L'ENERGIA NELLE CELLULE

gli organismi ricavano energia dall'ambiente e la trasformano all'interno delle cellule per utilizzarla secondo le proprie esigenze

ATP = moneta di scambio energetico, usata dalle cellulare per trasferire energia

Ciclo di accoppiamento energetico:

  1. L'idrolisi di ATP in ADP e P libera energia
  2. L'energia viene usata dal trasporto attivo, movimenti cellulari e sintesi (anabolismo)
  3. L'energia viene prodotta dalla respirazione cellulare e dalla demolizione (catabolismo)
  4. Tale energia servirà per la sintesi di ATP da ADP e P
    e così ciclicamente

gli enzimi sono proteine che accelerano e rendono possibili le reazioni cellulari

Reazioni di ossidoriduzione (redox) --> elettroni trasferiti da una sostanza all'altra

NAD = coenzima = molecola che partecipa a una via metabolica e favorisce il trasferimento di elettroni

L'agente ossidante si riduce guadagnando elettroni (perchè guadagnare elettroni vuol dire dimunuire il numero di ossidazione)

l'agente riducente si ossida e perde elettroni (perchè perdere elettroni = aumentare numero di ossidazione)

l'ossidazione del NADH libera energia e comporta la riduzione di una molecola che acquista l'atomo di idrogeno perso dal NADH. Abbiamo quindi il NAD+

la riduzione del NAD+ richiede energia e comporta l'ossidazione di una molecola che cede un atomo di idrogeno al NAD+. Abbiamo quindi il NADH

METABOLSIMO =
l’insieme delle reazioni biochimiche (svolte dalle cellule) che degradano e sintetizzano le biomolecole, si svolgono in ogni organismo vivente per accrescimento, rinnovamento e mantenimento

è suddiviso in vie metaboliche

reazioni cataboliche che le scindono (esoergoniche)

METABOLSIMO DEL GLUCOSIO
coincide con quello dei carboidrati in generale

reazioni anaboliche che sintetizzano molecole complesse (endoergoniche)

i processi metabolici più importanti per il rilascio dell'energia del glucosio sono:

  • glicolisi, reazione anaerobica (in assenza di ossigeno)
  • fermentazione, reazione anaerobia
  • respirazione cellulare, con ossigeno

GLICOLISI

RESPIRAZIONE CELLULARE
(reazione redox = richiede ossigeno e produce energia)

avviene nei mitocondri, si pensa che prima i mitocondri erano organelli separati rispetto alle cellule

3 fasi

1) fase preparatoria

la produzione di acetil-CoA (nella matrice dei mitocondri) è il processo che unisce la glicolisi al ciclo di Krebs --> per ogni 2 molecole di piruvato (che si sono spostate dal citoplasma ai mitocondri) si sintetizzano 2 acetil-CoA e altre 2 di NADH (decarbonizzazione + ossidazione--> H e C rimossi dal piruvato riducono il NAD+), mentre si libera CO2

2) Ciclo di Krebs

si svolge nella matrice dei mitocondri e grazie ad esso avviene l'ossidazione completa della molecola di glucosio iniziale fino ad ottenere CO2

3) fosforilazione ossidativa
(catena trasporto degli elettroni)

avviene nella membrana dei mitocondri, "il motore della cellula"

FERMENTAZIONE

Il rendimento energetico della molecola di glucosio arriva a 38 molecole di ATP poichè il glucosio viene ossidato completamente attraverso diverse reazioni

FOTOSINTESI

consente di catturare l'energia luminosa dal Sole e di utilizzarla per produrre glucosio (energia chimica) e ossigeno a partire da CO2 e H2O

6 CO2 + 6 H2O + energia --> C6H12O6 + 6 O2

nelle cellule eucariote avviene nei cloroplasti

2 fasi

fase chimica/oscura--> le molecole di ATP e NADPH prodotte nella fase luminosa vengono utilizzate per la riduzione della CO2, attraverso il ciclo di Calvin (reazioni anaboliche)

da 2 molecole di Acetil-CoA si staccano i coenzima A (riciclato) e partecipano al ciclo solo i 2 gruppi acetilici (formati da 2 atomi di carbonio)

Per ciascuna molecola di glucosio (2 piruvato) di partenza ad ogni ciclo di Krebs sono prodotti:

  • 2 ATP
  • 6 NADH
  • 2 FADH2
  • liberazione di 4 CO2
  1. catena di trasporto degli elettroni --> NADH e FADH2 cedono i propri elettroni ad un complesso di proteine che li trasporta all’ossigeno, il quale accetta 2 elettroni (dalla catena di trasporto) e 2 ioni H+ dalla soluzione circostante→ così si ottiene H2O.
  1. 3 complessi proteici utilizzano l'energia liberata dalla catena di trasporto per trasportare ioni H+ contro gradiente (energia potenziale)--> si forma un gradiente protonico (di H+) che porta alla sintesi di ATP --> processo di chemiosmosi

il grandiente elettrochimico genera la forza motrice protonica, che fa rientrare i protoni verso la matrice mitocondriale, per equilibrare la distribuzione delle cariche.
La membrana mitocondriale interna, impermeabile ai protoni, contiene un canale associato all' ATP SINTASI

nutrimento principale della quasi totalità delle cellule eterotrofe.

funzioni principali:

  • ricavare energia attraverso la degradazione di sostanze nutrienti
  • convertire nutrienti in molecole utili
  • sintetizzare biomolecole
  • elaborare sostenze di scarto

il glucosio viene ossidato a diossido di carbonio. Gli atomi di idrogeno riducono l'ossigeno producento acqua

il glucosio viene scisso poco alla volta, così che l'energia non si disperda totalmente in calore

gli atomi di idrogeno vengono rimossi tramite i coenzimi di ossidoriduzione NADH+ e FAD.
L'energia "catturata" è usata per produrre ATP

inoltre : ADP + P --> ATP

NAD+ e FAD sono i trasportatoi di ioni idrogeno e di elettroni dai substrati organici all'ossigeno

in presenza di ossigeno da qua in avanti

  1. fase di investimento energetico --> 2 ATP consumati per attivare il glucosio, una molecola C6 che si seprara in 2 molecole C3 = gliceraldeide-3-fosfato

molti dei trasportatori della catena che si "passano" fra loro gli elettroni sono detti citocromi

quando gli elettroni vengono trasferiti da un trasportatore al successivo, l'energia liberata viene trasformata in ATP

L’enzima ATP sintetasi, forma un complesso nella membrana interna del mitocondrio e grazie all'energia potenziale produce ATP facendo passare ioni H per il proprio canale.

La chemiosmosi può sintetizzare fino a 28 molecole di ATP→ totale 36 - 38 ATP per 1 glucosio.

alcolica

lattica

acetica

l’acido piruvico viene trasformato in alcol etilico con liberazione di CO2

Nelle cellule animali, il piruvato in arrivo dalla glicolisi accetta 2 atomi di idrogeno, riducendosi a lattato, si ottiene l’acido lattico, come av-
viene nella produzione dello yogurt,
così anche nei muscoli

indotta da alcuni batteri, si forma
acido acetico, come nella produzione dell’aceto dal vino

processo presente in tutti gli organismi vegetali e fotoautotrofi

comune a:

  • eucarioti (piante ed alghe)
  • procarioti (batteri fotosintetici

fase luminosa --> attraverso l’assorbimento dell’energia solare e la fotolisi dell’acqua,
si ha la produzione di ATP e NADPH (energia chimica) e emissione di ossigeno (necessaria per la nostra vita)

avviene a livello delle membrane dei tilacoidi dei cloroplasti dove ci sono pigmenti fotosintetici (clorofilla) organizzati in due fotosistemi, ognuno con un centro di reazione--> (raccogliere l’energia radiante catturata dalle altre molecole cromofore)

le molecole di clorofilla e altri pigmenti captano la luce come un’antenna e trasferiscono l’energia al centro di reazione del fotosistema

  1. centro di reazione P680 (fotosistema II) --> passando da stato eccitato (riceve energia) a fondamentale cede elettroni ad un accettore e giungono al fotosistema I
  1. centro di reazione P 700 (fotosistema I) --> raccoglie e convoglia gli elettroni in una proteina che li cede al NADP+ producendo NADPH

il flusso di elettroni tra i 2 fotosistemi (insieme alla fotolisi dell'acqua) genera un gradiente di concentrazione grazie al quale ioni H+ scorrono attraverso l'ATP-sintasi --> genera ATP per chemiosmosi (ADP+gruppo fosfato) --> energia luminosa convertita in energia chimica

Fasi del Ciclo di Calvin

avviene nel citosol :

10 fasi della glicolisi (not important according to M. Ferrario)

1) fosforilazione --> l'enzima esochinasi si inibisce con alti valori di glucosio, evita sovrapproduzione di ATP, l'enzima fosforila il glucosio in glucosio6-fosfato (costo = 1 ATP)

2) Isomerization : glucose-6-phosphate isomerizes to become fructose-6-phosphate

3) second-phosphorylation: enzima fosfofrutto si inibisce con alti valori di ATP --> la glicolisi si modula in base alla troppa quantità di ATP o di glucosio

4) Cleavage the molecule is divided into two molecules called GADP and DHAP

5) Conversion of DHAP in GADP

6) "Payoff phases" no --> Oxidation: the two GADP molecules are oxidated (put together) and this requires NAD and inorganic phosphate (P)

7) Dephosphorylation produces one ATP in the process

8) Phosphate transfer

9) Dehydration

10) Second Dephosphorylation --> enzima che si inibisce con alti valori di ATP per evitare un surplus

ATP sintasi ha una struttura particolare, come quella di un rotore

C6H12O6 + 6 O2 --> 6 CO2 + 6 H2O + energia

  • stroma, lo spazio interno alla membrana
  • tilacoidi, le strutture deputate alla fotosintesi
  • grana, tante tilacoidi assieme
  1. Fissazione del carbonio --> Si parte dal ribulosio difosfato (RuDP) → zucchero con 5 atomi di carbonio. L’enzima rubisco lega il CO2 al RuDP generando un prodotto instabile che si scinde in 2 molecole di acido 3-fosfoglicerico (3-PGA) → acido con 3 atomi di carbonio
  1. Riduzione --> ogni 3-PGA viene ridotta in gliceraldeide-3-fosfato (G3P)
  1. Rigenerazione del ribulosio --> con un altro ribulosio il ciclo prosegue

tempi di sintesi:

  • gliceraldeide --> 3 cicli (9 ATP e 6 NADPH)
  • glucosio --> 6 cicli

ATP + NADPH + CO2 --> glucose

light + H2O --> ATP + O2 + NADPH

L'ossigeno liberato dalla fotosintesi deriva dalla fotolisi dell'acqua

reazioni esoergoniche = forniscono energia per svolgere le attività cellulari. Sono spontanee. Es: respirazione cellulare, glicolisi

reazioni endoergoniche = consumano energia libera. Non sono spontanee. Es: fotosintesi clorofilliana. Grazie alla rottura dei legami ATP in ADP

è la prima fase di degradazione del glucosio

è la via metabolica successiva se dopo che la glicolisi ha prodotto il piruvato siamo in assenza di ossigeno (se no ci sarebbe stata la respirazione cellulare)

2) fase di produzione energetica = vengono sintetizzare 4 molecole di ATP

fase più antica a livello evolutivo, avviene anche negli organismi più semplici

il guadagno finale della glicolisi è:

  • 2 molecole di PIRUVATO dalla scissione del glucosio
  • 2 ATP
  • 2 NADH + H+

se tale processo di di autoregolazione non funziona --> cellule tumorali

NADH e FADH2 con il carico di energia precedentemente acquisito subiscono reazioni redox e rilasciano l'energia in modo controllato e moderato

Ogni vola che un trasportatore riceve un elettrone si riduce, per riossidarsi immediatamente dopo, cedendo gli stessi elettroni al trasportatore successivo

meno efficace, ma produce 2 ATP (energia) in poco tempo