Appunti sul metabolismo cellulare. Catabolismo e catena respiratoria

Il processo di degradazione delle molecole di glucosio e la produzione di ATP nelle cellule animali

Le cellule degradano ogni molecola di glucosio in modo progressivo, cedendo la sua energia in modo intercettabile dalle molecole di trasporto e dunque permettendo che la maggior parte dell'energia che si ottiene dall'ossidazione del glucosio venga recuperata e conservata, come nei legami ad alta energia dell'ATP e di altri trasportatori, e che divenga quindi disponibile per compiere lavoro utile alla cellula.

Le cellule animali producono ATP in due modi:

• Una modalità semplice, senza intermediari, dove vi sono degli enzimi che catalizzano delle reazioni associate alla reazione energeticamente sfavorita ADP + Pi = ATP.
• La fosforilazione ossidativa, che avviene nei mitocondri della membrana interna, dove vi sono dei trasportatori intermedi che portano energia, la quale viene utilizzata per dirigere la produzione di ATP.

Le molecole nutritive, inoltre, vengono demolite in 3 stadi, con un processo che viene detto catabolismo:

• Scomposizione degli alimenti in

Unità semplici o digestione, che avviene spesso al di fuori delle cellule nella bocca e nell'intestino ma anche grazie ai lisosomi intracellulari. Queste molecole organiche entrano poi per esempio nel citosol di una cellula dove inizia la loro graduale ossidazione.

Glicolisi, dove il glucosio viene degradato in ATP in condizioni di assenza di ossigeno, e che avviene nel citosol di quasi tutte le cellule. È un processo suddiviso in 10 fasi e tre macrofasi, ossia la fase di preparazione, la fase intermedia di scissione di uno zucchero a sei atomi in due zuccheri a 3 atomi e la fase di recupero energetico.

Per ogni molecola di glucosio si formano due molecole di NADH a causa della riduzione del NAD+, che negli organismi aerobici donano i propri elettroni alla catena di trasporto degli elettroni nella membrana mitocondriale interna, formando NAD+ e che quindi permette nuovamente di riprendere il processo di glicolisi. Questo trasferimento di elettroni rilascia energia mano a

modo vengono convertiti in Acetil COA per essere utilizzati nel ciclo di Krebs. Il ciclo di Krebs, o ciclo dell'acido citrico, è una serie di reazioni chimiche che avvengono nella matrice mitocondriale. Durante questo ciclo, l'Acetil COA viene ossidato e si combinano con l'ossigeno per produrre CO2, NADH, FADH2 e ATP. Successivamente, il NADH e il FADH2 prodotti nel ciclo di Krebs vengono utilizzati nella catena di trasporto degli elettroni, che si trova nella membrana interna mitocondriale. Durante questa fase, gli elettroni vengono trasferiti da una molecola all'altra, generando energia che viene utilizzata per sintetizzare ATP. Infine, l'ossigeno funge da accettore finale degli elettroni, combinandosi con gli ioni idrogeno per formare acqua. In conclusione, la glicolisi, il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni sono processi fondamentali per la produzione di energia nelle cellule.caso vengono prodotti una molecola di NADH ed unamolecola di FADH, così come gli amminoacidi che producono Acetil CoA o altriintermedi del terzo step (ciclo dell’acido citrico).Nei batteri aerobi senza mitocondri queste reazioni avvengono nel citosol.

Ciclo dell’acido citrico o Ciclo di Krebs, processo che avviene completamente nei mitocondri ed il gruppo acetilico dell’acetil CoA viene trasferito all’ossalacetato per formare citrato, che entra in una serie di reazioni dove il gruppo acetile verrà ossidato a CO2 e verrà prodotto anche NADH.

A questo punto, gli elettroni ad alta energia passano dal NADH alla catena di trasporto degli elettroni nella membrana interna dei mitocondri. Alla fine della catena, questi elettroni si combinano con O2 formando H2O.

E’ un processo che richiede O2, in quanto la catena di trasporto degli elettroni permette al NADH di liberarsi dai suoi elettroni e rigenerare il NAD+.

La formula di riferimento è: O2 + C6H12O6 + 38 ADP + 38 Pi + 38 NADH + 2 FADH2 → 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP + 38 NAD+ + 2 FAD

→ CoA + 3 NADH + 3 H+ +acetil-CoA + 3 NAD + GDP + FAD + ADP + P + 2 H +i 2FADH + ATP + GTP + 2 CO.2

Come vediamo, a partire dal FAD e dal GTP (una molecola simile all’ATP, chetrasferisce il suo gruppo fosfato terminale all’ADP) producono FADH2, il NAD+produce NADH.

L’energia accumulata negli elettroni ad alta energia di NADH e FADH vieneimpiegata per produrre ATP attraverso il processo di fosforilazione ossidativa nellamembrana mitocondriale interna; questo passaggio è l’unico a richiederedirettamente O2 dall’atmosfera.

Molti degli intermedi che si formano durante la glicolisi e il ciclo di Krebs vengono dirottatialle vie anaboliche per essere trasformati in altre molecole organiche di cui la cellula habisogno; per esempio, l’ossalacetato e l’alfa-chetoglutarato sono precursori degliamminoacidi aspartato e glutammato.

Vi è una certa regolazione del metabolismo, che avviene mediante una rete elaborata dimeccanismi di controllo

che regolano l'attività degli enzimi. Un esempio di regolazione del metabolismo è quello della gluconeogenesi, che costituisce il glucosio a partire dal piruvato e si avvale di vari intermedi propri della glicolisi, utilizzandoli però per il processo inverso. Per aggirare alcune fasi irreversibili della glicolisi, la gluconeogenesi si avvale di una serie di enzimi che catalizzano reazioni di bypass, che possono essere talvolta dispendiose dal punto di vista energetico: la produzione di una molecola di glucosio tramite gluconeogenesi consuma 4 ATP e 2 GTP. Gli enzimi vengono regolati allostericamente dal legame che hanno con una serie di metaboliti (regolazione a retroazione o feedback sia positivo che negativo); per esempio, l'enzima fosfofruttochinasi viene attivato dai prodotti dell'idrolisi dell'ATP ed inibito dall'ATP - quando quindi vi sono alte quantità dei prodotti, l'enzima è attivo, e viceversa. Essendo la

La gluconeogenesi è un processo molto dispendioso dal punto di vista energetico. Le cellule a digiuno mobilizzano il glucosio che viene conservato sotto forma di glicogeno nelle grandi riserve epatiche e muscolari. La sintesi e la degradazione di esso sono processi molto diversi, che vengono regolati rapidamente in base alla necessità.

I grassi costituiscono comunque un tipo di riserva più importante rispetto al glicogeno, perché al grammo forniscono il doppio di energia e hanno un volume minore; si accumulano in triacilgliceroli insolubili in acqua nelle cellule dette adipociti. Gli acidi grassi, con i dovuti segnali, lasciano questi depositi ed entrano nel torrente circolatorio.

Capitolo 14

Nelle cellule, la principale fonte di energia è l'ATP, che si genera tramite la fosforilazione ossidativa (su una membrana) ed in piccole parti mediante la glicolisi nel citosol. I processi differiscono tra loro per il luogo in cui si svolgono; la fosforilazione avviene nei mitocondri.

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edipende da un processo di trasporto di elettroni, che trasferisce protoni da un lato all'altro della membrana mitocondriale interna.

Questo processo consta di due fasi:

1. Nella prima fase gli elettroni ad alta energia (derivanti dall'ossidazione delle molecole nutritive, o dall'azione della luce sul pigmento clorofilla, o sostanze inorganiche) passano in una catena di trasporto degli elettroni, immersa nella membrana; questi trasferimenti liberano energia che verrà quindi utilizzata per portare al di fuori della membrana i protoni, generando quindi un gradiente elettrochimico. Questo gradiente accumula energia che produce lavoro utile, quando gli ioni vengono lasciati liberi di rifluire.

2. Nella seconda fase, quella vera e propria della fosforilazione ossidativa, i protoni rifluiscono secondo il loro gradiente elettrochimico attraverso l'ATP sintasi, che catalizza la sintesi di ATP (a partire da ADP e fosfato inorganico) mediante una reazione endoergonica.

Questi paragrafi descrivono il processo di trasporto degli elettroni e la fosforilazione ossidativa all'interno delle membrane mitocondriali.

meccanismo chemiosmotico sono noti oggi come accoppiamento chemiosmotico, e sono utili alle cellule in quanto esse possono sfruttare l'energia del trasferimento degli elettroni. I mitocondri sono presenti in tutte le cellule eucariotiche, dove sintetizzano l'ATP cellulare; questi producono circa 30 molecole di ATP quando vengono utilizzati per portare a termine l'ossidazione del glucosio. Le persone che accusano difetti della funzione mitocondriale riportano problemi di debolezza, problemi cardiaci, epilessia e demenza, in quanto le cellule muscolari e nervose sono quelle che risentono di più dei difetti mitocondriali (necessitano di più ATP). I mitocondri quando isolati sono generalmente simili per struttura e funzioni ai loro predecessori batterici, e sono enormemente adattabili potendo cambiare la propria forma, posizione e numero in base alle esigenze della cellula. In generale, diciamo che i mitocondri possono essere fissi in un punto fornendo ATP ad unospecifico sito della cellula, o possono fondersi formando delle reti tubulari distribuite nel citoplasma. I mitocondri variano il proprio numero in base alle esigenze della cellula, ma sono generalmente molto numerosi. La struttura di un mitocondrio si costituisce di due membrane, una dentro l'altra, altamente specializzate e dette membrane mitocondriali esterne ed interne, che creano un ampio spazio interno detto matrice ed uno spazio intermembrana. La membrana esterna contiene molta porina, che forma dei canali acquosi attraverso il doppio strato lipidico e che quindi la rendono permeabile ad una serie di molecole sotto i 5000 dalton. La membrana interna, sito del trasporto degli elettroni, contiene le proteine della catena di trasporto degli elettroni, le pompe protoniche, diverse proteine di trasporto, l'ATP sintasi ed è invece permeabile unicamente alle molecole con specifiche proteine di trasporto; la matrice mitocondriale contiene quindi solo molecole scelte con una specifica funzione.

modalità estremamente selettiva. La membrana interna è di solito piuttosto articolata, e la sua superficie viene aumentata da una serie di creste. Durante la glicolisi ed il ciclo di Krebs i trasportatori producono gli elettroni ad alta energia necessario alla produzione di ATP facendo in modo che le molecole prodotti della glicolisi entrino nello spazio intermembrana del mitocondrio tramite le porine e quindi trasportate all'interno della matrice, dove vengono trasformate in acetil CoA. L'acetil CoA viene quindi metabolizzato nel ciclo dell'acido citrico, e dunque durante la fosforilazione ossidativa gli elettroni ad alta energia donati dal NADH e dal FADH passano lungo la catena di trasporto degli elettroni nella membrana interna, arrivando all'ossigeno. Questo comporta la creazione di un gradiente protonico tra i due lati della membrana interna, che serve ad alimentare la sintesi di ATP da parte dell'ATP sintas