La creazione dell’ATP nelle celluleattraverso l’ossidazione del glucosio

C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O 686 kcal

Enzimi ed ATP (nelle reazioni chimiche)

• Gli enzimi (proteine) riducono fortemente l’energia di attivazione di una reazione chimica.

• L’ATP (nucleotide) fornisce l’energia necessaria alla reazione chimica stessa.

Struttura dell’ATP(Adenosintrifosfato)

Adenina (base azotata), Ribosio (zucchero) e un gruppo fosforico

ATP

• Il legame covalente tra i gruppi fosforici si spezza facilmente liberando energia necessaria a guidare molte reazioni essenziali nella cellula.

• Quando un gruppo fosforico viene rimosso si liberano circa 7 kilocalorie per mole e l’ATP diviene ADP (adenosindifosfato).

• Fornendo 7 kilocalorie per mole, l’ADP riacquista il gruppo fosforico e diviene di nuovo ATP.

L’ossidazione del glucosio nella cellula

C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O 686 kcal

Circa il 40% dell’energia liberata in questo processo è utilizzata per trasformare ADP in ATP.

In presenza di ossigeno (ambiente aerobico) l’ossidazione completa di una molecola di glucosio produce circa 38 molecole di ATP.

Le due fasi dell’ossidazione completa del glucosio (1)

• Glicolisi nel citoplasma della cellula

• Respirazione nei mitocondri della cellula

(ciclo di Krebs catena di trasporto degli elettroni)

In assenza di ossigeno (ambiente anaerobico, per es. nelle cellule muscolari) la respirazione non può avere luogo e l’ossidazione di una molecola di glucosio produce solo 2 molecole di ATP.

Le due fasi dell’ossidazione completa del glucosio (2)

• Nella glicolisi una molecola di glucosio è trasformata in due molecole di acido piruvico. Il guadagno energetico netto, inteso come energia recuperata, è di due molecole di ATP e due molecole di NADH per ogni molecola di glucosio.

• Nella respirazione molecole di NADH e di FADH2 liberano energia (ossidandosi) che viene utilizzata per la formazione di ATP da ADP e fosfato (fosforilazione ossidativa).

Le due fasi dell’ossidazione completa del glucosio (3)

I mitocondri (1)

• Due membrane (interna ed esterna) selettive.

• All’interno delle creste della membrana interna vi è una soluzione densa (enzimi, coenzimi, acqua, fosfati, ecc.) detta matrice.

I mitocondri (2)

La glicolisi• Alla fine della glicolisi, il glucosio è scisso in due molecole

di acido piruvico.

• Nel processo si liberano 143 kcal.

• Rimangono 543 kcal nei legami chimici dell’acido piruvico.

C6H12O6 2ATP 4ADP 2Pi 2NAD

2CH3COCOOH 2ADP 2H 2H2O

2NADH 4ATP 143kcal

Questo processo biochimico avviene per tappe successive; attraverso nove reazioni diverse, ognuna catalizzata da un enzima specifico.

Le nove tappe nella glicolisi (da 1 a 3)

C6H12O6 2ATP 4ADP 2Pi 2NAD

2CH3COCOOH 2ADP 4ATP 2NADH 2H 2H2O 143kcal

Le nove tappe nella glicolisi (la 4)

C6H12O6 2ATP 4ADP 2Pi 2NAD

2CH3COCOOH 2ADP 4ATP 2NADH 2H 2H2O 143kcal

Le nove tappe nella glicolisi (da 5 a 7)

C6H12O6 2ATP 4ADP 2Pi 2NAD

2CH3COCOOH 2ADP 4ATP 2NADH 2H 2H2O 143kcal

Le nove tappe nella glicolisi (da 8 a 9)

C6H12O6 2ATP 4ADP 2Pi 2NAD

2CH3COCOOH 2ADP 4ATP 2NADH 2H 2H2O 143kcal

Il passaggio preliminare alla respirazione

• L’acido piruvico passa dal citoplasma, attraverso la membrana dei mitocondri, nella matrice mitocondriale.

• Prima di entrare nel ciclo di Krebs (prima tappa della respirazione), ogni molecola di acido piruvico viene ossidata:

CH3COCOOH A NAD CH3COA CO2 NADH

• L’acetil-CoA dà inizio al ciclo di Krebs.

Ciclo di Krebs (1)

Ciclo di Krebs (2)

Nel corso del ciclo, due dei sei atomi di carbonio sono ossidati a CO2 e parte dell’energia rilasciata è utilizzata per la produzione di NADH, ATP e FADH2.

CH3COA ac. ossalacetico NAD Pi NAD FAD

ac. ossalacetico CH3CoA 2CO2 CoA

ATP 3NADH NAFH2

La catena di trasporto di elettroniDopo il ciclo di Krebs la molecola di glucosio è completamente ossidata ma molta dell’energia liberata si trova negli elettroni delle molecole di NADH e NAFH2.

Le molecole di NADH e NAFH2, nei pressi della membrana mitocondriale interna, si vengono a trovare in un gradiente di protoni (catena di trasporto) e perdono per ossidazione i propri elettroni energetici in un processo che porta alla formazione di acqua e molecole di ATP per fosforilazione ossidativa.

E’ stato stimato che, nella catena di trasporto degli elettroni, per ogni molecola di NAFH2 e NADH si formano rispettivamente due e tre molecole di ATP.

Ipotesi chemiosmotica

Bilancio energetico massimonell’ossidazione di una molecola di glucosio

C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O 686 kcal

(38 molecole di ATP) (7 kcal) = 266 kcal (40%)