BIOCHIMICA La respirazione cellulare e la fotosintesi clorofilliana Nel mondo degli organismi viventi sono presenti molti tipi di macromolecole, ma gli elementi che le costituiscono sono essenzialmente quattro: idrogeno, ossigeno, carbonio e azoto. Le macromolecole biologiche si possono dividere in quattro grandi famiglie: carboidrati (glucidi o zuccheri), lipidi (grassi), proteine o acidi nucleici. L acqua è la molecola presente in maggior quantità in tutti gli organismi mentre la parte secca è costituita prevalentemente da proteine e acidi nucleici. Carboidrati e lipidi sono utilizzati in buona parte come fonte di energia. Gli organismi viventi sono costituiti da cellule. In queste strutture avvengono continuamente reazioni biochimiche. L insieme delle reazioni che avvengono nelle cellule e, più in generale, nell organismo prendono il nome di metabolismo. E importante per un corretto bilancio energetico capire in che verso avviene una reazione. Si hanno sempre dei reagenti iniziali (precursori) e dei prodotti finali (metaboliti). Se una reazione libera energia è detta esoergonica, se invece ha bisogno di energia per avvenire viene detta endoergonica. Spesso all interno del nostro corpo molte reazioni possono avvenire solo se accoppiate. L energia liberata da una reazione favorisce la reazione successiva che per avvenire ha bisogno di un apporto di energia. Le reazioni che liberano energia hanno un ΔG <0, mentre quelle che hanno bisogno di energia un ΔG >0. Le reazioni che degradano con ossidazioni le molecole più complesse per ottenere prodotti meno complessi sono dette cataboliche e sono esoergoniche. Le reazioni che invece costruiscono molecole più complesse con riduzioni partendo da molecole meno complesse sono dette anaboliche e sono endoergoniche. Nelle reazioni esoergoniche parte dell energia prodotta viene liberata sotto forma di calore, mentre una parte viene inglobata, conservata in un prodotto finale Respirazione cellulare Catabolica Esoergonica C 6 H 12 O 6 + 6O 2 -> 6CO 2 + 6 H 2 O + 32 ATP Fotosintesi Clorofilliana Anabolica Endoergonica 6CO 2 + 6 H 2 O + LUCE ENERGIA -> C 6 H 12 O 6 + 6O 2 [RICORDATEVI DI QUESTE DUE FORMULE PER TUTTA LA VITA]
I composti biologici più abbondanti nella biosfera e, in particolare, nel mondo vegetale sono i carboidrati. I carboidrati, sono chiamati anche glucidi o zuccheri. Sono costituiti da carbonio, ossigeno e idrogeno e la loro formula generale è C n H 2n O n. I carboidrati sono le molecole da cui ogni organismo ricava energia. In natura i carboidrati sono prodotti dai cloroplasti presenti nelle cellule vegetali attraverso la fotosintesi clorofilliana a partire da molecole di anidride carbonica e acqua. L energia solare assorbita è convertita in energia chimica sotto forma di molecole di zucchero. Gli animali ricavano gli zuccheri nutrendosi. Tramite il processo della respirazione cellulare riescono a ricavare energia producendo ATP. Ricapitolando, gli organismi vegetali sono autotrofi ed effettuano sia la fotosintesi clorofilliana che la respirazione cellulare. Gli animali sono eterotrofi ed effettuano solo la respirazione cellulare. I carboidrati possono essere divisi in monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi. I monosaccaridi contengono quattro, cinque o sei atomi di carbonio, ma i più diffusi in natura sono i pentosi e gli esosi. Sono i monomeri fondamentali, cioè le unità di base, dai quali vengono prodotti i glucidi più complessi. I gruppi funzionali che caratterizzano i monosaccaridi e quindi tutti i glucidi più complessi sono il gruppo alcolico, aldedico e chetonico. A seconda del gruppo che contengono, gli zuccheri sono detti aldosi (gruppo aldedico) o chetosi (gruppo chetonico). I glucidi d interesse biologico hanno una configurazione relativa D. Questo significa che l ossidirle OH è legato al carbonio adiacente alla funzione alcolica primaria a destra. Anche se molte volte gli zuccheri vengono rappresentati come catene lineari in ambiente acquoso si chiudono ad anello. Una volta chiusi ad anello se il gruppo OH del primo carbonio è rivolto verso il basso lo zucchero viene detto alfa, altrimenti se è verso l alto viene detto beta. Ovviamente variazioni della struttura del zucchero portano alla formazione di isomeri (stesso numero di atomi, ma disposizione degli atomi diversa). I più importanti monosaccaridi sono il glucosio, il fruttosio, il ribosio e il desossiribosio. Gli oligosaccaridi sono carboidrati la cui molecola deriva dalla condensazione di più molecole di monosaccaridi con perdita di una o più molecole d acqua e formazione di un legame detto peptidico. Gli oligosaccaridi si dividono in disaccaridi e polisaccaridi. I disaccaridi più importanti, formati da due monosaccaridi, sono il saccarosio (glucosio e fruttosio), il maltosio (glucosio-glucosio) e il lattosio. Nei polisaccaridi si possono trovare tutti i polimeri dei monosaccaridi e dei loro derivati. Essi possono essere formati da un unico tipo di monosaccaride (omopolisaccaridi) o da monosaccaridi diversi (eteropolisaccaridi). Amido, cellulosa e glicogeno sono per esempio tutti polimeri del glucosio. L amido è la riserva di zuccheri nei vegetali, la
cellulosa forma l impalcatura delle piante, mentre il glicogeno è la riserva di glucosio all interno degli esseri viventi. Da segnalare un altro importante polisaccaride come la chitina che costituisce l esoscheletro di alcuni insetti. I glucidi sono i composti più importanti tra quelli che gli organismi utilizzano per ricavare l energia necessaria alla loro vita. Per poter essere assorbiti dalle cellule devono essere ridotti a monosaccaridi tramite una serie di vari processi. Il più importante monosaccaride fondamentale per la vita è il glucosio. Le vie metaboliche del glucosio sono articolate e complesse. Esse portano sia alla produzione di ATP sia alla costruzione di nuove molecole utili in altri cicli. I principali percorsi sono la glicogenolisi, la gluconeogenesi, la glicogenosintesi, la glicolisi, il ciclo di Krebs, la fosforilazione ossidativa, la fermentazione e la via dei pentosi-fosfati. La glicogenolisi consiste nella degradazione della riserva di glicogeno per liberare glucosio. La demolizione del glicogeno avviene prevalentemente per mezzo di un enzima, la fosforilasi. La gluconeogenesi consiste nella sintesi di nuove molecole di glucosio a partire da materiale non glucidico come acido lattico, intermedi del ciclo di Krebs e amminoacidi. Quando nel corpo il glucosio è in eccesso deve essere convertito in glicogeno. La glicogenosintesi è per l appunto la via di sintesi di glicogeno a partire dal glucosio in eccesso e avviene all interno del fegato. LA RESPIRAZIONE CELLULARE Descriviamo ora il processo della respirazione cellulare con il quale le cellule riescono a trarre energia dal glucosio producendo ATP. La respirazione cellulare si divide in tre fasi: glicolisi, ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa. La glicolisi è la prima fase e avviene all interno del citoplasma delle cellule. Il glucosio va incontro al processo di ossidazione, cioè viene scomposto in molecole meno complesse liberando energia. Infatti durante questa fase si parte da una molecola di glucosio che ha 6 atomi di carbonio e si arriva a due molecole di piruvato o acido piruvico che sono composte da 3 atomi di carbonio. La glicolisi avviene in due fasi. In una prima fase la molecola di glucosio viene fosforilata e si ha il consumo di 2 molecole di ATP producendo una molecola di d-fruttosio-1,6-difosfato. Questa prima fase viene detta d investimento. Successivamente la molecola di fruttosio 1-6-difosfato si rompe in due molecole a tre atomi di carbonio che si trasformeranno poi in due molecole di acido piruvico Nella seconda fase, detta di rendimento, invece avviene la trasformazione per l appunto di queste molecole a tre atomi di carbonio in acido piruvico con la produzione di 4 molecole di ATP e due di NADH. Il bilancio netto è di 2 molecole di ATP e 2 di NADH prodotte. Il NAD+ E IL FAD+ sono due accettatori di protoni ed elettroni. Dei carrelli che riescono a trasportare i protoni e gli elettroni di legame strappati durante le reazioni metaboliche e che ritroveremo più avanti
nell ultima fase della respirazione cellulare, la fosforilazione ossidativa. Sono stati quindi prodotti dalla glicolisi due molecole di acido piruvico. Se nella cellula (nei mitocondri) è presente ossigeno si prosegue verso il ciclo di Krebs, altrimenti si attiva il meccanismo della fermentazione lattica e alcolica. La fermentazione lattica permette la trasformazione dell acido piruvico in acido lattico ottenendo comunque una piccola quantità di energia necessaria per i processi vitali. Nei batteri e nei lieviti avviene la fermentazione alcolica. Questo è quello che succede se vi è carenza di ossigeno all interno della cellula, mentre se l ossigeno è presente si continua la scomposizione delle molecole con il ciclo di Krebs. Il ciclo di Krebs è la seconda parte della respirazione cellulare e avviene all interno della matrice mitocondriale. Gli eucarioti, a differenza dei procarioti, ricavano grandi quantità di energia, più che dalla glicolisi, dal ciclo di Krebs (non come produzione di ATP, ma come fornitore di NADH e FADH 2 ) e soprattutto dalla fosforilazione ossidativa. Il ciclo di Krebs, porta a compimento l ossidazione del glucosio a CO 2 e H 2 O con la produzione di energia sotto forma di ATP. Il ciclo si verifica all interno dei mitocondri. L acido piruvico che si è formato dalla glicolisi si lega al Coenzima A formando l acetil-coenzima A per mezzo di un enzima che causa immediatamente la perdita di una molecola di CO 2. La molecola che quindi entra nel ciclo di Krebs ha solo due atomi di carbonio. Il ciclo di Krebs è detto ciclo perché le reazioni che avvengono all interno di questo percorso portano sempre alla formazione finale di ossalacetato. L ossalacetato è la prima molecola a cui si lega l acetil-coa formando l acido citrico (3C). L acido citrico subirà una serie di trasformazioni che porteranno alla produzione di 4CO 2, 2 ATP, 2 NADH e 2FADH 2. La cosa che è importante ricordare è che il ciclo si chiuderà sempre con la formazione di ossalacetato e non produrrà altri intermedi. L ossalacetato sarà sempre il primo accettatore dell acetil-coa e diventerà il prodotto finale alal fine del ciclo. In conclusione il ciclo di Krebs smantella completamente l acido piruvico in entrata. Avviene due volte perché sono due le molecole di piruvato in entrata producendo ATP, CO 2 e NADH e FADH 2. Il ciclo di Krebs e la glicolisi producono ATP in piccolissima parte. Il guadagno maggiore avviene nell ultima fase della fosforilazione ossidativa dove arrivano dai due cicli precedenti NADPH e FADH 2, trasportatori di protoni ed elettroni. La fosforilazione ossidativa avviene sulle creste mitocondriali. Le creste sono delle membrane dove sono presenti delle proteine di trasporto per i protoni e l ATP sintasi. Il NADH e il FADH 2 in arrivo dai cicli precedenti all interno della matrice mitocondriale si scompongono liberando due elettroni e un protone H + per quanto riguarda il NADH oppure due elettroni e 2H + per il FADH2. Gli elettroni liberati da
FADH e NADH 2 si muovono attraverso quattro complessi di proteine-enzimi della membrana mitocondriale (catena di trasporto degli elettroni), mentre i protoni liberati vengono pompati fuori dalla matrice mitocondriale finendo nello spazio intermembrana. A questo punto si forma un divario di concentrazione tra lo spazio intermembrana, ricco di H +, e la matrice mitocondriale che presenta minori concentrazioni. Le proteine che hanno pompato i protoni fuori dalla matrice mitocondriale sono selettive per il trasporto solo verso l esterno, mentre la membrana è impermeabile, cioè rende impossibile il passaggio dei protoni per diffusione. L unico modo che hanno i protoni H + per rientrare nella matrice mitocondriale è passare tramite l ATP sintasi, una proteina di trasporto, che è invece selettiva per il passaggio protonico dallo spazio intermembrana alla matrice mitocondriale. Passando all interno ATP sintasi (chemiosmosi) mettono in moto un meccanismo che è in grado di generare ATP. Quindi il passaggio dei protoni all interno dell ATP sintasi genera ATP. In generale la resa di questo meccanismo è di 28 molecole di ATP, la più alta di tutta la respirazione cellulare. Un guadagno altissimo. I protoni rientrati nella matrice mitocondriale, insieme all ossigeno e agli elettroni iniziali trasportati lungo la membrana, formano l acqua. [ ½ O 2 + 2H + +2e - - > H 2 O ]
FOTOSINTESI CLOROFILLIANA In natura, la luce interagisce con la materia modificando, per esempio, la struttura delle molecole. Questo rende possibile immagazzinare al loro interno l energia trasportata dalla radiazione elettromagnetica sotto forma di energia chimica di legame e renderla successivamente disponibile per altri usi. Ed è proprio per questo motivo che l energia sequestrata nei carboidrati è cosi importante per la vita. Le piante riescono tramite la fotosintesi a creare nella fase oscura il glucosio. L energia ricevuta dal sole viene utilizzata per creare molecole più complesse da quelle di partenza. La fotosintesi consiste in un insieme di reazioni di ossidoriduzione in cui l energia, assorbita da una serie di particolari sostanze, provoca l ossidazione dell acqua, che cede elettroni, e il loro trasferimento all anidride carbonica, che si riduce in glucosio. La capacità delle piante e degli organismi fotosintetici di catturare la luce può avvenire grazie alla presenza dei cloroplasti. I cloroplasti sono degli organuli cellulari contenuti nel citoplasma delle cellule vegetali ed è al loro interno, in particolar modo nei tilacoidi, che avviene la fotosintesi clorofilliana e la cattura della luce. La cattura della luce può avvenire grazie a dei pigmenti. I pigmenti sono sostanze che assorbono selettivamente la radiazione luminosa di alcune regioni dello spettro visibile e riflettono quella di altre, per cui ci appaiono colorati. Nelle piante i pigmenti più importanti sono la clorofilla a e b e i carotenoidi. La clorofilla a assorbe soprattutto le lunghezze d onda del blu-violetto e del rosso, la clorofilla b quelle del blu e dell arancio. L energia trasportata da una radiazione elettromagnetica, secondo la legge E= hc/ λ, dipende esclusivamente dalla lunghezza d onda λ perché hc è sempre costante. In conclusione, più la lunghezza d onda è piccola e maggiore è l energia associata all onda. Le piante utilizzano per i loro processi la zona del visibile dello spettro elettromagnetico comprese tra i 400 e i 700 nm. Questo si spiega con il fatto che lunghezza d onda superiori ai 780 nm sono scarsamente energetiche, mentre quelle inferiori ai 400 nm ne hanno troppa e potrebbero danneggiare le molecole biologiche. Nella membrana del tilacoide, dove avviene fotosintesi e assorbimento, 200-300 molecole di pigmenti diversi e vicini tra loro formano il sistema-antenna. L energia luminosa assorbita viene cosi trasferita da una molecola di pigmento all altra fino a giungere a un centro di reazione. Esso è costituito prevalentemente da clorofilla a, che intrappola l energia e la converte con un rilascio di elettroni che vengono subito catturati da un accettore finale di elettroni. Nelle piante superiori si sono evoluti due tipi di fotosistemi. Il PSII ha un picco di assorbimento a 680 nm e
contiene anche il complesso evolvente dell ossigeno responsabile della foto ossidazione dell acqua. Il fotosistema I assorbe la luce a 700nm H 2 O - > ½ O 2 + 2H + +2e - FASE LUMINOSA Nella fase luminosa vediamo agire i due fotosistemi : PSI e PSII. L energia luminosa colpisce i pigmenti del PSII provocando l eccitamento degli elettroni che vengono trasferiti lungo le proteine di membrana permettendo il passaggio di protoni H + dallo stroma al lume del tilacoide. Gli elettroni finiranno il loro viaggio nel PSI. Il PSII eccitato, che ha perso elettroni, ha a questo punto una carica positiva che viene subito neutralizzata dagli elettroni provenienti dalla reazione dell H 2 O nel complesso evolvente dell ossigeno (H 2 O - > ½ O 2 + 2H + +2e - ). Il pompaggio dei protoni H + all interno del lume crea intanto una considerevole differenza di concentrazione con lo stroma del tilacoide. L unico modo che hanno i protoni per rientrare nello stroma è tramite l ATP sintasi (identica a quella della respirazione). Passando per l ATP sintasi generano ATP e i protoni tornano nello stroma. Intanto l energia luminosa a 700 nm colpisce il PSI che a sua volta libera due elettroni che tramite alcune speciali proteine e i protoni H + presenti nello stroma formeranno il NADPH. La fase luminosa in conclusione forma l ossigeno a partire dall acqua e genera ATP e NADPH che saranno fondamentali nella formazione del glucosio nella fase oscura.
La seconda fase della fotosintesi è detta fase oscura. E il famosissimo ciclo di Calvin, nel quale la molecola di anidride carbonica viene convertita in glucosio. Le piante rappresentano una risorsa alimentare per la maggior parte degli organismi e si può affermare che, in un certo senso, producono più molecole ad alto contenuto energetico di quello che è il loro fabbisogno. Vegetali e animali sono quindi strettamente correlati. Senza i primi anche il regno animale non esisterebbe data l impossibilità di autoprodursi il glucosio da soli. Il ciclo di Calvin è un metabolismo ciclico che avviene senza intervento diretto della luce ed è perciò definito come fase oscura. Il ciclo si divide in tre fasi: fissazione dell anidride carbonica (carbossilazione), riduzione dell anidride carbonica (riduzione) e rigenerazione del ribulosio difosfato (rigenerazione). All inizio del ciclo una molecola di anidride carbonica entra nel ciclo e tramite l enzima RuBisCo si lega a uno zucchero a cinque atomi di carbonio, il ribulosio 1,5- difosfato (RUBP). Si forma cosi una molecola a 6 atomi di carbonio che si spezza in due molecole a 3 atomi di carbonio, il 3-fosfoglicerato (PGA). La RuBisCo è l enzima più abbondante sul nostro pianeta e oltre a inizializzare la reazione di fissazione nella fase oscura protegge la pianta da troppa luce che potrebbe portare alla formazione di radicali liberi dannosi per le strutture cellulari. Nella seconda tappa, l ATP e il NADPH prodotti dalla fase luminosa permettono la riduzione del 3- fosfoglicerato (PGA) a gliceraldeide 3-fosfato (PGAL). La terza tappa è più complessa e riguarda la rigenerazione del ribulosio 1,5-difosfato. La grande quantità di PGAL prodotta rigenera il RUBP grazie all ATP proveniente dalla fase luminosa, mentre solo una piccola parte forma il glucosio uscendo dal ciclo. In sostanza, per produrre uno zucchero a 6 atomi di carbonio, come il glucosio, occorrono 2 PGAL, ma per destinarli a tale scopo ne devono essere prodotti ben 12, ottenibili in 6 cicli che organicano appunto 6 molecole di CO 2. Potete fare i conti consultando lo schema sul vostro libro. Le lezioni svolte in questo mese e mezzo sono un importante approccio alla vita di tutti i giorni, in termini scientifici. Per qualcuno l argomento potrà sicuramente risultare ostico e poco comprensibile, ma conoscere questi processi arricchisce chiunque. La natura a volte è davvero una macchina incredibile. Pensate a come l energia che proviene dal sole viene immagazzinata in molecole più complesse come il glucosio nelle piante. Successivamente tutti gli esseri viventi sfruttano proprio il glucosio per vivere. Cercate di ricordarvelo per tutta la vita.