La respirazione cellulare
Lo zucchero ("alimento") prodotto nella fase oscura della fotosintesi viene ossidato nel mitocondrio e qui si libera energia metabolica sotto forma di ATP. ANABOLISMO e CATABOLISMO sono strettamente collegati
Fotosintesi e Respirazione sono in connessione Energia solare 6CO2+12H2O C6H12O6 + 6O2 + 6 H2O C6H12O6 + 6O2 + 6 H2O 6CO2+12H2O Energia chimica
luce La respirazione è un processo complementare alla fotosintesi e permette di completare la fase cellulare del ciclo del carbonio. fotosintesi CO2 O2 H2O Carboidrati respirazione Energia utile Calore
La respirazione aerobica produce energia sotto forma di ATP. L ATP rappresenta la molecola universale di scambio energetico nei sistemi viventi ed è coinvolta in tutti i processi cellulari.
Processi che portano alla produzione di ATP Fotofosforilazione (fotosintesi) Fosforilazione a livello del substrato (glicolisi) Fosforilazione ossidativa (respirazionecatena di trasporto degli elettroni) Fonte d energia Sito Luce solare Cloroplasti Reazioni che non richiedono l ossigeno Citosol Ossidazioni in presenza di ossigeno Mitocondri
ADENOSINA TRIFOSFATO (ATP) adenina ribosio L energia richiesta per le reazioni endoergoniche di una cellula è in gran parte fornita dall idrolisi dell ATP
IL MITOCONDRIO e LA RESPIRAZIONE I mitocondri sono i siti della respirazione cellulare. Durante questo processo l energia chimica dei legami dei composti organici viene trasferita all ATP. La maggior parte dell ATP viene prodotta sulla superficie delle creste mitocondriali. La sintesi di ATP è catalizzata da complessi enzimatici associati alle creste mitocondriali.
Le molecole di carboidrati, ricche di energia, si accumulano nelle cellule degli organismi fotosintetizzanti sotto forma di saccarosio o di amido. La tappa preliminare della respirazione è quella di trasformare questi carboidrati complessi in monosaccaridi. Saccarosio ed amido devono essere idrolizzati a glucosio, il loro monomero base Normalmente le reazioni della respirazione iniziano dal glucosio. La respirazione è un insieme di reazioni che portano alla completa demolizione del glucosio per formare CO2 ed H2O.
La completa ossidazione del glucosio avviene in 3 fasi: 1- glicolisi (citosol) 2- ciclo di Krebs o ciclo dell acido citrico (matrice dei mitocondri) 3- catena di trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa (creste mitocondriali; processi accoppiati)
La glicolisi avviene nel citosol 2 molecole di piruvato Nella glicolisi la molecola di glucosio, a 6 atomi di C, viene scissa, con una serie di reazioni intermedie, in 2 molecole di acido piruvico, contenente 3 atomi di C e 4 atomi di H.
La glicolisi: guadagno energetico La fase preparatoria (conversione del glucosio in gliceraldeide 3-fosfato, PGAL, o diidrossiacetonfosfato) richiede l impiego di 2 molecole di ATP (per ogni molecola di glucosio) che vengono scisse in ADP e Pi. La fase conclusiva (conversione di PGAL in piruvato) determina un guadagno di 4 molecole di ATP e 2 molecole di NADH quindi il guadagno energetico netto della glicolisi è basso: per ogni molecola di glucosio di partenza, vengono prodotti 2 molecole di ATP e 2 molecole di NADH
La glicolisi non richiede ossigeno e il fatto che esistano tanti procarioti glicolitici suggerisce che si sia evoluta per prima, soprattutto prima dell arricchimento in ossigeno dell atmosfera terrestre I primi procarioti probabilmente utilizzavano la glicolisi per ricavare energia dalle molecole organiche che prelevavano dall ambiente acquatico. Sebbene il rendimento in termini energetici sia basso, può essere sufficiente per la necessità di molti organismi o parti di organismi.
La produzione di ATP che avviene durante la glicolisi è detta fosforilazione a livello del substrato Il composto finale, il piruvato, contiene, però ancora gran parte dell energia del glucosio di partenza (546 Kcal/mole contro 686 Kcal/mole) Gli organismi aerobi utilizzeranno ulteriormente le molecole di piruvato mediante le reazioni che avvengono nel mitocondrio (o a livello della membrana cellulare, nel caso dei procarioti aerobi)
Il piruvato è un intermedio chiave del metabolismo energetico della cellula e viene utilizzato in molte vie metaboliche. La via metabolica intrapresa dipende dalle condizioni in cui si svolge e dal tipo di organismo. Il fattore ambientale che maggiormente determina la via metabolica del piruvato è la disponibilità di O2. Ciclo di Krebs Immagine da: La biologia delle piante di Raven, Evert-Eichhorn, Zanichelli, modif.
In presenza di O2, il piruvato completamente ossidato a CO2. viene Negli organismi eucarioti la via aerobia porta alla produzione di una quantità di ATP di gran lunga maggiore a quella prodotta dalla glicolisi. Negli eucarioti queste reazioni avvengono nei mitocondri.
Nella via aerobia il piruvato è trasportato dal citosol alla matrice mitocondriale Il mitocondrio è l organello ove avvengono le due fasi finali della respirazione aerobica, tipico tutti gli eucarioti vegetali e animali (la sua ultrastruttura è praticamente la stessa)
MITOCONDRI Più piccoli dei cloroplasti (1-5 µm) Contengono DNA circolare e ribosomi simili a quelli dei batteri Si moltiplicano per scissione Sono circondati da due membrane. Quella interna si introflette e si ripiega molte volte (creste mitocondriali) Sono più numerosi nelle cellule con elevata attività metabolica (maggiore richiesta di energia)
La struttura del mitocondrio ne determina la funzione matrice Molti degli enzimi e dei trasportatori di elettroni coinvolti nella respirazione sono presenti sulla membrana interna. Lo spazio tra la membrana esterna e quella interna è uno spazio CHIUSO Immagine da: https://commons.wikimedia.org/wiki/file:0315_mitochondrion_new.jpg
La matrice liquida contiene H2O, enzimi, coenzimi, ioni, altre molecole coinvolte nella respirazione, DNA, RNA, piccoli ribosomi. Tutti gli enzimi del ciclo di Krebs (o dell acido citrico) sono localizzati nella soluzione della matrice, tranne uno che è associato alla membrana interna insieme ai componenti della catena di trasporto degli e-. La catena di trasporto degli elettroni si realizza sulle creste mitocondriali
La membrana esterna è permeabile a molte piccole molecole e la soluzione che è contenuta nello spazio intermembrane ha una composizione simile a quella del citosol. La membrana interna, invece, permette il passaggio di solo alcune molecole, ad esempio il piruvato, l ATP e l ADP, mentre blocca il passaggio di altre molecole e ioni, come H+. Questa permeabilità selettiva sarà determinante per la capacità del mitocondrio di produrre ATP.
Il piruvato che si è formato nella glicolisi passa nella matrice mitocondriale ma non viene utilizzato come tale nel ciclo di Krebs. Nel mitocondrio il piruvato viene ossidato e decarbossilato, una molecola di CO2 si stacca dal piruvato, gli e- vengono rimossi ed accettati dal NAD+ che si riduce a NADH. Le 2 molecole di piruvato si ossidano a gruppi acetilici ( COCH3) Ogni gruppo acetilico si lega temporaneamente al coenzima A (CoA) per formare l acetil CoA. Quest ultimo entra nel ciclo di Krebs.
6C 4C 4C 4C 6C 4C L ossalacetato è il composto iniziale e finale del ciclo 4C 4C 5C 4C Immagine da: La biologia delle piante di Raven, Evert-Eichhorn, Zanichelli, modif.
Per ogni ciclo avvengono due decarbossilazioni; poiché, a partire da una molecola di glucosio, entrano nel ciclo 2 molecole di acetil CoA, si liberano 4 molecole di CO2. Due decarbossilazioni erano già avvenute a carico delle 2 molecole di piruvato Tutto il glucosio viene decarbossilato e trasformato in CO2
2 cicli di Krebs producono: 6 molecole di NADH 2 molecole di FADH2 2 molecole di ATP Anche se la molecola di glucosio, dopo la glicolisi e 2 cicli di Krebs, viene "demolita" a CO2, dov è il guadagno energetico? Infatti Dalla glicolisi si formano solo 2 ATP Da 2 cicli di Krebs si formano solo 2 ATP
La maggior parte dell energia ricavata dalla completa ossidazione del glucosio si trova a livello degli e- trasferiti al NAD+ e FAD (coenzima flavin adenina dinucleotide). La cellula recupera l energia contenuta nel NADH e nel FADH2 mediante la terza fase della respirazione, che avviene a livello delle creste mitocondriali e serve a tale scopo
Nella catena di trasporto degli elettroni avvengono una serie di reazioni di ossidoriduzione: cessione SPONTANEA di elettroni, a partire dal NADH e dal FADH2, tra coppie di composti. Nell ambito di ciascuna coppia, gli elettroni passano al composto con potere ossidante più elevato (potenziale redox più elevato) L O2 funziona da accettore finale di elettroni
E0-300mV Ogni trasportatore è in grado di accettare e donare uno o due elettroni. Ogni trasportatore può accettare e- solo da quello che lo precede e trasferirli a quello che lo segue +800mV
Alcuni trasportatori di elettroni, come il NAD, la FMN (flavoproteina), il CoQ (chinone), quando si riducono, acquistano anche 2 H+ dalla matrice mitocondriale. Quando, poi, cedono elettroni al trasportatore successivo, liberano questi protoni nello spazio tra la membrana esterna e la membrana interna del mitocondrio (SPAZIO CHIUSO) I citocromi e le proteine Fe-S, invece, trasportano solo elettroni. Alla fine, quando l O2 si riduce, acquista 2 H+ dalla matrice e forma H2O La matrice mitocondriale si impoverisce progressivamente di H+ mentre lo spazio intermembrana si arricchisce di H+. Si, crea, dunque un gradiente protonico.
Questo gradiente protonico è formazione di ATP da ADP e Pi. necessario per Il processo è noto come fosforilazione ossidativa e avviene nelle creste del mitocondrio La fosforilazione ossidativa si realizza mediante un meccanismo di accoppiamento chemiosmotico. la
La fosforilazione ossidativa è un processo esoergonico che produce energia sotto forma di ATP
SPAZIO INTERMEMBRANA L acqua viene sintetizzata all interno della matrice del mitocondrio MATRICE Membrana interna del mitocondrio Immagine da: La biologia delle piante di Raven, Evert-Eichhorn, Zanichelli, modif.
Quando gli e- fluiscono lungo la catena di trasporto, H + vengono trasferiti dalla matrice nello spazio intermembrana creando così un gradiente elettrochimico. Il successivo rientro degli H+ attraverso il complesso dell ATP sintasi libera energia necessaria per la sintesi di ATP. Attualmente sembra che per ogni molecola di ATP che si forma entrino 3 H+ attraverso il complesso dell ATP sintasi.
Resa energetica della fosforilazione ossidativa Da ogni NADH si recuperano 3 ATP Da ogni FADH2 si recuperano 2 ATP
Quanta energia, originariamente presente nella molecola di glucosio viene recuperata sotto forma di ATP?
Dai 2 NADH prodotti dalla glicolisi si recuperano 4 ATP e non 6, perché due sono spesi per attraversare le due membrane mitocondriali Queste 36 molecole, tranne le 4 ottenute nella glicolisi, sono tutte prodotte nei processi che avvengono nei mitocondri. E, tranne 4, sono tutte prodotte dall ossidazione di NADH o FADH 2, nella catena di trasporto degli e- accoppiata alla fosforilazione ossidativa.
BILANCIO ENERGETICO della RESPIRAZIONE 36 x (-7,3 kcal/mole)= -262,8 kcal/mole (energia liberata dall idrolisi di 36 moli ATP) -686 Kcal/mole è l energia liberata dall ossidazione di una mole di glucosio RESA: (-262,8: -686)x100= 38%
La resa della respirazione aerobica è maggiore di quella di un motore Diesel!!! L ossidazione di una mole di glucosio mediante la respirazione, producendo 36 moli di ATP, equivale ad una resa del 38% dell energia necessaria per l ossidazione totale del glucosio!
Il ciclo dell acido citrico serve anche ad altro? Immagine da: Botanica, JD Mauseth, IDELSON-GNOCCHI, modif.
Il glucosio non è l unico substrato per la respirazione. I lipidi e le proteine possono essere convertiti in acetil CoA ed entrare nel ciclo di Krebs. I trigliceridi vengono inizialmente idrolizzati a glicerolo e acidi grassi e, successivamente, gli acidi grassi subiscono la rimozione di gruppi acetilici sotto forma di acetil CoA. Le proteine vengono scisse in amminoacido da cui vengono, poi, rimossi i gruppi amminici. I rimanenti scheletri di carbonio possono essere trasformati negli intermedi del ciclo di Krebs (es, ossalacetato, fumarato) ed entrare così nel ciclo.
E in assenza di ossigeno?
Immagine da: La biologia delle piante di Raven, Evert-Eichhorn, Zanichelli, modif.
La respirazione anaerobica In molti batteri, funghi e protisti la respirazione anaerobica porta alla formazione di lattato (3C): fermentazione lattica Nei lieviti e nella maggior parte delle cellule vegetali il piruvato viene, invece, trasformato in etanolo (2C) e anidride carbonica: fermentazione alcolica
Immagine da: Botanica, JD Mauseth, IDELSON-GNOCCHI, modif.
La fermentazione alcolica Il rendimento energetico per la scissione del glucosio è limitato al guadagno netto di due molecole di ATP prodotte durante la glicolisi L alcool etilico ancora circa il 93% dell energia che era contenuta nel glucosio!
Cellule di lievito Piante di riso L apparato radicale delle piante di riso effettua spesso una prolungata fermentazione per ricavare energia necessaria alla crescita e al metabolismo delle radici
Fermentazione alcolica: il VINO Le cellule di lievito, presenti sulla superficie degli acini d uva, si mescolano al mosto quando l uva viene pigiata. Il lievito presente in questa miscela, in condizioni anaerobiche, trasforma il glucosio presente nel succo d uva in etanolo.
Alcune piante (o loro organi) fermentano in suoli o acque scarsamente ossigenati, altre sviluppano adattamenti (tessuti con ampi spazi intercellulari, aerenchimi) L anaerobiosi può favorire la crescita in competizione. Perchè? Le piante differiscono nella capacità di tollerare l allagamento e si distinguono in idrofite, tolleranti o sensibili a seconda della capacità di tollerare periodi di carenza di ossigeno.
Immagine da: Botanica, JD Mauseth, IDELSON-GNOCCHI