Flusso dell’energia RESPIRAZIONE CELLULARE

Presentazione sul tema: "Flusso dell’energia RESPIRAZIONE CELLULARE"— Transcript della presentazione:

1 Flusso dell’energia RESPIRAZIONE CELLULARE
Da dove proviene l’energia necessaria alla produzione di ATP ? Tutti i viventi ricavano energia dalla demolizione del glucosio, uno zucchero a sei atomi di carbonio. Questo processo libera energia chimica che viene immagazzinata sotto forma di ATP per essere trasportata e resa disponibile alle reazioni dell'anabolismo cellulare.

2 Le cellule respirano? 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 CO2 o H2O) vengono eliminati dalla cellula e, negli organismi superiori, escreti attraverso la respirazione polmonare e le urine.

3 Equazione generale della respirazione cellulare
C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + 36 ATP Ossigeno Acqua Glucosio Anidride Carbonica O2 CO2 LA RESPIRAZIONE ESTERNA E’ UNA CONSEGUENZA DELLA RESPIRAZIONE CELLULARE

4 Quanto efficiente è la respirazione?
Energy released from glucose banked in ATP Energy released from glucose (as heat and light) Gasoline energy converted to movement 100% About 40% 25% Burning glucose in an experiment “Burning” glucose in cellular respiration Burning gasoline in an auto engine

5 O C 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,trasportata dall’ATP Es:METANO CH O2 → CO H ENERGIA H C O H H H H H

6 Anche nel processo della respirazione avviene un trasferimento di atomi di idrogeno legati al carbonio del glucosio, all’ossigeno, per formare acqua. C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 36ATP. Durante questo processo si libera energia solo che non viene dispersa come nel caso del metano, ma trasformata in ATP Vi ricordo che un atomo di idrogeno e formato da un elettone ed un protone Quindi, un atomo di idrogeno, per così dire, “trasporta” un elettrone

7 C’è quindi bisogno di sostanze in grado di trasportare
questi atomi di idrogeno, cioè elettroni, da una specie chimica ad un’altra. Questo compito lo svolgono dagli “aiutanti” degli enzimi: I COENZIMI Sono due: NAD e FAD Ma se devono trasportare gli elettroni, devono esistere in due forme: Una forma senza elettroni( cioè atomi di H) ed una con gli elettroni

8 Rispetto alla forma a destra (che si dice ridotta) ci sono 2due elettroni in più (2H)
Nelle forma a sinistra (si dice ossidata) ci sono due elettroni in meno (2H) NAD+ + 2H  NADH + H+

9 FAD + 2H  FADH2 …anche il coenzima FAD trasporta due elettroni
Nelle forma a sinistra (si dice ossidata) ci sono due elettroni in meno (2H) Rispetto alla forma a destra (che si dice ridotta) ci sono due elettroni in più (2H) FAD + 2H  FADH2

10 …A questo punto sappiamo che l’energia può essere
trasportata dall’ATP e che gli elettroni vengono trasportati dai coenzimi(NAD+ e FAD) …ma il glucosio che mangiamo da dove proviene? Saccarosio disaccaride glucosio fruttosio

11 Queste molecole vengono idrolizzate ed il glucosio arriva alle cellule
Dove viene ossidato, cioè trasformato in CO2 ed H2O ma, come potete vedere Nel disegno sottostante, avviene attraverso una prima fase nel citosol (glicolisi) ed una nei mitocondri (l’ossidazione con ossigeno) O2 O2 O2

12 Vediamo la prima parte: LA GLICOLISI ANEROBICA (senza ossigeno)
La glicolisi avviene nel citosol, in assenza di ossigeno. Attraverso 10 reazioni chimiche il glucosio viene trasformato in 2 molecole di piruvato (o acido piruvico) 2 molecole di ATP 2 molecole di NADH La glicolisi è un processo molto antico

13 Ac. piruvico + NADH +H+ → Ac. lattico + NAD+
Il destino dell’acido piruvico Fermentazione lattica. In condizioni anaerobiche, cioè in assenza di ossigeno, bisogna che qualche altra molecola funga da accettore di H. Questo ruolo può essere svolto dall’ acido lattico che si forma aggiungendo due atomi di H all’acido piruvico (viene ridotto) per consentire l’ossidazione del NADH a NAD+. Questa via metabolica si realizza per esempio nel muscolo scheletrico che si contrae violentemente, in questo caso si parla di fermentazione omolattica. Anche alcuni batteri anaerobi trasformano il glucosio in acido piruvico e poi questo in acido lattico, questa viene chiamata fermentazione lattica ed è responsabile dell’inacidimento del latte nello yogurt. Ac. piruvico + NADH +H+ → Ac. lattico + NAD+

14 Nel nostro organismo, quando si effettua uno sforzo muscolare intenso,
l’energia si ricava dalla glicolisi che produce acido piruvico. Quest’ultimo, se è in eccesso, viene trasformato in acido lattico e si accumula nei muscoli, provocando dolore. Anche quando si produce lo yogurt avviene la stessa cosa ad opera di batteri

15 La fermentazione alcolica
In condizioni anaerobiche l’acido piruvico, il prodotto finale della glicolisi, può essere ridotto con una diversa via metabolica. Alcuni microrganismi anaerobi, come il lievito di birra, decarbossilano l’acido piruvico ad acetaldeide e poi riducono quest’ultima ad etanolo. In questo modo ossidano il NADH a NAD+ e possono continuare a ricavare energia dalla glicolisi. 2 Il lievito più comunemente usato è Saccharomyces cerevisiae, che è "addomesticato" da migliaia di anni per la produzione di vino, pane e birra.

16 …e in presenza di ossigeno nel nostro organismo, qual è il
destino dell’acido piruvico? L’acido piruvico che si è formato nel citosol contiene ancora energia ma per essere sfruttata c’è bisogno di un complesso processo che avviene nei mitocondri ed in presenza di ossigeno (respirazione aerobica). A questo punto deve entrare nel mitocondrio. Vediamo come sono fatti:

17 L’acido piruvico a questo punto entra nei mitocondri,
nella matrice mitocondriale per l’esattezza e qui viene trasformato in acetil-CoA (acetilcoenzima A) Come si vede, nella reazione si forma un NADH ed una molecola di CO2

18 13/11/11 13/11/11 L’acetil-CoA è un crocevia molto importante. Gli acidi grassi infatti vengono ossidati e trasformati in questa sostanza, in caso di richiesta di energia. In caso contario, i lipidi vengono sintetizzati a partire dall’acetilCoA Detto in altri termini, se mangiamo zuccheri possiamo accumulare lipidi. 18 18 18

19 Ciclo dell’acido citrico (Krebs)
Siamo nella matrice mitocondriale. Qui una serie di enzimi preleva il gruppo acetile dall’acetilCoA e lo lega a una molecola a 4 atomi di C (ac.ossalacetico) per formare una molecola con 6 atomi di C: l’acido citrico (è quello che troviamo nel limone) Si producono 8 atomi di idrogeno, quindi 8 elettroni che si legano ai coenzimi che conosciamo: NAD+ e FAD per formare NADH e FADH2

20 Il ciclo avviene in 9 tappe che vedete qui schematizzate
Acido ossalacetico ADP + P →ATP FAD + 2H→ FADH2

21 1 ATP X 2= 2ATP 3 NADH X2 = 6NADH 1 FADH2 X2= 2 FADH2 2 ATP 2 NADH
In sintesi, ad ogni “giro” del ciclo di Krebs di formano, per ogni molecola di glucosio, 1 ATP X 2= 2ATP 3 NADH X2 = 6NADH 1 FADH2 X2= 2 FADH2 (bisogna moltiplicare per due perché da ogni molecola di glucosio (6C) si formano due molecole di acido piruvico (3C) e due molecole di acetil-coA.) A queste vanno aggiunte le molecole ottenute dalla glicolisi: 2 ATP 2 NADH Un rendimento nettamente inferiore a quello del ciclo di Krebs Vediamo ora il quadro riassuntivo

22 2 6 TOTALE 4 10 QUADRO RIASSUNTIVO ATP NADH FADH2 GLICOLISI
ACIDO P- ACETIL CoA CICLO KREBS 6 TOTALE 4 10 A questo punto, affinchè le cellule possano utilizzare l’energia immagazzinata nel NADH e FADH2, queste molecole devono entrare nell’ultimo processo della respirazione: LA FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

23 FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA
Comprende due processi: Catena di trasporto dEGLI elettroni CHEMIOOSMOSI Entrambi i processi si svolgono sulla membrana interna dei mitocondri. Nel primo processo il NADH e il FADH2 cedono i propri elettroni alle molecole trasportatrici che li trasportano fino all’ossigeno che è l’accettore finale degli elettroni, trasformandosi in acqua.

24 I) CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI
Citocromo c, una piccola proteina periferica (solubile), presenta il gruppo prostetico eme con ferro. Ubichinone o Coenzima Q, molecola idrofobica diffusibile nel doppio strato 2e 2e FADH2 →FAD + 2H+ Complesso III trasferisce elettroni dal CoenzimaQ al citocromo c Complesso I trasferisce elettroni dal NADH al CoenzimaQ Complesso II trasferisce elettroni dal FADH2 al Coenzima Q Complesso IV trasferisce elettroni dal citocromo c all’O2

25 In sintesi, nella catena di trasporto la forza motrice elettronica è convertita in forza motrice protonica, consentendo il trasporto endoergonico (quindi contro gradiente) di protoni dalla matrice allo spazio intermembrana;

26 II) LA CHEMIOOSMOSI Scoperto nel 1978; è il processo che unisce la catena di trasporto degli elettroni alle reazioni che generano ATP. Tre complessi proteici inclusi nella membrana mitocondriale, utilizzano l’energia liberata dai trasferimenti di elettroni per trasportare attivamente ioni H+ contro gradiente nello spazio compreso tra le due membrane. L’energia potenziale che si è accumulata viene utilizzata per trasformare ADP in ATP.

27 Questo avviene mediante l’intervento di un grosso complesso enzimatico:
l’ATP-SINTETASI Incluso nella membrana mitocondriale, funziona come una turbina in miniatura. Gli ioni H+ tendono ad entrare nella matrice seguendo il proprio gradiente ma sono costretti a passare attraverso l’ATP sintetasi e, mentre precipitano “a valle”, l’energia viene utilizzata per trasformare l’ADP in ATP.

28 2 6 TOTALE 4 10 (X3= 30 ATP) 2 (X2= 4ATP)
Rendimento complessivo della respirazione cellulare Per ogni NADH ossidato nella catena respiratoria si producono 3ATP Per ogni FADH2 ossidato nella catena respiratoria si producono 2ATP ATP NADH FADH2 GLICOLISI 2 ACIDO P- ACETIL CoA CICLO KREBS 6 TOTALE 4 10 (X3= 30 ATP) 2 (X2= 4ATP) TOTALE : 38 MOLECOLE DI ATP PER OGNI MOLE DI GLUCOSIO A volte 36 ATP perché alcune cellule consumano ATP per trasportare Il NADH della glicolisi nei mitocondri.

29 QUADRO RIASSUNTIVO

30 LA FOTOSINTESI Processo che utilizza l’energia luminosa da parte delle piante, alghe e procarioti per sintetizzare composti organici 6CO2 + 6H2O+ E  C6H12O6 + 6O2

31 Organismi fotoautotrofi
Vengono chiamati ORGANISMI PRODUTTORI perché trasformano sostanze inorganiche in sostanze organiche

32 Vediamo come è fatta una foglia
Cellule di guardia che regolano l’entrata di CO2 e l’uscita di O2

33 13/11/11 13/11/11 Gli organismi fotosintetici usano la luce del Sole, l’acqua del suolo e il CO2 dell’atmosfera per produrre composti organici e liberare O2 grazie alla fotosintesi. 33 33 33

34 Il compito della foglia è di catturare la luce, mediante la clorofilla, contenuta nei
cloroplasti

35 LA CLOROFILLA L a clorofilla (ma sarebbe più giusto dire le clorofille) è un pigmento in grado Di catturare l’energia del sole e convertirla in energia chimica. Come si vede, le clorofille sono molecola con una struttura ad anello con al centro un atomo di magnesio poi abbiamo una lunga coda idrofobica che serve a agganciare la clorofilla alla membrana del tilacoide Coda di idrocarburi apolare

36 LA LUCE E’ UNA PIOGGIA DI FOTONI
La luce è una pioggia di fotoni. Legge di Planck: E = h

37 Ci sono anche altri pigmenti come i carotenoidi, di colore arancione
La presenza di più pigmento permette di allargare Lo spettro delle radiazioni assorbite, perché ognuno di essi cattura una particolare lunghezza d’onda Assorbimento della radiazione solare da parte di una foglia

38 RESPIRAZIONE: ossidazione del carbonio
La reazione della fotosintesi è l’inverso della reazione della respirazione RESPIRAZIONE: ossidazione del carbonio C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 36ATP. Trasformazione di energia chimica in lavoro e calore FOTOSINTESI: riduzione del carbonio 6CO2 + 6H2O + Energia → C6H12O6 + 6O2 Trasformazione di energia elettromagnetica in lavoro e calore Quando nel XVIII sec. venne scoperta l’equazione della fotosintesi di pensava che l’O2 eliminato fosse quello della CO2. Fornendo ad una pianta acqua contenente 18O, si è visto però che questo veniva eliminato; quindi l’ossigeno eliminato viene dalla rottura della molecola dell’acqua. L’energia solare viene quindi utilizzata per spezzare la molecole dell’H2O IMPORTANTE: nelle piante avviene sia la fotosintesi che la respirazione. Di giorno prevale la prima, di notte prevale la seconda.

39 LA FASE LUMUNOSA E LA FASE OSCURA
Si distinguono due fasi: LA FASE LUMUNOSA E LA FASE OSCURA Nella fase luminosa l’energia solare viene catturata e trasformata In energia chimica sottoforma di ATP e NADPH; il processo ricorda la respirazione cellulare. Nella fase oscura (chiamata così perché non richiede la presenza di luce) L’energia accumulata nell’ATP e nel NADPH viene utilizzata per ridurre la CO2 a glucosio

40 13/11/11 13/11/11 40 40 40

41 FASE LUMINOSA DELLA FOTOSINTESI
L’acqua è la sostanza di partenza della fotosintesi. La CO2 interviene solo in un secondo tempo. Vediamo quindi come è fatta questa molecola Come si vede al legame covalente polare partecipano due elettroni dell’atomo di ossigeno e due elettroni messi a disposizione dai due atomi di idrogeno

42 Quando quindi troviamo una molecole di acqua scritta così..
Bisogna ricordarsi che ad ogni legame covalente partecipa un elettrone dell’idrogeno ed uno dell’ossigeno. Se dell’energia rompesse i legami si possono liberare quindi 2 atomi di idrogeno 2 elettroni 1 atomo di ossigeno

43 Questa reazione si chiama FOTOLISI DELL’ACQUA ed avviene all’interno dei cloroplasti.
Tuttavia, siccome è una reazione che avviene difficilmente, il 99% dell’ acqua che Proviene dalle radici ritorna nell’aria ( TRASPIRAZIONE). Soltanto l’1% delle molecole d’acqua vengono scisse. Come si vede, da questa reazione si liberano 1 atomo di ossigeno che va ad unirsi Ad un altro atomo per formare ossigeno molecolare O + O O che si libera nell’aria Ma dove finiscono i 2 elettroni e i due atomi di idrogeno? Nelle membrane dei tilacoidi la clorofilla si trova accorpata ad altri pigmenti e proteine, in strutture dall’organizzazione ben precisa a formare unità dette fotosistemi ogni unità contiene dalle 250 alle 400 molecole di pigmenti diversi che funzionano come antenne per catturare la luce. L'energia luminosa, quando è assorbita da uno dei pigmenti antenna, passa saltando da un pigmento all'altro del fotosistema

44 Vi sono due fotosistemi
Vi sono due fotosistemi. Il loro compito è quello di trasferire gli elettroni derivanti Dalla fotolisi dell’acqua a dei livelli energetici più alti e quando scendono ai livelli Energetici che avevano prima l’energia viene utilizzata per fare due cose: ADP Pi E ATP NADP H e NADPH (molecola che trasporta elettroni)

45 H2O + Pi + NADP+ + ADP + E 1/2 O2 + NADPH + H+ + ATP
In conclusione, in questa prima fase della fotosintesi, l’energia solare serve eccitare le clorofille, cioè per far saltare i suoi elettroni da un livello energetico basso ad uno più alto. Le molecole di clorofilla si «rifanno» scindendo la molecola dell’acqua e sottraendo ad essa gli elettroni Quindi la clorofilla funge da accettore primario di elettroni La fase luminosa della fotosintesi ossigenica può venire rappresentata con l'equazione globale: H2O + Pi + NADP+ + ADP + E    /2 O2 + NADPH + H+ + ATP in cui l'H2O funge da donatore di elettroni, il coenzima NADP+ da accettore;  Pi rappresenta il fosfato inorganico.

46 LA FASE OSCURA(indipendente dalla luce)
Il ciclo comincia quando l'anidride carbonica si lega al RuDP (ribulosio difosfato). Per identificare il prodotto di questa reazione, Calvin e i suoi collaboratori Il primo prodotto in cui trovarono gli atomi di carbonio marcati (usati per l’esperimento, in arancione) fu l'acido fosfoglicerico (PGA); ciò indicava che, quando l'anidride carbonica si lega, al RuDP, la molecola si scinde immediatamente per formare due molecole di PGA. Questa reazione è catalizzata da un enzima specifico, la RuDP-carbossilasi (oggi nota come rubisco), che costituisce più del 15% del quantitativo proteico del cloroplasto; la RuDP-carbossilasi, in effetti, è ritenuta la proteina più abbondante sulla Terra. Ogni molecola di PGA prodotta in quest'a reazione iniziale contiene tre atomi di carbonio; per questo motivo, il ciclo di Calvin è conosciuto anche come via del C3. Vediamo i passaggi in dettaglio

47 13/11/11 13/11/11 Il ciclo di Calvin produce glucosio a partire da CO2, ATP e NADPH + H+ generati durante la fase luminosa. 47 47 47

48 La piante utilizzano il 50% dei carboidrati che producono come “carburante” per
la respirazione cellulare, mentre la restante parte è impiegata per la sintesi di altre molecole organiche, come la cellulosa. Quasi tutte la piante sintetizzano di giorno molte più sostanze nutritive di quelle che hanno bisogno; pertanto queste sostanze in eccesso vengono accumulate, sottoforma di amido, nelle radici, nei tuberi e nei frutti. Tutta la vita degli eterotrofi dipende dalla piante. fine