METABOLISMO ENERGETICO. Vincenzo Venerito

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1 METABOLISMO ENERGETICO Vincenzo Venerito

2 ATP L'ATP o Adenosintrifosfato, è un ribonucleotide trifosfato formato da una base azotata (l'adenina), dal ribosio, che è uno zucchero pentoso, e da tre gruppi fosfato. E il collegamento chimico fra catabolismo e metabolismo e costituisce la "moneta" corrente energetica. Esso viene idrolizzato ad ADP (adenosindifosfato), che viene riconvertito in ATP mediante vari processi.

3 ATP L'ATP è il composto ad alta energia richiesto dalla stragrande maggioranza delle reazioni metaboliche endoergoniche. Esso viene prodotto secondo la reazione endoergonica: ADP + Pi + E = ATP

4 ATP Dalla respirazione, in cui si libera energia, una parte molto piccola di essa (7,3 Kcal) viene immagazzinata nelle molecole di ATP.. Mentre si uniscono gruppo fosfato e ADP, l'energia viene imprigionata nei nuovi legami chimici: adesso avremo finalmente la molecola di ATP

5 ATP L'ATP dona energia mediante reazione di idrolisi, mediata dall'enzima ATPasi,, che nella maggior parte dei casi coinvolge il trasferimento di un gruppo fosfato. ATP4- +H2O --> > ADP3- + P + H+ con una variazione di energia libera di -30,5 Kj/mole ( Esoergonica ) L'energia che si libera viene subito utilizzata grazie agli enzimi che convogliano questa energia sulle reazioni che ne hanno bisogno.

6 ATP Sono poche le reazioni dove l'atp dona energia a una molecola tramite idrolisi, principalmente fornisce energia alle altre molecole per trasferimento di gruppi fosfato. L'idrolisi in se produce solo la liberazione di calore che non può essere usato in sistemi omeotermi. L ATP può dunque o donare un gruppo fosforico o donare l'adenilato Adenilato.

7 NAD&FAD Una volta formatasi l energia, l c èc bisogno di trasportarla; ecco allora l intervento l dei due trasportatori di eccellenza: NAD e FAD. La sigla NAD sta, per"nicotinamm nicotinammìdeadenìndinucleotìde" Essa è una macromolecola organica il cui ruolo biologico consiste nel trasferire elettroni e quindi nel permettere le ossido-riduzioni;

8 NAD&FAD Il nome della molecola in questione deriva dalla combinazione di quattro diverse parole: La nicotinammìde (n1) e la struttura che svolge il ruolo biologico generale della molecola, potendo essa accettare degli atomi di idrogeno; L Adenina (n2) che è la base azotata; Il di-nucleotide (n3-4) che è la coppia di Nucleotidi e in ciascuno di essi e presente un Fosfato e uno zucchero pentoso (ribosio). La molecola si abbrevia solitamente in "NAD" (se ossidato) o "NADH" (se ridotto).

9 NAD&FAD Il NAD svolge il suo ruolo essenziale di trasportatore in numerosissime reazioni chimiche, quali alcune tappe della glicolisi o del ciclo di Krebs; es: gliceraldeide 3-fosfato + NAD+ 1,3-bisfosfoglicerato + NADH + H+ Il NAD, così come tutte le altre sostanze trasportatrici di elettroni, non viene nén prodotto nén consumato nelle cellule: queste utilizzano dunque, effettivamente, sempre le stesse molecole trasferitrici,, che di volta in volta si ossidano o riducono.

10 NAD&FAD Per cui ogni cellula ha bisogno di ritrasformare l'nad ridotto (NADH2) tramite la glicolisi o altre reazioni chimiche in NAD ossidato (NAD+( NAD+) ) per poter fare in modo che le prime avvengano ancora; Ciò succede in modo diverso in ogni cellula: i Lactobacilli utilizzano la fermentazione lattica: piruvato + NADH + H+ lattato + NAD+ Saccharomyces adoperano quella alcolica: piruvato + NADH + H+ etanolo + CO2 + NAD+

11 NAD&FAD Il NADP ha la stessa struttura di base del NAD, con l'aggiunta di un gruppo fosfato esterificato al gruppo ossidrilico del carbonio 2' dell'adenosina adenosina. Mentre il NAD(H) è utilizzato perlopiù nei processi catabolici (ovvero nelle reazioni di ossidazione del metabolismo), il NADP(H) viene utilizzato nei processi anabolici (ovvero nelle reazioni riduttive del metabolismo), particolarmente nelle reazioni di biosintesi. Negli organismi fotosintecici il NADP(H) viene ottenuto durante i processi di fotofosforilazione e utilizzato nei processi di biosintesi dei carboidrati. Negli animali, mammiferi soprattutto, il NADP(H) viene ottenuto principalmente nella via dei pentosi fosfato.

12 NAD&FAD Il FAD o Flavin adenina dinucleotide, è un importante fattore ossidante del ciclo di Krebs ed interviene nel trasporto degli elettroni nel processo biochimico chiamato catena di trasporto degli elettroni. La molecola è costituita da 3 anelli condensati, che costituiscono il gruppo isoalloazinico della flavina, il quale è legato al ribitolo (zucchero a cinque atomi di carbonio) tramite l'atomo di azoto (N) dell'anello centrale

13 NAD&FAD Il FAD, interviene in numerose reazioni di trasferimento di elettroni. Gli atomi di idrogeno (H), possono essere uno o due, legati al gruppo isoallosazinico. Se all'anello c'è legato un solo atomo di idrogeno, allora prenderà il nome di FADH. Ques'atomo di idrogeno, sarà legato all'azoto in para dell'anello centrale del gruppo isoallosazinico,, ed il doppio legame presente nell'anello centrale scompare.

14 NAD&FAD Se all'anello ci sono legati due atomi di idrogeno, allora prenderà il nome di FADH2. Questo secondo atomo di idrogeno, sarà legato all'azoto in para dell'anello terminale del gruppo isoallosazinico,, ed il doppio legame presente nell'anello terminale scompare, formandosi invece un doppio legame tra l'anello centrale e quello terminale affinché le valenze dell'atomo di carbonio vengano rispettate.

15 GLICOLISI La glicolìsi è un processo metabolico mediante il quale una molecola di glucosio viene scissa in due molecole di piruvato al fine di generare molecole ad alta energia, come ATP e NADH. La glicolìsi è un processo metabolico mediante il quale, in condizioni di anaerobiosi non stretta, una molecola di glucosio viene scissa in due molecole di piruvato al fine di generare molecole ad alta energia, come ATP e NADH.

16 GLICOLISI In una prima fase del processo, composta da cinque passaggi, viene consumata energia per ottenere dal glucosio molecole a più alta energia (gliceraldeide-3- fosfato), che verranno trasformate nella fase successiva, composta di altri cinque passaggi, in molecole nettamente meno energetiche (piruvato), con produzione di energia superiore a quella consumata nella prima fase. Il processo nel suo insieme è quindi di tipo catabolico,, cioè in cui molecole più complesse ed energetiche vengono trasformate in altre più semplici e meno energetiche, con produzione di energia.

17 GLICOLISI La reazione completa della glicolisi è la seguente: Glucosio + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi 2 NADH + 2 piruvato + 2 ATP + 2 H2O + 2 H+ In tutti gli organismi che non prevedono ulteriori degradazioni del piruvato, il processo ha una resa energetica di due molecole di ATP per ogni molecola di glucosio (Glc( Glc) o per qualsiasi altro zucchero esoso degradabile da questa via metabolica. Il catabolismo glucidico degli organismi che svolgono comunemente le fermentazioni, come i lieviti, dunque, si ferma al piruvato (che solitamente viene interconvertito in altre forme senza che ciò comporti ulteriori guadagni energetici).

18 GLICOLISI Per gli organismi superiori, come ad esempio i mammiferi, la glicolisi è invece solo il primo passaggio della degradazione degli zuccheri. Le cellule in grado di svolgere i successivi pathway aerobici (come il ciclo di Krebs), dunque, sono in grado di processare il piruvato, ossidandolo fino ad ottenere anidride carbonica ed acqua. Anche in questi organismi, in ogni caso, la glicolisi può diventare l'unico pathway,, senza che il piruvato sia ulteriormente ossidato. Ciò può avvenire in caso di sforzo intenso (come i muscoli): in questo caso, il piruvato viene convertito ad acido lattico per riconvertire il NADH a NAD+ e bilanciarne le concentrazioni cellulari.

19 GLICOLISI La glicolisi può essere suddivisa in due fasi: - la prima fase è detta fase di investimento, - la seconda è la fase di rendimento. Nella fase di investimento,, il glucosio viene fosforilato a glucosio-6-fosfato ed infine scisso in due molecole di gliceraldeide-3-fosfato; ciò avviene attraverso l'utilizzo di due molecole di ATP. I primi cinque passaggi della via metabolica, dunque, comportano un consumo netto di energia.

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21 GLICOLISI Nella seconda fase, quella di rendimento, le due molecole di gliceraldeide-3-fosfato vengono trasformate in due molecole di piruvato con conseguente produzione di quattro molecole di ATP e due di NADH (per riduzione del NAD+), le quali permettono di rigenerare anche il pool di molecole riducenti presenti nella cellula. Questa seconda fase, dunque, vede un recupero di energia, che porta l'intero pathway glicolitico ad un guadagno netto di energia.

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23 GLICOLISI La velocità di flusso nel pathway glicolitico è in grado di adattarsi molto bene in risposta a stimoli provenienti dall'interno e dall'esterno della cellula. Essa è regolata per massimizzare la presenza di due metaboliti principali: - l'atp - gli amminoacidi (mattoni fondamentali per le reazioni di biosintesi) Nella glicolisi, solo le reazioni catalizzate da esochinasi, fosfofruttochinasi e piruvato chinasi sono effettivamente irreversibili.

24 Sedi del controllo metabolico della via glicolitica REAZIONE IRREVERSIBILE F2,6BP TAPPA LIMITANTE Regolazione centrale che si propaga a monte ed a valle REAZIONE IRREVERSIBILE

25 Destino dell NADH e del Piruvato Aerobiosi o anaerobiosi?? In aerobiosi, l NADH l è ri-ossidato a livelli della catena respiratoria, formando ATP nella fosforilazione ossidativa ed il Piruvato ossidato ad CO 2 ed H 2 O nel ciclo di Krebs In anaerobiosi, l NADH l è ri-ossidato ed il Piruvato ridotto a lattato dalla lattico deidrogenasi (LDH) nel processo di fermentazione lattica

26 CHI E IL PIU FORTE? FIBRE ROSSE: Metabolismo aerobio > Resistenza < Forza ( e velocità!) FIBRE BIANCHE: Metabolismo anaerobio (fermentazione lattica) < Resistenza > Forza (e velocità!)

27 tanto il più forte sono sempre io!!!

28 RESPIRAZIONE CELLULARE FERMENTAZIONE La fermentazione è un processo ossidativo anaerobico svolto da numerosi organismi a carico di carboidrati (o raramente di aminoacidi) per la produzione di energia. Dal momento che in anaerobiosi non è disponibile l'ossigeno come accettore finale di elettroni, lo stesso substrato viene in parte ossidato ed in parte ridotto. Le varie fermentazioni differiscono per la via in cui viene rigenerato il NADH; se ne conoscono 2 tipi:

29 RESPIRAZIONE CELLULARE Fermentazione lattica Nella fermentazione lattica i due atomi di idrogeno vengono trasferiti sul carbonio in posizione 2 dell'acido piruvico, producendo acido lattico: CH3 CO COO- + (NADH + H+) CH3 HCOH COO- + NAD+ (Ac.. Piruvico + NADH2 Ac.. lattico + NAD) Questo processo viene attuato da alcuni batteri (lattobacilli) e dalle cellule del corpo umano in condizioni di anaerobiosi (muscolo). Nei muscoli, in condizioni di carico intenso, viene prodotta energia a carico del glicogeno presente in loco, che viene prima scisso in glucosio e poi viene fermentato ad acido lattico. L'accumulo di questo catabolita genera l'affaticamento muscolare e viene gradualmente eliminato durante il recupero.

30 RESPIRAZIONE CELLULARE 1a parte: Fermentazione alcolica: C3H4O3 C2H4O + CO2 Acido piruvico Acetaldeide + Anidride carbonica 2a parte: C2H4O + (NADH + H+) NAD+ + C2H6O Acetaldeide + Nicotinammideadenindinucleotide ridotto Nicotinammideadenindinucleotide ossidato + Etanolo La fermentazione alcolica ha come risultato la trasformazione degli zuccheri in alcol etilico e anidride carbonica. Tale processo è alla base della produzione delle principali bevande alcoliche (vino, birra) ma anche della lievitazione del pane.

31 RESPIRAZIONE CELLULARE Il ciclo di Krebs avviene nei mitocondri delle cellule eucariote e nel citoplasma delle cellule procariote. I catabolismi glucidico e lipidico (attraverso la glicolisi e la beta ossidazione), producono acetil-coa CoA,, un gruppo acetile legato al coenzima A. L'acetil acetil-coa costituisce il principale substrato del ciclo. Il suo ingresso consiste in una condensazione con ossalacetato,, a generare citrato. Al termine del ciclo stesso, i due atomi di carbonio immessi dall'acetil acetil-coa verranno ossidati in due molecole di CO2, rigenerando nuovamente ossalacetato in grado di condensare con acetil-coa CoA. La produzione rilevante dal punto di vista energetico, tuttavia, è quella di una molecola di GTP di tre molecole di NADH ed una di FADH2.

32 RESPIRAZIONE CELLULARE I catabolismi glucidico e lipidico (attraverso la glicolisi e la beta ossidazione), producono acetil-coa CoA,, un gruppo acetile legato al coenzima A. L'acetil acetil-coa costituisce il principale substrato del ciclo. Il suo ingresso consiste in una condensazione con ossalacetato,, a generare citrato. Al termine del ciclo stesso, i due atomi di carbonio immessi dall'acetil acetil-coa verranno ossidati in due molecole di CO2, rigenerando nuovamente ossalacetato in grado di condensare con acetil-coa CoA. La produzione rilevante dal punto di vista energetico, tuttavia, è quella di una molecola di GTP di tre molecole di NADH ed una di FADH2.

33 RESPIRAZIONE CELLULARE La reazione netta è la seguente: Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi - CoA-SH + 3 NADH + H+ + FADH2 + ATP + 2 CO2 L'energia che si ricava dalla completa demolizione di una molecola di glucosio attraverso i tre diversi stadi della respirazione cellulare (glicolisi, ciclo di Krebs e catena di trasporto di elettroni), è idealmente di 36 molecole di ATP. In realtà sono 38 le molecole nette di ATP ad essere prodotte, ma 2 di esse vengono consumate per trasportare (tramite trasporto attivo) dal citoplasma alla matrice mitocondriale le 2 molecole di NADH + H+ prodotte nella glicolisi.

34 RESPIRAZIONE CELLULARE I cofattori ridotti (NADH e FADH2), si comportano come intermedi ossido/riduttivi. Quando ridotti, essi sono in grado di trasportare elettroni ad energia relativamente alta (sottratti ai substrati ossidati ad esempio nella glicolisi o nello stesso ciclo di Krebs) ) fino alla catena respiratoria mitocondriale. Presso tale catena, essi vengono riossidati (a NAD+ e FAD) e cedono gli elettroni alla catena stessa, che sarà così in grado di rigenerare molecole di ADP ad ATP.

35 RESPIRAZIONE CELLULARE La reazione netta è la seguente: Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi - CoA-SH + 3 NADH + H+ + FADH2 + ATP + 2 CO2 L'energia che si ricava dalla completa demolizione di una molecola di glucosio attraverso i tre diversi stadi della respirazione cellulare (glicolisi, ciclo di Krebs e catena di trasporto di elettroni), è idealmente di 36 molecole di ATP. In realtà sono 38 le molecole nette di ATP ad essere prodotte, ma 2 di esse vengono consumate per trasportare (tramite trasporto attivo) dal citoplasma alla matrice mitocondriale le 2 molecole di NADH + H+ prodotte nella glicolisi.

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38 RESPIRAZIONE CELLULARE La velocità del ciclo di Krebs viene continuamente modulata per venire incontro alle esatte necessità energetiche della cellula. I siti primari di controllo sono gli enzimi allosterici, la isocitrato deidrogenasi e la α-chetoglutarato deidrogenasi.

39 RESPIRAZIONE CELLULARE La isocitrato deidrogenasi è stimolata allostericamente dalla presenza di ADP, che aumenta l'affinità dell'enzima per il substrato. I legami di isocitrato, di NAD+,, di Mg2+, e di ADP all'enzima sono mutualmente cooperativi in senso attivatore. Al contrario, il NADH inibisce l'enzima attraverso lo spiazzamento diretto di NAD+. Lo stesso ATP ha effetto inibitorio.

40 RESPIRAZIONE CELLULARE La α-chetoglutarato deidrogenasi è dunque inibita dal succinil CoA e dal NADH, i prodotti della reazione che catalizza. Può anche essere inibita genericamente da un alto livello energetico presente nella cellula.

41 GLICOLISI Respirazione cellulare CATENA RESPIRATORIA E FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA CICLO DI KREBS

42 RESPIRAZIONE CELLULARE Il ciclo di Krebs è sempre seguito dalla fosforilazione ossidativa, una catena di trasporto di elettroni. L'una non avrebbe senso senza l'altra in quanto l'atp e il GTP prodotto dal ciclo in sés è scarso e la produzione di NADH e FADH2 porterebbe ad un'ambiente mitocondriale eccessivamente ridotto, mentre la sola catena respiratoria necessiterebbe di una fonte di cofattori ridotti pena l'ossidazione dell'ambiente. Questa respirazione cellulare estrae energia da NADH e FADH2, ricreando NAD+ e FAD, permettendo in tal modo al ciclo di continuare.

43 RESPIRAZIONE CELLULARE FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA Si tratta della fase finale della respirazione cellulare, dopo glicolisi e ciclo di Krebs. Il processo genera la fosforilazione di molecole di ADP in ATP attraverso la conversione di NADH e FADH2 nelle forme ossidate, con rilascio di elettroni. La conversione di NADH e FADH sarà effettuata lungo la CATENA RESPIRATORIA.

44 RESPIRAZIONE CELLULARE L'ubicazione fisica del processo è sempre a cavallo di una membrana biologica: negli eucarioti,, esso avviene presso le creste mitocondriali (ossia i ripiegamenti della membrana interna dell'organello organello), mentre nei procarioti,, ha luogo presso la membrana cellulare

45 CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI

46 RESPIRAZIONE CELLULARE La catena di trasporto degli elettroni è costituita da una serie di complessi proteici e composti lipo-solubili (4) capaci di produrre un potenziale elettrochimico attraverso la membrana mitocondriale mediante la creazione di un gradiente di concentrazione di ioni H+ tra i due lati della membrana. Questo potenziale è sfruttato per attivare i canali di trasporto presenti sulla membrana stessa e per promuovere la sintesi dell'atp da parte dell'atp sintetasi.

47 RESPIRAZIONE CELLULARE I vari trasportatori sono disposti in maniera tale da avere potenziali di riduzione crescenti e per questo motivo gli elettroni, venendo trasportati, passano da uno stato energetico più alto ad uno stato energetico più basso con conseguente liberazione di energia, la quale verrà utilizzata in parte per la sintesi di ATP, ed in parte verrà dispersa come calore (necessario al mantenimento della temperatura corporea) I complessi normalmente associati alla catena di trasporto degli elettroni mitocondriale sono quattro:

48 RESPIRAZIONE CELLULARE COMPLESSO I NADH deidrogenasi (o Coenzima Q reduttasi): Questo complesso riceve due atomi di idrogeno dal coenzima NADH e li trasferisce interamente al secondo trasportatore della catena di trasporto degli elettroni, cioè il Coenzima Q. L'energia ricavata dal passaggio degli elettroni è utilizzata da questo complesso per trasportare 4 protoni nello spazio intermembrana.

49 RESPIRAZIONE CELLULARE Il complesso 2 è chiamato succinato-coq riduttasi perché gli elettroni che giungono al CoQ dal FADH2 provengono dalla ossidazione dell'acido succinico. Il complesso 2 è un punto di contatto tra ciclo di Krebs e catena respiratoria; infatti contiene l'enzima della tappa n 6 del ciclo di Krebs,che ossida l'acido succinico ad acido fumarico con la contemporanea riduzione del FAD a FADH2. Il FADH2 viene subito riossidato a FAD senza lasciare il complesso, e trasferisce i suoi elettroni a centri Fe-S che a loro volta riducono il CoQ. Il complesso 2 non èin grado di trasferire protoni dalla matrice allo spazio intermembrana Per questoportaalla formazione di 2 sole molecole di ATP contro le 3 generatedall'ossidazione del NADH che arrivano al CoQ attraverso il complesso 1.

50 Complesso II succinato:ubichinone ossidoreduttasi Succinato + CoQ Fumarato + CoQH 2

51 RESPIRAZIONE CELLULARE COMPLESSO III Citocromo bc1, anche detto Citocromo c reduttasi: riceve elettroni dal Coenzima Q e li cede al citocromo c; in seguito trasporta 4 protoni nello spazio intermembrana Sede dell importantissimo ciclo dell Ubichinone CoQH 2 +2cit.c CoQ+ 2cit.c 2+ +2H +

52 Complesso III Ubichinolo:citocromo c ossidoreduttasi Q o Ciclo Q antimicina A 2H + Q Q -. QH 2 in e - e - b 562 (H) e - e - Q b 566 (L) e - e - Q -. QH 2 QH 2 e - e FeS c 1 2H + 2H + e - e - out mixotiazolo Q i

53 Ciclo Q o dell ubichinone 2H + scalari 2H + vettoriali 2H + scalari 2H + vettoriali

54 RESPIRAZIONE CELLULARE COMPLESSO IV Citocromo c ossidasi: è l'ultimo complesso, quello che trasferisce gli elettroni direttamente all' ossigeno (proveniente dai polmoni) trasformandolo insieme agli ioni H+,, in H2O. Anche questo trasporta 4 protoni nello spazio intermembrana.

55 RESPIRAZIONE CELLULARE Tutte queste sono complessi lipoproteici che contengono flavina, cluster ferro-zolfo o rame. I complessi I, III e IV sono "pompe protoniche" ed il gradiente formatosi a cavallo della membrana mitocondriale interna viene utilizzato dall'enzima ATP sintetasi per formare ATP a partire dai suoi substrati (ADP + PI). Il processo di formazione di questo nucleotide viene chiamato Fosforilazione ossidativa.

56 FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA Ipotesi dell ACCOPPIAMENTO CHIMICO (serie di intermedi ad alto contenuto energetico) Ipotesi dell ACCOPPIAMENTO CONFORMAZIONALE (variazione conformazionale delle proteine di membrana) Ipotesi dell ACCOPPIAMENTO CHEMIOSMOTICO (formazione di un gradiente elettrochimico di protoni) Ipotesi di Mitchell 1961 Racker & Stoeckenius hanno confermato l ipotesi di Mitchell usando vescicole contenenti la batteriorodopsina e l ATP sintasi

57 DG = nfde = -220kJ/mole Gran parte di questa energia viene usata per pompare protoni fuori dalla matrice mitocondriale. Per ogni coppia di elettroni trasferiti all ossigeno, 4 protoni sono pompati fuori dal Complesso I, 4 dal Complesso III e 2 dal Complesso IV. Durante una attiva respirazione mitocondriale il DY è stato valutato tra 0.15 e 0.2 V ed il ph della matrice è di circa 0.75 unità più alcalino rispetto a quello dello spazio intermembrana Forza motrice protonica µh + = per un protone 20 kj/mole

58 Modello Chemiosmotico ADP + Pi + nh+p ATP + H2O + nh+n

59 F 1 F o ATP SINTASI F 1 Stalk (sub F 1 ed F o ) F o subunità c Enzima deputato alla sintesi di ATP a spese del gradiente di H + transmembrana (H + fluiscono attraverso l F o all F 1 ). E anche in grado di idrolizzare ATP pompando protoni dal settore F 1 verso il settore F o. Nei batteri anaerobi forma un gradiente protonico per il trasporto e/o regola il ph citoplasmatico

60 L ATP sintasi mitocondriale è una ATPasi di tipo F costituita da due parti distinte: Il settore F 1 ed il settore F o La reazione catalizzata è: ADP + Pi ATP + H 2 O Nel caso dell ATP sintasi la reazione è del tutto reversibile (DG O). Perché? Questo enzima rende l ATP stabile tanto quanto i suoi prodotti di idrolisi, ADP e Pi, tenendolo saldamente legato.

61 ADP La subunità g ha un dominio che costituisce l asse centrale che passa attraverso l F 1 ed un altro dominio che è associato in prevalenza ad una delle tre subunità b, detta subunità b- vuota. ATP F 1 visto dal lato N della membrana

62 Il complesso F 1 possiede tre siti di legame per nucleotidi adeninici non equivalenti, uno per ogni eterodimero ab. L T La forza motrice protonica provoca la rotazione delle subunità c e la subunità g entra in contatto a turno con ciascuna coppia di subunità ab e precisamente con la subunità b che assume la conformazione vuota (O). T O O O L Il gradiente protonico provoca il rilascio dalla superficie enzimatica dell ATP prodotto che non può essere rilasciato finchè ADP e Pi non sono legati all altro sito (COOPERATIVITA NEGATIVA). L T

63 BINDING CHANGE MECHANISM Boyer 1997 Premio Nobel in Chimica L ENERGIA DEL GRADIENTE PROTONICO NON E UTILIZZATA PER LA SINTESI DI ATP MA PER IL RILASCIO DI ATP DAL SITO TIGHT I TRE SITI CATALITICI PARTECIPANO IN SEQUENZA IN MANIERA COOPERATIVA. (ATTRAVERSO L INTERCONVERSIONE DELLE CONFORMAZIONI) LE VARIAZIONI CONFORMAZIONALI AI TRE SITI SONO CAUSATE DALLA ROTAZIONE DELLA SUBUNITA γ

64 CATALISI ROTAZIONALE 1.Passaggio di protoni attraverso il canale Fo 2.Rotazione dell oligomero di subunità c 3.Rotazione della subunità γ (δε) Ogni rotazione di 120 pone in contatto γ con una diversa subunità β e questo contatto costringe la subunità β ad assumere la conformazione β-vuota. Il numero di H + richiesti per la sintesi di una molecola di ATP è di 4 di cui 1 è usato per trasportare Pi attraverso la m.m.i. 3

65 FOTOSINTESI La fotosintesi clorofilliana è l insieme delle reazioni durante le quali le piante verdi producono sostanze organiche a partire da CO2 e dall acqua, acqua, in presenza di luce. Mediante la clorofilla,, l'energia solare (luce) viene trasformata in una forma di energia chimica utilizzabile dagli organismi vegetali per la propria sussistenza. Tali organismi si dicono autotrofi.

66 FOTOSINTESI

67 FOTOSINTESI Il prodotto organico della fotosintesi ossigenica è il glucosio (C6H12O6), il carboidrato monosaccaride più diffuso sul nostro pianeta. In seguito da questo sono assemblate varie altre macromolecole, quali l'amido (la forma di accumulo del carbonio nelle piante) e il saccarosio (la forma di trasporto principale del carbonio nelle piante ). Il carbonio e l'idrogeno da convertire in sostanza organica sono forniti rispettivamente dall'anidride carbonica (CO2) atmosferica e dall'acqua(h20). La quasi totalità della fotosintesi ossigenica è compiuta da piante e alghe che ricavano l'idrogeno dall'acqua (H2O).

68 FOTOSINTESI L'equazione chimica che riassume il processo è: 6 CO2 + 6 H2O Kilocalorie/mole C6H12O6 + 6 O2

69 FOTOSINTESI Esistono, soprattutto fra gli organismi procarioti autotrofi, varie forme di fotosintesi, oltre alla fotosintesi clorofilliana ossigenica descritta qui. In alcune specie di batteri autotrofi, l'idrogeno proviene non dall'acqua ma dall'acido solfidrico,, che nella fotosintesi viene ossidato a zolfo elementare (S8) 6 CO H2S C6H12O S + 6 H2O

70 FOTOSINTESI Si noti che questi batteri sono anaerobi obbligati. Le forme di fotosintesi clorofilliana che vengono effettuate con lo zolfo (o in alcuni casi anche con l'azoto) vengono dette fotosintesi anossigeniche. Anche fra le piante si riscontrano vari tipi di fotosintesi clorofilliana. Le piante sono suddivise, in base alla forma di fotosintesi clorofilliana da esse compiuta, in tre gruppi principali, che hanno diverse caratteristiche: le piante C3, C4 e CAM. Vi è anche una forma di fotosintesi, la chemiosintesi,, in cui l'energia chimica è data dalla demolizione di molecole organiche anziché dalla radiazione elettromagnetica.

71 FOTOSINTESI La fotosintesi clorofilliana avviene per tappe riunibili in due fasi: - la fase luminosa dipendente dalla luce - La fissazione del carbonio (fase oscura indipendente dalla luce) di cui fa parte il ciclo di Calvin. La seconda fase viene anche definita "fase oscura", ma non si riferisce all'assenza della luce dato che alcuni enzimi coinvolti in questa fase sono direttamente attivati proprio dalla luce, tanto che avviene contemporaneamente alla fase luminosa e non di notte. Infatti in assenza di luce si ha scarsità di ATP e NADPH, gli stomi si chiudono e così non vi è accesso di CO2

72 FOTOSINTESI FASE LUMINOSA Il processo fotosintetico si svolge all'interno dei cloroplasti. All'interno di questi si trova un sistema di membrane che formano pile di sacchetti appiattiti ( (tilacoidi), dette grani. All'interno di queste membrane troviamo delle molecole di clorofilla, aggregate a formare i cosiddetti fotosistemi. Si possono distinguere 2 tipi di fotosistemi,essi sono un insieme di molecole di pigmenti in cui l energia l viene convogliata verso una molecola di clorofilla "a trappola.

73 FOTOSINTESI Il fotosistema I è formato da un LHC (complesso che cattura la luce) costituito da circa 70 molecole di clorofilla a e b e da 13 diversi tipi di catene polipeptidiche,, e da un centro di reazione che comprende circa 130 molecole di clorofilla a e P700, un particolare tipo di clorofilla che ha il massimo assorbimento della luce a 700nm. Il fotosistema II è anch'esso composto da un LHC, formato da circa 200 molecole di clorofilla a e b, nonché da diverse catene polipeptidiche,, e da un centro di reazione formato da circa 50 molecole di clorofilla a e di P680, che ha il massimo assorbimento della luce solare a 680nm.

74 FOTOSINTESI Tutte queste molecole sono in grado di catturare l'energia luminosa, ma solo quelle di clorofilla a sono in grado di passare ad uno stato eccitato che attiva la reazione fotosintetica. Le molecole che hanno solo funzione di captazione sono dette molecole antenna; Quelle che attivano il processo fotosintetico sono definite centri di reazione. La "fase luminosa" è dominata dalla clorofilla a, le cui molecole assorbono selettivamente luce nelle porzioni rossa e blu-violetta dello spettro visibile, attraverso una serie di altri pigmenti coadiuvanti.

75 FOTOSINTESI L'energia catturata dalle molecole di clorofilla consente la promozione di elettroni da orbitali atomici a energia minore ad orbitali ad energia maggiore. Questi vengono subito sostituiti mediante idrolisi di molecole d'acqua (che, da H2O, si demolisce in due protoni, due elettroni ed un ossigeno grazie alla fotolisi, operata dai due fotosistemi). Gli elettroni liberati dalla clorofilla del fotosistema II vengono immessi in una catena di trasporto costituita dal citocromo B6f, durante la quale perdono energia, passando ad un livello energetico inferiore L'energia persa viene utilizzata per pompare protoni dallo stroma all'interno dello spazio del tilacoide,, creando un gradiente protonico.

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77 FOTOSINTESI Infine gli elettroni giungono al fotosistema I, che a sua volta, per effetto della luce, ha perso altri elettroni. Gli elettroni persi dal fotosistema I vengono trasferiti alle ferredossina,, che riduce NADP+ in NADPH. Tramite la proteina di membrana ATP-sintetasi situata sulla membrana del tilacoide gli ioni H+ liberatisi dall'idrolisi dell'acqua passano dallo spazio del tilacoide allo stroma, cioè verso gradiente, sintetizzando ATP a partire da gruppi liberi di fosfato e ADP. Si può formare una molecola di ATP ogni due elettroni persi dai fotosistemi.

78 FOTOSINTESI

79 FOTOSINTESI La fase di FISSAZIONE DEL CARBONIO o ciclo di Calvin comporta l'organificazione della CO2, ossia la sua incorporazione in composti organici e la riduzione del composto ottenuto grazie al ATP ricavato dalla fase luminosa. In questo ciclo è presente un composto organico fisso, il ribulosio bifosfato,, o RuBP,, che viene trasformato durante la reazione fino a tornare al suo stato iniziale. Le 12 molecole di ribulosio bifosfato presenti nel ciclo di Calvin reagiscono con l'acqua e l'anidride carbonica subendo una serie di trasformazioni. Alla fine del processo, oltre alle 12 RuBP nuovamente sintetizzate, si originano 2 molecole di gliceraldeide 3- fosfato, che vengono espulse dal ciclo come prodotto netto della fissazione.

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81 FOTOSINTESI L'ATP e la NADPH consumate durante il ciclo di Calvin vengono prelevate da quelle prodotte durante la fase luminosa, e, una volta ossidate, tornano a far parte del pool disponibile per la riduzione. Complessivamente, nel ciclo di Calvin vengono consumate 6 molecole di CO2, 6 di acqua, 18 di ATP e 12 di NADPH per formare 2 gliceraldeide 3-fosfato (abbreviato in G3P), 18 gruppi liberi di fosfato, 18 ADP, 12 protoni, 12 NADP+. Le due molecole di gliceraldeide 3-fosfato formatesi durante il ciclo di Calvin vengono utilizzate per sintetizzare glucosio, in un processo inverso alla glicolisi, o per formare lipidi quali acidi grassi oppure amminoacidi (aggiungendo un gruppo amminico nella struttura).

82 AcetilCoA + 3 NAD + + FAD + GDP + Pi + 2H 2 O 2CO 2 + 3NADH + 3H + + FADH 2 + GTP + CoA Ciclo di KREBS (ciclo degli acidi tricarbossilici, ciclo dell acido citrico)

83 RESPIRAZIONE CELLULARE