LA RESPIRAZIONE CELLURARE

La respirazione cellulare è il meccanismo attraverso cui la cellula, in presenza di ossigeno, è in grado di ricavare energia.La sede di questo processo è il mitocondrio.

I mitocondri (dal greco”mitos”,filo e“condros”corpuscolo)generalmente definiti”la

centrale elettrica della cellula”

sono degli organuli endocellulari che presentano una

forma bastoncellare o a fagiolo con un diametro di 0,5

µm ed una lunghezza di 1-2µm.Morfologicamente i

mitocondri sono caratterizzati da una membrana esterna

e da una membrana interna.le due membrane delimitano

due compartimenti che sono chiamati camera esterna e

matrice.La camera esterna è lo spazio compreso tra le

due membrane,la matrice è , invece,lo spazio delimitato

dalla membrana interna.

La membrana interna presenta delle invaginazioni,che si estendono nella matrice,denominate creste mitocondriali.Le due membrane differiscono fra di loro per la composizione chimica,infatti la membrana esterna e caratterizzata da un maggiore contenuto di lipidi rispetto alle proteine mentre la membrana interna risulta essere costituita maggiormente da proteine ed inoltre ècaratterizzata dalla presenza di cardiolipina,un fosfolipide raro che d’altra parte è del tutto assente in quella esterna.

Nella matrice sono contenuti ribosomi e molecole circolari di mtDNA che sono molto simili a quelli

delle cellule procariotiche e la loro presenza permette ai mitocondri la sintesi di proteine che

rendono questi organuli semi-autonomi rispetto alla cellula stessa.Tra le sostanze che essi possono sintetizzare autonomamente sono comprese le

proteine del comlplesso Fo-F1 ATPsintetasi

Fo è un complesso proteico che svolge la funzione di

canale di transito per protoni,F1 catalizza la reazione di sintesi dell’ATP,che costituisce la moneta energetica,a

partire da ADP+Pi.

Cosa avviene nel processo

di respirazione cellulare?All’interno dei mitocondri avvengono delle reazioni

redox,che producono energia,nelle quali un composto (riducente) trasferisce elettroni ad un altro composto (ossidante).In queste reazioni gli elettroni si spostano da composti che li legano a se ad alti livelli energetici a composti che li legano a livelli energetici sempre più

bassi fino ad arrivare all’accettore finale che èl’ossigeno il quale,con l’aggiunta di due protoni

H+,formerà H2O.

Un ruolo molto importante che consiste nel trasporto degli elettroni fino all’accettore finale ,che abbiamo

detto essere l’O2,lungo la catena respiratoria è svoltodai cofattori NAD+ e FAD,che veicolano gli elettroni

riducendosi a NADH+H+ e FADH2.

NAD(NICOTINAMMIDE ADENIN DINUCLEOTIDE) FAD(FLAVIN ADENIN DINUCLEOTIDE)FAD(FLAVIN ADENIN DINUCLEOTIDE)

Le molecole che ,ossidandosi,consentiranno ai mitocondri di produrre ATP sono i carboidrati,i lipidi,le

proteine e gli acidi nucleici.Poichè sono molecole relativamente grandi prima di entrare nei mitocondri

subiranno delle particolari modificazioni che differiscono a seconda della natura chimica.I

carboidrati vengono idrolizzati in monosaccaridi,le proteine in amminoacidi che successivamente

verranno deaminati(-NH2),I lipidi scissi in glicerolo e acidi grassi.Tali modificazioni prendono luogo nel

citoplasma,ed inoltre i monosaccaridi sono soggetti ad un’ulteriore trasformazione che porta alla formazione di piruvato( CH3-CO-COOH) e che prende il nome di

glicolisi.

LA GLICOLISIEssa dunque consiste nel

processo di ossidazione di un monosaccaride con formazione di due molecole di piruvato che si realizza

in dieci tappe.

Reazione 1Nella 1°tappa il glucosio viene fosforilato in gluco sio 6-fosfato.

la reazione è catalizzata dall’enzimaesochinasi con consumo di una molecola

di ATP.

Reazione 2Nella 2°tappa si ha l’isomerizzazioneDel glucosio 6-P in fruttosio 6-P.Ad opera è l’enzimaFosfoglucoisomerasi.

Reazione 3Nel 3°step il fruttosio 6-P viene ulteriormente fosforilato.L’enzimacatalizzante è la fosfofruttochinasi.A tal punto la cellula si trova in difetto di 2 ATP,che sono state usateper formare una molecola instabile in modo da facilitare la rottura del legame covalente,infatti la presenza nella molecola di due radicali fosforici legati al C1 e al C6,che sono all’esterno dell’anello,fa si che gli elettroni vengano attratti dai due fosfati.Ciò indebolirà il legame tra gli atomi di C3 e C4,favorendo la rottura della molecola e la formazione di due molecole a tre atomi di carbonio:La (3PGAL)Gliceraldeide 3-fosfatoe il (DHAP)Diidrossiacetone fosfato.

Reazione 4La 4°fase della glicolisi ,catalizzata dall’enzima a ldolasi,consiste

nella scissione del fruttosio 1,6-bifosfato in gliceraldeide-3-P e diidrossiacetone fosfato,composti a tre atomi di

carbonio.Tuttavia soltanto la 3PGAL entra nella fase successiva.

Reazione 5 e 6Man mano che la 3PGAL viene consumata cedendo 2 elettroni e

e due protoni al NAD+ riducendolo a NADH+H+ formando 1,3 difosfoglicerato ad opera della 3PGAL

deidrogenanasi(REAZIONE 6) ,entra in gioco unenzima,la trioso fosfato isomerasi,che trasforma il DHAP in

3PGAL.

Reazione 7 e 8Il 7°step consiste nella defosforilazione del 1-3 dif osfoglicerato

In 3-fosfoglicerato con guadagno di una molecola di ATP,l’enzima che catalizza la reazione è la fosfoglicerato chinasi.

Successivamente il G3P è soggetto ad un riarrangiamentocatalizzato dalla fosfoglicerato mutasi con formazione di

2-fosfoclicerato.

Reazione 9 e 10Nella penultima reazione il 2-fosfoglicerato viene disidratato a

fosfoenolpiruvato,reazione catalizzata dall’enzima Enolasi,infine quest’ultimo composto viene defosforilato dalla Piruvato chinasi,con guadagno netto di un un ATP per ogni

trioso quindi in totale due; in enolpiruvato che dopo un ultimo riarrangiamento diventa acido piruvico.

Il resoconto energetico della glicolisi è:

• 2 molecole di ATP e non 4 perché nelle prime fasi si ha un dispendio energetico pari a 2 ATP

• 2 NADH+H+

• 2 molecole di H2O

Una volta che si ha ottenuto il piruvato vi sono due possibiltà d’impiego di quest’ultimo a seconda che la

cellula si trovi in condizione di aerobiosi o anaerobiosi.

Se la cellula è in anaerobiosi avviene un processo denominato FERMENTAZIONE,che consiste nel processo di riossidazione del NAD+ e del FAD.

La Fermentazione può essere Lattica o Alcolica.

Nella fermentazione lattica il piruvato agisce da accettore di elettroni e protoni legati al cofattore

NADH+,trasformandosi in acido lattico.Questo tipo di fermentazione avviene anche in organismi che

normalmente si trovano in condizione aerobica ma sono in deficit d’ossigeno,es:miocita.

La Fermentazione Alcolica,come nel caso dei lieviti consta di due tappe.Nella prima l’acido piruvico viene decarbossilato dalla piruvato decarbossilasi in acetaldeide con conseguente produzione di CO2,nella seconda l’acetaldeide viene deidrogenata ad alcol etilico con conseguente ossidazione del NAD+(l’enzima che catalizza la reazione è la Alcol Deidrogenasi).Sia la fermentazione lattica che quella alcolica sono dei processi che non avvengono nel mitocondrio ma nel citoplasma.

IL percorso svolto dal piruvato in cellule in aerobiosi e ben diverso da quello poc’anzi esposto,infatti il piruvati

per poter subire una completa ossidazione deve entrare nella matrice mitocondriale attraversando le

due membrane.Nella matrice è presente il complesso multienzimatico della piruvato deidrogenasi,che

contiene più copie di tre enzimi ad attivitàcatalitica:piruvato deidrogenasi,diidrolipoammideacetiltransferasi e diidrolipoammide deidrogenasi.

IL complesso multienzimatico della piruvatodeidrogenasi è responsabile della rapida

trasformazione del piruvato in gruppo acetile che viene rapidemente legato al coenzimacoenzima A(A(CoACoA),),una molecola nucleotidica,formando aceti-coenzima A.

Sintesi acetil-CoA=CH3COCOOH+(NAD+)+CoA=>=>acetil-CoA+(NADH+H+)+CO2

Ciclo di Krebs

Nella matrice sono presenti gli enzimi che consentono la completa ossidazione del gruppo acetile,derivato dal piruvato,in CO2,grazie ad una serie di reazioni che vengono indicate complessivamente come ciclo dell’acido citrico.Il ciclo inizia con la cessione del gruppo acetile(CH3-CO-)da parte dell’acetilCoA all’acido ossalacetico(COO¯-CO-CH3-COO¯)che sitrasforma in citrato.il 2°step,catalizzato dall’Acon tasi, consiste nell’isomerizzazione del citrato in isocitrato,successivamente l’isocitrato va incontro a decarbossilazione ossidativa(Isocitrato deidrogenasi) formando α-chetoglutarato,NADH ridotto e una molecola ci CO2.La reazione successiva molto simile alla precedente prevede la decarbossilazione ossidativa dell’α-chetoglutarato(glutarato deidrogenasi)formando nuovamente CO2,NADH ridotto e un composto a cui viene aggiunto il CoAche prende il nome di succinil-CoA.

(dominio catalitico della diidrolipoammide �

succiniltransferasi,parte del complesso della α-chetoglutarato deiidrogenasi)

Nella 5 tappa del ciclo che consiste nella trasformazione del succinil-CoA in succinato,si assiste ad una

fosforilazione diretta del subatrato,inffatti l’energia che si ottiene dalla rottura del legame fra CoA e la

rimanete parte costituente il succinil-CoA viene usata dalla succinil-CoA sintetasi per legare un radicale

fosforico ad una molecola di ADP o GDP.Il composto finale di questa tappa è il succinato.

4°reazione 5°reazione

� �

Il ciclo continua e il succinato viene ossidato dalla succinato deidrogenasi ,riduncedo 1 FAD a FADH2,e

si forma acido fumarico.

Nella penultima reazione il fumarato

,idratato dalla fumarasi, forma

l’acido malico.Nell’ultima tappa il

malato viene ossidato ad ossalacetato

dalla malato deidrogenasi,producendo una molecola di NADH ridotto,e il ciclo si chiude.

In ogni ciclo dunque si avrà la liberazione di 2 molecole di CO2 e la formazione di 3 molecole di

NADH,FADH2,1 di ATP o GTP.Tenendo conto che i gruppi acetile inseriti nel ciclo sono due per ogni molecola di glucosio,i prodotti vanno duplicati.Seconsideriamo ulteriormente che le 2 molecole di

piruvato ottenute dalla glicolisi,prima di entrare nel ciclo di crebs,siano state trasformate in acetil-CoA

formando 2 molecole di CO2 e NADH+H+,la reazione di ossidazione completa dei prodotti della glicolisi

diventa:

2(CH3-CO-COO¯)+8(NAD+)+2FAD+2ADP+2Pi��

��6CO2+8NADH+(8H+)+2FADH2+2ATP

SISTEMI SHUTTLE

Le molecole di NADH formatesi nelcitoplasma,in seguito alla glicolisi,non riescono a passare la membranainterna per cedere i loro elettroni allacatena di trasporto,quindi le cellule per recuperare l’energia degli elettroni conservata nelle molecole di NADH fanno ricorso ai sistemi navetta.In alcune cellule i NADH in questione vengono ossidati a livello della membrana esterna del mitocondrio cedendo i propri e¯ ad una molecola di DHAP che si trasforma in glicerolo-3-P.Quest’ultimo attraversa lamembrana interna e si ossida a DHAP riducendo una molecola di FAD a FADH2.Il DHAP ritorna nel citoplasma ed èpronto a ricominciare il ciclo.

Con questo tipo di sistema, pur essendo vantaggioso per la cellula,si ha perdita di energia in quanto nella

molecole di FADH2 gli elettrone si trovano ad un livello energetico più basso rispetto a quello con cui

sono legati nelle molecole di NADH.

In altri tipi di cellule,come cellule cardiache o muscolari,le molecole di NADH, provenienti dal citoplasma,vendono ossidate nel compartimento

intermembranario,in seguito alla trasformazione di un molecola di ossalacetato in malato; quest’ultimo

attraversa la membrana interna e viene riossidato a ossalacetato riducendo una molecola NAD+ a NADH.

In questo sistema l’energia viene conservata integralmente.

CATENA DI TRASPORTO DEGLI e¯Nella membrana interna dei mitocondri vi sono 4

complessi in grado in grado di trasferire all’ossigeno gli elettroni trasportati dalle molecole di NADH.

Complesso 1:NADH-CoenzimQ ossidoreduttasiComplesso 2:succinato-CoenzimaQ ossidorettutasiComplesso 3:CoenzimaQ-citocromo c ossidoreduttasiComplesso 4:Citocromo c ossidasi

Ogni complesso è costituito da:

• Enzima principale, che consente il trasferimento degli e¯.

• Gruppi prostetici associati a proteine, che accettono e cedono gli e¯.

• Proteine strutturali,che nei complessi 1,3 e 4 consentono la formazione del gradiente protonico nello spazio intermembranario.

Inoltre vi sono due trasportatori mobili che trasferiscono gli elletroni da un complesso all’altro.

Il 1°è l’Ubichinone,molecola organica non proteica

il 2°è il citocromo c, una proteina molto piccola a cui èassociato un gruppo prostetico.

L’Ubichinone o Coenzima Q è formato da una struttura ad anello detta chinone e da una lunga catena apolare.L’ubichinone pare essere situata nella parte apolare della membrana interna e, movendosi liberamente consentirebbe il trasferimento di e¯ e H+tra i vari trasportatori.

Coenzima Q ossidato Coenzima Q forma semichinonica

CoenzimaQ ridotto

I gruppi Prostetici che associati alle proteine permettono il trasferimento di elettrroni sono di 4 tipi:

• Citocromi(a,a3,b,c1),composti caratterizzati da un anello tetrapirrolico con al centro un atomo di ferro.

Essi passano dallo stato ossidato allo stato ridotto in

quanto l’atomo di Fe centrale,acquistando o cedendo

un elettrone, passa da Fe2+ a Fe3+.

• FAD e FMN(flavin mononucleotide)

• Centri ferro-zolfo,in cui atomi di Fe

e di S sono legati con legami covalenti.

Il complesso formato dai centri Fe-S

e dalle proteine associate costituiscono

Le proteine ferro-zolfo che sono sono la classe di

trasportatori di elettroni mitocondriale più numerosa.

• Centri a rame,dove un atomo di rame,legato ed un residuo di istidina, cisteina o metionina, permette il trasferimento di elettroni,passando da uno stato ridotto

Cu+ ad uno stato ossidato Cu2+.

Fosforilazione ossidativaNel 1961 Mitchell enunciò la teoria chemiosmotica che per la prima voltaMetteva in relazione la respirazione cellulareCon la sintesi di ATP,spiegandone il meccanismo.Sempre nello stesso anno Racker dimostro che,isolandole particelle F0 ed F1dell’ATPsintasi,in loro assenza la Sintesi di ATP non avveniva,nonostante il trasporto di elettroni si verificasse normalmente.Egli inoltre verificò che senza trasporto di elettroni,non creandosi il gradiente protonico,il complesso F0-F1 non sintetizza ATP;infatti l’uso si sostanze disaccoppianti,che impediscono la formazione del gradiente, provoca il rilascio dell’energia ceduta dagli elettroni,durante il loro trasferimento lungo la catena diTrasporto, sotto forma di calore.

Secondo la teoria chemiosmotica di Mitchell,nelle tappe del trasferimento di elettroni in cui viene rilasciata energia

libera,quest’ultima viene utilizzata per trasferire protoni dalla matrice allo spazio intermembranario.IL complesso 1 libera energia

sufficiente per spingere nella camera esterna 4 protoni,mentre icomplessi 3 e 4 consentono la spinta di 2 protoni.Ancora non è ben

chiaro il meccanismo che permette ai complessi 1,3 e 4 di trasferire i protoni ,ma l’ipotesi più accreditata è quella della modificazione

conformazionale proposta da Boyer,secondo la quale quando un trasportatore di elettroni si riduce,induce un cambiamento

conformazionale in una delle molecole proteiche associate al complesso.Tale cambiamento attiva sul versante della matrice un sito di legame ad alta affinità per un protone;quando il trasportatore saràossidato,il sito di legame del protone si modificherà volgendosi verso

il compartimento intermembrana dove il protone sarà rilasciato in seguito alla diminuita affinità.Il ritorno dei protoni nella matrice avviene attraverso la particella F0,ciò provoca il riequilibrio del

potenziale di membrana e la cessione di energia al sistema;tale energia verrà utilizzata da F1 per sintetizzare ATP.

Per concludere,la quantità energetica che una cellula può ricavare dall’ossidazione di una molecola di glucosio si può calcolare

tenendo conto che ogni molecola di NADH porta alla sintesi di 2,5 molecole di ATP mentre una molecola di FADH2 forma 1,5

molecole ATP.ATP da NADH della matrice 8x2,5=20ATP da FADH2 della matrice 2x1,5=3

ATP da ciclo di Krebs 2ATP da glicolisi 2ATP da NADHglicolisi(shuttle DHAP) 2x1,5=3

Tot = 30o ATP da NADH

glicolisi(shuttle a.malico) 2x2,5=5Tot = 32