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Metabolismo cellulare Gli organismi hanno bisogno di energia per svolgere le proprie funzioni vitali e per costruire le molecole e i tessuti che li costituiscono.

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Presentazione sul tema: "Metabolismo cellulare Gli organismi hanno bisogno di energia per svolgere le proprie funzioni vitali e per costruire le molecole e i tessuti che li costituiscono."— Transcript della presentazione:

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2 Metabolismo cellulare Gli organismi hanno bisogno di energia per svolgere le proprie funzioni vitali e per costruire le molecole e i tessuti che li costituiscono Le cellule ottengono questa energia grazie alla demolizione delle molecole organiche Lenergia contenuta nelle molecole organiche viene liberata allinterno della cellula attraverso una serie di reazioni, ciascuna delle quali è catalizzata da un enzima

3 La cellula e lenergia La produzione di energia passa attraverso il metabolismo del glucosio. Il metabolismo del glucosio produce energia sotto forma di ATP.

4 Respirazione cellulare La respirazione cellulare è il meccanismo che permette alla cellula, in presenza di ossigeno,di ricavare energia utilizzabile nei processi vitali dai legami chimici delle molecole assorbite nella digestione. La respirazione cellulare consta di diverse reazioni, in cui i prodotti di un passaggio sono utilizzati come reagenti per il processo successivo. I prodotti di scarto della respirazione cellulare (come CO 2 o H 2 O) vengono eliminati dalla cellula e, negli organismi superiori, escreti attraverso la respirazione polmonare e le urine.

5 C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + 36 ATP Glucosio Ossigeno Anidride Carbonica Acqua Respirazione cellulare La principale molecola organica complessa che viene demolita in molecole semplici dalle cellule per ottenere energia è il glucosio In presenza di ossigeno, lequazione riassuntiva di questo processo è: Lenergia liberata durante la demolizione del glucosio viene temporaneamente immagazzinata nella molecola di ATP

6 Le reazioni avvengono per piccoli passi : sottoreazioni. I viventi hanno dovuto suddividere la demolizione in numerose tappe intermedie, in modo da poter sfruttare meglio l'energia contenuta nel glucosio e per evitare che questo processo fosse accompagnato da un innalzamento della temperatura cellulare.

7 La demolizione del glucosio prevede due fasi: la prima è la glicolisi che, in presenza di ossigeno, è seguita dalla respirazione cellulare; in assenza di ossigeno, invece, la glicolisi è seguita dalla fermentazione La demolizione del glucosio si realizza attraverso reazioni di ossido-riduzione catalizzate da enzimi che utilizzano degli accettori di atomi di idrogeno (elettroni + H + ), come il NAD + e il FAD Demolizione del glucosio SCHEMA RIASSUNTIVO

8 Demolizione del glucosio (schema riassuntivo)

9 Dove avviene la respirazione cellulare ? La respirazione anaerobica nel citoplasma La respirazione aerobica nel mitocondrio

10 Respirazione Cellulare: le fasi GlicolisiCiclo di Krebs Catena di trasporto degli elettroni

11 1.Glicolisi: catabolica, degrada le sostanze organiche, avviene nel citoplasma 2.Ciclo di Krebs: catabolica, completa la degradazione di sostanze organiche, avviene nella matrice mitocondriale 3.Catena di trasporto di elettroni e fosforilazione ossidativa: trasferimento di elettroni dal NADH, con formazione finale di acqua e ATP. La fosforilazione ossidativa avviene sulle creste mitocondriali, produce il 90% dellATP cellulare. Fasi della respirazione cellulare

12 Questa prima fase avviene nel citoplasma di tutte le cellule, procariote od eucariote: Una molecola di glucosio, a sei atomi di carbonio viene trasformata, tramite 9 reazioni, in due molecole di acido piruvico a tre atomi di carbonio. Queste reazioni sono accompagnate da una liberazione di energia (2 ATP). È una fase anaerobica, non richiede ossigeno Glicolisi C 6 H 12 O 6 Glucosio2 Ac. piruvico 2 ADP + 2 Pi 2 ATP C3H4O3C3H4O3 Glicolisi

13 La Fermentazione In assenza o in carenza di ossigeno, lacido piruvico non può essere ulteriormente demolito In questo caso, nel citoplasma avviene la fermentazione Lo scopo della fermentazione è quello di rigenerare il NAD +, necessario per poter svolgere nuovamente la glicolisi Vi sono diversi tipi di fermentazione, ciascuno dei quali produce sostanze diverse Le più importanti sono: fermentazione lattica e fermentazione alcolica SCHEMI RIASSUNTIVI

14 La Fermentazione lattica La fermentazione lattica avviene: Credits Shebeko/Shutterstock in alcuni microrganismi anaerobici ed è utilizzata per la produzione di yogurt nelle cellule muscolari sottoposte a un intenso esercizio fisico anaerobico

15 La Fermentazione lattica: i prodotti finali La fermentazione lattica determina: la formazione di acido lattico (tossico per le cellule), che è la causa dei dolori muscolari e viene ritrasformato in glucosio dal fegato la formazione di NAD +, fondamentale per lo svolgimento della glicolisi; senza NAD + il processo si bloccherebbe

16 La Fermentazione alcolica La fermentazione alcolica avviene: nei lieviti, ed è utilizzata per la produzione di vino e birra e per la panificazione Credits Eky Chan/Shutterstock

17 La Fermentazione alcolica: i prodotti finali La fermentazione alcolica determina: la formazione di alcol etilico con liberazione di CO 2 la formazione di NAD +, che è riutilizzato durante la glicolisi

18 La Respirazione aerobica In presenza di ossigeno, lacido piruvico può essere ulteriormente ossidato Nei mitocondri si verifica il processo di respirazione cellulare suddiviso in due momenti fondamentali: il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettronimitocondri Lo scopo è fornire alla cellula grandi quantità di energia

19 Dalla glicolisi al Ciclo di Krebs Lacido piruvico entra nei mitocondri, si ossida riducendo un NAD + e si trasforma in acetil-coenzima A (acetil-CoA) liberando una molecola di CO 2

20 Il Ciclo di Krebs (1) Il ciclo di Krebs avviene nella matrice mitocondriale Lacetil-CoA avvia il ciclo di Krebs, legando il gruppo acetile (2 atomi di carbonio) allacido ossalacetico (4C) con formazione di acido citrico (6C) Nel corso del processo, 2 dei 6 atomi di carbonio sono ossidati ad anidride carbonica e si rigenera acido ossalacetico, rendendo questa serie di reazioni un vero e proprio ciclo A ogni giro completo il ciclo consuma un gruppo acetile e rigenera una molecola di acido ossalacetico, pronta per essere riutilizzata Si producono elettroni ed atomi di idrogeno che sono inviati alla catena di trasporto di elettroni.

21 Un ciclo in 9 tappe che inizia con lacetil-CoA che viene legato ad un acido a 4 atomi di Carbonio (ossalacetato), per formare acido citrico (6 C) Durante il ciclo vengono eliminate 2 mol. di CO2 con produzione di un acido a 5 atomi di C che si trasforma immediatamente in un composto a 4 atomi di C Gli atomi di idrogeno vengono combinati con gli accettori specifici (NAD+ e FAD), Viene prodotta una molecola di ATP. Gli atomi di idrogeno vengono combinati con gli accettori specifici (NAD+ e FAD), Viene prodotta una molecola di ATP. ossalacetato

22 Bilancio del Ciclo di Krebs Durante il ciclo di Krebs una singola molecola di acetil-CoA produce: 3 molecole di NADH 1 mol. di FADH 2 1 mol. di ATP2 mol. di CO 2

23 Catena di trasporto di elettroni Gli elettroni catturati dal NADH o dal FADH 2 sono ceduti alla catena di trasporto degli elettroni Questo processo a cascata avviene sulle creste mitocondiali Attraverso una serie di reazioni di ossido-riduzione gli elettroni passano da un trasportatore ad alto livello energetico a un altro con energia minore, liberando energia Laccettore ultimo di elettroni è lossigeno che si lega ad atomi di idrogeno per formare una molecola di acqua

24 Catena di trasporto di elettroni (schema) Lungo la catena di trasporto gli elettroni vengono trasferiti da un trasportatore allaltro scendendo a livelli di energia via via inferiori; lenergia liberata viene utilizzata per formare ATP a partire da ADP attraverso un processo noto come fosforilazione ossidativa.

25 Fosforilazione ossidativa Lenergia liberata dal flusso di elettroni lungo la catena di trasporto è utilizzata per «pompare» protoni dalla matrice verso lo spazio intermembrana Qui i protoni si accumulano e spinti dal gradiente elettrochimico creatosi, cercano di rientrare nella matrice Ma la membrana mitocondriale interna è impermeabile agli ioni H + Disposizione delle componenti della catena di trasporto degli elettroni.

26 Per tornare nella matrice, i protoni si incanalano attraverso un enzima, lATP-sintetasi Attraversando il canale, il flusso di elettroni modifica la forma dellenzima e aziona la sintesi di ATP a partire da ADP e un gruppo fosfato Tale meccanismo di sintesi dellATP è detto accoppiamento chemiosmotico La ATP-sintasi trasportante H + tra due settori può essere sinteticamente definita come un complesso enzimatico che catalizza la seguente reazione: ADP + fosfato + H+ esterno ATP + H 2 O + H+ interno LATP-sintetasi è costituita da due unità: F 0 e F 1 Fosforilazione ossidativa

27 Il motore della respirazione cellulare: ATP-sintasi Il flusso degli H + fa ruotare una parte mobile di questa singolare proteina a una rapidità di circa 100 giri al secondo. È qualcosa di simile alla ruota di un mulino ad acqua, solo che in questo caso a far girare la ruota non è lacqua, ma il flusso degli ioni che fanno ritorno alla camera interna del mitocondrio. Questa rotazione è il meccanismo attraverso il quale viene messa a disposizione lenergia necessaria per aggiungere alADP un terzo gruppo fosfato, e ottenere così lATP. Questo meccanismo, detto chemiosmosi, è sostanzialmente diverso da quello che porta alla sintesi di ATP nelle prime due fasi della respirazione, che è molto più semplice e non coinvolge la membrana, noto come fosforilazione a livello di substrato, ma è molto più produttivo

28 Bilancio energetico totale * In alcune cellule il costo energetico del trasporto di elettroni dal NADH formatosi nella glicolisi, attraverso la membrana mitocondriale interna, abbassa la produzione netta di queste due NADH a 4 ATP; così, la produzione totale massima in queste cellule è di 36 ATP

29 Gli organismi possono ottenere energia, oltre che dal glucosio, anche dai trigliceridi e dalle proteine I trigliceridi sono scomposti in glicerolo e acidi grassi. Gli acidi grassi sono demoliti in frammenti a due atomi di carbonio ed entrano nel ciclo di Krebs come acetil-CoA Le proteine sono scomposte nei loro amminoacidi, dai quali vengono rimossi i gruppi amminici e lo scheletro carbonioso entra nel ciclo di Krebs Strategie metaboliche SCHEMA RIASSUNTIVO

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31 Durante la respirazione cellulare il piruvato, proveniente dalla demolizione del glucosio, è ossidato a CO 2 e lossigeno ridotto a molecole di acqua. Lenergia liberata è usata per produrre ATP. La respirazione cellulare produce più ATP rispetto alla fermentazione. La respirazione cellulare

32 Fermentazione alcolica Fermentazione lattica La fermentazione: lattica e alcolica

33 La struttura del mitocondrio spazio intramembranale La membrana esterna è permeabile alla maggior parte delle molecole piccole e la soluzione presente tra le due membrane ha una composizione simile a quella del citosol. La membrana interna permette il passaggio solo di determinate molecole (come lacido piruvico, lATP e lADP), mentre limita il passaggio di altre molecole e ioni come H +. Le creste mitocondriali sono immerse nella matrice, una sostanza gelatinosa ricca di enzimi.

34 Ciclo di Krebs (schema)

35 Catena di trasporto e ATP sintetasi

36 I collegamenti tra le vie metaboliche


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