LA RESPIRAZIONE CELLURARE

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1 LA RESPIRAZIONE CELLURARE La respirazione cellulare è il meccanismo attraverso cui la cellula, in presenza di ossigeno, è in grado di ricavare energia.la sede di questo processo è il mitocondrio.

2 I mitocondri (dal greco mitos,filo e condros corpuscolo)generalmente definiti la centrale elettrica della cellula sono degli organuli endocellulari che presentano una forma bastoncellare o a fagiolo con un diametro di 0,5 µm ed una lunghezza di 1-2µm.Morfologicamente i mitocondri sono caratterizzati da una membrana esterna e da una membrana interna.le due membrane delimitano due compartimenti che sono chiamati camera esterna e matrice.la camera esterna è lo spazio compreso tra le due membrane,la matrice è, invece,lo spazio delimitato dalla membrana interna.

3 La membrana interna presenta delle invaginazioni,che si estendono nella matrice,denominate creste mitocondriali.le due membrane differiscono fra di loro per la composizione chimica,infatti la membrana esterna e caratterizzata da un maggiore contenuto di lipidi rispetto alle proteine mentre la membrana interna risulta essere costituita maggiormente da proteine ed inoltre è caratterizzata dalla presenza di cardiolipina,un fosfolipide raro che d altra parte è del tutto assente in quella esterna.

4 Nella matrice sono contenuti ribosomi e molecole circolari di mtdna che sono molto simili a quelli delle cellule procariotiche e la loro presenza permette ai mitocondri la sintesi di proteine che rendono questi organuli semi-autonomi rispetto alla cellula stessa.tra le sostanze che essi possono sintetizzare autonomamente sono comprese le proteine del comlplesso Fo-F1 ATPsintetasi

5 Fo è un complesso proteico che svolge la funzione di canale di transito per protoni,f1 catalizza la reazione di sintesi dell ATP,che costituisce la moneta energetica,a partire da ADP+Pi.

6 Cosa avviene nel processo di respirazione cellulare? All interno dei mitocondri avvengono delle reazioni redox,che producono energia,nelle quali un composto (riducente) trasferisce elettroni ad un altro composto (ossidante).in queste reazioni gli elettroni si spostano da composti che li legano a se ad alti livelli energetici a composti che li legano a livelli energetici sempre più bassi fino ad arrivare all accettore finale che è l ossigeno il quale,con l aggiunta di due protoni H+,formerà H2O.

7 Un ruolo molto importante che consiste nel trasporto degli elettroni fino all accettore finale,che abbiamo detto essere l O2,lungo la catena respiratoria è svolto dai cofattori NAD+ e FAD,che veicolano gli elettroni riducendosi a NADH+H+ e FADH2. NAD(NICOTINAMMIDE ADENIN DINUCLEOTIDE) FAD(FLAVIN ADENIN DINUCLEOTIDE)

8 Le molecole che,ossidandosi,consentiranno ai mitocondri di produrre ATP sono i carboidrati,i lipidi,le proteine e gli acidi nucleici.poichè sono molecole relativamente grandi prima di entrare nei mitocondri subiranno delle particolari modificazioni che differiscono a seconda della natura chimica.i carboidrati vengono idrolizzati in monosaccaridi,le proteine in amminoacidi che successivamente verranno deaminati(-nh2),i lipidi scissi in glicerolo e acidi grassi.tali modificazioni prendono luogo nel citoplasma,ed inoltre i monosaccaridi sono soggetti ad un ulteriore trasformazione che porta alla formazione di piruvato( CH3-CO-COOH) e che prende il nome di glicolisi.

9 LA GLICOLISI Essa dunque consiste nel processo di ossidazione di un monosaccaride con formazione di due molecole di piruvato che si realizza in dieci tappe.

10 Reazione 1 Nella 1 tappa il glucosio viene fosforilato in gluco sio 6-fosfato. la reazione è catalizzata dall enzima esochinasi con consumo di una molecola di ATP. Nella 2 tappa si ha l isomerizzazione Del glucosio 6-P in fruttosio 6-P. Ad opera è l enzima Fosfoglucoisomerasi. Reazione 2

11 Reazione 3 Nel 3 step il fruttosio 6-P viene ulteriormente fosforilato.l enzima catalizzante è la fosfofruttochinasi. A tal punto la cellula si trova in difetto di 2 ATP,che sono state usate per formare una molecola instabile in modo da facilitare la rottura del legame covalente,infatti la presenza nella molecola di due radicali fosforici legati al C1 e al C6,che sono all esterno dell anello,fa si che gli elettroni vengano attratti dai due fosfati. Ciò indebolirà il legame tra gli atomi di C3 e C4,favorendo la rottura della molecola e la formazione di due molecole a tre atomi di carbonio: La (3PGAL)Gliceraldeide 3-fosfato e il (DHAP)Diidrossiacetone fosfato.

12 Reazione 4 La 4 fase della glicolisi,catalizzata dall enzima a ldolasi,consiste nella scissione del fruttosio 1,6-bifosfato in gliceraldeide-3-p e diidrossiacetone fosfato,composti a tre atomi di carbonio.tuttavia soltanto la 3PGAL entra nella fase successiva.

13 Reazione 5 e 6 Man mano che la 3PGAL viene consumata cedendo 2 elettroni e e due protoni al NAD+ riducendolo a NADH+H+ formando 1,3 difosfoglicerato ad opera della 3PGAL deidrogenanasi(reazione 6),entra in gioco un enzima,la trioso fosfato isomerasi,che trasforma il DHAP in 3PGAL.

14 Reazione 7 e 8 Il 7 step consiste nella defosforilazione del 1-3 dif osfoglicerato In 3-fosfoglicerato con guadagno di una molecola di ATP,l enzima che catalizza la reazione è la fosfoglicerato chinasi. Successivamente il G3P è soggetto ad un riarrangiamento catalizzato dalla fosfoglicerato mutasi con formazione di 2-fosfoclicerato.

15 Reazione 9 e 10 Nella penultima reazione il 2-fosfoglicerato viene disidratato a fosfoenolpiruvato,reazione catalizzata dall enzima Enolasi,infine quest ultimo composto viene defosforilato dalla Piruvato chinasi,con guadagno netto di un un ATP per ogni trioso quindi in totale due; in enolpiruvato che dopo un ultimo riarrangiamento diventa acido piruvico.

16 Il resoconto energetico della glicolisi è: 2 molecole di ATP e non 4 perché nelle prime fasi si ha un dispendio energetico pari a 2 ATP 2 NADH+H+ 2 molecole di H2O Una volta che si ha ottenuto il piruvato vi sono due possibiltà d impiego di quest ultimo a seconda che la cellula si trovi in condizione di aerobiosi o anaerobiosi. Se la cellula è in anaerobiosi avviene un processo denominato FERMENTAZIONE,che consiste nel processo di riossidazione del NAD+ e del FAD.

17 La Fermentazione può essere Lattica o Alcolica. Nella fermentazione lattica il piruvato agisce da accettore di elettroni e protoni legati al cofattore NADH+,trasformandosi in acido lattico.questo tipo di fermentazione avviene anche in organismi che normalmente si trovano in condizione aerobica ma sono in deficit d ossigeno,es:miocita.

18 La Fermentazione Alcolica,come nel caso dei lieviti consta di due tappe.nella prima l acido piruvico viene decarbossilato dalla piruvato decarbossilasi in acetaldeide con conseguente produzione di CO2,nella seconda l acetaldeide viene deidrogenata ad alcol etilico con conseguente ossidazione del NAD+(l enzima che catalizza la reazione è la Alcol Deidrogenasi).Sia la fermentazione lattica che quella alcolica sono dei processi che non avvengono nel mitocondrio ma nel citoplasma.

19 IL percorso svolto dal piruvato in cellule in aerobiosi e ben diverso da quello poc anzi esposto,infatti il piruvati per poter subire una completa ossidazione deve entrare nella matrice mitocondriale attraversando le due membrane.nella matrice è presente il complesso multienzimatico della piruvato deidrogenasi,che contiene più copie di tre enzimi ad attività catalitica:piruvato deidrogenasi,diidrolipoammide acetiltransferasi e diidrolipoammide deidrogenasi.

20 IL complesso multienzimatico della piruvato deidrogenasi è responsabile della rapida trasformazione del piruvato in gruppo acetile che viene rapidemente legato al coenzima A(CoA CoA), ),una molecola nucleotidica,formando aceti-coenzima A. Sintesi acetil-coa=ch3cocooh+(nad+)+coa=> =>acetil-coa+(nadh+h+)+co2

21 Ciclo di Krebs

22 Nella matrice sono presenti gli enzimi che consentono la completa ossidazione del gruppo acetile,derivato dal piruvato,in CO2,grazie ad una serie di reazioni che vengono indicate complessivamente come ciclo dell acido citrico.il ciclo inizia con la cessione del gruppo acetile(ch3-co-)da parte dell acetil CoA all acido ossalacetico(coo -CO-CH3-COO )che si trasforma in citrato.il 2 step,catalizzato dall Acon tasi, consiste nell isomerizzazione del citrato in isocitrato,successivamente l isocitrato va incontro a decarbossilazione ossidativa(isocitrato deidrogenasi) formando α-chetoglutarato,nadh ridotto e una molecola ci CO2.La reazione successiva molto simile alla precedente prevede la decarbossilazione ossidativa dell αchetoglutarato(glutarato deidrogenasi)formando nuovamente CO2,NADH ridotto e un composto a cui viene aggiunto il CoA che prende il nome di succinil-coa. (dominio catalitico della diidrolipoammide succiniltransferasi,parte del complesso della α-chetoglutarato deiidrogenasi)

23 Nella 5 tappa del ciclo che consiste nella trasformazione del succinil-coa in succinato,si assiste ad una fosforilazione diretta del subatrato,inffatti l energia che si ottiene dalla rottura del legame fra CoA e la rimanete parte costituente il succinil-coa viene usata dalla succinil-coa sintetasi per legare un radicale fosforico ad una molecola di ADP o GDP.Il composto finale di questa tappa è il succinato. 4 reazione 5 reazione

24 Il ciclo continua e il succinato viene ossidato dalla succinato deidrogenasi,riduncedo 1 FAD a FADH2,e si forma acido fumarico. Nella penultima reazione il fumarato,idratato dalla fumarasi, forma l acido malico.nell ultima tappa il malato viene ossidato ad ossalacetato dalla malato deidrogenasi,producendo una molecola di NADH ridotto,e il ciclo si chiude.

25 In ogni ciclo dunque si avrà la liberazione di 2 molecole di CO2 e la formazione di 3 molecole di NADH,FADH2,1 di ATP o GTP.Tenendo conto che i gruppi acetile inseriti nel ciclo sono due per ogni molecola di glucosio,i prodotti vanno duplicati.se consideriamo ulteriormente che le 2 molecole di piruvato ottenute dalla glicolisi,prima di entrare nel ciclo di crebs,siano state trasformate in acetil-coa formando 2 molecole di CO2 e NADH+H+,la reazione di ossidazione completa dei prodotti della glicolisi diventa: 2(CH3-CO-COO )+8(NAD+)+2FAD+2ADP+2Pi 6CO2+8NADH+(8H+)+2FADH2+2ATP

26 SISTEMI SHUTTLE Le molecole di NADH formatesi nel citoplasma,in seguito alla glicolisi, non riescono a passare la membrana interna per cedere i loro elettroni alla catena di trasporto,quindi le cellule per recuperare l energia degli elettroni conservata nelle molecole di NADH fanno ricorso ai sistemi navetta. In alcune cellule i NADH in questione vengono ossidati a livello della membrana esterna del mitocondrio cedendo i propri e ad una molecola di DHAP che si trasforma in glicerolo-3-p.quest ultimo attraversa la membrana interna e si ossida a DHAP riducendo una molecola di FAD a FADH2.Il DHAP ritorna nel citoplasma ed è pronto a ricominciare il ciclo.

27 Con questo tipo di sistema, pur essendo vantaggioso per la cellula,si ha perdita di energia in quanto nella molecole di FADH2 gli elettrone si trovano ad un livello energetico più basso rispetto a quello con cui sono legati nelle molecole di NADH.

28 In altri tipi di cellule,come cellule cardiache o muscolari,le molecole di NADH, provenienti dal citoplasma,vendono ossidate nel compartimento intermembranario,in seguito alla trasformazione di un molecola di ossalacetato in malato; quest ultimo attraversa la membrana interna e viene riossidato a ossalacetato riducendo una molecola NAD+ a NADH. In questo sistema l energia viene conservata integralmente.

29 CATENA DI TRASPORTO DEGLI e Nella membrana interna dei mitocondri vi sono 4 complessi in grado in grado di trasferire all ossigeno gli elettroni trasportati dalle molecole di NADH. Complesso 1:NADH-CoenzimQ ossidoreduttasi Complesso 2:succinato-CoenzimaQ ossidorettutasi Complesso 3:CoenzimaQ-citocromo c ossidoreduttasi Complesso 4:Citocromo c ossidasi

30 Ogni complesso è costituito da: Enzima principale, che consente il trasferimento degli e. Gruppi prostetici associati a proteine, che accettono e cedono gli e. Proteine strutturali,che nei complessi 1,3 e 4 consentono la formazione del gradiente protonico nello spazio intermembranario. Inoltre vi sono due trasportatori mobili che trasferiscono gli elletroni da un complesso all altro. Il 1 è l Ubichinone,molecola organica non proteica il 2 è il citocromo c, una proteina molto piccola a cui è associato un gruppo prostetico.

31 L Ubichinone o Coenzima Q è formato da una struttura ad anello detta chinone e da una lunga catena apolare.l ubichinone pare essere situata nella parte apolare della membrana interna e, movendosi liberamente consentirebbe il trasferimento di e e H+ tra i vari trasportatori. Coenzima Q ossidato Coenzima Q forma semichinonica CoenzimaQ ridotto

32 I gruppi Prostetici che associati alle proteine permettono il trasferimento di elettrroni sono di 4 tipi: Citocromi(a,a3,b,c1),composti caratterizzati da un anello tetrapirrolico con al centro un atomo di ferro. Essi passano dallo stato ossidato allo stato ridotto in quanto l atomo di Fe centrale,acquistando o cedendo un elettrone, passa da Fe2+ a Fe3+.

33 FAD e FMN(flavin mononucleotide) Centri ferro-zolfo,in cui atomi di Fe e di S sono legati con legami covalenti. Il complesso formato dai centri Fe-S e dalle proteine associate costituiscono Le proteine ferro-zolfo che sono sono la classe di trasportatori di elettroni mitocondriale più numerosa. Centri a rame,dove un atomo di rame,legato ed un residuo di istidina, cisteina o metionina, permette il trasferimento di elettroni,passando da uno stato ridotto Cu+ ad uno stato ossidato Cu2+.

34 Fosforilazione ossidativa Nel 1961 Mitchell enunciò la teoria chemiosmotica che per la prima volta Metteva in relazione la respirazione cellulare Con la sintesi di ATP,spiegandone il meccanismo. Sempre nello stesso anno Racker dimostro che,isolando le particelle F0 ed F1dell ATPsintasi,in loro assenza la Sintesi di ATP non avveniva,nonostante il trasporto di elettroni si verificasse normalmente.egli inoltre verificò che senza trasporto di elettroni,non creandosi il gradiente protonico,il complesso F0-F1 non sintetizza ATP;infatti l uso si sostanze disaccoppianti,che impediscono la formazione del gradiente, provoca il rilascio dell energia ceduta dagli elettroni,durante il loro trasferimento lungo la catena di Trasporto, sotto forma di calore.

35 Secondo la teoria chemiosmotica di Mitchell,nelle tappe del trasferimento di elettroni in cui viene rilasciata energia libera,quest ultima viene utilizzata per trasferire protoni dalla matrice allo spazio intermembranario.il complesso 1 libera energia sufficiente per spingere nella camera esterna 4 protoni,mentre i complessi 3 e 4 consentono la spinta di 2 protoni.ancora non è ben chiaro il meccanismo che permette ai complessi 1,3 e 4 di trasferire i protoni,ma l ipotesi più accreditata è quella della modificazione conformazionale proposta da Boyer,secondo la quale quando un trasportatore di elettroni si riduce,induce un cambiamento conformazionale in una delle molecole proteiche associate al complesso.tale cambiamento attiva sul versante della matrice un sito di legame ad alta affinità per un protone;quando il trasportatore sarà ossidato,il sito di legame del protone si modificherà volgendosi verso il compartimento intermembrana dove il protone sarà rilasciato in seguito alla diminuita affinità.il ritorno dei protoni nella matrice avviene attraverso la particella F0,ciò provoca il riequilibrio del potenziale di membrana e la cessione di energia al sistema;tale energia verrà utilizzata da F1 per sintetizzare ATP.

36 Per concludere,la quantità energetica che una cellula può ricavare dall ossidazione di una molecola di glucosio si può calcolare tenendo conto che ogni molecola di NADH porta alla sintesi di 2,5 molecole di ATP mentre una molecola di FADH2 forma 1,5 molecole ATP. ATP da NADH della matrice ATP da FADH2 della matrice 8x2,5=20 2x1,5=3 ATP da ciclo di Krebs 2 ATP da glicolisi 2 ATP da NADH glicolisi(shuttle DHAP) 2x1,5=3 Tot = 30 o ATP da NADH glicolisi(shuttle a.malico) 2x2,5=5 Tot = 32