Respirazione Cellulare

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Capitolo 6

La respirazione cellulare


6.1 La respirazione polmonare rifornisce le nostre cellule di ossigeno ed elimina diossido di carbonio

La respirazione polmonare permette gli scambi di ossigeno molecolare (O2) e diossido di carbonio (CO2) tra un organismo e il suo ambiente.

Figura 6.1

Introduzione alla respirazione cellulare

CO2

CO2

O2

O2Circolo sanguigno

Le cellule muscolari svolgono la

Respirazione cellulare

Respirazione polmonare

Glucosio O2

CO2 H2O ATP

Polmoni

I polmoni svolgono la


6.2 La respirazione cellulare accumula energia sotto forma di molecole di ATP

La respirazione cellulare scinde le molecole di glucosio e immagazzina la loro energia sotto forma di molecole di ATP.

C6H12O6 CO26 H2O ATP

Glucosio Ossigeno gassoso

Diossido di carbonio

6

Acqua Energia

O2 6+ + +

Figura 6.2


6.3 Il nostro corpo utilizza l’energia dell’ATP per svolgere le proprie attività

L’ATP è il «motore» di quasi tutte le attività di cellule e corpo.

Tabella 6.3

COLLEGAMENTI


6.4 Le cellule ricavano energia trasferendo elettroni dalle molecole organiche all’ossigeno

• Durante il loro trasferimento dai composti organici all’ossigeno gli elettroni liberano energia potenziale.

• Quando il glucosio è trasformato in diossido di carbonio, perde atomi di idrogeno, che vengono acquistati dall’ossigeno molecolare, formando acqua.

C6H12O6 6 O2 6 CO2 6 H2O

Perdita d’atomi di idrogeno

Acquisto di atomi di idrogeno

Energia

(ATP)Glucosio

+ + +

Figura 6.4


Un enzima, detto deidrogenasi, rimuove gli elettroni (negli atomi di idrogeno) dalle molecole organiche (ossidazione) e li trasferisce al coenzima NAD+ (riduzione).

Figura 6.5

O HH O 2H

Riduzione

Deidrogenasi

(trasporta 2 elettroni)

NAD 2H

2H 2e

NADH H

Ossidazione

+

+

+

+

6.5 Speciali molecole come il NAD+ trasportano gli elettroni nelle reazioni redox


COLLEGAMENTI6.6 Le etichette dei cibi confezionati indicano il contenuto energetico e nutrizionale degli alimenti

Le etichette degli alimenti confezionati contengono varie informazioni, tra le quali le calorie contenute nei cibi.

Figura 6.6


6.7 La glicolisi ricava energia chimica ossidando il glucosio in acido piruvico

Nella glicolisi, l’ATP è utilizzato per rompere una molecola di glucosio che è trasformato in due molecole di acido piruvico.

NAD NADH H

Glucosio2 molecole

di acido piruvico

ATP2P2 ADP

22

2

2

+

+

Figura 6.7A

Gli stadi della respirazione cellulare


La glicolisi produce ATP mediante un processo chiamato fosforilazione a livello del substrato nel quale un gruppo fosfato è trasferito da una molecola organica (substrato) ad una molecola di ADP.

Enzima

Adenosina

Molecola organica (substrato)

ADP ATP

P

PP P

P

Figura 6.7B


1 3

4

1

Nella prima fase della glicolisi (fase di preparazione) l’ATP è usato per fornire energia a una molecola di glucosio, che viene poi scissa in due.

2

3

4

Figura 6.7C


Nella seconda fase della glicolisi (fase di produzione di energia) si formano ATP, NADH e acido piruvico.

5 5

66

77

88

99


CO2

Acido piruvico

NAD NADH H

CoAAcetil CoA

(acetil coenzima A)

Coenzima A

Figura 6.8

6.8 Prima di entrare nel ciclo di Krebs, l’acido piruvico viene modificato

Prima del ciclo di Krebs, gli enzimi trasformano l’acido piruvico, liberando CO2 e formando NADH e acetilcoenzima A (acetil-CoA).

1

2

3


6.9 Il ciclo di Krebs completa l’ossidazione delle molecole organiche dando origine a NADH e FADH2

• Nel ciclo di Krebs, viene ossidato il gruppo acetile a due atomi di carbonio della molecola di acetil-CoA.

CoACoA

CO2

NAD

NADHFAD

FADH2

ATP P

CICLO DI KREBS

ADP

3

3

3 H

Acetil CoA

2

Figura 6.9A

• I due atomi di carbonio vengono legati a un composto a quattro atomi di carbonio formando acido citrico, che viene poi riconvertito nel composto di partenza.


Per ogni giro del ciclo di Krebs:

• sono liberate due molecole di CO2;

• si formano una molecola di ATP, tre di NADH e una di FADH2.

1

1

3

CICLO DI KREBS

Acido ossalacetico

CoA

CoA2 atomi di carbonio entrano nel ciclo

Acetil-CoA

Acido citrico

esce dal ciclo

H

NAD

NADH

CO2

Acido alfa-chetoglutarico

esce dal cicloCO2

ADP + P

NAD

NADH H

ATP

Acido succinico

FAD

FADH2

Acido malico

H

NAD

NADH

2

2

4

5

4

2

1

3

Figura 6.9B


6.10 NADH e FADH2 cedono i propri elettroni alla catena di trasporto e infine all’ossigeno

• La catena di trasporto degli elettroni è lo stadio finale della respirazione cellulare.

• L’energia liberata dalle reazioni redox è usata per trasportare attivamente ioni H+ nello spazio intermembrana dei mitocondri.

H2O

NAD

NADH

ATP

H

H

Energia possibile

per la sintesi di

ATP

Catena di trasporto

degli elettroni2 O2

2e

2e

12

Figura 6.10


• Il NADH trasferisce gli elettroni alla catena di trasporto degli elettroni, localizzata sulla membrana interna dei mitocondri.

• Man mano che gli elettroni «scendono» lungo un «pendio» formato da molecole che trasportano elettroni fino all’O2, si libera energia in piccole quantità.


6.11 La maggior parte dell’ATP cellulare viene prodotto grazie alla fosforilazione ossidativa

• Nella chemiosmosi gli ioni H+ tendono a rientrare per diffusione nella membrana interna.

• Per attraversare la membrana, gli ioni H+ hanno bisogno di proteine di trasporto, i complessi dell’ATP sintetasi, un enzima che sintetizza ATP.


Spazio intermembrana

Membrana interna mitocondriale

Matrice mitocondriale

Complesso enzimatico

Flusso di elettroni

Trasportatore di elettroni

NADH NAD+

FADH2 FAD

H2O ATPADP

ATP sintetasi

H+ H+ H+

H+

H+ H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

P

O2

Catena di trasporto degli elettroni Chemiosmosi

.

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

+ 212

Figura 6.11

La fosforilazione ossidativa avviene accoppiando il trasporto degli elettroni alla chemiosmosi.


6.12 Alcune sostanze tossiche bloccano i processi base della respirazione cellulare

Varie sostanze tossiche:

• bloccano il movimento degli elettroni;

• bloccano il flusso di ioni H+ attraverso il canale dell’ATP sintetasi;

• rendono la membrana mitocondriale permeabile agli ioni H+.

COLLEGAMENTI


ATPsintetasi

H+

H+

H+

H+

H+

H+ H+ H+ H+

H+

H+

H+H+

O2

H2OP ATP

NADH NAD+

FADH2 FAD

Rotenone Cianuro, monossido di carbonio

Oligomicina

DNP

2

ADP

Catena di trasporto degli elettroni Chemiosmosi

12

Figura 6.12


6.13 Una visione d’insieme della respirazione cellulare

La respirazione cellulare produce fino a 38 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio:

• la glicolisi produce 2 molecole di ATP;

• il ciclo di Krebs produce 2 molecole di ATP;

• la catena di trasporto degli elettroni e la chemiosmosi formano numerose molecole di ATP.


NADHNADH

NADH NADH FADH2

Citoplasma

Trasportatore di membrana degli elettroni

Mitocondrio

GLICOLISI1

molecola di glucosio

Dalla fosforilazione a livello di substrato

Dalla fosforilazione a livello di substrato

Dalla fosforilazione ossidativa


(Catena di trasporto e chemiosmosi)

2 Acetil CoA

CICLO DI KREBS

2 ATP 2 ATP circa 34 ATP

Resa massima per molecola di glucosio:

Circa 38 ATP

2 molecole di acido piruvico

2 6 2

2 2

(o 2 FADH2)

Figura 6.13

La resa complessiva della respirazione cellulare:


6.14 La fermentazione alcolica e la fermentazione lattica permettono di ricavare energia in assenza di ossigeno

• In condizioni anaerobiche, molti tipi di cellule possono usare la glicolisi da sola per produrre una piccola quantità di ATP.

• Queste vie alternative sono le fermentazioni e avvengono nelle cellule dei lieviti.


Nella fermentazione lattica il NADH è ossidato a NAD+ mentre l’acido piruvico è ridotto ad acido lattico.

2 molecole di acido lattico

NAD NADH NADH NAD2 2 22

2 ATP2 ADP 22 molecole di acido piruvico

GLICOLISI

P

Glucosio

Figura 6.14A


Nella fermentazione alcolica il NADH è ossidato a NAD+ mentre l’acido piruvico è ridotto a CO2 ed etanolo.

Figura 6.14B

NAD NADH NADH NAD2 2 2 2

GLICOLISI

2 ADP 2 P ATP

Glucosio 2 molecole di acido piruvico

liberateCO2

2 molecole di etanolo

22

Figura 6.14C


6.15 Le cellule utilizzano varie molecole organiche come fonte di energia

• I carboidrati, i grassi e le proteine che assumiamo con l’alimentazione vengono trasformati in molecole che fungono da combustibile per la respirazione cellulare.

• L’insieme delle reazioni che consentono di ricavare energia dagli alimenti viene detto catabolismo.

Il metabolismo cellulare



(Catena di trasporto e chemiosmosi)

Alimento

Carboidrati Grassi Proteine

Zuccheri Glicerolo Acidi grassi AmminoacidiGruppi amminici

Glucosio G3P Acido piruvico

Acetil CoA

CICLO DI KREBS

ATP

GLICOLISI

Figura 6.15

Gli organismi trasformano il cibo in energia:


6.16 Le molecole alimentari forniscono i materiali grezzi per la biosintesi

ATP

CICLO DI KREBS

SINTESI DEL GLUCOSIOAcetil CoA

Acido piruvico G3P Glucosio

Gruppi amminici

Amminoacidi Acidi grassi Glicerolo Zuccheri

CarboidratiGrassiProteine

Cellule, tessuti, organismi

Figura 6.16

• Le cellule usano alcune molecole alimentari e intermedi dalla glicolisi e dal ciclo di Krebs come materiali grezzi (sostanze di partenza per la biosintesi di molecole).

• Questo processo di biosintesi (anabolismo) consuma ATP.


6.17 Le biomolecole necessarie alla respirazione derivano dalla fotosintesi

• Tutti gli organismi possono ricavare energia dalle molecole organiche.

• Le piante possono anche sintetizzare molecole organiche a partire da fonti inorganiche attraverso il processo della fotosintesi.

Figura 6.17

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