Come le tue cellule trasformano il cibo in energia

Nell'estate del 1937, nel dipartimento di biochimica dell'Università di Sheffield, Hans Krebs alimentava a mano con muscolo tritato di petto di piccione una batteria di strumenti di vetro chiamati manometri di Warburg. Il muscolo era finemente sminuzzato, mantenuto in vita in soluzione e a cui venivano offerte varie piccole molecole una alla volta, mentre l'apparecchio misurava la velocità con cui consumava ossigeno. Krebs era a caccia del percorso che gli atomi di carbonio compiono mentre vengono smontati all'interno di una cellula vivente, e quell'estate tracciò un anello di reazioni che si richiudeva su sé stesso, una giostra chimica che avrebbe chiamato ciclo dell'acido citrico. Lo mise per iscritto e presentò l'articolo quell'autunno a una piccola rivista olandese chiamata Enzymologia.

Quel muscolo di piccione stava facendo la stessa cosa che le tue cellule stanno facendo proprio ora, mentre leggi questa frase. Il pane che hai mangiato stamattina, o il riso, o il cucchiaino di zucchero nel caffè, viene smontato molecola per molecola e convertito in una forma di energia utilizzabile. La domanda a cui risponde questo articolo è ingannevolmente semplice: come, esattamente, il cibo nel tuo piatto diventa l'energia che fa funzionare i tuoi muscoli, i tuoi nervi e i tuoi pensieri? La risposta è un processo in tre parti che i biologi chiamano respirazione cellulare, ed è uno dei meccanismi più eleganti di tutta la biologia.

Tre tappe, tre indirizzi all'interno di una sola cellula

La respirazione cellulare è la combustione enzimatica controllata del glucosio, e la parola combustione è più letterale di quanto sembri. Bruciare un ceppo di legna e bruciare zucchero in una cellula comportano entrambi la stessa chimica complessiva: un combustibile reagisce con l'ossigeno, ne escono anidride carbonica e acqua, e viene rilasciata energia. La differenza è di controllo. Un ceppo rilascia tutta la sua energia in una volta sola sotto forma di calore e luce, cosa che sarebbe inutile e pericolosa dentro una cellula. Una cellula, invece, smonta il glucosio in molti piccoli passaggi, gestiti con cura, ciascuno supervisionato da un enzima specifico, così che l'energia possa essere catturata anziché sprecata.

Questo smontaggio avviene in tre tappe sequenziali, e ciascuna si svolge in un diverso compartimento della cellula. La prima tappa, la glicolisi, ha luogo nel citoplasma, l'interno acquoso che riempie la cellula al di fuori delle sue strutture interne. La seconda tappa, il ciclo di Krebs, si svolge più in profondità, all'interno dello spazio centrale del mitocondrio chiamato matrice. La terza tappa, la più produttiva, il trasporto degli elettroni, è ancorata alla membrana interna di quello stesso mitocondrio. Tenere a mente questi tre indirizzi è la chiave per comprendere l'intero processo, perché una molecola di glucosio che entra nella cellula percorre un cammino fisico dal citoplasma fino al mitocondrio, smontandosi progressivamente lungo la strada.

Spezzare a metà uno zucchero a sei atomi di carbonio

Il viaggio comincia con la glicolisi, una via enzimatica in dieci passaggi il cui nome significa semplicemente la scissione dello zucchero. Una singola molecola di glucosio ha sei atomi di carbonio legati in fila. Nel corso di dieci reazioni, ciascuna catalizzata da un proprio enzima, la glicolisi taglia quella catena a sei atomi di carbonio in due molecole a tre atomi di carbonio chiamate piruvato. Questo avviene interamente nel citoplasma, prima ancora che il combustibile raggiunga un mitocondrio, e non richiede affatto ossigeno.

La glicolisi fu chiarita nel corso degli anni Trenta da un trio di ricercatori, Gustav Embden, Otto Meyerhof e Jakub Parnas, i cui nomi sono ancora associati alla via nei manuali. Ciò che la rende notevole non è solo la sua chimica, ma la sua pura antichità. La glicolisi è la via di produzione di energia più antica e universale conosciuta in biologia, presente in quasi ogni essere vivente, dai batteri alle balenottere azzurre. Quasi certamente precede la comparsa dell'ossigeno nell'atmosfera terrestre, ed è per questo che può funzionare perfettamente senza. La via costa alla cellula un piccolo investimento di energia all'inizio e poi lo restituisce con gli interessi, fornendo un modesto guadagno netto di due molecole di ATP per ogni glucosio, insieme a una coppia di trasportatori di elettroni chiamati NADH che conteranno enormemente più avanti.

Il ponte attraverso la parete mitocondriale

Alla fine della glicolisi, la cellula ha in mano due molecole di piruvato collocate nel citoplasma, e il ciclo di Krebs che le consumerà si svolge all'interno del mitocondrio. Tra i due si trova una reazione di collegamento breve ma decisiva, spesso chiamata passaggio ponte. Ciascun piruvato viene trasportato attraverso la membrana mitocondriale interna fino alla matrice. Una volta dentro, viene privato di uno dei suoi atomi di carbonio, che se ne va sotto forma di anidride carbonica, e il frammento rimanente a due atomi di carbonio viene unito a una molecola trasportatrice chiamata coenzima A.

Il prodotto di questa giunzione è l'acetil-CoA, e merita un'attenzione particolare perché è il punto d'ingresso universale del combustibile nel ciclo di Krebs. Il glucosio non è l'unica cosa che finisce qui. Anche i grassi e le proteine, quando il corpo li brucia per ricavarne energia, vengono scomposti in acetil-CoA e immessi nello stesso ciclo. Il passaggio ponte, in altre parole, è una sorta di imbuto chimico in cui molteplici fonti di combustibile convergono su un'unica via comune, e nel processo cattura anche un'altra molecola di NADH.

Otto passaggi attorno a un anello di carbonio

Ora il combustibile entra nel ciclo che Krebs tracciò con il suo muscolo di piccione. Il ciclo di Krebs, chiamato anche ciclo dell'acido citrico, è un anello chiuso di otto reazioni enzimatiche che completa l'ossidazione dell'acetil-CoA all'interno della matrice mitocondriale. La parola anello è esatta. Il ciclo comincia attaccando il gruppo acetile a due atomi di carbonio a una molecola a quattro atomi di carbonio per formarne una a sei, poi ritorna su sé stesso attraverso altri sei passaggi finché non ha rigenerato quella molecola di partenza a quattro atomi di carbonio, pronta ad accogliere il successivo acetil-CoA e a ricominciare il giro.

A ogni giro completo, il ciclo realizza diverse cose contemporaneamente. Rilascia due molecole di anidride carbonica, ed è qui che il resto del carbonio del glucosio lascia finalmente la cellula come scarto, per essere poi espirato. Cattura tre molecole di NADH e una di un trasportatore affine chiamato FADH₂, entrambi carichi di elettroni ad alta energia. E genera una molecola di GTP, un parente stretto dell'ATP che la cellula converte facilmente in ATP. Poiché ogni glucosio originario era stato scisso in due piruvati, e ogni piruvato diventa un acetil-CoA, il ciclo gira due volte per ogni molecola di glucosio, raddoppiando tutte queste rese.

La vera centrale elettrica: elettroni, protoni e un motore che gira

Fino a questo punto la cellula ha prodotto piuttosto poco ATP direttamente utilizzabile, solo una manciata di molecole. La stragrande maggioranza del guadagno arriva nell'ultima tappa, e funziona grazie a un meccanismo indiretto e genuinamente bellissimo. Tutti quei trasportatori di NADH e FADH₂ accumulati durante la glicolisi, il passaggio ponte e il ciclo di Krebs arrivano ora alla membrana mitocondriale interna e cedono i loro elettroni ad alta energia a una catena di quattro grandi complessi proteici incastonati in quella membrana.

Mentre gli elettroni scendono lungo la catena, cadendo da un complesso al successivo come acqua che precipita giù per una serie di gradini, l'energia rilasciata viene usata per pompare protoni (ioni idrogeno) fuori dalla matrice e dentro lo stretto spazio intermembrana. Questo costruisce un gradiente elettrochimico, una ripida differenza di concentrazione di protoni attraverso la membrana, che immagazzina energia proprio come l'acqua trattenuta dietro una diga immagazzina energia. I protoni poi rifluiscono nella matrice attraverso un unico canale, una notevole turbina molecolare chiamata ATP sintasi che ruota fisicamente quando i protoni la attraversano e usa quella rotazione per attaccare gruppi fosfato all'ADP, fabbricando ATP in grande quantità. Questo accoppiamento di un gradiente protonico alla produzione di ATP si chiama chemiosmosi, e proprio alla fine della catena degli elettroni l'ossigeno è l'accettore finale di elettroni, combinandosi con gli elettroni e i protoni esauriti per formare acqua. È questa la ragione precisa per cui devi respirare: l'unico compito essenziale dell'ossigeno nel corpo è stare in fondo a questa catena e accettare gli elettroni, mantenendo in funzione l'intera catena di montaggio.

Tirare le somme, onestamente

Quindi quanta energia produce in definitiva una singola molecola di glucosio? I manuali più datati citavano spesso una cifra tonda di 36 o 38 ATP, ma la contabilità onesta e moderna la colloca a circa 30 o 32 ATP per glucosio in condizioni aerobiche, perché una parte del gradiente protonico si disperde e il trasferimento degli elettroni dentro il mitocondrio comporta un proprio piccolo costo. Di quel totale, la glicolisi contribuisce con circa 2, il ciclo di Krebs contribuisce con circa 2, e la tappa del trasporto degli elettroni, il processo della fosforilazione ossidativa, contribuisce con i restanti 26-28. La lezione contenuta in quei numeri è netta. Le prime due tappe, con tutta la loro drammaticità chimica, generano solo una scheggia dell'energia. La grande maggioranza è prodotta dal motore rotante sulla membrana interna, ed è per questo che l'ossigeno e i mitocondri contano così tanto.

Vale la pena chiarire una confusione che inciampa molti studenti a questo punto. La parola respirazione ha due significati distinti. Il respiro è il movimento muscolare dell'aria che entra ed esce dai polmoni, l'alzarsi e abbassarsi del tuo petto. La respirazione cellulare è la combustione enzimatica del glucosio nel profondo dei tuoi mitocondri. Le due cose sono collegate, dato che il respiro fornisce l'ossigeno di cui la respirazione cellulare ha bisogno e rimuove l'anidride carbonica che produce, ma non sono la stessa cosa. Quando un biologo parla di respirazione, di solito è questo processo molecolare che intende.

Cosa succede quando l'ossigeno finisce

Poiché l'intera catena di trasporto degli elettroni dipende dall'ossigeno come accettore finale, togliere l'ossigeno blocca tutto il macchinario aerobico. Il ciclo di Krebs si arresta, l'ATP sintasi smette di girare e la cellula perde l'accesso alla maggior parte della sua fornitura di energia. Eppure la glicolisi, quella via antica nel citoplasma, può continuare a funzionare e a spremere comunque i suoi 2 ATP per glucosio, ma solo se la cellula riesce a continuare a rigenerare una molecola chiamata NAD⁺ di cui la glicolisi ha bisogno come materia prima.

La fermentazione è il trucco che realizza esattamente questo. Non avendo nessun altro posto dove far andare i suoi elettroni, la cellula li restituisce al piruvato, liberando il NAD⁺ di cui la glicolisi ha assoluta necessità per proseguire. Nei tuoi muscoli durante uno scatto intenso, quando i polmoni non riescono a fornire ossigeno abbastanza in fretta, questo produce lattato, l'accumulo associato a quella sensazione di bruciore da fatica. Nel lievito, la stessa manovra d'emergenza produce invece etanolo e anidride carbonica, che è l'intera base chimica della produzione di birra e della panificazione. Le bolle nel pane e l'alcol nella birra sono entrambi cellule di lievito che fanno tranquillamente girare la glicolisi senza ossigeno.

Sette premi Nobel dietro un solo schema

Il pulito schema della respirazione cellulare presente in qualsiasi manuale di biologia poggia su quasi un secolo di lavoro scrupoloso e su circa sette premi Nobel. La storia va dagli studi sulla fermentazione di Louis Pasteur nel diciannovesimo secolo, passando per Krebs e il suo muscolo di piccione negli anni Trenta, fino alla struttura cristallina a risoluzione atomica dell'ATP sintasi ottenuta da John Walker nel 1994, che permise finalmente agli scienziati di vedere il motore molecolare girare. Un capitolo di quella storia è particolarmente istruttivo su come la scienza funzioni davvero. Nel 1961, Peter Mitchell pubblicò su Nature una proposta in cui sosteneva che la sintesi di ATP è accoppiata a un gradiente protonico attraverso una membrana, l'idea chemiosmotica descritta sopra. La maggior parte del settore la respinse per quasi un decennio, trovandola strana e poco intuitiva. Eppure, entro il 1978, le prove erano cresciute al punto da diventare così schiaccianti che a Mitchell fu assegnato il premio Nobel per la chimica come unico vincitore, una rivendicazione di un'idea che un tempo era sembrata quasi eretica. L'immagine moderna di come le cellule producono energia non è stata consegnata già completa; è stata argomentata fino a prendere forma nel corso di generazioni.

Punti chiave

La respirazione cellulare è la combustione controllata, in tre tappe, del glucosio in anidride carbonica e acqua, con una resa di circa 30-32 ATP per molecola di glucosio; comincia con la glicolisi, che scinde uno zucchero a sei atomi di carbonio in due piruvati nel citoplasma senza bisogno di ossigeno, prosegue attraverso un passaggio ponte che converte il piruvato in acetil-CoA, il punto d'ingresso universale del combustibile, poi fa girare il ciclo di Krebs in otto passaggi nella matrice mitocondriale, dove ogni giro rilascia due molecole di anidride carbonica e carica i trasportatori di elettroni NADH e FADH₂, e si conclude con il trasporto degli elettroni sulla membrana mitocondriale interna, dove quei trasportatori alimentano gli elettroni lungo una catena di quattro complessi proteici che pompano protoni per costruire un gradiente, e l'ATP sintasi sfrutta quel gradiente tramite la chemiosmosi per fabbricare la maggior parte dell'ATP della cellula, con l'ossigeno che funge da indispensabile accettore finale di elettroni. La parte del leone dell'energia proviene da quest'ultima tappa ossidativa più che dalle prime due, ed è per questo che respiriamo; quando l'ossigeno manca, la fermentazione permette alla glicolisi di arrancare da sola, producendo lattato nel muscolo ed etanolo nel lievito; e l'intera immagine da manuale, spesso confusa con il semplice respiro, è stata assemblata nel corso di un secolo di lavoro, coronato dall'ipotesi chemiosmotica di Mitchell, un tempo respinta, e da circa sette premi Nobel.