Concetti Chiave
- Il metabolismo si divide in catabolismo, che demolisce sostanze complesse liberando energia, e anabolismo, che costruisce sostanze complesse consumando energia.
- L'ATP, formato da adenina, ribosio e tre gruppi fosfato, è il principale trasportatore di energia cellulare, liberando energia quando si converte in ADP.
- La fotosintesi nei vegetali trasforma l'energia solare in energia chimica, convertendo acqua e anidride carbonica in glucosio e ossigeno, essenziale per la vita sulla Terra.
- La respirazione cellulare avviene negli organismi aerobi, demolendo glucosio in CO2 e H2O, producendo ATP attraverso glicolisi, ciclo di Krebs e catena respiratoria.
- Le fermentazioni anaerobiche, come quella alcolica e lattica, avvengono in assenza di ossigeno e hanno un basso rendimento energetico di 2 ATP, producendo metaboliti specifici come alcool e acido lattico.
Il metabolismo è l’insieme delle reazioni chimiche che avvengono nelle cellule. Si divide in:
Anabolismo
Indice
Anabolismo e catabolismo
Il Catabolismo comprende le reazioni chimiche di demolizione che trasformano sostanze complesse in sostanze semplici, liberano energia e vengono dette reazioni esoergoniche.
L’Anabolismo comprende le reazioni chimiche di sintesi che trasformano sostanze semplici in sostanze complesse, consumano energia e vengono dette reazioni endoergoniche
Ruolo dell'ATP
L’energia necessaria per le reazioni anaboliche proviene dalle reazioni cataboliche, ad esclusione della fotosintesi dove proviene direttamente dal Sole.
L’energia che proviene dalle reazioni cataboliche viene convogliata in alcune molecole, tra cui la principale è l’ATP, e viene poi usata nelle reazioni anaboliche.
Descrizione dell'ATP
ATP
E’ il trasportatore di energia della cellula. E’ il nucleotide adenosintrifosfato.
E’ formato dalla base azotata adenina, dallo zucchero ribosio e da tre gruppi fosforici, due dei quali sono legati tra loro da legami altamente energetici (7,4 Kcal per legame).
Quando si stacca uno dei gruppi fosfato si libera energia e si forma ADP (adenosindifosfato)
Processo della fotosintesi
Fotosintesi
La fotosintesi è:
Un processo anabolico.
Avviene nei vegetali, detti autotrofi perché si nutrono da sé e non hanno la necessità di cibarsi di altri organismi.
Consiste nella trasformazione dell’energia luminosa del sole in energia chimica e dell’anidride carbonica e dell’acqua in glucosio e ossigeno.
Importanza della fotosintesi
Consente, quindi, la trasformazione delle sostanze inorganiche (acqua e anidride carbonica) in sostanze organiche (glucosio).
La fotosintesi è un processo fondamentale tra i viventi perché fornisce:
nutrimento agli eterotrofi ( organismi che non sanno produrre il cibo da sé);
composti organici necessari per la vita;
ossigeno indispensabile per i processi della respirazione.
Proprio per questo gli autotrofi rappresentano i produttori mentre gli eterotrofi rappresentano i consumatori.
Un altro gruppo di organismi autotrofi è rappresentato dai batteri chemioautotrofi, i quali producono i composti organici loro necessari senza l’aiuto della luce, ottenendo l’energia dall’ossidazione di sostanze inorganiche come zolfo o ammoniaca.
L’equazione generale della fotosintesi è:
6CO2 + 6H2O C6H12O6+6O2
Cioè 6 molecole di Anidride Carbonica reagiscono con 6 molecole di acqua (sostanze inorganiche), per dare una molecola di glucosio (sostanza organica) e 6 molecole di ossigeno.
Equazione della fotosintesi
L’energia luminosa del Sole viene trasformata nell’energia chimica dei legami della molecola di glucosio. L’ossigeno rappresenta un prodotto di scarto anche se è indispensabile per la vita degli organismi aerobi.
La fotosintesi si divide in:
Fase luminosa e Fase oscura.
Fase luminosa
Avviene nei cloroplasti. La luce solare che colpisce le foglie viene assorbita dai pigmenti fotosintetici (il più importante dei quali è la clorofilla) presenti nei tilacoidi dei cloroplasti e causa un trasferimento di elettroni e di idrogeno dall’acqua a un accettore, il NADP+ , che si riduce a NADPH2.
Durante queste reazioni si libera energia che permette la produzione di 2 ATP. L’ATP e il NADPH2 vanno nella fase oscura.
Ricordiamo che il NADP è una molecola organica che funge da trasportatore di elettroni. Può esistere in due forme: ossidata ( NADP) quando cede gli elettroni ad altre molecole, ridotta ( NADPH2 ) quando acquista elettroni
Fase oscura della fotosintesi
Fase oscura
Avviene in assenza della luce nello stroma del cloroplasto.
In questa fase il NADPH2 e l’ATP, formati durante la fase luminosa, vengono usati come sorgenti di energia. Attraverso una serie di reazioni chimiche, che formano il ciclo di Calvin, il carbonio della CO2 si trasforma in gliceraldeide 3-fosfato, uno zucchero a 3 atomi di C.
Ogni 3 cicli di Calvin si ottiene una molecola di gliceraldeide-3 fosfato e ogni 6 cicli si ottiene una molecola di glucosio, monosaccaride che viene in parte usato per ricavare energia attraverso la respirazione e in parte usato per produrre amido e cellulosa.
Questo processo viene anche chiamato organicazione del carbonio perché il carbonio inorganico dell’anidride carbonica viene trasformato in carbonio organico del glucosio. Dalla gliceraldeide 3-fosfato si possono formare anche le altre sostanze organiche necessarie alla cellula.
Respirazione cellulare
La respirazione cellulare è:
Un processo catabolico.
Avviene negli organismi aerobi.
Consiste nella demolizione di glucosio in CO2 e H2O, con liberazione di energia sotto forma di ATP .
L’equazione generale della respirazione cellulare è:
C6H12O6+ 6O2 6CO2 + 6H2O
+ energia sotto forma di ATP e calore
La respirazione cellulare si divide in due fasi:
Glicolisi e Ciclo di Krebs.
Glicolisi
Glicolisi
E’ la fase anaerobica, cioè avviene in assenza di ossigeno
Avviene nel citoplasma.
Il glucosio (composto a 6 atomi di C) in assenza di ossigeno viene scisso in 2 molecole di acido piruvico (composto a 3 atomi di C).
Si ha un guadagno energetico di 2 ATP.
Si producono 2 NADH.
La glicolisi avviene attraverso una serie di reazioni chimiche.
Inizialmente si ha un consumo di 2 molecole di ATP che servono per attivare il processo. Alla fine del processo si producono 4 molecole di ATP e 2 molecole di NAD ridotto (NADH). Il guadagno energetico però è di 2 ATP perché 2 molecole servono per recuperare quelle spese inizialmente.
Il prodotto finale è costituito da 2 molecole di acido piruvico (CH3CO-COOH).La glicolisi libera meno di un quarto dell'energia chimica contenuta in una molecola di glucosio.
Ciclo di Krebs
Ciclo di Krebs
E’ la fase aerobica, avviene cioè in presenza di ossigeno.
Avviene nei mitocondri.
L'acido piruvico prodotto durante la glicolisi, entra nei mitocondri e, in presenza di ossigeno, viene ossidato ad Acetil Coenzima A(composto a 2 atomi di C). l'Acetil Coenzima A, attraverso le reazioni chimiche del ciclo di Krebs, viene ossidato completamente con produzione di:
6 molecole di CO2 , 8 NADH, 2FADH e 2 molecole di ATP.
Le 2 molecole di acido piruvico prodotte nella glicolisi, durante il ciclo di Krebs in presenza di ossigeno, vengono scisse in 6 molecole di CO2 e 6 molecole di H2O.
Ricordiamo che il NAD e il FAD sono trasportatori di elettroni che possono esistere in forma ossidata (NAD e FAD) quando cedono elettroni, in forma ridotta (NADH e FADH) quando acquistano elettroni.
Gli elettroni del NADH e del FADH vengono ceduti ad una serie di composti che fungono da accettori di elettroni, che si trovano nelle creste mitocondriali e che formano la catena respiratoria o catena di trasporto degli elettroni. L’ultimo accettore degli elettroni è l’ossigeno che con l’idrogeno forma l’acqua.
Durante questo processo gli elettroni passano da un livello energetico più alto ad un livello energetico più basso, liberando energia che consente la produzione di ATP.
Per ogni molecola di NADH che si riossida nella catena respiratoria si producono 3 ATP, per ogni FADH se ne producono 2.
Alla fine del processo di respirazione cellulare, dall'ossidazione completa di una molecola di glucosio (glicolisi+ciclo di Krebs) si otterranno:
10 NADH, 2FADH e 4 di ATP. 10 NADH x 3 ATP= 30 ATP2 FADH x 2 ATP= 4 ATP4 ATP a livello del substrato per un totale di 38 ATP.
Le 38 molecole di ATP che si formano sono pari al 40% dell'energia contenuta dal glucosio (7,3 Kcal x 38= 277,4 Kcal contro le 686 Kcal liberate da una molecola di glucosio), la restante percentuale di energia viene liberata come calore.
Fermentazioni
Le fermentazioni:
Avvengono negli organismi anaerobi.
L’acido piruvico proveniente dalla glicolisi viene trasformato in diversi prodotti finali.
Hanno un rendimento energetico di 2 ATP.
Il NADH non viene riossidato nella catena respiratoria.
Le principali fermentazioni sono:
Fermentazione
alcolica:
L’acido piruvico viene trasformato in alcol etilico e CO2.
Fermentazione
lattica:
L’acido piruvico viene trasformato in acido lattico.
La fermentazione alcolica avviene nel lievito, un fungo, e trova impiego nell'industria del vino e della birra. Viene usata anche per la lievitazione del pane, infatti l'anidride carbonica liberata durante la fermentazione fa gonfiare l'impasto e l'alcol viene eliminato durante la cottura
La fermentazione lattica viene svolta da certi funghi e batteri e viene usata nell'industria casearia per la produzione di formaggi e yogurt
Fermentazione lattica nei muscoli
In carenza di ossigeno, le cellule muscolari umane sintetizzano ATP attraverso la fermentazione lattica. Ciò si verifica nelle prime fasi dell'esercizio fisico intenso, quando il rifornimento di ossigeno da parte del sangue è insufficiente.
In queste condizioni le cellule passano dalla respirazione aerobia alla fermentazione anaerobia.
L'acido lattico si accumula come prodotto di rifiuto e causa dolori muscolari (crampi) e, in casi estremi, acidosi. L'acido lattico viene però allontanato dal sangue e portato al fegato dove viene trasformato di nuovo in acido piruvico durante il
Durante il ciclo di Cori l’acido piruvico a sua volta, viene convertito in glucosio che, tramite il sangue, torna al muscolo, dove può essere ossidato per ricavare energia oppure può essere conservato come glicogeno.
Domande da interrogazione
- Qual è la differenza principale tra catabolismo e anabolismo?
- Qual è il ruolo dell'ATP nel metabolismo cellulare?
- Come avviene la fotosintesi e qual è la sua importanza?
- In cosa consiste la respirazione cellulare e quali sono le sue fasi principali?
- Quali sono le differenze tra fermentazione alcolica e lattica?
Il catabolismo comprende reazioni chimiche di demolizione che trasformano sostanze complesse in sostanze semplici, liberando energia, mentre l'anabolismo comprende reazioni di sintesi che trasformano sostanze semplici in complesse, consumando energia.
L'ATP funge da trasportatore di energia nella cellula, immagazzinando energia proveniente dalle reazioni cataboliche e rilasciandola per le reazioni anaboliche.
La fotosintesi è un processo anabolico che trasforma l'energia solare in energia chimica, convertendo acqua e anidride carbonica in glucosio e ossigeno, fornendo nutrimento e ossigeno essenziali per la vita.
La respirazione cellulare è un processo catabolico che demolisce il glucosio in CO2 e H2O, liberando energia sotto forma di ATP, e si divide in glicolisi e ciclo di Krebs.
Nella fermentazione alcolica, l'acido piruvico viene trasformato in alcol etilico e CO2, mentre nella fermentazione lattica viene trasformato in acido lattico; entrambe avvengono in assenza di ossigeno e producono 2 ATP.
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