La valuta energetica cellulare

METABOLISMO ENERGETICO
Vincenzo Venerito
La valuta energetica cellulare:
ATP
L'ATP o Adenosintrifosfato, è un ribonucleotide
trifosfato formato da una base azotata (l'adenina),
dal ribosio, che è uno zucchero pentoso, e da tre
gruppi fosfato.
E’ il collegamento chimico fra catabolismo e
metabolismo e costituisce la "moneta" corrente
energetica.
Esso viene idrolizzato ad ADP (adenosindifosfato),
che viene riconvertito in ATP mediante vari processi.
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ATP
L'ATP è il composto ad alta energia richiesto dalla
stragrande maggioranza delle reazioni metaboliche
endoergoniche.
Esso viene prodotto secondo la reazione endoergonica:
ADP + Pi + E = ATP
La valuta energetica cellulare:
ATP
Dalla respirazione, in cui si libera energia, una parte
molto piccola di essa (7,3 Kcal) viene immagazzinata
nelle molecole di ATP.
.
Mentre si uniscono gruppo fosfato e ADP,
l'energia viene imprigionata nei nuovi legami chimici:
adesso avremo finalmente
la molecola di ATP
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ATP
L'ATP dona energia mediante reazione di idrolisi, mediata
dall'enzima ATPasi, che nella maggior parte dei casi coinvolge il
trasferimento di un gruppo fosfato.
ATP4- +H2O --> ADP3- + P + H+
con una variazione di energia libera di -30,5 Kj/mole ( Esoergonica )
L'energia che si libera viene subito utilizzata grazie agli enzimi che
convogliano questa energia sulle reazioni che ne hanno bisogno.
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ATP
Sono poche le reazioni dove l'ATP dona energia a una
molecola tramite idrolisi, principalmente fornisce
energia alle altre molecole per trasferimento di
gruppi fosfato.
L'idrolisi in se produce solo la liberazione di calore
che non può essere usato in sistemi omeotermi.
L’ATP può dunque o donare
un gruppo fosforico
o donare l'Adenilato.
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NAD&FAD
Una volta formatasi l’energia, c’è bisogno di
trasportarla; ecco allora l’intervento dei due
trasportatori di eccellenza: NAD e FAD.
La sigla NAD sta, per"nicotinammìdeadenìndinucleotìde"
Essa è una macromolecola organica
il cui ruolo biologico consiste
nel trasferire elettroni e
quindi nel permettere
le ossido-riduzioni;
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NAD&FAD
Il nome della molecola in questione deriva dalla combinazione di
quattro diverse parole:
La nicotinammìde (n1) e la struttura che svolge il ruolo biologico
generale della molecola, potendo
essa accettare degli atomi di idrogeno;
L’Adenina (n2) che è la base azotata;
Il di-nucleotide (n3-4) che è la coppia di
Nucleotidi e in ciascuno di essi e presente un
Fosfato e uno zucchero pentoso (ribosio).
La molecola si abbrevia solitamente in
"NAD" (se ossidato) o "NADH" (se ridotto).
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NAD&FAD
Il NAD svolge il suo ruolo essenziale di trasportatore
in numerosissime reazioni chimiche, quali alcune tappe
della glicolisi o del ciclo di Krebs; es:
gliceraldeide 3-fosfato + NAD+ → 1,3-bisfosfoglicerato + NADH + H+
Il NAD, così come tutte le altre sostanze
trasportatrici di elettroni, non viene né prodotto né
consumato nelle cellule: queste utilizzano dunque,
effettivamente, sempre le stesse molecole
trasferitrici, che di volta in volta si ossidano o
riducono.
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NAD&FAD
Per cui ogni cellula ha bisogno di ritrasformare l'NAD
ridotto (NADH2) tramite la glicolisi o altre reazioni
chimiche in NAD ossidato (NAD+) per poter fare in
modo che le prime avvengano ancora;
Ciò succede in modo diverso in ogni cellula:
i Lactobacilli utilizzano la fermentazione lattica:
piruvato + NADH + H+ → lattato + NAD+
Saccharomyces adoperano quella alcolica:
piruvato + NADH + H+ → etanolo + CO2 + NAD+
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NAD&FAD
Il NADP ha la stessa struttura di base del NAD, con
l'aggiunta di un gruppo fosfato esterificato al gruppo
ossidrilico del carbonio 2' dell'adenosina.
Mentre il NAD(H) è utilizzato perlopiù nei processi
catabolici (ovvero nelle reazioni di ossidazione del
metabolismo), il NADP(H) viene utilizzato nei processi
anabolici (ovvero nelle reazioni riduttive del metabolismo),
particolarmente nelle reazioni di biosintesi.
Negli organismi fotosintecici il NADP(H) viene ottenuto
durante i processi di fotofosforilazione e utilizzato nei
processi di biosintesi dei carboidrati.
Negli animali, mammiferi soprattutto, il NADP(H) viene
ottenuto principalmente nella via dei pentosi fosfato.
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NAD&FAD
Il FAD o Flavin adenina dinucleotide , è un importante
fattore ossidante del ciclo di Krebs ed interviene nel
trasporto degli elettroni nel processo biochimico chiamato
catena di trasporto degli elettroni.
La molecola è costituita da 3 anelli condensati, che
costituiscono il gruppo isoalloazinico della flavina, il quale è
legato al ribitolo (zucchero a cinque atomi di carbonio)
tramite l'atomo di azoto (N) dell'anello centrale
La valuta energetica cellulare:
NAD&FAD
Il FAD, interviene in numerose reazioni di trasferimento di
elettroni. Gli atomi di idrogeno (H), possono essere uno o
due, legati al gruppo isoallosazinico.
Se all'anello c'è legato un solo atomo di idrogeno, allora
prenderà il nome di FADH.
Ques'atomo di idrogeno, sarà legato
all'azoto in para dell'anello centrale
del gruppo isoallosazinico, ed il
doppio legame presente
nell'anello centrale scompare.
La valuta energetica cellulare:
NAD&FAD
Se all'anello ci sono legati due atomi di idrogeno, allora
prenderà il nome di FADH2.
Questo secondo atomo di idrogeno, sarà legato all'azoto in
para dell'anello terminale del gruppo isoallosazinico, ed il
doppio legame presente nell'anello
terminale scompare,
formandosi invece un doppio legame
tra l'anello centrale e quello
terminale affinché le valenze
dell'atomo di carbonio
vengano rispettate.
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GLICOLISI
La glicolìsi è un processo metabolico mediante il quale una
molecola di glucosio viene scissa in due molecole di piruvato
al fine di generare molecole ad alta energia, come ATP e
NADH.
La glicolìsi è un processo metabolico mediante il quale, in
condizioni di anaerobiosi non stretta, una molecola di
glucosio viene scissa in due molecole di piruvato al fine di
generare molecole ad alta energia, come ATP e NADH.
La valuta energetica cellulare:
GLICOLISI
In una prima fase del processo, composta da cinque
passaggi, viene consumata energia per ottenere dal
glucosio molecole a più alta energia (gliceraldeide-3fosfato), che verranno trasformate nella fase successiva,
composta di altri cinque passaggi, in molecole nettamente
meno energetiche (piruvato), con produzione di energia
superiore a quella consumata nella prima fase.
Il processo nel suo insieme è quindi di tipo catabolico, cioè
in cui molecole più complesse ed energetiche vengono
trasformate in altre più semplici e meno energetiche, con
produzione di energia.
La valuta energetica cellulare:
GLICOLISI
La reazione completa della glicolisi è la seguente:
Glucosio + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 NADH + 2 piruvato + 2 ATP + 2 H2O + 2 H+
In tutti gli organismi che non prevedono ulteriori degradazioni
del piruvato, il processo ha una resa energetica di due
molecole di ATP per ogni molecola di glucosio (Glc) o per
qualsiasi altro zucchero esoso degradabile da questa via
metabolica.
Il catabolismo glucidico degli organismi che svolgono
comunemente le fermentazioni, come i lieviti, dunque, si
ferma al piruvato (che solitamente viene interconvertito in
altre forme senza che ciò comporti ulteriori guadagni
energetici).
La valuta energetica cellulare:
GLICOLISI
Per gli organismi superiori, come ad esempio i mammiferi, la
glicolisi è invece solo il primo passaggio della degradazione degli
zuccheri.
Le cellule in grado di svolgere i successivi pathway aerobici
(come il ciclo di Krebs), dunque, sono in grado di processare il
piruvato, ossidandolo fino ad ottenere anidride carbonica ed
acqua.
Anche in questi organismi, in ogni caso, la glicolisi può diventare
l'unico pathway, senza che il piruvato sia ulteriormente ossidato.
Ciò può avvenire in caso di sforzo intenso (come i muscoli): in
questo caso, il piruvato viene convertito ad acido lattico per
riconvertire il NADH a NAD+ e bilanciarne le concentrazioni
cellulari.
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GLICOLISI
La glicolisi può essere suddivisa in due fasi:
- la prima fase è detta fase di investimento,
- la seconda è la fase di rendimento.
Nella fase di investimento, il glucosio viene fosforilato a
glucosio-6-fosfato ed infine scisso in due molecole di
gliceraldeide-3-fosfato; ciò avviene attraverso l'utilizzo di
due molecole di ATP. I primi cinque passaggi della via
metabolica, dunque, comportano un consumo netto di
energia.
La valuta energetica cellulare:
GLICOLISI
Nella seconda fase, quella di rendimento, le due molecole di
gliceraldeide-3-fosfato vengono trasformate in due
molecole di piruvato con conseguente produzione di quattro
molecole di ATP e due di NADH (per riduzione del NAD+),
le quali permettono di rigenerare anche il pool di molecole
riducenti presenti nella cellula.
Questa seconda fase, dunque, vede un recupero di energia,
che porta l'intero pathway glicolitico ad un guadagno netto
di energia.
La valuta energetica cellulare:
GLICOLISI
La velocità di flusso nel pathway glicolitico è in grado di
adattarsi molto bene in risposta a stimoli provenienti
dall'interno e dall'esterno della cellula.
Essa è regolata per massimizzare la presenza di due
metaboliti principali:
- l'ATP
- gli amminoacidi (mattoni fondamentali per le reazioni di
biosintesi)
Nella glicolisi, solo le reazioni catalizzate da esochinasi,
fosfofruttochinasi e piruvato chinasi sono effettivamente
irreversibili.
Sedi del
controllo
metabolico
della via
glicolitica
REAZIONE
IRREVERSIBILE
F2,6BP
TAPPA LIMITANTE
Regolazione
centrale che si
propaga a monte
ed a valle
REAZIONE
IRREVERSIBILE
Destino dell’NADH e del Piruvato
Aerobiosi o anaerobiosi??
In aerobiosi, l’NADH è ri-ossidato a livelli della
catena respiratoria, formando ATP nella fosforilazione ossidativa ed
il Piruvato ossidato ad CO2 ed H2O nel ciclo di Krebs
In anaerobiosi, l’NADH è ri-ossidato ed il Piruvato ridotto a
lattato dalla lattico deidrogenasi (LDH) nel processo di
fermentazione lattica
CHI E’ IL PIU’ FORTE?
FIBRE ROSSE:
•Metabolismo aerobio
•> Resistenza
•< Forza ( e velocità!)
FIBRE BIANCHE:
•Metabolismo anaerobio
(fermentazione lattica)
•< Resistenza
•> Forza (e velocità!)
…tanto il più forte sono sempre io!!!
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RESPIRAZIONE CELLULARE
FERMENTAZIONE
La fermentazione è un processo ossidativo anaerobico
svolto da numerosi organismi a carico di carboidrati (o
raramente di aminoacidi) per la produzione di energia.
Dal momento che in anaerobiosi non è disponibile
l'ossigeno come accettore finale di elettroni, lo
stesso substrato viene in parte ossidato ed in parte
ridotto.
Le varie fermentazioni differiscono per la via in cui
viene rigenerato il NADH; se ne conoscono 2 tipi:
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RESPIRAZIONE CELLULARE
Fermentazione lattica
Nella fermentazione lattica i due atomi di idrogeno vengono
trasferiti sul carbonio in posizione 2 dell'acido piruvico,
producendo acido lattico:
CH3 CO COO- + (NADH + H+) → CH3 HCOH COO- + NAD+
(Ac. Piruvico + NADH2 → Ac. lattico + NAD)
Questo processo viene attuato da alcuni batteri (lattobacilli) e
dalle cellule del corpo umano in condizioni di anaerobiosi
(muscolo).
Nei muscoli, in condizioni di carico intenso, viene prodotta
energia a carico del glicogeno presente in loco, che viene prima
scisso in glucosio e poi viene fermentato ad acido lattico.
L'accumulo di questo catabolita genera l'affaticamento
muscolare e viene gradualmente eliminato durante il recupero.
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RESPIRAZIONE CELLULARE
Fermentazione alcolica:
1a parte:
C3H4O3 → C2H4O + CO2
Acido piruvico → Acetaldeide + Anidride carbonica
2a parte:
C2H4O + (NADH + H+) → NAD+ + C2H6O
Acetaldeide + Nicotinammideadenindinucleotide ridotto →
Nicotinammideadenindinucleotide ossidato + Etanolo
La fermentazione alcolica ha come risultato la trasformazione
degli zuccheri in alcol etilico e anidride carbonica. Tale processo
è alla base della produzione delle principali bevande alcoliche
(vino, birra) ma anche della lievitazione del pane.
La valuta energetica cellulare:
RESPIRAZIONE CELLULARE
Il ciclo di Krebs avviene nei mitocondri delle cellule eucariote e
nel citoplasma delle cellule procariote.
I catabolismi glucidico e lipidico (attraverso la glicolisi e la beta
ossidazione), producono acetil-CoA, un gruppo acetile legato al
coenzima A.
L'acetil-CoA costituisce il principale substrato del ciclo.
Il suo ingresso consiste in una condensazione con ossalacetato, a
generare citrato.
Al termine del ciclo stesso, i due atomi di carbonio immessi
dall'acetil-CoA verranno ossidati in due molecole di CO2,
rigenerando nuovamente ossalacetato in grado di condensare con
acetil-CoA.
La produzione rilevante dal punto di vista energetico, tuttavia, è
quella di una molecola di GTP di tre molecole di NADH ed una di
FADH2.
La valuta energetica cellulare:
RESPIRAZIONE CELLULARE
I catabolismi glucidico e lipidico (attraverso la glicolisi e la beta
ossidazione), producono acetil-CoA, un gruppo acetile legato al
coenzima A.
L'acetil-CoA costituisce il principale substrato del ciclo.
Il suo ingresso consiste in una condensazione con ossalacetato, a
generare citrato.
Al termine del ciclo stesso, i due atomi di carbonio immessi
dall'acetil-CoA verranno ossidati in due molecole di CO2,
rigenerando nuovamente ossalacetato in grado di condensare con
acetil-CoA.
La produzione rilevante dal punto di vista energetico, tuttavia, è
quella di una molecola di GTP di tre molecole di NADH ed una di
FADH2.
La valuta energetica cellulare:
RESPIRAZIONE CELLULARE
La reazione netta è la seguente:
Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi -› CoA-SH + 3 NADH +
H+ + FADH2 + ATP + 2 CO2
L'energia che si ricava dalla completa demolizione di una
molecola di glucosio attraverso i tre diversi stadi della
respirazione cellulare (glicolisi, ciclo di Krebs e catena di
trasporto di elettroni), è idealmente di 36 molecole di ATP.
In realtà sono 38 le molecole nette di ATP ad essere
prodotte, ma 2 di esse vengono consumate per trasportare
(tramite trasporto attivo) dal citoplasma alla matrice
mitocondriale le 2 molecole di NADH + H+ prodotte nella
glicolisi.
La valuta energetica cellulare:
RESPIRAZIONE CELLULARE
I cofattori ridotti (NADH e FADH2), si comportano come
intermedi ossido/riduttivi.
Quando ridotti, essi sono in grado di trasportare elettroni
ad energia relativamente alta (sottratti ai substrati
ossidati ad esempio nella glicolisi o nello stesso ciclo di
Krebs) fino alla catena respiratoria mitocondriale.
Presso tale catena, essi vengono riossidati (a NAD+ e FAD)
e cedono gli elettroni alla catena stessa, che sarà così in
grado di rigenerare molecole di ADP ad ATP.
La valuta energetica cellulare:
RESPIRAZIONE CELLULARE
La reazione netta è la seguente:
Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi -› CoA-SH + 3 NADH +
H+ + FADH2 + ATP + 2 CO2
L'energia che si ricava dalla completa demolizione di una
molecola di glucosio attraverso i tre diversi stadi della
respirazione cellulare (glicolisi, ciclo di Krebs e catena di
trasporto di elettroni), è idealmente di 36 molecole di ATP.
In realtà sono 38 le molecole nette di ATP ad essere
prodotte, ma 2 di esse vengono consumate per trasportare
(tramite trasporto attivo) dal citoplasma alla matrice
mitocondriale le 2 molecole di NADH + H+ prodotte nella
glicolisi.
La valuta energetica cellulare:
RESPIRAZIONE CELLULARE
La velocità del ciclo di Krebs viene continuamente
modulata per venire incontro alle esatte necessità
energetiche della cellula.
I siti primari di controllo sono gli enzimi allosterici, la
isocitrato deidrogenasi e la α-chetoglutarato
deidrogenasi.
La valuta energetica cellulare:
RESPIRAZIONE CELLULARE
La isocitrato deidrogenasi è stimolata allostericamente dalla
presenza di ADP, che aumenta l'affinità dell'enzima per il
substrato.
I legami di isocitrato, di NAD+, di Mg2+, e di ADP all'enzima
sono mutualmente cooperativi in senso attivatore.
Al contrario, il NADH inibisce l'enzima attraverso lo
spiazzamento diretto di NAD+.
Lo stesso ATP ha effetto inibitorio.
La valuta energetica cellulare:
RESPIRAZIONE CELLULARE
La α-chetoglutarato deidrogenasi è dunque inibita dal
succinil CoA e dal NADH, i prodotti della reazione che
catalizza.
Può anche essere inibita genericamente da un alto livello
energetico presente nella cellula.
Respirazione cellulare
GLICOLISI
CATENA RESPIRATORIA E
FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA
CICLO DI KREBS
La valuta energetica cellulare:
RESPIRAZIONE CELLULARE
Il ciclo di Krebs è sempre seguito dalla fosforilazione
ossidativa, una catena di trasporto di elettroni.
L'una non avrebbe senso senza l'altra in quanto l'ATP e il
GTP prodotto dal ciclo in sé è scarso e la produzione di
NADH e FADH2 porterebbe ad un'ambiente mitocondriale
eccessivamente ridotto, mentre la sola catena respiratoria
necessiterebbe di una fonte di cofattori ridotti pena
l'ossidazione dell'ambiente.
Questa respirazione cellulare estrae energia da NADH e
FADH2, ricreando NAD+ e FAD, permettendo in tal modo
al ciclo di continuare.
La valuta energetica cellulare:
RESPIRAZIONE CELLULARE
FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA
Si tratta della fase finale della respirazione cellulare,
dopo glicolisi e ciclo di Krebs.
Il processo genera la fosforilazione di molecole di
ADP in ATP attraverso la conversione di NADH e
FADH2 nelle forme ossidate, con rilascio di elettroni.
La conversione di NADH e FADH sarà effettuata
lungo la CATENA RESPIRATORIA.
La valuta energetica cellulare:
RESPIRAZIONE CELLULARE
L'ubicazione fisica del processo è sempre a cavallo di
una membrana biologica:
negli eucarioti, esso avviene presso le creste
mitocondriali (ossia i ripiegamenti della membrana
interna dell'organello),
mentre nei procarioti, ha luogo presso la membrana
cellulare
CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI
La valuta energetica cellulare:
RESPIRAZIONE CELLULARE
La catena di trasporto degli elettroni è costituita da una
serie di complessi proteici e composti lipo-solubili (4)
capaci di produrre un potenziale elettrochimico attraverso
la membrana mitocondriale mediante la creazione di un
gradiente di concentrazione di ioni H+ tra i due lati della
membrana.
Questo potenziale è sfruttato per attivare i canali di
trasporto presenti sulla membrana stessa e per
promuovere la sintesi dell'ATP da parte dell'ATP sintetasi.
La valuta energetica cellulare:
RESPIRAZIONE CELLULARE
I vari trasportatori sono disposti in maniera tale da
avere potenziali di riduzione crescenti e per questo
motivo gli elettroni, venendo trasportati, passano da
uno stato energetico più alto ad uno stato energetico
più basso con conseguente liberazione di energia, la
quale verrà utilizzata in parte per la sintesi di ATP, ed
in parte verrà dispersa come calore (necessario al
mantenimento della temperatura corporea)
I complessi normalmente associati alla catena di
trasporto degli elettroni mitocondriale sono quattro:
La valuta energetica cellulare:
RESPIRAZIONE CELLULARE
COMPLESSO I
NADH deidrogenasi (o Coenzima Q reduttasi):
Questo complesso riceve due atomi di idrogeno dal
coenzima NADH e li trasferisce interamente al secondo
trasportatore della catena di trasporto degli elettroni,
cioè il Coenzima Q.
L'energia ricavata dal passaggio
degli elettroni è utilizzata
da questo complesso per
trasportare 4 protoni
nello spazio intermembrana.
La valuta energetica cellulare:
RESPIRAZIONE CELLULARE
Il complesso 2 è chiamato succinato-CoQ riduttasi perché gli
elettroni che giungono al CoQ dal FADH2 provengono dalla
ossidazione dell'acido succinico.
Il complesso 2 è un punto di contatto tra ciclo di Krebs e catena
respiratoria; infatti contiene l'enzima della tappa n° 6 del ciclo
di Krebs ,che ossida l'acido succinico ad acido fumarico con la
contemporanea riduzione del FAD a FADH2.
Il FADH2 viene subito riossidato a FAD senza lasciare il
complesso , e trasferisce i suoi elettroni a centri Fe-S che a loro
volta riducono il CoQ.
Il complesso 2 non èin grado di trasferire protoni dalla matrice
allo spazio intermembrana Per questoportaalla formazione di 2
sole molecole di ATP contro le 3 generatedall'ossidazione del
NADH che arrivano al CoQ attraverso il complesso 1.
Complesso II
succinato:ubichinone ossidoreduttasi
Succinato + CoQ
Fumarato + CoQH2
La valuta energetica cellulare:
RESPIRAZIONE CELLULARE
COMPLESSO III
Citocromo bc1, anche detto Citocromo c reduttasi:
riceve elettroni dal Coenzima Q e li cede al citocromo
c; in seguito trasporta 4 protoni nello spazio
intermembrana
Sede dell’importantissimo ciclo dell’Ubichinone
CoQH2+2cit.c
3+----
CoQ+ 2cit.c2++2H+
Complesso III
Ubichinolo:citocromo c ossidoreduttasi
Ciclo Q
Qo
2H+
antimicina A
in
.
Q
e-
QH2
Qe-
b562 (H)
e-
e-
b566 (L)
Q
e-
e-
.
QH2
QH2
e-
Q-
e-
FeS
ee-
out
+
2H+ 2H
Qi
mixotiazolo
c1
Ciclo Q o dell’ ubichinone
2H+ scalari
2H+ vettoriali
2H+ scalari
2H+ vettoriali
La valuta energetica cellulare:
RESPIRAZIONE CELLULARE
COMPLESSO IV
Citocromo c ossidasi: è l'ultimo complesso, quello
che trasferisce gli elettroni direttamente all'
ossigeno (proveniente dai polmoni) trasformandolo
insieme agli ioni H+, in H2O.
Anche questo trasporta 4 protoni nello spazio
intermembrana.
La valuta energetica cellulare:
RESPIRAZIONE CELLULARE
Tutte queste sono complessi lipoproteici che
contengono flavina, cluster ferro-zolfo o rame.
I complessi I, III e IV sono "pompe protoniche" ed il
gradiente formatosi a cavallo della membrana
mitocondriale interna viene utilizzato dall'enzima ATP
sintetasi per formare ATP a partire dai suoi substrati
(ADP + PI).
Il processo di formazione di questo nucleotide viene
chiamato Fosforilazione ossidativa.
FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA
• Ipotesi dell ’ ACCOPPIAMENTO CHIMICO (serie di intermedi ad alto contenuto
energetico)
• Ipotesi dell’ACCOPPIAMENTO CONFORMAZIONALE (variazione conformazionale
delle proteine di membrana)
• Ipotesi dell ’ ACCOPPIAMENTO CHEMIOSMOTICO (formazione di un gradiente
elettrochimico di protoni) Ipotesi di Mitchell 1961
Racker & Stoeckenius hanno confermato l ’ ipotesi di
Mitchell
usando
vescicole
contenenti
la
batteriorodopsina e l’ATP sintasi
DG’° = nFDE’ ° = -220kJ/mole
Gran parte di questa energia viene usata per
pompare protoni fuori dalla matrice
mitocondriale. Per ogni coppia di elettroni
trasferiti all’ossigeno, 4 protoni sono pompati
fuori dal Complesso I, 4 dal Complesso III e
2 dal Complesso IV.
Durante
una
attiva
respirazione
mitocondriale il DY è stato valutato tra 0.15
e 0.2 V ed il pH della matrice è di circa 0.75
unità più alcalino rispetto a quello dello spazio
intermembrana
Forza motrice protonica
∆µH
∆µ + =
≃ 20 kJ/mole
per un protone
Modello Chemiosmotico
ADP + Pi + nH+P ------ ATP + H2O + nH+N
F1 FoATP SINTASI
F1
Stalk
(sub F1 ed Fo)
Fo
subunità c
Enzima deputato alla sintesi di ATP a spese del gradiente di H+ transmembrana (H+
fluiscono attraverso l’ Fo all’ F1).
• E’ anche in grado di idrolizzare ATP pompando protoni dal settore F1 verso il settore Fo.
• Nei batteri anaerobi forma un gradiente protonico per il trasporto e/o regola il pH
citoplasmatico
L ’ ATP sintasi mitocondriale è una
ATPasi di tipo F costituita da due
parti distinte:
Il settore F1 ed il settore Fo
La reazione catalizzata è:
ADP + Pi
ATP + H2O
Nel caso dell’ATP sintasi la reazione è
del tutto reversibile (DG’° ≅ O).
Perché?
Questo enzima rende l ’ ATP stabile
tanto quanto i suoi prodotti di idrolisi,
ADP e Pi, tenendolo saldamente
legato.
ADP
La subunità g ha un dominio che costituisce
l’asse centrale che passa attraverso l’F1 ed un
altro dominio che è associato in prevalenza ad
una delle tre subunità b, detta subunità bvuota.
ATP
F1 visto dal lato N della membrana
L
T
Il complesso F1 possiede tre siti
di legame per nucleotidi adeninici
non equivalenti, uno per ogni
eterodimero ab.
La forza motrice protonica
provoca la rotazione delle
subunità c e la subunità g entra
in contatto a turno con ciascuna
coppia
di
subunità
ab
e
precisamente con la subunità b
che assume la conformazione
vuota (O).
Il gradiente protonico provoca il
rilascio
dalla
superficie
enzimatica dell ’ ATP prodotto
che non può essere rilasciato
finchè ADP e Pi non sono legati
all’altro sito (COOPERATIVITA’
NEGATIVA).
O
O
T
O
L
L
T
BINDING CHANGE MECHANISM
Boyer 1997 Premio Nobel in Chimica
L’ENERGIA DEL GRADIENTE PROTONICO NON
E’ UTILIZZATA PER LA SINTESI DI ATP MA
PER IL RILASCIO DI ATP DAL SITO TIGHT
I TRE SITI CATALITICI PARTECIPANO IN
SEQUENZA IN MANIERA COOPERATIVA.
(ATTRAVERSO L’INTERCONVERSIONE DELLE
CONFORMAZIONI)
LE VARIAZIONI CONFORMAZIONALI AI TRE
SITI SONO CAUSATE DALLA ROTAZIONE
DELLA SUBUNITA’ γ
CATALISI ROTAZIONALE
1.Passaggio di protoni attraverso il “canale” Fo
2.Rotazione dell’oligomero di subunità c
3.Rotazione della subunità γ (δε)
Ogni rotazione di 120° pone in contatto γ con
una diversa subunità β e questo contatto
costringe la subunità β ad assumere la
conformazione β-vuota.
Il numero di H+ richiesti per la sintesi di una
molecola di ATP è di 4 di cui 1 è usato per
trasportare Pi attraverso la m.m.i.
3
La valuta energetica cellulare:
FOTOSINTESI
La fotosintesi clorofilliana è l’insieme delle reazioni durante le
quali le piante verdi producono sostanze organiche a partire da
CO2 e dall’acqua, in presenza di luce.
Mediante la clorofilla, l'energia solare (luce) viene trasformata
in una forma di energia chimica utilizzabile dagli organismi
vegetali per la propria sussistenza.
Tali organismi si dicono autotrofi.
La valuta energetica cellulare:
FOTOSINTESI
La valuta energetica cellulare:
FOTOSINTESI
Il prodotto organico della fotosintesi ossigenica è il
glucosio (C6H12O6), il carboidrato monosaccaride più
diffuso sul nostro pianeta.
In seguito da questo sono assemblate varie altre
macromolecole, quali l'amido (la forma di accumulo del
carbonio nelle piante) e il saccarosio (la forma di trasporto
principale del carbonio nelle piante ).
Il carbonio e l'idrogeno da convertire in sostanza organica
sono forniti rispettivamente dall'anidride carbonica (CO2)
atmosferica e dall'acqua(H20).
La quasi totalità della fotosintesi ossigenica è compiuta da
piante e alghe che ricavano l'idrogeno dall'acqua (H2O).
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L'equazione chimica che riassume il processo è:
6 CO2 + 6 H2O + 686 Kilocalorie/mole → C6H12O6 + 6 O2
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Esistono, soprattutto fra gli organismi procarioti
autotrofi, varie forme di fotosintesi, oltre alla
fotosintesi clorofilliana ossigenica descritta qui.
In alcune specie di batteri autotrofi, l'idrogeno
proviene non dall'acqua ma dall'acido solfidrico, che
nella fotosintesi viene ossidato a zolfo elementare
(S8)
6 CO2 + 12 H2S → C6H12O6 + 12 S + 6 H2O
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Si noti che questi batteri sono anaerobi obbligati.
Le forme di fotosintesi clorofilliana che vengono effettuate con
lo zolfo (o in alcuni casi anche con l'azoto) vengono dette
fotosintesi anossigeniche.
Anche fra le piante si riscontrano vari tipi di fotosintesi
clorofilliana.
Le piante sono suddivise, in base alla forma di fotosintesi
clorofilliana da esse compiuta, in tre gruppi principali, che hanno
diverse caratteristiche: le piante C3, C4 e CAM.
Vi è anche una forma di fotosintesi, la chemiosintesi, in cui
l'energia chimica è data dalla demolizione di molecole organiche
anziché dalla radiazione elettromagnetica.
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La fotosintesi clorofilliana avviene per tappe riunibili in due
fasi:
- la fase luminosa dipendente dalla luce
- La fissazione del carbonio (fase oscura indipendente
dalla luce) di cui fa parte il ciclo di Calvin.
La seconda fase viene anche definita "fase oscura", ma non
si riferisce all'assenza della luce dato che alcuni enzimi
coinvolti in questa fase sono direttamente attivati proprio
dalla luce, tanto che avviene contemporaneamente alla fase
luminosa e non di notte.
Infatti in assenza di luce si ha scarsità di ATP e NADPH,
gli stomi si chiudono e così non vi è accesso di CO2
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FASE LUMINOSA
Il processo fotosintetico si svolge all'interno dei
cloroplasti.
All'interno di questi si trova un sistema di membrane
che formano pile di sacchetti appiattiti (tilacoidi), dette
grani.
All'interno di queste membrane troviamo delle molecole
di clorofilla, aggregate a formare i cosiddetti
fotosistemi.
Si possono distinguere 2 tipi di fotosistemi,essi sono un
insieme di molecole di pigmenti in cui l’energia viene
convogliata verso una molecola di clorofilla "a trappola.”
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Il fotosistema I è formato da un LHC (complesso che
cattura la luce) costituito da circa 70 molecole di clorofilla
a e b e da 13 diversi tipi di catene polipeptidiche, e da un
centro di reazione che comprende circa 130 molecole di
clorofilla a e P700, un particolare tipo di clorofilla che ha il
massimo assorbimento della luce a 700nm.
Il fotosistema II è anch'esso composto da un LHC,
formato da circa 200 molecole di clorofilla a e b, nonché
da diverse catene polipeptidiche, e da un centro di
reazione formato da circa 50 molecole di clorofilla a e di
P680, che ha il massimo assorbimento della luce solare a
680nm.
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Tutte queste molecole sono in grado di catturare l'energia
luminosa, ma solo quelle di clorofilla a sono in grado di
passare ad uno stato eccitato che attiva la reazione
fotosintetica.
Le molecole che hanno solo funzione di captazione sono
dette molecole antenna;
Quelle che attivano il processo fotosintetico sono definite
centri di reazione.
La "fase luminosa" è dominata dalla clorofilla a, le cui
molecole assorbono selettivamente luce nelle porzioni
rossa e blu-violetta dello spettro visibile, attraverso una
serie di altri pigmenti coadiuvanti.
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L'energia catturata dalle molecole di clorofilla consente la
promozione di elettroni da orbitali atomici a energia minore
ad orbitali ad energia maggiore.
Questi vengono subito sostituiti mediante idrolisi di molecole
d'acqua (che, da H2O, si demolisce in due protoni, due
elettroni ed un ossigeno grazie alla fotolisi, operata dai due
fotosistemi).
Gli elettroni liberati dalla clorofilla del fotosistema II
vengono immessi in una catena di trasporto costituita dal
citocromo B6f, durante la quale perdono energia, passando ad
un livello energetico inferiore
L'energia persa viene utilizzata per pompare protoni dallo
stroma all'interno dello spazio del tilacoide, creando un
gradiente protonico.
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FOTOSINTESI
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Infine gli elettroni giungono al fotosistema I, che a sua
volta, per effetto della luce, ha perso altri elettroni.
Gli elettroni persi dal fotosistema I vengono trasferiti alle
ferredossina, che riduce NADP+ in NADPH.
Tramite la proteina di membrana ATP-sintetasi situata
sulla membrana del tilacoide gli ioni H+ liberatisi
dall'idrolisi dell'acqua passano dallo spazio del tilacoide
allo stroma, cioè verso gradiente, sintetizzando ATP a
partire da gruppi liberi di fosfato e ADP.
Si può formare una molecola di ATP ogni due elettroni
persi dai fotosistemi.
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FOTOSINTESI
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La fase di FISSAZIONE DEL CARBONIO o ciclo di Calvin
comporta l'organificazione della CO2, ossia la sua
incorporazione in composti organici e la riduzione del
composto ottenuto grazie al ATP ricavato dalla fase luminosa.
In questo ciclo è presente un composto organico fisso, il
ribulosio bifosfato, o RuBP, che viene trasformato durante la
reazione fino a tornare al suo stato iniziale.
Le 12 molecole di ribulosio bifosfato presenti nel ciclo di
Calvin reagiscono con l'acqua e l'anidride carbonica subendo
una serie di trasformazioni.
Alla fine del processo, oltre alle 12 RuBP nuovamente
sintetizzate, si originano 2 molecole di gliceraldeide 3fosfato, che vengono espulse dal ciclo come prodotto netto
della fissazione.
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L'ATP e la NADPH consumate durante il ciclo di Calvin
vengono prelevate da quelle prodotte durante la fase
luminosa, e, una volta ossidate, tornano a far parte del pool
disponibile per la riduzione.
Complessivamente, nel ciclo di Calvin vengono consumate 6
molecole di CO2, 6 di acqua, 18 di ATP e 12 di NADPH per
formare 2 gliceraldeide 3-fosfato (abbreviato in G3P), 18
gruppi liberi di fosfato, 18 ADP, 12 protoni, 12 NADP+.
Le due molecole di gliceraldeide 3-fosfato formatesi
durante il ciclo di Calvin vengono utilizzate per
sintetizzare glucosio, in un processo inverso alla glicolisi, o
per formare lipidi quali acidi grassi oppure amminoacidi
(aggiungendo un gruppo amminico nella struttura).
AcetilCoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O
2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + GTP + CoA
Ciclo di KREBS
(ciclo degli acidi
tricarbossilici, ciclo dell’acido
citrico)
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RESPIRAZIONE CELLULARE