2° INCONTRO:
LA PRODUZIONE DI ENERGIA
NELLA CELLULA
1
INTRODUZIONE
2
1
L’energia chimica
Esistono diversi tipi di energia e una tra queste è l’energia
chimica: un tipo di energia che possiedono tutte le molecole
grazie ai legami formati tra i loro atomi.
L’energia chimica è fondamentale per la vita perché è l’unica
forma di energia potenziale disponibile per il lavoro cellulare.
ATP
Atomo di
Ossigeno
3
L’adenosina trifosfato:
il magazzino di energia
Adenosina
Trifosfato (ATP)
Gruppo
fosfato
Adenina
Ribosio
Legame ad alta energia!!
2
Adenosina
Trifosfato (ATP)
Gruppo
fosfato
Adenina
Ribosio
Idrolisi
Fosforilazione
(Per ottenere energia
per il lavoro cellulare
es: muscolare)
(Per produrre
nuovamente ATP)
+ Adenosina
Difosfato (ADP)
5
Check
Cos’è l’ATP?
Come è strutturato?
Come cede energia?
6
3
Dove avviene la produzione di ATP?
7
Cellula eucariote:
Reticolo
endoplasmatico
ruvido
Reticolo
endoplasmatico
liscio
NUCLEO
Involucro nucleare
Cromatina
Nucleolo
Lisosoma
Centriolo
Ribosomi
Perossisoma
CITOSCHELETRO:
Microtubuli
Filamenti
intermedi
Microfilamenti
Apparato
di Golgi
Membrana plasmatica
Mitocondrio
8
4
..ma in quale compartimento?
9
I mitocondri della cellula eucariote
producono energia
I mitocondri hanno un ruolo
fondamentale nel procurare energia
alla cellula. La produzione di molecole
ad alta energia,come l’ATP, avviene nei
mitocondri
CRESTE: punto del mitocondrio
dove avviene la produzione di
energia!
10
Sadava et al. Biologia La scienza della vita © Zanichelli editore 2010
5
Mediante quale PROCESSO avviene
la produzione di ATP?
…mediante la RESPIRAZIONE CELLULARE.
11
Respirazione polmonare o respirazione cellulare??
 La respirazione polmonare fornisce alle cellule l’O2 necessario
per la respirazione cellulare ed elimina la CO2 prodotta dalla
respirazione cellulare:
– La respirazione polmonare è necessaria per eliminare
CO2, prodotta durante la respirazione cellulare, e acquisire
O2
– La respirazione cellulare sfrutta l’O2 (processo
aerobico) per estrarre energia dal glucosio e produce CO2
durante il processo
12
6
O2
Respirazione
polmonare
CO2
Polmoni
CO2
Circolazione sanguigna
O2
Le cellule muscolari svolgono la
Respirazione cellulare
Glucosio + O2
CO2 + H2O + ATP
13
Check
In che modo sono collegate la respirazione
polmonare e la respirazione cellulare?
14
7
LA RESPIRAZIONE CELLULARE
15
La respirazione cellulare è un processo aerobico
C6H12O6
Glucosio
+ 6
O2
Ossigeno
6 CO2
Diossido
di carbonio
+ 6
H 2O
Acqua
+
ATP
Energia
+
Calore
16
8
La funzione fondamentale della respirazione cellulare è
quella di ricavare energia dal glucosio
e di immagazzinarla nelle molecole di ATP
 L’energia contenuta nel glucosio si trova nella particolare
disposizione degli elettroni nei legami chimici delle molecole
di cui sono composti
 Nella respirazione cellulare il glucosio:
1. viene scomposto in atomi (C, H, O)
2. gli vengono sottratti elettroni
 Nella respirazione cellulare la cellula sposta gli elettroni
dal glucosio all’ossigeno, attraverso numerosi passaggi.
+ elettroni
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 Durante questo trasferimento gli elettroni cedono
energia, che viene trasferita all’ATP
 Tramite la respirazione cellulare si producono 38 molecole
di ATP partendo da 1 molecola di glucosio
 NB: 1 molecola di ATP fornisce 1,8*10-26 cal: POCHISSIMO!
18
9
Come sposta la cellula gli elettroni presi dal glucosio?
I trasportatori di elettroni:
NADH e FADH2
 Esistono degli enzimi che trasportano gli elettroni:
– NADH trasporta 2 elettroni
– FADH2 trasporta 2 elettroni
Ma dove li trasportano??....
19
…alla catena di trasporto degli elettroni:
 NADH e FADH2 cedono gli elettroni
a una catena di trasporto degli
elettroni
NADH
ATP
NAD+
+
2e–
Sintesi
di ATP
H+
 La catena di trasporto forma una
specie di scala energetica: gli
elettroni scendono da questa scala
e arrivano fino all’ossigeno e
cedono energia per la sintesi di
ATP
2e–
1-
O2
2
H+
H 2O
20
10
LE TRE TAPPE
DELLA RESPIRAZIONE CELLULARE
21
Prima tappa: la GLICOLISI
Glucosio
 Nel CITOPLASMA
2 ADP
 1 molecola di glucosio (6C)
2 NAD+
+
viene scissa in
9 reazioni
2 P
2 NADH
2 molecole di piruvato (3C)
2
ATP
+
2 H+
 Durante il processo vengono prodotte:
– 2 molecole di ATP
– 2 molecole di NADH
2 Piruvato
22
11
Fase intermedia 1-2: decarbossilazione ossidativa.
 Il piruvato entra nei mitocondri dove viene trasformato in Acetil-CoA
per accedere al ciclo di Krebs (2° fase respirazione cellulare)
NADH + H+
NAD+
2
CoA
Piruvato
1
CO2
Acetilcoenzima A
(Acetil-CoA)
3
Coenzima A
Espirazione!
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Seconda tappa: Il ciclo di Krebs
(ciclo dell’Acido Citrico)
2x
Acetil-CoA
CoA
• nei MITOCONDRI
CoA
• produce: CO2, ATP,
NADH, FADH2
CICLO DI KREBS
2 CO2
(Ciclo dell’acido citrico)
3 NAD+
FADH2
3 NADH
FAD
+
3 H+
ATP
ADP +
P
24
12
Terza tappa: la fosforilazione ossidativa
 Nella fosforilazione ossidativa il NADH e il FADH2 cedono i propri
elettroni alle molecole della catena di trasporto degli elettroni
– A ogni gradino della scala gli elettroni cedono una parte della
propria energia potenziale
– L’accettore finale degli elettroni è l’ossigeno
– L’energia recuperata dalla catena di trasporto viene utilizzata per
spostare ioni idrogeno all’esterno della matrice mitocondriale
– Gli ioni rientrano nella matrice mitocondriale attraverso la ATP
sintetasi che ruotando lega un fosfato all’ADP, producendo
nuovamente ATP.
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NADH
NAD+
+
ATP
2e–
Rilascio controllato
di energia per la sintesi
di ATP
H+
H+
2e–
1-
2
O2
H 2O
26
13
Spazio
intermembrana
Membrana
mitocondriale
interna
H+
Complesso
enzimatico
per il trasporto
di elettroni
Flusso di
elettroni
H+
H+
H+
Trasportatore
di elettroni
FADH2
H+
H+
H+
ATP
sintetasi
FAD
NAD+
NADH
H+
H+
H+
1-
2
O2 + 2 H+
H+
Matrice
mitocondriale
H+
ADP + P
H 2O
Catena di trasporto degli elettroni
H+
ATP
Chemiosmosi
FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA
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La glicolisi e il ciclo di Krebs producono soltanto un piccolo quantitativo di ATP.
La loro principale funzione è quella di fornire elettroni per la terza tappa, in
cui viene prodotto il maggior numero di molecole di ATP
Mitocondrio
Citoplasma
2 NADH
2 NADH
(or 2 FADH2)
6 NADH
2 NADH
GLICOLISI
Glucosio
2
Piruvato
2 Acetil
CoA
CICLO
DI KREBS
+ 2 ATP
+ 2 ATP
Rendimento massimo
Per molecola di glucosio
2 FADH2
FOSFORILAZIONE
OSSIDATIVA
(trasporto degli elettroni
e chemiosmosi)
+ Circa 34 ATP
Dalla fosforilazione ossidativa
Circa
38 ATP
28
14
In sintesi:
 Ricapitolando, la demolizione completa di una
molecola di glucosio avviene attraverso
(1) glicolisi, (2) ciclo di Krebs, e (3) fosforilazione
ossidativa
– NB: Dato che la maggior parte di questa energia deriva
dalla fosforilazione ossidativa, il rendimento effettivo
dipende molto dalla disponibilità di ossigeno per la
cellula
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Le tre tappe della respirazione cellulare avvengono in parti
diverse della cellula
Check
Quali sono le tre tappe della Glicolisi?
Dove avvengono?
Quale tappa produce più ATP?
30
15
Che effetto può avere l’assenza di ossigeno sul
processo illustrato nella diapositiva precedente?
31
Che succede in condizioni anaerobiche?
(assenza di O2 nella cellula)
FERMENTAZIONE
32
16
La fermentazione permette alle cellule
di produrre ATP in assenza di ossigeno
 La fermentazione è un processo metabolico anaerobico,
cioè si verifica in assenza di ossigeno
Trasportatore di elettroni
nella membrana
Citoplasma
2 NADH
(or 2 FADH2)
6 NADH
2 NADH
GLICOLISI
2
Piruvato
Glucosio
X
Mitocondrio
2 NADH
2 Acetil
CoA
CICLO
DI KREBS
FOSFORILAZIONE
OSSIDATIVA
(trasporto degli elettroni
e chemiosmosi)
+ 2 ATP
Dalla fosforilazione
a livello del substrato
+ 2 ATP
Dalla fosforilazione
a livello del substrato
Rendimento massimo
Per molecola di glucosio
Circa
38 ATP
2 FADH2
+ Circa 34 ATP
Dalla fosforilazione ossidativa
33
La fermentazione lattica (anaerobica)
– Glicolisi normale:
glucosio
2 ADP
+2 P
2 ATP
GLICOLISI
Glucosio
 Le cellule muscolari e alcuni tipi di
batteri utilizzano la fermentazione
lattica
2 NAD+
2 NADH
2 piruvato
– Il piruvato viene trasformato in
Acido Lattico
2 Piruvato
2 NADH
2 NAD+
2 Lattato
Affaticamento
muscolare
34
17
La fermentazione alcolica (solo nei lieviti)
 Le popolazioni umane ricorrono da millenni alla
fermentazione alcolica per preparare birra, vino e pane
lievitato
– I lieviti in assenza di ossigeno, trasformano il piruvato in
etanolo e liberando una molecola di CO2
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Glucosio
2 ATP
2 NAD+
GLICOLISI
2 ADP
+2 P
2 NADH
2 Piruvato
2 NADH
2 CO2
Liberati
2 NAD+
2 Etanolo
Fermentazione alcolica
36
18
Le cellule utilizzano molti tipi di molecole organiche per
procurarsi l’energia di cui hanno bisogno
 Noi e gli altri animali utilizziamo 3 tipi di molecole come fonti di
energia:
FILMATO
37
FINE
38
19