Conteggio ATP

Introduzione

La bioenergetica è tra gli argomenti di biologia più gettonati al test di medicina. Fra le richieste più comuni, vi sono dei calcoli legati al bilancio energetico della respirazione cellulare. Così, abbiamo deciso di fornire ai nostri lettori un piccolo chiarimento su un tema molto discusso: il numero di ATP prodotti, che a seconda delle opinioni, varia tra 32, 36 e 38.

Quanti sono gli ATP?

Tutte le cellule sono accomunate dalla necessità di immagazzinare l’energia per consumarla quando richiesto. Per fare ciò, l’evoluzione ha portato allo sviluppo di una moneta energetica cellulare: una particolare molecola che contiene legami ad alta energia all’interno dei quali si trova l’energia chimica di cui dispone la cellula. cellula.

Questa moneta, dal ruolo simile alla batteria dei nostri smartphone, è l’adenosina-trifosfato, meglio nota come ATP. Si tratta di un nucleotide: al centro vi è un ribosio, che da una parte lega l’adenina (base azotata purinica), mentre dall’altra presenta tre gruppi fosfato.

È proprio nei legami fosfoanidridici tra i gruppi fosfato che viene catturata e conservata l’energia, e quando uno di questi viene idrolizzato ne viene liberata una grande quantità.

Dal glucosio all’ATP

L’energia che la cellula immagazzina nell’ATP proviene da tutti i substrati riducenti assunti con la dieta: i carboidrati, le proteine e i lipidi. Tuttavia, la fonte principale di energia è rappresentata dal glucosio, singola unità saccaridica esosa. Questa viene ossidata in 6 unità di anidride carbonica, cedendo l’energia chimica ai coenzimi NAD e FAD, che vengono ridotti a NADH+H+ e FADH2 . A loro volta i coenzimi ridotti cedono gli elettroni ai complessi presenti sulla membrana mitocondriale interna e creano un gradiente elettrochimico che fornisce all’ATP sintasi l’energia per attaccare gruppi fosfato all’ADP producendo così nuovo ATP. 

Per ogni NAD ridotto, l’ATP sintasi può produrre 2,5/3 ATP, mentre per ogni FAD ridotto può produrne 1,5/2.

L’ATP nelle diverse fasi

• La glicolisi è un processo che avviene nel citoplasma indipendentemente dalla presenza di ossigeno. Per 1 mole di glucosio produce 2 moli di piruvato, e fornisce l’energia sufficiente a produrre 2 moli di ATP e 2 moli di NAD ridotto.
• La decarbossilazione ossidativa è un processo che avviene nel mitocondrio in presenza di ossigeno. Per ogni mole di piruvato produce 1 mole di acetil-CoA e fornisce l’energia sufficiente a produrre 1 mole di anidride carbonica e 1 mole di NAD ridotto.
• Il ciclo di Krebs è un processo ciclico che avviene nel mitocondrio in presenza di ossigeno.  Per 1 mole di acetil-CoA produce 2 moli di anidride carbonica, e fornisce l’energia sufficiente a produrre 1 mole di ATP e 3 moli di NAD e 1 mole di FAD ridotti. 

N.B. Per decarbossilazione ossidativa e ciclo di Krebs bisognerà moltiplicare per 2 i prodotti in modo da ottenere il risultato derivante da una molecola di glucosio.

Bilancio

In presenza di ossigeno si ottengono, per una mole di glucosio: 4 moli di ATP, 10 moli di NAD ridotto e 2 moli di FAD ridotto. Se nel trasferimento dell’energia dai coenzimi all’ATP si considerano 2,5 ATP per NAD ridotto e 1,5 ATP per FAD ridotto, si ottengono per un processo respiratorio completo 32 ATP: 4 direttamente dalla glicolisi e dal ciclo di Krebs, 25 dai 10 NAD ridotti e 3 dai 2 FAD ridotti. 

Tuttavia, molti organi scientifici tengono in considerazione 3 ATP per NAD ridotto e 2 ATP per FAD ridotto: in questi termini un processo respiratorio completo fornisce 38 ATP: 4 direttamente dalla glicolisi e dal ciclo di Krebs, 30 dai 10 NAD ridotti e 4 dai 2 FAD ridotti.

Inoltre, le cellule eucariotiche dispongono della catena degli elettroni a livello della membrana mitocondriale interna, pertanto gli equivalenti riducenti prodotti nel citoplasma, ovvero i 2 NAD ridotti ottenuti nella glicolisi, devono essere trasferiti dal citoplasma al mitocondrio. Ciò può avvenire grazie a due sistemi navetta: il sistema del malato-aspartato produce nel mitocondrio 1 mole di NAD ridotto per ogni mole di NAD ridotto citoplasmatico; mentre il sistema del glicerolo fosfato produce nel mitocondrio 1 mole di FAD ridotto per ogni mole di NAD ridotto citoplasmatico. In questo caso i 2 NAD ridotti diventeranno 2 FAD ridotti.

Per questo motivo si possono considerare processi respiratori completi che forniscono 36 ATP: 4 direttamente dalla glicolisi e dal ciclo di Krebs, 24 dagli 8 NAD ridotti e 8 dai 4 FAD ridotti.

ESERCIZIO 1

1. 10
2. 160
3. 190
4. 960 x 1023
5. 114 x 1024

Per ciascuna mole di glucosio, si possono ottenere al massimo del rendimento 38 moli di ATP, pertanto a 5 moli di glucosio corrispondono al massimo 190 moli di ATP. Siccome una mole è costituita da 6 x 1023 molecole, 190 moli di ATP corrispondono a 114 x 1024. Risposta corretta E

ESERCIZIO 2

1. 1/38
2. 1/36
3. 1/2
4. 1
5. 36

In assenza di ossigeno non è possibile trasferire gli elettroni dai coenzimi ridotti all’ossigeno e di conseguenza è impossibile creare il gradiente elettrochimico che carica il gruppo fosfato sull’ADP a produrre l’ATP nei mitocondri. In queste condizioni anche il ciclo di Krebs è inattivo. L’unico processo che consente di ottenere ATP in assenza di ossigeno è la glicolisi, che produce 2 moli di ATP per ogni mole di glucosio. Risposta corretta C