Biologia generale

RESPIRAZIONE CELLULARE

È un processo catabolico esoergonico che richiede ossigeno e glucosio per produrre ATP e acqua. La reazione è la seguente: In essa il glucosio si ossida ad anidride carbonica e l'ossigeno si riduce ad acqua. L'ossidazione avviene in modo controllato e graduale in modo da conservare l'energia in forma utilizzabile, infatti vari enzimi catalizzano per più tappe in cui l'energia viene trasferita in piccole parti a vettori appositi.

Le reazioni che portano alla sintesi di ATP sono la fosforilazione a livello del substrato nella glicolisi e la fosforilazione ossidativa nel mitocondrio. L'ossidazione completa di una mole di glucosio cede 680000 calorie di cui la cellula riesce ad immagazzinare circa il 40% grazie al suo processo a tappe. Le tappe sono: glicolisi, formazione di acetil coenzima A, ciclo di krebs e fosforilazione ossidativa. Queste quattro fasi formano la respirazione.

aerobica.

GLICOLISI

Parte dal glucosio per ottenere piruvato NADH e ATP. Una molecola di glucosio è convertita in due molecole di piruvato con un guadagno netto di due molecole di ATP e due di NADH. È costituita da 10 tappe:

1. Una molecola di ATP fornisce un gruppo fosfato e l'energia necessaria per legarlo al glucosio, si ottiene un glucosio-6-fosfato, ciò rende il glucosio più reattivo. Catalizzata dalla esochinasi
2. Il glucosio-6-fosfato viene trasformato nel suo isomero fruttosio-6-fosfato
3. Una molecola di ATP cede un gruppo fosfato tramite la fosfofruttochinasi e si forma il fruttosio-1,6-difosfato
4. Il fruttosio viene scisso in due molecole di zucchero a 3C, la gliceraldeide-3-fosfato e il diidrossiacetone fosfato
5. Un'isomerasi trasforma il diidrossiacetone in gliceraldeide
6. Le due gliceraldeidi vengono deidrogenate e i loro idrogeni passano su due NAD+ formando NADH. Si forma fosfoglicerato che reagisce con fosfato inorganico e forma l'1,3-bifosfoglicerato.

La reazione è fortemente esergonica. Uno dei gruppi fosfato di entrambe le molecole reagisce direttamente con ADP e forma ATP; si ha una fosforilazione a livello del substrato. Il 3-fosfoglicerato diventa 2-fosfoglicerato. Rimozione di una molecola di acqua e formazione di un doppio legame che rende instabile il legame con il gruppo fosfato, si forma fosfenolpiruvato. La piruvatochinasi rimuove il gruppo fosfato e usa l'ADP per formare ATP, si forma il piruvato. Si ha un'altra fosforilazione a livello del substrato.

Nelle prime 5 tappe vengono usate 2 ATP per scomporre il glucosio mentre nelle ultime 5 tappe si ha la produzione di 4 ATP e 2 NADH per un bilancio totale di 2 ATP, 2 NADH e 2 piruvato. La glicolisi è anaerobia perché non richiede l'uso di ossigeno.

MITOCONDRI

I mitocondri sono organelli provvisti di due membrane con uno spazio intermembrana e una matrice all'interno della quale vi è del DNA e, attaccati alla membrana, vi sono

Ribosomi e ATPsintetasi. La membrana esterna è formata per lo più da fosfatidilcolina mentre quella interna da cardiolipina ed è quasi del tutto priva di colesterolo. La parete esterna dei mitocondri deriva dalla parete cellulare dei batteri gram negativi (batteri con una parete cellulare sottile, che quindi non trattiene il colore usato nella colorazione di gram, per cui questi batteri al microscopio risultano rosa/rossi, al contrario dei gram positivi che invece hanno una parete cellulare più spessa che trattiene il colore e quindi risultano violacei). Dopo una breve fase di accrescimento i mitocondri si dividono in mitocondri più piccoli e una volta invecchiati sono eliminati tramite autofagia (inglobati in vescicole e poi degradati dai lisosomi). 24Sorrentino Riccardo 28/2/2020

Vi è poi del DNA mitocondriale di forma circolare e non legato a proteine, agganciato alle creste mitocondriali. Il genoma del mitocondrio contiene geni per gli mRNA dei mitocondri,

Per 22 tRNA e 2 rRNA, geni per una proteina della subunità ribosomiale maggiore e per alcune proteine della catena di trasporto degli elettroni.

OSSIDAZIONE DEL PIRUVATO

La glicolisi avviene nel citosol ma da qua si passa nei mitocondri. Questa reazione è catalizzata dalla piruvato-deidrogenasi, la quale rimuove il gruppo carbossilico facendolo diventare anidride carbonica e trasferisce gli elettroni sul NAD+ formando NADH. L'acetile rimanente viene legato al coenzima A formando acetil coenzima A. Il piruvato viene ossidato quindi si ha anche la formazione di una molecola di CO2.

CICLO DI KREBS

Avviene nella matrice del mitocondrio. È un ciclo di 8 reazioni in cui si parte dall'ossalacetato e si ritorna ad esso. Si hanno ben 4 reazioni di ossidazione, in 3 delle quali gli elettroni sono presi dal NAD+ (reazioni 3, 4 e 8), mentre nella reazione 6 sono presi dal FAD+. Nella reazione 5 si ha la fosforilazione ossidativa in cui si viene a formare GTP facilmente.

Convertibile in ATP. NAD e FAD sono dei coenzimi, ossia piccole molecole che non vengono consumate ma riciclate ed il loro compito è quello di trasportare elettroni. In forma ossidata si trovano in NAD+ e FAD+, mentre in forma ridotta sono in NADH e FADH2. Nel ciclo di Krebs anche il coenzima A viene riciclato e torna a reagire con il piruvato. Il piruvato, prima tramite l'ossidazione e poi tramite Krebs, viene quindi completamente ossidato a CO2. Poiché l'ossigeno è sempre l'accettore finale degli elettroni rimossi, le attività ossidative sono indicate come respirazione.

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

In questa reazione i 10NADH e 2FADH2 vengono convertiti in ATP tramite una catena di trasporto degli elettroni che va a creare un gradiente di H+ utile all'attivazione di un generatore di ATP. La catena è composta da 4 complessi enzimatici contenenti circa 10 centri redox assemblati sulla membrana interna del mitocondrio.

NADH e FADH vengono ossidati a NAD+ e FAD, gli elettroni vengono trasferiti attraverso i trasportatori i quali hanno potenziali redox crescenti fino all'ossigeno, durante questo vengono espulsi protoni nello spazio intermembrana i quali tornando nella matrice attraverso l'ATPsintasi permettono la sintesi di ATP.

La catena di trasporto degli elettroni è formata da 5 tipi di trasportatori di elettroni: flavoproteine, citocromi, atomi di rame, ubichinone e proteine ferro-zolfo.

I citocromi sono proteine che contengono un gruppo eme e si dividono in a, a3, b, c, c1; dove c è una proteina periferica di membrana e non facendo parte di un complesso può diffondere nel piano della membrana, mentre gli altri sono proteine integrali di membrana. Sfruttano il ferro che può passare da Fe3+ a Fe2+ acquisendo o perdendo elettroni.

L'ubichinone o coenzima Q è una molecola liposolubile con una lunga catena idrofobica, può accettare e donare due

elettroni e due protoni, può inoltre diffondere lateralmente nella membrana. Queste 5 molecole passano attraverso i 4 complessi sono continuamente ridotte ed ossidate finché non si arriva all'accettore finale di elettroni che è l'ossigeno. Il meccanismo di produzione di ATP viene detto chemiosmotico: l'energia liberata dal trasferimento di elettroni genera una forza protomotrice che spinge gli H+ nella matrice, e questi passando per l'ATPsintasi trasferiscono la loro energia nella produzione di ATP. 26Sorrentino Riccardo 28/2/2020

Il passaggio di un H+ attraverso F0 produce una rotazione di soli 120° pertanto per produrre 1 ATP è necessario il passaggio di 3 H+; per cui dal NADH si producono 3 ATP e dal FADH2 si producono 2 ATP per un totale di circa 32-34 ATP. L'ossigeno molecolare formato finisce poi per combinarsi con l'idrogeno e formare acqua.

IL NUCLEO

Il nucleo occupa il 10% del volume cellulare, contiene i cromosomi e li

Il nucleo è una struttura fondamentale all'interno della cellula. Durante la divisione cellulare, il nucleo si suddivide e trasporta fattori di regolazione e prodotti dei geni attraverso i pori nucleari. Inoltre, il nucleo produce vari tipi di RNA e assembla le unità dei ribosomi, oltre a organizzare la duplicazione del DNA.

Il nucleo ha due funzioni principali: proteggere il DNA e elaborare l'RNA prima che venga tradotto in proteina. L'involucro nucleare è formato da due membrane concentriche, di cui quella esterna è in continuità con il reticolo endoplasmatico. Queste membrane separano il nucleo dal citoplasma e l'unica connessione che hanno sono i pori, che sono dei canali attraverso i quali possono passare piccole molecole polari e macromolecole come l'RNA.

Sotto la membrana interna si trova la lamina nucleare, un reticolo fibroso che fornisce supporto strutturale al nucleo. All'interno del nucleo vi sono il nucleoplasma e il nucleolo.

I pori nucleari sono strutture formate da due anelli paralleli.

costituiti da 8 subunità ciascuno cheli delimitano, vi sono poi 8 raggi che connettono i due anelli e si estendono fino al trasportatore centrale che si trova in mezzo ai due; quest'ultimo è una struttura a diaframma che si apre o chiude.

per permettere il passaggio di particelle con dimensioni differenti. Attraverso i pori avvengono due processi:

• Importazione: la proteina che deve entrare contiene un segnale di importazione nucleare (NLS) al quale si attacca l'importina; ad essa si attacca poi il complesso Ran-GTP e così il complesso Ran-GTP-importina-proteina viene fatto passare attraverso il poro nel nucleo. Dopodiché Ran-GTP-importinasi staccano e l'importina si libera dal Ran con l'idrolisi del GTP a GDP, l'importina poi torna nel citoplasma per ripetere il ciclo.
• Esportazione: solitamente viene esportato RNA ma esso è legato a proteine di esportazione le quali hanno un segnale di

esportazione nucleare (NES) a cui si lega l’esportina. Ad essa si lega Ran-GTP edil complesso passa attraverso i pori. Ran-GTP-esportina si stacca dalla proteina e l’esportina si liberaidrolizzando GTP per poi tornare nel nucleo.

Il nucleolo è una regione dove avviene la formazione dei ribosomi. Presenta infatti una regioneorganizzatrice dove vi sono i geni che codificano per l’rRNA il quale insieme alle proteine ribosomialiprovenienti dal citoplasma viene impiegato per la sintesi delle subunità ribosomiali (detteproribosomi) le quali passano poi nel citoplasma per diventare ribosomi.

DNAÈ formato da due filamenti nucleotidici a base di desossiribosio che si avvolgono in una struttura aelica destrorsa. I due filamenti sono separati da uno spazio di 1.1nm occupato da una pirimidina euna purina. Ogni coppia di basi giace su un piano orizzontale circa perpendicolare all’asse maggioredella molecola e ogni giro di elica comprende 10-11 paia di

basi