LA BIOENERGETICA

4° incontro. La Bioenergetica: I diversi tipi di metabolismo e le reazioni di ossidoriduzione di

importanza biologica

•Estrarre dall’ambiente energia e potere riducente

• Il potere riducente serve per compiere le biosintesi

Il metabolismo

•ΔG < 0

•Possibilità di accoppiamento di reazioni termodinamicamente sfavorevoli a reazioni con un elevato ΔG < 0

I principi basilari della bioenergetica

•produzione di lavoro meccanico

• trasporto attivo di molecole o ioni

• sintesi di macromolecole

Perché ai viventi serve un continuo rifornimento di energia libera?

Vita = capacità di permanere lontano dallo stato di equilibrio

Come si riesce a rimanere lontani dall’equilibrio?

• Chemotrofia (eterotrofia e non solo...)

• Autotrofia (= fototrofia)

I due tipi di metabolismo

I chemotrofi ottengono l’energia libera a loro necessaria dall’ossidazione di sostanze nutrienti

(organiche o non organiche)

Gli autotrofi ottengono l’energia libera a loro necessaria ‘intrappolando’ l’energia luminosa

Parte dell’energia ottenuta dalle ossidazioni o dalla luce viene trasformata in una ‘forma

speciale’, adatta al trasporto e all’immagazzinamento

• Legami fosfoanidridici (7 kcal/mol l’uno)

• Idrolisi dell’ATP alimenta un gran numero di reazioni termodinamicamente improbabili

• Le strutture biologiche che si avvalgono dell’energia libera rilasciata dall’idrolisi dell’ATP sono quindi dei trasduttori (actina/miosina; trasportatori di membrana; ...)

Perché proprio l’ATP?

L’ATP viene sintetizzato quando le sostanze nutrienti sono ossidate (chemiotrofia) o quando

la luce vien intrappolata (fototrofia)

• Fattore elettrostatico: la repulsione tra cariche negative si riduce quando l’ATP viene idrolizzato

• Maggior stabilità per risonanza dei prodotti di idrolisi, ADP e Pi

A cosa è dovuto l’alto potenziale di trasferimento di gruppi fosforici?

Non solo ATP: fosfocreatina, fosfoenolpiruvato, acetilfosfato...

ATP = ‘combustibile della vita’?

NO!!!

Il combustibile della vita è la caduta di elettroni da un livello di energia superiore ad uno inferiore

La bioenergetica studia i meccanismi che sono alla base di questi processi di caduta degli

elettroni e dell’assemblaggio dell’ATP, ad essi associato

L’assemblaggio dell’ATP è associato allo scambio di uno o due elettroni tra due sostanze: il

donatore e l’accettore

• Il donatore di elettroni passa dallo stato ridotto (ricco di elettroni) allo stato ossidato (povero di elettroni)

•L’accettore di elettroni passa dallo stato ossidato (povero di elettroni) allo stato ridotto (ricco di elettroni)

Le ossidoriduzioni biologiche

• La coppia riducente/ossidante si chiama coppia redox

• Ogni coppia redox è caratterizzata da un potenziale redox

• La forma ridotta ha un potenziale più negativo della forma ossidata

• Più una coppia ha tendenza a cedere elettroni (rispetto alla coppia H2/2H+) e più è definita da un potenziale negativo

• Gli elettroni vengono trasferiti tra coppie redox

• Durante tali trasferimenti di elettroni si libera energia in quantità proporzionale alla ddp tra i due rispettivi potenziali redox e al numero di elettroni trasferiti

Per assemblare una molecola di ATP è necessario che un singolo elettrone cada da una ddp di

almeno 600 mV (o che una coppia di elettroni cadano da una ddp di almeno 300 mV)

Quando un trasferimento di elettroni serve a sostenere le richieste di energia attraverso l’ATP

occorrono semplicemente un donatore ed un accettore di elettroni separati da una ddp di almeno 600/n mV (n è il numero di elettroni

trasferiti)

La questione fondamentale è quindi:dove trovare i donatori di elettroni??!

ETEROTROFI

Il cibo fornisce le sostanze che agiscono da donatori di elettroni, cioè gli elettroni ad alto livello energetico.

Questi elettroni vengono poi trasferiti ad un accettore finale (negli aerobi è l’ossigeno)

METABOLISMO ETEROTROFO AEROBIO

Negli eterotrofi anaerobi, l’accettore finale di elettroni può essere:

- Fe (che passa dallo stato ossidato, ferrico, a quello ridotto, ferroso)- S elementare (che viene ridotto a H2S, acido solfidrico)- un accettore generato metabolicamente (fermentazioni)

NB l’accettore finale viene sempre ridotto!

ANAEROBIOSI

Nei chemiotrofi gli elettroni provengono da donatori esterni (∿ eterotrofia) e sono restituiti ad un basso livello di energia a degli accettori esterni, MA...

... gli elettroni vengono forniti da sostanze inorganiche (es. H2S)

[esempio: metanobatteri usano H2 molecolare come donatore e CO2 come accettore, accoppiandovi l’assemblaggio di ATP]

L’acqua fornisce gli elettroni ad alto livello energetico. Gli accettori sono complessi sistemi molecolari in grado di riportare gli elettroni

al livello energetico superiore.L’acqua, una volta ossidata, viene liberata come ossigeno molecolare.

METABOLISMO AUTOTROFO FOTOTROFICO

NB non ci sono donatori o accettori esterni

METABOLISMO ETEROTROFO

• Le macromolecole presenti nei cibi vengono scisse in unità di dimensioni minori [in questa fase non viene generata energia utilizzabile]

• I prodotti della scissione vengono convertiti in pochi tipi di unità semplici (es. acetil CoA), che hanno un ruolo fondamentale nel metabolismo [in questa fase viene generata una minima quantità di energia]

• Ciclo di Krebs + fosforilazione ossidativa [in questa fase viene generata la maggior parte dell’energia libera!]

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA =RESPIRAZIONE CELLULARE

CICLO DI KREBS E FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

• sono le vie finali comuni all’ossidazione di molecole nutrienti

• l’acetil CoA viene completamente ossidato a CO2 e nel contempo coppie di elettroni vengono trasferite a coenzimi particolari (NAD+ e FAD), che quindi passano allo stato ridotto (ciclo di Krebs);

• il flusso di elettroni dai coenzimi ridotti (NADH e FADH2) all’ossigeno porta alla formazione di ATP (fosforilazione ossidativa)

Ciclo di Krebs e fosforilazione sono processi accoppiati:

per ogni acetil CoA che viene ossidato a CO2 vengono trasferite al NAD+ e al FAD quattro coppie di elettroni

L’anello nicotinamidico accetta un protone e due elettroni

La flavina accetta due protoni e due elettroni

Le forme ridotte dei trasportatori di elettroni trasferiscono poi gli elettroni ad alto potenziale

all’ossigeno, nella fosforilazione ossidativa.

QUESTO PROCESSO AVVIENE NELLA CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI,

SITUATA NELLA MEMBRANA MITOCONDRIALE INTERNA

Le forme ridotte dei trasportatori di elettroni possono, in alternativa, trasferire gli elettroni durante i processi che portano alla biosintesi

delle macromolecole biologiche.

Le biosintesi richiedono potere riducente!

Nella maggior parte delle biosintesi, i precursori sono più ossidati dei prodotti: è quindi

necessario immettere elettroni nelle reazioni che condurranno ai prodotti

Il donatore di elettroni nelle biosintesi riduttive è il NADPH

Nel cuore del metabolismo vi è il trasporto di gruppi attivati:

1) elettroni2) gruppi acile

Nel cuore del metabolismo vi è infattila glicolisi

Il trasporto di gruppi acile attivati è affidato all’acetil CoA

L’acetil CoA trasporta gruppi acile attivati proprio come l’ATP trasporta gruppi fosforici

attivati

Come, dove e quando si forma l’acetil CoA?

Quando?

Al termine della glicolisi

Come?

Per decarbossilazione ossidativa del piruvato, che è infatti il prodotto finale della glicolisi

Dove?

All’interno dei mitocondri.

E infatti l’acetil CoA collega la glicolisi alla fosforilazione ossidativa, negli aerobi

La glicolisi si trova quindi nel cuore di ogni tipo di metabolismo perché...

• ... produce una minima quantità di ATP

• è il preludio al ciclo di Krebs e alla fosforilazione ossidativa

• si svolge nel citoplasma e non nei mitocondri (v. teoria endosimbiontica L. Margulis)

Durante la glicolisi una molecola di glucosio viene convertita in due molecole di piruvato, con

un guadagno netto di due molecole di ATP

L’accettore di elettroni accoppiato a tale ossidazione del glucosio è il NAD+, che viene

perciò ridotto a NADH.

Negli aerobi, il NADH viene rigenerato a NAD+ durante la fosforilazione ossidativa, mentre si ha

l’assemblaggio di ATP

Negli anaerobi, il NAD+ viene rigenerato durante le fermentazioni anaerobiche:

- quando il piruvato viene ridotto a lattato (fermentazione lattica)- quando il piruvato viene ridotto a etanolo (fermentazione alcolica)

Le fermentazioni generano un guadagno netto di 2 molecole di ATP per molecola di glucosio ossidata

La maggior parte dell’energia contenuta nella molecola di glucosio viene estratta solo se il piruvato entra nel ciclo (aerobio) dell’acido

citrico [ciclo di Krebs] e se si intraprende la via della fosforilazione ossidativa

IL CICLO DI KREBS IN SINTESI

• è costituito da quattro reazioni di ossidoriduzione

• tre coppie di elettroni sono trasferite al NAD+ e una coppia è trasferita al FAD

• nel ciclo si forma direttamente una molecola di ATP, mentre il glucosio viene convertito in piruvato

• altre undici molecole di ATP verranno ottenute quando il NADH e il FADH2 entreranno nella catena mitocondriale

Il ciclo di Krebs opera solo in condizioni aerobie(perché è associato alla fosforilazione ossidativa),

mentre la glicolisi opera sia in condizioni aerobie che anaerobie

LA FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

• è il processo mediante il quale gli elettroni sono donati dal NADH e dal FADH2 all’ossigeno, processo durante il quale

• si assembla ATP a partire da ADP e Pi

• gli elettroni passano dai coenzimi ridotti all’ossigeno attraverso una serie di trasportatori di elettroni

• si ottengono come prodotti finali CO2 e H2O e 32 molecole di ATP (che si vanno a sommare alle 2 molecole ottenute nella glicolisi e alle 2 ottenute nel ciclo di Krebs)

AEROBI vs. ANAEROBI

• ANAEROBI >> 2 molecole di ATP/molecola di glucosio ossidata (da glicolisi/fermentazioni)

• AEROBI >> 2 + 2 + 32 molecole di ATP/molecola di glucosio ossidata (da glicolisi+ciclo di Krebs+fosforilazione ossidativa)

I LUOGHI

• Glicolisi > citosol

• Ciclo di Krebs > matrice mitocondriale

• Fosforilazione > membrana mitocondriale interna

I trasportatori di elettroni

• citocromi

• centri ferro-zolfo

• ioni rame

Tappa dopo tappa, gli elettroni vengono trasferiti dal NADH e dal FADH2 a questi trasportatori e contemporaneamente si produce una traslocazione di protoni al di fuori della matrice mitocondriale

>> si genera una forza motrice protonica

La forza motrice protonica mitocondriale

• a livello della membrana mitocondriale interna

• gradiente di pH (il lato citosolico dei mitocondri è acido)

• potenziale transmembrana (il lato citosolico dei mitocondri è carico positivamente)

A cosa serve la forza motrice protonica mitocondriale?

• a produrre ATP, mentre i protoni ritornano nella matrice mitocondriale attraverso un canale per i protoni che fa capo al complesso enzimatico della ATP sintasi

• è una produzione di energia libera mediante un gradiente di protoni

Il disaccoppiamento tra ossidazione e fosforilazione (cortocircuitazione della barriera

protonica) si traduce nella liberazione di energia sotto forma di energia termica:

>> produzione di calore

METABOLISMO AUTOTROFO

• ha un costo energetico molto superiore ai fabbisogni della vita eterotrofa

• CO2 come fonte di carbonio, H2O come fonte di idrogeno, NO3- come fonte di azoto, SO42- come fonte di zolfo: la loro conversione in molecole organiche richiede molte riduzioni e perciò un grande apporto di elettroni altamente energetici

• questi elettroni non si trovano in natura, ma devono essere derivati da sorgenti a bassa energia e poi innalzati al livello di energia richiesto

• il sollevamento degli elettroni ad un alto livello energetico avviene ad opera di due complessi sistemi localizzati nelle membrane tilacoidi dei cloroplasti: il fotosistema I e il fotosistema II

Gli autotrofi riciclano all’infinito gli elettroni con l’aiuto della luce (fotofosforilazione ciclica) e così

producono ATP, ma...

... hanno comunque bisogno di elettroni esterni per sostenere le riduzioni biosintetiche:

li ottengono dall’acqua!

Le tappe della fotosintesi

• assorbimento della luce da parte della clorofilla

• conseguente eccitazione elettronica della sua struttura molecolare

• eccitazione elettronica giunge fino ad un gruppo di molecole di clorofilla particolari, quelle del centro di reazione

• l’energia dell’elettrone eccitato viene convertita in separazione di carica: si ottiene potenziale riducente

Mg-porfirina

• assorbimento della luce avviene nelle clorofille del fotosistema II

• gli elettroni passano dal centro di reazione del fotosistema II al fotosistema I

• gli elettroni giungono infine alla ferredossina, un potente riducente, mentre si forma un gradiente protonico transmembrana

• il gradiente serve a produrre ATP

• l’enzima ferredossina-NADP reduttasi catalizza poi la formazione di NADPH, che servirà per le biosintesi

ATP e NADPH verranno poi usati nella riduzione dell’anidride carbonica a glucosio

(ciclo di Calvin)

Il ciclo di Calvin non è una reazione fotosintetica, ma una cosiddetta ‘reazione al buio’

nella fotosintesi come nella fosforilazione ossidativa

il flusso degli elettroni genera un gradiente protonico, che serve all’assemblaggio di ATP

la differenza è che:

- nella fosforilazione ossidativa gli elettroni provengono dall’ossidazione delle sostanze nutrienti- nella fotosintesi provengono dall’eccitazione, ad opera della luce, della clorofilla