Conversione di energia nella cellula
Schema generale del metabolismo energetico
Gli organismi eterotrofi traggono energia ossidando nutrienti/molecole
organiche.
L’ossidazione delle molecole organiche avviene per tappe discrete con reazioni
accoppiate a produzione di ATP
processo controllato →energia non dispersa come calore ma “intrappolata”
sottoforma di molecole con alta energia potenziale
Le
ossidazioni
biologiche
implicano la rimozione sia di e- che
di
H+
e
sono
fortemente
esoergoniche (dG <0).
Il sistema ATP-ADP conserva e mette
a disposizione energia per la cellula.
•Condizioni anaerobie o
↓O2→fermentazioni → ATP
•Condiz. aerobie (organismi
aerobi)→
→respirazione: gli elettroni
strappati ai nutrienti vanno a finire
sull’ossigeno → ATP (+CO2 e H2O)
Produzione di molecole con elevato potenziale di trasferimento del P
Luce solare
fototrofi
ATP
Ossidazione
nutrienti
chemiotrofi
Oltre all’ATP, durante le fasi di
ossidazione possono prodursi
anche altre molecole con alto
potenziale di trasferimento di P
Energia per la vita
Schema generale del
metabolismo energetico
Produzione di molecole con elevato potenziale di trasferimento di elettroni
Durante le ossidazioni (reazioni redox) gli
e- sono trasferiti dal substrato a molecole
trasportatrici di e- che in seguito, in
reazioni esoergoniche, tendono a cedere
questi elettroni ad altri accettori
I coenzimi sono piccole molecole
organiche che funzionano insieme agli
enzimi, come trasportatori di e- (es NAD) o
di piccoli gruppi funzionali.
Il NAD in particolare accetta e- nelle
ossidazioni del legame C-C
Flavin adenin dinucleotide (FAD)
Anche il FAD funziona da cofattore/coenzima redox negli enzimi che
ossidano i nutrienti/le molecole organiche
Durante la tappa1 varie molecole
organiche sono demolite in molecole più
semplice che possono poi entrare nella
glicolisi e/o nel ciclo di krebs
Es: Processo della β-ossidazione.
Degradaz. Trigliceridi → glicerolo+acidi
grassi
Nella matrice mt β-ossidazione
Ad ogni ciclo
•Ossidazione del C in β
•Rimozione sequenziale di 2C dalla catena
sotto forma di Acetil-CoA
•Produzione di energia come NAD e FAD
ridotti
Grassi:forma di max immagazzinamento
energia in forma anidra, +ricchi di energia
degli zuccheri, riserva a lungo termine
Proteine come fonte energia
proteine→
→proteolisi →peptidi →peptidasi →AA liberi →rimozione
gruppo aminico per transaminazione o deaminazione ossidativa (NAD
ridotto)→
→ → intermedi del TCA
α-cheto-acido
Tutti gli Aa possono andare incontro a transamminazione, ma solo pochi
possono venir deamminati ossidativamente.
La glicolisi è una via centrale del metabolismo energetico cellulare
Polisaccaridi monosaccaridi glicolisi
Gli zuccheri semplici sono scissi per produrre piruvato (tappa 2
dell’estrazione energia)
GLICOLISI
•Glu catabolizzato a
piruvato→
→ATP e NADH
(10 tappe)
•Enzimi localizzati nel
citosol
L’ossidazione del glucosio è
fortemente esoergonica, ma è
accoppiato alla produzione di ATP
per cui nell’organismo non
avvengono significative
modificazioni della temperatura.
Il catabolismo del glucosio
produce molta più energia in
presenza di ossigeno che in sua
assenza.
In assenza di O2 fermentazione
produce lattato o EtOH e CO2
Ci sono organismi aerobi,
anaerobi, facoltativi.
Fermentazione lattica
Fermentazione alcolica
Legame
fosfoanidridico
Durante la glicolisi l’ATP è
prodotta mediante
“fosforilazione a livello del
substrato”
Questa produzione di ATP è
distinta dalla fosforilazione
ossidativa innescata dal
movimento di è- dai coezimi
ridotti all’O2
Il distacco del gruppo P è fortemente
esoergonico perché la molecola del
piruvato diventa allora libera di
assumere la forma chetonica più stabile
(a bassa E)
Riassunto glicolisi
Glu+NAD+ + 2ADP + 2Pi
2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH Il destino del piruvato dipende
dall’organismo e dalla
disponibilità di O2 (condizioni
aerobie e anaerobie, organismo
aerobio o meco).
a) Deidrogenazione per dare
AcCoA
ossidazione si
completa nel ciclo di Krebs
b) Fermentazione lattica (Molte
cellule animali, muscolo e
batteri in condizioni anaerobiosi
(prodotti caseari, yogurt)
c) Fermentazione alcolica (Cellule
vegetali, lieviti, microorganismi;
fermentazioni per la produzione
di pane, vino, birra)
Altre vie fermentative (batteri):
•
fermentazione propionica
(formaggio svizzero)
•
Fermentazione butilen-glicolica
(deperimento degli alimenti)
Elemento comune: riossidazione
del NADH a NAD necessario per
glicolisi
Catabolismo dei carboidrati attraverso la via glicolitica.
Il glucosio e il fruttosio
sono i monosaccaridi
che entrano più
direttamente, perché la
loro conversione
richiede solo la
fosforilazione del C6
catalizzata dall’enzima
chinasi.
Ma anche altri
zuccheri, monodisaccaridi e
polisaccardi entrano
nella glicolisi
Scissione fosforolitica dei polisaccaridi di deposito (amido o glicogeno).
Le unità terminali di Glu rilasciate come Glu 1P
La glicolisi è controllata a livello di 3 enzimi che catalizzano tappe esoergoniche
La regolazione dell’attività enzimatica avviene mediante modulazione allosterica
(inibizione a feedback) e meccanisimi di modificazione covalente
In generale ogni via metabolica ha “tappe di comando”
PFK-2 (fosfofruttochinasi) è una diversa forma dell’enzima PFK-1 (glicolitico)
ruolo dell’enzima fosfofruttochinasi-2 (PFK-2)
e di fruttosio 2,6-bifosfato sull’attività
dell’enzima chiave PFK.
La PFK-2 è un enzima
bifunzionale con 2 ≠ attività
catalitiche: PFK-2 e F2,6BPasi
Nella forma defosforilata PFK-2
catalizza la P del fruttosio 6P a
Fru 2,6 biP stimola PFK
Nella forma fosforilata catalizza
l’idrolisi a Fru 6P
livello di fosforilazione dipende
dal glucagone (cAMP):
glucagone→cAMP↑ → P PFK2 →
↑glicolisi e ↓gluconeogenesi
Fru 2,6 biP è
•attivatore allosterico della PFK
(↑glicolisi)
•Inibitore allosterico di fru-1,6
bifosfatasi (↓gluconeogenesi)
Il ruolo del mitocondrio nella respirazione
•Sede produzione principale
di ATP
•Piruv e acidi
grassi→
→acetilCoA
•Ciclo TCA → riduzione di
NAD e FAD
•Trasporto e- abbinato a
pompaggio H+
•Gradiente elettrochimico
sfruttato per produrre ATP
(fosforilazione ossidativa)
Accettore finale di e- è
O2 (H2O), respiraz. aerobica
ma anche S (H2S), H+ (H2O),
Fe 3+ (Fe 2+ ) nella respirazione
anaerobia di molti batteri
(ruolo ecologico)
Struttura mitocondriale
•Ha doppia membrana , la m.m.i. è selettiva e impermeabile
•Sistema creste→
→aumento superficie;↑contenuto proteico (trasporto, ATPsintesi e
complessi respiratori)
•Matrice: enzimi (TCA e β ox), DNA cromosomale, ribosomi, tRNA
•Organello geneticamente semiautonomo
•Nei procarioti citosol e membrana plasmatica hanno funzioni analoghe
Particolare della membrana interna
Funzioni della membrana int
•Trasporto selettivo metaboliti
•Trasporto elettroni
•Sintesi ATP→ATP sintasi complessi F0F1
La membrana mt è molto ricca di proteine
respirazione→
→ stadi
1. Glicolisi (citosol) → fosf substrato(ATP) e coenzimi ridotti (NADH)
mt
2. Decarbossilazione ossidativa di Piruv
AcetilCoA
3. Ciclo TCA → coenzimi ridotti (NADH, FADH2) e GTP o ATP
4. Trasporto e- →ossidazione dei coenzimi e riduz accettore finale e5. Sintesi di ATP (fosforilazione ox)
Nella matrice mitocondriale
Il complesso enzimatico Piruvato deidrogenasi decarbossila il piruvato e
produce FAD ridotto e Acetil CoA
Il TCA inizia quindi con l’ingresso dell’acetato sotto forma di Acetil-CoA
(trasportatore di acili)
Ciclo degli acidi tricarbossilici
(TCA) o ciclo di Krebs
8 reazioni
4 ossidazioni
2 decarbossilazioni
2 C del piruvato entrano
come acetilCoA
Produz di NADH,
FADH2, CO2, GTP e
rigenerazione
dell’ossalacetato
Ciclo dei TCA e
regolazione
Il ciclo è regolato in
base ad esigenze
energetiche della
cellula a livello di tappe
comando
Molecole ridotte e ATP
inibiscono il ciclo
ADP e cofattori
ossidati lo attivano
Regolaz allosterica e a
feedback
NB: Ciclo dei TCA non è
solo via catabolica ma
anche anabolica in q
fornisce precursori vie
sintesi Aa →natura
anfibolica del ciclo!
Centralità del ciclo TCA
nel metabolismo
energetico e non solo
Con la catena di trasporto di elettroni e la fosforilazione ossidativa sta
per iniziare la maggiore produzione di energia sottoforma di ATP
Sistema trasporto elettroni
(ETS)
Trasferimento di e- dai coenzimi ridotti all’accettore finale
Processo a tappe, ↑esoergonico
5 diversi tipi di trasportatori di è•Flavoproteine (FAD o FMN)
•Proteine Fe-S (centri Fe-S complessati con Cys)
•Citocromi (diversi tipi di eme = gruppo prostetico)
•Citocromi con Cu (legato al Fe dell’eme)
•Chinoni (Coenzima Q, natura non proteica)
•Funzionano in serie
•Tutti associati a membrana mt int (eccetto Cyt C: associato
debolmente) come complessi respiratori (4 complessi)
L’eme è il gruppo prostetico presente nei citocromi b, c, e c1.
Eme A è presente nei citocromi a1 e a3.
L’eme dei citocromi c e c1 è legato covalentemente alla proteina.
Forma ossidata e ridotta del
Coenzima Q.
•È liposolubile
•Trasporta e- e H+ →contributo
diretto a formaz. gradiente
protonico
I trasportatori di elettroni
funzionano in una sequenza
determinata dai loro potenziali
di riduzione
Il potenziale di riduzione, E, è una
misura dell’affinità per gli elettroni
posseduta dalla forma ossidata di
una coppia redox (=2 molecole tra
loro interconvertibili per perdita o
acquisizione di e-)
Per una coppia redox, il fatto di
avere un E’ positivo significa che
la forma ossidata ha un’elevata
affinità per gli e- ed è perciò un
buon accettore di e-!
Quindi la forma ridotta di qualsiasi coppia con E’ negativo ridurrà spontaneamente
la forma ossidata di qualsiasi coppia con E’ meno negativo di essa o positivo!
Gli e- fluiscono spontaneamente lungo gradiente da E bassi ad E alti: da livelli energetici
alti vs livelli più bassi
I componenti dei 4
complessi respiratori
e loro potenziali redox
E -0.32 NADH
E -0,18 FADH2
E O2 +0.816
La reazione è
esoergonica
Gli e- fluiscono dal NADH all’O2 spontaneamente attraversando i centri redox dei
vari complessi
Il flusso di e- attraverso i 4 complessi è accoppiato alla traslocazione di protoni
dalla matrice vs spazio inter-membrana (modello chemiosmotico, Mitchell)
Il gradiente protonico sfruttato per sintesi di ATP: fosforilazione ossidativa
Complesso I trasfer di e- dal NADH al coenzima Q
Complesso III gli e- fluiscono dal coenzima Q al CitC
Complesso IV tappa finale: gli e- trasferiti all’O2
i complessi I -III e IV funzionano come pompe protoniche il trasferimento graduale
degli elettroni ha permesso di trasformare l’energia potenziale degli e- in un
gradiente protonico (H+ accumulati nello spazio intermembrana)
Vari veleni bloccano flusso di e- alivello di spcifici complessi
usati per studio catena
respiratoria
gradiente elettro-chimico
Secondo l’HP chemiosmotica il flusso di e- è accoppiato alla sintesi di ATP in
quanto il flusso secondo gradiente dei protoni attiva i complessi ATPsintasi
Sostanze che permeano la membrana mt interna dissipando il gradiente protonico
disaccoppiano il flusso di e- dalla sintesi di ATP
La termogenina è proteina disaccoppiante naturale tipica di grasso bruno di animali
ibernanti: sviluppo di calore piuttosto che sintesi di ATP!
Secondo il modello della variazione conformazionale (Boyer) il
passaggio degli e- modifica la conformazione dei trasportatori
modulandone proprietà acido-base ai 2 lati della membrana
I complessi responsabili della sintesi di ATP sono stati purificati dalla membrana
mt interna
Dissociazione e ricostituzione del sistema
mitocondriale di sintesi dell’ATP.
Unità funzionale F0F1
•F0 canale traslocatore di protoni:
capta E dal flusso
•F1 attività ATPsintasi: svolge
sintesi
•Pompe simili si trovano anche nei
cloroplasti e in generale gradienti
protonici sono sfruttati per produrre
Energia in cellule animali, vegetali e
batteriche
La produzione di ATP mediante
fosforilazione ossidativa dipende dall
[ADP]
Riassunto dinamica della respirazione mt
•Il flusso esoergonico di e- accoppiato a formazione gradiente
•Gradiente trascina sintesi di ATP da parte di subunità F1
La membrana mt interna ha vari
sistemi di trasporto per molecole
necessarie ad espletare
fosforilazione ossidativa
Principali sistemi di trasporto
nella membrana mt interna
•Cotrasporto piruvato-protoni
•Acidi organici (secondo grad)
•Scambiatore ATP-ADP
•Scambiatore P e OHParte del gradiente protonico è
sfruttato in questo modo
Sistema navetta del glicerolo-3P per veicolare potere riducente dal citosol al mt
Dal NADH al glicerolo, dal G3PDH al FAD membrana mt int→
→ catena trasporto
Si riproducono da
mitocondri preesistenti
Matrice
mitocondriale
Mitocondri
Origine simbiontica dei mitocondri
Si riproducono da
mitocondri preesistenti
Matrice
mitocondriale
Mitocondri
Origine simbiontica dei mitocondri
Particolare della membrana interna
Funzioni della membrana int
•Trasporto selettivo metaboliti
•Trasporto elettroni
•Sintesi ATP→ATP sintasi complessi F0F1
La membrana mt è ricca di proteine
Mitocondri
Centrale energetica della cellula
Ossidazione delle molecole organiche
ATP
Struttura
• Dimensioni di un batterio ( Ø 0.5 µm,
lungh. 1;2-10 µm
Al microscopio elettronico:
Nella matrice elettrondensa:
• n° variabile (decine di migl. in ovociti), la
•Granuli di strutt. paracristallina
> parte cell.: 500 - 1000
• si muovono liberam. nel citoplasma
•sali di calcio
•ribosomi simili a quelli dei batteri
DNA mitocondriale
• Trasmesso per via materna
•rRNA, mRNA, RNA 4S f.come tRNA
• DNA mit. Mammiferi
•DNA circ. lungh. 5 µm (copie multiple)
Mutazioni 10 v. sup.del nucleare
Accumulo di mutaz. con l’età
•Piante: DNA 10-150 v. più grande
Malattie mitocondriali
Mutazioni
Mitocondri
Enzimi per
Membrana interna
• Duplic. DNA
• Assenza di colesterolo
cardiolipina
(Fosfolipide acido)
• Trascrizione
Nello spessore :
• Traduzione
• pr. trasporto: permeasi Pi, ac. carbossilici
•proteine trasp. H e di e• Ciclo di Krebs
• p. catena respiratoria
Le proteine sono codificate in
•Citocromi a, a3, b, c, c1, FeS-proteine, flavoproteine
min. parte sul DNA mitoc.
• sistema scambiatore ATPext. ADP int.
Sono localizzate nella
parte int. delle creste
Faccia membr. int. verso la matrice
Membrana esterna
•Simile alla membr. plasm.
•Presenta poricostituitida
porine (attrav.da molecola
di peso max 10.000 D)
Ricoperta di sferule =
•Complesso FoF1ATPasi
•Fo sensibile all’oligomicina;
•F1 sintesi di ATP
Mitocondri
