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Tutti gli organismi fanno uso di una molecola chiamata glucosio e un processo chiamato glicolisi per soddisfare alcuni o tutti i loro bisogni energetici. Per gli organismi procariotici a cellula singola, come i batteri, questo è l'unico processo disponibile per la generazione di ATP (adenosina trifosfato, la "valuta energetica" delle cellule).
Gli organismi eucariotici (animali, piante e funghi) hanno macchinari cellulari più sofisticati e possono ottenere molto di più da una molecola di glucosio - in effetti oltre quindici volte più ATP. Questo perché queste cellule impiegano la respirazione cellulare, che nella sua interezza è la glicolisi più la respirazione aerobica.
Una reazione che coinvolge decarbossilazione ossidativa nella respirazione cellulare chiamato il reazione a ponte funge da centro di elaborazione tra le reazioni strettamente anaerobiche della glicolisi e le due fasi della respirazione aerobica che si verificano nei mitocondri. Questo stadio del ponte, chiamato più formalmente ossidazione piruvata, è quindi essenziale.
Avvicinamento al ponte: glicolisi
Nella glicolisi, una serie di dieci reazioni nel citoplasma cellulare converte il glucosio molecolare di zucchero a sei atomi di carbonio in due molecole di piruvato, un composto a tre atomi di carbonio, producendo un totale di due molecole di ATP. Nella prima parte della glicolisi, chiamata fase di investimento, sono effettivamente necessari due ATP per spostare le reazioni, mentre nella seconda parte, la fase di ritorno, questo è più che compensato dalla sintesi di quattro molecole di ATP.
Fase di investimento: Il glucosio ha un gruppo fosfato attaccato e quindi riorganizzato in una molecola di fruttosio. Questa molecola a sua volta ha aggiunto un gruppo fosfato e il risultato è una molecola di fruttosio doppiamente fosforilata. Questa molecola viene quindi suddivisa e diventa due molecole identiche a tre atomi di carbonio, ciascuna con il proprio gruppo fosfato.
Fase di ritorno: Ognuna delle due molecole a tre carboni ha lo stesso destino: ha un altro gruppo fosfato attaccato, e ognuno di questi è usato per produrre ATP dall'ADP (adenosina difosfato) mentre viene riorganizzato in una molecola piruvata. Questa fase genera anche una molecola di NADH da una molecola di NAD+.
Il rendimento energetico netto è quindi di 2 ATP per glucosio.
The Bridge Reaction
La reazione del ponte, chiamata anche il reazione di transizione, è composto da due passaggi. Il primo è il decarbossilazione di piruvato, e il secondo è l'attaccamento di ciò che resta di una molecola chiamata coenzima A.
L'estremità della molecola del piruvato è un carbonio a doppio legame con un atomo di ossigeno e a legame singolo con un gruppo ossidrilico (-OH). In pratica, l'atomo H nel gruppo ossidrilico è dissociato dall'atomo O, quindi si può pensare che questa porzione di piruvato abbia un atomo C e due atomi O. Nella decarbossilazione, questo viene rimosso come CO2, o diossido di carbonio.
Quindi, il residuo della molecola di piruvato, chiamato gruppo acetilico e avente la formula CH3C (= O), viene unito al coenzima A nel punto precedentemente occupato dal gruppo carbossilico del piruvato. Nel processo, NAD+ è ridotto a NADH. Per molecola di glucosio, la reazione del ponte è:
2 CH3C (= O) C (O) O- + 2 CoA + 2 NAD+ → 2 CH3C (= O) CoA + 2 NADH
Dopo il ponte: Respirazione aerobica
Ciclo di Krebs: La posizione del ciclo di Krebs è nella matrice mitocondriale (il materiale all'interno delle membrane). Qui, l'acetil CoA si combina con una molecola a quattro atomi di carbonio chiamata ossaloacetato per creare una molecola a sei atomi di carbonio, citrato. Questa molecola viene ridotta all'ossaloacetato in una serie di passaggi, ricominciando il ciclo.
Il risultato è 2 ATP insieme a 8 NADH e 2 FADH2 (portatori di elettroni) per il passaggio successivo.
Catena di trasporto degli elettroni: Queste reazioni si verificano lungo la membrana mitocondriale interna, in cui sono incorporati quattro gruppi di coenzima specializzati, denominati Complesso da I a IV. Questi usano l'energia negli elettroni di NADH e FADH2 per guidare la sintesi di ATP, con l'ossigeno che è l'accettore di elettroni finale.
Il risultato è da 32 a 34 ATP, portando la resa energetica complessiva della respirazione cellulare tra 36 e 38 ATP per molecola di glucosio.