Membrana cellulare, organelli e trasporto

PRODUZIONE DI ATP

•Apoptosi —> può essere indotta da segnali esterni sia interni alla cellula, tuttavia il meccanismo è lo stesso ed è incentrato su una famiglia di proteasi chiamate caspasi; in una cellula normale le caspasi sono presenti nella loro forma inattivata chiamata procaspasi, quando è presente un segnale (esterno o interno) che induce l’apoptosi questo innesca l’attività proteolitica di alcune caspasi, le caspasi iniziatrici. Queste ultime una volta attivate attivano altre caspasi dette caspasi effettori in una cascata che amplifica il segnale iniziale. Le caspasi effettori degradano proteine cellulari inducendo i tipici cambiamenti delle cellule apoptotiche, ad esempio vengono modificati i filamenti intermedi che compongono la lamina nucleare che inizia la disgregazione del nucleo.

• Sintesi del gruppo prostetico -EME

• Deposito di ione Ca++

• Metabolismo dei lipidi e degli steroidi —>

partecipando insieme al REL alla sintesi di ormoni steroidei; sintesi di fosfolipidi (fosfatidilglicerolo e cardiolipina). L'ORIGINE DEI MITOCONDRI: l'ipotesi tradizionale sostiene che i mitocondri derivino dall'endosimbiosi di un endosimbionte e di una cellula ospite che aveva già acquisito alcune caratteristiche della cellula eucariote come ad esempio il nucleo. Un'ipotesi più recente però teorizza la fusione tra due procarioti (quindi nessuno dei due presentava caratteristiche delle cellule eucariote che sarebbero state sviluppate in seguito) -> archeobatterio metanogeno (ospite) e un batterio anaerobio facoltativo (endosimbionte) che produce idrogeno molecolare in assenza di ossigeno. IL METABOLISMO OSSIDATIVO: Il metabolismo ossidativo è l'insieme dei meccanismi che consentono la produzione di ATP a partire principalmente da zuccheri ma anche da grassi. Le cellule animali producono ATP in due modi: a) fosforilazione a livello del

substrato —> nel corso della glicolisi e del ciclo di Krebs; si realizza con lo spostamento di un gruppo fosfato dai substrati all’ATP mediato da enzimi

b) Fosforilazione ossidativa —> la maggior parte della sintesi di ATP richiede un intermedio, (non c’è il diretto trasferimento del gruppo fosfato da un substrato ad ADP) —> avviene nei mitocondri

I macronutrienti devono essere frammentati in molecole più piccole a nchè le cellule possano utilizzarli —> CATABOLISMO: processo di demolizione in cui gli enzimi degradano le molecole organiche complesse in molecole più semplici. Il catabolismo avviene in 3 fasi

Fase I) digestione: gli enzimi riducono le grandi molecole in molecole più semplici; la digestione avviene all’esterno delle cellule, dopo la digestione quello che rimane delle molecole entra nel citosol dove inizia la loro graduale ossidazione.

Fase II) glicolisi: converte ogni molecola di glucosio in

due molecole ancora più piccole di piruvato. Il piruvato nelle cellule animali viene poi trasferito all'interno dei mitocondri.

Fase III) respirazione cellulare: avviene completamente all'interno dei mitocondri in presenza di ossigeno.

LA SINTESI DI ATP

ATP è un nucleoside trifosfato formato da adenina, ribosio e 3 gruppi fosfato

La reazione di sintesi ADP+Pi è energicamente sfavorita perché causa una variazione nell'energia libera positiva ed è endoergonica. Tuttavia rappresenta il principale vettore energetico perché è un buon compromesso tra spesa energetica e guadagno energetico, infatti non è la molecola più energetica che esiste, a pH =7 e T= 25° la sua idrolisi produce -7 kcal/mol. Il fosfoenolpiruvato ad esempio è più energetico dell'ATP. Il rapporto tra ADP e ATP è molto lontano dall'equilibrio infatti ATP è 5 volte maggiore rispetto ad

ADP.LA GLICOLISIAvviene nel citosol in assenza di ossigeno. È un processo che consta di 10 tappe, due delle quali sono endoergoniche (consumano 2 ATP) mentre altre 2 sono esoergoniche (producono 4 ATP) -> produzione netta di 2 ATP per ogni molecola di glucosio. Ognuno dei 10 stadi è catalizzato da un enzima. Una molecola di glucosio entra nel citosol dove viene fosforilata a glucosio-6-fosfato in modo che possa prendere parte alle reazioni, poi viene isomerizzato fruttosio 6 fosfato e nella 4 tappa la molecola a 6 atomi di carbonio viene scissa in 2 molecole a 3 atomi di carbonio -> gliceraldeide-3-fosfato e per ognuna di queste 2 molecole si formano 2 molecole di ATP nella fase 7 e 10. L'ATP non è l'unico prodotto, infatti alcuni enzimi richiedono un coenzima NAD; NAD è un derivato della vitamina niacina e ha la funzione di accettare i protoni (e quindi gli elettroni) in una reazione di ossido-riduzione convertendosi a NADH. NADH è

considerato un composto ad alta energia per la facilità con cui trasferisce elettroni ad altre molecole, infatti donano i propri elettroni alla catena di trasporto degli elettroni nella membrana mitocondriale interna. Nello stadio 6 è prodotta una molecola di NADH ridotto per ogni molecola di gliceraldeide-3-fosfato che si ossida a 3-fosfoglicerato. Il prodotto finale della glicolisi sono 2 molecole di piruvato + 2 ATP (4 ma 2 sono state investite inizialmente per cui al netto 2) + 2 NADH + 2 H2O (derivati da gluc.3fi). IL DESTINO DEL PIRUVATO Il piruvato, in presenza di ossigeno, entra nel ciclo di Krebs dopo essere stato decarbossilato e addizionato a CoA. In assenza di ossigeno, subisce un processo detto fermentazione —> poiché NAD è fondamentale nella glicolisi, esso deve essere costantemente rigenerato da NADH, altrimenti la cellula blocca il suo metabolismo. Tuttavia, finché l'ossigeno è l'accettore finale di elettroni nella catena di trasporto degli elettroni, il NADH non può essere rigenerato.trasporto non è presente NADH non può riconvertirsi in NAD. Quindi la cellula mette in atto la fermentazione che, come la glicolisi, ha luogo nel citosol. La fermentazione non è esclusiva degli organismi anaerobi che convertono quindi il piruvato in etanolo, ma può essere anche attuata dalle cellule eucariotiche che si trovano in deficit di ossigeno -> cellule muscolari scheletriche in deficit di ossigeno convertono il piruvato in lattato. Il lattato o acido lattico ha una certa tossicità per le cellule, quindi è immesso nel circolo ematico a livello del fegato e riconvertito in piruvato. DECARBOSSILAZIONE Il piruvato introdotto nella matrice mitocondriale viene rapidamente decarbossilato, cioè viene prodotta CO2 come scarto e si produce acetaldeide (2 atomi di C). All'acetaldeide viene addizionato CoA. In seguito il gruppo acetile viene aggiunto a ossalacetato (4 atomi di C) così CoA è di nuovo disponibile per.

ricominciare il ciclo. Dall'unione di acetil-CoA e ossalacetatosi forma acido citrico che entra nel ciclo di Krebs.

IL CICLO DI KREBS

Il ciclo di Krebs ha luogo nei mitocondri in presenza di ossigeno. Il ciclo di Krebs inizia con l'unione dell'acetile di acetil-CoA e ossalacetato —> citrato. È composto da 8 fasi durante le quali l'ossalacetato viene accorciato un carbonio alla volta fino a riformare l'ossalacetato che può tornare a condensarsi con un altro acetil-CoA. I principali prodotti del ciclo di Krebs sono i coenzimi ridotti NADH e FADH2. Come NADH, FADH2 è un trasportatore di elettroni ad alta energia e idrogeno. Il risultato netto è 3 NADH, 1 GTP, 1 FADH2 e libera 2 CO2.

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

La fosforilazione ossidativa avviene nei mitocondri e dipende da un processo di trasporto di elettroni che permette il trasferimento di protoni da un lato all'altro della membrana mitocondriale interna. Questo processo si

Il processo di produzione di ATP si svolge essenzialmente in due fasi; la prima fase permette la formazione di un gradiente elettrochimico di protoni mentre la seconda sfrutta tale gradiente per generare ATP. Entrambe sono effettuate da complessi proteici che si trovano nelle membrane stesse.

FASE I: gli elettroni sono ceduti da FADH2 e NADH attraverso i trasportatori che formano la catena di trasporto degli elettroni, il cui accettore finale è O2 che si riduce ad H2O. Man mano che gli elettroni passano lungo la catena di trasporto, i trasportatori spingono protoni verso l'esterno (nello spazio intermembrana).

FASE II: ritorno controllato di protoni attraverso la pompa ATP-sintasi. Ogni coppia di elettroni trasferita da NADH a O2 rilascia energia sufficiente a formare circa 3 molecole di ATP, mentre ogni coppia di FADH2 ne libera abbastanza da formare 2 molecole di ATP. Se si sommano tutte le molecole di ATP che si formano da una sola molecola di glucosio a partire dalla glicolisi, il guadagno netto è di circa 36 ATP.

(comprendenti anche GTP che si forma ad ogni giro del ciclo di Krebs). Varicordato però che l’effettivo numero di molecole di ATP che si ottengono per molecola di glucosio dipende dal rapporto ATP:ADP

TRASPORTATORI

La catena di trasporto degli elettroni è formata da 4 tipi di trasportatori inseriti nella membrana mitocondriale interna —> complesso I, II, III, e IV.

I trasportatori passano gli elettroni da un complesso all’altro e contemporaneamente pompano protoni dalla matrice mitocondriale —> spazio intermembrana

Complesso I (NADH deidrogenasi): catalizza il trasferimento di una coppia di elettroni dal NADH all’UBICHIONE. Il passaggio degli elettroni attraverso il complesso I è accompagnato dalla traslocazione di protoni nello spazio intermembrana

Complesso II (succinato deidrogenasi): gli elettroni eduti dal FADH2 possono intraprendere questa via e passare poi all’ubichione. Non è in grado

Complesso III (citocromo c ossidoreduttasi): catalizza il trasferimento di elettroni dall'ubichione al citocromo c, una proteina periferica che non è parte integrante di nessuno dei complessi.

Complesso IV (citocromo c ossidasi): tappa finale che consiste nel trasferimento di elettroni dal citocromo c all'ossigeno —> accettore finale. Questo complesso ha il potenziale redox più alto e rimuove gli elettroni dal citocromo c ossidandolo.

L'ossigeno è un tutto sommato un buon accettore finale grazie alla sua elevata affinità, tuttavia non appena riceve un elettrone si trasforma nel radicale superossido O2-, molecola molto reattiva pronta ad assorbire 3 elettroni ovunque essi si trovano (può danneggiare DNA, proteine o lipidi di membrana). Infatti il citocromo c ossidasi trattiene la sua molecola di ossigeno finché non arrivano 4 elettroni (2 da NADH e 2 da FADH2) necessari a convertirla in 2 molecole di H2O.

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