Il metabolismo aerobico

Il metabolismo aerobico è il processo attraverso il quale i grassi e i carboidrati sono convertiti in energia utilizzabile sotto forma di ATP (adenosina trifosfato). Rappresenta circa il 90% di tutto il metabolismo cellulare ed è importante per la produzione dell’energia per il sostentamento della maggior parte delle esigenze energetiche come ad esempio: camminare, fare jogging o per gli sforzi quotidiani. Il metabolismo aerobico è più lento del metabolismo anaerobico ed è essenziale per la produzione dell’energia quotidiana.

Nonostante sia più lento, il metabolismo aerobico è veramente efficiente ed è in grado di produrre circa 36 molecole di ATP da una singola molecola di glucosio producendo come sottoprodotti soltanto anidride carbonica e acqua.

Il sistema aerobico produce molta più ATP rispetto agli altri sistemi energetici ma lo fa in maniera più lenta, per cui non è in grado di alimentare il corpo durante gli esercizi molto intensi, che richiedono una rapida produzione di ATP.

Il sistema aerobico si sviluppa in tre fasi dove, tramite delle complesse reazioni chimiche, avviene la produzione di ATP. La produzione di energia tramite il metabolismo aerobico richiede tempo per avvenire, motivo per cui la produzione di ATP con questo metabolismo risulta più lenta rispetto a quella degli altri sistemi.

Quali sono i substrati energetici utilizzati nel metabolismo aerobico?

I substrati energetici utilizzati nel metabolismo aerobico sono principalmente gli acidi grassi presenti sotto forma di trigliceridi nel tessuto adiposo e il glucosio presente sotto forma di glicogeno nei muscoli e nel fegato.

Quando siamo a corto di carboidrati o grassi, come durante la fame o il diabete, ricaviamo anche energia dalla conversione in glucosio o glicogeno degli amminoacidi delle proteine.

Il metabolismo aerobico utilizza sempre tutti e 3 i substrati per produrre energia ma, a seconda dell’intensità dello sforzo e della disponibilità di nutrienti, li utilizza in percentuali diverse.

Come avviene il metabolismo aerobico?

Il processo di produzione di energia sotto forma di ATP grazie al metabolismo aerobico avviene nei mitocondri che, utilizzando i substrati energetici come acidi grassi e glucosio, sono in grado di produrre molecole di ATP.

Anche se il processo di produzione di energia tramite il metabolismo aerobico è molto complesso a livello biochimico, questo può essere schematizzato in pochi punti chiave:

Metabolismo del Glucosio:

Prima Fase	Seconda Fase	Terza Fase
Glicolisi	Ciclo dell’acido citrico (ciclo di Krebs)	Catena di trasporto degli elettroni
In questa prima fase viene spezzata la molecola di glucosio in due molecole di piruvato	Nella seconda fase viene ossidato il piruvato per creare altre molecole ricche di energia	Nell’ultima fase avviene la maggior parte della sintesi dell’ATP
+ 2 ATP	+ 2 ATP	+ 34 ATP

Metabolismo degli acidi grassi:

Prima Fase	Seconda Fase	Terza Fase	Quarta Fase
lipolisi	β-ossidazione	Ciclo dell’acido citrico (ciclo di Krebs)	Catena di trasporto degli elettroni
I trigliceridi vengono scomposti nei suoi componenti costitutivi: 1 molecola di glicerolo e 3 acidi grassi	Gli acidi grassi ottenuti dalla lipolisi, vengono degradati in Acetil-CoA	L’Acetil-CoA entra nel ciclo di Krebs e il metabolismo segue quello glucidico	Uguale al metabolismo del glucosio

Metabolismo delle proteine:

Prima Fase	Seconda Fase	Terza Fase
Proteolisi	Transaminazione
Le proteine vengono separate nei loro componenti fondamentali, gli amminoacidi	Gli amminoacidi vengono ossidati per la rimozione del gruppo amminico che viene convertito in urea ed espulso.	Gli scheletri carboniosi rimasti vengono convertiti in glucosio, corpi chetonici o in molecole intermedie del ciclo di Krebs

Mitocondri

Il mitocondrio è l’organulo cellulare addetto alla respirazione cellulare che ci permette di utilizzare i substrati energetici e l’ossigeno per formare ATP. È un organulo subcellulare a forma di fagiolo contenente una membrana esterna e una membrana interna che si ripiega più volte formando numerose ondulazioni (creste mitocondriali). Nello spazio tra queste creste, che prende il nome di matrice mitocondriale, avviene il ciclo di Krebs, grazie ai numerosi enzimi presenti. Sulla membrana interna avviene poi la catena di trasporto degli elettroni dove si produce la maggior quantità di ATP. Possiamo immaginare i mitocondri come delle vere e proprie centrali energetiche dell’organismo.

Glicolisi

La prima fase del metabolismo aerobico è chiamata glicolisi. La glicolisi è l’unica fase del metabolismo aerobico che avviene nel citoplasma, mentre le altre due fasi si svolgono all’interno dei mitocondri. In questa prima fase avviene la scomposizione degli zuccheri complessi (glicogeno) in glucosio tramite una serie di enzimi. Il glucosio ottenuto è a sua volta scomposto in due molecole di acido piruvico, altrimenti noto come piruvato. 

La scomposizione della molecola di glucosio in piruvato, per avvenire, necessita di 2 molecole di ATP. Durante questo processo il bilancio di ATP resta comunque positivo in quanto la scomposizione della molecola libera energia immagazzinandola in 4 molecole di ATP per un totale di +2 molecole di ATP a bilancio.

Il piruvato prodotto dalla glicolisi può prendere due strade:

• Se è presente l’ossigeno: il piruvato viene trasformato in acetil-coenzima A ottenendo come risultato la formazione di anidride carbonica (CO2), di acqua (H2O) e la sintesi di ATP. 
• Se l’ossigeno non è presente: il piruvato andrà incontro alla fermentazione lattacida con conseguente produzione di acido lattico. 

Ciclo di Krebs (ciclo dell’acido citrico)

Nella seconda fase del metabolismo aerobico, chiamata ciclo dell’acido citrico o ciclo di Krebs, il piruvato viene ossidato per creare altre molecole ricche di energia che vengono utilizzate successivamente nel processo di respirazione.

Il ciclo di Krebs produce come prodotti di scarto acqua e anidride carbonica. L’anidride carbonica prodotta passa così nel sangue e viene espirata. (motivo per cui inspiriamo ossigeno ed espiriamo anidride carbonica)

Come la glicolisi, il ciclo dell’acido citrico non genera molta energia da solo. Il suo prodotto più importante è costituito dalle molecole NADH e FADH2. Questi composti alimentano la parte successiva e finale del processo, dove viene prodotta la maggior parte dell’ATP dell’organismo.

Lo scopo principale del ciclo di Krebs è quello di generare idrogeno da trasferire alla catena di trasporto degli elettroni, dove viene utilizzato per controllare l’acidità e per mantenere attiva la sintesi di ATP. L’idrogeno prodotto nel ciclo di Krebs più l’idrogeno prodotto durante la glicolisi, lasciati senza controllo, causerebbero una maggiore acidità cellulare. Quindi, nel sistema aerobico, l’idrogeno si combina con due enzimi e viene inviato alla catena di trasporto degli elettroni. 

Catena di trasporto degli elettroni

La fase finale del metabolismo aerobico è la catena di trasporto degli elettroni che si svolge sulla membrana interna dei mitocondri. In questa fase, le molecole di NADH e FADH2 passano gli elettroni a una serie di proteine e composti organici nella membrana mitocondriale, chiamata catena di trasporto degli elettroni. In questa fase, gli elettroni vengono trasferiti all’ossigeno in una reazione che crea un gradiente protonico utilizzato per generare molte molecole di ATP. Questa reazione è chiamata chemiosmosi e genera la maggior quantità di ATP del processo di metabolismo aerobico, creando in media circa 34 molecole di ATP per ogni singola molecola di glucosio.

In sintesi, la catena di trasporto degli elettroni funziona nel seguente modo:

• Gli ioni di idrogeno provenienti dal ciclo di Krebs, vengono trasferiti alla catena di trasporto degli elettroni dove sono sottoposti ad una serie di reazioni chimiche creando un gradiente ionico;
• Quando gli ioni di idrogeno si muovono attraverso questo gradiente ionico viene prodotto ATP;
• Come prodotto di scarto, viene prodotta acqua dalla combinazione tra idrogeno e ossigeno;
• Vengono prodotte in totale circa 34 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio.

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