La Glicolisi e la Respirazione Cellulare: Sintesi e Ossidazione di Glucosio, Appunti di Biologia, microbiologia e tecnologie di controllo sanitario

Scarica La Glicolisi e la Respirazione Cellulare: Sintesi e Ossidazione di Glucosio e più Appunti in PDF di Biologia, microbiologia e tecnologie di controllo sanitario solo su Docsity! 1 Le cellule sono sistemi aperti che scambiano continuamente materia ed energia, prelevano dall'esterno le sostanze nutritive, le trasformano e infine eliminano i prodotti di scarto. Queste trasformazioni avvengono grazie a numerose reazioni chimiche che, nel loro insieme, costituiscono il metabolismo cellulare. Le reazioni anaboliche sintetizzano molecole complesse a partire da molecole più semplici e sono dette endoergoniche (richiede energia per la costruzione). Le reazioni cataboliche demoliscono le molecole complesse in altre più semplici. Le reazioni cataboliche sono esoergoniche, quindi liberano energia. Il catabolismo e l'anabolismo sono processi accoppiati; e cioè condividono un reagente e/o un prodotto. La molecola che fornisce l'energia per le reazioni accoppiate è l'ATP o adenosina trifosfato, l'idrolisi dell'ATP spezza i legami tra due gruppi fosfato producendo una molecola di ADP (adenosina difosfato), uno ione fosfato inorganico (HPO2- 4,abbreviato in Pi) ed energia, secondo la reazione: ATP + H2O -› ADP + Pi + energia In tutti gli organismi,il combustibile chimico più comune è il glucosio, ma possono essere utilizzati altri carboidrati, i grassi e le proteine. Gli enzimi sono particolari proteine che hanno la funzione di catalizzatori biologici, accelerano una reazione ad esempio la lipasi (spezzettatura dei lipidi) e abbassano l’energia di attivazione. In una reazione catalizzata da un enzima, i reagenti prendono il nome di substrati. Le molecole di substrato (S) si legano a un sito dell'enzima, chiamato sito attivo, dove avviene la reazione. Il legame di un substrato al sito attivo dell'enzima porta alla formazione del complesso enzima-substrato (ES sistema chiave-serratura), che dà origine al prodotto (P) e poi rilascia l'enzima. Si dice che , se il substrato si lega con il sito attivo è competitivo, se invece si lega al sito allosterico non è competitivo. Alla fine della reazione, l'enzima liberato (E) esce inalterato e può essere riutilizzato (tranne in presenza di inibitori): E+S-> ES-> E+ P Tutte le vie metaboliche seguono tre principi comuni: 1. ogni via metabolica è regolata da enzimi chiave che determinano la velocità del processo complessivo; 2. ogni fase della reazione è catalizzata da un enzima specifico; 3. le vie metaboliche sono attive soltanto in specifici compartimenti cellulari, come il citoplasma o l'interno di organuli. 2 Reazioni importanti per il metabolismo cellulare sono le ossidoriduzioni o reazioni redox, in cui uno o più elettroni sono trasferiti da una sostanza a un'altra. La riduzione è una reazione che prevede l'acquisto di uno o più elettroni da parte di un atomo, di uno ione o di una molecola, mentre l'ossidazione è la cessione di uno o più elettroni. Il composto che si riduce è detto agente ossidante (poiché ossida l'altro) e quello che si ossida è detto agente riducente (poiché riduce l'altro). Gli enzimi che catalizzano le reazioni redox lavorano insieme a particolari coenzimi che funzionano come navette in grado di trasportare gli elettroni. Il più importante è il coenzima NAD, nicotinammide adenina dinucleotide. Il NAD si presenta in due forme: la forma ossidata NAD', con un contenuto energetico inferiore, e la forma ridotta NADH + H+, più ricca di energia. Gli enzimi deidrogenasi «caricano» il NAD+ di elettroni, trasformandolo nella forma ridotta NADH + H+ - - - - NAD++2e-+2H+ -> NADH + H+ La glicolisi è un processo che non richiede ossigeno e scinde la molecola di glucosio in due molecole di un composto a tre atomi di carbonio, il piruvato. Durante il processo si producono anche due molecole di ATP a partire da ADP e Pi. La glicolisi avviene nel citoplasma e comprende una sequenza di dieci reazioni. Nelle prime cinque reazioni, la molecola di glucosio (costituita da 6 atomi di carbonio) è scissa in due molecole di idrossido acetone fosfato, poi in gliceraldeide 3-fosfato e nel corso delle reazioni successive, queste due molecole sono convertite in altrettante molecole di piruvato (anch'esso a 3 atomi di carbonio). Complessivamente, dal glucosio sono rimossi quattro elettroni che vanno a ridurre le molecole di NAD+ e viene liberata una piccola quantità di energia utilizzata per sintetizzare ATP. E dunque necessaria l'energia di due molecole di ATP per innescare il processo che produce complessivamente due NADH e quattro ATP, come si vede dall'equazione generale della glicolisi: glucosio + 2 ATP + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD + + 4 H + -› 2 piruvato + 4 ATP + 2 NADH + 2 H + + 2 H 20 Il guadagno della glicolisi è quindi di due molecole di ATP e due molecole di NADH per ogni molecola di glucosio. Quando non c'è ossigeno nell'ambiente, alla glicolisi segue un processo di fermentazione che non produce ATP, ma ossida il NADH per rigenerare il NAD+ necessario alla glicolisi. Esistono vari tipi di fermentazione: -La fermentazione alcolica comprende due tappe: nella prima, il piruvato prodotto dalla glicolisi perde un atomo di carbonio sotto forma di CO, e si trasforma in un composto a due atomi di carbonio chiamato acetaldeide, nella seconda tappa l'acetaldeide è ridotta ad alcol etilico e il NADH è ossidato a NAD+. Il diossido di carbonio si libera sotto forma di gas. 4 Il movimento delle sostanze dentro e fuori le cellule avviene in modi diversi, il più semplice è la diffusione La diffusione semplice è il passaggio diretto attraverso la membrana di particelle liposolubili o di piccole dimensioni, secondo gradiente di concentrazione. Una molecola apolare è solubile nei lipidi, perciò riesce a entrare nella cellula attraverso il doppio strato fosfolipidico della membrana plasmatica al contrario, le particelle più grandi (come AA e zuccheri) e quelle elettricamente cariche (gli ioni) non attraversano facilmente la membrana. La diffusione facilitata avviene senza consumo di energia, ma richiede l'intervento di due tipi di proteine di membrana: i canali proteici e i carrier. I canali proteici sono proteine trans-membrana formate da subunità che delimitano un poro centrale. La superficie del canale è costituita da AA polari che facilitano il passaggio di sostanze polari, soprattutto ioni. Tra i canali proteici, i più importanti sono: - i canali ionici regolano il flusso di ioni in entrata e in uscita dalla cellula; - le acquaporine hanno la funzione di aumentare la permeabilità verso l'acqua. I carrier, o proteine di trasporto, si legano ad alcune sostanze, per trasferirle da un lato all'altro della membrana cellulare. Il carrier del glucosio, facilita l'assorbimento dello zucchero da parte delle cellule. Il glucosio si lega alla proteina di trasporto che ne permette il passaggio attraverso la membrana e, in seguito a un cambiamento di conformazione, la liberazione nel citoplasma. Lo spostamento dell’acqua avviene sempre da una regione a potenziale idrico maggiore verso una regione a potenziale idrico minore. Nelle soluzioni acquose il potenziale idrico è determinato dalla concentrazione dei soluti. Quando l’acqua risulta meno concentrata e il potenziale idrico è minore, la soluzione è detta ipertonica. Quando l’acqua risulta più concentrata e il potenziale idrico è maggiore, la soluzione è detta ipotonica. Se due soluzioni a concentrazione diversa sono separate da una membrana che permette il passaggio dell'acqua ma non dei soluti, le molecole d'acqua diffondono dalla soluzione ipotonica verso quella ipertonica (con potenziale idrico minore) attraverso un processo chiamato osmosi. Il processo continua fino a quando la concentrazione di soluti diventa la stessa in entrambe le soluzioni (dette isotoniche). Il trasferimento di acqua è influenzato dalla concentrazione delle sostanze discollte. Si parla di trasporto passivo, quando il movimento attraverso la membrana avviene secondo gradiente di concentrazione e non richiede energia, mentre, si parla di trasporto attivo quando avviene a spese di molecole di ATP con consumo di energia chimica e spostamento di molecole contro gradiente di concentrazione (cioè dalla zona con concentrazione minore verso quella con concentrazione maggiore).. Le proteine di trasporto attivo sono chiamate pompe e possiedono due siti di legame: uno per la molecola da trasportare e uno per l'ATP, che fornisce l'energia necessaria allo svolgimento del processo. Esistono due tipi di trasporto attivo: -l'uniporto, ovvero il trasporto di una sostanza in un'unica direzione; -simporto, che è il trasporto di due sostanze nella stessa direzione. -antiporto, sostanze in direzioni opposte, una verso l'interno e l'altra verso l'esterno della cellula. Per introdurre o espellere molecole di grandi dimensioni, la cellula ricorre al trasporto mediante vescicole rivestite da membrana. Il processo di espulsione è detto esocitosi, L'endocitosi è il processo che permette alla cellula di introdurre. Quando la sostanza che deve essere trasportata all'interno della cellula è solida, l'endocitosi è chiamata fagocitosi. L'introduzione di sostanze liquide utili al metabolismo cellulare prende il nome di pinocitosi.