ossidazione è. Ad esempio, in un trigliceride che contiene tre acidi grassi 16-C, viene generato un singolo NADH citosolico per >140 coenzimi mitocondriali ridotti generati nella produzione e ossidazione delle 48 molecole di acetil–coenzima A (Ac-CoA) derivato dagli acidi grassi. Considerando che il NADH citosolico può essere efficacemente riossidato aerobicamente tramite la navetta malato-aspartato o la navetta glicerolo-3-fosfato e che il piruvato derivato dal glicerolo può anche essere ossidato nei mitocondri, l’ossidazione completa di un tipico trigliceride può richiedere ossigeno sufficiente per reossidare circa 150 equivalenti NADH e FADH2 mitocondriali. Vedi anche: Lipidi; Metabolismo lipidico; Trigliceridi (triacilglicerolo)

Fig. 6 L’ossidazione totale delle porzioni di acido grasso dei trigliceridi dipende dagli enzimi β-ossidazione, dal ciclo dell’acido citrico e dalla catena di trasporto degli elettroni respiratori. (Credito: Illustrazione di Carli Hansen)

Va anche sottolineato che l’ossidazione degli amminoacidi è intermedia nel suo requisito di O2 tra la glicolisi e l’ossidazione degli acidi grassi mitocondriali perché alcuni cofattori ridotti sono prodotti nel citosol e altri sono prodotti nei mitocondri. Vedi anche: Aminoacido; Metabolismo degli aminoacidi

L’altra considerazione che guida l’entità di un requisito O2 cellulare è il grado in cui una cellula è impegnata con reazioni che richiedono l’idruro portato su NADH e NADPH e se gli equivalenti riducenti possono essere prodotti citosolicamente. A differenza di un camino, il cui scopo è quello di bruciare combustibile completamente per generare calore (Fig. 2), gli esseri viventi creano e riparano tutto ciò di cui sono fatti e svolgono il lavoro di riposo e metabolismo attivo dal consumo di alimenti.

Quindi, la logica della vita è tale che gli elettroni di energia relativamente bassi trasportati sul citocromo C nella membrana mitocondriale interna hanno molto meno potere di fare un lavoro significativo rispetto agli elettroni trasportati sul NADPH citosolico. Il primo può donare a O2 per generare acqua, avendo già generato un gradiente protonico nella discesa dallo stato ad alta energia in NADH allo stato a bassa energia nel citocromo C ridotto.Quest’ultimo può donare elettroni ai gruppi beta-cheto e agli alcheni per eseguire la biosintesi riduttiva. Pertanto, sarebbe illogico per le cellule lasciare che gli elettroni fluiscano troppo in discesa se sono necessari per le reazioni biosintetiche.