METABOLISMO CELLULARE
Struttura dell’ATP
(Adenosintrifosfato)
Adenina (base azotata), Ribosio (zucchero) e un gruppo fosforico
ATP
• Il legame covalente tra i gruppi fosforici si spezza
facilmente liberando energia necessaria a guidare
molte reazioni essenziali nella cellula.
• Quando un gruppo fosforico viene rimosso si liberano
circa 7 kilocalorie per mole e l’ATP diviene ADP
(adenosindifosfato).
• Fornendo 7 kilocalorie per mole, l’ADP riacquista il
gruppo fosforico e diviene di nuovo ATP.
Enzimi ed ATP
(nelle reazioni chimiche)
• Gli enzimi (proteine) riducono fortemente l’energia di
attivazione di una reazione chimica.
• L’ATP (nucleotide) fornisce l’energia necessaria alla
reazione chimica stessa.
La creazione dell’ATP nelle cellule
attraverso l’ossidazione del glucosio
C6H12O6
6O2
6CO2
6H2O
686 kcal
L’ossidazione del glucosio nella cellula
C6H12O6
6O2
6CO2
6H2O
686 kcal
Circa il 40% dell’energia liberata in questo processo è
utilizzata per trasformare ADP in ATP.
In presenza di ossigeno (ambiente aerobico)
l’ossidazione completa di una molecola di glucosio
produce circa 38 molecole di ATP.
Le due fasi dell’ossidazione completa del glucosio
• Glicolisi
• Respirazione
(ciclo di Krebs
nel citoplasma della cellula
nei mitocondri della cellula
catena di trasporto degli elettroni)
In assenza di ossigeno (ambiente anaerobico, per es. nelle
cellule muscolari) la respirazione non può avere luogo e
l’ossidazione di una molecola di glucosio produce solo 2
molecole di ATP.
• La glicolisi è un punto centrale del
metabolismo dei carboidrati.
• Tutti gli zuccheri possono essere convertiti
in glucosio (sia alimentari che provenienti da
reazioni cataboliche intracellulari).
• La glicolisi è utilizzata da tutti i tessuti per
demolire il glucosio e per:
1) ottenere energia (sotto forma di ATP)
2) ottenere intermedi destinati ad altre vie
metaboliche
GLICOLISI AEROBICA
• Avviene nelle cellule dotate di mitocondri e di un
adeguato apporto di ossigeno
• E’ detta aerobica perché è necessario l’ossigeno
per riossidare il NADH che si forma durante
l’ossidazione della gliceraldeide 3-fosfato
• Il prodotto finale è il piruvato
• Il piruvato successivamente subirà la
decarbossilazione ossidativa ad acetil CoA
(reazione irreversibile) ed andrà ad alimentare il
Ciclo di Krebs.
GLICOLISI ANAEROBICA
• E’ detta anaerobica perché avviene senza la
partecipazione dell’ossigeno
• Permette la produzione di ATP:
- nei tessuti privi di mitocondri (p.es. globuli
rossi)
- in cellule in cui l’apporto di ossigeno è
insufficiente
• Il prodotto finale è il lattato: il glucosio è
convertito in piruvato che è poi ridotto a
lattato dal NADH (che viene così
riconvertito in NAD+)
Le due fasi dell’ossidazione completa del glucosio
Le due fasi dell’ossidazione completa del glucosio
• Nella glicolisi una molecola di glucosio è trasformata
in due molecole di acido piruvico. Il guadagno
energetico netto, inteso come energia recuperata, è di
due molecole di ATP e due molecole di NADH per
ogni molecola di glucosio.
• Nella respirazione molecole di NADH e di FADH2
liberano energia (ossidandosi) che viene utilizzata per
la formazione di ATP da ADP e fosfato
(fosforilazione ossidativa).
I mitocondri
• Due membrane (interna ed esterna) selettive.
• All’interno delle creste della membrana interna vi è una soluzione
densa (enzimi, coenzimi, acqua, fosfati, ecc.) detta matrice.
Il passaggio preliminare alla respirazione
• L’acido piruvico passa dal citoplasma, attraverso la
membrana dei mitocondri, nella matrice mitocondriale.
• Prima di entrare nel ciclo di Krebs (prima tappa della
respirazione), ogni molecola di acido piruvico viene
ossidata:
CH3COCOOH
A
NAD
CH3COA
• L’acetil-CoA dà inizio al ciclo di Krebs.
CO2
NADH
Ciclo di Krebs
Ciclo di Krebs
Nel corso del ciclo, due dei sei atomi di carbonio sono ossidati
a CO2 e parte dell’energia rilasciata è utilizzata per la
produzione di NADH, ATP e FADH2.
CH3COA
ac. ossalacetico
NAD
Pi
NAD
ac. ossalacetico CH3CoA 2CO2
ATP 3NADH NAFH2
FAD
CoA
La catena di trasporto di elettroni
Dopo il ciclo di Krebs la molecola di glucosio è
completamente ossidata ma molta dell’energia liberata si
trova negli elettroni delle molecole di NADH e NAFH2.
Le molecole di NADH e NAFH2, nei pressi della
membrana mitocondriale interna, si vengono a trovare in
un gradiente di protoni (catena di trasporto) e perdono per
ossidazione i propri elettroni energetici in un processo
che porta alla formazione di acqua e molecole di ATP per
fosforilazione ossidativa.
E’ stato stimato che, nella catena di trasporto degli
elettroni, per ogni molecola di NAFH2 e NADH si
formano rispettivamente due e tre molecole di ATP.
Bilancio energetico massimo
nell’ossidazione di una molecola di glucosio
C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O 686 kcal
(38 molecole di ATP) (7 kcal) = 266 kcal (40%)
RENDIMENTO ENERGETICO DELLA
GLICOLISI
GLICOLISI AEROBICA
• Per ciascuna molecola di glucosio si formano
2 molecole di Piruvato, 2 molecole di ATP ,
2 molecole di NADH
• Il NADH viene ossidato mediante la catena
di trasporto degli elettroni che produce 3
molecole di ATP per ogni molecola di NADH
che entra nella catena
• Rendimento energetico totale: 8 molecole
di ATP + Piruvato (che entrerà nel ciclo di
Krebs!)
RENDIMENTO ENERGETICO
DELLA GLICOLISI
GLICOLISI ANAEROBICA
• Per ciascuna molecola di glucosio si formano 2
molecole di ATP
• Non c’è produzione o consumo netto di NADH !
• La glicolisi anaerobica è una preziosa fonte di
energia:
1) quando l’apporto di O2 è limitato (p. es. nel
muscolo durante l’esercizio intenso)
2) nei tessuti privi o con pochi mitocondri (p. es.
globuli rossi, leucociti)
RIDUZIONE DEL PIRUVATO IN LATTATO
• Il lattato è il prodotto finale della glicolisi
anaerobica nelle cellule eucariotiche
• Si forma ad opera della lattato deidrogenasi che
catalizza la riduzione del piruvato a lattato (con
ossidazione del NADH a NAD+)
• Il lattato è il destino principale del piruvato nei
globuli rossi, leucociti, nel cristallino, nella cornea
• La direzione della reazione catalizzata dalla lattato
deidrogenasi dipende da:
- [lattato] e [piruvato] intracellulari
rapporto NADH/NAD+ intracellulare
N.B. Le vie metaboliche, in cui gli e- liberati dalla ossidazione della
gliceraldeide 3-P vengono ceduti come accettore finale ad un substrato,
si chiamano fermentazioni.
FORMAZIONE DI LATTATO NEI MUSCOLI
• Quando nei muscoli scheletrici in attività il
rapporto NADH/NAD+ è elevato (perché la
produzione di NADH supera la capacità ossidativa
della catena respiratoria)
piruvato
lattato
• Durante l’esercizio intenso nel muscolo si accumula
lattato (la del pH intracellulare che ne consegue
può provocare crampi!)
• Il lattato diffonde nel torrente sanguigno e può
essere utilizzato dal fegato per sintetizzare
glucosio
Fegato e cuore, dove il rapporto NADH/NAD+ è più
basso che nel muscolo in attività, ossidano il lattato
(assunto dal sangue) in piruvato
• (A) Nel fegato, il piruvato è :
- convertito in glucosio (gluconeogenesi)
oppure
- ossidato nel ciclo di Krebs
• (B) Il cuore ossida esclusivamente il lattato a CO2
ed H2O mediante il ciclo di Krebs