Respirazione cellulare e sintesi di ATP, Appunti di Biologia Animale

Scarica Respirazione cellulare e sintesi di ATP e più Appunti in PDF di Biologia Animale solo su Docsity! Respirazione cellulare La produzione di energia metabolica è compito di specifici organelli citoplasmatici: mitocondri nelle cellule animali e cloroplasti nelle cellule vegetali. Inoltre i perossisomi riducono gli acidi grassi a catena molto lunga attraverso una beta ossidazione. Mitocondri e cloroplasti derivano da batteri che si sono stabiliti nel citoplasma della cellula eucaristica ancestrale (endosimbiosi). Questi, come i batteri, hanno un DNA circolare e si dividono per scissione, ma possono unirsi anche per fusione. Sintesi di ATP l’ATP è un composto fortemente polare che pertanto non può attraversare le membrane biologiche, anche perché non esistono sistemi in grado di trasportarlo. Ogni cellula quindi provvede alla sintesi del suo ATP. Per sintesi si intende l’attacco di un terzo gruppo fosfato all’ADP. È più corretto quindi parlare di fosforilazione dell’ATP. La sintesi dell’ATP avviene con due meccanismi distinti: 1. Fosforilazione a livello del substrato: la sintesi avviene quando, nel corso del catabolismo, una reazione di ossidazione porta alla formazione di un composto (substrato) fosforilato che abbia un contenuto energetico sufficientemente elevato per poter andare incontro ad una singola reazione che liberi almeno le 7,3 kcal necessarie per trasferire il fosfato all’ADP. Per cui l’ATP si ottiene per trasferimento di un gruppo fosfato inorganico direttamente all’ADP. 2. Fosforilazione ossidativa: l’energia necessaria alla sintesi di una molecola di ATP deriva dal trasferimento di elettroni attraverso coenzimi ridotti fino a un accettore finale, che è l’ossigeno. Questo processo comprende reazioni fortemente esoergoniche attraverso la catena respiratoria. L’energia liberata da queste reazioni si esprime attraverso il gradiente elettrochimico di protoni (gradiente di pH) attraverso la membrana, che poi, associato all’enzima F0/F1 ATPasi, produce ATP. N.B. : non tutti i composti fosforilati hanno contenuto energetico sufficientemente elevato affinché possano trasferire il loro fosfato all’ADP formando ATP. Questo valore si chiama potenziale di fosforilazione e deve essere minore di -7,3 kcal/mol, che è l’energia necessaria per fosforilare una molecola di ADP. Coenzimi Svolgono un ruolo fondamentale nella produzione di energia nelle cellule. Sono piccole molecole che non vengo mai consumate, ma sempre riciclate venendo ossidati o ridotti e trasportando elettroni e piccole molecole. Tra questi il più comune è il NAD (nicontinammide adenin dinucleotide). Esiste in forma ossidata (NAD+) o in forma ridotta (NADH) Il NAD fa parte, insieme al NADP, ai coenzimi piridinici. Si riconoscono anche i coenzimi flavinici che sono FMN (flavin-adenin-mononucleotide) e FAD (flavin-adenin-dinucleotide) Glicolisi Questo processo avviene nel citosol in 10 reazioni, quasi tutte vicine all’equilibrio, tranne 3 che sono irreversibili (esochinasi, fosfofruttochinasi, piruvato chinasi). In queste reazioni il gruppo fosfato gioca un ruolo chiave, poiché la fosforilazione attiva lo zucchero rendendolo capace di partecipare ad altre reazioni. 1. ESOCHINASI: entrato per diffusione facilitata attraverso la membrana, il glucosio, con il dispendio di 1 ATP viene fosforilato, ed essendo ora una specie chimica completamente diversa, non può più abbandonare la membrana. Questo enzima, che come si capisce ha per substrato uno zucchero esoso, viene inibito dal prodotto della reazione che catalizza, cioè il glucosio 6-P (feedback negativo). 2. GLUCOSIO 6-FOSFATO ISOMERASI: trasforma il glucosio 6P in un suo isomero, cioè il fruttosio 6-fosfato. Questa reazione prevede uno spostamento del doppio legame del C con O dal C1 al C2. 3. FOSFOFRUTTOCHINASI: il fruttosio 6-P viene ulteriormente fosforilato a opera dell’enzima fosfofruttochinasi, con spesa di 1 ATP. Il gruppo fosfato viene aggiunto al C6 ottenendo quindi fruttosio 1,6-bifosfato. Entrambe le reazioni di fosforilazione avvengono con DG nettamente negativo, pertanto sono irreversibili. In particolare la seconda fosforilazione è il punto principale di regolazione della via glicolitica, poiché da questo punto in avanti il fruttosio è irreversibilmente impegnato. 4. ALDOLASI: il fruttosio bifosfato viene scisso ad opera dell’enzima aldolasi in due zuccheri triosi, entrambi fosfati: diidrossiaceton-fosfato (un chetotrioso) e gliceraldeide 3-fosfato (G3P, un aldotrioso) 5. TRIOSO FOSFATO ISOMERASI: questo enzima converte il diidrossiacetonfosfato in gliceraldeide 3-P, in modo da ottenere due molecole di G3P che, da questo punto della glicolisi, saranno il reagente di ogni reazione che avverrà quindi due volte. 6. GLICERALDEIDE 3-FOSFATO DEIDROGENASI: si tratta di una complessa reazione di ossidazione e fosforilazione a carico della G3P. L’enzima, utilizzando anche NAD+ e fosfato inorganico, ossida il gruppo aldeidico a gruppo carbossilico, conservando l’energia liberata dalla reazione di ossidazione in quanto dà origine a una anidride mista tra carbossile e fosfato. Si forma il composto 1,3-bifosfoglicerato, che è in grado di donare un fosfato all’ADP. C₆H₁₂O₆ + ATP → P-C₆H₁₁O₆ + ADP + H⁺ P-C₆H₁₁O₆ + ATP → P-C₆H₁₀O₆-P + ADP + H⁺ P-C₆H₁₀O₆-P ⇄ P-C₃H₅O₃ (diidrossiacetonfosfato) + C₃H₅O₃-P(gliceraldeide 3-Fosfato) C₃H₅O₃-P + NAD⁺ + P ⇄ P-C₃H₄O₃-P + NADH + H⁺ Produzione aerobica di ATP Il mitocondrio Sono organelli presenti in tutte le cellule eucariotiche (anche quelle fotosintetiche, in cui producono energia in caso di assenza di luce). Possono fondersi o dividersi, conservando però la stessa architettura di base. In esso avviene il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa. Ciascun mitocondrio è delimitato da due membrane : • Membrana mitocondriale esterna che avvolge l’intero organello costituendo il confine con il citoplasma. È costituita al 50% da lipidi e ugualmente da una miscela di enzimi diversi. Si pensa derivi dalla membrana esterna di alcuni batteri per la presenza di porine, che da aperte permettono il passaggio di ATP, NAD e CoA; • Membrana mitocondriale interna ha una superficie superiore a quella esterna e forma numerose creste verso l’interno (invalidazioni appiattite). Ha un rapporto proteine/lipidi di 3:1, è priva di colesterolo e contiene un particolare fosfolipide, la cardiolipina (ulteriore prova dell’origine batterica del mitocondrio). È altamente impermeabile a tute le molecole, quindi per oltrepassarla si necessita di trasportatori specifici di natura proteica; Cosi facendo, il mitocondrio ha due compartimenti ripieni di liquido: • Matrice mitocondriale: è all’interno della membrana interna, contiene enzimi, ribosomi (per la produzione di alcune prot mitocondriali), DNA a doppio filamento circolare (batterico). Questo DNA codifica per 13 proteine idrofobiche che vengono integrate nella membra interna, 2rRNA e 22tRNA. • Spazio intermembrana: fluido a base acquosa compreso tra membrana interna ed esterna, è insinuato all’interno delle creste. Il piruvato entra nella matrice insieme ai protoni attraverso un meccanismo coniugato. Nella matrice il piruvato subisce in primo luogo una decarbossilazione ossidativa, catalizzata dall’enzima piruvato deidrogenasi. L’ossidazione avviene a carico del C2 del piruvato, che da gruppo chetonico, diventa carbossilico. La reazione è importante poiche da questa fase in avanti il piruvato è destinato irreversibilmente alla completa ossidazione (o la sintesi di acidi grassi). Meccanismi di regolazione assicurano che la decarbossilazione avvenga solo quando la cellula necessita di energia. L’enzima è infatti regolato allostericamente dai prodotti della reazione che catalizza: acetil-CoA, NADH e ATP (tutti si accumulano quando la cellula ha sufficiente energia). Derivazione del piruvato da catene di acidi grassi I grassi sono una fonte di energia alternativa, infatti la fonte di energia può anche provenire da molecole di acidi grassi, derivate dall’idrolisi dei trigliceridi e di altri lipidi complessi. Innanzitutto gli acidi grassi vengono attivati nel citosol in seguito alla reazione con il coenzima A dalla acil-CoA-sintetasi, con dispendio di 1 ATP. Si ottiene un acil-CoA. Il processo di beta-ossidazione avviene nella matrice dei mitocondri. Ogni molecola di acido grasso è demolita staccando due unità alla volta e ottenendo 1 acetil-CoA, un abile a due atomi in meno di C, un FADH2 e un NADH ridotti. Tutto ciò viene catalizzato dalle acil- CoA-deidrogenasi, mentre il ciclo di 4 reazioni si ripete fino a che l’acido grasso non viene completamente scisso in molecole di acetil-CoA. Gli acil-CoA attraversano la membrana interna tramite: • Carnitina (proteina rivolta verso lo spazio intermembrana o verso la matrice). • Traslocatore in sistema antiporto. L’acetil-CoA è analogo a quello prodotto in seguito alla glicolisi, ma da una catena di acidi grassi se ne ottengono di più (i grassi hanno > contenuto energetico degli zuccheri). Ciclo di Krebs La completa ossidazione dell’acetil-CoA formatosi nei vari modi possibili (vedi sopra) avviene nella matrice mitocondriale attraverso una serie di reazioni cicliche (ciclo degli acidi tricarbossilici TCA, o ciclo dell’acido citrico). 1. L’acetil-CoA viene coniugato all’ossalacetato (acido bicarbossilico a 4 C) per dare origine a una molecola di citrato. La reazione, catalizzata dalla citrato sintasi, coinvolge un NAD+ ridotto a NAH₂, e una molecola di acqua. 2. Il citrato viene isomerizzato a isocitrato (citrato isomerasi). 3. L’isocitrato deidrogenasi catalizza una reazione di decarbossilazione ossidativa, tale per cui di ottiene una molecola di CO2, 1 NADH e 1H+., oltre che l’alfa- chetogluterato. 4. La chetogluterato deidrogenasi catalizza la seconda decarbossilazione ossidativa, ottenendo ancora 1CO2, 1NADH, e 1H+. Il ciclo continuerà con il succinil-CoA. 5. Il tioestere del succinil-CoA ha un contenuto energetico cosi elevato da permettere, tramite una fosforilazione a livello del substrato, la produzione di una molecola di GTP (eventualmente convertito in ATP) e di succinato. L’enzima succinil-CoA- sintasi catalizza la reazione. 6. Il succinato viene poi ossidato dalla succinato deidrogenasi, enzima che accoppia la riduzione di FAD+ a FADH2 alla formazione di fumarato. Gli elettroni sottratti al succinato da FAD andranno direttamente nella catena respiratoria e saranno trasferiti al coenzima Q. C₃H₃O₃⁻ + NAD⁺ + CoA-SH → NADH+ H⁺+ Acetil-CoA+ CO₂ 7. Il fumarato viene poi trasformato dalla fumarasi in malato, aggiungendo una molecola di acqua al doppio legame del fumarato. 8. Infine la malato deidrogenasi riforma l’ossalacetato abbinando la riduzione di NAD+ a NADH + H+. L’ossalacetato può ora riprendere il ciclo legandosi a un altro acetil-CoA a formare citrato e cosi via. Altre molecole possono entrare nel ciclo di Krebs in fasi intermedie (amminoacidi), come alcuni prodotti possono lasciare il ciclo per svolgere altre funzioni nella cellula. Bilancio netto del ciclo di Krebs Il ciclo dell’acido citrico ha come obiettivo quello di produrre coenzimi ridotti (NADH e FADH2). Nel complesso la reazione è: I punti di regolazione del ciclo sono in corrispondenza delle reazioni che liberano più energia (e che quindi sono irreversibili), cioè isocitrato deidrogenasi e alfa-chetoglutorato deidrogenasi. L’energia contenuta negli elettroni combinati con questi enzimi ridotti è molto grande e il loro trasferimento all’ossigeno con formazione di acqua è molto esoergonico. Per la produzione di energia che questi coenzimi ridotti hanno come potenziale avviene attraverso i meccanismi seguenti. Catena respiratoria Si tratta di un insieme di trasportatori di elettroni disposti in ordine crescente di potenziale redox, cioè con affinità sempre più alta per gli elettroni. Il cambiamento nei potenziali redox tra due trasportatori è direttamente proporzionale all’energia libera rilasciata quando un elettrone si trasferisce tra essi. Ognuno è ridotto quando riceve un elettrone, e ossidato quando lo perde, a favore di un altro trasportatore. Accoppiata alla loro progressiva riduzione è L’ossidazione di NADH e FADH2 a NAD+ e FAD. La catena di trasporto degli elettroni è localizzata nella membrana mitocondriale interna. I trasportatori si presentano come proteine raggruppate in complessi proteici. Inoltre è formata da 5 tipi di trasportatori di elettroni: 1. Flavoproteine: polipeptide legato a due gruppo prostetici simili (FAD o FMN, che cedono o accettano due protoni e due elettroni, e NADH) 2. Citocromi: proteine contenenti un gruppo EME (il ferro subisce transizioni da n.ox 3+ a 2+ o viceversa, continuando a scambiare elettroni). Nella catena sono presenti citocromi a,a3,b,c e c1). “a” e “b” sono proteine integrali di membrana, “c” è una proteina periferica che non fa parte di un grande complesso. 3. Atomi di rame: inserirti in un complesso proteico in membrana accettano e donano un elettrone quando il rame cambia stato di ossidazione (da + a 2+) 4. Ubichinone o coenzima Q: è una molecola liposolubile contenente una lunga catena idrofobica, capace quindi di accettare e donare 2 elettroni e 2 protoni. Diffonde lateralmente la membrana. 5. Proteine ferro-zolfo: contendono ferro legato a zolfo inorganico, accettano e donano un singolo elettrone. Tutti questi trasportatori si organizzano nei complessi che sono in totale 4 (di cui 3 sono pompe protoniche) e in ordine : Acetil-CoA+ 2H₂O + FAD + 3NAD⁺ + GDP + Pi → 2CO₂+ FADH₂+ 3NADH+ 3H⁺+ GTP + HS-CoA