METABOLISMO CELLULARE
Struttura dell ATP (Adenosintrifosfato) Adenina (base azotata), Ribosio (zucchero) e un gruppo fosforico
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 diviene ADP (adenosindifosfato). Fornendo 7 kilocalorie per mole, l ADP riacquista il gruppo fosforico e diviene di nuovo ATP.
Enzimi ed ATP (nelle reazioni chimiche) Gli enzimi (proteine) riducono fortemente l energia di attivazione di una reazione chimica. L ATP (nucleotide) fornisce l energia necessaria alla reazione chimica stessa.
La creazione dell ATP nelle cellule attraverso l ossidazione del glucosio C 6 H 12 O 6 6O 2 6CO 2 6H 2 O 686 kcal
L ossidazione del glucosio nella cellula C 6 H 12 O 6 6O 2 6CO 2 6H 2 O 686 kcal Circa il 40% dell 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 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 di una molecola di glucosio produce solo 2 molecole di ATP.
La glicolisi è un punto centrale del metabolismo dei carboidrati. Tutti gli zuccheri possono essere convertiti in glucosio (sia alimentari che provenienti da reazioni cataboliche intracellulari). La glicolisi è utilizzata da tutti i tessuti per demolire il glucosio e per: 1) ottenere energia (sotto forma di ATP) 2) ottenere intermedi destinati ad altre vie metaboliche
GLICOLISI AEROBICA Avviene nelle cellule dotate di mitocondri e di un adeguato apporto di ossigeno E detta aerobica perché è necessario l ossigeno per riossidare il NADH che si forma durante l ossidazione della gliceraldeide 3-fosfato Il prodotto finale è il piruvato Il piruvato successivamente subirà la decarbossilazione ossidativa ad acetil CoA (reazione irreversibile) ed andrà ad alimentare il Ciclo di Krebs.
GLICOLISI ANAEROBICA E detta anaerobica perché avviene senza la partecipazione dell ossigeno Permette la produzione di ATP: - nei tessuti privi di mitocondri (p.es. globuli rossi) - in cellule in cui l apporto di ossigeno è insufficiente Il prodotto finale è il lattato: il glucosio è convertito in piruvato che è poi ridotto a lattato dal NADH (che viene così riconvertito in NAD + )
Le due fasi dell ossidazione completa del glucosio
Le due fasi dell ossidazione completa del glucosio 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).
I mitocondri Due membrane (interna ed esterna) selettive. All interno delle creste della membrana interna vi è una soluzione densa (enzimi, coenzimi, acqua, fosfati, ecc.) detta matrice.
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
Ciclo di Krebs Nel corso del ciclo, due dei sei atomi di carbonio sono ossidati a CO 2 e parte dell 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 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.
Bilancio energetico massimo nell ossidazione di una molecola di glucosio C 6 H 12 O 6 6O 2 6CO 2 6H 2 O 686 kcal (38 molecole di ATP) (7 kcal) = 266 kcal (40%)
RENDIMENTO ENERGETICO DELLA GLICOLISI GLICOLISI AEROBICA Per ciascuna molecola di glucosio si formano 2 molecole di Piruvato, 2 molecole di ATP, 2 molecole di NADH Il NADH viene ossidato mediante la catena di trasporto degli elettroni che produce 3 molecole di ATP per ogni molecola di NADH che entra nella catena Rendimento energetico totale: 8 molecole di ATP + Piruvato (che entrerà nel ciclo di Krebs!)
RENDIMENTO ENERGETICO DELLA GLICOLISI GLICOLISI ANAEROBICA Per ciascuna molecola di glucosio si formano 2 molecole di ATP Non c è produzione o consumo netto di NADH! La glicolisi anaerobica è una preziosa fonte di energia: 1) quando l apporto di O 2 è limitato (p. es. nel muscolo durante l esercizio intenso) 2) nei tessuti privi o con pochi mitocondri (p. es. globuli rossi, leucociti)
RIDUZIONE DEL PIRUVATO IN LATTATO Il lattato è il prodotto finale della glicolisi anaerobica nelle cellule eucariotiche Si forma ad opera della lattato deidrogenasi che catalizza la riduzione del piruvato a lattato (con ossidazione del NADH a NAD + ) Il lattato è il destino principale del piruvato nei globuli rossi, leucociti, nel cristallino, nella cornea La direzione della reazione catalizzata dalla lattato deidrogenasi dipende da: - [lattato] e [piruvato] intracellulari - rapporto NADH/NAD + intracellulare N.B. Le vie metaboliche, in cui gli e - liberati dalla ossidazione della gliceraldeide 3-P vengono ceduti come accettore finale ad un substrato, si chiamano fermentazioni.
FORMAZIONE DI LATTATO NEI MUSCOLI Quando nei muscoli scheletrici in attività il rapporto NADH/NAD + è elevato (perché la produzione di NADH supera la capacità ossidativa della catena respiratoria) piruvato lattato Durante l esercizio intenso nel muscolo si accumula lattato (la del ph intracellulare che ne consegue può provocare crampi!) Il lattato diffonde nel torrente sanguigno e può essere utilizzato dal fegato per sintetizzare glucosio
Fegato e cuore, dove il rapporto NADH/NAD + è più basso che nel muscolo in attività, ossidano il lattato (assunto dal sangue) in piruvato (A) Nel fegato, il piruvato è : - convertito in glucosio (gluconeogenesi) oppure - ossidato nel ciclo di Krebs (B) Il cuore ossida esclusivamente il lattato a CO 2 ed H 2 O mediante il ciclo di Krebs