respirazione cellulare, Sintesi del corso di Biologia

Scarica respirazione cellulare e più Sintesi del corso in PDF di Biologia solo su Docsity! LA GLICOLISI La glicolisi si svolge nel citoplasma di tutte le cellule e comprende dieci reazioni, ognuna catalizzata da uno specifico enzima. Durante le reazioni della glicolisi si verifica l'ossidazione incompleta della molecola di glucosio con formazíone di due molecole di piruvato e liberazione di energia chimica: l'energia liberata è impiegata per la sintesi di ATP e per la riduzione di NAD+. Poiché l'ossidazione del glucosio non è completa, solo una piccola quota dell’energia contenuta nei suoi legami viene accumulata sotto forma di ATP e NADH; la maggior parte rimane nel prodotto finale, il piruvato. Le dieci tappe della glicolisi si possono raggruppare in due grandi fasi: 1. La fase endoergonica: le prime cinque tappe della glicolisi rompono il glucosio in due molecole a tre atomi di carbonio. Questa fase è endoergonica perché per avviare la reazione è necessario fornire energia sotto forma di due molecole di ATP(reazioni di innesco). Nella fase endoergonica, quindi, la cellula consuma due ATP e produce due G3P. 2. La fase esoergonica: questa fase, costituita anch’essa da cinque tappe, comporta la liberazione di energia chimica e la trasformazione della G3P in piruvato. Complessivamente si verificano la sintesi di quattro molecole di ATP e la riduzione di due molecole di NAD+ a NADH. Sette delle dieci tappe della glicolisi sono reversibili, ovvero possono avvenire anche nella direzione opposta (questo è importante nella via di sintesi del glucosio). Le altre tre tappe sono irreversibili nelle condizioni intracellulari; questo fa sì che la glicolisi sia nel suo insieme un processo irreversibile. Come abbiamo visto, la fase endoergonica della glicolisi avviene in cinque tappe, richiede l'investimento di due molecole di ATP e porta alla rottura del glucosio in due molecole di gliceraldeide 3-fosfato. Gli enzimi coinvolti in questa fase appartengono alle famiglie trasferasi, isomerasi e liasi. Al termine della fase preparatoria si sono formate due molecole di gliceraldeide 3-fosfato per ogni molecola di glucosio; ora inizia la conversione di questa molecola in piruvato, accompagnata dalla formazione di quattro molecole di ATP e di due di NADH. Gli enzimi coinvolti in questa fase appartengono alle famiglie ossidoreduttasi, trasferasi, isomerasi e liasi. Ciascuna molecola di glucosio è ossidata a due molecole di piruvato; nella prima fase sono consumate due ATP, nella seconda fase se ne formano quattro. Il bilancio energetico è quindi di due ATP per ogni molecola di glucosio. Nel processo si verifica anche la riduzione di due NAD+ a due NADH, per cui l'equazione completa è la seguente: glucosio + 2 ATP + 2 NAD + 4 ADP + 2 P → → 2 piruvato + 2 ADP + 2 NADH + 2 Ht + 4 ATP + 2 H20 Se semplifichiamo l’equazione e otteniamo: glucosio + 2 NAD* +2 ADP + 2 P. → → 2 piruvato + 2 NADH + 2 Ht + 2 ATP + 2 H,0 l piruvato prende vie diverse a seconda che ci si trovi in presenza o in assenza di ossigeno. 1. In condizioni aerobiche si verifica l'ossidazione completa del piruvato grazie alla respirazione cellulare, il gruppo carbossilico del piruvato verrà eliminato sotto forma di CO2, con formazione dell'acetil-coenzima A, che sarà poi completamente ossidato a CO2, nel ciclo di Krebs, all'interno dei mitocondri. Sempre nei mitocondri, le due molecole di NADH saranno riossidate a NAD+ dalla catena di trasporto degli elettroni, secondo la reazione: 2 NADH + 2 Ht +O, → 2 NAD + 2 H,0 Il trasferimento degli elettroni dal NADH all'O, fornisce l'energia per la sintesi dell'ATP mediante il processo di fosforilazione ossidativa. 2. In condizioni anaerobiche la cellula deve ricorrere alla fermentazione per evitare che la glicolisi si blocchi a causa dell'assenza di NAD+. La fermentazione può avvenire in due modi che permettono entrambi la rigenerazione del NAD+: nella fermentazione lattica, il piruvato si riduce a lattato mentre nella fermentazione alcolica il piruvato è convertito a etanolo e diossido di carbonio. In determinate condizioni le cellule non dispongono di ossigeno suficiente per riossidare il NADH prodotto dalla glicolisi attraverso la respirazione cellulare; in questo caso rigenerano il NAD per mezzo della fermentazione lattica, che riduce il piruvato a lattato grazie all’enzima lattato deidrogenasi: La fermentazione lattica avviene tipicamente nelle cellule muscolari durante un’attività intensa; in questa situazione, il muscolo utilizza la sua riserva di glucosio per produrre ATP mediante la fermentazione, con il lattato come prodotto finale. Il ciclo di reazioni che comprende la conversione del glucosio in lattato nel muscolo e la conversione del lattato in glucosio nel fegato viene detto ciclo di Cori. Il lievito e altri microrganismi riossidano il NADH a NAD+ attraverso la fermentazione alcolica che produce etanolo e CO2, iI processo prevede due reazioni: dapprima il piruvato prodotto tramite la glicolisi è decarbossilato grazie alla piruvato decarbossilasi, con formazione di acetaldeide; nella seconda reazione l'acetaldeide è ridotta a etanolo grazie all'enzima alcol deidrogenasi, Con la contemporanea ossidazione del NADH. L'etanolo e il CO2, sono i prodotti terminali della fermentazione alcolica, la cui equazione netta è glucosio + 2 ADP + 2Pi → 2 etanolo + 2 CO2 + 2 ATP+2H20 Per tutti gli organismi che non svolgono la fermentazione, la glicolisi è solo la prima fase del'ossidazione del glucosio. In presenza di ossigeno il piruvato prodotto dalla glicolisi viene ulteriormente ossidato a H20 e CO2; questa fase aerobica costituisce la respirazione cellulare La respirazione cellulare avviene nei mitocondri, organuli avvolti da una doppia membrana: • la membrana mitocondriale esterna è liscia e permeatbile a piccole molecole e a ioni che si muovono liberamente attraverso i canali transmembrana formati da proteine chiamate porine; • La membrana mitocondriale interna, estesa e ripiegata a formare le creste, è invece impermeabile alle molecole di piccole dimensioni e agli ioni. Grazie alla presenza di due membrane, i mitocondri risultano divisi in due compartimenti: lo spazio intermembrana e matrice mitocondriale. L’esistenza di due compartimenti separati da una membrana selettivamente permeabile è alla base dei processi biochimici che vi si verificano. La respirazione cellulare comprende tre vie metaboliche che avvengono in sequenza 1. La decarbossilazione ossidativa del piruvato, che avviene nella matrice mitocondriale che ossida il piruvato a gruppo acetile. 2. Il ciclo di Krebs, una serie ciclica di reazioni che ossidano il gruppo acetile a CO2. L'energia rilasciata è accumulata sotto forma di coenzimi ridotti (NADH e FADH2). Si svolge nella matrice mitocondriale. 3. La fosforilazione ossidativa riossida i coenzimi ridotti NADH e FADH2, liberando elettroni e protoni: gli elettroni sono trasferiti all'ossigeno attraverso la catena di trasporto o catena respiratoria. Lungo il processo si libera energia, che viene accumulata sotto forma di ATP. Per poter entrare nel ciclo di Krebs, il piruvato deve essere prima trasformato in acetil-CoA. La reazione è catalizzata dalla piruvato deidrogenasi e comprende due eventi: 1. la decarbossilazione e l'ossidazione del piruvato (a tre atomi di carbonio) ad acetile con liberazione di una molecola di CO2 e la riduzione di una molecola di NAD+ e NADH. 2. la formazione di un legame tra il gruppo acetile e il coenzima A (CoA) per produrre acetil-CoA. Complessivamente, quindi, per ogni molecola di glucosio si otterranno due CO, due acetil CoA e due NADH. La piruvato deidrogenasi costituisce un enzima chiave del nostro metabolismo. Il ciclo di Krebs o ciclo dell'acido citrico è una via metabolica costituita da otto reazioni, ciascuna catalizzata da uno specifico enzima. Il ciclo inizia con il legame del gruppo acetile dell'acetil-CoA all'ossalacetato, con formazione del citrato. Il citrato è isomerizzato a isocitrato, che viene decarbossilato (liberazione di una molecola di CO,) per formare a-chetoglutarato. L’a-chetoglutarato è decarbossilato per formare il succinato. Il succinato è ossidato a fumarato, che reagisce con acqua formando il malato, che infine è ossidato a ossalacetato. Questo composto può reagire con una nuova molecola di acetil-CoA e iniziare un altro giro del ciclo. Dato che ogni molecola di glucosio che entra nella glicolisi produce due molecole di piruvato,l ciclo di Krebs si compie due volte per ogni molecola di glucosio. Pertanto, il bilancio complessivo è: 2 acetil-CoA + 6 NAD+ + 2 FAD + 2 ADP + 2P + 4 H2O→ →4 CO2 +6 NADH +6 H+ + 2 FADH2 +2 ATP + 2 CoA L'energia liberata da queste reazioni è impiegata per la riduzione di tre molecole di NAD e di una di FAD), oltre che per la sintesi di una molecola di ATP mediante fosforilazione a livello del substrato. Nel complesso, le reazioni del ciclo di Krebs portano all'ossidazione completa dei due atomi di carbonio del gruppo acetile. L'ossidazione del glucosio, del piruvato e del gruppo acetile producono molte molecole di NADH e FADH2: queste molecole contengono un'elevata quantità di energia che viene usata nella fosforilazione ossidativa per sintetizzare ATP. Tale processo ha inizio con l'ingresso degli elettroni conservati dai coenzimi NAD e FAD nella catena respiratoria mitocondriale che si trova nella membrana interna del mitocondrio. Nella catena respiratoria gli elettroni provenienti dal NADH e dal FADH2 passano attraverso una serie di trasportatori di elettroni fino ad arrivare all’ossigeno. Prima di ridurre l'ossigeno ad acqua, gli elettroni prendono parte a una serie di reazioni redox rilasciando gradualmente la propria energia, che è utilizzata per trasferire protoni fuori dalla matrice mitocondriale. I trasportatori di elettroni possono avere natura chimica molto diversa. - Le flavoproteine contengono un cofattore flavinico in grado di accettare o cedere due elettroni. - L’ubichinone o coenzima Q è un derivato del benzene, anch'esso capace di accettare e cedere elettroni; si muove liberamente nel doppio strato lipidico della membrana interna, facendo da ponte tra i trasportatori di elettroni meno mobili inseriti nella membrana stessa. - I citocromi sono proteine con un gruppo prostetico eme contenente ferro; I citocromi di tipo a e b sono proteine integrali della membrana mitocondriale interna, mentre il citocromo c è una proteina periferica che si lega alla membrana mitocondriale interna dal lato dello spazio intermembrana. - Nelle proteine ferro-zolfo sono presenti atomi di ferro associati ad atomi di zolfo; esse accettano e cedono facilmente elettroni modificando lo stato di ossidazione dei loro atomi di ferro.