la respirazione

 

La respirazione è un processo di ossidoriduzione nel quale i riducenti sono molecole organiche altamente ridotte e ricche di energia e gli ossidanti sono molecole inorganiche come O2 (schema generale del metabolismo energetico).

Il glucosio è il principale combustibile per la maggior parte degli organismi.

Il bilancio generale della respirazione può essere riassunto dall'equazione:

C6H12O6 + 6 O2 = 6 H2O + 6 CO2    con   DG = - 686 kcal/mole di glucosio

La respirazione avviene in tre stadi principali (stadi_della_respirazione_cellulare); diverse sono anche, per i tre stadi, le sedi_della_respirazione.

Nel primo stadio, detto glicolisi, che può avvenire in assenza di ossigeno, il glucosio è ossidato per produrre frammenti a due atomi di carbonio, i gruppi acetilici dell'acetil-Coenzima A.

La glicolisi avviene in tutti gli organismi ed è indifferente alla presenza di ossigeno.

Negli organismi aerobi la glicolisi è il preludio alle altre due tappe, il ciclo_dell’acido_citrico_o_di_Krebs e la catena_di_trasporto_degli_elettroni, nelle quali la demolizione completa che avviene attraverso una serie di reazioni, recupera la maggior parte dell'energia libera presente nel glucosio attraverso la meccanismo_della_fosforilazione_ossidativa; è interessante anche analizzare il bilancio_energetico_della_respirazione.

 

 

 


Sedi della respirazione

Nelle cellule eucariote:

la glicolisi avviene nel citoplasma, fuori dai mitocondri;

il ciclo dell'acido citrico nella matrice, all'interno dei mitocondri;

la catena di trasporto degli elettroni nella della membrana interna dei mitocondri.

Le reazioni di ossidoriduzione che avvengono nel citoplasma sono controllate da una serie di meccanismi di regolazione della respirazione, in modo che venga usata solo la quantità di combustibile necessaria.

 

 

 

 


Meccanismi di regolazione della respirazione

I vari passaggi che forniscono energia durante il catabolismo (processo metabolico che porta a degradazione della sostanza in molecole piccole, dette cataboliti) dei carboidrati sono regolati da sistemi di controllo tali da soddisfare le richieste della cellula:

regolazione_della_glicolisi

regolazione dell'ossidazione del piruvato

regolazione_del_ciclo_dell’acido_citrico

regolazione della fosforilazione ossidativa

Tutte queste fasi sono tra loro coordinate in una regolazione integrata delle fasi della respirazione, così che il sistema funzioni in modo economico e automatico.

La velocità di numerose reazioni enzimatiche è regolata dalle concentrazioni dei prodotti e dai rapporti ATP/ADP (ATP_e_regolazione_della_respirazione) e NADH/NAD+.

 

 

 

 

 


Regolazione della glicolisi

La glicolisi ha due funzioni:

- degrada il glucosio, GLU per generare ATP

- produce precursori per la biosintesi dei componenti cellulari.

La velocità di conversione di glucosio ad acido piruvico PYA è regolata in base alle necessità della cellula.

Solitamente le reazioni della glicolisi sono facilmente reversibili, eccetto quelle catalizzate dall'esochinasi, dalla fosfofruttochinasi e dalla piruvatochinasi, che fungono da punti di regolazione della glicolisi.

glu1.bmp (33418 byte)

pya.bmp (17318 byte)

 

 

 

 


Punti di regolazione della glicolisi

L'esochinasi controlla l'ingresso di GLU nella via glicolitica; è un enzima allosterico (inibito dal suo prodotto di reazione), il glucosio 6-fosfato, G6P. Se questo non viene consumato con la stessa velocità con cui è prodotto, inibisce l'esochinasi fino a quando l'eccesso non sia consumato.

La fosfofruttochinasi, principale elemento di controllo della glicolisi, è attiva quando è necessario produrre energia oppure precursori, ma viene inibita da alte concentrazioni di ATP e di citrato, CIA.

La piruvatochinasi, altro sito di controllo, è inibita allostericamente da AcCoA.

Si può vedere la struttura molecolare delle singole molecole della serie di reazioni indicate, divise in due gruppi:

GLU_G6P_F6P_FDP_GP3== PG_2PG_PEP_PYA_CIA

REGORGLI.bmp (90038 byte)

 

 

 

 

 


GLU, G6P, F6P, FDP, GP3

glu1.bmp (33418 byte)

G6P1.bmp (33138 byte)

F6P.bmp (37322 byte)

FDP.bmp (37322 byte)

GP3.bmp (25350 byte)

 

 

 

 

 

 

 


3PG, 2PG, PEP, PYA, CIA

3PGA.bmp (26662 byte)

2PGA.bmp (23478 byte)

PEP.bmp (18438 byte)

PYA.bmp (17318 byte)

CIA.bmp (24514 byte)

 

 

 

 

 

 


Regolazione dell'ossidazione del piruvato

regorpya.bmp (95038 byte)

Nell'ossidazione del piruvato, PYA, ad acetil coenzima A, AcCoA, l'attività del complesso PYA deidrogenasi chinasi è controllata dall'inibizione da parte dei prodotti di reazione, ATP e NADH (oltre che del prodotto AcCoA).

Gli altri processi sono catalizzati da altri enzimi specifici, come indicato nella figura.

Ioni calcio Ca++ e magnesio Mg++  facilitano la conversione della specie inattiva a quella attiva, stimolando l'enzima fosfatasi.

 

 

 

 

 

 


Regolazione del ciclo dell'acido citrico

ATP, NADH, AcCoA e Ca++ controllano la velocità di formazione di AcCoA dal piruvato, PYA.

La velocità del ciclo dell'acido citrico è regolata invece dalla concentrazione di ossalacetato, OXA, dall'attività della citrato sintetasi e della isocitrato deidrogenasi.

Si può vedere la struttura molecolare delle singole molecole della serie di reazioni indicate:

OXA_MAA_FUA_SUA_CGA_ICA_CIA_PYA

regocitr.bmp (54206 byte)

 

 

 

 

 

 


OXA, MAA,

FUA, SUA,

CGA, ICA,

CIA, PYA

oxa.bmp (24694 byte)

maa.bmp (18790 byte)

fua.bmp (20102 byte)

sua.bmp (22406 byte)

 

cga.bmp (34342 byte)

ica.bmp (24514 byte)

cia.bmp (24514 byte)

pya.bmp (17318 byte)

 

 

 

 

 


Regolazione della fosforilazione ossidativa

La reazione di ossidazione di NADH nei mitocondri mostra che fosfato Pi, ADP e O2 sono necessari al trasporto degli elettroni:

2 NADH + 2 H+ + 6 Pi + 6 ADP + O2 = 2 NAD+ + 6 ATP + 8 H2O

Il rapporto tra le concentrazioni, espresso mediante la legge di azione di massa, per ATP, ADP e Pi: (ATP)/(ADP)(Pi) è normalmente molto elevato.

Se continua il trasporto degli elettroni, Pi e ADP vengono consumati e si accumula ATP: si può arrivare fino alla trasformazione quasi totale di ADP in ATP. A questo punto, però, la velocità di consumo dell'ossigeno diminuisce.

Se invece qualche funzione cellulare richiede ATP, parte di questo viene idrolizzato ad ADP e Pi, abbassando il rapporto.

L'aumento della concentrazione di ADP fa aumentare automaticamente la velocità del trasporto degli elettroni e della fosforilazione ossidativa, con formazione di ATP. Questo fenomeno continua fino a quando il rapporto fra le concentrazioni viene riportato al suo valore normale.

 

 

 

 

 


Regolazione integrata delle fasi della respirazione

regointe.bmp (85750 byte)

Lo schema sintetizza i vari meccanismi incrociati di regolazione:

della glicolisi,

dell'ossidazione del piruvato PYA,

del ciclo dell'acido citrico,

della fosforilazione ossidativa,

ad opera, in particolare, di ATP, ADP e citrato (CIA).

NADH e AcCoA (che è il prodotto dell'ossidazione), inibiscono l'ossidazione del PYA; la concentrazione di glucosio-6fosfato G6P autocontrolla la velocità della sua formazione da glucosio GLU.

Le strutture molecolari delle molecole sono divise in tre gruppi:

GLU_G6P_F6P_FDP_GP3== PG_2PG_PEP_PYA_CIA == OXA_MAA_FUA_SUA_CGA_ICA_CIA_PYA

 

 

 

 


ATP e regolazione della respirazione

Le concentrazioni relative di ATP e ADP controllano sia le velocità della glicolisi e della ossidazione del piruvato, sia la velocità del ciclo dell'acido citrico, del trasporto degli elettroni e della fosforilazione ossidativa.

Se c'è elevato consumo di ATP, con conseguente aumento di ADP e di Pi, le velocità del trasporto degli elettroni e della fosforilazione ossidativa aumentano automaticamente. Aumenta simultaneamente anche la velocità di ossidazione di PYA attraverso il ciclo dell'acido citrico e, perciò, anche il flusso di elettroni nella catena respiratoria.

Questi fenomeni a loro volta provocano un aumento delle velocità della glicolisi e della formazione di  PYA.

Quando il rapporto tra le concentrazioni di ATP e ADP torna al normale livello elevato, il trasporto degli elettroni e la fosforilazione ossidativa rallentano nuovamente, come pure il ciclo dell'acido citrico e la sequenza glicolitica, data l'azione inibitrice di ATP sulla glicolisi e sull'ossidazione di PYA.

Anche gli enzimi regolatori della glicolisi e del ciclo dell'acido citrico funzionano in modo integrato.

Ogni volta che ATP (prodotto dalla fosforilazione ossidativa) e citrato CIA (primo intermedio del ciclo dell'acido citrico), aumentano oltre i livelli normali, ha luogo una inibizione allosterica integrata della fosfofruttochinasi.

 

 

 

 

 


Catena di trasporto degli elettroni

La catena è costituita da una sequenza di molecole che trasferiscono elettroni da NADH e FADH2 all'ossigeno, con una ben precisa direzione_del_flusso_degli_elettroni.

Le molecole sono flavine (NAD, FAD), centri ferro-zolfo (Fe-S), ubichinone o coenzima Q, gruppi eme di citocromi, ioni rame, tutti associati a proteine.

I trasportatori formano quattro complessi_del_trasporto_degli_elettroni.

Gli elettroni derivano dall'azione di deidrogenasi che utilizzano come coenzimi NAD o FAD.

Gli elettroni vengono trasferiti da NADH a FMN (gruppo prostetico della NADH-ubichinone riduttasi); l'ubichinone Q si riduce a QH2.

Lo stesso avviene a causa della succinato-ubichinone riduttasi.

Gli elettroni passano poi da QH2 alla citocromo riduttasi (che contiene i citocromi b e c1); questa riduce il citocromo c, proteina periferica di membrana, solubile in acqua. Il citocromo c trasferisce elettroni alla citocromo ossidasi (che contiene citocromo a e a3  e due Cu++).

Fe del gruppo eme e un Cu++ trasferiscono quindi gli elettroni dall'ossidasi all'accettore finale, O2.

Il flusso di elettroni attraverso ognuno di questi complessi determina il trasferimento di protoni dal lato della matrice al lato citosolico della membrana mitocondriale interna.

 

 

 

 


Direzione del flusso degli elettroni

Nel diagramma è indicata l'energia libera di alcuni trasportatori di elettroni della catena respiratoria a partire dalla energia libera di NADH presa come zero e la direzione del flusso degli elettroni, sempre in discesa verso l'ossigeno.

In tre passaggi della catena si ha una diminuzione notevole di energia libera: è in queste fasi che viene fornita energia per la sintesi di ATP, che permette di conservarla.

E-FMN rappresenta la NADH deidrogenasi

Q rappresenta l'ubichinone

altri simboli corrispondono a diversi citocromi

enerele.bmp (105238 byte)

 

 

 

 

 

 


Complessi del trasporto degli elettroni

catrasp.bmp (87998 byte)

complesso I: NADH ubichinone riduttasi e i suoi centri Fe-S

complesso II: succinato deidrogenasi e i suoi centri Fe-S

complesso III: citocromi b e c1 e un centro specifico Fe-S.

complesso IV: citocromi a e a3 e due ioni Cu++

L'ubichinone Q è la molecola di connessione tra i complessi I, II, III, mentre il citocromo c connette i complessi III e IV.

 

 

 

 

 

 


Ubichinone, il coenzima Q

L'ubichinone nella sua forma ossidata Q, può passare alla forma ridotta mediante assorbimento di due protoni e di due elettroni.

 

Come in tutti i chinoni, la forma ossidata, a sinistra, mostra due gruppi chetonici =CO in posizione opposta; nella forma ridotta l'anello centrale assume carattere aromatico (come nel benzene) e porta, in posizione para, due gruppi ossidrile -OH.

ubiq.bmp (54654 byte)

 

 

 

 

 

 

 


Bilancio energetico della respirazione

L'ossidazione completa a CO2 e H2O del glucosio GLU porta alla sintesi di 38 ATP:

GLU + 38 Pi + 38 ADP + 6 O2 = 6 CO2 + 38 ATP + 6 H2O

La variazione di energia libera standard per l'ossidazione completa è DG= -680 kcal/mole.

Per generare una mole di ATP da ADP e Pi (fosfato inorganico) servono 7,3 kcal/mole.

Il recupero teorico di energia libera dall'ossidazione completa del GLU è quindi: 38 (7,3/680) (100) = 40%.

Nella cellula l'efficienza di questa conversione è probabilmente superiore al 70%, poiché le concentrazioni di GLU, Pi, ADP e ATP non sono eguali tra loro e comunque molto inferiori alla concentrazione 1 molare che si usa nei calcoli della energia libera standard: è un rendimento di gran lunga migliore di quello di qualunque motore termico, compresi i motori a scoppio.

Si ha liberazione di energia nelle varie fasi di ossidazione del glucosio, in particolare:

dalla glicolisi, dall'ossidazione del PYA e dal ciclo dell'acido citrico, dalla fosforilazione ossidativa.

 

 

 


Energia nelle varie fasi di ossidazione del glucosio

La glicolisi aerobia di GLU produce due molecole di acido piruvico PYA e 2 ATP:

GLU + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD+ = 2 PYA + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

Gli elettroni degli NADH prodotti giungono a O2 attraverso la catena di trasporto e si generano 6 ATP:

2 NADH + 2 H+ + 6 Pi + 6 ADP + O2 = 2 NAD+ + 6 ATP + 8 H2O

La decarbossilazione ossidativa di 2 PYA porta a 2 AcCoA, 2 CO2, il trasferimento di due coppie di elettroni ad O2 produce 6 ATP per ogni coppia di PYA:

2 PYA + 2 CoA + 6 Pi + 6 ADP + O2 = 2 AcCoA + 2 CO2 + 6 ATP + 8 H2O

L'ossidazione di 2 AcCoA a CO2 e H2O con ciclo dell'acido citrico e fosforilazione ossidativa dà altri 24 ATP:

2 AcCoA + 24 Pi + 24 ADP + 4 O2 = 2 CoA-SH + 4 CO2 + 24 ATP + 26 H2O

E' evidente che la resa in ATP delle fasi di ossidazione del glucosio è varia.

 

 

 

 

 


Resa in ATP delle fasi di ossidazione del glucosio

processo

sede del processo

reazioni

trasportatori

resa   in ATP

glicolisi

citoplasma

 

da GLU a 2 PYA

2 NADH

2 ATP

formazione AcCoA

matrice dei mitocondri

 

PYA + CoA = AcCoA + CO2

2 NADH

 

ciclo acido citrico

matrice dei mitocondri

da Ac a 2 CO2

6 NADH

2 FADH2

2 ATP

trasporto elettroni

membrana interna dei mitocondri

energia di NADH e FADH2 usata per creare il gradiente protonico e per la sintesi di ATP

 

 

34 ATP

 

 

 

 

 


Energia dalla glicolisi

Lo schema rappresenta i livelli di energia libera (espressi in kcal) delle molecole coinvolte nel processo.

Sono così evidenziate anche le variazioni di energia implicate nelle trasformazioni.

In violetto sono indicate entrate o uscite di energia.

Le strutture delle molecole coinvolte nel processo sono divise in due gruppi:

GLU G6P F6P FDP GP3 DHAP

DPGA_3PGA_2PGA_PEP_PYA

energlic.bmp (150190 byte)

 

 

 

 

 

 


GLU, G6P, F6P, FDP, GP3, DHAP

glu1.bmp (33418 byte)

G6P1.bmp (33138 byte)

F6P.bmp (37322 byte)

FDP.bmp (37322 byte)

GP3.bmp (25350 byte)DHAP.bmp (26534 byte)

 

 

 

 

 

 


DPGA, 3PGA, 2PGA, PEP, PYA

dpga.bmp (33058 byte)

3PGA.bmp (26662 byte)

2PGA.bmp (23478 byte)

PEP.bmp (18438 byte)

PYA.bmp (17318 byte)

 

 

 

 

 

 


Energia da ossidazione di PYA e dal ciclo dell'acido citrico

ENERRESP.bmp (126126 byte)

Nello schema è indicata l'energia libera (espressa in kcal) delle molecole coinvolte nell'ossidazione del piruvato e nel ciclo dell'acido citrico.

Sono perciò evidenziate anche le variazioni di energia implicate nei singoli stadi.

 

In violetto sono indicate le diverse uscite di energia.

 

Le strutture delle molecole coinvolte nei vari stadi del processo, escluso l'Acetil Coenzima A, AcCoA, sono rappresentate nella figura

OXA_MAA_FUA_SUA_CGA_ICA_CIA_PYA

 

 

 

 

 

 


Energia dalla fosforilazione ossidativa

Nello schema sono indicate le variazioni di energia libera (espressa in kcal) di alcuni trasportatori di elettroni, partendo da NADH.

Nei tre passaggi con diminuzione notevole di energia,

E-FMN ® Q

b ® c1

a ® O2

viene formato ATP, che permette di conservarla.

E-FMN rappresenta la NADH deidrogenasi,

Q l'ubichinone, gli altri sono citocromi diversi.

enerele.bmp (105238 byte)

 

 

 

 

 

 


Schema generale del metabolismo energetico

metabo.bmp (75814 byte)

Dei materiali utilizzati nel metabolismo, alcuni sono composti strutturali, presenti nelle membrane cellulari (proteine, polisaccaridi, fosfolipidi); altri fanno parte delle riserve energetiche (glicogeno e trigliceridi).

Le frecce bianche indicano i soli processi non reversibili.

 

 

 

 

 

 


Stadi della respirazione cellulare

starespi.bmp (75022 byte)

A livello delle cellule la respirazione avviene fondamentalmente in tre stadi:

il primo porta alla formazione dell'acetil Coenzima A partendo da amminoacidi, da piruvato (cioé da glucosio) e da acidi grassi;

il secondo stadio corrisponde al ciclo_dell’acido_citrico_o_di_Krebs;

il terzo, infine, corrisponde alla catena di trasporto di elettroni e alla fosforilazione_ossidativa.

 

 

 

 

 


Glicolisi

La glicolisi consiste in un gruppo di 10 reazioni catalizzate che convertono il glucosio, GLU, con 6 atomi di carbonio, in due molecole di piruvato, PYA, con 3 atomi di carbonio.

glu1.bmp (33418 byte)pya.bmp (17318 byte)

Tutte le reazioni della glicolisi hanno luogo nel citoplasma, ma si possono raggruppare in una prima_fase_della_glicolisi in cui il glucosio è demolito in due triosi GP3, e una seconda_fase_della_glicolisi in cui i triosi vengono ossidati producendo piruvato, PYA e ATP.

Il bilancio di energia nella glicolisi prevede una fase preparatoria in cui vengono impiegati 2 ATP per attivare il glucosio e prepararlo alla rottura.

Il guadagno energetico della glicolisi si ha nelle fasi successive: l'energia liberata dalla conversione di due molecole di gliceraldeide, GP3 a piruvato, PYA, viene accumulata in 4 ATP, con un guadagno netto di 2 ATP per ogni molecola di glucosio.

La sequenza è controllata da un meccanismo di regolazione_della_glicolisi.

GP3.bmp (25350 byte)

 

 

 

 

 

 

 


Prima fase della glicolisi

Il glucosio, GLU viene convertito in fruttosio 1,6 difosfato, FDP, mediante una fosforilazione (GLU ® G6P), una isomerizzazione (G6P ® F6P) e una seconda fosforilazione (F6P ® FDP).

In queste reazioni vengono consumate due molecole di ATP per ogni molecola di glucosio.

glu1.bmp (33418 byte)

G6P1.bmp (33138 byte)

F6P.bmp (37322 byte)

FDP.bmp (37322 byte)

 

 

 

 

 

 


Seconda fase della glicolisi

Nella seconda fase, il fruttosio 1,6 difosfato, FDP viene scisso dall'aldolasi in diidrossiacetone fosfato, DHAP e fosfogliceraldeide 3 fosfato, GP3, facilmente interconvertibili fra loro.

GP3 viene poi ossidata e fosforilata per dare 1,3 difosfoglicerato, DPGA, un acil-fosfato con potenziale di trasferimento del gruppo elettronico molto elevato; questo dà 3-fosfoglicerato, 3PGA e una molecola di ATP.

Infine si forma il fosfoenolpiruvato, PEP, per deidratazione e, mediante fosforilazione di un ADP ad ATP, si forma piruvato, PYA.

Nella formazione di due PYA da un GLU si ha perciò un guadagno netto di due molecole di ATP:

GLU + 2 ADP+ 2 Pi + 2 NADox = 2 PYA + 2 NADrd + 2 ATP

Le strutture delle molecole corrispondenti, nella figura: FDP_DHAP_DPGA_GP3_3PGA_PEP_PYA

Accettore di elettroni nell'ossidazione di GP3 è NAD+, poi rigenerato perchè la glicolisi possa procedere.

Negli organismi aerobi, NADH formato nella glicolisi trasferisce i suoi elettroni all'ossigeno attraverso la catena di trasporto degli elettroni, catena che rigenera NAD+.

In condizioni anaerobiche NAD+ viene rigenerato dalla riduzione del piruvato in lattato, LAA.

In alcuni microorganismi NAD+ viene ripristinato mediante sintesi di lattato o di etanolo, in processi_fermentativi.

 

 

 


FDP, DHAP, DPGA,

GP3,  3PGA, PEP, PYA

fdp.bmp (37322 byte)

dhap.bmp (26534 byte)

dpga.bmp (33058 byte)

 

gp3.bmp (25350 byte)

3PGA.bmp (26662 byte)

PEP.bmp (18438 byte)

PYA.bmp (17318 byte)

 

 

 

 

 

 


Processi fermentativi

Per fermentazione si intende la degradazione_anaerobica_del_glucosio.

In molti organismi che vivono in ambienti anaerobici l'ossidazione del glucosio, GLU è limitata alla prima fase, la glicolisi.

L'agente ossidante, NAD+, si riduce a NADH, ma la concentrazione di NAD+ nelle cellule è bassa ed è necessaria una reazione che lo rigeneri.

Se così non fosse, NAD+ passerebbe tutto alla forma ridotta (che non può funzionare da ossidante) e la glicolisi si fermerebbe.

Diversamente dagli organismi aerobi, gli anaerobi non possono rigenerare NAD+ riducendo l'ossigeno; possono però sfruttare una reazione in cui NADH riduce una molecola, per esempio l'acido piruvico, PYA.

Nella fermentazione lattica infatti l'acido piruvico, PYA viene ridotto ad l'acido lattico, LAA:

NADH + PYA = NAD+ + LAA

Analogamente, nella fermentazione alcolica, l'acido piruvico, PYA viene ridotto a etanolo, EtOH.

Le strutture delle molecole sono in figura: GLU_PYA_LAA_EtOH

Rispetto alla respirazione completa questi processi sono inefficienti poiché i prodotti, eliminati come scorie (LAA o EtOH), contengono ancora gran parte dell'energia presente nel glucosio (bilancio_energetico_della_fermentazione).

 

 

 

 

 


GLU, PYA, LAA, EtOH

glu1.bmp (33418 byte)

PYA.bmp (17318 byte)

laa.bmp (17318 byte)

etoh.bmp (15078 byte)

 

 

 

 

 

 


Bilancio energetico della fermentazione

La glicolisi rilascia solo una piccola parte dell'energia totale disponibile del glucosio, GLU.

Quando GLU viene completamente ossidato a CO2 e H2O, la variazione di energia libera standard è DG° = - 686 kcal/mole.

Nella fermentazione lattica:

GLU + 2Pi + ADP = 2 LAA + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2O

la variazione di energia libera standard è DG° = - 32,4 kcal/mole

Quindi la degradazione del glucosio, GLU ad acido lattico, LAA produce meno del 5% dell'energia totale che può essere liberata nell'ossidazione completa.

 

 

 

 


Degradazione anaerobica del glucosio

degrana.bmp (96342 byte)

Nella respirazione, che avviene in ambiente aerobico, NADH viene riossidato a NAD dalla catena respiratoria, con riduzione finale di O2 ad H2O.

Nella fermentazione, che avviene in ambiente anaerobico, NAD si rigenera da NADH direttamente a spese di PYA e con produzione di LAA, acido lattico, che viene eliminato come scoria, senza che venga totalmente sfruttata la sua energia.

Le strutture delle molecole sono in figura:

GLU_PYA_LAA_EtOH

Si può anche analizzare il ciclo di Krebs o dell'acido citrico.

 

 

 

 

 


Ciclo dell'acido citrico o di Krebs

Il ciclo dell'acido citrico o ciclo_di_krebs è la fase conclusiva dell'ossidazione delle molecole nutritive, fase che presuppone la loro preventiva degradazione, con la produzione di gruppi acetili dell'acetil-CoA.

Mentre le reazioni enzimatiche della glicolisi avvengono secondo una sequenza lineare, queste avvengono in maniera ciclica a causa della resistenza all'ossidazione del gruppo acetile.

Secondo il modello accettato, sono previste otto tappe_del_ciclo_dell’acido_citrico.

In ogni giro del ciclo si ha ossidazione di un gruppo acetile (che entra come acetil-CoA) a CO2; alla fine si ottiene una molecola di ossalacetato (OXA).

Nelle quattro reazioni di ossidoriduzione del ciclo 3 coppie di elettroni sono trasferite a NAD+ e una coppia a FAD. Questi trasportatori ridotti sono in seguito riossidati dalla catena di trasporto degli elettroni formando 11 molecole di ATP.

OXA.bmp (24694 byte)

Un altro legame ad alta energia si forma direttamente nel ciclo; in totale si formano quindi 12 legami fosforici ad alta energia. La velocità del ciclo dipende dalle esigenze energetiche (cioè di ATP) della cellula (regolazione_del_ciclo_dell’acido_citrico).

 

 

 

 


Produzione di gruppi acetili dell'acetil-CoA

II legame fra glicolisi e ciclo dell'acido citrico è la decarbossilazione ossidativa del piruvato per formare acetil-CoA.

Nei mitocondri, l'acido piruvico (PYA, a 3 atomi di C) viene "accorciato" ad acetile (a 2 atomi di C) attraverso reazioni successive che comprendono decarbossilazione e deidrogenazione:

CH3COCOOH = CH3CO- + 2e +2 H+ + CO2

Il gruppo acetile è trasferito ad un accettore, detto coenzima A, per produrre l'acetil-CoA, ad alta energia.

pya.bmp (17318 byte)

L'insieme delle reazioni di decarbossilazione ossidativa dell'acido piruvico forma come prodotto netto, acetil-CoA, NAD ridotto e CO2:

PYA + NADox + CoA = acetil-CoA + NADrd + CO2

 

 

 

 


Tappe del ciclo dell'acido citrico

Il ciclo inizia con la condensazione dell'ossalacetato (OXA) con l'acetil-CoA per formare citrato (CIA), poi isomerizzato ad isocitrato (ICA). Questo, per decarbossilazione, produce alfa-chetoglutarato (CGA)

oxa.bmp (24694 byte)

cia.bmp (24514 byte)

ica.bmp (24514 byte)

cga.bmp (34342 byte)

 

sua.bmp (22406 byte)

FUA.bmp (20102 byte)

maa.bmp (18790 byte)

La seconda molecola di CO2 viene liberata nella reazione successiva in cui l'alfa-chetoglutarato viene decarbossilato ossidativamente a succinato (SUA).

Il succinato è ossidato poi a fumarato (FUA) e quindi idratato a malato (MAA).

Infine il malato viene ossidato per rigenerare l'ossalacetato (OXA).

 

 

 

 

 

 

 


Resistenza all'ossidazione del gruppo acetile

Per ossidare l'acetato direttamente a due molecole di anidride carbonica sono necessarie condizioni abbastanza drastiche, incompatibili con l'ambiente cellulare.

Le cellule hanno "inventato", durante l'evoluzione, una via facile, ma tortuosa, per ossidare l'acido acetico, una via che ha una energia di attivazione più bassa: le cellule hanno imparato a combinare l'acido acetico con un'altra molecola, l'ossalacetato (OXA), per dare un prodotto, il citrato (CIA), molto più facile da ossidare dell'acetato stesso.

oxa.bmp (24694 byte)

cia.bmp (24514 byte)

 

 

 

 

 


Ciclo di Krebs

KREBS.bmp (113254 byte)

Il ciclo è piuttosto complesso e comporta una lunga serie di processi biochimici, catalizzati da molti enzimi.

Le molecole che individuano le varie fasi del ciclo sono indicate con una sigla che le caratterizza.

E' possibile vedere, tutte assieme e in sequenza, le formule di struttura delle molecole che partecipano al ciclo di Krebs per comprendere quali tipi di reazioni avvengano di volta in volta.

 

 

 

 

 


Formule di struttura delle molecole che partecipano al ciclo di Krebs

Ricordando comunque che si tratta di un "ciclo", possiamo considerare di partire da (OXA):

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cia.bmp (24514 byte)

CAA.bmp (26418 byte)

ica.bmp (24514 byte)

cga.bmp (34342 byte)

sua.bmp (22406 byte)

FUA.bmp (20102 byte)

maa.bmp (18790 byte)

Da (MAA) il ciclo ricomincia poiché si rigenera (OXA).

 


Regolazione del ciclo dell'acido citrico

ATP, NADH, AcCoA e Ca++ controllano la velocità di formazione di AcCoA dal piruvato.

La velocità del ciclo dell'acido citrico è regolata invece dalla concentrazione di ossalacetato (OXA), dall'attività della citrato sintetasi e della isocitrato deidrogenasi.

Si possono vedere le strutture molecolari dei componenti del ciclo dell'acido citrico.

REGOCITR.bmp (54206 byte)

 

 

 


Fosforilazione ossidativa

La fosforilazione ossidativa è un esempio di un tema fondamentale nella bioenergetica: la trasmissione di energia libera mediante gradiente di protoni.

Nella fosforilazione ossidativa la sintesi dell'ATP è accoppiata al flusso di elettroni da NADH e da FADH2 all'ossigeno mediante un gradiente di protoni che si instaura tra le due facce della membrana interna dei mitocondri.

Il flusso di elettroni attraverso tre complessi transmembrana orientati asimmetricamente determina il trasferimento di protoni al di fuori della matrice, generando un potenziale di membrana: l'ATP viene sintetizzato quando i protoni ritornano nella matrice mitocondriale attraverso un canale apposito del complesso ATP sintetasi.

I trasportatori di elettroni delle strutture respiratorie della membrana mitocondriale interna sono flavine, centri ferro-zolfo, chinasi, gruppi eme di citocromi e ioni rame.

Il meccanismo della fosforilazione ossidativa è piuttosto complesso.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Meccanismo della fosforilazione ossidativa

Gli elettroni vengono trasferiti da NADH a FMN (gruppo prostetico della NADH-Q reduttasi e primo dei tre complessi) che contiene anche centri Fe-S.

Gli elettroni convertono il coenzima Q alla forma ridotta QH2, un trasportatore idrofobico mobile che trasferisce gli elettroni alla citocromo riduttasi, un complesso che contiene i citocromi b e c1, oltre a un centro Fe-S. Questo riduce il citocromo c, una proteina periferica di membrana solubile in acqua.

Il citocromo c, come il coenzima Q, è un trasportatore di elettroni che esso trasferisce alla citocromo ossidasi.

Questo terzo complesso contiene citocromo a1-a3 oltre a due Cu++.

Fe del gruppo eme e un Cu++ trasferiscono elettroni dall'ossidasi all'accettore finale, O2.

Il flusso globale di elettroni comporta il trasferimento di H+ dal lato della matrice al lato citosolico della membrana mitocondriale interna. Si genera così una forza motrice protonica formata da un gradiente di pH (il lato citosolico è più acido) e da un potenziale di membrana (il lato citosolico è positivo).

Il flusso inverso di H+ attraverso l'ATPsintetasi  favorisce la produzione di ATP.

 

 

 

 

 


Struttura dell'ATPsintetasi

sintatp2.bmp (49626 byte)

E' chiamata anche F0F1ATPasi poiché è costituita dall'unità F0, canale dei protoni, e dall'unità F1, che catalizza la sintesi di ATP.

F1 è costituita da 5 tipi diversi di catene polipeptidiche, mentre F0 è un segmento idrofobico che attraversa la membrana mitocondriale interna ed è costituito da 4 tipi di catene polipeptidiche.

A sua volta lo stelo che congiunge le due unità è formato da diverse proteine.

ATPsintetasi è visibile, al microscopio elettronico, come un rilievo di diametro 8,5 nm sulla superficie della membrana.

Il flusso di protoni, energizzato attraverso F0, viene incanalato da F1 dove, rimuovendo un O dall'ortofosfato, promuove il rilascio di ATP legato all'enzima.

La funzione del gradiente protonico non è di formare ATP, ma di favorirne il distacco dall'enzima: infatti ATP si forma anche in assenza di gradiente protonico, ma resta, in tal caso, legato all'enzima.

 

 

 

 

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