Metabolismo e Mitocondri

• Il metabolismo è l'insieme delle reazioni che degradano molecole organiche per produrre ATP.
• Il processo può avvenire in fase aerobia (nei mitocondri) o anaerobia (nel citoplasma).

Mitocondri

• Sono organuli plastici e dinamici, presenti in numero variabile (1000-2000 per cellula, fino a 30.000 negli ovociti).
• Hanno alto contenuto lipidico ed elevata permeabilità.
• Presentano creste di forma lamellare o tubulare e contengono enzimi per i processi proteici, come l'ATP sintetasi.
• Le dimensioni variano da 1 a 6 micron.

Teoria Endosimbiotica

• I mitocondri derivano dalla fusione di batteri aerobi con cellule anaerobiche.
• Il genoma mitocondriale è di origine batterica (DNA circolare, simile ai plasmidi).
• I mitocondri sintetizzano proteine (tRNA, rRNA).

Glucosio

• Il glucosio (C6H12O6) è uno zucchero esoso di forma circolare, una molecola ossidabile che cede elettroni (e-).
• Quando il glucosio si ossida, cede elettroni ad un'altra molecola che si riduce. Questo è il trasferimento di elettroni.
• Il glucosio cede elettroni all'ossigeno (O2) nella reazione semplificata: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + ε (energia).
• In realtà, il processo non avviene direttamente ma tramite reazione di reazioni in cui energia viene rilasciata poco alla volta.
• Nelle piante avviene una reazione inversa per la fotosintesi.
• L'energia solare viene convertita in energia chimica.
• L'ATP (adenosina trifosfato) è un nucleotide composto da adenina, ribosio (zucchero) e tre gruppi fosfato.
• Contiene energia chimica ("carburante cellula").
• L'idrolisi dell'ATP rompe un legame fosfato liberando energia e formando ADP (adenosina difosfato).
• La risintesi di ATP avviene grazie ai mitocondri, a partire da ADP.

Respirazione Cellulare

• È un processo che include la glicolisi, la decarbossilazione ossidativa e il ciclo di Krebs.
• In presenza di ossigeno (O2), si ha la respirazione cellulare.
• In assenza di ossigeno, avviene la fermentazione (piruvato → etanolo/acido lattico).
• La catena di trasporto degli elettroni (catena respiratoria) e la fosforilazione ossidativa sono altri processi.

Glicolisi

• È la prima fase della respirazione cellulare.
• È un'ossidazione parziale del glucosio che avviene nel citosol ed è anaerobica.
• Il NAD+ è un accettore di elettroni: NAD+ + 2e- + 2H+ → NADH + H+.
• La glicolisi richiede un investimento iniziale di 2 ATP.
• Produce 4 ATP e 2 NADH, con un guadagno netto di 2 ATP e 2 NADH.
• Il prodotto finale è 2 molecole di acido piruvico.

Ossidazione del Piruvato e Ciclo di Krebs

• L'ossidazione del piruvato e del NADH continua nei mitocondri.
• Il piruvato entra nel mitocondrio tramite trasportatori specifici.
• Decarbossilazione del piruvato forma acetato e produce CO2.
• Riduzione del NAD+ a NADH.
• L'acetil coenzima A è una molecola di "convergenza" di diverse vie metaboliche.
• La resa è di 2 CO2 e 2 NADH (dagli acetati).

Ciclo di Krebs

• L'acetile entra nel ciclo legandosi all'ossalacetato per formare citrato (6C).
• L'aconitasi sposta il gruppo OH dal citrato da C3 a C2.
• Si forma 1 NADH.
• Avvengono due decarbossilazioni, producendo 2 NADH.
• Si sintetizza una molecola di ATP a partire da GTP.
• Si sintetizza 1 FADH2.
• La fumarasi catalizza una reazione di idratazione del fumarato a malato.
• Si forma 1 NADH e si riforma l'ossalacetato.
• La resa totale del ciclo di Krebs è 6 NADH, 2 FADH2 e 2 ATP (moltiplicato per due perché la glicolisi produce due piruvati).

Fermentazione

• La fermentazione è un processo che rigenera NAD+ nel citoplasma, ma non produce energia (E).
• Il piruvato viene convertito in lattato o etanolo.
• Tipi di fermentazione: lattica (nei muscoli e nello yogurt) e alcolica (nelle cellule vegetali e lievito).

Catena Respiratoria

• La riossidazione di NADH e FADH2 avviene tramite reazioni redox, in cui gli elettroni (e-) vengono trasferiti attraverso complessi posizionati nelle creste mitocondriali.
• Complesso I: NADH deidrogenasi
• Complesso II: Succinato deidrogenasi (FADH2)
• Complesso III: Citocromo c reduttasi
• Complesso IV: Citocromo c ossidasi
• L'ubichinone e il citocromo c trasportano elettroni tra i complessi.
• Il pompaggio di protoni (H+) verso l'esterno genera un gradiente elettrochimico (differente concentrazione di H+ tra le camere mitocondriali).
• La differenza di concentrazione di H+ genera un squilibrio di cariche e una differenza di potenziale (ΔV).
• Questo gradiente è la forza motrice per la sintesi di ATP, secondo la teoria chemiosmotica.
• Gli enzimi della catena respiratoria portano gli H+ da NADH e FADH2 nella camera esterna.

ATP Sintetasi

• L'ATP sintetasi è un enzima azionato dal flusso di protoni.
• Gli ioni H+ fluiscono secondo il gradiente di concentrazione e innescano la rotazione di un rotore, che a sua volta attiva i siti catalitici per la sintesi di ATP.
• ADP + P → ATP

Resa Energetica Totale

• La resa complessa della respirazione cellulare è:
  • 1 NADH = 2,5 ATP
  • 1 FADH2 = 1,5 ATP
• Glicolisi: 2 NADH, 2 ATP
• Decarbossilazione ossidativa: 2 NADH
• Ciclo di Krebs: 6 NADH, 2 FADH2, 2 ATP
• Totale: Circa 32 ATP

Il metabolismo è l'insieme delle reazioni che degradano le molecole organiche per produrre ATP. I mitocondri sono organelli dinamici con enzimi per i processi proteici, derivati dalla fusione di batteri aerobi con cellule anaerobiche. Il glucosio è uno zucchero esoso che cede elettroni durante l'ossidazione.