ossigeno

Se non l’avessi ripetuto praticamente in ogni articolo che ho scritto, magari vi farebbe più effetto, ma non sto esagerando quando vi dico che ciò di cui voglio parlarvi è della massima importanza. Tutti i sistemi viventi hanno bisogno di energia. Questa energia è necessaria per mantenere il sistema vivente lontano dall’equilibrio con l’ambiente circostante. Quando un organismo muore, smette di ricavare (non dal nulla ma per conversione) energia utile, e questo col tempo lo porta a “disorganizzarsi” e a tornare in equilibrio con l’ambiente circostante, in un certo senso torna alla natura. Dove è possibile individuare questa organizzazione superiore negli organismi viventi? Ma ovunque! La più piccola e semplice cellula del più antico batterio ha un livello di organizzazione straordinario! innanzitutto è separato dall’ambiente esterno da una membrana fosfolipidica a sua volta ricoperta da una parete cellulare rigida, questa parete serve a proteggerlo, a mantenere insieme tutte le componenti interne (DNA, RNA, proteine ecc..) e a mediare gli scambi con l’esterno! Mantenersi “divisi” dall’ambiente esterno è fondamentale. Poi prendiamo le proteine. Le proteine sono costituite dall’unione di amminoacidi, che ne sono venti in tutto. Per sintetizzare una proteina innanzitutto è necessario avere l’informazione per farlo (proveniente dal DNA), quindi è necessario avere l’occorrente: amminoacidi, energia, e un sistema di sintesi. da un insieme disordinato di amminoacidi singoli, otteniamo un prodotto finale estremamente più complesso, e questa sua complessità va molto al di là della semplice somma della funzione dei singoli amminoacidi, e dipende soprattutto dalla struttura e dalla conformazione della proteina: interferire con la struttura significa annullare la funzione della proteina e ridurla ad una semplice successione di amminoacidi.
Come ottenere l’energia adatta? Innanzitutto, come dice la prima legge della termodinamica, l’energia non può essere creata nè distrutta ma soltanto convertita. Ed è proprio quello che fanno i sistemi viventi. Per ottenere l’energia i sistemi viventi necessitano di molecole di cui possono “utilizzare” i legami chimici.
Il modo più comune per ricavare energia da una molecola è ossidarla. Cosa significa ossidare lo vedremo subito.
Dal punto di vista biologico (e non solo) molto importanti sono le reazioni di ossido-riduzione. Una specie chimica che si ossida è una specie chimica che “perde” elettroni mentre quella che li riceve si riduce. Ovviamente se una specie si ossida ce ne deve essere un’altra che alla fine si riduce, in questo modo il numero di elettroni (o equivalenti riducenti) rimane invariato nella reazione. Ma facciamo alcuni esempi di come le specie chimiche possono ossidarsi e ridursi:
la formazione della ruggine è il più classico esempio di reazione di ossido-riduzione, la cui reazione è la seguente:

3Fe + 4H₂O -> Fe₃O₄ + 4H₂

Il ferro, il cui numero di ossidazione a sinsitra della reazione è 0 (essendo sottoforma di ferro elementare privo di carica non ha elettroni nè in eccesso nè in difetto) a destra della reazione è +4 (sono stati persi quattro elettroni) mentre l’ossigeno li ha acquistati, ma visto che l’ossido di ferro (III) è una specie chimica nuova, l’ossigeno non ha propriamente sottratto gli elettroni al ferro, perchè comunque contribuiscono a formare il legame. Abbiamo quindi visto quindi che per ossidarsi una specie chimica può legarsi all’ossigeno (d’altronde ossidare deriva da ossigeno).
Una specie chimica però può perdere definitivamente gli elettroni a favore di un’altra:

Fe²⁺ + Cu²⁺ -> Fe³⁺ + Cu⁺

Infine, possiamo ossidare una specie chimica sottraendo atomi di idrogeno. Gli atomi di idrogeno sono costituiti da un protone ed un elettrone. Sottraendo entrambi, non si determina la formazione di una carica netta (specie ionica), ma la specie chimica ha perso a tutti gli effetti un elettrone. Solitamente gli atomi di idrogeno vengono tolti sempre in coppia, come nell’esempio:

CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ -> CH₃-CH=CH-CH₃

Il butano ha quindi dubito una deidrogenazione del carbonio 2 e del carbonio 3 che trobandosi ciascuno un elettrone libero l’hanno successivamente impegnato in un doppio legame (formando così il 2-butene). E’ stata introdotta un’insaturazione.
Come dicevo nei sistemi biologici le reazioni di ossidoriduzione sono centrali nel metabolismo. Per ottenere energia vengono ossidate le molecole (come zuccheri, acidi grassi), ad esempio una molecola di glucosio, uno zucchero a sei atomi di carbonio estremamente importante perchè è una delle poche fonti di energia di molti tessuti come il cervello (che non è in grado di metabolizzare grassi), viene incanalato in una via metabolica chiamata glicolisi. La glicolisi (la via centrale del metabolismo degli zuccheri) prende una molecola di glucosio e ne ottiene due di acido piruvico (piruvato) secondo la seguente reazione:

C₆H₁₂O₆ -> 2X C₃H₄O₃

Noterete subito che l’unica cosa ad essere cambiata è il numero degli idrogeni che passano da 12 a 8. Ben quattro atomi di idrogeno sono stati prelevati dal glucosio (che si è ossidato a piruvato) e sono stati trasferiti. L’accettore di questi atomi di idrogeno (quindi 4 elettroni) è una molecola organica estremamente importante, il NAD (Nicotinammide-Adenin-Dinucleotide). Il NAD è una molecola non proteica che si associa transientemente agli enzimi che operano le reazioni di ossidoriduzione (si dice che è un cofattore) che si chiamano ossidoreduttasi o più comunemente deidrogenasi. Le deidrogenasi sono in grado di sottrarre elettroni ad una specie chimica trasferendoli su questa molecola che da ossidata (NAD⁺) si riduce (NADH), ma sono anche in grado di ridurre con il procedimento opposto. Quindi è il NAD a ridursi, a prendere gli elettroni sottratti al glucosio. Una molecola di NAD è in grado di ridursi a NADH accettando su di sè 2 elettroni ed un protone (ione idruro) liberando nell’ambiente circostante il protone rimanente. Per cui la reazione prima scritta diventa:

C₆H₁₂O₆ + 2NAD⁺ -> 2X C₃H₄O₃ + 2NADH + 2H⁺

L’enzima della glicolisi responsabile dell’ossidazione del glucosio è la Gliceraldeide-3fosfato Deidrogenasi , per gli amici GAPDH. Le deidrogenasi che funzionano con il NAD⁺/NADH sono dette deidrogenasi piridiniche, ma il NAD non è l’unico cofattore a potersi ridurre/ossidare, esistono anche cofattori cosiddetti flavinici (con le conseguenti deidrogenasi flaviniche) che sono FMN e FAD . Due considerazioni. La prima: la glicolisi è una via che da sola è in grado di produrre energia, sottoforma di ATP (le cellule immagazinano l’energia in legami chimici ad alta energia, come il legame tra i gruppi fosfato dell’ATP). Da una singola molecola di glucosio la glicolisi ricava 2 molecole di ATP (in realtà 4, ma se ne spendono due all’inizio pertanto il bilancio è 2). Questo ATP, questa energia ottenuta dal glucosio, non è però ottenuta grazie agli elettroni sottratti, ma attraverso un processo nominato “fosforilazione dell’ADP ad ATP a livello del substrato”, che in parole povere significa che il legame altamente energetico dell’ATP (ADP + P -> ATP) viene sintetizzato rompendone un altro a maggior contenuto energetico. Questi legami a maggior contenuto energetico di quello dell’ATP sono rispettivamente quello dell’acido 1-3 bifosfoglicerico e dell’acido fosfoenolpiruvico, entrambi intermedi della glicolisi e dai quali, appunto viene sintetizzato ATP (l’ATP non è quindi la molecola a più alto contenuto energetico, ma si trova esattamente a metà). La seconda considerazione è che se i NADH ottenuti non si riossidassero alla fine della glicolisi, si arriverebbe ad un punto che non si avrebbe nessun NAD ossidato, e questo come potete capire interromperebbe la glicolisi stessa. Per cui il NADH deve essere periodicamente riossidato per potere tornare utile alla glicolisi. Come si riossida? Se non è presente ossigeno, e siamo quindi in condizioni di anareobiosi, come ad esempio nel muscolo sottosforzo (ad esempio in un atleta durante una maratona), il NADH viene riossidato sul piruvato stesso, che viene ridotto ad acido lattico dall’enzima lattico deidrogenasi. L’acido lattico è un componente tossico perchè abbassa il pH per cui il muscolo non può lavorare a lungo senza ossigeno:

2X C₃H₄O₃ + 2NADH + 2H⁺ -> 2X C₃H₆O₃ + 2NAD⁺

In virtù del fatto che non si spreca mai niente, dopo lo sforzo eseguito, l’acido lattico viene portato al fegato dove viene trasformato in glucosio attraverso un processo di gluconeogenesi, e come potrete capire in questo caso serviranno equivalenti riducenti!
Se invece è presente ossigeno, come nella maggioranza dei tessuti in condizioni normali, allora il discorso si complica, perchè a questo punto non ci si ferma più solo alla glicolisi, ma si entra in un famoso processo chiamato “Respirazione Cellulare”. Nella respirazione cellulare ci sono tre fasi. La prima fase, indipendentemente da che molecola si parte (zuccheri, grassi, proteine) porta alla formazione di una molecola molto importante: l’acetil coenzima A: una molecola a due atomi di carbonio (acetile) coniugata ad un cofattore molto importante il coenzima A, Il coenzima A come potete vedere ha un gruppo SH (zolfo-idrogeno, chiamato gruppo tiolico), ed è proprio a questo gruppo SH che si coniuga l’acetile. Ora, noi nella glicolisi siamo arrivati al piruvato. Il piruvato rappresenta un bivio, se non c’è ossigeno viene ridotto ad acido lattico, se c’è ossigeno allora entra nel mitocondrio e viene ossidato ad acetile (perde quindi un atomo di carbonio sottoforma di CO2) e viene coniugato al coenzima A (Il tutto grazie ad un complesso multienzimatico chiamato Piruvato Deidrogenasi). L’acetil Coenzima A a questo punto entra nella seconda fase, sempre nel mitocondrio, il cosiddetto ciclo di Krebs, noto come Ciclo dell’Acido citrico o Ciclo degli acidi tricarbossilici. In questa via metabolica ossidativa, l’acetile viene ulteriormente ossidato a 2 molecole di CO2, con la produzione di 3NADH e 1 FADH₂.
Partendo quindi da una molecola di glucosio (C₆H₁₂O₆) otteniamo 2 molecole di piruvato (C₃H₄O₃).Dal piruvato otteniamo 2 molecole di Acetil Coenzima A (un acetile è C₂H₄O₂) perdendo in questo passaggio 2 molecole di C02. I due acetil Coenzima A vengono ulteriormente ossidati a 4CO2. Vengono ridotti 8NADH (2 nella glicolisi e 3 per ciascuno dei due acetil coenzima A) e 2FADH2.

La grande resa energetica di queste vie metaboliche è ottenuta proprio grazie agli elettroni sottratti al glucosio (in questo caso) e conservati nei cofattori ridotti NADH e FADH₂. Questi elettroni sono i responsabili della sintesi di grandi quantità di ATP. Il problema è dove metterli? Che cosa si può ridurre con questi elettroni? Ma l’ossigeno naturalmente. L’ossigeno è l’accettore finale di tutti gli elettroni sottratti alle molecole ossidate per produrre energia. L’ossigeno si trova sottoforma di molecola biatomica O₂. I cofattori ridotti vengono a loro volta ossidati da delle proteine presenti nei mitocondri (dove avviene sia il ciclo di Krebs che la riduzione dell’ossigeno, che la sintesi di ATP). Queste proteine formano una specie di catena, attraverso cui gli elettroni passano ordinatamente, per arrivare all’ossigeno. Durante il passaggio degli elettroni da una proteina all’altra, viene liberata dell’energia (eV) che viene utilizzata per creare un gradiente chimico di protoni (H+) tra un lato e l’altro della membrana mitocondriale (le proteine attraverso cui passano gli elettroni dei cofattori, sono inserite nella membrana interna del mitocondrio, e quando passano gli elettroni usano l’energia liberata da loro per creare una differenza di potenziale tra un capo e l’altro della membrana). Gli elettroni arrivano all’ossigeno riducendolo ad Acqua, e la differenza di potenziale a livello della membrana mitocondriale viene utilizzata per sintetizzare ATP a partire da ADP + P, grazie ad un enzima chiamato ATP sintasi.

O₂ + 4e- + 4H⁺ -> 2H₂O.

Vengono sintetizzati 3ATP per ogni NADH che si riossida, e 2 ATP per ogni FADH2 che si riossida. L’efficienza è del 42% circa.
L’equazione finale diventa quindi:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ -> 6CO₂ + 6H₂O

Abbiamo quindi visto come il flusso degli elettroni dal glucosio (o qualsiasi molecola) all’ossigeno è importantissima per produrre energia! Abbiamo anche capito perchè il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni si chiama respirazione cellulare, perchè consuma ossigeno e produce anidride carbonica, come durante la respirazione polmonare!
Alla prossima e mi raccomando usate i commenti! Spero vi sia piaciuto questo articolo!