La fotosintesi la respirazione cellulare la fermentazione
La fotosintesi immagazzina energia e rilascia ossigeno L’ATP è una molecola antica e universale, sintetizzata da tutti gli organismi viventi. L’ATP viene utilizzata come fonte energetica per compiere il lavoro cellulare. Gli organismi fotosintetici sono autotrofi (protisti, cianobatteri, piante, alghe e muschi) perché producono il proprio cibo. Le piante e gli altri organismi autotrofi (alghe e alcuni batteri) possono prodursi il glucosio che serve per tutte le reazioni che avvengono nelle cellule. Adenosin-trifosfato (ATP)
La fotosintesi immagazzina energia e rilascia ossigeno La fotosintesi è il processo che converte energia solare in energia chimica, sotto forma di carboidrati. La luce solare è energia in forma radiante proveniente dal Sole. Ciò che interessa per la fotosintesi è quella porzione dello spettro elettromagnetico che si chiama luce visibile. I principali pigmenti che si trovano nella maggior parte delle cellule fotosintetizzanti sono: la clorofilla a; la clorofilla b; i carotenoidi.
Nelle piante la fotosintesi avviene nei cloroplasti
Per compiere la sintesi del glucosio gli autotrofi hanno bisogno di: luce acqua anidride carbonica Inoltre viene prodotto ossigeno Energia solare 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 La fotosintesi è: il processo contrario della respirazione cellulare un processo anabolico ed è endoergonico
Negli autotrofi eucarioti avviene nei cloroplasti, prevede una serie di reazioni divisibili in fase luminosa fase oscura
La fotosintesi prevede la fase luminosa e il ciclo di Calvin Le reazioni della fase luminosa avvengono nelle membrane del tilacoide durante le ore diurne, in presenza di luce. Durante il ciclo di Calvin, le reazioni enzimatiche riducono il CO2 a carboidrati nello stroma dei cloroplasti.
La CO2 è assorbita nelle foglie dall’aria, attraverso delle piccole aperture dell’epidermide chiamate stomi. Una volta nella foglia, il diossido di carbonio (CO2 ) e l’acqua diffondono nei cloroplasti, gli organuli in cui ha luogo la fotosintesi. La membrana tilacoidale contiene la clorofilla e altri pigmenti che assorbono la luce solare utile alla fotosintesi. La via metabolica in cui la CO2 viene dapprima legata a un composto organico, quindi convertita in un carboidrato, si svolge nello stroma del cloroplasto.
La fase luminosa Le cellule fotosintetizzanti contengono dei pigmenti fotosintetici come la clorofilla e i carotenoidi che assorbono la luce e i loro elettroni saltano a un livello energetico superiore attraversano una serie di reazioni dette catena di trasporto degli elettroni e liberando energia che va a produrre ATP
La membrana tilacoidale è organizzata per produrre ATP e NADPH
Gli elettroni persi dai pigmenti vengono rimpiazzati rubandoli alle molecole d'acqua che viene scissa in H e O2 dalla fase luminosa Quindi l'energia della luce è trasformata in ATP l'acqua è scissa viene liberato ossigeno molecolare
Il ciclo di Calvin produce carboidrati La fase oscura può avvenire in assenza di luce. Tutte le reazioni della fase oscura sono catalizzate da un enzima specifico dentro il ciclo di Calvin. Durante le reazioni indipendenti dalla luce, il ciclo di Calvin consuma l’ATP e il NADPH per produrre carboidrati. Nel corso di questo processo ha luogo la fissazione e la riduzione del CO2.
Le piante partono dai carboidrati per la sintesi di altre molecole organiche Negli organismi fotosintetici, gli zuccheri semplici prodotti dal ciclo di Calvin possono essere usati per la sintesi di altre importanti molecole, come il fruttosio, il saccarosio e l’amido.
La demolizione del glucosio libera energia La respirazione cellulare è una reazione redox che richiede ossigeno e produce energia. Il glucosio viene ossidato a diossido di carbonio, mentre gli atomi di idrogeno riducono l’ossigeno producendo acqua.
La demolizione del glucosio libera energia Il glucosio viene scisso un po’ alla volta, in reazioni in serie, in modo che l’energia sia rilasciata lentamente e non si disperda totalmente in calore. Gli atomi di idrogeno (e- e H+) vengono rimossi un po’ alla volta dal glucosio tramite i due coenzimi di ossidoriduzione NAD+ e FAD, e l’energia «catturata» è usata per produrre ATP. NAD+ + 2e- + H+ NADH FAD + 2e- + 2H+ FADH2
La respirazione cellulare produce ATP
IL PIRUVATO PUÒ PRENDERE DUE VIE: LA RESPIRAZIONE CELLULARE O LA FERMENTAZIONE Nel metabolismo energetico la prima fase di degradazione del glucosio è chiamata glicolisi. Si tratta di una serie di reazioni che avvengono nel citoplasma e che non richiedono la presenza di ossigeno (anaerobiche). Il piruvato, cioè il prodotto finale della glicolisi, è una molecola che funziona da «innesco» per la via metabolica successiva, che dipende dalla presenza di ossigeno. Se è disponibile ossigeno, si ha la respirazione cellulare (processo aerobico). In assenza di ossigeno si ha invece la fermentazione (processo anaerobico).
La respirazione cellulare La respirazione cellulare si può suddividere in tre tappe: la reazione preparatoria; il ciclo di Krebs (o dell’acido citrico); la catena di trasporto degli elettroni.
La glicolisi è il primo stadio della degradazione del glucosio La glicolisi ha inizio con una fase di investimento energetico, durante la quale 2 ATP sono usati per attivare il glucosio, una molecola C6 che si separa in due molecole C3 (gliceraldeide-3-fosfato). Ad essa segue la fase di produzione energetica, durante la quale vengono sintetizzate quattro molecole di ATP.
Il bilancio generale della glicolisi Nel complesso, durante la glicolisi ha luogo: il consumo di 2 molecole di ATP; la produzione di 4 molecole di ATP; un guadagno netto di 2 molecole di ATP; la produzione di 2 molecole di NADH.
Prima del ciclo di Krebs è necessaria una reazione preparatoria Le reazioni della respirazione cellulare, ossia la reazione preparatoria, il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni, hanno tutte luogo nei mitocondri.
Prima del ciclo di Krebs è necessaria una reazione preparatoria La reazione preparatoria avviene prima del ciclo di Krebs: grazie ad essa, il piruvato, una molecola C3, è convertito in un gruppo acetilico, l’acetil CoA, una molecola C2, mentre si libera CO2. Si tratta di un’ossidazione, in cui gli atomi di idrogeno vengono rimossi dal piruvato e vanno a ridurre il NAD+ in NADH
Il ciclo di Krebs comporta l’ossidazione finale dei prodotti del glucosio Il ciclo di Krebs, o ciclo dell’acido citrico, ha inizio quando due molecole di acetil CoA entrano nella matrice mitocondriale. A ogni ciclo viene prodotta una molecola di ATP (2 molecole di ATP sono prodotte per ciascuna molecola di glucosio di partenza). Le reazioni di ossidazione producono anche NADH e FADH2 e liberano CO2.
La catena di trasporto degli elettroni produce molte molecole di ATP La catena di trasporto degli elettroni è localizzata nelle creste mitocondriali, e consente di immagazzinare energia nelle molecole di ATP. Gli elettroni che fanno il loro ingresso nella catena di trasporto sono veicolati dal NADH e dal FADH2.
La catena di trasporto degli elettroni Molti dei trasportatori della catena che si «passano» gli elettroni tra loro, a cascata, sono molecole chiamate citocromi. Quando gli elettroni vengono trasferiti da un trasportatore al successivo, l’energia liberata viene usata per formare ATP. L’ossigeno è l’accettore finale degli elettroni in uscita dalla catena di trasporto: esso riceve gli elettroni a bassa energia e si combina con gli ioni idrogeno formando acqua.
Il calcolo dell’energia prodotta sotto forma di ATP L’ossidazione completa di una molecola di glucosio produce 36-38 ATP: 2 ATP sono prodotti nel citoplasma (glicolisi); 2 ATP sono prodotti nel mitocondrio (ciclo di Krebs); 32-34 ATP sono prodotti lungo i passaggi della catena di trasporto degli elettroni.
La fermentazione è una via metabolica alternativa Quando la cellula è in carenza di ossigeno, può ricorrere alla fermentazione. Nelle cellule animali, il piruvato in arrivo dalla glicolisi accetta due atomi di idrogeno, riducendosi a lattato, perciò si parla di fermentazione lattica. Altri organismi producono invece alcol etilico e liberano CO2 attraverso la fermentazione alcolica.
La fermentazione La fermentazione produce solo 2 ATP attraverso la sintesi a livello del substrato, ma fornisce energia in modo rapidissimo per attività di breve durata. La fermentazione alcolica sfrutta i lieviti che fermentano e viene impiegata per la panificazione e la produzione di vino e birra. Alcuni batteri svolgono la fermentazione acetica, che produce l’aceto di vino. Lo yogurt, la panna acida e i formaggi sono invece prodotti sfruttando i batteri della fermentazione lattica.
Le diverse vie metaboliche hanno punti chiave comuni Il metabolismo implica il catabolismo (degradazione) e l’anabolismo (sintesi). I carboidrati, le proteine e i grassi possono essere metabolizzati secondo vie di degradazione, dette reazioni cataboliche, in diversi punti chiave del metabolismo, per sintetizzare ATP.