La respirazione cellulare
O2
CO2
RESPIRAZIONE ESTERNA
RESPIRAZIONE CELLULARE
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 36ATP.
L’energia dei composti del carbonio
• I legami tra atomi di carbonio e di idrogeno
immagazzinano energia
• Il carbonio legato all’idrogeno si definisce
H
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
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:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 36ATP.
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 kJ(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)
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 36ATP.
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+ + 2H  NADH + H+
Forma ossidata
Forma ridotta
riduzione
Atomo di idrogeno
nicotin
dinucleotide

adenina
Trasportatori di elettroni (2 elettroni): FAD
ossidazione
FAD + 2H  FADH2
Forma ossidata
Forma ridotta
riduzione
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.
Il tessuto adiposo ha bisogno di sintetizzare acidi grassi per formare trigliceridi
 La ghiandola mammaria in allattamento
 Le ghiandole surrenali hanno bisogno di produrre ormoni corticosteroidi
 il cervello ha bisogno di sintetizzare lipidi per le membrane
Il 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
(G6P) in ribulosio 5-fosfato con
liberazione di una molecola di CO2
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 (G6PDH), noto anche come
favismo
Notate che il ribulosio presenta un gruppo
ossidrilico nel C1 che viene ossidato a
gruppo aldeidico
Nei globuli rossi la via del pentoso fosfato
è l’unica fonte del NADPH necessario
per mantenere in forma ridotta lo
ione ferroso Fe2+ dell’emoglobina che, a
causa
della presenza dell’ossigeno, tende a
ossidarsi
spontaneamente a Fe3+, 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+. 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 acetaldeide 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.
…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 non può superare la membrana
mitocondriale; quindi, per entrare nel mitocondrio deve
essere trasformato in acetil-CoA (acetilcoenzima A), una
molecola che riesce ad attraversare la membrana e va
nella matrice mitocondriale
Come si vede, nella reazione si forma un NADH ed una molecola di CO2
L’acetil-CoA 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’acetilCoA
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’acetilCoA 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 CO2
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 FADH2
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= 2ATP
3 NADH X2 = 6NADH
1 FADH2 X2= 2 FADH2
(bisogna moltiplicare per due
perché da ogni molecola di
glucosio (6C) si formano due
molecole di acido piruvico (3C) e
due molecole di acetil-coA.)
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
ACIDO P- ACETIL
CoA
FADH2
2
CICLO KREBS
2
6
2
TOTALE
4
10
2
A questo punto, affinchè le cellule possano utilizzare l’energia immagazzinata
nel NADH e FADH2, 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 FAH2 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
CoenzimaQ
Complesso II
SUCCINATO
DEIDROGENASI
trasferisce
elettroni dal
FADH2 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
CoenzimaQ
al citocromo c
Complesso IV
CITOCROMO
OSSIDASI
trasferisce
elettroni dal
citocromo c
all’O2
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 3ATP
Per ogni FADH2 ossidato nella catena respiratoria si producono 2ATP
GLICOLISI
ATP
NADH
2
2
ACIDO P- ACETIL
CoA
FADH2
2
CICLO KREBS
2
6
2
TOTALE
4
10 (X3= 30 ATP)
4 (X2= 8ATP)
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