La produzione di energia

1. Introduzione

Indipendentemente dal fatto che si tratti di cellule nervose, che trasmettono impulsi elettrici, o di cellule muscolari, che compiono un lavoro meccanico, ogni cellula del corpo umano ha bisogno di energia. Questa energia è immagazzinata all'interno delle cellule sotto forma di adenosina trifosfato (ATP) e viene liberata quando l'ATP si scinde in adenosina difosfato (ADP) e fosfato libero (P_i). Poiché nei muscoli è immagazzinata solo una riserva molto limitata di ATP, bisogna garantire continuamente il rifornimento, facendo sì che da ADP e P_i venga rigenerato ATP. Questa rigenerazione avviene tramite 3 sistemi diversi, il cui grado di sviluppo è adattato alle proprietà delle fibre muscolari (in sostanza l'isoforma MyHC, «cioè il tipo di fibra muscolare»). I sistemi sono

• il sistema fosfageno (massima potenza metabolica ma minima capacità)
• il sistema glicolitico (potenza metabolica inferiore ma capacità maggiore rispetto al sistema fosfageno)
• la respirazione mitocondriale (potenza metabolica minima, ma di gran lunga la capacità maggiore)
  

2. Il sistema fosfageno

La risintesi di ATP tramite il sistema fosfageno avviene nel citoplasma e comprende due reazioni chimiche, grazie alle quali la fibra muscolare può recuperare ATP in tempi relativamente rapidi (reazioni della creatinchinasi e dell'adenilato chinasi). L'85% della capacità del sistema, già di per sé modesta, è limitato dalle dimensioni delle riserve intracellulari di fosfocreatina (PCr); il 15% deriva dalla produzione di energia tramite la reazione dell'adenilato chinasi.

• La creatinchinasi (enzima) catalizza la reazione tra ADP e PCr per formare ATP e creatina (sistema creatinchinasi-PCr)
• L'adenilato chinasi (enzima) forma, a partire da 2 parti di ADP, 1 parte di ATP e 1 parte di AMP (adenosina monofosfato)

L'AMP e i suoi prodotti di degradazione svolgono un ruolo centrale come molecole di segnalazione intracellulare. Ad esempio, l'AMP stimola indirettamente il trasporto di glucosio e acidi grassi nelle cellule muscolari, così come il loro metabolismo nei mitocondri. Inoltre, stimola indirettamente la scissione del glicogeno. Infine, è collegato alla biogenesi mitocondriale, e le concentrazioni intracellulari di ADP e creatina stimolano la respirazione mitocondriale. I prodotti di degradazione della scissione dell'ATP e le componenti del sistema fosfageno influenzano quindi direttamente gli altri due sistemi di produzione di energia. Poiché il sistema fosfageno è supportato fin dall'inizio dagli altri due sistemi, può contribuire in modo determinante alla produzione di energia per oltre 20 s. Se agisse da solo, invece, le riserve di PCr sarebbero già esaurite dopo 10 s. Grazie al sistema fosfageno, nella vita quotidiana tamponiamo le variazioni rapide e di breve durata del fabbisogno di ATP (ad es. alzarsi da una sedia, passare dal camminare allo sprint, ecc.). Il sistema fosfageno è particolarmente sviluppato nelle fibre muscolari di tipo II rispetto a quelle di tipo I.

3 Il sistema glicolitico

Il sistema glicolitico comprende il processo biochimico della glicolisi. Questa, come i processi del sistema fosfageno, avviene nel citoplasma. Il punto di partenza della glicolisi è

il glucosio-6-fosfato, che può derivare sia dal glucosio libero (zucchero nel sangue proveniente dall'alimentazione, dal glicogeno epatico scisso o dalla gluconeogenesi epatica a partire da aminoacidi), sia dal prodotto di degradazione diretto del glicogeno muscolare. Come il sistema fosfageno, anche il sistema glicolitico è più sviluppato nelle fibre muscolari di tipo II che in quelle di tipo I, e le fibre di tipo II dispongono inoltre di riserve di glicogeno maggiori rispetto a quelle di tipo I e riescono a scindere il glicogeno più efficacemente. Le fibre muscolari di tipo II sono quindi predisposte a «rigenerare» ATP tramite il sistema glicolitico. Sollecitazioni muscolari intense, come ad es. l'allenamento muscolare, fanno sì che, a causa del reclutamento delle grandi unità motorie, si svuotino soprattutto le riserve di glicogeno delle fibre di tipo II, mentre l'allenamento di resistenza svuota prevalentemente le riserve di glicogeno delle fibre di tipo I.

Alla fine dei 10 passaggi della glicolisi si forma la molecola di piruvato. Questa può ora essere trasformata in lattato nel citoplasma oppure essere immessa nel ciclo di Krebs nei mitocondri.

Se il piruvato derivante dalla glicolisi viene trasformato in lattato, si parla di glicolisi anaerobica. Questo non perché manchi ossigeno, ma semplicemente perché queste reazioni non richiedono ossigeno. La trasformazione a) da piruvato a lattato e b) viceversa è catalizzata da diverse forme dell'enzima lattato deidrogenasi e, ad esempio, nelle fibre muscolari di tipo II prevale a) e in quelle di tipo I prevale b). In parole semplici, le fibre muscolari glicolitiche producono quindi lattato e lo rilasciano nel sangue. In seguito, le fibre muscolari ossidative assorbono il lattato, lo trasformano in piruvato e lo ossidano. Anche altri organi assorbono il lattato dal sangue e utilizzano questa molecola ricca di energia come substrato per processi metabolici (fegato: gluconeogenesi e produzione di energia; cuore, cervello, reni: produzione di energia). Contrariamente a un'opinione molto diffusa, il lattato non è quindi un prodotto di scarto del metabolismo anaerobico. Esso raggiunge il sangue dalla cellula muscolare glicolitica sempre in combinazione con un protone, tramite trasportatori specifici (anche l'assorbimento nelle fibre muscolari ossidative avviene tramite trasportatori).

Se il piruvato non viene trasformato in lattato, entra nel mitocondrio e viene convertito in acetil-coenzima A (acetil-CoA) tramite la piruvato deidrogenasi. L'acetil-CoA rappresenta il substrato di partenza per la produzione aerobica di energia nel mitocondrio. Per questo motivo, in questo caso si parla di glicolisi aerobica («con l'uso di ossigeno», non «in presenza di ossigeno»). Oltre alla produzione di acetil-CoA a partire dal piruvato, l'acetil-CoA può essere prodotto nei mitocondri anche a partire dagli acidi grassi tramite il processo della β-ossidazione. Gli acidi grassi raggiungono le fibre muscolari dal sangue tramite trasportatori di acidi grassi, e le fibre muscolari di tipo I sono meglio equipaggiate con questi trasportatori rispetto a quelle di tipo II. Nel citoplasma delle fibre muscolari, gli acidi grassi vengono attivati e successivamente trasportati nei mitocondri. A questo scopo, vengono legati temporaneamente alla carnitina. La carnitina svolge quindi, nel metabolismo dei grassi, il ruolo di una navetta. Senza carnitina non sarebbe possibile metabolizzare alcun grasso. Inoltre, la carnitina tampona l'acetil-CoA nel caso in cui, con un'intensa sollecitazione muscolare, se ne formi più di quanto possa essere immesso a breve termine nel ciclo di Krebs. Un accumulo di acetil-CoA inibisce l'ossidazione degli acidi grassi e aumenta la produzione di lattato.

4 La respirazione mitocondriale

All'interno dei mitocondri, dagli acidi grassi attivati si forma ora, tramite la β-ossidazione, acetil-CoA. Questo viene ora metabolizzato ulteriormente nel ciclo di Krebs, esattamente come l'acetil-CoA proveniente dal piruvato, e infine a partire da ADP e P_i viene rigenerato ATP. Nel ciclo di Krebs, dall'acetil-CoA si formano anidride carbonica (CO₂; diffonde nel sangue e viene espirata attraverso i polmoni) ed equivalenti riducenti

(molecole che trasportano idrogeno e/o elettroni). Gli equivalenti riducenti migrano poi lungo la membrana mitocondriale interna da un complesso proteico all'altro e vengono infine trasferiti all'ossigeno, con rilascio di acqua e calore. In questo processo complesso si genera un potenziale elettrochimico, la cui energia viene utilizzata per la risintesi dell'ATP. Il consumo mitocondriale di ossigeno determina quindi il fabbisogno di ossigeno dell'organismo.