La respirazione cellulare O 2 CO 2 RESPIRAZIONE

La respirazione cellulare O 2 CO 2 RESPIRAZIONE ESTERNA RESPIRAZIONE CELLULARE

L’energia dei composti del carbonio • I legami tra atomi di carbonio e di idrogeno immagazzinano energia H • Il carbonio legato all’idrogeno si definisce carbonio ridotto C • La rottura di questi legami e la formazione H METANO H di altri legami tra carbonio e ossigeno e C H tra idrogeno e ossigeno H O libera energia, trasportata dall’ATP H

Quanto efficiente è la respirazione? Energy released from glucose (as heat and light) Energy released from glucose banked in ATP Gasoline energy converted to movement About 40% 25% 100% Burning glucose in an experiment “Burning” glucose in cellular respiration Burning gasoline in an auto engine C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O + 2870 KJ di cui solo 1200 KJ (40%) si trasformano utilmente in ATP. La parte restante (60%) si disperde sottoforma di calore.

Il ruolo dell'ATP 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: C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O + 36 ATP. 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 k. J(7 Kcal) per ogni mole di legami fosfoanidridici spezzati.

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) C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O + 36 ATP. 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”

Trasportatori di elettroni (2 elettroni): NADH ossidazione NAD+ + 2 H· NADH + H+ Forma ossidata Forma ridotta riduzione Atomo di idrogeno nicotin dinucleotide + 2 H+ +2 e adenina +H+

Trasportatori di elettroni (2 elettroni): FAD ossidazione FAD + 2 H FADH 2 Forma ossidata Forma ridotta riduzione

GLICOGENOLISI La glicogenolisi consiste nella degradazione della riserva di glicogeno. Il processo si attiva quando la glicemia cala ed è stimolato da ormoni (glucagone, adrenalina. . ) ed avviene sia nel fegato che nei muscoli. L’enzima che interviene è la glicogeno fosforilasi perché aggiunge sempre un gruppo fosfato alla molecola di glucosio trasformandolo in glucosio 1 -fosfato La glicogenolisi non è mai completa; a un certo punto si arresta lasciando dei piccoli polimeri (primer)

Processo opposto alla glicogenolisi. Si attiva quando li glicemia aumenta ed è stimolata dall’insulina. In esso viene sintetizzato il glicogeno a partire dal glucosio libero nel sangue. Quest’ultimo viene fosforilato (glucosio 6 P)e poi attaccato al glicogeno preesistente mediante un enzima: glicogeno sintasi. La glicogenina è una proteina attorno a cui si organizza il glicogeno L’UDP è il donatore del glucosio in forma attivata.

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

LA VIA DEL PENTOSO FOSFATO Molte cellule hanno la possibilità di utilizzare il glucosio attraverso vie alternative alla glicolisi. La più importante tra queste è la via del pentoso fosfato E’ un processo anaerobico che ha due funzioni primarie: Produrre atomi di H (NADPH) per formare acidi grassi Produrre ribosio per costruire acidi nucleici Vediamo la prima funzione

Alcuni organi hanno esigenze particolari: ad es. ØIl tessuto adiposo ha bisogno di sintetizzare acidi grassi per formare trigliceridi Ø La ghiandola mammaria in allattamento Ø Le ghiandole surrenali hanno bisogno di produrre ormoni corticosteroidi Ø il cervello ha bisogno di sintetizzare lipidi per le membrane ØIl fegato ha bisogno di sintetizzare lipidi, colesterolo…. PER SINTETIZZARE QUESTE SOSTANZE C’E’ BISOGNO DI H, PERCHE’ SI TRATTA 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, ossidativa ed essenzialmente irreversibile, comprende le prime tre reazioni che trasformano il glucosio 6 -fosfato (G 6 P) in ribulosio 5 -fosfato con liberazione di una molecola di CO 2 produzione 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 (G 6 PDH), noto anche come favismo. I soggetti che portano questa mutazione (legata al crom. X), avendo una carenza di G 6 PDH, sviluppano un anemia quando ingeriscono fave o altro perché questi alimenti inibiscono la G 6 DPH, già carente. Ma perché i globuli rossi necessitano di questo enzima? . . .

Nei globuli rossi la via del pentoso fosfato è l’unica fonte del NADPH necessario per mantenere in forma ridotta lo ione ferroso Fe 2+ dell’emoglobina che, a causa della presenza dell’ossigeno, tende a ossidarsi spontaneamente a Fe 3+, 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 La glicolisi avviene nel citosol, in assenza di ossigeno. Attraverso 10 reazioni chimiche il glucosio viene trasformato in • 2 molecole di piruvato (o acido piruvico) • 2 molecole di ATP • 2 molecole di NADH La glicolisi è un processo molto antico In dettaglio, le reazioni sono le seguenti

L’acido piruvico rappresenta un crocevia, può prendere 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, come In 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 piruvico intermedi del ciclo di Krebs alcuni amminoacidi Non possono essere utilizzati gli acidi grassi. Attenzione: anche se si parte dal piruvato, la gluconeogenesi non è esattamente l’inverso della glicolisi perché le reazioni con un ∆G molto positivo devono essere bypassate

Il destino dell’acido piruvico 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+ (utile per la glicolisi). 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+

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 e si accumula nei muscoli, provocando dolore.

. . ancora sulla fermentazione lattica 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.

La fermentazione alcolica 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 aldeide acetica e poi riducono quest’ultima ad etanolo. In questo modo ossidano il NADH a NAD+ e possono continuare a ricavare energia dalla glicolisi. Il lievito più comunemente usato è Saccharomyces cerevisiae, che è "addomesticato" da migliaia di anni per la produzione di vino, pane e birra. Aldeide ac.

…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 nel mitocondrio. Vediamo come sono fatti:

L’acido piruvico viene trasportato all’interno dei mitocondri dove avviene la decarbossilazione ossidativa in cui viene trasformato in acetil-Co. A (acetilcoenzima A) Come si vede, nella reazione si forma un NADH ed una molecola di CO 2

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

• • • CICLO DI KREBS: ciclo dell’acido citrico Nel mitocondrio (matrice mitocondriale) una serie di enzimi preleva il gruppo acetile dall’acetil. Co. A 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 CO 2 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 FADH 2 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

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= 2 ATP 3 NADH X 2 = 6 NADH 1 FADH 2 X 2= 2 FADH 2 (bisogna moltiplicare per due perché da ogni molecola di glucosio (6 C) si formano due molecole di acido piruvico (3 C) e due molecole di acetil-co. A. ) A queste vanno aggiunte le molecole ottenute dalla glicolisi: 2 ATP 2 NADH Un rendimento nettamente inferiore a quello del ciclo di Krebs Vediamo ora il quadro riassuntivo

QUADRO RIASSUNTIVO GLICOLISI ATP NADH 2 2 FADH 2 2 ACIDO P- ACETIL Co. A CICLO KREBS 2 6 2 TOTALE 4 10 2 A questo punto, affinchè le cellule possano utilizzare l’energia immagazzinata nel NADH e FADH 2, queste molecole devono entrare nell’ultimo processo della respirazione: LA FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA Comprende due processi: I) CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI II) CHEMIOOSMOSI Entrambi i processi si svolgono sulla membrana interna dei mitocondri. Nel primo processo il NADH e il FAH 2 cedono i propri elettroni alle molecole trasportatrici che li trasportano fino all’ossigeno che è l’accettore finale degli elettroni, trasformandosi in acqua.

I) CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI Ubichinone o Coenzima Q, molecola idrofobica diffusibile nel doppio strato Complesso I NADH DEIDROGENASI trasferisce elettroni dal NADH al Coenzima. Q Complesso II SUCCINATO DEIDROGENASI trasferisce elettroni dal FADH 2 al Coenzima Q Citocromo c, una piccola proteina periferica (solubile), presenta il gruppo prostetico eme con ferro. Complesso III UBICHINONE CITOCROMO C REDUTTASI trasferisce elettroni dal Coenzima. Q al citocromo c Complesso IV CITOCROMO OSSIDASI trasferisce elettroni dal citocromo c all’O 2

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’energia liberata 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 3 ATP Per ogni FADH 2 ossidato nella catena respiratoria si producono 2 ATP GLICOLISI ATP NADH 2 2 FADH 2 2 ACIDO P- ACETIL Co. A CICLO KREBS 2 6 2 TOTALE 4 10 (X 3= 30 ATP) 4 (X 2= 8 ATP) TOTALE : 38 MOLECOLE DI ATP PER OGNI MOLECOLE DI GLUCOSIO A volte 36 ATP perché alcune cellule consumano ATP per trasportare Il NADH della glicolisi nei mitocondri.

QUADRO RIASSUNTIVO fine