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Il ruolo chiave dell’acqua nella respirazione

LE MEDUSE SONO COSTITUITE DA ACQUA PIU’ PURA DI QUELLA IN CUI NUOTANO: alcune meduse sono costituite per più del 99% del loro peso da acqua. Le loro sostanze solide (incluse le molecole bio-organiche, le proteine, gli acidi nucleici, i carboidrati, ecc.), tutte insieme, costituiscono solo una piccola frazione della massa vivente. Perché una medusa non perde tutta l’acqua per osmosi? Evidentemente, l’acqua della medusa è presente in una forma o fase con caratteristiche molto diverse dall’acqua ambientale. Se l’acqua “viva” delle meduse si separasse dai solidi in essa disciolti, diventerebbe acqua distillata “morta”. Pertanto, lo “stato vivente” dell’acqua di una medusa è in qualche modo utilizzato con una piccola quantità di biomolecole con cui interagisce; l’acqua in tale stato “vivente” non è probabilmente meno responsabile della peculiare morfologia e dell’attività funzionale della medusa rispetto alle molecole bio-organiche. Senza considerare le interazioni delle bio-molecole con l’acqua, la natura dello “stato vivente” rimarrebbe incomprensibile.

LA RESPIRAZIONE AEROBICA – LA FONTE FONDAMENTALE E PRIMARIA DI ENERGIA

Tutti i sistemi viventi sono in grado di esercitare le proprie funzioni vitali grazie al costante apporto di energia.
Fondamentalmente, l’energia è prodotta dal flusso di elettroni, dai donatori agli accettori di elettroni. Maggiore è la differenza tra lo stato iniziale e finale dell’elettrone, maggiore è l’energia che se ne ricava. Il massimo rendimento di energia è garantito quando l’ossigeno è disponibile all’accettore terminale di elettroni e quando una molecola di ossigeno è ridotta completamente:

  • O2 + 4e (+4H+) →2H2O

La definizione generalmente accettata di respirazione aerobica è:

1) l’atto di inspirazione ed espirazione dell’aria al fine di scambiare ossigeno con anidride carbonica (ventilazione);
2) il processo metabolico cellulare attraverso il quale l’ossigeno viene assorbito, le sostanze ossidate e l’energia, l’anidride carbonica ed i prodotti ossidati rilasciati (1).

Le sostanze ossidate sono, soprattutto, i grassi e i carboidrati (alimenti).

I testi di biologia riportano che l’ossigeno è comparso nell’atmosfera come prodotto della fotosintesi. Di conseguenza, la respirazione aerobica è evento tardivo nell’evoluzione. Quando gli accettori di elettroni meno efficienti serviti per il sink finale degli elettroni sono vecchi, subentrano i mezzi anaerobici.
In ogni caso, sempre più sperimentazioni dimostrano che questo concetto è discutibile. Innanzitutto, gli organismi viventi – senza eccezione alcuna – sono in grado di svolgere la respirazione aerobica. Persino i batteri, considerati strettamente od obbligatoriamente anaerobi, possiedono tutti gli enzimi del metabolismo dell’ossigeno. Hanno addirittura le catene di trasporto degli elettroni. Tuttavia, la no-zione di “anaerobiosi” non è un concetto assoluto, ma piuttosto relativo (2).

Gli anaerobi si sono adattati a sopravvivere in ambienti a bassissima concentrazione di ossigeno sebbene, quando l’ossigeno sia disponibile, traggano energia dal metabolismo aerobico (3).
Il concetto che tutto l’ossigeno dell’atmosfera e dell’idrosfera sia il prodotto della fotosintesi è sempre più discusso.
Sino a poco tempo fa, lo splitting abiogenico dell’acqua nei suoi costituenti principali – atomo di idrogeno e radicale ossidrile e, infine, idrogeno e ossigeno – era considerato l’unica conseguenza della luce UV. Questo processo avviene efficientemente solo negli strati superiori dell’atmosfera e produce quantità trascurabili di ossigeno.

Antoine Lavoisier scoprì che la respirazione è “una lenta combustione di carbonio e idrogeno, simile in tutto e per tutto alla combustione che ha luogo in una fiamma e, a tal riguardo, gli animali che respirano sono corpi combustibili attivi che bruciano e consumano” (7). Comunemente, la respirazione è considerata come processo che avviene nei mitocondri, dove elettroni ad alta energia ottenuta da carboidrati e grassi attraversano una serie di molecole e perdono gradualmente energia.
Questa energia è utilizzata per sintetizzare ATP. L’ossigeno funge da accettore finale di elettroni per eliminare elettroni a bassa energia (spesa) e consentire ad altri elettroni di attraversare la catena (8). Poiché le unità di energia rilasciate nell’ossidazione mitocondriale sono equivalenti ai fotoni IR a medio raggio (≤0.5 eV), questo processo è analogo alla combustione senza fiamma (smoldering) piuttosto che alla vera e propria combustione.

La combustione “della candela accesa” è una riduzione di ossigeno ad acqua con 4 elettroni. Così vengono generati i quanti di energia equivalenti all’energia visibile ed ai fotoni UV (>1eV,energia ad elevata intensità).
La combustione non è stata sinora considerata rilevante in campo bioenergetico. Una delle ragioni sta nel confinamento storico della bioenergetica a processi di sintesi e utilizzo di ATP (nonostante il meccanismo di conversione dell’energia a bassa densità di ATP in lavoro utile rimanga poco chiaro).
D’altro canto, le specie reattive dell’ossigeno (radicali liberi, perossidi) sono composti intermedi (9):

  • O2 + e– + H+ –> HO2•
    (radicale superossido)
  • HO2• + e– + H+ –> H2O2
    (perossido d’idrogeno)
  • H2O2 + e– + H+ –> H2O + HO•
    (radicale idrossile)
  • HO• + e– + H+ –> H2O.

Le specie reattive dell’ossigeno (Reactive Oxygen Species – ROS) possono danneggiarle molecole bio-organiche.
L’idea che queste specie derivino da “errori del metabolismo” ha dominato la biochimica per molti decenni. Solo recentemente è stato chiarito il ruolo fondamentale delle ROS nei processi fisiologici normali; le ROS sono indispensabili in tutti i processi di bioregolazione (10). Inoltre, la convinzione diffusa che in condizioni fisiologiche solo una piccola parte di ossigeno porti alla produzione delle ROS è errata. Grazie alla presenza ubiquitaria di enzimi della famiglia della NADPH-ossidasi, e ad altri mezzi di riduzione diretta dell’ossigeno in condizioni di riposo, fino al 20% di tutto l’ossigeno consumato è ridotto ad acqua con un elettrone tramite produzione delle ROS (11), percentuale che può raggiungere il 70% qualora il metabolismo sia aumentato (12).

Mezzo secolo fa, Albert SzentGyorgyi suggerì l’esistenza di una respirazione alternativa e complementare alla respirazione mitocondriale.

Lo scienziato ha rilevato come l’avvelenamento da cianuro provochi morte immediata. Il cianuro blocca l’attivazione di ossigeno: sebbene gli organi abbiano ancora riserve sufficienti di ATP, la velocità del passaggio dalla vita alla morte indica che l’organismo rimane in vita grazie al continuo rifornimento di energia e che, perché ciò avvenga, è necessaria l’attivazione continua di ossigeno.

Ipotesi

“Non vi sono – forse – due sistemi indipendenti di produzione di energia, che utilizzano O2 come accettore finale di elettroni, uno situato nei mitocondri e responsabile della produzione di ATP, l’altro situato nelle strutture cellulari che devono essere mantenute nel loro stato (metastabile) peculiare?…

– Perché gli elettroni ad alta energia di DPNH o TPNH non possono essere posizionati direttamente sulla materia vivente che potrebbe appaiarli all’O2 utilizzando direttamente la loro energia?” (16).

Quando, qualche decennio dopo, è stata scoperta la NADPH-ossidasi, nessuno si è ricordato di quest’idea profetica di Szent-Gyorgyi e ha considerato rilevante per la bioenergetica la riduzione di un elettrone d’ossigeno.

L’asserzione di Lavoisier “animali che respirano sono corpi combustibili attivi che bruciano” non è solo una metafora, ma suggerisce qualcosa di più profondo.
Come può avvenire la combustione dell’acqua che è la componente principale di qualsiasi vivente?

COMBUSTIONE IN ACQUA E COMBUSTIONE DELL’ACQUA

Nel 1794, è stato scoperto che nessuna combustione può avvenire senza acqua. Il chimico britannico Elizabeth Fulhame ha affermato che l’acqua è il catalizzatore (o composto intermedio) necessario alla combustione del carbonio e che “l’acqua è l’unica fonte di ossigeno che origina corpi combustibili mentre l’idrogeno dell’acqua si lega all’ossigeno dell’aria e forma una nuova quantità di acqua uguale a quella decomposta” (17).
Secondo Fulhame, l’equazione C + O2 → CO2 che descrive la combustione del carbonio deve essere riscritta come sequenza di eventi:

  • C + 2H2O → CO2 + 4H
  • 4H + O2 → 2H2O.

Il vero meccanismo della combustione del carbonio potrebbe non essere descritto da questa sequenza di equazioni che dimostra in ogni caso che l’acqua è un “corpo combustibile” perché riduce l’ossigeno.
La scoperta della Fuhame è stata presto dimenticata. Nel 1877, anche G.B. Dixon è giunto alla conclusione che l’acqua è indispensabile alla combustione, rivelandone il ruolo indispensabile nella combustione del monossido di C (2CO + O2 → 2CO2).

Una miscela molto secca di CO e O2 non può essere incendiata da una scintilla se nel recipiente non viene addizionata una goccia di acqua. Persino tracce di acqua sulle pareti del recipiente sono sufficienti all’ignezione dei gas. Studi sperimentali sono stati condotti per più di mezzo secolo per individuare il ruolo catalitico dell’acqua nella combustione (18). È stato dimostrato come l’acqua funga da donatore di elettroni a molecole di ossigeno, mentre l’ossigeno così generato, combinato con il corpo combustibile, trasforma il CO in CO2.
Nonostante gli sforzi dei chimici tra i più eminenti (M. Traube, D. Mendeleev ed altri), lo specifico meccanismo della reazione non è stato ancora definito e il fenomeno è stato – ancora una volta – dimenticato.

Si potrebbe argomentare che la combustione in sistemi inorganici “semplici” e l’utilizzo di ossigeno in sistemi viventi complessi non abbiano nulla in comune.

Tuttavia, è avvenuta una scoperta inaspettata nel 2000: è emerso che tutti gli anticorpi (immunoglobuline), indipendentemente dalla loro specie o specificità antigenica, e altre proteine (ivi incluse la beta-galattosidasi, la beta-lattoalbumina e l’ovalbumina) possono catalizzare l’ossidazione dell’acqua con l’ossigeno singoletto (eccitato) per la formazione di perossido di idrogeno(19). Poiché in questo caso l’acqua è il donatore di elettroni per la riduzione dell’ossigeno, questo processo è equivalente a quello della combustione dell’acqua.
Riguardo alle immunoglobuline, è stato dimostrato che nei loro “centri attivi”, due o più molecole di acqua possono essere combinate in strutture specifiche per provvedere alle proprietà di riduzione attraverso le interazioni collettive (20).
In teoria, la combustione dell’acqua potrebbe avvenire in assenza di enzimi specifici, purché le condizioni favoriscano la disposizione in collettività delle molecole di acqua, affinché possano esercitare le proprietà riducenti.

Bibliografia

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2. Brioukhanov A.L., Netrusov A.I. – Appl. Biochem. Microbiol. 43, 567–582. 2007.
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