La respirazione cellulareLa respirazione cellulare

O2 CO2

RESPIRAZIONE ESTERNA

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 36ATP.

RESPIRAZIONE CELLULARE

• I legami tra atomi di carbonio e di idrogeno immagazzinano energia

• Il carbonio legato all’idrogeno si definisce carbonio ridotto

• La rottura di questi legami e la formazione di altri legami

tra carbonio e ossigeno e tra idrogeno e ossigeno

libera energia,trasportata dall’ATP O

C

H

H

H

H

METANO

CH

H

L’energia dei composti del carbonio

Burning glucose in an experiment

Energy released from glucose

(as heat and light)

100%

Energy released from glucose

banked in ATP

“Burning” glucosein cellular respiration

About 40%

Gasoline energy converted to movement

Burning gasolinein an auto engine

25%

Quanto efficiente è la respirazione?

La respirazione cellulare consiste essenzialmente di reazioni di ossidazione progressiva dei substrati. L'ossidazione di materiale organico è infatti una reazione esotermica che rilascia una grande quantità di energia in tempi molto ristretti. L'equazione complessiva dell'ossidazione del glucosio, substrato principale della respirazione cellulare, è:

Il ruolo dell'ATP

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 36ATP.

Lo stesso processo che in un incendio avviene in maniera incontrollata, nella cellula è alla base della trasformazione di glucosio in composti più semplici, con la formazione di molecole di ATP. Questa molecola può essere considerata la "moneta energetica" dell'organismo, per la sua posizione intermedia tra i composti donatori/accettori di gruppi fosfato: la conversione ADP->ATP e l'opposta reazione ATP->ADP possono avvenire entrambe facilmente nei diversi ambienti cellulari, con una liberazione di 30 kJ(7 Kcal) per ogni mole di legami fosfoanidridici spezzati.

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 36ATP.

Come si vede dalla reazione è un ossido-riduzione:gli atomi di idrogeno (H), quindi elettroni,vengono trasferiti dal glucosio (che si ossida) all’ossigeno (che si riduce)

Ci sono delle molecole che hanno il compito specifico di trasportare questi elettroni da una specie chimica ad un’altra.(coenzimi)

Sono due: NAD “Nicotinammide Adenin Dinucleotide“ e FAD “ Flavin adenina dinucleotide”

NAD+ + 2H NADH + H+

ossidazione

riduzione

Trasportatori di elettroni (2 elettroni): NADH

Forma ossidata Forma ridotta

Atomo di idrogeno

nicotin

adenina

dinucleotide

FAD + 2H FADH2

Trasportatori di elettroni (2 elettroni): FAD

riduzione

Forma ossidata Forma ridotta

ossidazione

METABOLISMO DEL GLUCOSIO

IL GLUCOSIO PUO’ PRENDERE 2 STRADE:

A)VIA O CICLO DELPENTOSO FOSFATO:limitata ad alcune cellule

B) GLICOLISI: effettuata da tutte le cellule

Molte cellule hanno la possibilità di utilizzareil glucosio attraverso vie alternative alla glicolisi. La più importante tra queste è

la via del pentoso fosfato

LA VIA DEL PENTOSO FOSFATO

E’ un processo anaerobico che ha due funzioni primarie:Produrre atomi di H (NADPH) per formare acidi grassi

Vediamo la prima funzione

Produrre ribosio per costruire acidi nucleici

Il tessuto adiposo ha bisogno di sintetizzare acidi grassi per formare trigliceridi La ghiandola mammaria in allattamento Le ghiandole surrenali hanno bisogno di produrre ormoni corticosteroidi il cervello ha bisogno di sintetizzare lipidi per le membraneIl fegato ha bisogno di sintetizzare lipidi, colesterolo….

Alcuni organi hanno esigenze particolari: ad es.

PER SINTETIZZARE QUESTE SOSTANZE C’E’ BISOGNO DI H, PERCHE’ SITRATTA DI COSTRUIRE COMPOSTI RIDUCENTI.

Per far ciò, c’è bisogno di una molecola che trasporti gli atomi di idrogeno. Questa sostanza è il

NADPH (simile al NADH, quando si ossida si trasforma in NADP+)

La via del pentoso fosfato può essere suddivisa in due fasi: la prima fase, ossidativaed essenzialmente irreversibile, comprende le prime tre reazioni che trasformano il glucosio 6-fosfato (G6P) in ribulosio 5-fosfato con liberazione di una molecola di CO2produzione di due molecole di NADPH

Nella seconda fase il ribulosio 5-fosfato viene trasformato in ribosio 5-fosfato (utilizzabile per la sintesi dei nucleotidi)

Il deficit congenito di glucosio 6-fosfato deidrogenasi (G6PDH), noto anche come favismo

Nei globuli rossi la via del pentoso fosfatoè l’unica fonte del NADPH necessarioper mantenere in forma ridotta loione ferroso Fe2+ dell’emoglobina che, a causadella presenza dell’ossigeno, tende a ossidarsispontaneamente a Fe3+, rendendo l’emoglobina inattiva in quanto incapace di legare l’ossigeno.

Ricordo che i globuli rossi, non avendo mitocondri, non possono fare il ciclo di Krebs e produrre NADH

LA GLICOLISI ANEROBICA

• 2 molecole di piruvato (o acido piruvico)

• 2 molecole di ATP

• 2 molecole di NADH

La glicolisi avviene nel citosol, in assenza di ossigeno.Attraverso 10 reazioni chimiche il glucosio viene trasformato in

La glicolisi è un processo molto antico

In dettaglio, le reazioni sono le seguenti

L’acido piruvico rappresenta un crocevia, puòprendere diverse strade, ad esempio può tornare indietro………

GLUCONEOGENESI

La disponibilità di glucosio è fondamentale soprattutto per alcuni organi:Cervello, globuli rossi, testicoli…

SEDE DELLA GLUCONEOGENESI: fegato e corteccia surrenale

Quando il glucosio introdotto con la dieta non è sufficiente, comeIn caso di digiuno prolungato, la gluconeogenesi permette di riformarlo. Quindi la gluconeogenesi consiste nella sintesi di nuove molecole di glucosio partire da materiale non glucidico

Sostanze di partenza: acido piruvicointermedi del ciclo di Krebsalcuni amminoacidi

Non possono essere utilizzati gli acidi grassi.

Attenzione: anche se si parte dal piruvato, la gluconeogenesi nonè esattamente l’inverso della glicolisi perché le reazioni con un ∆Gmolto positivo devono essere bypassate

Fermentazione lattica. In condizioni anaerobiche, cioè in assenza di ossigeno, bisogna che qualche altra molecola funga da ossidante finale. Questo ruolo può essere svolto dall’acido piruvico che viene ridotto ad acido lattico per consentire l’ossidazione del NADH a NAD+. Questa via metabolica si realizza per esempio nel muscolo scheletrico che si contrae violentemente, in questo caso si parla di fermentazione omolattica.Anche alcuni batteri anaerobi trasformano il glucosio in acido piruvico e poi questo in acido lattico, questa viene chiamata fermentazione lattica ed è responsabile dell’inacidimento del latte nello yogurt.

Ac. piruvico + NADH +H+ → Ac. lattico + NAD+

Il destino dell’acido piruvico

Nel nostro organismo, quando si effettua uno sforzo muscolare intenso,l’energia si ricava dalla glicolisi che produce acido piruvico.Quest’ultimo, se è in eccesso, viene trasformato in acido lattico esi accumula nei muscoli, provocando dolore.

Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus è un microrganismo termofilo (la temperatura ottimale di crescita è vicina ai 45°C, non cresce bene a basse temperature), termotollerante (può resistere a trattamenti di termizzazione e di pastorizzazione a 62°C per 20-30 min). Viene utilizzato come starter in molti formaggi prodotti a temperature superiori a 35°C (inclusi il Gorgonzola e la Mozzarella) e in molti latti fermentati. E’, insieme a Streptococcus thermophilus, uno dei due componenti della microflora dello yoghurt.

Lb. casei e Lb. paracasei sono due specie importanti nella maturazione dei formaggi. Per la loro elevata attività peptidasica e per la capacità di metabolizzare aminoacidi con produzione di composti aromatici vengono utilizzati come colture aggiuntive per l’accelerazione della maturazione dei formaggi.

..ancora sulla fermentazione lattica

In condizioni anaerobiche l’acido piruvico, il prodotto finale della glicolisi, può essere ridotto con una diversa via metabolica. Alcuni microrganismi anaerobi, come il lievito di birra,decarbossilano l’acido piruvico ad acetaldeide e poi riducono quest’ultima ad etanolo. In questo modo ossidano il NADH a NAD+ e possono continuare a ricavare energia dalla glicolisi.

La fermentazione alcolica

Il lievito più comunemente usato è Saccharomyces cerevisiae, che è "addomesticato" da migliaia di anni per la produzione di vino, pane e birra.

…e in presenza di ossigeno nel nostro organismo, qual è il destino dell’acido piruvico?L’acido piruvico si forma nel citosol. A questo punto deve entrare nelmitocondrio. Vediamo come sono fatti:

L’acido piruvico non può superare la membrana mitocondriale; quindi, per entrare nel mitocondrio deve essere trasformato in acetil-CoA (acetilcoenzima A), una molecola che riesce ad attraversare la membrana e va nella matrice mitocondriale

Come si vede, nella reazione si forma un NADH ed una molecola di CO2

L’acetil-CoA è un crocevia molto importante. Gli acidi grassi infatti vengonoossidati e trasformati in questa sostanza, in caso di richiesta di energia. In caso contario, i lipidi vengono sintetizzati a partire dall’acetilCoA Detto in altri termini, se mangiamo zuccheri possiamo accumulare lipidi.

• Nel mitocondrio (matrice mitocondriale) una serie di enzimi preleva il gruppo acetile dall’acetilCoA e lo lega a una molecola a 4 atomi di C (ac.ossalacetico)

• Dando origine a una molecola di acido citrico (a 6 atomi C)

• Una serie di reazioni ossida 2 dei 6 atomi C a CO2

• per sottrazione di elettroni e di H+ all’acido citrico

• Elettroni e protoni vengono caricati su molecole trasportatrici: NAD+ e FAD+ che si riducono a NADH e FADH2

• Il prodotto finale della serie di reazioni è la molecola a 4 atomi C, pronta a legarsi con un altro gruppo acetile e riprendere il processo

CICLO DI KREBS: ciclo dell’acido citrico

Più in dettaglio le reazioni sono queste

In sintesi, ad ogni “giro” del ciclo di Krebs di formano, per ogni molecola di glucosio,

1 ATP X 2= 2ATP3 NADH X2 = 6NADH1 FADH2 X2= 2 FADH2

Un rendimento nettamente inferiore a quello del ciclo di Krebs

(bisogna moltiplicare per due perché da ogni molecola di glucosio (6C) si formano due molecole di acido piruvico (3C) e due molecole di acetil-coA.)

A queste vanno aggiunte le molecole ottenute dalla glicolisi:

2 ATP2 NADH

Vediamo ora il quadro riassuntivo

ATP NADH FADH2

GLICOLISI 2 2ACIDO P- ACETIL CoA

2

CICLO KREBS 2 6 2

TOTALE 4 10 2

QUADRO RIASSUNTIVO

A questo punto, affinchè le cellule possano utilizzare l’energia immagazzinatanel NADH e FADH2, queste molecole devono entrare nell’ultimo processodella respirazione:

LA FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

Comprende due processi:I)CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONIII)CHEMIOOSMOSI Entrambi i processi si svolgono sulla membrana interna dei mitocondri.

Nel primo processo il NADH e il FAH2 cedono i propri elettroni alle molecole trasportatrici che li trasportano fino all’ossigeno che è l’accettore finale deglielettroni, trasformandosi in acqua.

Complesso INADHDEIDROGENASItrasferisceelettroni dalNADH al CoenzimaQ

Complesso IISUCCINATODEIDROGENASItrasferisceelettroni dalFADH2 al Coenzima Q

Complesso IIIUBICHINONECITOCROMO CREDUTTASItrasferisceelettroni dal CoenzimaQal citocromo c

Complesso IVCITOCROMOOSSIDASItrasferisceelettroni dalcitocromo call’O2

I) CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONICitocromo c, unapiccola proteinaperiferica (solubile),presenta il gruppoprostetico eme con ferro.Ubichinone o Coenzima Q, molecola

idrofobica diffusibile nel doppio strato

In sintesi, nella catena di trasporto la forza motrice elettronica è convertita in forza motrice protonica, consentendo il trasporto endoergonico (quindi contro gradiente) di protoni dalla matrice allo spazio intermembrana;

II) LA CHEMIOOSMOSI

Scoperto nel 1978; è il processo che unisce la catena di trasporto degli elettroni alle reazioni che generano ATP. Tre complessi proteici inclusi nella membrana mitocondriale, utilizzano l’energialiberata dai trasferimenti di elettroni per trasportare attivamente ioni H+ contro gradiente nello spazio compreso tra le due membrane.L’energia potenziale che si è accumulata viene utilizzata per trasformare

ADP in ATP.

Questo avviene mediante l’intervento di un grosso complesso enzimatico:l’ATP-SINTETASI

Incluso nella membrana mitocondriale, funziona come una turbina in miniatura. Gli ioni H+ tendono ad entrare nella matrice seguendo il proprio gradiente ma sono costretti a passare attraverso l’ATP sintetasi e, mentre precipitano “a valle”, l’energia viene utilizzata per trasformare l’ADP in ATP.

Rendimento complessivo della respirazione cellulare

Per ogni NADH ossidato nella catena respiratoria si producono 3ATPPer ogni FADH2 ossidato nella catena respiratoria si producono 2ATP

ATP NADH FADH2

GLICOLISI 2 2ACIDO P- ACETIL CoA

2

CICLO KREBS 2 6 2

TOTALE 4 10 (X3= 30 ATP) 4 (X2= 8ATP)

TOTALE : 38 MOLECOLE DI ATP PER OGNI MOLECOLE DI GLUCOSIO

A volte 36 ATP perché alcune cellule consumano ATP per trasportareIl NADH della glicolisi nei mitocondri.

QUADRO RIASSUNTIVO

fine