C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 36/38 molecole di ATP

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1 respirazione cellulare Reazioni di ossidazione progressiva dei substrati di natura organica ( tra cui il glucosio rappresenta il principale combustibile ) per produrre ATP che fornirà l energia per le funzioni vitali. L ossidazione di materiale organico è una reazione esotermica, ovvero rilascia una grande quantità di energia in tempi molto ristretti. Tale energia viene incamerata sottoforma di ATP C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 36/38 molecole di ATP Questa molecola può essere considerata la moneta energetica dell organismo, per la sua posizione intermedia tra i composti donatori/ accettori di gruppi fosfato: la conversione ADP->ATP e l opposta reazione ATP->ADP possono avvenire entrambe facilmente nei diversi ambienti cellulari, con una liberazione di 30 kj per ogni mole di legami. I tipi di substrato che permettono una maggior resa energetica sono gli acidi grassi, metabolizzati attraverso vie come la beta ossidazione in tante molecole di acetil CoA che vengono poi internalizzati nel mitocondrio, dove viene ossidato completamente attraverso il ciclo di Krebs e rigenera molecole di ATP attraverso la fosforilazione ossidativa. La molecola d elezione per le vie aerobiche è comunque di tipo glucidico ed è, appunto, il glucosio, specialmente in alcuni tessuti. Esso viene dapprima degradato attraverso la glicolisi dando origine a piruvato, il quale viene decarbossilato ed internalizzato nella matrice mitocondriale, dove subisce un processo di decarbossilazione ossidativa e successivamente entra nel ciclo di Krebs. L ultimo step è rappresentato dalla produzione di un gradiente protonico attraverso la membrana dei mitocondri generato per trasporto di elettroni attraverso una catena enzimatica che porta alla riduzione O2 e alla sintesi di ATP. La catena di trasporto degli elettroni è situata nella membrana interna dei mitocondri, all interno dei quali accetta atomi di idrogeno da molecole donatrici e si occupa di separare gli elettroni dai protoni liberando questi ultimi all interno dello spazio intermembrana e trasportando gli elettroni verso l accettore finale, l ossigeno. I trasportatori sono disposti in modo da avere potenziali di riduzione crescenti, pertanto gli elettroni venendo trasportati passano da uno stato energetico maggiore ad uno minore con conseguente liberazione di energia, che verrà utilizzata in parte per la sintesi di ATP ed in parte dispersa come calore. Le specie coinvolte in questa complessa catena di eventi sono numerose; oltre ai substrati che subiscono il processo di ossidazione, all ossigeno e ai vari prodotti che si susseguono, vi è una lunga serie di molecole coadiuvanti, che giocano un ruolo cruciale nell intero processo. Si tratta di enzimi e coenzimi, i catalizzatori dei sistemi biologici. Gli enzimi sono nella maggior parte dei casi proteine e agiscono accelerando la velocità di reazione portando in maniera più rapida al raggiungimento dello stato di equilibrio termodinamico. Molti di essi contengono molecole non proteiche che partecipano alla funzione catalitica legandosi all enzima nelle vicinanze del sito attivo e vengono definite cofattori. Combinandosi con la forma non attiva dell enzima, esse danno origine ad un enzima cataliticamente attivo. Queste molecole possono essere distinte in base della natura chimica in metalli e coenzimi, di solito piccole molecole organiche, ma possono essere classificati anche in base al tipo di legame contratto con l enzima stesso, il quale può essere più o meno forte. La maggior parte delle vitamine, composti che gli esseri umani e altri animali non sono in grado di sintetizzare autonomamente, sono cofattori o precursori di cofattori. La catena respiratoria è costituita da una serie di complessi proteici e composti lipo-solubili capaci di produrre un potenziale elettrochimico attraverso la membrana mitocondriale mediante la creazione di un gradiente di concentrazione di ioni H+ tra i due lati della membrana. In ogni tappa si ha un passaggio di elettroni da un complesso ad un altro, in particolare: Complesso I Coenzima Q reduttasi: questo complesso riceve due atomi di idrogeno dal coenzima NADH e li trasferisce interamente al secondo trasportatore della catena di trasporto degli elettroni, il Coenzima Q. Complesso II Succinato deidrogenasi Complesso III Citocromo c reduttasi: riceve elettroni dal Coenzima Q e li cede al citocromo c

2 Complesso IV Citocromo c ossidasi: è l ultimo complesso, che trasferisce gli elettroni direttamente all ossigeno trasformandolo insieme agli ioni H+, in H2O. ROS E antiossidanti La respirazione cellulare produce anche specie reattive dell ossigeno, dette ROS (reactive oxygen species) che sono molecole altamente reattive, in grado di danneggiare l organismo. Il nostro organismo però non si lascia prendere alla sprovvista. Proprio per questo vi è una complessa rete di enzimi e sistemi antiossidanti che lavorano sinergicamente per prevenire il danno ossidativo a componenti cellulari di fondamentale importanza come DNA, proteine e lipidi. In generale, i sistemi antiossidanti o prevengono la formazione di queste specie ossidanti o le rimuovono prima che possano danneggiare i componenti vitali delle cellule. Cosa sono i ROS? Sono specie radicaliche, ovvero specie chimiche molto reattive aventi vita media di norma brevissima, costituite da un atomo o una molecola formata da più atomi che presenta un elettrone spaiato: tale elettrone rende il radicale estremamente reattivo, in grado di legarsi ad altri radicali o di sottrarre un elettrone ad altre molecole vicine. Le specie reattive dell ossigeno prodotte nelle cellule includono perossido di idrogeno (H2O2), acido ipocloroso (HClO) e radicali liberi come il radicale idrossile (OH ) e l anione superossido (O2 ); il radicale idrossile, in particolare, è altamente instabile e reagisce rapidamente e non in maniera non selettiva con la maggior parte delle molecole biologiche, rappresentando una minaccia non indifferente per l organismo. Questi ossidanti possono danneggiare le cellule iniziando reazioni chimiche a catena come la perossidazione lipidica, oppure ossidando il DNA o le proteine; è facile immaginare come un danneggiamento del DNA possa avere risvolti decisamente gravi e causare mutazioni genetiche qualora non entrino in gioco meccanismi di riparazione specifici, mentre danni alle proteine possono portare a fenomeni come inibizione della funzione enzimatica, denaturazione e degradazione. Lo stress ossidativo di cui tanto si sente parlare non è altro che una è una condizione causata da uno sbilanciamento nel delicato equilibrio fisiologico fra la produzione e l eliminazione di specie chimiche ossidanti. Infatti, è bene tenere presente che le specie ossidanti ed i radicali liberi svolgono importanti ruoli fisiologici, come la difesa nei confronti di microrganismi patogeni, la trasmissione dei segnali biochimici fra le cellule e addirittura il controllo della pressione arteriosa! È il loro eccesso a causare una condizione di stress, alla quale è possibile ricondurre la causa di molte patologie umane e naturalmente il processo di invecchiamento. Ovviamente anche agenti esterni, come la dieta e alcune abitudini dannose contribuiscono alla formazione di radicali liberi! Un azione collaterale della catena respiratoria è la produzione di anione superossido e da esso di altre specie reattive dell ossigeno (ROS): in particolare i maggiori produttori di superossido sono il Complesso I (che lo rilascia nella matrice) e il III (che lo rilascia nello spazio tra le due membrane). La produzione aumenta ad alto potenziale di membrana, quando il flusso di elettroni è lento e la catena più ridotta: in tali condizioni il superossido è soprattutto formato dal trasporto inverso di elettroni da succinato a NAD. Qualsiasi danno alla catena respiratoria è potenzialmente in grado di rallentare il flusso di elettroni a monte facilitando la produzione di superossido, condizione riscontrabile in alcune patologie a livello mitocondriale, nella senescenza e in altre condizioni patologiche. Se il problema è quindi limitare il più possibile i danni di un eccessiva ossidazione, le nostre cellule sono tutte pronte e dotate di sistemi che fanno al caso nostro. Antiossidanti, ecco la parola magica. Enzimi, vitamine, ioni, sono tutti agenti riducenti in grado di contrastare la formazione di specie ossidate. Ne esistono diversi tipi, in svariate forme, ognuno con il suo compito specifico e la sua precisa ubicazione, la natura non lascia nulla al caso in queste circostanze. Si distinguono in base al grado di solubilità nei fluidi corporei e nelle membrane e si distribuiscono a varie concentrazioni nei diversi comparti cellulari; la quantità di protezione fornita da un antiossidante dipende quindi dalla sua concentrazione, dalla sua reattività verso la particolare specie reattiva dell ossigeno considerata e lo stato degli antiossidanti con cui interagisce. Alcuni composti contribuiscono alla difesa fornita dagli antiossidanti chelando i metalli di transizione, prevenendo così l effetto catalitico che questi forniscono nella produzione dei radicali liberi nella cellula. Tra gli antiossidanti endogeni, ovvero quelli prodotti dal nostro organismo, si possono annoverare diversi sistemi enzimatici all opera. Le superossido dismutasi, ad esempio, sono una classe di enzimi strettamente correlati presenti in quasi tutte le cellule aerobiche che catalizzano la rottura dell anione superossido in ossigeno e perossido di idrogeno. Contengono come cofattori ioni metallici che possono essere rame, zinco, manganese o ferro. Le catalasi, a loro volta, catalizzano la conversione di perossido di idrogeno in acqua e ossigeno, usando come cofattori ferro e manganese. La catalasi è un enzima inusuale poiché, anche se il perossido di idrogeno è il suo solo substrato, segue un meccanismo ping-pong: il suo cofattore viene ossidato da una molecola di perossido di idrogeno e poi rigenerato trasferendo l ossigeno legato ad una seconda molecola del substrato. Infine vi sono le perossidasi che catalizzano la riduzione di perossido di idrogeno, perossidi organici e perossinitriti. Sono divise in tre classi di enzimi che condividono lo stesso meccanismo catalitico di base, in cui la redox-attiva cisteina nel sito attivo è ossidata ad acido sulfenico dal substrato perossido. Tali enzimi sembrano sembrano rivestire un ruolo molto importante, poiché una loro assenza o inefficienza è associata ad anemia emolitica, una patologia causata da basse concentrazioni di emoglobina nel sangue per rottura dei globuli rossi.