Se sei al primo anno di Medicina, Biotecnologie, Farmacia o Scienze biologiche, siamo a inizio ottobre e la biochimica sta cominciando proprio adesso: di solito si parte dal metabolismo del glucosio, e la prova o l’esame cade fra sei e dieci settimane. È il corso che molti indicano come il più difficile del primo anno, perché mette insieme chimica e biologia: devi saper leggere una reazione redox e allo stesso tempo sapere in quale compartimento della cellula avviene.
Qui trovi la mappa completa, il bilancio dell’ATP, la regolazione e gli errori che vedo di continuo. Per cosa studiare in biologia al semestre filtro c’è questo articolo, per la chimica quest’altro; qui entro nel dettaglio di un solo blocco.
L’idea chiave: spostare elettroni
Il glucosio () è una molecola molto ridotta, ricca di elettroni a energia elevata. La cellula non lo brucia in un colpo: lo ossida a piccoli passi e raccoglie gli elettroni su due trasportatori, NAD+ (che diventa NADH) e FAD (che diventa FADH2). Alla fine questi elettroni arrivano all’ossigeno, che diventa acqua, e l’energia liberata lungo il percorso serve a sintetizzare ATP.
Se ricordi questa frase, il resto è una questione di contabilità: quanti coenzimi ridotti produce ogni tappa e dove. Il richiamo alle semireazioni è lo stesso che serve per il redox di Chimica generale: chi si ossida cede elettroni, chi si riduce li prende.
Le tappe e i luoghi
| Tappa | Dove | Cosa entra | Cosa esce (per glucosio) |
|---|---|---|---|
| Glicolisi | citoplasma | glucosio | 2 piruvato, 2 ATP netti, 2 NADH |
| Decarbossilazione del piruvato | matrice mitocondriale | 2 piruvato | 2 acetil-CoA, 2 CO2, 2 NADH |
| Ciclo di Krebs | matrice mitocondriale | 2 acetil-CoA | 4 CO2, 6 NADH, 2 FADH2, 2 GTP/ATP |
| Fosforilazione ossidativa | membrana mitocondriale interna | NADH, FADH2, O2 | H2O, ATP (circa 26-28) |
Nella glicolisi si investono 2 ATP nelle prime reazioni e se ne producono 4 nelle ultime: il guadagno netto è 2 ATP, per fosforilazione a livello di substrato, cioè trasferendo un fosfato direttamente da un intermedio all’ADP. Il glucosio (6 atomi di carbonio) si divide in due molecole da 3 carboni, i piruvati.
Il piruvato entra nel mitocondrio e viene trasformato in acetil-CoA (2 carboni) perdendo una CO2 e producendo un NADH. È il passaggio di collegamento, spesso dimenticato nei conti.
Il ciclo di Krebs parte dalla condensazione di acetil-CoA (2 carboni) con ossalacetato (4 carboni) per dare citrato (6 carboni). Poi, giro dopo giro, il citrato perde due CO2 e si rigenera l’ossalacetato. Per un giro il bilancio è:
- 3 NADH
- 1 FADH2
- 1 GTP (o ATP)
- 2 CO2
Non servono i nomi di tutti gli intermedi per capire il ciclo; contano il senso (due carboni entrano, due escono come CO2) e il bilancio. Se il tuo docente chiede gli enzimi, di solito sono quelli che producono coenzimi o CO2: citrato sintasi, isocitrato deidrogenasi, α-chetoglutarato deidrogenasi, succinato deidrogenasi.
Fosforilazione ossidativa: dove si fa quasi tutto l’ATP
NADH e FADH2 consegnano gli elettroni ai complessi della catena di trasporto, nella membrana mitocondriale interna. Mentre gli elettroni scendono verso l’ossigeno, i complessi pompano protoni dalla matrice allo spazio intermembrana, creando un gradiente. I protoni tornano indietro attraverso l’ATP sintasi, che usa quel flusso per fare ATP da ADP e fosfato.
Con le rese oggi più usate:
Il FADH2 rende meno perché cede gli elettroni più a valle e fa pompare meno protoni. Alcuni libri usano ancora 3 e 2: controlla quali valori usa il tuo corso, perché cambiano il totale.
Il bilancio per un glucosio
Sommo i coenzimi ridotti: dalla glicolisi 2 NADH, dal piruvato 2 NADH, da due giri di Krebs 6 NADH e 2 FADH2. Totale: 10 NADH e 2 FADH2.
A questi si aggiungono 4 ATP diretti (2 dalla glicolisi, 2 dal Krebs):
Il numero che trovi sui libri oscilla fra circa 30 e 32, perché i 2 NADH della glicolisi sono in citoplasma e devono entrare nel mitocondrio tramite navette: una di esse li trasforma in FADH2, e il conto scende di un punto per NADH. Per questo dico sempre “circa 30-32” e un valore secco ha senso solo se il testo dichiara le convenzioni.
Senza ossigeno
Se manca l’ossigeno la catena si ferma, il NADH non viene più riossidato e la glicolisi si bloccherebbe per mancanza di NAD+. La fermentazione serve a rigenerarlo: il piruvato viene ridotto a lattato (fermentazione lattica) o a etanolo e CO2 (alcolica). Il guadagno resta quello della sola glicolisi: 2 ATP per glucosio, contro i circa 30-32 della via aerobica.
Regolazione: chi frena e chi accelera
Domanda classica: “come fa la cellula a non sprecare glucosio quando ha già energia?”. La risposta è una logica semplice: ATP e NADH alti frenano, ADP e AMP alti accelerano.
- Fosfofruttochinasi-1 (glicolisi): inibita da ATP e citrato, attivata da AMP. È il punto di controllo principale.
- Piruvato deidrogenasi: inibita dai suoi prodotti, acetil-CoA e NADH.
- Isocitrato deidrogenasi (Krebs): inibita da ATP e NADH, attivata da ADP.
Non serve imparare tutto: basta saper dire, davanti a un enzima, se il segnale “energia abbondante” lo spegne o lo accende. È quasi sempre così.
Gli errori che vedo ogni anno
Contare i giri del Krebs una volta sola. Da un glucosio escono due piruvati, due acetil-CoA e quindi due giri. I valori “per giro” (3 NADH, 1 FADH2, 1 GTP) vanno raddoppiati prima di sommarli.
Dimenticare il passaggio piruvato → acetil-CoA. Produce 2 NADH per glucosio e non fa parte né della glicolisi né del ciclo: se lo salti il conto è sbagliato di 5 ATP.
Confondere NAD+ e NADH. NAD+ è ossidato e accetta elettroni; NADH è ridotto e li dona. La glicolisi consuma NAD+, quindi la sua forma “pronta all’uso” è quella che serve rigenerare in fermentazione.
Sbagliare il luogo. Glicolisi in citoplasma; piruvato deidrogenasi e Krebs nella matrice; catena e ATP sintasi nella membrana interna. Una domanda su “dove” vale spesso un punto intero.
Dire che il ciclo di Krebs usa ossigeno. Non lo usa direttamente: dipende dall’ossigeno solo perché la catena ha bisogno di riossidare NADH e FADH2. Senza O2 il ciclo si ferma di conseguenza.
Mescolare le rese. Se usi 2,5 e 1,5 per NADH e FADH2, tieniti coerente fino alla fine; non prendere 3 da una parte e 1,5 dall’altra.
Tre esercizi svolti
1. Resa di tre moli di glucosio
Quante moli di ATP si ottengono, per via aerobica, da 3 moli di glucosio (rese 2,5 e 1,5, senza correzioni per le navette)?
Per un glucosio il bilancio è 32 ATP (calcolato sopra). Per 3 moli:
Controllo: in alternativa 30 NADH , 6 FADH2 , e ATP diretti: .
2. ATP per un giro e per un piruvato
Quanti ATP rende un singolo giro del ciclo di Krebs, includendo la fosforilazione ossidativa? E quanti un piruvato completamente ossidato?
Un giro dà 3 NADH, 1 FADH2 e 1 GTP:
Un piruvato, passando per piruvato deidrogenasi (1 NADH, cioè 2,5 ATP) e poi un giro:
Controllo con il glucosio: 2 piruvati danno 25 ATP; la glicolisi aggiunge ; totale 32. Torna.
3. Glicolisi anaerobica contro aerobica
Una cellula muscolare consuma 4 moli di glucosio. Confronta l’ATP prodotto in fermentazione lattica e in condizioni aerobiche (32 ATP per glucosio).
Fermentazione: 2 ATP per glucosio, quindi mol. Aerobica: mol. Il rapporto è:
La via aerobica rende circa 16 volte di più a parità di glucosio, ed è per questo che la cellula in assenza di ossigeno deve consumarne molto di più per mantenere lo stesso ritmo.
Metti alla prova
Quando hai la mappa in testa, il modo più veloce di capire dove sei è provare quesiti a tempo. Nel simulatore del semestre filtro trovi domande di Biologia e Chimica nel formato della prova, con la risposta corretta subito visibile; la soluzione guidata si sblocca con la prima lezione. Per il blocco di biologia cellulare più ampio, con membrane, divisione e sintesi proteica, vedi anche questo articolo.
Come prepararsi nelle prossime settimane
- Disegna la mappa a mano: glucosio, piruvato, acetil-CoA, ciclo, catena, con i luoghi e i coenzimi ridotti di ogni freccia.
- Rifai i tre esercizi cambiando i numeri (moli diverse, rese 3 e 2).
- Impara la regola della regolazione: energia alta spegne, energia bassa accende.
- Dopo che il docente chiude il capitolo, rifai tutto senza appunti.
Altre risorse sono nella pagina scienze.
Se vuoi una mano
Faccio ripetizioni 1-a-1 online, e su questo argomento parto quasi sempre dagli elettroni, non dalle reazioni: quando il percorso è chiaro, i nomi si agganciano da soli. Se vuoi capire a che punto sei, puoi prenotare una diagnosi gratuita.