Metabolismo cellulare: NADH, glicolisi, respirazione

ATP: La "Moneta Energetica" Cellulare

• L'ATP (adenosintrifosfato) è la principale molecola energetica delle cellule.
• L'energia rilasciata dalla demolizione di biomolecole è utilizzata per sintetizzare ATP.
• L'ATP alimenta le reazioni cellulari che richiedono energia.
• L'ATP è composto da adenina, ribosio e tre gruppi fosfato.
• L'idrolisi dell'ATP (rimozione di un gruppo fosfato) rilascia energia, trasformandolo in ADP (adenosindifosfato) e fosfato inorganico.
• L'energia rilasciata è sufficiente per la maggior parte delle reazioni cellulari.
• L'ATP può essere rapidamente risintetizzato da ADP e fosfato inorganico utilizzando l'energia del metabolismo.
• Gli organismi autotrofi (piante) producono glucosio mediante fotosintesi.
• Gli organismi eterotrofi (animali e funghi) ottengono glucosio dai nutrienti alimentari.
• Il ciclo di sintesi e idrolisi dell'ATP garantisce un costante rifornimento energetico.
• Ogni cellula consuma milioni di molecole di ATP al secondo.
• Un essere umano a riposo produce e consuma circa 40 kg di ATP al giorno.

Enzimi: Catalizzatori Biologici

• Gli enzimi sono proteine che agiscono come catalizzatori biologici.
• Accelerano le reazioni biochimiche senza essere consumate nel processo.
• Le reazioni cellulari sarebbero troppo lente per sostenere la vita senza gli enzimi.
• Gli enzimi riconoscono substrati specifici.
• I substrati si legano al sito attivo dell'enzima, formando un complesso enzima-substrato.
• La reazione produce il prodotto finale, e l'enzima torna alla sua forma iniziale.
• La specificità degli enzimi dipende dalla struttura tridimensionale del sito attivo (simile a una chiave nella serratura).
• Gli enzimi sono spesso denominati dal substrato su cui agiscono, terminando con "-asi".
• Alcuni enzimi necessitano di coenzimi o cofattori per funzionare correttamente.

Reazioni Redox

• Le reazioni redox (ossidoriduzione) sono fondamentali nei processi biologici.
• Permettono il trasferimento di elettroni tra molecole.
• Riduzione: acquisizione di elettroni o atomi di idrogeno.
• Ossidazione: perdita di elettroni o atomi di idrogeno.
• Riduzione e ossidazione avvengono sempre insieme.
• La molecola che si riduce è l'agente ossidante, mentre quella che si ossida è l'agente riducente.
• Nelle cellule, molte reazioni redox liberano energia immagazzinata nei legami chimici.
• Le reazioni redox sono spesso catalizzate da enzimi in collaborazione con coenzimi come il NAD (nicotinammide adenin dinucleotide).
• NAD⁺ (ossidato); NADH + H⁺ (ridotto).
• Gli enzimi deidrogenasi caricano il NAD⁺ con elettroni, trasformandolo in NADH + H⁺.
• Il NADH + H⁺ trasporta elettroni a altre vie metaboliche, liberando energia per la sintesi di ATP.

Metabolismo Cellulare

• Il metabolismo cellulare comprende tutte le reazioni chimiche che avvengono nelle cellule.
• È diviso in reazioni anaboliche e cataboliche.
• Reazioni anaboliche: costruiscono molecole complesse da molecole più semplici (es. sintesi di proteine, acidi nucleici).
• Reazioni cataboliche: demoliscono molecole complesse in molecole più semplici (es. digestione).
• Anabolismo e catabolismo sono interconnessi, alimentandosi a vicenda.
• Il metabolismo richiede energia esterna, solitamente ottenuta dall'alimentazione.
• Le vie metaboliche sono serie di reazioni sequenziali catalizzate da enzimi specifici.
• Sono simili in tutti gli organismi e sono controllate nel loro operare.
• Negli eucarioti, le vie metaboliche sono organizzate in compartimenti specifici.

Metabolismo del Glucosio

• Il metabolismo del glucosio libera energia attraverso processi cellulari fondamentali.
• La sua ossidazione completa produce anidride carbonica, acqua ed energia.
• Questa energia viene usata per sintetizzare ATP.
• Tre vie principali di metabolismo del glucosio:
  • Glicolisi
  • Fermentazione
  • Respirazione cellulare

Glicolisi

• Avviene nel citoplasma di tutte le cellule.
• Scissione e ossidazione di una molecola di glucosio in due molecole di piruvato.
• Produzione di una piccola quantità di energia (2 ATP).
• Trasporta alcuni atomi di idrogeno al NAD, riducendolo a NADH.
• Due fasi: investimento energetico (usa 2 ATP) e rendimento energetico (produce 4 ATP e 2 NADH).
• Il NAD deve essere rigenerato per continuare la glicolisi, attraverso respirazione cellulare o fermentazione.

Respirazione Cellulare

• Processo attraverso cui il piruvato e il NADH vengono demoliti completamente per estrarre energia.
• Avviene nei mitocondri delle cellule eucariote.
• Produzione di fino a 36 molecole di ATP per molecola di glucosio.
• Tre fasi principali della respirazione cellulare:
  • Fase preparatoria (conversione di piruvato in acetil-CoA)
  • Ciclo di Krebs
  • Fosforilazione ossidativa

Fase Preparatoria

• Trasformazione di piruvato (3 atomi di carbonio) in acetil-CoA (2 atomi di carbonio).
• Rilascio di una molecola di CO₂ e produzione di una molecola di NADH per ogni piruvato.
• Catalizzato dall'enzima piruvato deidrogenasi.

Ciclo di Krebs

• Avviene nella matrice mitocondriale.
• Completamento dell'ossidazione del glucosio.
• L'acetil-CoA viene demolito in CO₂, liberando energia.
• Per ogni acetil-CoA, il ciclo produce 2 CO₂, 1 ATP, 3 NADH e 1 FADH₂.
• Il ciclo si ripete due volte per ogni molecola di glucosio.

Fosforilazione Ossidativa

• Fase finale della respirazione cellulare.
• Trasferimento di elettroni da NADH e FADH₂ alla catena di trasporto degli elettroni, nella membrana interna del mitocondrio.
• Gli elettroni percorrono la catena, producendo un gradiente elettrochimico di ioni H⁺.
• Gli H⁺ rientrano nella matrice attraverso l'ATP-sintasi, producendo ATP.
• Per ogni NADH ossidato si producono circa 3 ATP; per ogni FADH₂ circa 2 ATP.

Fermentazione

• Avviene in assenza di ossigeno.
• Permette di rigenerare NAD⁺ per mantenere attiva la glicolisi.
• Due tipi principali:
  • Fermentazione lattica
  • Fermentazione alcolica

Fermentazione Lattica

• Conversione di piruvato in acido lattico.
• Recupero di NAD⁺.
• Utilizzata in alcuni procarioti e nelle cellule muscolari durante l'attività fisica intensa.

Fermentazione Alcolica

• Conversione di piruvato in alcol etilico e CO₂.
• Recupero di NAD⁺.
• Utilizzata in lieviti e alcune cellule vegetali.

Bilancio Energetico

• Fermentazione: 2 ATP per molecola di glucosio.
• Respirazione cellulare: 36-38 ATP per molecola di glucosio

Trasporto attraverso la Membrana Cellulare

• Essenziale per l'omeostasi cellulare.
• Due categorie principali: trasporto passivo e trasporto attivo.
• Trasporto Passivo:
  • Diffusione semplice
  • Diffusione facilitata
  • Osmosi
• Trasporto Attivo:
  • Trasporto attivo primario
  • Trasporto attivo secondario (co-trasporto)
• Trasporto Mediato da Vescicole:
  • Endocitosi (fagocitosi, pinocitosi, endocitosi mediata da recettori)
  • Esocitosi

Verifica la tua conoscenza del metabolismo cellulare, inclusi il ruolo del NADH + H⁺, la glicolisi e la respirazione. Esplora le reazioni anaboliche, la trasformazione del piruvato e la produzione di ATP nelle cellule.