La respirazione cellulare Il meccanismo mediante il quale le cellule aerobie ricavano l’energia dai composti del carbonio utilizzando l’ossigeno atmosferico

L’energia dei composti del carbonio I legami tra atomi di carbonio e di idrogeno immagazzinano energia Il carbonio legato all’idrogeno si definisce carbonio ridotto La rottura di questi legami e la formazione di altri legami tra carbonio e ossigeno e tra idrogeno e ossigeno libera energia H C H H METANO H C H O H

La molecola-energia: il glucosio Il glucosio, sintetizzato dagli organismi fotoautotrofi, immagazzina nei legami chimici l’energia solare impiegata nella fotosintesi. Il glucosio è la fonte principale di energia biologica per tutti gli organismi, sia autotrofi sia eterotrofi

Energia nelle molecole biologiche Il glucosio si presenta come un polimero Saccarosio: o zucchero da cucina -dimero di glucosio e fruttosio- Amido: nei tessuti vegetali Glicogeno: nei tessuti animali Cellulosa: nelle pareti cellulari dei vegetali Cellulosa (legno) Amido (patate, cereali) Saccarosio disaccaride glucosio fruttosio Gli enzimi digestivi non riescono a scindere i legami tra le molecole di glucosio nella cellulosa.

glicolisi La prima tappa della respirazione cellulare è la glicolisi, nel citoplasma Le due molecole di piruvato (a 3 atomi di carbonio) e le molecole di NADH (sulle quali sono caricati gli elettroni e i protoni H+ sottratti al glucosio) non partecipano alle reazioni di fermentazione, ma vengono avviate all’interno del mitocondrio Dal piruvato si libera una molecola di CO2 e il gruppo acetile che rimane (a 2 atomi di carbonio) viene legato a un trasportatore, il coenzima A (CoA), dando origine all’ acetilCoA In nero atomi di carbonio (C) In rosso gruppi fosfato

Il mitocondrio La sede della respirazione ossidativa è il mitocondrio Le membrane dell’organello possono venire attraversate solamente dal “trasportatore” coenzimaA (CoA) La membrana interna ospita delle proteine specializzate: pompe protoniche, che trasportano i protoni H+ contro gradiente (cioè li concentrano solo in un luogo, tra le due membrane) e le proteine di trasporto degli elettroni, che agiscono come una sorta di pile, producendo una corrente elettrica (flusso di elettroni) Spazio tra le due membrane Interno del mitrocondrio

Ciclo di Krebs NAD+ NADH FAD+ FADH2 + H+ ossalacetato citrato piruvato acetilCoA Nel mitocondrio una serie di enzimi preleva il gruppo acetile dall’acetilCoA e lo lega a una molecola a 4 atomi di C Dando origine a una molecola di acido citrico (a 6 atomi C) Una serie di reazioni ossida 2 dei 6 atomi C a CO2 per sottrazione di elettroni e di H+ all’acido citrico Elettroni e protoni vengono caricati su molecole trasportatrici: NAD+ e FAD+ che si riducono a NADH e FADH2 Il prodotto finale della serie di reazioni è la molecola a 4 atomi C, pronta a legarsi con un altro gruppo acetile e riprendere il processo

Fosforilazione ossidativa NADH e FADH2 liberano i protoni H+, accumulati dalle pompe protoniche tra le due membrane del mitocondrio, e gli elettroni (la cui energia fa funzionare le pompe) alle proteine della catena di trasporto. Gli H+, costretti tra le due membrane, sono carichi di energia. Catena di trasporto degli elettroni ATP sintetasi 2 H+ NAD+ 6 H+ e- Gli ioni H+, attraverso un canale che funziona da ATPsintetasi (lega un gruppo fosfato all’ADPfosforilazione),rientrano secondo gradiente nel mitocondrio. Qui l’ossigeno li accoglie assieme agli elettroni che hanno fatto funzionare le pompe e si forma acqua.

Schema riassuntivo Elettroni portati dal NADH GLICOLISI Glucosio  piruvato citoplasma fosforilazione al livello del substrato Fosforilazione ossidativa mitocondrio Elettroni portati dal NADH e dal FADH2 catena di trasporto elettroni e fosforilazione ciclo di Krebs

Prodotti della respirazione cellulare Da ogni molecola di glucosio C6H12O6 che viene completamente ossidata nella cellula si ricavano 36 molecola di ATP (2 vengono consumate per avviare la glicolisi e 4 ne vengono prodotte dalla glicolisi) 6 molecole di CO2 6 molecole di H2O ATP funge da “carica di energia”, come una micropila. Dove serve, cede un gruppo fosfato (Pi) alla molecola che deve essere lavorata e si trasforma in ADP. Per ricaricare ADP ad ATP, viene impiegata l’energia liberata dalla glicolisi e dalla respirazione cellulare Se la cellula viene fornita di glucosio e di altre molecole biologiche in quantità superiore alle sue necessità, questi vengono trasformati in piruvato e successivamente in grasso