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BIOENERGETICA

ATP

• ATP è la molecola adenosin-tri-fosfato

• ATP è la “moneta” energetica che viene spesaper qualsiasi lavoro cellulare

• Usata continuamente, continuamente rigenerata

• ATP è prodotto da ADP + P

• Un singola molecola a bassa energia di fosfato(HPO3) si combina con una diadenosinadifosfato formando un legame adalta energia

Struttura dellStruttura dell’’ATPATP((AdenosintrifosfatoAdenosintrifosfato))

AdeninaAdenina (base azotata), Ribosio (zucchero) e un gruppo fosforico(base azotata), Ribosio (zucchero) e un gruppo fosforico

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ATPATP

Il legame covalente tra i gruppi fosforici si spezza Il legame covalente tra i gruppi fosforici si spezza facilmente liberando energia necessaria a guidare facilmente liberando energia necessaria a guidare molte reazioni essenziali nella cellula.molte reazioni essenziali nella cellula.Quando un gruppo fosforico viene rimosso si Quando un gruppo fosforico viene rimosso si liberano circa 7 liberano circa 7 kilocaloriekilocalorie per mole e lper mole e l’’ATP diviene ATP diviene ADP (ADP (adenosindifosfatoadenosindifosfato).).Fornendo 7 Fornendo 7 kilocaloriekilocalorie per mole, lper mole, l’’ADP riacquista il ADP riacquista il gruppo fosforico e diviene di nuovo ATP.gruppo fosforico e diviene di nuovo ATP.

Enzimi ed ATP Enzimi ed ATP (nelle reazioni chimiche)(nelle reazioni chimiche)

Gli enzimi (proteine) riducono fortemente lGli enzimi (proteine) riducono fortemente l’’energia di energia di attivazione di una reazione chimica.attivazione di una reazione chimica.

LL’’ATP (ATP (nucleotidenucleotide) fornisce l) fornisce l’’energia necessaria alla energia necessaria alla reazione chimica stessa.reazione chimica stessa.

I coenzimi delle deidrogenasi: NADH e FADH2

Generare ATP è quindi lo scopo principale di tutto il metabolismo energetico.

Questo avviene alla fine di un lungo processo di demolizione dei nutrienti che caratterizzato da una serie di ossidoriduzioni in cui, partendo da un substrato ridotto (un carboidrato, un acido grasso e anche un aminoacido) con una determinata energia potenziale di legame, gli elettroni e i protoni vengono trasferiti da intermedi specifici.

Questi trasportatori di "potere riducente" sono i coenzimi delle deidrogenasi: il flavin-adenin-dinucleotide (FAD) e il nicotinammide-adenin-dinucleotide (NAD+)

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Questi coenzimi sono complessi molecolari che, per la loro struttura, possono addizionare protoni ed elettroni di atomi di idrogeno rimossi dalle deidrogenasi.

Il NAD+ è in grado di accettare uno ione idruro e quindi un protone e due elettroni : H:(ione idruro) ——→ H+ + un doppietto elettronico.

Il FAD è in grado di accettare due atomi di H e cioè due protoni (2 H+) + un doppietto elettronico.

Evidentemente il NAD ossidato che addiziona due elettroni e un protone si riduce e passa nella forma NADH (ridotto).

Il FAD passa da FAD a FADH2.

Il nicotinammide-adenin-dinucleotide (NAD+; NADH)

La figura ci mostra la sua forma ossidata (NAD+).Come si può vedere all'anello eterociclico dell'adenina è legato un ribosio. Il ribosio lega due gruppi fosfato che, tramite un nuovo ribosio, legano l'anello nicotinammidico (parte grigia chiara) che è la parte reattiva della molecola, cioèquella che accetta il doppietto elettronico e un protone.

Poiché le deidrogenasi rimuovono nel complesso due atomi di idrogeno, la reazione globale libererà un protone H+

NAD+ + H2 ——→ NADH + H+

Come si vede nel dettaglio protoni ed elettroni attaccano il sito reattivo. Un idrogeno si addiziona al sito reattivo mentre l'arrivo del doppietto elettronico, attratto dall'azoto positivo genera un riarrangiamento della distribuzione, nell'anello, che porta all'annullamento della carica sull'azoto che passa da valenza 4 alla valenza 3.

Nota importante: osservando la struttura del NAD, sul ribosio legato all'adenina, in posizione 2' troviamo il gruppo OH. Se al posto di H sostituiamo un gruppo fosfato, allora si parla di NADP+ che, si chiama NAD fosfato ossidato. La presenza di un gruppo fosfato, ad alta energia, conferisce al NADP+, nello stato ridotto, NADPH, la proprietà di essere il principale donatore di elettroni nelle biosintesi riduttive. Il meccanismo di trasferimento degli elettroni è lo stesso sia nel NADH che nel NADPH. E' importante comunque saperli distinguere perché se studiamo una reazione in cui èpresente il NADPH allora siamo all'interno di riduzioni anaboliche mentre se èpresente il NADH allora ci troviamo in tappe cataboliche per la produzione di ATP. Il NADPH viene generato nella via del pentoso fosfato

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Il flavin-adenin-dinucleotide (FAD FADH2)

Nella struttura del FAD troviamo ancora un adenina che si lega ad un ribosio che a sua volta lega due gruppi fosfato. La parte centrale è il derivato da una vitamina idrosolubile la riboflavina, la vit. B12. La parte reattiva sta nell'anello isoallossazinico che può accettare due protoni e due elettroni sugli atomi di N

Mentre i coenzimi NAD possono essere legati a diverse deidrogenasi e sono mobili, i FAD sono legati covalentemente alle loro proteine enzimatiche che per questo prendono il nome di flavoproteine.

LL’’ossidazione del glucosio nella cellulaossidazione del glucosio nella cellula

CC66HH1212OO66 ++ 6O6O22 →→ 6CO6CO22 ++ 6H6H22O O ++ 686 kcal686 kcal

Circa il 40% dellCirca il 40% dell’’energia liberata in questo energia liberata in questo processo processo èè utilizzata per trasformare ADP in ATP.utilizzata per trasformare ADP in ATP.

In presenza di ossigeno (ambiente aerobico) In presenza di ossigeno (ambiente aerobico) ll’’ossidazione completa di una molecola di glucosio ossidazione completa di una molecola di glucosio produce circa 38 molecole di ATP.produce circa 38 molecole di ATP.

Le due fasi dellLe due fasi dell’’ossidazione completa del ossidazione completa del glucosio (1)glucosio (1)

GlicolisiGlicolisi →→ nel citoplasma della cellulanel citoplasma della cellulaRespirazioneRespirazione →→ nei mitocondri della cellulanei mitocondri della cellula

(ciclo di (ciclo di KrebsKrebs ++ catena di trasporto degli elettronicatena di trasporto degli elettroni))

In assenza di ossigeno (ambiente anaerobico, per es. In assenza di ossigeno (ambiente anaerobico, per es. nelle cellule muscolari) la respirazione non può avere nelle cellule muscolari) la respirazione non può avere luogo e lluogo e l’’ossidazione di una molecola di glucosio ossidazione di una molecola di glucosio produce solo 2 molecole di ATP.produce solo 2 molecole di ATP.

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Le due fasi dellLe due fasi dell’’ossidazione completa del ossidazione completa del glucosio (2)glucosio (2)

Nella Nella glicolisiglicolisi una molecola di glucosio una molecola di glucosio èètrasformata in due molecole di acido trasformata in due molecole di acido piruvicopiruvico. Il . Il guadagno energetico netto, inteso come energia guadagno energetico netto, inteso come energia recuperata, recuperata, èè di due molecole di ATP e due di due molecole di ATP e due molecole di NADH per ogni molecola di glucosio.molecole di NADH per ogni molecola di glucosio.

Nella respirazione molecole di NADH e di FADHNella respirazione molecole di NADH e di FADH22liberano energia (ossidandosi) che viene liberano energia (ossidandosi) che viene utilizzata per la formazione di ATP da ADP e utilizzata per la formazione di ATP da ADP e fosfato (fosfato (fosforilazionefosforilazione ossidativaossidativa).).

Le due fasi dellLe due fasi dell’’ossidazione completa del ossidazione completa del glucosio (3)glucosio (3)

La La glicolisiglicolisi

Alla fine della Alla fine della glicolisiglicolisi, il glucosio , il glucosio èè scisso in due molecole di scisso in due molecole di acido acido piruvicopiruvico..Nel processo si liberano 143 kcal. Nel processo si liberano 143 kcal. Rimangono 543 kcal nei legami chimici dellRimangono 543 kcal nei legami chimici dell’’acido acido piruvicopiruvico..

CC66HH1212OO66 ++ 2ATP 2ATP ++ 4ADP 4ADP ++ 2P2Pii ++ 2NAD2NAD++

→→ 22CHCH33COCOOHCOCOOH ++ 2ADP 2ADP ++ 22HH++ ++ 2H2H22O O ++ ++ 2NAD2NADHH ++ 4ATP4ATP ++ 143kcal143kcal

Questo processo biochimico avviene per tappe successive; Questo processo biochimico avviene per tappe successive; attraverso nove reazioni diverse, ognuna catalizzata da un attraverso nove reazioni diverse, ognuna catalizzata da un enzima specifico.enzima specifico.

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Le nove tappe nella Le nove tappe nella glicolisiglicolisi (da 1 a 3)(da 1 a 3)

CC66HH1212OO66 ++ 2ATP 2ATP ++ 4ADP 4ADP ++ 2P2Pii ++ 2NAD2NAD++

→→ 22CHCH33COCOOHCOCOOH ++ 2ADP 2ADP ++ 4ATP4ATP ++++ 2NAD2NADHH ++ 22HH++ ++ 2H2H22O O ++ 143kcal143kcal

Le nove tappe nella Le nove tappe nella glicolisiglicolisi (la 4)(la 4)

CC66HH1212OO66 ++ 2ATP 2ATP ++ 4ADP 4ADP ++ 2P2Pii ++ 2NAD2NAD++

→→ 22CHCH33COCOOHCOCOOH ++ 2ADP 2ADP ++ 4ATP4ATP ++++ 2NAD2NADHH ++ 22HH++ ++ 2H2H22O O ++ 143kcal143kcal

Le nove tappe nella Le nove tappe nella glicolisiglicolisi (da 5 a 7)(da 5 a 7)

CC66HH1212OO66 ++ 2ATP 2ATP ++ 4ADP 4ADP ++ 2P2Pii ++ 2NAD2NAD++

→→ 22CHCH33COCOOHCOCOOH ++ 2ADP 2ADP ++ 4ATP4ATP ++++ 2NAD2NADHH ++ 22HH++ ++ 2H2H22O O ++ 143kcal143kcal

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Le nove tappe nella Le nove tappe nella glicolisiglicolisi (da 8 a 9)(da 8 a 9)

CC66HH1212OO66 ++ 2ATP 2ATP ++ 4ADP 4ADP ++ 2P2Pii ++ 2NAD2NAD++

→→ 22CHCH33COCOOHCOCOOH ++ 2ADP 2ADP ++ 4ATP4ATP ++++ 2NAD2NADHH ++ 22HH++ ++ 2H2H22O O ++ 143kcal143kcal

Bilancio energetico della Bilancio energetico della glicolisiglicolisi

Con la glicolisi abbiamo utilizzato una molecola di glucosio, due di ATP, quattro di ADP, due di NAD+ e due Pi ottenendo alla fine due ADP, quattro ATP, due NADH e due piruvati.

In generale possiamo scrivere la seguente formula:

Glucosio + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ = 2 piruvato + 2NADH + 2ATP

In breve c’è stata la formazione di 2 piruvati e il guadagno di 2 NADH e 2 ATP.

La fermentazioneLa fermentazione

Ogni piruvato così ottenuto, in assenza di ossigeno può avere una delle tre seguenti reazioni chimiche possibili:1) Fermentazione acetica, con la quale si ottiene acido acetico.2) Fermentazione alcoolica, con la quale si ottiene alcool etilico.3) Fermentazione lattica, con la quale si ottiene acido lattico.

La fermentazione lattica è l’ultima fase della respirazione anaerobica cellulare.

Ricordiamo che la respirazione anaerobica è quel tipo di respirazione che avviene quando c’è più energia richiesta che ossigeno disponibile.

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La respirazione aerobicaLa respirazione aerobica

Se nella cellula c’è sufficiente ossigeno al momento della creazione dei piruvati non abbiamo nessuna delle tre fermentazioni, bensì abbiamo il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa.Come vedremo in seguito con ogni glucosio utilizzato otterremo ben 36 moli di ATP, che sommate al guadagno di 2 ATP nella glicolisi portano a un totale di 38 ATP per ogni glucosio.

Ma ora approfondiamo la piruvato deidrogenasi, il ciclo di Krebs e la fosforil-lazione ossidativa

Il passaggio preliminare alla respirazioneIl passaggio preliminare alla respirazione

LL’’acido acido piruvicopiruvico passa dal citoplasma, attraverso la passa dal citoplasma, attraverso la membrana dei mitocondri, nella matrice membrana dei mitocondri, nella matrice mitocondrialemitocondriale..Prima di entrare nel ciclo di Prima di entrare nel ciclo di KrebsKrebs (prima tappa della (prima tappa della respirazione), ogni molecola di acido respirazione), ogni molecola di acido piruvicopiruvico viene viene ossidata:ossidata:

CHCH33COCOOH COCOOH ++ AA−− ++ NADNAD++→→ CHCH33COA COA ++ COCO22 ++ NADHNADH

LL’’acetilacetil--CoACoA ddàà inizio al ciclo di inizio al ciclo di KrebsKrebs..

Ciclo di Ciclo di KrebsKrebs (1)(1)

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Ciclo di Ciclo di KrebsKrebs (2)(2)

Nel corso del ciclo, due dei sei atomi di carbonio sono Nel corso del ciclo, due dei sei atomi di carbonio sono ossidati a COossidati a CO22 e parte delle parte dell’’energia rilasciata energia rilasciata èè utilizzata utilizzata per la produzione di NADH, ATP e FADHper la produzione di NADH, ATP e FADH22..

CHCH33COA COA ++ acac. . ossalaceticoossalacetico ++ NAD NAD ++ PPii ++ NADNAD++ ++ FADFAD

→→ acac. . ossalaceticoossalacetico ++ CHCH33CoA CoA ++ 2CO2CO22 ++ CoACoA ++++ ATPATP ++ 33NADHNADH ++ NAFHNAFH22

La catena di trasporto di elettroniLa catena di trasporto di elettroni

Dopo il ciclo di Dopo il ciclo di KrebsKrebs la molecola di glucosio la molecola di glucosio èècompletamente ossidata ma molta dellcompletamente ossidata ma molta dell’’energia liberata energia liberata si trova negli elettroni delle molecole di NADH e NAFHsi trova negli elettroni delle molecole di NADH e NAFH22..

Le molecole di NADH e NAFHLe molecole di NADH e NAFH22, nei pressi della , nei pressi della membrana membrana mitocondrialemitocondriale interna, si vengono a trovare in interna, si vengono a trovare in un gradiente di protoni (catena di trasporto) e perdono un gradiente di protoni (catena di trasporto) e perdono per ossidazione i propri elettroni energetici in un per ossidazione i propri elettroni energetici in un processo che porta alla formazione di acqua e molecole processo che porta alla formazione di acqua e molecole di ATP per di ATP per fosforilazionefosforilazione ossidativaossidativa..

EE’’ stato stimato che, nella catena di trasporto degli stato stimato che, nella catena di trasporto degli elettroni, elettroni, per ogni molecola di NAFHper ogni molecola di NAFH22 e NADH si e NADH si formano rispettivamente due e tre molecole di ATP.formano rispettivamente due e tre molecole di ATP.

Ipotesi Ipotesi chemiosmoticachemiosmotica

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Bilancio energetico massimoBilancio energetico massimonellnell’’ossidazione di una molecola di glucosioossidazione di una molecola di glucosio

CC66HH1212OO66 ++ 6O6O22 →→ 6CO6CO22 ++ 6H6H22O O ++ 686 kcal686 kcal(38 molecole di ATP) (38 molecole di ATP) ∗∗ ((7 kcal) = 266 kcal (40%)7 kcal) = 266 kcal (40%)

Le trasformazioni, orientate alla produzione di materiaorganica, subite dall'acqua e dall'anidride carbonica sonoprocessi che non avvengono spontaneamente, ma hannobisogno di un notevole apporto di energia dall'esterno per poteressere svolti (si parla, in questo caso, di reazioni"endoergoniche"). La luce del Sole, catturata dai pigmentifotosintetici, forniscono l'energia necessariaad alimentare l'intera serie di reazioni chimiche.

LA FOTOSINTESI

La reazione complessiva della fotosintesi può essere così riassunta:

x CO2 + y H2O => Cx(H2O)y + x O2

FASE LUMINOSA

FASE OSCURA (avviene sempre)

HA LUOGO NEI CLOROPLASTI

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I carboidrati vengono costituiti utilizzando l'anidride carbonicadell'aria, che viene ridotta per mezzo dell’idrogeno estrattodall’acqua. L’energia luminosa necessaria per alimentare ilprocesso è catturata dal pigmento verde clorofilla, presentenelle foglie.

L’acqua è un donatore di elettroni di atomi di idrogeno piuttosto povero (potenziale redox di 0,82 V contro un valore di -0,82 V del NADH).

Alla base di tutta la complessa serie di reazioni che portano adottenere tale equazione, troviamo la scissione dell'acqua neisuoi componenti.

2 H2O => O2 + 4 H+ + 4 e-

L'ossigeno viene liberato sotto forma di gas O2 (l'ossigenomolecolare dell'aria, appunto), mentre l'idrogeno (sotto forma diioni H+ ed elettroni) è poi utilizzato nelle reazioni successiveper trasformare la CO2 in carboidrati.L'acqua è una molecola stabile, quindi poco reattiva, e ilprocesso della sua scissione è una reazione fortementeendoergonica, che per avvenire ha bisogno di esserealimentata dall'energia solare (si parla infatti di "fotolisi", ossia"scissione per mezzo della luce").

Per mezzo della fotolisi, l’energia radiante della luce solare viene convertita in energia chimica, dato che le molecole di idrogeno e di ossigeno contengono una quantità maggiore di energia chimica rispetto alla molecola d’acqua da cui sono derivate.

La clorofilla, a normali temperature e con l’energia della luce visibile, scinde le molecole d’acqua, svolgendo un lavoro che, in condizioni ordinarie, richiede temperature di circa 2000°C o una forte corrente elettrica.

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Proprio la fotosintesi, svolta nel corso di centinaia di milioni di anni da piante e batteri fotosintetici, sarebbe responsabile delle trasformazioni che hanno portato l'atmosfera del nostro pianeta alla sua attuale composizione.

Gli organismi fotosintetici avrebbero dunque trasformato radicalmente la nostra atmosfera, estraendo l'ossigeno gassoso dall'acqua e riducendo notevolmente la proporzione di anidride carbonica (oggi vicina allo 0,03%).

H-O-H

H+

H+0.5 O2

NADP+ NADPH

2è

ADP+P > ATP

Fotosistema II

Fotosistema I

fotone

fotone

Accettore di elettroni

Accettore di elettroni

Trasporto elettroni

Trasporto elettroni

2è

2è2è

2è2è

2è

2è

2è

Clicca per ogni fase

H-O-H

H+

H+0.5 O2

NADP+ NADPH

2è

ADP+P > ATP

Fotosistema II

Fotosistema I

fotone

fotone

Accettore di elettroni

Accettore di elettroni

Trasporto elettroni

Trasporto elettroni

2è

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2è

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H-O-H

H+

H+0.5 O2

NADP+ NADPH

2è

ADP+P > ATP

Fotosistema II

Fotosistema I

fotone

fotone

Accettore di elettroni

Accettore di elettroni

Trasporto elettroni

Trasporto elettroni

2è

2è2è

2è

1 fotone colpisce pigmenti fotosistema II ed espelle 2 elettronidue elettroni vengono catturati da accettore di elettronil’accettore di elettroni trasferisce due elettroni mediante una catena trasportatrice di elettroni e permette la sintesi di ATP da ADP e P

1 fotone colpisce pigmenti fotosistema I ed espelle 2 elettronidue elettroni vengono catturati da un accettore di elettronil’accettore di elettroni trasferisce i due elettroni al NAFP+ che diventa NADP-

l’aqua per fotolisi libera ossigeno ,due idrogenioni e due elettronil’ossigeno viene liberato nella atmosfera1 H+ rimane in soluzione

1 H+ viene catturato dal NADP- e viene prodotto NADPHdue elettroni passano nel fotosistema II e sostituiscono i dueelettroni entrato in circolazione