Conversione di energia nella cellula

Conversione di energia nella cellula

Schema generale del metabolismo energetico Gli organismi eterotrofi traggono energia ossidando nutrienti/molecole organiche. L ossidazione delle molecole organiche avviene per tappe discrete con reazioni accoppiate a produzione di ATP processo controllato energia non dispersa come calore ma intrappolata sottoforma di molecole con alta energia potenziale

Le ossidazioni biologiche implicano la rimozione sia di e - che di H + e sono fortemente esoergoniche (dg <0). Il sistema ATP-ADP conserva e mette a disposizione energia per la cellula. Condizioni anaerobie o O 2 fermentazioni ATP Condiz. aerobie (organismi aerobi) respirazione: gli elettroni strappati ai nutrienti vanno a finire sull ossigeno ATP (+CO 2 e H 2 O)

Produzione di molecole con elevato potenziale di trasferimento del P Luce solare fototrofi ATP Ossidazione nutrienti chemiotrofi Oltre all ATP, durante le fasi di ossidazione possono prodursi anche altre molecole con alto potenziale di trasferimento di P

Energia per la vita

Schema generale del metabolismo energetico

Produzione di molecole con elevato potenziale di trasferimento di elettroni Durante le ossidazioni (reazioni redox) gli e- sono trasferiti dal substrato a molecole trasportatrici di e- che in seguito, in reazioni esoergoniche, tendono a cedere questi elettroni ad altri accettori I coenzimi sono piccole molecole organiche che funzionano insieme agli enzimi, come trasportatori di e- (es NAD) o di piccoli gruppi funzionali. Il NAD in particolare accetta e- nelle ossidazioni del legame C-C

Flavin adenin dinucleotide (FAD) Anche il FAD funziona da cofattore/coenzima redox negli enzimi che ossidano i nutrienti/le molecole organiche

Durante la tappa1 varie molecole organiche sono demolite in molecole più semplice che possono poi entrare nella glicolisi e/o nel ciclo di krebs Es: Processo della β-ossidazione. Degradaz. Trigliceridi glicerolo+acidi grassi Nella matrice mt β-ossidazione Ad ogni ciclo Ossidazione del C in β Rimozione sequenziale di 2C dalla catena sotto forma di Acetil-CoA Produzione di energia come NAD e FAD ridotti Grassi:forma di max immagazzinamento energia in forma anidra, +ricchi di energia degli zuccheri, riserva a lungo termine

Proteine come fonte energia proteine proteolisi peptidi peptidasi AA liberi rimozione gruppo aminico per transaminazione o deaminazione ossidativa (NAD ridotto) intermedi del TCA α-cheto-acido Tutti gli Aa possono andare incontro a transamminazione, ma solo pochi possono venir deamminati ossidativamente.

La glicolisi è una via centrale del metabolismo energetico cellulare Polisaccaridi monosaccaridi glicolisi Gli zuccheri semplici sono scissi per produrre piruvato (tappa 2 dell estrazione energia)

GLICOLISI Glu catabolizzato a piruvato ATP e NADH (10 tappe) Enzimi localizzati nel citosol L ossidazione del glucosio è fortemente esoergonica, ma è accoppiato alla produzione di ATP per cui nell organismo non avvengono significative modificazioni della temperatura. Il catabolismo del glucosio produce molta più energia in presenza di ossigeno che in sua assenza. In assenza di O 2 fermentazione produce lattato o EtOH e CO 2 Ci sono organismi aerobi, anaerobi, facoltativi.

Fermentazione lattica

Fermentazione alcolica

Legame fosfoanidridico Durante la glicolisi l ATP è prodotta mediante fosforilazione a livello del substrato Questa produzione di ATP è distinta dalla fosforilazione ossidativa innescata dal movimento di è- dai coezimi ridotti all O 2

Il distacco del gruppo P è fortemente esoergonico perché la molecola del piruvato diventa allora libera di assumere la forma chetonica più stabile (a bassa E)

Riassunto glicolisi Glu+NAD + + 2ADP + 2Pi 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH Il destino del piruvato dipende dall organismo e dalla disponibilità di O 2 (condizioni aerobie e anaerobie, organismo aerobio o meco). a) Deidrogenazione per dare AcCoA ossidazione si completa nel ciclo di Krebs b) Fermentazione lattica (Molte cellule animali, muscolo e batteri in condizioni anaerobiosi (prodotti caseari, yogurt) c) Fermentazione alcolica (Cellule vegetali, lieviti, microorganismi; fermentazioni per la produzione di pane, vino, birra) Altre vie fermentative (batteri): fermentazione propionica (formaggio svizzero) Fermentazione butilen-glicolica (deperimento degli alimenti) Elemento comune: riossidazione del NADH a NAD necessario per glicolisi

Catabolismo dei carboidrati attraverso la via glicolitica. Il glucosio e il fruttosio sono i monosaccaridi che entrano più direttamente, perché la loro conversione richiede solo la fosforilazione del C6 catalizzata dall enzima chinasi. Ma anche altri zuccheri, monodisaccaridi e polisaccardi entrano nella glicolisi

Scissione fosforolitica dei polisaccaridi di deposito (amido o glicogeno). Le unità terminali di Glu rilasciate come Glu 1P

La glicolisi è controllata a livello di 3 enzimi che catalizzano tappe esoergoniche La regolazione dell attività enzimatica avviene mediante modulazione allosterica (inibizione a feedback) e meccanisimi di modificazione covalente In generale ogni via metabolica ha tappe di comando

PFK-2 (fosfofruttochinasi) è una diversa forma dell enzima PFK-1 (glicolitico)

ruolo dell enzima fosfofruttochinasi-2 (PFK-2) e di fruttosio 2,6-bifosfato sull attività dell enzima chiave PFK. La PFK-2 è un enzima bifunzionale con 2 attività catalitiche: PFK-2 e F2,6BPasi Nella forma defosforilata PFK-2 catalizza la P del fruttosio 6P a Fru 2,6 bip stimola PFK Nella forma fosforilata catalizza l idrolisi a Fru 6P livello di fosforilazione dipende dal glucagone (camp): glucagone camp P PFK2 glicolisi e gluconeogenesi Fru 2,6 bip è attivatore allosterico della PFK ( glicolisi) Inibitore allosterico di fru-1,6 bifosfatasi ( gluconeogenesi)

Il ruolo del mitocondrio nella respirazione Sede produzione principale di ATP Piruv e acidi grassi acetilcoa Ciclo TCA riduzione di NAD e FAD Trasporto e- abbinato a pompaggio H+ Gradiente elettrochimico sfruttato per produrre ATP (fosforilazione ossidativa) Accettore finale di e- è O 2 (H 2 O), respiraz. aerobica ma anche S (H 2 S), H+ (H 2 O), Fe 3+ (Fe 2+ ) nella respirazione anaerobia di molti batteri (ruolo ecologico)

Struttura mitocondriale Ha doppia membrana, la m.m.i. è selettiva e impermeabile Sistema creste aumento superficie; contenuto proteico (trasporto, ATPsintesi e complessi respiratori) Matrice: enzimi (TCA e β ox), DNA cromosomale, ribosomi, trna Organello geneticamente semiautonomo Nei procarioti citosol e membrana plasmatica hanno funzioni analoghe

Particolare della membrana interna Funzioni della membrana int Trasporto selettivo metaboliti Trasporto elettroni Sintesi ATP ATP sintasi complessi F 0 F 1 La membrana mt è molto ricca di proteine

respirazione stadi 1. Glicolisi (citosol) fosf substrato(atp) e coenzimi ridotti (NADH) mt 2. Decarbossilazione ossidativa di Piruv AcetilCoA 3. Ciclo TCA coenzimi ridotti (NADH, FADH 2 ) e GTP o ATP 4. Trasporto e- ossidazione dei coenzimi e riduz accettore finale e- 5. Sintesi di ATP (fosforilazione ox)

Nella matrice mitocondriale Il complesso enzimatico Piruvato deidrogenasi decarbossila il piruvato e produce FAD ridotto e Acetil CoA Il TCA inizia quindi con l ingresso dell acetato sotto forma di Acetil-CoA (trasportatore di acili)

Ciclo degli acidi tricarbossilici (TCA) o ciclo di Krebs 8 reazioni 4 ossidazioni 2 decarbossilazioni 2 C del piruvato entrano come acetilcoa Produz di NADH, FADH 2, CO 2, GTP e rigenerazione dell ossalacetato

Ciclo dei TCA e regolazione Il ciclo è regolato in base ad esigenze energetiche della cellula a livello di tappe comando Molecole ridotte e ATP inibiscono il ciclo ADP e cofattori ossidati lo attivano Regolaz allosterica e a feedback

NB: Ciclo dei TCA non è solo via catabolica ma anche anabolica in q fornisce precursori vie sintesi Aa natura anfibolica del ciclo! Centralità del ciclo TCA nel metabolismo energetico e non solo

Con la catena di trasporto di elettroni e la fosforilazione ossidativa sta per iniziare la maggiore produzione di energia sottoforma di ATP

Sistema trasporto elettroni (ETS) Trasferimento di e- dai coenzimi ridotti all accettore finale Processo a tappe, esoergonico 5 diversi tipi di trasportatori di è- Flavoproteine (FAD o FMN) Proteine Fe-S (centri Fe-S complessati con Cys) Citocromi (diversi tipi di eme = gruppo prostetico) Citocromi con Cu (legato al Fe dell eme) Chinoni (Coenzima Q, natura non proteica) Funzionano in serie Tutti associati a membrana mt int (eccetto Cyt C: associato debolmente) come complessi respiratori (4 complessi)

L eme è il gruppo prostetico presente nei citocromi b, c, e c 1. Eme A è presente nei citocromi a 1 e a 3. L eme dei citocromi c e c1 è legato covalentemente alla proteina.

Forma ossidata e ridotta del Coenzima Q. È liposolubile Trasporta e- e H+ contributo diretto a formaz. gradiente protonico

I trasportatori di elettroni funzionano in una sequenza determinata dai loro potenziali di riduzione Il potenziale di riduzione, E, è una misura dell affinità per gli elettroni posseduta dalla forma ossidata di una coppia redox (=2 molecole tra loro interconvertibili per perdita o acquisizione di e-) Per una coppia redox, il fatto di avere un E positivo significa che la forma ossidata ha un elevata affinità per gli e - ed è perciò un buon accettore di e -!

Quindi la forma ridotta di qualsiasi coppia con E negativo ridurrà spontaneamente la forma ossidata di qualsiasi coppia con E meno negativo di essa o positivo! Gli e- fluiscono spontaneamente lungo gradiente da E bassi ad E alti: da livelli energetici alti vs livelli più bassi I componenti dei 4 complessi respiratori e loro potenziali redox E -0.32 NADH E -0,18 FADH2 E O 2 +0.816 La reazione è esoergonica

Gli e- fluiscono dal NADH all O 2 spontaneamente attraversando i centri redox dei vari complessi Il flusso di e- attraverso i 4 complessi è accoppiato alla traslocazione di protoni dalla matrice vs spazio inter-membrana (modello chemiosmotico, Mitchell) Il gradiente protonico sfruttato per sintesi di ATP: fosforilazione ossidativa

Complesso I trasfer di e- dal NADH al coenzima Q

Complesso III gli e- fluiscono dal coenzima Q al CitC

Complesso IV tappa finale: gli e- trasferiti all O2

i complessi I -III e IV funzionano come pompe protoniche il trasferimento graduale degli elettroni ha permesso di trasformare l energia potenziale degli e- in un gradiente protonico (H+ accumulati nello spazio intermembrana) Vari veleni bloccano flusso di e- alivello di spcifici complessi usati per studio catena respiratoria

gradiente elettro-chimico

Secondo l HP chemiosmotica il flusso di e- è accoppiato alla sintesi di ATP in quanto il flusso secondo gradiente dei protoni attiva i complessi ATPsintasi

Sostanze che permeano la membrana mt interna dissipando il gradiente protonico disaccoppiano il flusso di e- dalla sintesi di ATP La termogenina è proteina disaccoppiante naturale tipica di grasso bruno di animali ibernanti: sviluppo di calore piuttosto che sintesi di ATP!

Secondo il modello della variazione conformazionale (Boyer) il passaggio degli e- modifica la conformazione dei trasportatori modulandone proprietà acido-base ai 2 lati della membrana

I complessi responsabili della sintesi di ATP sono stati purificati dalla membrana mt interna

Dissociazione e ricostituzione del sistema mitocondriale di sintesi dell ATP.

Unità funzionale F 0 F 1 F0 canale traslocatore di protoni: capta E dal flusso F1 attività ATPsintasi: svolge sintesi Pompe simili si trovano anche nei cloroplasti e in generale gradienti protonici sono sfruttati per produrre Energia in cellule animali, vegetali e batteriche

La produzione di ATP mediante fosforilazione ossidativa dipende dall [ADP]

Riassunto dinamica della respirazione mt Il flusso esoergonico di e- accoppiato a formazione gradiente Gradiente trascina sintesi di ATP da parte di subunità F1

La membrana mt interna ha vari sistemi di trasporto per molecole necessarie ad espletare fosforilazione ossidativa Principali sistemi di trasporto nella membrana mt interna Cotrasporto piruvato-protoni Acidi organici (secondo grad) Scambiatore ATP-ADP Scambiatore P e OH- Parte del gradiente protonico è sfruttato in questo modo

Sistema navetta del glicerolo-3p per veicolare potere riducente dal citosol al mt Dal NADH al glicerolo, dal G3PDH al FAD membrana mt int catena trasporto

Si riproducono da mitocondri preesistenti Mitocondri Origine simbiontica dei mitocondri Matrice mitocondriale

Si riproducono da mitocondri preesistenti Mitocondri Origine simbiontica dei mitocondri Matrice mitocondriale

Particolare della membrana interna Funzioni della membrana int Trasporto selettivo metaboliti Trasporto elettroni Sintesi ATP ATP sintasi complessi F 0 F 1 La membrana mt è ricca di proteine

Centrale energetica della cellula Ossidazione delle molecole organiche Mitocondri ATP Dimensioni di un batterio ( Ø 0.5 µm, lungh. 1;2-10 µm n variabile (decine di migl. in ovociti), la > parte cell.: 500-1000 si muovono liberam. nel citoplasma DNA mitocondriale Trasmesso per via materna DNA mit. Mammiferi Mutazioni 10 v. sup.del nucleare Accumulo di mutaz. con l età Malattie mitocondriali Mutazioni Struttura Al microscopio elettronico: Nella matrice elettrondensa: Granuli di strutt. paracristallina sali di calcio ribosomi simili a quelli dei batteri rrna, mrna, RNA 4S f.come trna DNA circ. lungh. 5 µm (copie multiple) Piante: DNA 10-150 v. più grande

Enzimi per Duplic. DNA Trascrizione Traduzione Ciclo di Krebs Le proteine sono codificate in min. parte sul DNA mitoc. Sono localizzate nella parte int. delle creste Membrana esterna Simile alla membr. plasm. Presenta poricostituitida porine (attrav.da molecola di peso max 10.000 D) Mitocondri Membrana interna Assenza di colesterolo Nello spessore : cardiolipina (Fosfolipide acido) pr. trasporto: permeasi P i, ac. carbossilici proteine trasp. H e di e - p. catena respiratoria Citocromi a, a 3, b, c, c 1, FeS-proteine, flavoproteine sistema scambiatore ATPext. ADP int. Faccia membr. int. verso la matrice Ricoperta di sferule = Complesso FoF 1 ATPasi F o sensibile all oligomicina; F 1 sintesi di ATP

Mitocondri