BIOENERGETICA. Struttura dell ATP (Adenosintrifosfato) ATP. ATP è la molecola adenosin-tri-fosfato

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1 BIOENERGETICA ATP ATP è la molecola adenosin-tri-fosfato ATP èla moneta energetica che viene spesa per 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 di adenosinadifosfato formando un legame ad alta energia Struttura dell ATP (Adenosintrifosfato) Adenina (base azotata), Ribosio (zucchero) e un gruppo fosforico 1

2 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 l diviene ADP (adenosindifosfato( adenosindifosfato). Fornendo 7 kilocalorie per mole, l ADP l riacquista il gruppo fosforico e diviene di nuovo ATP. Enzimi ed ATP (nelle reazioni chimiche) Gli enzimi (proteine) riducono fortemente l energia l di attivazione di una reazione chimica. L ATP (nucleotide( nucleotide) ) fornisce l energia l necessaria alla 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+) 2

3 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, cioè quella 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 è presente il NADPH allora siamo all'interno di riduzioni anaboliche mentre se è presente il NADH allora ci troviamo in tappe cataboliche per la produzione di ATP. Il NADPH viene generato nella via del pentoso fosfato 3

4 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. L ossidazione del glucosio nella cellula C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O kcal Circa il 40% dell energia 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 (1) Glicolisi nel citoplasma della cellula Respirazione nei mitocondri della cellula (ciclo di Krebs + 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 l di una molecola di glucosio produce solo 2 molecole di ATP. 4

5 Le due fasi dell ossidazione completa del glucosio (2) Le due fasi dell ossidazione completa del glucosio (3) 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 FADH 2 liberano energia (ossidandosi) che viene utilizzata per la formazione di ATP da ADP e fosfato (fosforilazione( ossidativa). La glicolisi Alla fine della glicolisi,, il glucosio è scisso in due molecole di acido piruvico. Nel processo si liberano 143 kcal. Rimangono 543 kcal nei legami chimici dell acido piruvico. C 6 H 12 O 6 + 2ATP + 4ADP + 2P i + 2NAD + 2CH 3 COCOOH + 2ADP + 2H + + 2H 2 O + + 2NADH + 4ATP + 143kcal Questo processo biochimico avviene per tappe successive; attraverso nove reazioni diverse, ognuna catalizzata da un enzima specifico. 5

6 Le nove tappe nella glicolisi (da 1 a 3) C 6 H 12 O 6 + 2ATP + 4ADP + 2P i + 2NAD + 2CH 3 COCOOH + 2ADP + 4ATP ++ 2NADH + 2H + + 2H 2 O + 143kcal Le nove tappe nella glicolisi (la 4) C 6 H 12 O 6 + 2ATP + 4ADP + 2P i + 2NAD + 2CH 3 COCOOH + 2ADP + 4ATP ++ 2NADH + 2H + + 2H 2 O + 143kcal Le nove tappe nella glicolisi (da 5 a 7) C 6 H 12 O 6 + 2ATP + 4ADP + 2P i + 2NAD + 2CH 3 COCOOH + 2ADP + 4ATP ++ 2NADH + 2H + + 2H 2 O + 143kcal 6

7 Le nove tappe nella glicolisi (da 8 a 9) C 6 H 12 O 6 + 2ATP + 4ADP + 2P i + 2NAD + 2CH 3 COCOOH + 2ADP + 4ATP ++ 2NADH + 2H + + 2H 2 O + 143kcal Bilancio energetico della glicolisi 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 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. 7

8 La 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 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: CH 3 COCOOH + A + NAD + CH 3 COA + CO 2 + NADH L acetil-coa dà inizio al ciclo di Krebs. Ciclo di Krebs (1) 8

9 Ciclo di Krebs (2) Nel corso del ciclo, due dei sei atomi di carbonio sono ossidati a CO 2 e parte dell energia energia rilasciata è utilizzata per la produzione di NADH, ATP e FADH 2. CH 3 COA + ac. ossalacetico + NAD + P i + NAD + + FAD ac. ossalacetico + CH 3 CoA + 2CO 2 + CoA + + ATP + 3NADH + NAFH 2 La catena di trasporto di elettroni Dopo il ciclo di Krebs la molecola di glucosio è completamente ossidata ma molta dell energia energia liberata si trova negli elettroni delle molecole di NADH e NAFH 2. Le molecole di NADH e NAFH 2, 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 NAFH 2 e NADH si formano rispettivamente due e tre molecole di ATP. Ipotesi chemiosmotica 9

10 Bilancio energetico massimo nell ossidazione di una molecola di glucosio C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O kcal (38 molecole di ATP) (77 kcal) = 266 kcal (40%) LA FOTOSINTESI Le trasformazioni, orientate alla produzione di materia organica, subite dall'acqua e dall'anidride carbonica sono processi che non avvengono spontaneamente, ma hanno bisogno di un notevole apporto di energia dall'esterno per poter essere svolti (si parla, in questo caso, di reazioni "endoergoniche"). La luce del Sole, catturata dai pigmenti fotosintetici, forniscono l'energia necessaria ad alimentare l'intera serie di reazioni chimiche. 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 10

11 I carboidrati vengono costituiti utilizzando l'anidride carbonica dell'aria, che viene ridotta per mezzo dell idrogeno estratto dall acqua. L energia luminosa necessaria per alimentare il processo è catturata dal pigmento verde clorofilla, presente nelle 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 ad ottenere tale equazione, troviamo la scissione dell'acqua nei suoi componenti. 2 H2O => O2 + 4 H e - L'ossigeno viene liberato sotto forma di gas O2 (l'ossigeno molecolare dell'aria, appunto), mentre l'idrogeno (sotto forma di ioni H + ed elettroni) è poi utilizzato nelle reazioni successive per trasformare la CO2 in carboidrati. L'acqua è una molecola stabile, quindi poco reattiva, e il processo della sua scissione è una reazione fortemente endoergonica, che per avvenire ha bisogno di essere alimentata 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. 11

12 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%). Accettore di elettroni Accettore di elettroni Trasporto elettroni fotone NADP+ NADPH Trasporto elettroni fotone ADP+P > ATP Fotosistema I Fotosistema II H-O-H H+ H+ 0.5 O2 Clicca per ogni fase Accettore di elettroni Accettore di elettroni fotone Trasporto elettroni NADP+ NADPH Trasporto elettroni fotone ADP+P > ATP Fotosistema I Fotosistema II H-O-H H+ H+ 0.5 O2 12

13 Accettore di elettroni Accettore di elettroni fotone Trasporto elettroni NADP+ NADPH Trasporto elettroni fotone ADP+P > ATP Fotosistema I Fotosistema II H-O-H H+ H+ 0.5 O2 1 fotone colpisce pigmenti fotosistema II ed espelle 2 elettroni due elettroni vengono catturati da accettore di elettroni l 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 elettroni due elettroni vengono catturati da un accettore di elettroni l accettore di elettroni trasferisce i due elettroni al NAFP+ che diventa NADPl aqua per fotolisi libera ossigeno,due idrogenioni e due elettroni l ossigeno viene liberato nella atmosfera 1 H+ rimane in soluzione 1 H+ viene catturato dal NADP- e viene prodotto NADPH due elettroni passano nel fotosistema II e sostituiscono i due elettroni entrato in circolazione 13