Biologia Bis 3 - Recettori accoppiati ad enzimi e Bioenergetica PDF

Recettori accoppiati ad enzimi→ si tratta di recettori transmembrana, presentano il dominio extracellulare (una delle tre porzioni dei recettori, che lega una molecola segnale chiamata ligando). I recettori accoppiati ad enzimi sono recettori che sul versante extracellulare possono legar...

Recettori accoppiati ad enzimi→ si tratta di recettori transmembrana, presentano il dominio extracellulare (una delle tre porzioni dei recettori, che lega una molecola segnale chiamata ligando). I recettori accoppiati ad enzimi sono recettori che sul versante extracellulare possono legarsi a 2 ligandi, ecco perché si chiamano dimeri, perché formati da 2 subunità. Il recettore dimerizza quando lega il ligando. La caratteristica dei recettori accoppiati ad enzimi sta nel fatto che il dominio intracellulare del recettore presenta attività enzimatica, funge quindi da enzima. Il dominio enzimatico è formato da tanti residui (8 nello specifico) dell’amminoacido tirosina. Quindi il dominio extracellulare lega il ligando, quando il ligando si lega, il recettore dimerizza. Quando avviene ciò, il dominio enzimatico, formato da 8 residui dell’amminoacido tirosina, viene attivato. Ciò perché il dominio enzimatico generalmente non è in grado di funzionare, quando il recettore dimerizza, 8 molecole di ATP vanno a fosforilare i residui di tirosina, ci attaccano tutti i gruppi fosfato. Così l’enzima è attivo e può catalizzare una reazione chimica. Gli enzimi hanno un nome, cioè le proteinchinasi, sono attive e possono catalizzare una reazione chimica. Il dominio enzimatico, quindi, è detto dominio proteinchinasico. Qual è la reazione chimica che gli enzimi devono catalizzare? Nelle cellule ci sono gli enzimi chinasi, che si occupano delle reazioni di fosforilazione (l’ATP dà un gruppo fosfato ad un substrato). Il dominino proteinchinasico è attivo e attiva un’altra proteinchinasi, la proteinchinasi 1. Questa proteina è presente nel citoplasma delle cellule, ma nella forma inattiva. Quando il recettore dimerizza, si attiva il dominio proteinchinasico e questo stesso enzima catalizza la reazione di fosforilazione della proteinchinasi 1, trasformandola in proteinchinasi 1 attiva (l’attivazione, quindi, dipende dall’ATP che trasferisce un gruppo fosfato). A sua volta, la proteinchinasi 1 va ad attivare un altro enzima, proteinchinasi 2, che si trova in uno stato inattivo, mediante la fosforilazione, l’ATP cede un gruppo fosfato e l’enzima si attiva→ Si attiva un meccanismo di trasduzione del segnale, che non è altro che una serie di processi di fosforilazione che avvengono nel citoplasma della cellula. Ricapitolando: il legame del ligando con il recettore induce la dimerizzazione, il dominio enzimatico del recettore viene fosforilato. La fosforilazione comporta l’attivazione del dominio enzimatico del recettore. A sua volta l’enzima attiva una cascata di fosforilazione che comporta l’attivazione di una serie di enzimi chiamate sempre proteinchinasi. Nel primo step il dominio enzimatico attiva la proteinchinasi 1, attraverso una reazione che prevede il consumo di ATP: l’adenosina trifosfato cede un gruppo fosfato, lo attacca alla proteinchinasi, 1 attivandola. A sua volta, la proteinchinasi 1 attiva si attacca ad un altro enzima, cioè la proteinchinasi 2, attivata sempre dalla fosforilazione (catalizzata dall’enzima attivo). Il processo continua finché non si ottiene una risposta cellulare, sono presenti dei secondi messaggeri, che possono attivare dei geni, vengono prodotte così proteine che dipendono dal tipo di molecola segnale che si è legata al recettore. Da una molecola segnale che si lega al recettore avviene l’attivazione di tantissimi enzimi, quindi, il meccanismo di trasduzione del segnale, porta ad un’amplificazione del segnale all’interno della cellula. Il ligando, che si lega al recettore non entrando però nella cellula, è un primo messaggero, che innescherà l’attivazione della trasduzione del segnale, che a sua volta provoca la produzione di secondi messaggeri, i quali daranno la risposta biologica.  Esempi di secondi messaggeri: l’AMP ciclico, che si forma grazie all’ATP che si serve dell’enzima adenilato ciclasi, per catalizzare la reazione che porta alla sua formazione. L’adenilato ciclasi è un enzima di membrana (che viene attivato dalla proteina G), per cui quando è attivo produce AMP ciclico a partire da ATP. Gli ioni. Siccome nella cellula avviene l’amplificazione della trasduzione del segnale, ci saranno tantissimi secondi messaggeri (AMP ciclico). Per cui, quando c’è la risposta della cellula, per cui il processo di traduzione giunge al termine, avviene la degradazione dei secondi messaggeri. Questa degradazione comporta la fosfodiesterasi, che trasforma l’AMP ciclico in AMP (adenosina monofosfato), interrompendo così la segnalazione cellulare. Le molecole idrofile e le idrofobiche o I recettori si trovano sulla membrana della cellula, ma non è sempre così, perché alcune molecole (cioè quelle che riescono a passare lo strato fosfolipidico) lipofile, le più piccole, si legano a recettori intracellulare, come recettori localizzati sulla membrana nucleare o nel citoplasma. Le molecole in questioni sono ormoni steroidei e tiroidei, che per quanto riguarda la tirosina si legano a recettori nucleari. o Le molecole più grandi interagiscono con i recettori di superficie, presenti sulla membrana plasmatica. Le proteine Scaffold Come fanno gli enzimi a far avvenire la reazione velocemente? Ci sono proteine di impalcatura (o scaffold) nel citoplasma, importanti perché legano le singole chinasi e si aumenta così la possibilità che possano interagire tra di loro velocemente. Si fa in modo che siano ravvicinate e che non si disperdano nel citoplasma della cellula, cosicché la reazione avviene velocemente. In questo modo le probabilità che tali enzimi vengano reclutati in altre vie sono ridotte. Viene assicurata in questo modo una trasduzione del segnale accurata, rapida ed efficace. La risposta del segnale e la terminazione Nella trasduzione del segnale si parla di amplificazione del segnale: da un solo ligando che si è legato ad un recettore si arriva alla produzione di tanti secondi messaggeri che attivano tanti enzimi presenti all’interno della cellula. Quando la cellula risponde, c’è la terminazione della segnalazione. Innanzitutto, i secondi messaggeri sono degradati, gli enzimi attivati vengono inattivati (le proteinchinasi tornano nella forma inattiva). Chiaramente in questo caso si riduce il numero di recettori per la molecola segnale→down regoulation recettoriale  LA BIOENERGETICA Atp, prodotto nei mitocondri attraverso la respirazione cellulare. L’energia viene definita come la capacità di un corpo di compiere un lavoro. Si può esprimere in unità di lavoro (kilojoule) o in unità di energia termica (kilocalorie). L’energia termica è la quantità di calore trasferita da un corpo a temperatura più alta ad un corpo a temperatura più bassa. Nelle cellule non ci può essere trasferimento di calore perché sono troppo piccole per avere temperature diverse, per cui si usa l’unità di lavoro, cioè il kilojoule. C’è costantemente una conversione di energia da una forma all’altra, le cellule immagazzinano energia sotto forma di ATP, quando devono compiere il lavoro trasformano l’energia immagazzinata (energia potenziale) in energia di movimento (energia cinetica). L’energia chimica è un’energia potenziale perché è un’energia immagazzinata all’interno dell’ATP, all’interno dei suoi legami. Si effettua una conversione tra energia potenziale e cinetica, perché quando si compie un lavoro si utilizza la cinetica, cioè un’energia di movimento. Quando si parla di energia si fa riferimento alla termodinamica, cioè lo studio dell’energia e delle sue trasformazioni. Un sistema aperto scambia energia con l’ambiente esterno (ad esempio gli organismi viventi). Un sistema chiuso non scambia energia con l’ambiente esterno. Ci sono 3 principi della termodinamica: o Primo principio della termodinamica→principio di conservazione di energia→l’energia non può essere né creata né distrutta e può passare da una forma all’altra. Ad esempio, le foglie usano energia per produrre atp. Noi abbiamo energia grazie al glucosio, non la creiamo l’energia ma si trasforma. o Secondo principio della termodinamica→Entropia (il disordine) dell’universo è in aumento→ trasformando l’energia da una forma all’altra, si perde una parte di energia, che si trova sottoforma di calore. Che caratteristiche ha il calore? Nel calore le particelle si muovono così velocemente che non riescono a creare legami. Il calore è una forma di energia non utilizzabile, quindi viene persa. La prima e la seconda legge sono in accordo, l’energia totale non cambia, ma cambia la quantità di energia utilizzabile. o Terzo principio della termodinamica→ esprime questi concetti nei parametri della temperatura, ma non può essere applicato ai sistemi biologici. L’entropia è indicata con la lettera S e fa riferimento al disordine del sistema, energia persa in calore e non utilizzabile perché troppo disordinata. Energia e metabolismo Nelle cellule avvengono tante reazioni chimiche, che possono essere raggruppate sottoforma di metabolismo. Metabolismo=reazioni chimiche che avvengono all’interno delle cellule. Reazioni che servono per crescere, per riprodursi, per rispondere agli stimoli. Affinché una cellula possa sopravvivere e svolgere le sue attività le reazioni metaboliche sono necessarie. Le reazioni metaboliche si suddividono in: o Reazioni anaboliche→richiedono energia sottoforma di ATP. Molecole complesse vengono sintetizzate a partire da molecole più semplici. Ad esempio: -Amminoacidi legati da legami peptidici così si forma la proteina. Quando si forma il legame peptidico, si forma poi la catena polipeptidica, cioè una molecola complessa (che si forma da una molecola più semplice, cioè gli amminoacidi che formano il legame peptidico). Per formare il legame peptidico la cellula consuma energia, contenuta nei legami chimici dell’ATP. -Anche nei nucleotidi succede la stessa cosa, vengono uniti formando così il legame fosfodiesterico, per la formazione del quale la cellula fornisce ATP. Si forma così una molecola complessa. o Reazioni cataboliche→rilasciano energia. Scissione di molecole grandi in componenti più piccoli con rilascio energetico La cellula per degradare la molecola complessa deve rompere i legami peptidici→si libera energia Le reazioni anaboliche e cataboliche avvengono contemporaneamente nella cellula. Energia e metabolismo S= entropia, energia non utilizzabile H= entalpia, energia totale del sistema o H= G+ (T x S) →la T è la temperatura, non ci interessa nella cellula, quindi, si cancella→ H= G+ S →G è l’energia libera di Gibson, cioè l’energia utilizzabile per compiere lavoro cellulare→energia totale uguale all’energia che non si può usare più quella che si può usare. o G= H-S→energia utilizzabile Quando si parla delle reazioni biologiche bisogna inserire il Δ, che indica la variazione o ΔG=ΔH-ΔS→ la variazione dell’energia libera di Gibson è uguale alla differenza tra la variazione di energia totale e la variazione di energia non utilizzabile Le reazioni possono essere classificate in: o Reazioni esoergoniche→reazioni cataboliche→reazioni che rilasciano energia, i reagenti presentano un valore di energia libera più alto rispetto ai prodotti. Man mano che i reagenti si trasformano in prodotti, il valore di G (energia libera) diminuisce. Il valore del ΔG è negativo, proprio perché diminuisce. o Reazioni endoergoniche →reazioni anaboliche→reazioni che acquisiscono energia. L’energia libera dei prodotti è maggiore di quella dei reagenti. Man mano che i reagenti si trasformano in prodotti il valore di G (energia libera) aumenta. Il valore di ΔG è positivo, proprio perché aumenta. Struttura dell’ATP L’ATP è un nucleotide, che insieme al CPT (citosina trifosfato, un altro nucleotide), forniscono energia alla cellula. Struttura chimica: - ribosio (zucchero a 5 atomi di carbonio) - base azotata adenina - 3 gruppi fosfato Lo zucchero a 5 atomi di carbonio, il ribosio (RNA), da un lato si lega alla base azotata adenina, dall’altro lega 3 gruppi fosfato. Si tratta di legami ad alto contenuto energetico (ecco perché presentano la forma ondulata). Quando l’atp deve fornire energia per le reazioni, viene idrolizzato il legame fosfato-fosfato, per formare adenosina difosfato (ci sono solo due gruppi fosfato). Con il gruppo fosfato che è stato staccato o si si attacca alla proteina (pompa ione-potassio) oppure resta un fosfato libero nel citoplasma della cellula. ATP = adenisina difosfato + un fosfato inorganico Reazioni redox Reazioni in cui c’è il trasferimento di energia da una forma all’altra sottoforma di elettroni, un composto cede elettroni (basso contenuto energetico dato che li cede) ad un altro composto, che si prende quegli elettroni (composto ad alto contenuto energetico). Si chiamano anche reazioni di ossidoriduzione→la specie che perde gli elettroni si ossida, la specie che acquista elettroni si riduce. C’è quindi una specie ridotta, che lega due elettroni, essa reagisce con una specie ossidata, che non lega elettroni→ nella reazione redox un composto ridotto reagisce con composto ossidato. Quando accade questa reazione c’è un passaggio di elettroni, che passano dal ridotto all’ossidato, per cui l’ossidato diventa ridotto, e il ridotto ossidato. I trasportatori di elettroni Nella respirazione cellulare avvengono tante reazioni redox. Ci sono composti che chiameremo trasportatori di elettroni, molecole biologiche che possono passare alternativamente dallo stato ossidato a quello ridotto e viceversa. o NAD+ =nicotinammide adenina dinucleotide o FAD= flavina adenina dinucleotide o NADP+= nicotinammide adenina dinucleotide fosfato o Citocromi= PT che contengono Fe come accettore di elettroni Quando si trovano scritti così vuol dire che si trovano nella forma ossidata, per cui possono prendere elettroni e trasformarsi nella forma ridotta. Forme ridotte: o NAD+ → NADH →un H finale perché c’è un solo legame da tamponare o FAD→ FADH2→ due H finali perché ci sono 2 legami da tamponare o Citocromi→ Ma perché si parla di H? perché nella cellula gli elettroni non si spostano da soli, ma con i protoni, ioni H+. Siccome si passa alternativamente da forma ridotta a forma ossidata, quando una forma diventa ridotta (da ossidata) può tornare ossidata. Gli enzimi La maggior parte degli enzimi sono proteine, anche se ci sono alcuni enzimi hanno la struttura ad acido nucleico, a RNA. Gli enzimi sono molecole che velocizzano una reazione chimica, ecco perché sono detti catalizzatori biologici. La reazione avviene comunque, anche senza gli enzimi, ma avviene molto più lentamente. Non vengono consumati nel corso di una reazione. Quando hanno catalizzato una reazione e hanno trasformato i reagenti in prodotti, lasciano quei prodotti prendendo altri reagenti. Possono catalizzare la stessa reazione chimica tante volte senza essere consumati. Si tratta di un’azione catalizzatrice perché legano i substrati, cioè le molecole che devono reagire, e fanno in modo che i legami presenti tra queste molecole vengano rotti più velocemente e allo stesso tempo fanno in modo che i nuovi legami vengano formati più velocemente. Gli enzimi abbassano l’energia di attivazione di una reazione, cioè l’energia necessaria per rompere i legami vecchi e formare i nuovi. In che modo l’enzima abbassa l’energia di attivazione? Gli enzimi hanno una struttura tridimensionale, essendo proteine, per cui hanno una struttura terziaria, cioè la struttura della proteina nello spazio. La struttura tridimensionale presenta una tasca, chiamata sito attivo. Al sito attivo si lega il substrato, la molecola che deve essere trasformata in un sito di reazione, in un prodotto. Si forma così un complesso enzima-substrato, l’enzima è in grado di fare in modo che il substrato si disponga in modo tale da rompere più facilmente i vecchi legami e crearne dei nuovi. Non c’è un solo enzima che catalizza le reazioni chimiche, c’è uno specifico enzima per ogni substrato. C’è una specificità tra enzima e substrato. Il sito catalitico riconosce solo un substrato specifico. Gli enzimi sono raggruppati all’interno di 6 classi, al cui interno ci sono delle sottoclassi. o Ossidoreduttasi→enzimi che catalizzano le reazioni redox, trasferimento di elettroni da un composto all’altro. Se l’enzima ha come substrato il nad+ allora è specifico del nad+. per il fad ci sarà un altro enzima specifico. o Transferasi→ enzimi coinvolti nel trasferimento di gruppi funzionali. Ad esempio, l’ATP trasferisce il gruppo fosfato alle chinasi, quindi quelle reazioni saranno catalizzate da transferasi. o Idrolasi→enzimi coinvolti nelle reazioni di idrolisi, in cui interviene l’acqua o Eliasi→enzimi che permettono di formare o rompere i doppi legami o Isomerasi→coinvolti nelle reazioni di isomerizzazione. Isomeri=molecole con stesso numero di atomi ma la conformazione di questa molecola nello spazio è diversa. o Ligasi→formazione di legami C-C, C-S, C-H e C-N mediante reazioni che richiedono energia fornita dall’ATP Enzimi: come agiscono Molti enzimi necessitano di cofattori per poter funzionare. Ci sono nella cellula enzimi, ma sono inattivi. Si attivano quando legano il cofattore. La porzione proteica dell’enzima è chiamata apoenzima, da solo non può catalizzare alcuna funzione biologica, lo può fare quando lega il cofattore (es. gli ioni come il calcio, il magnesio, il potassio, il cloro→ composti di natura inorganica, o composti di natura organica, cioè i coenzimi→ nadh, fadh, ATP). Cosa influenza l’attività enzimatica? o La temperatura è importante per il lavoro degli enzimi, perché a specifiche temperature le proteine si denaturano, cioè perdono la struttura tridimensionale. L’enzima così non è più in grado di catalizzare la sua attività. La temperatura ottimale è di 37 gradi, quando sono spostati a temperature più alte l’enzima si denatura, a temperature più basse le proteine cristallizzano, diventano solidi. Ma ci sono enzimi dei batteri termofili (lavorano in acque molto calde) che presentano il massimo dell’attività ad 80 gradi, a 37 gradi perdono la loro attività. o Il ph influenza l’attività di un enzima. Il ph in una soluzione ci permette di definire se è acida (quando ha tanti ioni h+), basica (ha tanti ioni h-) o neutra. Il ph ottimale per i nostri enzimi è il Ph neutro 7.4.  Ci sono eccezioni però: -nello stomaco ci sono enzimi che lavorano ad un ph ottimale di 2. -La tripsina lavora con un ph ottimale di 8. -I lisosomi contengono enzimi che lavorano ad un ph ottimale di 4/5. -Gli amminoacidi si suddividono in 3 categorie, apolari, polari ed elettricamente carichi. Se prendiamo i gruppi funzionali degli amminoacidi e li mettiamo in un ambiente più acido, cambia la carica di quella catena laterale. Stesso discorso se li mettiamo in un ambiente più basico, cambia la carica. In questo modo la catena laterale non andrebbe a formare più gli stessi legami che formerebbe in condizioni diverse da queste, quindi, quando spostiamo gli amminoacidi dal loro ph, cambiamo le cariche presenti sulle catene laterali e di conseguenza non si formano strutture tridimensionali adeguate per far funzionare l’enzima. Le cellule regolano l’attività enzimatica Le cellule regolano l’attività enzimatica andando a far funzionare più o meno un enzima. Dalla treonina si ottiene un altro amminoacido che è l’isoleucina. In questa reazione sono coinvolti 5 enzimi. La cellula batterica quando ha bisogno di isoleucina, prende la treonina, sintetizza i 5 enzimi e trasforma la treonina in isoleucina. Questa reazione va avanti fin quando in quella cellula batterica non si raggiungono livelli adeguati di isoleucina. Quando vengono raggiunti, bisogna bloccare le reazioni, per cui si utilizzano i meccanismi di inibizione a feedback: lo stesso prodotto finale della reazione va ad inibire la sua stessa sintesi. In questo caso è l’isoleucina stessa che lega l’enzima 1, i restanti enzimi in questo modo non potranno funzionare perché mancano i substrati. In che modo l’isoleucina blocca l’enzima 1? L’isoleucina blocca l’enzima 1 legandosi ad esso, l’enzima presenta un sito attivo, che lega il substrato, quando si forma il complesso enzima-substrato, l’enzima rilascia il prodotto, così l’enzima è pronto per catalizzare una nuova reazione chimica. Quando c’è tanto prodotto è il prodotto stesso che bocca l’attività dell’enzima, perché gli enzimi possono avere i siti allosterici, cioè i siti di legame per gli inibitori. o Al sito allosterico si lega quella molecola che può inibire l’attività dell’enzima. Quando l’inibitore si lega al sito allosterico, il sito attivo subisce una modifica conformazionale e non è più in grado di legare il substrato → inibizione non competitiva, perché il substrato e l’inibitore si legano a siti diversi (rispettivamente al sito attivo e al sito allosterico) o In alcuni casi l’enzima non ha il sito allosterico, ma solo quello attivo. In questo caso c’è una contesa tra inibitore e substrato, hanno entrambi una forma compatibile con il sito attivo→inibizione competitiva. Vince il composto presente in quantità maggiore. Se il substrato è presente in quantità maggiore la reazione avviene, se l’inibitore è presenta in quantità maggiore blocca l’enzima e la reazione non avviene. Il sito attivo è detto anche catalitico, il sito allosterico anche sito regolatore dell’attività enzimatica. La respirazione cellulare Le cellule producono energia per sintetizzare le molecole organiche e in che modo le cellule a partire dalle molecole nutritive usano glucosio per creare ATP, trasformano l’energia chimica contenuta negli alimenti in energia contenuta nei legami di ATP. La respirazione cellulare permette di usare il glucosio, il quale attraverso 4 fasi consecutive permette di sintetizzare ATP: 1. Glicolisi 2. Formazione di acetil coenzima A 3. Ciclo dell’acido citrico (nel mitocondrio)  4. Trasporto degli elettroni e chemiosmosi La glicolisi è un processo che avviene nel citoplasma, le altre 3 fasi avvengono all’interno del mitocondrio. La respirazione cellulare è una reazione redox: o il glucosio (zucchero a 6 atomi di carbonio) viene ossidato in anidride carbonica, perde gli atomi di H o l’ossigeno viene ridotto ad acqua o Prodotto finale=ATP Tre tipi di reazioni: o deidrogenazione→perdita di atomi di H, vengono persi anche due elettroni e due protoni (due ioni H+). C’è il trasferimento di due elettroni più due protoni agli accettori di elettroni (nad+ o fad+ che si trasformano nella forma ridotta) o decarbossilazione→si toglie dalle molecole il gruppo carbossilico (COOH), è rimosso sottoforma di anidride carbonica che poi si ritrova alla fine della reazione. o Reazioni di preparazione→le molecole vengono riagganciate, i legami chimici sono sposti per rendere la molecola meno stabile, i legami chimici della molecola di glucosio sono rotti, per cui per poterli rompere i legami devono essere poco stabili. Glicolisi Caratterizzata da una serie di reazioni in cui una molecola di glucosio (C6 H12 O6) a 6 atomi di C viene trasformata in due molecole di piruvato, che invece hanno 3 atomi di C. Parte di questa energia che viene liberata dalla rottura dei legami del glucosio viene usata per sintetizzare ATP. Nella glicolisi ci sono due fasi:  o nella prima fase si va contro l’obiettivo della respirazione cellulare (produrre ATP) perché si usa ATP, si consuma→ reazioni endoergoniche →fase di investimento energetico. Si usano due molecole di ATP, che fosforilano (cedono due gruppi fosfato) il glucosio, che viene trasformato prima in fruttosio 1-6 trifosfato, che poi viene scisso in due molecole di gliceraldeide trifosfato (due molecole a 3 atomi di C). o nella seconda fase le cellule producono ATP→reazioni esoergoniche→fase di guadagno Le due molecole di gliceraldeide trifosfato vengono trasformate attraverso una serie di reazioni in due molecole di piruvato (molecole a 3 atomi di C). Come avviene il processo: Le due molecole di gliceraldeide trifosfato entrano nella seconda fase, cioè la fase di cattura di energia, durante questa fase avviene prima una reazione di deidrogenazione, si trasferiscono protoni ed elettroni agli accettori di elettroni (nad+). Si producono 2 molecole di nadh perché grazie alla reazione di deidrogenazione dalle due molecole di gliceraldeide trifosfato si formano due molecole di nadh. Avvengono così una serie di reazioni che permettono di trasferire i gruppi fosfato all’ADP per formare ATP. Per ogni molecola di gliceraldeide trifosfato che è entrata nella seconda fase vengono prodotte due ATP e una molecola di piruvato→ Ci sono quindi 2 molecole nadh, 2 molecole di piruvato e 4 molecole ATP, ma 2 molecole vengono usate nella prima fase. 2 molecole di piruvato, 2 molecole di nadh, 4 molecole di ATP (-2) Qual è il guadagno netto della glicolisi? 2 molecole di ATP (perché anche se nella fase di guadagno ci sono 4 molecole di ATP bisogna considerare anche le 2 che sono state perse nella fase di investimento) e 2 molecole di nadh. Quando si parla di bilancio energetico bisogna tener conto non solo delle molecole di ATP prodotte ma anche delle molecole di nadh, molecole ad alto contenuto energetico perché hanno preso gli elettroni. Formazione dell’acetil coeanzima A Le due molecole di piruvato che si sono formate nel citoplasma devono entrare nel mitocondrio per andare incontro agli altri step della respirazione cellulare aerobica. Ogni molecola di piruvato viene decarbossilata, un gruppo carbossilico è eliminato sottoforma di anidride carbonica e viene convertito in un gruppo acetilico, che viene deidrogenato, si forma quindi nadh. La porzione acetilica viene quindi deidrogenata e si lega al coenzima A formando l’acetil coenzima A. 2 molecole di piruvato→decarbossilazione→porzione acetilica→deidrogenazione (si formano 2 molecole di nadh)→legame con il coenzima A→2 molecole di acetil coenzima A Il guadagno netto è di due molecole di nadh. Ciclo di Krebs Avviene nella matrice mitocondriale. A livello della matrice troviamo gli enzimi che permettono di metabolizzare l’acetil coenzima A all’interno del ciclo dell’acido ciclico. Durante il ciclo di Krebs, l’acetil coenzima A (2 atomi di carbonio) reagisce con l’ossalacetato (4 atomi di carbonio)→ si forma il cictrato, un composto a 6 atomi di carbonio, più il coenzima A. Reazione ciclica complessa, per ogni molecola di acetile che entra nel ciclo di Krebs e che reagisce con l’ossalacetato si producono: o 3 molecole di Nadh o 1 molecola di Fadh2 o 1 molecola di ATP Si chiama ciclo di Krebs perché si parte dall’ossalacetato per rigenerare di nuovo ossalacetato. Per ogni molecola di glucosio che è entrata nella glicolisi, il ciclo viene compiuto due volte, perché sono 2 le molecole di acetil coenzima A prodotto nella fase precedente. Il guadagno netto è di 2 molecole di ATP, 6 molecole di Nadh e 2 molecole di Fadh2 (perché il ciclo di Krebs viene compiuto due volte). Fin ora il guadagno energetico è di 4 molecole di ATP (2 nella glicolisi e 2 nel ciclo di Krebs), 10 molecole di Nadh (2 molecole nella glicolisi, 2 molecole nella formazione dell’acetil coenzima A e 6 molecole nel ciclo di Krebs) e 2 molecole di Fadh2 (nel ciclo di Krebs). Catena di trasporto di elettroni Si tratta di reazioni che avvengono sulla membrana mitocondriale interna, a livello delle creste mitocondriali, dove ci sono 4 grossi complessi enzimatici, i citocromi, che fungono da accettori di elettroni. I 4 complessi li chiamiamo complesso 1, complesso 2, complesso 3 e complesso 4. Si tratta di complessi in grado di passare dalla forma ossidata a quella ridotta e viceversa, accettando o cedendo elettroni. Le molecole di Nadh quando si accumulano all’interno dei mitocondri cedono gli elettroni ai complessi localizzati sulla membrana mitocondriale interna. In particolare, il nadh cede elettroni al complesso 1 che si riduce, in questo modo si forma il nad+. il fadh2 cede gli elettroni al complesso 2 che si riduce, in questo modo si forma il Fad. I primi due complessi, ormai ridotti, trasferiscono gli elettroni al complesso 3, che accettandoli si riduce. Il complesso 3 cede gli elettroni al complesso 4 che si riduce, il complesso 3 che ha ceduto elettroni si ossida. Il complesso 4 allo stato ridotto, siccome si parla di respirazione cellulare aerobica, cede gli elettroni all’ossigeno e così si forma l’acqua. La chemiosmosi Ma ci interessa produrre ATP, per cui interviene il modello chemiosmotico. L’ATP viene prodotto attraverso il processo della chemiosmosi, i complessi sono gli stessi di prima, ma il complesso 1, 3 e 4 (escluso il complesso 2) oltre a fungere da trasportatori di elettroni fungono anche da pompe protoniche, permettono agli ioni h+ (i protoni) di passare dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana, cioè lo spazio racchiuso tra la membrana interna e quella esterna. Quindi, mentre gli elettroni passano da un complesso all’altro parte dell’energia viene sintetizzata dal complesso 1, 3 e 4 per pompare ioni h+ (protoni) dalla matrice allo spazio intermembrana. All’interno dello spazio intermembrana ci sono tanti ioni h+, che vogliono tornare dentro per ristabilire equilibrio. Si tratta però di ioni, avendo la carica positiva non possono attraversare liberamente il doppio strato fosfolipidico della membrana, per cui possono entrare grazie alla presenza di un quinto complesso, una proteina integrale di membrana. questo quinto complesso prende il nome di complesso dell’ATP sintasi o sintetasi. Mentre gli ioni h+ entrano all’interno del complesso, il flusso di elettroni fornisce energia meccanica per garantire la rotazione della pompa dell’atp sintasi e così, quando gli ioni entrano attraverso la pompa, viene prodotto ATP a partire da ADP e fosfato inorganico. Resa energetica della completa ossidazione del glucosio L’ATP prodotto nel processo chemiosmotico è un ATP prodotto per fosforilazione ossidativa, mentre le molecole di ATP prodotte durante la glicolisi e il ciclo di Krebs, sono prodotte mediante un processo di fosforilazione all’interno del substrato e sono 4 (2 durante la glicolisi 2 durante il ciclo di krebs). Ma quante molecole di ATP produciamo per ogni nadh e per ogni fadh2 che arrivano a livello del complesso 1 e 2? Viene prodotto per ogni molecola di nadh, 3 molecole di ATP, per ogni molecola di fadh2, 2 molecole di ATP mediante la fosforilazione ossidativa. Quante sono quindi le molecole di ATP per fosforilazione ossidativa? o Nella glicolisi si formano due molecole di nadh e quindi 6 molecole di ATP(2x3). o Nella formazione dell’acetil coenzima A si formano 2 molecole di nadh e quindi 6 molecole di ATP. o Nel ciclo di Krebs si formano 6 molecole di nadh, per cui 18 molecole di ATP (6x3), e le due molecole di fadh2 formano 4 molecole di ATP (2x2). o →Quindi per fosforilazione ossidativa si arriva a 34 molecole di ATP. La maggior parte delle molecole di atp sono prodotte grazie alla catena di trasporto degli elettroni, che grazie alla chemiosmosi formano un massimo di 34 molecole di ATP. Le molecole di nadh sono da 4 a 6, perché siccome la glicolisi avviene all’interno del citoplasma della cellula, è necessario che il nadh venga trasportato nel mitocondrio, per cui alcune cellule per trasportarlo dentro il mitocondrio consumano energia. Ecco perché in alcune cellule ce ne sono 6 di molecole di nadh e in altre ce ne sono 4 (quelle che trasportano). In totale quindi, per ogni molecola di glucosio che entra nella respirazione cellulare si producono 4 molecole di ATP, mediante reazioni di fosforilazione all’interno del substrato, e 32/34 molecole di ATP, per fosforilazione ossidativa, per un totale di 36/38 molecole di ATP. Anche altre fonti alimentari possono produrre intermedi, che entrano nella glicolisi e possono essere usati come fonti di energia. Ad esempio, anche le proteine vengono catabolizzate e scisse in amminoacidi, che possono andare incontro alla reazione di deaminazione in cui viene eliminato il gruppo amminico (NH2), poi la catena carboniosa residua che rimane può essere utilizzata come reagente in uno dei passaggi della respirazione cellulare. Ad esempio, la deaminazione dell’amminoacido alanina produce il piruvato. Si tratta di intermedi che entrano più avanti nella glicolisi. Anche dai grassi si può trarre energia, più del doppio di energia contenuta in 1 g di glucosio. Anche in questo caso i grassi sono trasformati in intermedi che possono entrare in più livelli della respirazione cellulare. I fosfolipidi sono formati da glicerolo, che può essere usato per sintetizzare la gliceraldeide trifosfato. Gli acidi grassi sono utilizzati per formare gruppi acetile che vengono usati per formare l’acetil coenzima A, che entra nel ciclo di Krebs. La respirazione anaerobica Chiamata così poiché non utilizza l’ossigeno come accettore finale di elettroni, ma utilizza altri composti come il nitrato o il solfato. La respirazione anaerobica è data dai batteri anaerobi che vivono in assenza di ossigeno. Mentre molti batteri e funghi usano la fermentazione, un processo anaerobico che a differenza della respirazione produce ATP solo attraverso la glicolisi. La fermentazione si distingue in: o Fermentazione alcolica→dal glucosio di producono due molecole di piruvato attraverso la glicolisi e si producono due molecole di ATP e due di Nadh. In questo caso le cellule producono nadh, ma bisogna rigenerare il nad nella forma ossidata, per cui le cellule per rigenerare il nadh trasformano il piruvato in alcol etilico. la fermentazione alcolica è sfruttata anche nell’industria alimentare, nella produzione delle bevande alcoliche, o nel processo di panificazione (nella trasformazione del piruvato viene cacciata anidride carbonica, responsabile del processo di lievitazione, l’alcol poi evapora) o Fermentazione lattica→prevede la glicolisi, il glucosio è scisso in due molecole di piruvato, si formano di molecole di ATP e due molecole di Nadh. Le cellule per rigenerare il nad nella forma ossidata trasformano il piruvato in lattato o acido lattico. Ad esempio, le cellule muscolari effettuano la fermentazione lattica quando la cellula muscolare è sottoposta ad esercizio fisico intenso, esaurisce l’ossigeno e passa alla fermentazione lattica. Producono quindi acido lattico, che si accumula ed è responsabile poi dei crampi. È un processo che dura pochi secondi, ma ci sono animali che riescono a restare senza ossigeno per lungo tempo. Mentre attraverso la respirazione aerobica si formano 36/38 molecole di ATP, per cui si riesce ad ossidare completamente il glucosio, nella fermentazione si producono solo 2 molecole di ATP, per cui restano molecole cariche di energia. Questi composti possono essere sfruttati, tipo l’alcol etilico può essere usato come combustibile per cui c’è ancora energia che può essere usata. N.B. La glicolisi avviene nel citoplasma, si tratta di respirazione cellulare aerobica, ma in realtà la glicolisi non richiede ossigeno, ecco perché molti batteri effettuano la fermentazione, cioè il processo di produzione di energia che non richiede l’ossigeno.