Capitolo 6 La respirazione cellulare

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1 Capitolo 6 La respirazione cellulare

2 Introduzione alla respirazione cellulare 6.1 La respirazione polmonare rifornisce le nostre cellule di ossigeno ed elimina diossido di carbonio La respirazione polmonare permette gli scambi di ossigeno molecolare (O ) e diossido di carbonio (CO ) tra un organismo e il suo ambiente. O CO I polmoni svolgono la Respirazione polmonare Polmoni CO Circolo sanguigno O Le cellule muscolari svolgono la Respirazione cellulare Glucosio + O Figura 6.1 CO + H O + ATP

3 6. La respirazione cellulare accumula energia sotto forma di molecole di ATP La respirazione cellulare scinde le molecole di glucosio e immagazzina la loro energia sotto forma di molecole di ATP. C 6 H 1 O O 6 CO + 6 H O + ATP Glucosio Ossigeno gassoso Diossido di carbonio Acqua Energia Figura 6.

4 COLLEGAMENTI 6.3 Il nostro corpo utilizza l energia dell ATP per svolgere le proprie attività L ATP è il «motore» di quasi tutte le attività di cellule e corpo. Tabella 6.3

5 6.4 Le cellule ricavano energia trasferendo elettroni dalle molecole organiche all ossigeno Durante il loro trasferimento dai composti organici all ossigeno gli elettroni liberano energia potenziale. Quando il glucosio è trasformato in diossido di carbonio, perde atomi di idrogeno, che vengono acquistati dall ossigeno molecolare, formando acqua. Perdita d atomi di idrogeno C 6 H 1 O O 6 CO + 6 H O + Energia Glucosio Figura 6.4 Acquisto di atomi di idrogeno (ATP)

6 6.5 Speciali molecole come il NAD + trasportano gli elettroni nelle reazioni redox Un enzima, detto deidrogenasi, rimuove gli elettroni (negli atomi di idrogeno) dalle molecole organiche (ossidazione) e li trasferisce al coenzima NAD + (riduzione). Ossidazione H O H O + H Deidrogenasi Figura 6.5 NAD + NADH H + H Riduzione + + e (trasporta elettroni) +

7 COLLEGAMENTI 6.6 Le etichette dei cibi confezionati indicano il contenuto energetico e nutrizionale degli alimenti Le etichette degli alimenti confezionati contengono varie informazioni, tra le quali le calorie contenute nei cibi. Figura 6.6

8 Gli stadi della respirazione cellulare 6.7 La glicolisi ricava energia chimica ossidando il glucosio in acido piruvico Nella glicolisi, l ATP è utilizzato per rompere una molecola di glucosio che è trasformato in due molecole di acido piruvico. NAD + NADH + Glucosio ADP + P ATP molecole di acido piruvico Figura 6.7A

9 La glicolisi produce ATP mediante un processo chiamato fosforilazione a livello del substrato nel quale un gruppo fosfato è trasferito da una molecola organica (substrato) ad una molecola di ADP. Enzima P P P Adenosina ADP ATP Figura 6.7B P Molecola organica (substrato) P

10 Nella prima fase della glicolisi (fase di preparazione) l ATP è usato per fornire energia a una molecola di glucosio, che viene poi scissa in due Figura 6.7C

11 Nella seconda fase della glicolisi (fase di produzione di energia) si formano ATP, NADH e acido piruvico

12 6.8 Prima di entrare nel ciclo di Krebs, l acido piruvico viene modificato Prima del ciclo di Krebs, gli enzimi trasformano l acido piruvico, liberando CO e formando NADH e acetilcoenzima A (acetil-coa). NAD + NAD Acido piruvico 1 3 CoA Acetil CoA (acetil coenzima A) CO Coenzima A Figura 6.8

13 6.9 Il ciclo di Krebs completa l ossidazione delle molecole organiche dando origine a NADH e FADH Nel ciclo di Krebs, viene ossidato il gruppo acetile a due atomi di carbonio della molecola di acetil- CoA. I due atomi di carbonio vengono legati a un composto a quattro atomi di carbonio formando acido citrico, che viene poi riconvertito nel composto di partenza. FADH FAD Figura 6.9A Acetil CoA ATP CoA CoA CICLO DI KREBS ADP + P 3 CO NAD + 3 NADH + 3

14 Per ogni giro del ciclo di Krebs: sono liberate due molecole di CO ; si formano una molecola di ATP, tre di NADH e una di FADH. 1 Acido ossalacetico NAD NAD + 5 Acido malico FADH 4 FAD Acido succinico 1 CoA Acetil-CoA CoA CICLO DI KREBS atomi di carbonio entrano nel ciclo ATP NAD 1 ADP + P 3 NAD + Acido citrico CO NAD + esce dal ciclo NAD Acido alfa-chetoglutarico CO esce dal ciclo Figura 6.9B 4

15 6.10 NADH e FADH cedono i propri elettroni alla catena di trasporto e infine all ossigeno La catena di trasporto degli elettroni è lo stadio finale della respirazione cellulare. L energia liberata dalle reazioni redox è usata per trasportare attivamente ioni nello spazio intermembrana dei mitocondri. NADH NAD + + e ATP Energia possibile per la sintesi di ATP e 1 O Figura 6.10 H O

16 Il NADH trasferisce gli elettroni alla catena di trasporto degli elettroni, localizzata sulla membrana interna dei mitocondri. Man mano che gli elettroni «scendono» lungo un «pendio» formato da molecole che trasportano elettroni fino all O, si libera energia in piccole quantità.

17 6.11 La maggior parte dell ATP cellulare viene prodotto grazie alla fosforilazione ossidativa Nella chemiosmosi gli ioni H+ tendono a rientrare per diffusione nella membrana interna. Per attraversare la membrana, gli ioni hanno bisogno di proteine di trasporto, i complessi dell ATP sintetasi, un enzima che sintetizza ATP.

18 La fosforilazione ossidativa avviene accoppiando il trasporto degli elettroni alla chemiosmosi. Spazio intermembrana. Complesso enzimatico Trasportatore di elettroni ATP sintetasi Membrana interna mitocondriale Flusso di elettroni FADH FAD Matrice mitocondriale NADH NAD + 1 O + H O ADP + P ATP Catena di trasporto degli elettroni Chemiosmosi Figura 6.11 FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

19 COLLEGAMENTI 6.1 Alcune sostanze tossiche bloccano i processi base della respirazione cellulare Varie sostanze tossiche: bloccano il movimento degli elettroni; bloccano il flusso di ioni attraverso il canale dell ATP sintetasi; rendono la membrana mitocondriale permeabile agli ioni.

20 Rotenone Cianuro, monossido di carbonio Oligomicina ATP sintetasi DNP FADH FAD NADH NAD + 1 O + H O ADP + P ATP Figura 6.1 Catena di trasporto degli elettroni Chemiosmosi

21 6.13 Una visione d insieme della respirazione cellulare La respirazione cellulare produce fino a 38 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio: la glicolisi produce molecole di ATP; il ciclo di Krebs produce molecole di ATP; la catena di trasporto degli elettroni e la chemiosmosi formano numerose molecole di ATP.

22 La resa complessiva della respirazione cellulare: Citoplasma Trasportatore di membrana degli elettroni NADH NADH (o FADH ) NADH 6 NADH FADH Mitocondrio 1 molecola di glucosio GLICOLISI molecole di acido piruvico Acetil CoA CICLO DI KREBS FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA (Catena di trasporto e chemiosmosi) + ATP + ATP + circa 34 ATP Dalla fosforilazione a livello di substrato Dalla fosforilazione a livello di substrato Dalla fosforilazione ossidativa Resa massima per molecola di glucosio: Circa 38 ATP Figura 6.13

23 6.14 La fermentazione alcolica e la fermentazione lattica permettono di ricavare energia in assenza di ossigeno In condizioni anaerobiche, molti tipi di cellule possono usare la glicolisi da sola per produrre una piccola quantità di ATP. Queste vie alternative sono le fermentazioni e avvengono nelle cellule dei lieviti.

24 Nella fermentazione lattica il NADH è ossidato a NAD + mentre l acido piruvico è ridotto ad acido lattico. NAD + NADH NADH NAD + GLICOLISI Glucosio ADP + P ATP molecole di acido piruvico molecole di acido lattico Figura 6.14A

25 Nella fermentazione alcolica il NADH è ossidato a NAD + mentre l acido piruvico è ridotto a CO ed etanolo. NAD + NADH NADH NAD + GLICOLISI Glucosio ADP + P ATP molecole di acido piruvico CO liberate molecole di etanolo Figura 6.14C Figura 6.14B

26 Il metabolismo cellulare 6.15 Le cellule utilizzano varie molecole organiche come fonte di energia I carboidrati, i grassi e le proteine che assumiamo con l alimentazione vengono trasformati in molecole che fungono da combustibile per la respirazione cellulare. L insieme delle reazioni che consentono di ricavare energia dagli alimenti viene detto catabolismo.

27 Gli organismi trasformano il cibo in energia: Alimento Carboidrati Grassi Proteine Zuccheri Glicerolo Acidi grassi Amminoacidi Gruppi amminici Glucosio G3P GLICOLISI Acido piruvico Acetil CoA CICLO DI KREBS FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA (Catena di trasporto e chemiosmosi) Figura 6.15 ATP

28 6.16 Le molecole alimentari forniscono i materiali grezzi per la biosintesi ATP Le cellule usano alcune molecole alimentari e intermedi dalla glicolisi e dal ciclo di Krebs come materiali grezzi (sostanze di partenza per la biosintesi di molecole). Questo processo di biosintesi (anabolismo) consuma ATP. Gruppi amminici CICLO DI KREBS Acetil CoA SINTESI DEL GLUCOSIO Acido G3P Glucosio piruvico Amminoacidi Acidi grassi Glicerolo Zuccheri Proteine Grassi Cellule, tessuti, organismi Carboidrati Figura 6.16

29 6.17 Le biomolecole necessarie alla respirazione derivano dalla fotosintesi Tutti gli organismi possono ricavare energia dalle molecole organiche. Le piante possono anche sintetizzare molecole organiche a partire da fonti inorganiche attraverso il processo della fotosintesi. Figura 6.17