Bioenergetica

METABOLISMO ENERGETICOMETABOLISMO ENERGETICO

Vincenzo Vincenzo VeneritoVenerito

La valuta energetica cellulare:La valuta energetica cellulare:

ATPATP

�� L'ATP o Adenosintrifosfato, L'ATP o Adenosintrifosfato, èè un un ribonucleotideribonucleotidetrifosfatotrifosfato formato da una base azotata (l'adenina), formato da una base azotata (l'adenina), dal ribosio, che dal ribosio, che èè uno zucchero pentoso, e da tre uno zucchero pentoso, e da tre gruppi fosfato. gruppi fosfato.

�� EE’’ il collegamento chimico fra catabolismo e il collegamento chimico fra catabolismo e metabolismo e costituisce la "moneta" corrente metabolismo e costituisce la "moneta" corrente energetica. energetica.

�� Esso viene idrolizzato ad ADP (adenosindifosfato), Esso viene idrolizzato ad ADP (adenosindifosfato), che viene riconvertito in ATP mediante vari processi.che viene riconvertito in ATP mediante vari processi.


ATPATP

L'ATP L'ATP èè il composto ad alta energia richiesto dalla il composto ad alta energia richiesto dalla stragrande maggioranza delle reazioni metaboliche stragrande maggioranza delle reazioni metaboliche endoergoniche.endoergoniche.

Esso viene prodotto secondo la reazione endoergonica:Esso viene prodotto secondo la reazione endoergonica:

ADP + Pi + E = ATPADP + Pi + E = ATP


ATPATP

Dalla respirazione, in cui si libera energia, una parte Dalla respirazione, in cui si libera energia, una parte molto piccola di essa (7,3 Kcal) viene immagazzinata molto piccola di essa (7,3 Kcal) viene immagazzinata nelle molecole di ATP.nelle molecole di ATP.

. . Mentre si uniscono gruppo fosfato e ADP, Mentre si uniscono gruppo fosfato e ADP, l'energia viene imprigionata nei nuovi legami chimici:l'energia viene imprigionata nei nuovi legami chimici:adesso avremo finalmenteadesso avremo finalmentela molecola di ATPla molecola di ATP


ATPATP

L'ATP dona energia mediante reazione di idrolisi, mediata L'ATP dona energia mediante reazione di idrolisi, mediata dall'enzima dall'enzima ATPasiATPasi, che nella maggior parte dei casi coinvolge il , che nella maggior parte dei casi coinvolge il trasferimento di un gruppo fosfato.trasferimento di un gruppo fosfato.

ATP4ATP4-- +H2O +H2O ----> ADP3> ADP3-- + P + + P + H+H+con una variazione di energia libera di con una variazione di energia libera di --30,5 30,5 KjKj/mole ( /mole ( EsoergonicaEsoergonica ))

L'energia che si libera viene subito utilizzata grazie agli enziL'energia che si libera viene subito utilizzata grazie agli enzimi che mi che convogliano questa energia sulle reazioni che ne hanno bisogno.convogliano questa energia sulle reazioni che ne hanno bisogno.


ATPATP

�� Sono poche le reazioni dove l'ATP dona energia a una Sono poche le reazioni dove l'ATP dona energia a una molecola tramite idrolisi, principalmente fornisce molecola tramite idrolisi, principalmente fornisce energia alle altre molecole energia alle altre molecole per trasferimento di per trasferimento di gruppi fosfato.gruppi fosfato.

�� L'idrolisi in se produce solo la liberazione di calore L'idrolisi in se produce solo la liberazione di calore che non può essere usato in sistemi omeotermi. che non può essere usato in sistemi omeotermi.

�� LL’’ATP può dunque o donare ATP può dunque o donare

un gruppo fosforicoun gruppo fosforico

o donare l'o donare l'AdenilatoAdenilato..


NAD&FADNAD&FAD

Una volta formatasi lUna volta formatasi l’’energia, cenergia, c’’èè bisogno di bisogno di trasportarla; ecco allora ltrasportarla; ecco allora l’’intervento dei due intervento dei due trasportatori di eccellenza: NAD e FAD.trasportatori di eccellenza: NAD e FAD.

La sigla NAD sta, per"La sigla NAD sta, per"nicotinammnicotinammììdeadendeadenììndinucleotndinucleotììdede""Essa Essa èè una macromolecola organica una macromolecola organica il cui ruolo biologico consiste il cui ruolo biologico consiste nel trasferire elettroni e nel trasferire elettroni e quindi nel permettere quindi nel permettere le ossidole ossido--riduzioni;riduzioni;


NAD&FADNAD&FAD

Il nome della molecola in questione deriva dalla combinazione diIl nome della molecola in questione deriva dalla combinazione diquattro diverse parole:quattro diverse parole:

La La nicotinammnicotinammììdede (n1) e la struttura che svolge il ruolo biologico (n1) e la struttura che svolge il ruolo biologico generale della molecola, potendogenerale della molecola, potendoessa accettare degli atomi di idrogeno;essa accettare degli atomi di idrogeno;

LL’’Adenina (n2) che Adenina (n2) che èè la base azotata;la base azotata;Il diIl di--nucleotide (n3nucleotide (n3--4) che 4) che èè la coppia di la coppia di Nucleotidi e in ciascuno di essi e presente un Nucleotidi e in ciascuno di essi e presente un Fosfato e uno zucchero pentoso (ribosio).Fosfato e uno zucchero pentoso (ribosio).La molecola si abbrevia solitamente in La molecola si abbrevia solitamente in "NAD" (se ossidato) o "NADH" (se ridotto). "NAD" (se ossidato) o "NADH" (se ridotto).


NAD&FADNAD&FAD

�� Il NAD svolge il suo ruolo essenziale di trasportatore Il NAD svolge il suo ruolo essenziale di trasportatore in numerosissime reazioni chimiche, quali alcune tappe in numerosissime reazioni chimiche, quali alcune tappe della glicolisi o del ciclo di della glicolisi o del ciclo di KrebsKrebs; ; eses::

gliceraldeidegliceraldeide 33--fosfato + fosfato + NAD+NAD+ →→ 1,31,3--bisfosfoglicerato + NADH + bisfosfoglicerato + NADH + H+H+

�� Il NAD, cosIl NAD, cosìì come tutte le altre sostanze come tutte le altre sostanze trasportatrici di elettroni, non viene ntrasportatrici di elettroni, non viene néé prodotto nprodotto nééconsumato nelle cellule: queste utilizzano dunque, consumato nelle cellule: queste utilizzano dunque, effettivamente, sempre le stesse molecole effettivamente, sempre le stesse molecole trasferitricitrasferitrici, che di volta in volta si ossidano o , che di volta in volta si ossidano o riducono.riducono.


NAD&FADNAD&FAD

�� Per cui ogni cellula ha bisogno di ritrasformare l'NAD Per cui ogni cellula ha bisogno di ritrasformare l'NAD ridotto (NADH2) tramite la glicolisi o altre reazioni ridotto (NADH2) tramite la glicolisi o altre reazioni chimiche in NAD ossidato (chimiche in NAD ossidato (NAD+NAD+) per poter fare in ) per poter fare in modo che le prime avvengano ancora; modo che le prime avvengano ancora;

�� Ciò succede in modo diverso in ogni cellula:Ciò succede in modo diverso in ogni cellula:

�� i i LactobacilliLactobacilli utilizzano la utilizzano la fermentazione lattica:fermentazione lattica:piruvato + NADH + piruvato + NADH + H+H+ →→ lattato + lattato + NAD+NAD+

�� SaccharomycesSaccharomyces adoperano quella alcolica:adoperano quella alcolica:piruvato + NADH + H+ piruvato + NADH + H+ →→ etanolo + CO2 + NAD+etanolo + CO2 + NAD+


NAD&FADNAD&FAD

�� Il NADP ha la stessa struttura di base del NAD, con Il NADP ha la stessa struttura di base del NAD, con l'aggiunta di un gruppo fosfato esterificato al gruppo l'aggiunta di un gruppo fosfato esterificato al gruppo ossidrilico del carbonio 2' dell'ossidrilico del carbonio 2' dell'adenosinaadenosina. .

�� Mentre il NAD(H) Mentre il NAD(H) èè utilizzato perlopiutilizzato perlopiùù nei processi nei processi catabolici (ovvero nelle reazioni di ossidazione del catabolici (ovvero nelle reazioni di ossidazione del metabolismo), il NADP(H) viene utilizzato nei processi metabolismo), il NADP(H) viene utilizzato nei processi anabolici (ovvero nelle reazioni riduttive del metabolismo), anabolici (ovvero nelle reazioni riduttive del metabolismo), particolarmente nelle reazioni di biosintesi. particolarmente nelle reazioni di biosintesi.

�� Negli organismi Negli organismi fotosintecicifotosintecici il NADP(H) viene ottenuto il NADP(H) viene ottenuto durante i processi di durante i processi di fotofosforilazionefotofosforilazione e utilizzato nei e utilizzato nei processi di biosintesi dei carboidrati. processi di biosintesi dei carboidrati.

�� Negli animali, mammiferi soprattutto, il NADP(H) viene Negli animali, mammiferi soprattutto, il NADP(H) viene ottenuto principalmente nella via dei pentosi fosfato.ottenuto principalmente nella via dei pentosi fosfato.


NAD&FADNAD&FAD

�� IlIl FAD o FAD o FlavinFlavin adenina adenina dinucleotidedinucleotide , , èè un importante un importante fattore ossidante del ciclo di fattore ossidante del ciclo di KrebsKrebs ed interviene nel ed interviene nel trasporto degli elettroni nel processo biochimico chiamato trasporto degli elettroni nel processo biochimico chiamato catena di trasporto degli elettroni.catena di trasporto degli elettroni.

�� La molecola La molecola èè costituita da 3 anelli condensati, che costituita da 3 anelli condensati, che costituiscono il gruppo costituiscono il gruppo isoalloazinicoisoalloazinico della flavina, il quale della flavina, il quale èèlegato al legato al ribitoloribitolo (zucchero a cinque atomi di carbonio) (zucchero a cinque atomi di carbonio) tramite l'atomo di azoto (N) dell'anello centraletramite l'atomo di azoto (N) dell'anello centrale


NAD&FADNAD&FAD

�� Il FAD, interviene in numerose reazioni di trasferimento di Il FAD, interviene in numerose reazioni di trasferimento di elettroni. Gli atomi di idrogeno (H), possono essere uno o elettroni. Gli atomi di idrogeno (H), possono essere uno o due, legati al gruppo due, legati al gruppo isoallosazinicoisoallosazinico. .

�� Se all'anello c'Se all'anello c'èè legato un solo atomo di idrogeno, allora legato un solo atomo di idrogeno, allora prenderprenderàà il nome di FADH. il nome di FADH.

�� QuesQues'atomo di idrogeno, sar'atomo di idrogeno, saràà legato legato

all'azoto in para dell'anello centrale all'azoto in para dell'anello centrale

del gruppo del gruppo isoallosazinicoisoallosazinico, ed il , ed il

doppio legame presente doppio legame presente

nell'anello centrale scompare.nell'anello centrale scompare.


NAD&FADNAD&FAD

�� Se all'anello ci sono legati due atomi di idrogeno, allora Se all'anello ci sono legati due atomi di idrogeno, allora prenderprenderàà il nome di FADH2. il nome di FADH2.

�� Questo secondo atomo di idrogeno, sarQuesto secondo atomo di idrogeno, saràà legato all'azoto in legato all'azoto in para dell'anello terminale del gruppo para dell'anello terminale del gruppo isoallosazinicoisoallosazinico, ed il , ed il doppio legame presente nell'anello doppio legame presente nell'anello

terminale scompare, terminale scompare,

formandosi invece un doppio legame formandosi invece un doppio legame

tra l'anello centrale e quellotra l'anello centrale e quello

terminale affinchterminale affinchéé le valenze le valenze

dell'atomo di carbonio dell'atomo di carbonio

vengano rispettate.vengano rispettate.


GLICOLISIGLICOLISI

�� La La glicolglicolììsisi èè un processo metabolico mediante il quale una un processo metabolico mediante il quale una molecola di glucosio viene scissa in due molecole di piruvato molecola di glucosio viene scissa in due molecole di piruvato al fine di generare molecole ad alta energia, come ATP e al fine di generare molecole ad alta energia, come ATP e NADH.NADH.

�� La La glicolglicolììsisi èè un processo metabolico mediante il quale, in un processo metabolico mediante il quale, in condizioni di anaerobiosi non stretta, una molecola di condizioni di anaerobiosi non stretta, una molecola di glucosio viene scissa in due molecole di piruvato al fine di glucosio viene scissa in due molecole di piruvato al fine di generare molecole ad alta energia, come ATP e NADH.generare molecole ad alta energia, come ATP e NADH.


GLICOLISIGLICOLISI

�� In una prima fase del processo, composta da cinque In una prima fase del processo, composta da cinque passaggi, viene consumata energia per ottenere dal passaggi, viene consumata energia per ottenere dal glucosio molecole a piglucosio molecole a piùù alta energia (gliceraldeidealta energia (gliceraldeide--33--fosfato), che verranno trasformate nella fase successiva, fosfato), che verranno trasformate nella fase successiva, composta di altri cinque passaggi, in molecole nettamente composta di altri cinque passaggi, in molecole nettamente meno energetiche (piruvato), con produzione di energia meno energetiche (piruvato), con produzione di energia superiore a quella consumata nella prima fase. superiore a quella consumata nella prima fase.

�� Il processo nel suo insieme Il processo nel suo insieme èè quindi di tipo quindi di tipo catabolicocatabolico, cio, cioèèin cui molecole piin cui molecole piùù complesse ed energetiche vengono complesse ed energetiche vengono trasformate in altre pitrasformate in altre piùù semplici e meno energetiche, con semplici e meno energetiche, con produzione di energia.produzione di energia.


GLICOLISIGLICOLISI

�� La reazione completa della glicolisi La reazione completa della glicolisi èè la seguente:la seguente:

Glucosio + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi Glucosio + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi →→ 2 NADH + 2 piruvato + 2 ATP + 2 H2O + 2 H+2 NADH + 2 piruvato + 2 ATP + 2 H2O + 2 H+

�� In tutti gli organismi che non prevedono ulteriori degradazioni In tutti gli organismi che non prevedono ulteriori degradazioni del piruvato, il processo ha una resa energetica di del piruvato, il processo ha una resa energetica di due due molecole di ATPmolecole di ATP per ogni molecola di glucosio (per ogni molecola di glucosio (GlcGlc)) o per o per qualsiasi altro zucchero esoso degradabile da questa via qualsiasi altro zucchero esoso degradabile da questa via metabolica. metabolica.

�� Il catabolismo glucidico degli organismi che svolgono Il catabolismo glucidico degli organismi che svolgono comunemente le fermentazioni, come i lieviti, dunque, si comunemente le fermentazioni, come i lieviti, dunque, si ferma al piruvato (che solitamente viene interconvertito in ferma al piruvato (che solitamente viene interconvertito in altre forme senza che ciò comporti ulteriori guadagni altre forme senza che ciò comporti ulteriori guadagni energetici).energetici).


GLICOLISIGLICOLISI

�� Per gli organismi superiori, come ad esempio i mammiferi, la Per gli organismi superiori, come ad esempio i mammiferi, la glicolisi glicolisi èè invece solo il primo passaggio della degradazione degli invece solo il primo passaggio della degradazione degli zuccheri. zuccheri.

�� Le cellule in grado di svolgere i successivi Le cellule in grado di svolgere i successivi pathwaypathway aerobici aerobici (come il ciclo di (come il ciclo di KrebsKrebs), dunque, sono in grado di processare il ), dunque, sono in grado di processare il piruvato, ossidandolo fino ad ottenere anidride carbonica ed piruvato, ossidandolo fino ad ottenere anidride carbonica ed acqua.acqua.

�� Anche in questi organismi, in ogni caso, la glicolisi può diventAnche in questi organismi, in ogni caso, la glicolisi può diventare are l'unico l'unico pathwaypathway, senza che il piruvato sia ulteriormente ossidato. , senza che il piruvato sia ulteriormente ossidato. Ciò può avvenire in caso di sforzo intenso (come i muscoli): in Ciò può avvenire in caso di sforzo intenso (come i muscoli): in questo caso, il piruvato viene convertito ad acido lattico per questo caso, il piruvato viene convertito ad acido lattico per riconvertire il NADH a NAD+ e bilanciarne le concentrazioni riconvertire il NADH a NAD+ e bilanciarne le concentrazioni cellulari.cellulari.


GLICOLISIGLICOLISI

�� La glicolisi può essere suddivisa in due fasi: La glicolisi può essere suddivisa in due fasi:

-- la prima fase la prima fase èè detta fase didetta fase di investimentoinvestimento, ,

-- la seconda la seconda èè la fase di la fase di rendimento.rendimento.

�� Nella Nella fase di investimentofase di investimento, il glucosio viene fosforilato a , il glucosio viene fosforilato a glucosioglucosio--66--fosfato ed infine scisso in due molecole di fosfato ed infine scisso in due molecole di gliceraldeidegliceraldeide--33--fosfato; ciò avviene attraverso l'utilizzo di fosfato; ciò avviene attraverso l'utilizzo di due molecole di ATP. I primi cinque passaggi della via due molecole di ATP. I primi cinque passaggi della via metabolica, dunque, comportano un consumo netto di metabolica, dunque, comportano un consumo netto di energia.energia.


GLICOLISIGLICOLISI

�� Nella seconda fase, quella di rendimento, le due molecole di Nella seconda fase, quella di rendimento, le due molecole di gliceraldeidegliceraldeide--33--fosfato vengono trasformate in due fosfato vengono trasformate in due molecole di piruvato con conseguente produzione di quattro molecole di piruvato con conseguente produzione di quattro molecole di ATP e due di NADH (per riduzione del molecole di ATP e due di NADH (per riduzione del NAD+NAD+), ), le quali permettono di rigenerare anche il pool di molecole le quali permettono di rigenerare anche il pool di molecole riducenti presenti nella cellula. riducenti presenti nella cellula.

�� Questa seconda fase, dunque, vede un recupero di energia, Questa seconda fase, dunque, vede un recupero di energia, che porta l'intero che porta l'intero pathwaypathway glicoliticoglicolitico ad un guadagno netto ad un guadagno netto di energia.di energia.


GLICOLISIGLICOLISI

�� La velocitLa velocitàà di flusso nel di flusso nel pathwaypathway glicoliticoglicolitico èè in grado di in grado di adattarsi molto bene in risposta a stimoli provenienti adattarsi molto bene in risposta a stimoli provenienti dall'interno e dall'esterno della cellula.dall'interno e dall'esterno della cellula.

�� Essa Essa èè regolata per massimizzare la presenza di due regolata per massimizzare la presenza di due metaboliti principali: metaboliti principali:

-- l'ATP l'ATP

-- gli amminoacidi (mattoni fondamentali per le reazioni di gli amminoacidi (mattoni fondamentali per le reazioni di biosintesi)biosintesi)

�� Nella glicolisi, solo le reazioni catalizzate da Nella glicolisi, solo le reazioni catalizzate da esochinasiesochinasi, , fosfofruttochinasifosfofruttochinasi e piruvato chinasie piruvato chinasi sono effettivamente sono effettivamente irreversibili.irreversibili.

F2,6BP

Sedi del controllo metabolico della via glicolitica

TAPPA LIMITANTERegolazione centrale che si propaga a monte ed a valle

REAZIONE

IRREVERSIBILE

REAZIONE IRREVERSIBILE

DestinoDestino delldell’’NADHNADH e del e del PiruvatoPiruvato

AerobiosiAerobiosi o o anaerobiosianaerobiosi????

�� In aerobiosi, lIn aerobiosi, l’’NADH NADH èè riri--ossidatoossidato a livelli della a livelli della

catena respiratoria, formando ATP nella fosforilazione ossidaticatena respiratoria, formando ATP nella fosforilazione ossidativa ed va ed il il Piruvato ossidato ad COPiruvato ossidato ad CO22 ed Hed H22O nel ciclo di O nel ciclo di KrebsKrebs

�� In anaerobiosi, lIn anaerobiosi, l’’NADH NADH èè riri--ossidatoossidato ed il ed il Piruvato ridotto a Piruvato ridotto a lattatolattato dalla lattico deidrogenasi (LDH) nel processo di dalla lattico deidrogenasi (LDH) nel processo di

fermentazione latticafermentazione lattica

CHI E’ IL PIU’ FORTE?

FIBRE ROSSE:•Metabolismo aerobio•> Resistenza•< Forza ( e velocità!)

FIBRE BIANCHE:•Metabolismo anaerobio (fermentazione lattica)•< Resistenza•> Forza (e velocità!)

…tanto il più forte sono sempre io!!!


RESPIRAZIONE CELLULARERESPIRAZIONE CELLULARE

FERMENTAZIONEFERMENTAZIONE

�� La fermentazione La fermentazione èè un processo ossidativo anaerobico un processo ossidativo anaerobico svolto da numerosi organismi a carico di carboidrati (o svolto da numerosi organismi a carico di carboidrati (o raramente di aminoacidi) per la produzione di energia.raramente di aminoacidi) per la produzione di energia.

�� Dal momento che in anaerobiosi non Dal momento che in anaerobiosi non èè disponibile disponibile l'ossigeno come accettore finale di elettroni, lo l'ossigeno come accettore finale di elettroni, lo stesso substrato viene in parte ossidato ed in parte stesso substrato viene in parte ossidato ed in parte ridotto.ridotto.

�� Le varie fermentazioni differiscono per la via in cui Le varie fermentazioni differiscono per la via in cui viene rigenerato il NADH; se ne conoscono 2 tipi:viene rigenerato il NADH; se ne conoscono 2 tipi:



Fermentazione latticaFermentazione lattica�� Nella fermentazione lattica i due atomi di idrogeno vengono Nella fermentazione lattica i due atomi di idrogeno vengono

trasferiti sul carbonio in posizione 2 dell'acido piruvico, trasferiti sul carbonio in posizione 2 dell'acido piruvico, producendo acido lattico:producendo acido lattico:

�� CH3 CO COOCH3 CO COO-- + (NADH + + (NADH + H+H+) ) →→ CH3 HCOH COOCH3 HCOH COO-- + + NAD+NAD+

((AcAc. Piruvico + NADH2 . Piruvico + NADH2 →→ AcAc. lattico + NAD). lattico + NAD)

�� Questo processo viene attuato da alcuni batteri (lattobacilli) eQuesto processo viene attuato da alcuni batteri (lattobacilli) edalle cellule del corpo umano in condizioni di anaerobiosi dalle cellule del corpo umano in condizioni di anaerobiosi (muscolo).(muscolo).

�� Nei muscoli, in condizioni di carico intenso, viene prodotta Nei muscoli, in condizioni di carico intenso, viene prodotta energia a carico del glicogeno presente in loco, che viene primaenergia a carico del glicogeno presente in loco, che viene primascisso in glucosio e poi viene fermentato ad acido lattico. scisso in glucosio e poi viene fermentato ad acido lattico. L'accumulo di questo catabolita genera l'affaticamento L'accumulo di questo catabolita genera l'affaticamento muscolare e viene gradualmente eliminato durante il recupero.muscolare e viene gradualmente eliminato durante il recupero.



Fermentazione alcolica:Fermentazione alcolica:

�� 1a parte:1a parte:

C3H4O3 C3H4O3 →→ C2H4O + CO2C2H4O + CO2

Acido piruvico Acido piruvico →→ Acetaldeide + Anidride carbonicaAcetaldeide + Anidride carbonica

�� 2a parte:2a parte:

C2H4O + (NADH + C2H4O + (NADH + H+H+) ) →→ NAD+NAD+ + C2H6O+ C2H6O

Acetaldeide + Acetaldeide + NicotinammideadenindinucleotideNicotinammideadenindinucleotide ridotto ridotto →→NicotinammideadenindinucleotideNicotinammideadenindinucleotide ossidato + Etanolo ossidato + Etanolo

�� La fermentazione alcolica ha come risultato la trasformazione La fermentazione alcolica ha come risultato la trasformazione degli zuccheri in alcol etilico e anidride carbonica. Tale procedegli zuccheri in alcol etilico e anidride carbonica. Tale processo sso èè alla base della produzione delle principali bevande alcoliche alla base della produzione delle principali bevande alcoliche (vino, birra) ma anche della lievitazione del pane.(vino, birra) ma anche della lievitazione del pane.



�� Il ciclo di Il ciclo di KrebsKrebs avviene nei mitocondri delle cellule avviene nei mitocondri delle cellule eucarioteeucariote e e nel citoplasma delle cellule procariote.nel citoplasma delle cellule procariote.

�� I catabolismi glucidico e lipidico (attraverso la glicolisi e laI catabolismi glucidico e lipidico (attraverso la glicolisi e la beta beta ossidazione), producono ossidazione), producono acetilacetil--CoACoA, un gruppo acetile legato al , un gruppo acetile legato al coenzima A. coenzima A.

�� L'L'acetilacetil--CoACoA costituisce il principale substrato del ciclo. costituisce il principale substrato del ciclo.

�� Il suo ingresso consiste in una condensazione con Il suo ingresso consiste in una condensazione con ossalacetatoossalacetato, a , a generare citrato. generare citrato.

�� Al termine del ciclo stesso, i due atomi di carbonio immessi Al termine del ciclo stesso, i due atomi di carbonio immessi dall'dall'acetilacetil--CoACoA verranno ossidati in due molecole di CO2, verranno ossidati in due molecole di CO2, rigenerando nuovamente rigenerando nuovamente ossalacetatoossalacetato in grado di condensare con in grado di condensare con acetilacetil--CoACoA. .

�� La produzione rilevante dal punto di vista energetico, tuttavia,La produzione rilevante dal punto di vista energetico, tuttavia, èèquella di una molecola di GTP di tre molecole di NADH ed una di quella di una molecola di GTP di tre molecole di NADH ed una di FADH2.FADH2.



�� I catabolismi glucidico e lipidico (attraverso la glicolisi e laI catabolismi glucidico e lipidico (attraverso la glicolisi e la beta beta ossidazione), producono ossidazione), producono acetilacetil--CoACoA, un gruppo acetile legato al , un gruppo acetile legato al coenzima A. coenzima A.

�� L'L'acetilacetil--CoACoA costituisce il principale substrato del ciclo. costituisce il principale substrato del ciclo.

�� Il suo ingresso consiste in una condensazione con Il suo ingresso consiste in una condensazione con ossalacetatoossalacetato, a , a generare citrato. generare citrato.

�� Al termine del ciclo stesso, i due atomi di carbonio immessi Al termine del ciclo stesso, i due atomi di carbonio immessi dall'dall'acetilacetil--CoACoA verranno ossidati in due molecole di CO2, verranno ossidati in due molecole di CO2, rigenerando nuovamente rigenerando nuovamente ossalacetatoossalacetato in grado di condensare con in grado di condensare con acetilacetil--CoACoA. .

�� La produzione rilevante dal punto di vista energetico, tuttavia,La produzione rilevante dal punto di vista energetico, tuttavia, èèquella di una molecola di GTP di tre molecole di NADH ed una di quella di una molecola di GTP di tre molecole di NADH ed una di FADH2.FADH2.



�� La reazione netta La reazione netta èè la seguente:la seguente:

AcetilAcetil--CoACoA + 3 + 3 NAD+NAD+ + FAD + ADP + Pi + FAD + ADP + Pi --›› CoACoA--SHSH + 3 NADH + + 3 NADH + H+H+ + FADH2 + ATP + 2 CO2+ FADH2 + ATP + 2 CO2

�� L'energia che si ricava dalla completa demolizione di una L'energia che si ricava dalla completa demolizione di una molecola di glucosio attraverso i tre diversi stadi della molecola di glucosio attraverso i tre diversi stadi della respirazione cellulare (glicolisi, ciclo di respirazione cellulare (glicolisi, ciclo di KrebsKrebs e catena di e catena di trasporto di elettroni), trasporto di elettroni), èè idealmente di 36 molecole di ATP.idealmente di 36 molecole di ATP.

�� In realtIn realtàà sono 38 le molecole nette di ATP ad essere sono 38 le molecole nette di ATP ad essere prodotte, ma 2 di esse vengono consumate per trasportare prodotte, ma 2 di esse vengono consumate per trasportare (tramite trasporto attivo) dal citoplasma alla matrice (tramite trasporto attivo) dal citoplasma alla matrice mitocondriale le 2 molecole di NADH + mitocondriale le 2 molecole di NADH + H+H+ prodotte nella prodotte nella glicolisi.glicolisi.



�� I cofattori ridotti (NADH e FADH2), si comportano come I cofattori ridotti (NADH e FADH2), si comportano come intermedi ossido/riduttivi. intermedi ossido/riduttivi.

�� Quando ridotti, essi sono in grado di trasportare elettroni Quando ridotti, essi sono in grado di trasportare elettroni ad energia relativamente alta (sottratti ai substrati ad energia relativamente alta (sottratti ai substrati ossidati ad esempio nella glicolisi o nello stesso ciclo di ossidati ad esempio nella glicolisi o nello stesso ciclo di KrebsKrebs) fino alla catena respiratoria mitocondriale. ) fino alla catena respiratoria mitocondriale.

�� Presso tale catena, essi vengono Presso tale catena, essi vengono riossidatiriossidati (a (a NAD+NAD+ e FAD) e FAD) e cedono gli elettroni alla catena stessa, che sare cedono gli elettroni alla catena stessa, che saràà coscosìì in in grado di rigenerare molecole di ADP ad ATP.grado di rigenerare molecole di ADP ad ATP.



�� La reazione netta La reazione netta èè la seguente:la seguente:

AcetilAcetil--CoACoA + 3 + 3 NAD+NAD+ + FAD + ADP + Pi + FAD + ADP + Pi --›› CoACoA--SHSH + 3 NADH + + 3 NADH + H+H+ + FADH2 + ATP + 2 CO2+ FADH2 + ATP + 2 CO2

�� L'energia che si ricava dalla completa demolizione di una L'energia che si ricava dalla completa demolizione di una molecola di glucosio attraverso i tre diversi stadi della molecola di glucosio attraverso i tre diversi stadi della respirazione cellulare (glicolisi, ciclo di respirazione cellulare (glicolisi, ciclo di KrebsKrebs e catena di e catena di trasporto di elettroni), trasporto di elettroni), èè idealmente di 36 molecole di ATP.idealmente di 36 molecole di ATP.

�� In realtIn realtàà sono 38 le molecole nette di ATP ad essere sono 38 le molecole nette di ATP ad essere prodotte, ma 2 di esse vengono consumate per trasportare prodotte, ma 2 di esse vengono consumate per trasportare (tramite trasporto attivo) dal citoplasma alla matrice (tramite trasporto attivo) dal citoplasma alla matrice mitocondriale le 2 molecole di NADH + mitocondriale le 2 molecole di NADH + H+H+ prodotte nella prodotte nella glicolisi.glicolisi.



�� La velocitLa velocitàà del ciclo di del ciclo di KrebsKrebs viene continuamente viene continuamente modulata per venire incontro alle esatte necessitmodulata per venire incontro alle esatte necessitààenergetiche della cellula. energetiche della cellula.

�� I siti primari di controllo sono gli enzimi allosterici, la I siti primari di controllo sono gli enzimi allosterici, la isocitrato deidrogenasiisocitrato deidrogenasi e la e la αααααααα--chetoglutaratochetoglutaratodeidrogenasi.deidrogenasi.



�� La La isocitrato deidrogenasiisocitrato deidrogenasi èè stimolata stimolata allostericamenteallostericamente dalla dalla presenza di ADP, che aumenta l'affinitpresenza di ADP, che aumenta l'affinitàà dell'enzima per il dell'enzima per il substrato. substrato.

�� I legami di isocitrato, di I legami di isocitrato, di NAD+NAD+, di Mg2+, e di ADP all'enzima , di Mg2+, e di ADP all'enzima sono mutualmente cooperativi in senso attivatore. sono mutualmente cooperativi in senso attivatore.

�� Al contrario, il NADH inibisce l'enzima attraverso lo Al contrario, il NADH inibisce l'enzima attraverso lo spiazzamento diretto di spiazzamento diretto di NAD+NAD+..

�� Lo stesso ATP ha effetto inibitorio.Lo stesso ATP ha effetto inibitorio.



�� La La αα--chetoglutaratochetoglutarato deidrogenasi deidrogenasi èè dunque inibita dal dunque inibita dal succinilsuccinil CoACoA e dal NADH, i prodotti della reazione che e dal NADH, i prodotti della reazione che catalizza.catalizza.

�� Può anche essere inibita genericamente da un alto livello Può anche essere inibita genericamente da un alto livello energetico presente nella cellula.energetico presente nella cellula.

GLICOLISI

CICLO DI KREBS

CATENA RESPIRATORIA E FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

Respirazione cellulare



�� Il ciclo di Il ciclo di KrebsKrebs èè sempre seguito dalla fosforilazione sempre seguito dalla fosforilazione ossidativa, una catena di trasporto di elettroni. ossidativa, una catena di trasporto di elettroni.

�� L'una non avrebbe senso senza l'altra in quanto l'ATP e il L'una non avrebbe senso senza l'altra in quanto l'ATP e il GTP prodotto dal ciclo in sGTP prodotto dal ciclo in séé èè scarso e la produzione di scarso e la produzione di NADH e FADH2 porterebbe ad NADH e FADH2 porterebbe ad un'ambienteun'ambiente mitocondriale mitocondriale eccessivamente ridotto, mentre la sola catena respiratoria eccessivamente ridotto, mentre la sola catena respiratoria necessiterebbe di una fonte di cofattori ridotti pena necessiterebbe di una fonte di cofattori ridotti pena l'ossidazione dell'ambiente. l'ossidazione dell'ambiente.

�� Questa respirazione cellulare estrae energia da NADH e Questa respirazione cellulare estrae energia da NADH e FADH2, ricreando FADH2, ricreando NAD+NAD+ e FAD, permettendo in tal modo e FAD, permettendo in tal modo al ciclo di continuare.al ciclo di continuare.



FOSFORILAZIONE OSSIDATIVAFOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

�� Si tratta della fase finale della respirazione cellulare, Si tratta della fase finale della respirazione cellulare, dopo glicolisi e ciclo di dopo glicolisi e ciclo di KrebsKrebs. .

�� Il processo genera la fosforilazione di molecole di Il processo genera la fosforilazione di molecole di ADP in ATP attraverso la conversione di NADH e ADP in ATP attraverso la conversione di NADH e FADH2 nelle forme ossidate, con rilascio di elettroni.FADH2 nelle forme ossidate, con rilascio di elettroni.

�� La conversione di NADH e FADH sarLa conversione di NADH e FADH saràà effettuata effettuata lungo la CATENA RESPIRATORIA.lungo la CATENA RESPIRATORIA.



�� L'ubicazione fisica del processo L'ubicazione fisica del processo èè sempre a cavallo di sempre a cavallo di una membrana biologica: una membrana biologica:

�� negli negli eucariotieucarioti, esso avviene presso le creste , esso avviene presso le creste mitocondriali (ossia i ripiegamenti della membrana mitocondriali (ossia i ripiegamenti della membrana interna dell'interna dell'organelloorganello), ),

�� mentre nei mentre nei procariotiprocarioti, ha luogo presso la membrana , ha luogo presso la membrana cellularecellulare

CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI



�� La catena di trasporto degli elettroni La catena di trasporto degli elettroni èè costituita da una costituita da una serie di complessi proteici e composti liposerie di complessi proteici e composti lipo--solubili (4) solubili (4) capaci di produrre un potenziale elettrochimico attraverso capaci di produrre un potenziale elettrochimico attraverso la membrana mitocondriale mediante la creazione di un la membrana mitocondriale mediante la creazione di un gradiente di concentrazione di ioni gradiente di concentrazione di ioni H+H+ tra i due lati della tra i due lati della membrana.membrana.

�� Questo potenziale Questo potenziale èè sfruttato per attivare i canali di sfruttato per attivare i canali di trasporto presenti sulla membrana stessa e per trasporto presenti sulla membrana stessa e per promuovere la sintesi dell'ATP da parte dell'ATP promuovere la sintesi dell'ATP da parte dell'ATP sintetasisintetasi..



�� I vari trasportatori sono disposti in maniera tale da I vari trasportatori sono disposti in maniera tale da avere potenziali di riduzione crescenti e per questo avere potenziali di riduzione crescenti e per questo motivo gli elettroni, venendo trasportati, passano da motivo gli elettroni, venendo trasportati, passano da uno stato energetico piuno stato energetico piùù alto ad uno stato energetico alto ad uno stato energetico pipiùù basso con conseguente liberazione di energia, la basso con conseguente liberazione di energia, la quale verrquale verràà utilizzata in parte per la sintesi di ATP, ed utilizzata in parte per la sintesi di ATP, ed in parte verrin parte verràà dispersa come calore (necessario al dispersa come calore (necessario al mantenimento della temperatura corporea)mantenimento della temperatura corporea)

�� I complessi normalmente associati alla catena di I complessi normalmente associati alla catena di trasporto degli elettroni mitocondriale sono quattro:trasporto degli elettroni mitocondriale sono quattro:



COMPLESSO I COMPLESSO I

�� NADH deidrogenasi (o Coenzima Q reduttasi): NADH deidrogenasi (o Coenzima Q reduttasi):

�� Questo complesso riceve due atomi di idrogeno dal Questo complesso riceve due atomi di idrogeno dal coenzima NADH e li trasferisce interamente al secondo coenzima NADH e li trasferisce interamente al secondo trasportatore della catena di trasporto degli elettroni, trasportatore della catena di trasporto degli elettroni, ciocioèè il Coenzima Q. il Coenzima Q.

�� L'energia ricavata dal passaggio L'energia ricavata dal passaggio

degli elettroni degli elettroni èè utilizzata utilizzata

da questo complesso per da questo complesso per

trasportare 4 protoni trasportare 4 protoni

nello spazio intermembrana.nello spazio intermembrana.



�� Il complesso 2 Il complesso 2 èè chiamato chiamato succinatosuccinato--CoQCoQ riduttasi perchriduttasi perchéé gli gli elettroni che giungono al elettroni che giungono al CoQCoQ dal FADH2 provengono dalla dal FADH2 provengono dalla ossidazione dell'acido succinico. ossidazione dell'acido succinico.

�� Il complesso 2 Il complesso 2 èè un punto di contatto tra ciclo di un punto di contatto tra ciclo di KrebsKrebs e catena e catena respiratoria; infatti contiene l'enzima della tappa respiratoria; infatti contiene l'enzima della tappa nn°° 6 del ciclo 6 del ciclo di di KrebsKrebs ,che ossida l'acido succinico ad acido fumarico con la ,che ossida l'acido succinico ad acido fumarico con la contemporanea riduzione del FAD a FADH2.contemporanea riduzione del FAD a FADH2.

�� Il FADH2 viene subito Il FADH2 viene subito riossidatoriossidato a FAD senza lasciare il a FAD senza lasciare il complesso , e trasferisce i suoi elettroni a centri complesso , e trasferisce i suoi elettroni a centri FeFe--SS che a loro che a loro volta riducono il volta riducono il CoQCoQ..

�� Il complesso 2 non Il complesso 2 non èèinin grado di trasferire protoni dalla matrice grado di trasferire protoni dalla matrice allo spazio intermembrana Per allo spazio intermembrana Per questoportaallaquestoportaalla formazione di 2 formazione di 2 sole molecole di ATP contro le 3 sole molecole di ATP contro le 3 generatedallgeneratedall'ossidazione del 'ossidazione del NADH che arrivano al NADH che arrivano al CoQCoQ attraverso il complesso 1.attraverso il complesso 1.

Complesso II succinato:ubichinone ossidoreduttasi

Succinato + CoQ Fumarato + CoQH2



COMPLESSO IIICOMPLESSO III

�� Citocromo bc1, anche detto Citocromo c reduttasi: Citocromo bc1, anche detto Citocromo c reduttasi: riceve elettroni dal Coenzima Q e li cede al citocromo riceve elettroni dal Coenzima Q e li cede al citocromo c; in seguito trasporta 4 protoni nello spazio c; in seguito trasporta 4 protoni nello spazio intermembranaintermembrana

�� Sede dellSede dell’’importantissimo ciclo dellimportantissimo ciclo dell’’UbichinoneUbichinone

CoQH2+2cit.c 3+----� CoQ+ 2cit.c2++2H+

Ciclo Q

QH2

FeS c1

e- e-

2H+

b562 (H)

b566 (L)

e-

e-

e-

Q

Q

out

in

Q-.

Q-.

QH2

e-

e-

e-

e-

e-

QH2

2H+antimicina A

mixotiazolo2H+

Complesso III Ubichinolo:citocromo c ossidoreduttasi

Qo

Qi

Ciclo Q o dell’ ubichinone

2H+ vettoriali2H+ scalari

2H+ scalari

2H+ vettoriali



COMPLESSO IVCOMPLESSO IV

�� Citocromo c ossidasiCitocromo c ossidasi: : èè l'ultimo complesso, quello l'ultimo complesso, quello che trasferisce gli elettroni direttamente all' che trasferisce gli elettroni direttamente all' ossigeno (proveniente dai polmoni) trasformandolo ossigeno (proveniente dai polmoni) trasformandolo insieme agli ioni insieme agli ioni H+H+, in H2O. , in H2O.

�� Anche questo trasporta 4 protoni nello spazio Anche questo trasporta 4 protoni nello spazio intermembrana.intermembrana.



�� Tutte queste sono complessi Tutte queste sono complessi lipoproteicilipoproteici che che contengono flavina, cluster ferrocontengono flavina, cluster ferro--zolfo o rame.zolfo o rame.

�� I complessi I, I complessi I, IIIIII e e IVIV sono "pompe protoniche" ed il sono "pompe protoniche" ed il gradiente formatosi a cavallo della membrana gradiente formatosi a cavallo della membrana mitocondriale interna viene utilizzato dall'enzima ATP mitocondriale interna viene utilizzato dall'enzima ATP sintetasisintetasi per formare ATP a partire dai suoi substrati per formare ATP a partire dai suoi substrati (ADP + PI). (ADP + PI).

�� Il processo di formazione di questo nucleotide viene Il processo di formazione di questo nucleotide viene chiamato Fosforilazione ossidativa.chiamato Fosforilazione ossidativa.

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

• Ipotesi dell ’ ACCOPPIAMENTO CHIMICO (serie di intermedi ad alto contenuto energetico)• Ipotesi dell ’ACCOPPIAMENTO CONFORMAZIONALE (variazione conformazionale delle proteine di membrana)• Ipotesi dell ’ ACCOPPIAMENTO CHEMIOSMOTICO (formazione di un gradiente elettrochimico di protoni) Ipotesi di Mitchell 1961

Racker & Stoeckenius hanno confermato l ’ ipotesi di Mitchell usando vescicole contenenti la batteriorodopsina e l’ATP sintasi

DG’° = nFDE’ ° = -220kJ/mole

Gran parte di questa energia viene usata per pompare protoni fuori dalla matrice mitocondriale. Per ogni coppia di elettroni trasferiti all’ossigeno, 4 protoni sono pompati fuori dal Complesso I, 4 dal Complesso III e 2 dal Complesso IV.

Durante una attiva respirazione mitocondriale il DY è stato valutato tra 0.15 e 0.2 V ed il pH della matrice è di circa 0.75 unità più alcalino rispetto a quello dello spazio intermembrana

≃≃≃≃ 20 kJ/mole

∆µ∆µ∆µ∆µH+ =

Forza motrice protonica

per un protone

Modello Chemiosmotico

ADP + Pi + nH+P ------� ATP + H2O + nH+

N

F1

Fo

Stalk

(sub F1 ed Fo)

F1 FoATP SINTASI

Enzima deputato alla sintesi di ATP a spese del gradiente di H+ transmembrana (H+

fluiscono attraverso l’ Fo all’ F1).

• E’ anche in grado di idrolizzare ATP pompando protoni dal settore F1 verso il settore Fo.

• Nei batteri anaerobi forma un gradiente protonico per il trasporto e/o regola il pH citoplasmatico

subunità c

L ’ ATP sintasi mitocondriale è una ATPasi di tipo F costituita da due parti distinte:Il settore F1 ed il settore Fo

La reazione catalizzata è:

ADP + Pi ATP + H2O

Nel caso dell’ATP sintasi la reazione èdel tutto reversibile (DG’° ≅ O).Perché?Questo enzima rende l ’ ATP stabile tanto quanto i suoi prodotti di idrolisi, ADP e Pi, tenendolo saldamente legato.

La subunità g ha un dominio che costituisce l’asse centrale che passa attraverso l’F1 ed un altro dominio che è associato in prevalenza ad una delle tre subunità b, detta subunità b-vuota.

F1 visto dal lato N della membrana

ADP

ATP

Il complesso F1 possiede tre siti di legame per nucleotidi adeninicinon equivalenti, uno per ogni eterodimero ab.

La forza motrice protonica provoca la rotazione delle subunità c e la subunità g entra in contatto a turno con ciascuna coppia di subunità ab e precisamente con la subunità b che assume la conformazione vuota (O).

Il gradiente protonico provoca il rilascio dalla superficie enzimatica dell ’ ATP prodotto che non può essere rilasciato finchè ADP e Pi non sono legati all’altro sito (COOPERATIVITA’

NEGATIVA).

L

L

L

T

T

T

O

O

O

L’ENERGIA DEL GRADIENTE PROTONICO NON E’ UTILIZZATA PER LA SINTESI DI ATP MA PER IL RILASCIO DI ATP DAL SITO TIGHT

I TRE SITI CATALITICI PARTECIPANO IN SEQUENZA IN MANIERA COOPERATIVA.

(ATTRAVERSO L’INTERCONVERSIONE DELLE CONFORMAZIONI)

LE VARIAZIONI CONFORMAZIONALI AI TRE SITI SONO CAUSATE DALLA ROTAZIONE

DELLA SUBUNITA’ γγγγ

BINDING CHANGE MECHANISM Boyer 1997 Premio Nobel in Chimica

CATALISI ROTAZIONALE

1.Passaggio di protoni attraverso il “canale” Fo2.Rotazione dell’oligomero di subunità c3.Rotazione della subunità γ (δε)

Ogni rotazione di 120° pone in contatto γ con una diversa subunità β e questo contatto costringe la subunità β ad assumere la conformazione β-vuota.

Il numero di H+ richiesti per la sintesi di una molecola di ATP è di 4 di cui 1 è usato per trasportare Pi attraverso la m.m.i.

3


FOTOSINTESIFOTOSINTESI

�� La fotosintesi clorofilliana La fotosintesi clorofilliana èè ll’’insieme delle reazioni durante le insieme delle reazioni durante le quali le piante verdi producono sostanze organiche a partire da quali le piante verdi producono sostanze organiche a partire da CO2 e dallCO2 e dall’’acqua, in presenza di luce.acqua, in presenza di luce.

�� Mediante Mediante la clorofillala clorofilla, l'energia solare (luce) viene trasformata , l'energia solare (luce) viene trasformata in una forma di energia chimica utilizzabile dagli organismi in una forma di energia chimica utilizzabile dagli organismi vegetali per la propria sussistenza. vegetali per la propria sussistenza.

�� Tali organismi si dicono Tali organismi si dicono autotrofi.autotrofi.



�� Il prodotto organico della fotosintesi Il prodotto organico della fotosintesi ossigenicaossigenica èè il il glucosio (C6H12O6), il carboidrato monosaccaride piglucosio (C6H12O6), il carboidrato monosaccaride piùùdiffuso sul nostro pianeta.diffuso sul nostro pianeta.

�� In seguito da questo sono assemblate varie altre In seguito da questo sono assemblate varie altre macromolecole, quali macromolecole, quali l'amidol'amido (la forma di accumulo del (la forma di accumulo del carbonio nelle piante) e il carbonio nelle piante) e il saccarosiosaccarosio (la forma di trasporto (la forma di trasporto principale del carbonio nelle piante ). principale del carbonio nelle piante ).

�� Il Il carboniocarbonio e l'e l'idrogenoidrogeno da convertire in sostanza organica da convertire in sostanza organica sono forniti rispettivamente sono forniti rispettivamente dall'anidride carbonicadall'anidride carbonica (CO2) (CO2) atmosferica e atmosferica e dall'acquadall'acqua(H20). (H20).

�� La quasi totalitLa quasi totalitàà della fotosintesi della fotosintesi ossigenicaossigenica èè compiuta da compiuta da piante e alghe che ricavano l'idrogeno dall'acqua (H2O).piante e alghe che ricavano l'idrogeno dall'acqua (H2O).



�� L'equazione chimica che riassume il processo L'equazione chimica che riassume il processo èè::

6 CO2 + 6 H2O + 686 Kilocalorie/mole 6 CO2 + 6 H2O + 686 Kilocalorie/mole →→ C6H12O6 + 6 O2C6H12O6 + 6 O2



�� Esistono, soprattutto fra gli organismi procarioti Esistono, soprattutto fra gli organismi procarioti autotrofi, varie forme di fotosintesi, oltre alla autotrofi, varie forme di fotosintesi, oltre alla fotosintesi clorofilliana fotosintesi clorofilliana ossigenicaossigenica descritta qui. descritta qui.

�� In alcune specie di batteri autotrofi, In alcune specie di batteri autotrofi, l'idrogenol'idrogenoproviene non dall'acqua ma proviene non dall'acqua ma dall'acido solfidricodall'acido solfidrico, che , che nella fotosintesi viene ossidato a zolfo elementare nella fotosintesi viene ossidato a zolfo elementare (S8)(S8)

6 CO2 + 12 H2S 6 CO2 + 12 H2S →→→→→→→→ C6H12O6 + 12 S + 6 H2OC6H12O6 + 12 S + 6 H2O



�� Si noti che questi batteri sono Si noti che questi batteri sono anaerobi obbligati.anaerobi obbligati.

�� Le forme di fotosintesi clorofilliana che vengono effettuate conLe forme di fotosintesi clorofilliana che vengono effettuate conlo zolfo (o in alcuni casi anche con l'azoto) vengono dette lo zolfo (o in alcuni casi anche con l'azoto) vengono dette fotosintesi fotosintesi anossigenicheanossigeniche..

�� Anche fra le piante si riscontrano vari tipi di fotosintesi Anche fra le piante si riscontrano vari tipi di fotosintesi clorofilliana. clorofilliana.

�� Le piante sono suddivise, in base alla forma di fotosintesi Le piante sono suddivise, in base alla forma di fotosintesi clorofilliana da esse compiuta, in tre gruppi principali, che haclorofilliana da esse compiuta, in tre gruppi principali, che hanno nno diverse caratteristiche: le piante C3, C4 e CAM. diverse caratteristiche: le piante C3, C4 e CAM.

�� Vi Vi èè anche una forma di fotosintesi, anche una forma di fotosintesi, la chemiosintesila chemiosintesi, in cui , in cui l'energia chimica l'energia chimica èè data dalla demolizione di molecole organiche data dalla demolizione di molecole organiche anzichanzichéé dalla radiazione elettromagnetica.dalla radiazione elettromagnetica.



�� La fotosintesi clorofilliana avviene per tappe riunibili in due La fotosintesi clorofilliana avviene per tappe riunibili in due fasi: fasi:

-- la la fase luminosafase luminosa dipendente dalla luce dipendente dalla luce

-- La La fissazione del carboniofissazione del carbonio (fase oscura indipendente (fase oscura indipendente dalla luce) di cui fa parte il ciclo di Calvin. dalla luce) di cui fa parte il ciclo di Calvin.

�� La seconda fase viene anche definita La seconda fase viene anche definita "fase oscura","fase oscura", ma non ma non si riferisce all'assenza della luce dato che alcuni enzimi si riferisce all'assenza della luce dato che alcuni enzimi coinvolti in questa fase sono direttamente attivati proprio coinvolti in questa fase sono direttamente attivati proprio dalla luce, tanto che avviene contemporaneamente alla fase dalla luce, tanto che avviene contemporaneamente alla fase luminosa e non di notte.luminosa e non di notte.

�� Infatti in assenza di luce si ha scarsitInfatti in assenza di luce si ha scarsitàà di ATP e NADPH, di ATP e NADPH, gli stomi si chiudono e cosgli stomi si chiudono e cosìì non vi non vi èè accesso di CO2accesso di CO2



FASE LUMINOSAFASE LUMINOSA�� Il processo Il processo fotosinteticofotosintetico si svolge all'interno dei si svolge all'interno dei cloroplasti.cloroplasti.

�� All'interno di questi si trova un sistema di membrane All'interno di questi si trova un sistema di membrane che formano pile di sacchetti appiattiti (che formano pile di sacchetti appiattiti (tilacoiditilacoidi), dette ), dette granigrani..

�� All'interno di queste membrane troviamo delle molecole All'interno di queste membrane troviamo delle molecole di clorofilla, aggregate a formare i cosiddetti di clorofilla, aggregate a formare i cosiddetti fotosistemifotosistemi. .

�� Si possono distinguere 2 tipi di Si possono distinguere 2 tipi di fotosistemifotosistemi,essi sono un ,essi sono un insieme di molecole di pigmenti in cui linsieme di molecole di pigmenti in cui l’’energia viene energia viene convogliata verso una molecola di clorofilla "a trappola.convogliata verso una molecola di clorofilla "a trappola.””



�� Il Il fotosistemafotosistema I I èè formato da un LHC (complesso che formato da un LHC (complesso che cattura la luce) costituito da circa 70 molecole di clorofilla cattura la luce) costituito da circa 70 molecole di clorofilla a e b e da 13 diversi tipi di catene a e b e da 13 diversi tipi di catene polipeptidichepolipeptidiche, e da un , e da un centro di reazione che comprende circa 130 molecole di centro di reazione che comprende circa 130 molecole di clorofilla a e P700, un particolare tipo di clorofilla che ha ilclorofilla a e P700, un particolare tipo di clorofilla che ha ilmassimo assorbimento della luce a 700nm.massimo assorbimento della luce a 700nm.

�� Il Il fotosistemafotosistema II II èè anch'esso composto da un LHC, anch'esso composto da un LHC, formato da circa 200 molecole di clorofilla a e b, nonchformato da circa 200 molecole di clorofilla a e b, nonchééda diverse catene da diverse catene polipeptidichepolipeptidiche, e da un centro di , e da un centro di reazione formato da circa 50 molecole di clorofilla a e di reazione formato da circa 50 molecole di clorofilla a e di P680, che ha il massimo assorbimento della luce solare a P680, che ha il massimo assorbimento della luce solare a 680nm.680nm.



�� Tutte queste molecole sono in grado di catturare l'energia Tutte queste molecole sono in grado di catturare l'energia luminosa, ma solo quelle di luminosa, ma solo quelle di clorofilla aclorofilla a sono in grado di sono in grado di passare ad uno stato eccitato che attiva la reazione passare ad uno stato eccitato che attiva la reazione fotosinteticafotosintetica. .

�� Le molecole che hanno Le molecole che hanno solosolo funzione di funzione di captazionecaptazione sono sono dette molecole dette molecole antennaantenna; ;

�� Quelle che Quelle che attivanoattivano il il processo processo fotosinteticofotosintetico sono definite sono definite centri di reazionecentri di reazione. .

�� La "fase luminosa" La "fase luminosa" èè dominata dalla clorofilla a, le cui dominata dalla clorofilla a, le cui molecole assorbono selettivamente luce nelle porzioni molecole assorbono selettivamente luce nelle porzioni rossa e rossa e blublu--violettavioletta dello spettro visibile, attraverso una dello spettro visibile, attraverso una serie di altri pigmenti coadiuvanti.serie di altri pigmenti coadiuvanti.



�� L'energia catturata dalle molecole di clorofilla consente la L'energia catturata dalle molecole di clorofilla consente la promozione di elettroni da orbitali atomici a energia minore promozione di elettroni da orbitali atomici a energia minore ad orbitali ad energia maggiore. ad orbitali ad energia maggiore.

�� Questi vengono subito sostituiti mediante Questi vengono subito sostituiti mediante idrolisi di molecole idrolisi di molecole d'acquad'acqua (che, da H2O, si demolisce in due protoni, due (che, da H2O, si demolisce in due protoni, due elettroni ed un ossigeno grazie alla fotolisi, operata dai due elettroni ed un ossigeno grazie alla fotolisi, operata dai due fotosistemifotosistemi). ).

�� Gli elettroni liberati dalla clorofilla del Gli elettroni liberati dalla clorofilla del fotosistemafotosistema II II vengono immessi in una catena di trasporto costituita dal vengono immessi in una catena di trasporto costituita dal citocromo B6f, durante la quale perdono energia, passando ad citocromo B6f, durante la quale perdono energia, passando ad un livello energetico inferioreun livello energetico inferiore

�� L'energia persa viene utilizzata per pompare protoni dallo L'energia persa viene utilizzata per pompare protoni dallo stroma all'interno dello spazio del stroma all'interno dello spazio del tilacoidetilacoide, creando un , creando un gradiente protonico.gradiente protonico.



�� Infine gli elettroni giungono al Infine gli elettroni giungono al fotosistemafotosistema I, che a sua I, che a sua volta, per effetto della luce, ha perso altri elettroni. volta, per effetto della luce, ha perso altri elettroni.

�� Gli elettroni persi dal Gli elettroni persi dal fotosistemafotosistema I vengono trasferiti alle I vengono trasferiti alle ferredossinaferredossina, che riduce , che riduce NADP+NADP+ in NADPH. in NADPH.

�� Tramite la proteina di membrana Tramite la proteina di membrana ATPATP--sintetasisintetasi situata situata sulla membrana del sulla membrana del tilacoidetilacoide gli ioni gli ioni H+H+ liberatisi liberatisi dall'idrolisi dell'acqua passano dallo spazio del dall'idrolisi dell'acqua passano dallo spazio del tilacoidetilacoideallo stroma, cioallo stroma, cioèè verso gradiente, sintetizzando ATP a verso gradiente, sintetizzando ATP a partire da gruppi liberi di fosfato e ADP. partire da gruppi liberi di fosfato e ADP.

�� Si può formare una molecola di ATP ogni due elettroni Si può formare una molecola di ATP ogni due elettroni persi dai persi dai fotosistemifotosistemi..



�� La fase di La fase di FISSAZIONE DEL CARBONIOFISSAZIONE DEL CARBONIO o ciclo di Calvino ciclo di Calvincomporta l'comporta l'organificazioneorganificazione della CO2, ossia la sua della CO2, ossia la sua incorporazione in composti organici e la riduzione del incorporazione in composti organici e la riduzione del composto ottenuto grazie al ATP ricavato dalla fase luminosa. composto ottenuto grazie al ATP ricavato dalla fase luminosa.

�� In questo ciclo In questo ciclo èè presente un composto organico fisso, il presente un composto organico fisso, il ribulosioribulosio bifosfatobifosfato, o , o RuBPRuBP, che viene trasformato durante la , che viene trasformato durante la reazione fino a tornare al suo stato iniziale. reazione fino a tornare al suo stato iniziale.

�� Le 12 molecole di Le 12 molecole di ribulosioribulosio bifosfatobifosfato presenti nel ciclo di presenti nel ciclo di Calvin reagiscono con l'acqua e l'anidride carbonica subendo Calvin reagiscono con l'acqua e l'anidride carbonica subendo una serie di trasformazioni.una serie di trasformazioni.

�� Alla fine del processo, oltre alle 12 Alla fine del processo, oltre alle 12 RuBPRuBP nuovamente nuovamente sintetizzate, si originano 2 molecole di sintetizzate, si originano 2 molecole di gliceraldeidegliceraldeide 33--fosfato, che vengono espulse dal ciclo come prodotto netto fosfato, che vengono espulse dal ciclo come prodotto netto della fissazione.della fissazione.



�� L'ATP e la NADPH consumate durante il ciclo di Calvin L'ATP e la NADPH consumate durante il ciclo di Calvin vengono prelevate da quelle prodotte durante la fase vengono prelevate da quelle prodotte durante la fase luminosa, e, una volta ossidate, tornano a far parte del pool luminosa, e, una volta ossidate, tornano a far parte del pool disponibile per la riduzione. disponibile per la riduzione.

�� Complessivamente, nel ciclo di Calvin vengono consumate 6 Complessivamente, nel ciclo di Calvin vengono consumate 6 molecole di CO2, 6 di acqua, 18 di ATP e 12 di NADPH per molecole di CO2, 6 di acqua, 18 di ATP e 12 di NADPH per formare 2 formare 2 gliceraldeidegliceraldeide 33--fosfato (abbreviato in G3P), 18 fosfato (abbreviato in G3P), 18 gruppi liberi di fosfato, 18 ADP, 12 protoni, 12 gruppi liberi di fosfato, 18 ADP, 12 protoni, 12 NADP+NADP+..

�� Le due molecole di Le due molecole di gliceraldeidegliceraldeide 33--fosfato formatesi fosfato formatesi durante il ciclo di Calvin vengono utilizzate per durante il ciclo di Calvin vengono utilizzate per sintetizzare glucosio, in un processo inverso alla glicolisi, osintetizzare glucosio, in un processo inverso alla glicolisi, oper formare lipidi quali acidi grassi oppure amminoacidi per formare lipidi quali acidi grassi oppure amminoacidi (aggiungendo un gruppo amminico nella struttura).(aggiungendo un gruppo amminico nella struttura).

Ciclo di KREBS(ciclo degli acidi tricarbossilici, ciclo dell’acido citrico)

AcetilCoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O

2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + GTP + CoA

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