La creazione dell’ATP nelle cellule attraverso l’ossidazione del glucosio C6H12O6  6O2  6CO2  6H2O  686 kcal

Enzimi ed ATP (nelle reazioni chimiche) Gli enzimi (proteine) riducono fortemente l’energia di attivazione di una reazione chimica. L’ATP (nucleotide) fornisce l’energia necessaria alla reazione chimica stessa.

Struttura dell’ATP (Adenosintrifosfato) Adenina (base azotata), Ribosio (zucchero) e un gruppo fosforico

ATP Il legame covalente tra i gruppi fosforici si spezza facilmente liberando energia necessaria a guidare molte reazioni essenziali nella cellula. Quando un gruppo fosforico viene rimosso si liberano circa 7 kilocalorie per mole e l’ATP diviene ADP (adenosindifosfato). Fornendo 7 kilocalorie per mole, l’ADP riacquista il gruppo fosforico e diviene di nuovo ATP.

L’ossidazione del glucosio nella cellula C6H12O6  6O2  6CO2  6H2O  686 kcal Circa il 40% dell’energia liberata in questo processo è utilizzata per trasformare ADP in ATP. In presenza di ossigeno (ambiente aerobico) l’ossidazione completa di una molecola di glucosio produce circa 38 molecole di ATP.

Le due fasi dell’ossidazione completa del glucosio (1) Glicolisi  nel citoplasma della cellula Respirazione  nei mitocondri della cellula (ciclo di Krebs  catena di trasporto degli elettroni) In assenza di ossigeno (ambiente anaerobico, per es. nelle cellule muscolari) la respirazione non può avere luogo e l’ossidazione di una molecola di glucosio produce solo 2 molecole di ATP.

Le due fasi dell’ossidazione completa del glucosio (2)

Le due fasi dell’ossidazione completa del glucosio (3) Nella glicolisi una molecola di glucosio è trasformata in due molecole di acido piruvico. Il guadagno energetico netto, inteso come energia recuperata, è di due molecole di ATP e due molecole di NADH per ogni molecola di glucosio. Nella respirazione molecole di NADH e di FADH2 liberano energia (ossidandosi) che viene utilizzata per la formazione di ATP da ADP e fosfato (fosforilazione ossidativa).

I mitocondri (1) Due membrane (interna ed esterna) selettive. All’interno delle creste della membrana interna vi è una soluzione densa (enzimi, coenzimi, acqua, fosfati, ecc.) detta matrice.

I mitocondri (2)

La glicolisi Alla fine della glicolisi, il glucosio è scisso in due molecole di acido piruvico. Nel processo si liberano 143 kcal. Rimangono 543 kcal nei legami chimici dell’acido piruvico. C6H12O6  2ATP  4ADP  2Pi  2NAD  2CH3COCOOH  2ADP  2H  2H2O   2NADH  4ATP  143kcal Questo processo biochimico avviene per tappe successive; attraverso nove reazioni diverse, ognuna catalizzata da un enzima specifico.

Le nove tappe nella glicolisi (da 1 a 3) C6H12O6  2ATP  4ADP  2Pi  2NAD  2CH3COCOOH  2ADP  4ATP  2NADH  2H  2H2O  143kcal

Le nove tappe nella glicolisi (la 4) C6H12O6  2ATP  4ADP  2Pi  2NAD  2CH3COCOOH  2ADP  4ATP  2NADH  2H  2H2O  143kcal

Le nove tappe nella glicolisi (da 5 a 7) C6H12O6  2ATP  4ADP  2Pi  2NAD  2CH3COCOOH  2ADP  4ATP  2NADH  2H  2H2O  143kcal

Le nove tappe nella glicolisi (da 8 a 9) C6H12O6  2ATP  4ADP  2Pi  2NAD  2CH3COCOOH  2ADP  4ATP  2NADH  2H  2H2O  143kcal

Il passaggio preliminare alla respirazione L’acido piruvico passa dal citoplasma, attraverso la membrana dei mitocondri, nella matrice mitocondriale. Prima di entrare nel ciclo di Krebs (prima tappa della respirazione), ogni molecola di acido piruvico viene ossidata: CH3COCOOH  A  NAD CH3COA  CO2  NADH L’acetil-CoA dà inizio al ciclo di Krebs.

Ciclo di Krebs (1)

CH3COA  ac. ossalacetico  NAD  Pi  NAD  FAD Ciclo di Krebs (2) Nel corso del ciclo, due dei sei atomi di carbonio sono ossidati a CO2 e parte dell’energia rilasciata è utilizzata per la produzione di NADH, ATP e FADH2. CH3COA  ac. ossalacetico  NAD  Pi  NAD  FAD  ac. ossalacetico  CH3CoA  2CO2  CoA   ATP  3NADH  NAFH2

La catena di trasporto di elettroni Dopo il ciclo di Krebs la molecola di glucosio è completamente ossidata ma molta dell’energia liberata si trova negli elettroni delle molecole di NADH e NAFH2. Le molecole di NADH e NAFH2, nei pressi della membrana mitocondriale interna, si vengono a trovare in un gradiente di protoni (catena di trasporto) e perdono per ossidazione i propri elettroni energetici in un processo che porta alla formazione di acqua e molecole di ATP per fosforilazione ossidativa. E’ stato stimato che, nella catena di trasporto degli elettroni, per ogni molecola di NAFH2 e NADH si formano rispettivamente due e tre molecole di ATP.

Ipotesi chemiosmotica

(38 molecole di ATP)  (7 kcal) = 266 kcal (40%) Bilancio energetico massimo nell’ossidazione di una molecola di glucosio C6H12O6  6O2  6CO2  6H2O  686 kcal (38 molecole di ATP)  (7 kcal) = 266 kcal (40%)