2 INCONTRO: LA PRODUZIONE DI ENERGIA NELLA CELLULA

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1 INCONTRO: LA PRODUZIONE DI ENERGIA NELLA CELLULA 1 INTRODUZIONE 1

2 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. Atomo di Ossigeno ATP 3 L adenosina trifosfato: il magazzino di energia Adenosina Trifosfato (ATP) Gruppo fosfato Adenina Ribosio Legame ad alta energia!!

3 Adenosina Trifosfato (ATP) Gruppo fosfato Idrolisi (Per ottenere energia per il lavoro cellulare es: muscolare) Adenina Ribosio Fosforilazione (Per produrre nuovamente ATP) + Adenosina Difosfato (ADP) 5 Check Cos è l ATP? Come è strutturato? Come cede energia? 6 3

4 Dove avviene la produzione di ATP? 7 Cellula eucariote: Reticolo endoplasmatico ruvido Reticolo endoplasmatico liscio NUCLEO Involucro nucleare Cromatina Nucleolo Lisosoma Centriolo Perossisoma CITOSCHELETRO: Microtubuli Filamenti intermedi Microfilamenti Ribosomi Apparato di Golgi Membrana plasmatica Mitocondrio 8 4

5 ..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! Sadava et al. Biologia La scienza della vita Zanichelli editore

6 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 O necessario per la respirazione cellulare ed elimina la CO prodotta dalla respirazione cellulare: La respirazione polmonare è necessaria per eliminare CO, prodotta durante la respirazione cellulare, e acquisire O La respirazione cellulare sfrutta l O (processo aerobico) per estrarre energia dal glucosio e produce CO durante il processo 1 6

7 O Respirazione polmonare CO Polmoni CO Circolazione sanguigna O Le cellule muscolari svolgono la Respirazione cellulare Glucosio + O CO + H O + ATP 13 Check In che modo sono collegate la respirazione polmonare e la respirazione cellulare? 14 7

8 LA RESPIRAZIONE CELLULARE 15 La respirazione cellulare è un processo aerobico C 6 H 1 O O 6 CO + 6 H O + ATP Glucosio Ossigeno Diossido di carbonio Acqua Energia + Calore 16 8

9 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). gli vengono sottratti elettroni Nella respirazione cellulare la cellula sposta gli elettroni dal glucosio all ossigeno, attraverso numerosi passaggi. + elettroni 17 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*10-6 cal: POCHISSIMO! 18 9

10 Come sposta la cellula gli elettroni presi dal glucosio? I trasportatori di elettroni: NADH e FADH Esistono degli enzimi che trasportano gli elettroni: NADH trasporta elettroni FADH trasporta elettroni Ma dove li trasportano?? alla catena di trasporto degli elettroni: NADH e FADH cedono gli elettroni NADH a una catena di trasporto degli NAD + ATP elettroni La catena di trasporto forma una + H + e Sintesi di ATP specie di scala energetica: gli elettroni scendono da questa scala e arrivano fino all ossigeno e cedono energia per la sintesi di H + e 1 - O ATP H O 0 10

11 LE TRE TAPPE DELLA RESPIRAZIONE CELLULARE 1 Prima tappa: la GLICOLISI Nel CITOPLASMA Glucosio 1 molecola di glucosio (6C) viene scissa in 9 reazioni ADP + P NAD + molecole di piruvato (3C) NADH ATP + H + Durante il processo vengono prodotte: molecole di ATP molecole di NADH Piruvato 11

12 Fase intermedia 1-: decarbossilazione ossidativa. Il piruvato entra nei mitocondri dove viene trasformato in Acetil-CoA per accedere al ciclo di Krebs ( fase respirazione cellulare) NAD + NADH + H + CoA Piruvato Espirazione! 1 CO 3 Coenzima A Acetilcoenzima A (Acetil-CoA) 3 Seconda tappa: Il ciclo di Krebs (ciclo dell Acido Citrico) nei MITOCONDRI x Acetil-CoA CoA CoA produce: CO, ATP, NADH, FADH CICLO DI KREBS (Ciclo dell acido citrico) CO FADH 3 NAD + FAD 3 NADH + 3 H + ATP ADP + P 4 1

13 Terza tappa: la fosforilazione ossidativa Nella fosforilazione ossidativa il NADH e il FADH 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. 5 NAD + + H + NADH e ATP Rilascio controllato di energia per la sintesi di ATP H + e 1 - O H O 6 13

14 Spazio intermembrana H + Complesso enzimatico per il trasporto di elettroni H + Trasportatore di elettroni H + H + H + H + H + H + H + ATP sintetasi Membrana mitocondriale interna Matrice mitocondriale Flusso di elettroni NADH FADH FAD NAD + H + H + H H O O + H + ADP + P H + ATP Catena di trasporto degli elettroni Chemiosmosi FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA 7 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 Citoplasma Mitocondrio NADH NADH NADH (or FADH ) 6 NADH FADH GLICOLISI Glucosio Piruvato Acetil CoA CICLO DI KREBS FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA (trasporto degli elettroni e chemiosmosi) + ATP + ATP + Circa 34 ATP Dalla fosforilazione ossidativa Rendimento massimo Per molecola di glucosio Circa 38 ATP 8 14

15 In sintesi: Ricapitolando, la demolizione completa di una molecola di glucosio avviene attraverso (1) glicolisi, () 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 9 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

16 Che effetto può avere l assenza di ossigeno sul processo illustrato nella diapositiva precedente? 31 Che succede in condizioni anaerobiche? (assenza di O nella cellula) FERMENTAZIONE 3 16

17 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 Citoplasma nella membrana Mitocondrio NADH NADH (or FADH X ) NADH 6 NADH FADH GLICOLISI FOSFORILAZIONE Acetil CICLO OSSIDATIVA Glucosio Piruvato CoA DI KREBS (trasporto degli elettroni e chemiosmosi) + ATP + ATP + Circa 34 ATP Dalla fosforilazione Dalla fosforilazione Dalla fosforilazione ossidativa a livello del substrato a livello del substrato Rendimento massimo Per molecola di glucosio Circa 38 ATP 33 La fermentazione lattica (anaerobica) Le cellule muscolari e alcuni tipi di batteri utilizzano la fermentazione lattica Glicolisi normale: glucosio piruvato Il piruvato viene trasformato in Acido Lattico ADP + P ATP Glucosio GLICOLISI NAD + NADH Piruvato NADH NAD + Lattato Affaticamento muscolare 34 17

18 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 CO 35 Glucosio ADP + P ATP GLICOLISI NAD + NADH CO Liberati Piruvato NADH NAD + Etanolo Fermentazione alcolica 36 18

19 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