Energia e processi biochimici: dall'ATP alla fotosintesi e glicolisi

Struttura e funzione dell'ATP

L’energia nei sistemi biologici: ATP

1 molecola di ATP: adenina + ribosio + 3 gruppi fosfato

I legami dei gruppi fosfato si scindono per idrolisi e danno reazioni esoergoniche:

Se vengono persi 1 gruppo fosfato ➞ ADP (adenosina disfosfato) e Pi (fosfato inorganico)

Se vengono persi 2 gruppi fosfato ➞ AMP (adenosina monofosfato) e 2 PPi (pirofosfato)

La respirazione cellulare é una reazione esoergonica in grado di fornire energia utile a sintetizzare ATP

Sintesi e l’idrolisi di ATP sono un accoppiamento energetico utilizzando l’ATP come agente accoppiante, elemento che le reazioni endo/eso hanno in comune

Processi di fosforilazione e fotosintesi

La fosforilazione é un processo che consiste nella nazione da parte di ATP di un gruppo fosfato ad altri composti attraverso la canalizzazione da parte delle chinasi.

1700: primi studi, convinzione che nella reazione della fotosintesi l’ossigeno liberato venisse dalla molecola di CO2. Anni ’30: nei vegetali é la rottura della molecola di acqua a produrre ossigeno gassoso (Cornelis)

Struttura e funzione dei cloroplasti

Organuli chiave della fotosintesi sono i cloroplasti, corpi cellulari che contengono la clorofilla. Sono circondati da due membrane separate da uno spazio. La membrana interna forma una barriera selettiva e racchiude lo stroma che contiene a sua volta i tilacoidi, lamelle che si estendono da un estremo all’altro della cellula, e dischi tilacoidali dove le lamelle si ingrossano e racchiudono il lume. Questi dischi sono raggruppati in pile denominate grani. Le reazioni della fase luminosa si svolgono sui tilacoidi e quelle di fissazione nello stroma.

Fasi luminosa e oscura della fotosintesi

Si svolge in due fasi:

Luminosa: energia luminosa avvia una sequenza di trasporto di elettroni che genera un gradiente di protoni dal quale si sintetizza ATP e si riduce NADP+ a NADPH.

La luce viene assorbita dai pigmenti, i quali assorbendo un fotone o quanto di luce fanno subire ai loro elettroni un salto di livello verso l’alto e facendoli raggiungere uno stato eccitato. Questo stato é instabile e quando l’elettrone torna a uno stato più stabile cede energia sotto forma di calore, luce di maggiore lunghezza d’onda (fluorescenza) o in una reazione fotochimica.

Il pigmento più importante é la clorofilla che assorbe viola, rosso e azzurro e riflette verde. La clorofilla a trasforma l’energia luminosa in chimica, la clorofilla b nelle piante e nelle alghe, la clorofilla c nelle alghe brune. Le reazioni della fase luminosa si svolgono sui tilacoidi che sono orientati in direzione parallela in modo da massimizzare la superficie esposta alla luce.

Dalle reazioni della fase luminosa si produce un flusso di elettroni che produce ATP e NADPH e che dipende dai fotosistemi, formati da complesso antenna che convoglia l’energia luminosa nei pigmenti e da un centro di reazione che contiene una molecola di clorofilla a e altre molecole per le reazione redox.

Quando un fotone é assorbito rimbalza sulle altre molecole e raggiunge il centro di reazione dove viene fatto passare a un livello energetico superiore. L’elettrone eccitato va all’accettore primario di elettroni che si riduce e si carica negativamente, mentre la clorofilla si é ossidata e caricata +. L’accettare torna al suo stato iniziale trasferendo l’elettrone a un accettore secondario di elettroni.

I fotosintesi si dividono in: fotosistema I dove la molecola di clorofilla a del centro di reazione ha un picco intorno ai 700 nm, P700; fotosistema II dove la molecola di clorofilla a del centro di reazione ha un picco intorno ai 680 nm al massimo, P680.

Flusso non ciclico di elettroni: fotosistemi lavorano insieme.

P680 del fotosistema II cattura un fotone e trasferisce un suo elettrone all’accettore primario per poi trasferirlo ancora a una serie di trasportatori per redox fino a raggiungere P700 del fotosistema I. P680 intanto ha ricevuto elettrone dall’acqua ed é ritornato al suo stato neutro.

P700 del fotosistema I cattura un fotone e si ossida e traferisce un suo elettrone all’accettore primario che si riduce prima e si ossida poi cedendo ancora l’elettrone ai trasportatori fino ad arrivare a NADP+. P700 riceve dal fotosistema II un elettrone e si riduce.

Durante il trasferimento di elettroni vengono sottratti protoni allo stroma e liberati nel lume generando un gradiente protonico che genera una forza protonmotrice che sintetizza ATP creando il processo di fotofosforillazione (produzione di ATP da energia luminosa)

Flusso ciclico di elettroni: il fotosistema I lavora indipendente dal fotosistema II. Gli elettroni vengono trasferiti dal P700 all’accettore primario del I ma non raggiungono NADP- e non si forma NADPH.

Gli elettroni vengono ceduti a un trasportatore intermedio tra i fotosistemi per poi tornare a P700 creando un gradiente protonico che sintetizza ATP.

Consente di regolare la quantità di ATP e NADPH

Oscura: i prodotti della prima fase sono impiegati per la produzione di zuccheri attraverso la fissazione che lega CO2 a una molecola organica. Nelle piante terrestri il CO2 presente nell’aria arriva alle cellule attraverso gli stomi. Con il ciclo di reazioni di fissazione il CO2 é ridotto a glucosio e in questo processo intervengono ATP e NADPH che trasferiscono energia alle molecole complesse.

Ciclo di Calvin e fotorespirazione

Ciclo di Calvin: ad ogni ciclo si rigenera il RuBP (ribulosio bifosfato) uno zucchero a 5 atomi di C a cui sono legati due fosfati. Il ciclo comincia quando il CO2 si lega a un RuBP che poi si scinde in due molecole di fosfoglicerato PGA. Ogni PGA ha 3 atomi di carbonio, ciclo C3 catalizzato da rubisco.

I PGA si riducono con ossidazione di NADPH e alla fine RuBP viene rigenerata.

3 cicli completi introducono 3 molecole di CO2 e producono una molecola di gliceraldeide fosfato, zucchero a 3 atomi di C. 6 cicli completi per produrre il glucosio, produzione di 2 gliceraldeide fosfato che reagiscono e formano zucchero a 6 atomi di C.

La luce stimola il ciclo di Calvin e il buio inibisce le reazioni di fissazione del carbonio.

Fotorespirazione: se la concentrazione di CO2 si abbassa in relazione a quella di O2 la rubisco catalizza la reazione del RuBP con O2 e l’utilizzo di questo nel ciclo di Calvin produce una molecola di due atomi di C la quale entro nei perossisomi e nei mitocondri dove é convertita in due molecole di CO2.

Bilancio della fotosintesi: il CO2 é l’unica fonte di C per l’organismo vegetale e quindi grazie al Ciclo di Calvin da esso derivano tutti gli atomi di carbonio di ogni enzima proteico, del DNA, dei lipidi e di qualunque sostanza organica vegetale. La respirazione cellulare e la fotosintesi sono collegate e nelle piante avvengono in contemporanea. L’intensità luminosa a cui le velocità di fotosintesi e respirazione si eguagliano é il punto di compensazione per luce; il punto di compensazione per il CO2 riguarda la concentrazione di CO2 a cui le velocità sono uguali.

Glicolisi: fasi e bilancio energetico

Processo che avviene in anaerobiosi attraverso 10 reazioni ciascuna catalizzata da un enzima specifico, consiste nella scissione di una molecola di glucosio in due molecole di piruvato (3 atomi di C). L’energia che si libera é usata per sintetizzare ATP e NAD+.

Fase endoergonica: prime 5 tappe, rompono il glucosio in due molecole a 3C e richiedono due molecole di ATP, utilizzati due gruppi fosfato ad alta energia per formare glucosio-6-fosfato e fruttosio 1,6 bifosfato. Produce due molecole di gliceraldeide 3 fosfato (G3P).

Enzimi: transferasi, isomeri, lisasi

Tappa 1: fosforillazione del glucosio ➞ il gruppo fosfato terminale di 1ATP si trasferisce al C6 del glucosio formando glucosio-6-fosfato; l’energia che si libera unisce il fosfato alla molecola di glucosio. Catalizzata da esochinasi che richiedi Mg+

Tappa 3: fosforilazione del fruttosio 6-fosfato a fruttosio 1,6-bifosfato ➞ il fruttosio 6-fosfato guadagna un secondo fosfato da ATP con enzima fosfofruttochinasi. Il fosfato si lega quindi a C1 producendo fruttosio 1,6-bifosfato.

Tappa 4: scissione del fruttosio 1,6-bifosfato ➞ il fruttosio 1,6-bifosfato si scinde in 2 molecole a 3C con enzima aldolasi: il diidrossiacetone fosfato e la G3P

Fase esoergonica: seconde 5 tappe, si libera energia e si ossida G3P a piruvato, si sintetizzano quattro molecole di ATP e ridotte due molecole di NAD+ a NADH.

Tappa 7: sintesi di ATP ➞ 1,3 bifosfoglicerato tende a cedere il gruppo fosfato a 1ADP per formare ATP. Questa reazione é detta fosforillazione a livello di substrato perché il donatore é il substrato dell’enzima fosfoglicerato chinasi. Le 2ATP che si formano compensano quelle consumate nella prima fase della glicolisi.

Tappa 10: formazione di piruvato e ATP ➞ il gruppo fosfato é trasferito dalla piruvato chinasi a 1ADP per fare ATP (seconda fosforillazione a livello del substrato). Il PEP (forma enolica piruvato) é instabile e si trasforma in quella chetoni liberando energia e si ottengono 2ATP per ogni 1 di glucosio. Unica reazione irreversibile.

7 tappe sono reversibili, importante nella via anabolica di sintesi del glucosio; 3 tappe sono irreversibili nelle condizioni intracellulari ➞ Glicolisi: processo irreversibile.

Bilancio:

1glucosio diventa 2 molecole di piruvato

Parte dell’energia resta negli elettroni ad alto potenziale di riduzione NADH e nei legami fosfato di 2ATP ➞ guadagno energetico

Altra energia rimane nel piruvato e può metabolizzare per via aerobica (respirazione cellulare) o per via anaerobica (fermentazione).

Respirazione cellulare e ciclo di Krebs

Processo che avviene in presenza di ossigeno, il quale ossida il piruvato a CO2 e acqua. Formata da due fasi principali, ciclo di Krebs e foforillazione ossidativa precedute dalla decarbossilazione ossidativa del piruvato.

Negli eucarioti: avviene nei mitocondri la cui membrana esterna é liscia, mentre quella interna é formata da creste. All’interno del mitocondrio c’é la matrice mitocondriale composta da una soluzione densa che comprende anche gli enzimi del ciclo di Krebs, tranne la succinato deidrogenasi che é associata alla membrana.

Nei procarioti: possiedono piccole invalidazioni della membrana plasmatica che generano un micro ambiente simile ai mitocondri.

Decarbossilazione ossidativa del piruvato: il piruvato entra nella matrice mitocondriale con una proteina di trasporto e qui la piruvato deidrogenasi lo trasforma in acetil-CoA, che collega la glicolisi al ciclo di Krebs. Decarbossilazione del piruvato ➞ ossidazione della molecola risultante ad acido acetico ➞ riduzione di NAD a NADH ➞ gruppo acetile si lega al coenzima A con legame carbonio e zolfo ➞ acetil-CoA.

Ciclo di Krebs: via metabolica costituita da reazioni che si ripetono ciclicamente e che portano all’ossidazione completa dell’acetil-CoA. 1 Acetil CoA ➞ 2 CO2

Il gruppo acetile rompe il legame con coenzima A e si lega a ossalacetato ➞ citrato a 6C ➞ si isomerizza a isocitrato con aconitasi ➞ si ossida a ossalsuccinato e riduce NAD a NADH ➞ ossalsuccinato libera CO2 e forma