La respirazione anaerobica

Nello scorso articolo La respirazione aerobica abbiamo visto come la cellula sia in grado di produrre energia dal glucosio tramite la respirazione aerobica. Adesso descriveremo la respirazione anaerobica, il sistema che generare energia in assenza di ossigeno.

La demolizione del glucosio per via anaerobica è il meccanismo più antico sviluppato dagli organismi primordiali per ottenere energia dalle biomolecole. Anche molte cellule del nostro corpo, per esempio gli eritrociti, sono prive di mitocondri e utilizzano questa via per ottenere energia.

Glicolisi

Il processo è già stato descritto nell’articolo sulla respirazione aerobica ma facciamo comunque un veloce ripasso.

Nella glicolisi una molecola di glucosio a sei atomi di carbonio viene degradata in due molecole di piruvato a tre atomi di carbonio. In questa fase abbiamo la produzione di due molecole di ATP e due molecole di NADH.

Fase preparatoria

La demolizione del glucosio avviene in dieci tappe, le prime cinque sono di preparazione:

1. il glucosio viene fosforilato (l’ATP dona il gruppo fosforico) a livello del gruppo ossidrilico sul C-6 formando D-glucosio 6-fosfato, la reazione è catalizzata dall’enzima esochinasi;
2. il D-glucosio 6-fosfato viene convertito dall’enzima fosfoesosio isomerasi in D-fruttosio 6-fosfato;
3. il D-fruttosio 6-fosfato viene fosforilato sul C-1, l’enzima fosfofruttochinasi-1 (PFK-1) catalizza il trasferimento di un gruppo fosforico dall’ATP al fruttosio formando D-fruttosio 1,6-bifosfato;
4. D-fruttosio 1,6-bifosfato viene scisso in diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide 3-fosfato, ognuna a tre atomi di carbonio, l’enzima che catalizza la reazione è l’aldolasi;
5. il diidrossiacetone fosfato viene isomerizzato in una seconda molecola di gliceraldeide 3-fosfato dall’enzima triosio fosfato isomerasi. Questo passaggio è importante in quanto solo la gliceraldeide 3-fosfato può essere degradata nelle successive tappe.

Questi primi cinque passaggi rappresentano quella che viene definita fase preparatoria. In questa fase viene utilizzata l’energia dell’ATP per aumentare il contenuto in energia libera degli intermedi della via metabolica. Il guadagno energetico inizia nella seconda fase, la fase di recupero energetico.

Fase di recupero energetico

Descriviamo adesso le altre cinque fasi che portano alla formazione di ATP:

1. le molecole di gliceraldeide 3-fosfato vengono ossidate e fosforilate dal fosfato inorganico formando 1,3-bifosfoglicerato. In questa fase il NAD⁺ accetta gli elettroni e viene ridotto formando NADH. L’enzima che catalizza la reazione è la gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi;
2. l’1,3-bifosfoglicerato cede un gruppo fosfato a un ADP, diventando 3-fosfoglicerato, per l’intervento dell’enzima fosfoglicerato chinasi, questa è la prima reazione con formazione di ATP;
3. l’enzima fosfoglicerato mutasi catalizza lo scambio del gruppo fosforilico tra il carbonio 2 e il carbonio 3 del glicerato formando 2-fosfoglicerato;
4. l’enzima enolasi promuove la deidratazione (rimozione di una molecola di acqua) dal 2-fosfoglicerato per generare fosfoenolpiruvato;
5. la piruvato chinasi catalizza la reazione di trasferimento del gruppo fosforico dal fosfoenolpiruvato all’ADP formando ATP.

In condizioni aerobiche il piruvato viene ossidato ad acetato che entra nel ciclo dall’acido citrico per essere ossidato a CO₂ e H₂O. Il NADH viene ossidato a NAD⁺ e gli elettroni vengono trasferiti all’O₂ nella catena di trasporto degli elettroni.

Nella respirazione anaerobica però il NADH non può essere riossidato dall’O₂, questo provoca la mancata generazione di NAD⁺. Senza NAD⁺ la cellula è priva di accettori di elettroni necessari per l’ossidazione della gliceraldeide 3-fosfato; la mancata ossidazione del NADH porterebbe l’intero processo a bloccarsi. Come avviene quindi l’ossidazione del NADH se gli elettroni non possono essere accettati dall’ossigeno?

In assenza di ossigeno gli elettroni del NADH sono accettati dal piruvato che viene ridotto a lattato, la reazione è catalizzata dall’enzima lattato deidrogenasi.

C₃H₄O₃ + NADH + H⁺ → C₃H₆O₃ + NAD⁺

Grazie al piruvato, anche in condizioni di mancanza di ossigeno il NADH può essere riossidato generando NAD⁺ e lattato. La formazione di ATP da glucosio in condizioni ipossiche viene chiamata fermentazione.

Destino del lattato

L’acido lattico che si forma nei muscoli durante una intensa attività fisica può essere riciclato. L’acido lattico prodotto durante la respirazione anaerobica viene immesso nel circolo sanguigno (ora viene chiamato lattato) dove raggiunge il fegato, qui viene convertito dall’enzima lattato deidrogenasi in piruvato e successivamente tramite gluconeogenesi in glucosio. Il glucosio tramite il sistema circolatorio torna al muscolo, dove può essere utilizzato a scopo energetico o immagazzinato sotto forma di glicogeno.

La conversione del glucosio in lattato nel muscolo e la conversione del lattato in glucosio nel fegato viene chiamato ciclo di Cori.

Solo circa il 25% dell’acido lattico viene trasformato in glucosio, il resto viene convertito in anidride carbonica e acqua, ed una restante piccola parte viene escreta con le urine ed il sudore.