7. Metabolismo energetico

Le vie del
metabolismo cellulare
che liberano energia
chimica
Pierangela Ciuffreda

Energia
• Fa muovere gli oggetti
• ferma gli oggetti
• energia dal sole piante cibi per l’uomo
energia per vivere
• abbiamo bisogno di energia per fare lavoro
Energia: capacità di compiere lavoro
Lavoro (forza per spostamento)
Salire delle scale
sollevare un peso
respirare
cuore che pompa sangue

Energia potenziale = cioè energia
immagazzinata
Esempi: acqua in una diga (meccanica)
molla schiacciata (meccanica)
legami chimici nella benzina o carbone (chimica)
cibo (chimica)
Energia cinetica = è l’energia del
movimento
Esempi:
peso in caduta
l’acqua che esce dalla diga
bruciare della benzina

Energetica
biochimica
Si occupa dell’energia
chimica, cioè l’energia
potenziale
immagazzinata nei
legami delle molecole
dei nutrienti

Energia libera di Gibbs
ΔG < 0 reazione esoergonica, può avvenire spontaneamente
ΔG = 0 il sistema è all’equilibrio: non c’e’ variazione netta di
G tra reagenti e prodotti
ΔG > 0 reazione endoergonica: non può avvenire
spontaneamente. Ci vuole un input esterno di energia per la
reazione
• ΔG e’ indipendente dalla “strada” percorsa
dai reagenti per diventare prodotti
• ΔG non fornisce informazioni sulla
velocità della reazione

Serie di Reazioni
• Per reazioni consecutive in serie i valori di ΔG
sono additivi
Reazioni favorevoli e sfavorevoli
• Reazioni sfavorevoli
• Alcune reazioni necessarie al metabolismo hanno un ΔG positivo
• Reazioni favorevoli
• Idrolisi di ATP (Adenosina trifosfato) ovvero la moneta energetica
della cellula
• conformazione di proteine attivate
• gradienti ionici attraverso le membrane

Accoppiamento
Una reazione
termodinamicamente
sfavorevole può
essere guidata da
una
termodinamicamente
favorevole mediante
accoppiamento

ATP trasferisce energia tra i
composti
Il ciclo dell’ATP
1. ATP - composto ad alto livello
energetico
2. ADP basso livello energetico
3. La conversione di ADP ad ATP è
chiamata fosforilazione e richiede
energia
4. La conversione di ATP ad ADP è
chiamata defosforilazione e rilascia
energia

2Mg 2+
Idrolisi legami anidridici= 30 Kj/mole
L’energia liberata dalla rottura dei legami anidridici
dell’ATP può essere utilizzata per guidare reazioni
termodinamicamente non favorite come la biosintesi
di molecole.

Sintesi dell’ATP
• In un motore a scoppio la benzina viene ossidata
a CO 2 e H 2 O (idealmente) in un processo esplosivo
=> energia cinetica
• i viventi non possono sfruttare tale energia
– meccanismi che coinvolgono reazioni distinte con
produzione di intermedi ad energia
progressivamente minore
• energia delle molecole nutritizie viene liberata in
parte come calore e in parte recuperata sotto forma
di ATP

La capacità dell'ATP di fungere da
trasportatore di energia dipende dal fatto
che la molecola è sufficientemente
instabile da sviluppare una notevole
quantità di energia quando subisce il
distacco di un gruppo fosforico
repulsione elettrostatica tra
ossigeni dei gruppi fosfato

I processi cellulari esoergonici liberano l’energia necessaria per
produrre ATP
L’energia liberata dalla conversione dell’ ATP in ADP viene
utilizzata per alimentare i processi endoergonici.

Ossidazione, riduzione e
trasferimento energetico
• Durante la demolizione dei nutrienti (molecole
organiche complesse) viene rilasciata energia
libera
• Attraverso quale via viene trasferita
l’energia contenuta nei legami chimici dei
nutrienti e ad altre molecole durante il
metabolismo?

Ossidoriduzioni
• Ossidazione: processo attraverso cui un atomo perde elettroni
• Riduzione: processo attraverso cui un atomo acquista elettroni
Ossidazioni biologiche
• Un aspetto centrale del metabolismo è il trasferimento di elettroni tra
molecole diverse
Ossidoriduzioni nel metabolismo
• un flusso di elettroni produce lavoro (es.: motore elettrico alimentato da
una batteria)
• batteria: contiene due specie chimiche aventi affinità diverse per gli
elettroni e collegate da un circuito
• la forza che fa muovere gli elettroni (forza elettromotrice) è
proporzionale alla differenza di affinità per gli elettroni delle specie
chimiche

Ossidoriduzioni nel
metabolismo
• Le cellule possiedono un circuito analogo: i composti ridotti es.
glucosio o acidi grassi sono la fonte di elettroni
• durante l’ossidazione gli elettroni vengono rilasciati e attraverso
piccole tappe vengono raccolti dall’ O 2 , l’accettore finale
Forme di trasferimento di
elettroni
In biochimica spesso deidrogenazione (deidrogenasi) e’ sinonimo di
ossidazione
– molte reazioni redox ioni avvengono infatti per trasferimento di
atomi di H o ioni idruro
– I coenzimi raccolgono gli elettroni rilasciati dal catabolismo e li
mettono a diposizione delle reazioni anaboliche

Coenzimi trasportatori di elettroni
• Durante le riduzioni, i coenzimi accettano atomi di idrogeno
• Durante le ossidazioni, i coenzimi rimuovono atomi di idrogeno
• FAD (flavin adenina dinucleotide)
• NAD + (nicotinamide adenine dinucleotide)
• I coenzimi raccolgono gli elettroni rilasciati dal catabolismo
• Il catabolismo è ossidativo : i substrati perdono equivalenti
riducenti, di solito ioni H -
• l’anabolismo è riduttivo - NADPH fornisce il potere riducente
(elettroni)

Respirazione aerobica
Il più comune combustibile delle cellule
èil glucosio.
Le cellule ottengono energia dal glucosio attraverso
reazioni di ossidazione, attraverso una serie di vie
metaboliche.

Respirazione cellulare
ossidazione
C 6H 12O 6 + 6O 2
6CO 2 + 6H 2O
riduzione
+ energia

La respirazione aerobica
avviene in quattro stadi:
Glicolisi (citoplasma)
Formazione dell’acetil CoA (matrice
mitocondriale)
Ciclo dell’acido citrico (matrice
mitocondriale)
Sistema di trasporto degli elettroni
(membrana mitocondriale interna)

Glicolisi: ossidazione del
glucosio
da glucosio a piruvato
avviene nel citoplasma delle cellule
produce una piccola quantità di
energia e NON genera CO 2
dopo 10 reazioni il prodotto finale
sono DUE molecole di piruvato

Glicolisi: Degrada il glucosio ad acido piruvico
Glucosio + 2 ADP + 2 NAD + + 2 Pi
2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H +

Glicolisi: da glucosio a piruvato
•Il glucosio arriva dal sangue per demolizione di
polisaccaridi superiori
• Viene demolito nel citoplasma ad opera di 10 enzimi
nella via glicolitica
•Ogni molecola di glucosio ossidata a piruvato si
formano 2 ATP e si riducono 2 NAD + a NADH+H +
•Due stadi della glicolisi: Reazioni di investimento
energetico e Reazioni che liberano energia
•Il piruvato che si forma può subire l’ossidazione
aerobica o entrare nelle fermentazioni anaerobiche

La Glicolisi
•Reazioni di
investimento energetico
•Reazioni che liberano
energia

Bilancio
energetico della
glicolisi

Glicolisi: ossidazione del
2 ATP
glucosio a piruvato
Glucosio
Gliceraldeide 3 P
2 molecole di piruvato
2 NAD +
2 ADP 2 NADH+H +
4 ADP
4 ATP

Formazione dell’acetil CoA
Processo ossidativo
La piruvato
deidrogenasi,
complesso
enzimatico legato
alla membrana
mitocondriale,
catalizza la
formazione di Acetil
CoA.

Ciclo dell’acido citrico
Entrano:
AcetilCoA, H 2O, NAD + e FAD
(trasportatori di e - ossidati)
Escono:
CO 2, NADH + H + e FADH 2 (trasportatori
di e - ridotti) e ATP.
acetilCoA 2 CO 2 +FADH 2 + 3 NADH + ATP

Una serie di reazioni che:
• funziona solo in condizioni
aerobiche
• gli enzimi sono localizzati nella
matrice o membrana mitocondriale
interna
• fornisce coenzimi ridotti e ATP

•Dalla glicolisi e dal ciclo
dell’acido citrico viene prodotto
un gran numero di NADH e
FADH 2 , trasportatori di
elettroni ridotti ad alto
contenuto energetico.
•Nella respirazione ossidativa
questi possono trasferire gli
elettroni ad accettori liberando
energia conservata sotto forma
di ATP

La catena di trasporto di elettroni e la fosforilazione ossidativa
La catena di trasporto degli elettroni è un processo
cellulare per la produzione di ATP nei mitocondri. È
costituita da una serie di complessi proteici e composti
lipo-solubili capaci di produrre un potenziale
elettrochimico attraverso la membrana mitocondriale
mediante la creazione di un gradiente di
concentrazione di ioni H + tra i due lati della
membrana.

La catena respiratoria
•Gli e - passano attraverso trasportatori
associati alla membrana
•Il flusso di e - lungo la catena determina
trasporto attivo di H + dalla matrice alla
membrana mitocondriale interna
•I H + diffondono indietro nella matrice con
sintesi di ATP

Trasporto degli elettroni
Gli e - passano attraverso trasportatori
associati alla membrana mitocondriale

Il trasferimento degli elettroni attraverso la catena
respiratoria richiede l'intervento di enzimi detti
deidrogenasi, che hanno la funzione di "strappare"
l'idrogeno alle molecole donatrici (FADH e NADH), in
modo che si producano ioni H + ed elettroni per la
catena respiratoria; inoltre, questo processo richiede la
presenza di alcune vitamine (C, la E, la K e la B2).

Sintesi dell’ATP
•Il flusso di e - lungo
la catena determina
trasporto attivo di H +
dalla matrice alla
membrana
mitocondriale interna
•Ioni H + diffondono
spontaneamente
indietro nella matrice
con sintesi di ATP

I vari trasportatori sono disposti in maniera tale da avere potenziali di
riduzione crescenti e per questo motivo gli elettroni venendo trasportati
passano da uno stato energetico più alto ad uno stato energetico più
basso con conseguente liberazione di energia, la quale verrà utilizzata in
parte per la sintesi di ATP, ed in parte verrà dispersa come calore.

ATP sintetasi = un grande complesso proteico inserito
nella membrana mitocondriale che permette ai protoni
di attraversarla in entrambe le direzioni. Il passaggio
netto dei protoni avviene però in una singola direzione
e l’energia liberata dal flusso di ioni secondo il
gradiente di concentrazione viene usata per la sintesi
dell'ATP

Resa effettiva di ATP
•3 (2,5) ATP per ogni NADH+ H +
•2 (1,5) ATP per ogni FADH 2
•2,5
•1,5

Lattato nei muscoli
L’esercizio prolungato porta a
condizioni anaerobiche
• Il lattato aumenta con il continuare della
glicolisi
• I muscoli si stancano e “fanno male”
• aumenta il ritmo respiratorio
• il lattato forma piruvato nel fegato

Fermentazione lattica:
•Durante intensi sforzi
fisici in carenza di
ossigeno si rigenera NAD +
attraverso la riduzione di
piruvato ad acido lattico
che si accumula nei
muscoli e provoca la
dolorosa sensazione dei
crampi.
•In condizioni normali
l’acido lattico viene
trasportato nel fegato e
riconvertito a glucosio
(gluconeogenesi)

Schema semplificato
della respirazione cellulare

RIASSUMENDO
Respirazione cellulare consta di:
Glicolisi: catabolica, degrada sostanze
organiche nel citoplasmatica
Formazione dell’acetil CoA
Ciclo di Krebs: catabolica, completa la
degradazione di sostanze organiche,
matrice mitocondriale

Catena di trasporto di elettroni e
fosforilazione ossidativa:
trasferimento di elettroni di solito dal NADH,
con formazione finale di acqua e ATP. La
fosforilazione ossidativa avviene sulle creste
mitocondriali, produce il 90% dell’ATP
cellulare.
Una quantità minore di ATP si forma
direttamente in poche reazioni della glicolisi e
del ciclo di Krebs attraverso la fosforilazione
di un substrato.

Energia in ATP dal Piruvato
2 piruvato 2 acetilCoA + 2 CO 2 + 2 NADH
2 piruvato 2 acetilCoA + 2 CO 2 + 5 ATP
x 2,5

Energia dal ciclo dell’acido citrico
Ad ogni giro del ciclo dell’acido citrico
3 NADH X 2,5 ATP = 7,5 ATP
1 FADH 2 X 1,5 ATP = 1,5 ATP
1 GTP X 1ATP = 1 ATP
Totale = 10 ATP
Il glucosio fornisce due acetilCoA per
due giri del ciclo dell’acido citrico
2 acetilCoA 20 ATP + 4 CO 2

ATP dal glucosio
Da una molecola di glucosio che subisce
ossidazione completa:
Glicolisi 5 ATP
2piruvato a 2 acetilCoA 5 ATP
2acetilCoA a 4CO2 20 ATP
Glucosio + 6 O 2 = 6 CO 2 + 6 H 2O + 30 ATP

Glucosio + 6 O 2 = 6 CO 2 + 6 H 2O + 30 ATP
Dall'ossidazione completa di una
molecola di glucosio ad anidride
carbonica e dalla ri-ossidazione
completa di tutti i coenzimi ridotti
durante il processo.

Passaggio Resa di coenzimi Resa di ATP Fonte di ATP
Fase preparatoria della
glicolisi
Fase di recupero
dell'energia della glicolisi
Decarbossilazione
ossidativa
ciclo di Krebs
-2
4
2 NADH 3
Fosforilazione del glucosio
e del fruttosio-6-fosfato
utilizzando 2 ATP presenti
nel citoplasma
Fosforilazione al livello
del substrato
Fosforilazione ossidativa
(solo 2 ATP per ogni
molecola di NADH, dal
momento che il coenzimi
ridotti necessitano di un
trasporto attivo dal
citoplasma alla matrice
mitocondriale)
2 NADH 5 Fosforilazione ossidativa
2
Fosforilazione al livello
del substrato
6 NADH 15 Fosforilazione ossidativa
2 FADH 2 3 Fosforilazione ossidativa
Resa totale 30 ATP
Dall'ossidazione
completa di una
molecola di glucosio ad
anidride carbonica e
dalla ri-ossidazione
completa di tutti i
coenzimi ridotti
durante il processo.