Il cibo che noi mangiamo viene ossidato per produrre
elettroni ad energia elevata che sono convertiti per immagazzinare energia.
Questa energia viene immagazzinata in legami fosfati ad alta energia in
una molecola chiamata adenosin-trifosfato, o ATP. L'ATP è convertita da adenosin-difosfato con l'aggiunta di un gruppo fosfato con il legame ad alta
energia. Varie reazioni nella cellula possono sia usare energia (ottenuta
dalla riconversione dell'ATP ADP, rilasciando il legame ad alta
energia) o produrla (per mezzo del quale la ATP è prodotta dall'ADP).Passi dalla glicolisi alla catena di trasporto degli elettroni. perché
sono importanti i mitocondri?
Analizziamo separatamente ciascuno dei passi così da
poter vedere come il cibo si trasforma in pacchetti di energia ATP e
acqua. Il cibo che noi mangiamo deve inizialmente essere convertito nelle
sostanze chimiche basilari che le cellule possano usare. Alcuni dei cibi energeticimente migliori contengono zuccheri o
carboidrati...il pane ad esempio. Usando questo come esempio, gli zuccheri
sono spezzati da enzimi che li scompongono in uno zucchero di forma più semplice
che si chiama glucosio. Quindi, il glucosio entra nella cellula per mezzo
di molecole speciali presenti nella membrana chiamate "trasportatori del
glucosio".
Una volta all'interno della cellula, il glucosio
viene spezzato per produrre ATP in due modi. Il primo modo non richiede
ossigeno e si chiama metabolismo anaerobico. Questo processo viene
chiamato glicolisi e avviene nel citoplasma all'esterno dei mitocondri.
Durante la glicolisi, il glucosio viene decomposto in piruvato. Altri cibi
come i grassi possono anche essere decomposti per essere usati come
combustibile (vedere il disegno sotto). ciascuna reazione viene designata
per produrre alcuni ioni idrogeno (elettroni) che possono essere usati per
produrre pacchetti energetici (ATP). comunque, solo 4 molecole di ATP
possono essere formate da una molecola di glucosio attraverso questa
modalità. Questo è il motivo per cui i mitocondri e l'ossigeno sono
così importanti. Noi dobbiamo continuare il processo di decomposizione con
il ciclo di Krebs all'interno dei mitocondri al fine di produrre abbastanza
ATP per tutte le funzioni cellulari.
I fatti che avvengono all'esterno e all'interno dei mitocondri sono
rappresentati nel disegno sopra. Il piruvato viene trasportato all'interno
dei mitocondri e là viene convertito in Acetyl co-A che entra nel
ciclo di Kreb. La prima reazione produce biossido di carbonio poiché essa comporta la
rimozione di un atomo di carbonio dal piruvato.
come lavora il ciclo di di Kreb?
L'idea che sta dietro la respirazione nei mitocondri
è l'uso del ciclo di Krebs (anche chiamato il ciclo del acido citrico) per
ottenere più elettroni possibile dal cibo che mangiamo. Questi elettroni
(nella forma di ioni di idrogeno) sono quindi usati per muovere la pompa
che produce l'ATP. L'energia fornita dall'ATP viene allora usata per tutti
i tipi di funzioni cellulari come movimento, trasporto, entrata ed uscita
di prodotti, divisione, ecc. La spiegazione seguente è molto semplificata
e si concentra solo sui processi dal piruvato attraverso il ciclo. comunque , essa illustra il
processo e le sue funzioni.
Per funzionare il ciclo di Kreb, necessita di diverse
importanti molecole in aggiunta a tutti gli enzimi. Questa presentazione
si focalizzerà sui donatori, i trasportatori e gli accettori di elettroni. Innazitutto, occorre piruvato, che viene prodotto attraverso la glicolisi
dal glucosio. Poi, occorrono alcune molecole che trasportino gli
elettroni. ce ne sono di due tipi: una si chiama nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+)
e l'altra dinucleotide adenina flavina (FAD+). La terza molecola,
ovviamente è l'ossigeno.
Il piruvato è una molecola con tre atomi di carbonio. Dopo che è entrato
nei mitocondri, esso viene spezzato a molecola con 2 atomi di carbonio da
uno speciale enzima. Qui viene rilasciata anidride carbonica. La molecola
con 2 atomi di carbonio è chiamata Acetil co-A ed entra nel ciclo di Krebs
congiungendosi ad una molecola con 4 atomi di carbonio chiamata ossaloacetato. Dove le due molecole vengono ionizzate, si produce cos' una
molecola con 6 atomi di carbonio chiamata acido citrico (2 atomi di
carbonio + 4 atomi di carbonio = 6 atomi di carbonio). Questo è il punto dove il ciclo dell'acido
citrico prende il suo nome....dalla prima reazione che produce acido
citrico. L'acido citrico è poi gradualmente spezzato e modificato e, nel
procedimento, vengono rilasciati ioni idrogeno e molecole di carbonio. Le
molecole di carbonio vengono convertite in diossido di carbonio e gli ioni
idrogeno sono trasportati dai NAD E FAD (vedi sotto). Alla fine, il
processo produce nuovamentye i 4 atomi di carbonio ossalacetato. La
ragione per cui questo processo è chiamato ciclo, è perché finisce sempre
dove era partito..... con ossacetato disponibile per combinarsi con altro
acetil-coA.
cosa è la "fosforilazione ossidativa"?
Innanzitutto alcune definizioni basilari. Quando si
sottraggono ioni idrogeno o elettroni ad una molecola, si "ossida"quella
molecola. Quando si forniscono ioni idrogeno o elettroni ad una molecola,
si "riduce" quella molecola. Quando si forniscono molecole di fosfato ad una
molecola, si "fosforilizza" quella molecola. così, la fosforilazione
ossidatitiva (molto semplicemente) è il processo che asporta l'idrogeno
rimovibile da una molecola ed aggiunge atomi di fosfato da un'altra
molecola. come fa
questo a riguardare i mitocondri???
Quando funziona il ciclo di Kreb, gli ioni idrogeno (o
elettroni) sono donati alle due molecole in 4 delle fasi. Essi sono
trasportati sia da NAD che da FAD e queste molecole trasportatrici
diventano NADH e FADH (poiché esse ora trasportano uno ione idrogeno). La
figura mostra cosa accade dopo.
Questi elettroni sono trasportati chimicamente alla catena di trasporto
degli elettroni che si trova nelle creste mitocondriali (vedi i disegni
sopra e sotto questo paragrafo). La NADH e la FADH essenzialmente servono
come un traghetto nel piano laterale della membrana che si diffondono da
un complesso ad un altro. A ciascun sito una pompa idrogeno (o
protone) che trasferisce idrogeno da un punto della membrana ad un altro.
Questo crea un gradiente attraverso la membrana interna con una più alta
concentrazione di ioni idrogeno nello spazio tra le creste (questo è lo
spazio tra le membrane interna ed esterna).
Il disegno seguente mostra i complessi singolarmente nella catena di
trasporto degli elettroni. Gli elettroni sono trasportati da un complesso
all'altro dall'ubiquinone e dal citocromo c
La terza pompa nella serie catalizza il trasferimento degli elettroni
all'ossigeno per produrre acqua. Questa pompa chemiosmotica crea un gradiente
protonico elettrochimico attraverso le membrane che viene usato per
condurre la "macchina produttrice di energia"... la sintetasi della ATP.
Questa molecola viene ricavata da piccole particelle elementari
che si proiettano dalle creste. Il disegno sotto mostra una particella
elementare. Vedi anche la sua proiezione dalla membrana interna nelle
figure precedenti che mostrano una visione delle creste.
come detto sopra, questo processo richiede ossigeno ed è per questo che
si chiama "metabolismo aerobico". La sintetasi della ATP usa l'energia del
gradiente degli ioni idrogeno (anche chiamati protoni) per formare ATP da ADP
e fosfato. Esso produce anche acqua dall'idrogeno e dall'ossigeno.
Pertanto, ciascun compartimento nel mitocondrio è specializzato in una
fase di queste reazioni.
Qui è come la ossidazione è abbinata alla fosforilazione:
Da osservare:
NAD e FAD rimuovono gli elettroni che sono donati durante
alcune delle fasi del ciclo di Krebs o ciclo dell'acido citrico. Quindi,
essi trasportano gli elettroni alle pompe di trasporto degli elettroni e
li cedono alle pompe. così, NAD e FAD sono "ossidati" poiché essi cedono
gli ioni idrogeno dalle pompe. Le pompe allora trasportano gli ioni idrogeno allo
spazio tra le due membrane dove essi si accumulano in una concentrazione
abbastanza elevata da alimentare le pompe della ATP. con sufficiente
combustibile, essi "fosforilano" la ATP. Questo si intende come "ossidazione"
accoppiata alla "fosforilazione". Gli ioni idrogeno che vengono pompati indietro nella matrice dalla pompa
della ATP poi si combinano con l'ossigeno per produrre acqua. E questo è
molto importante poiché, senza l'ossigeno, essi si accumulerebbero ed il
gradiente di concentrazione renderebbe necessario attivare le pompe ATP
non consentendo alle pompe di lavorare. Dunque, perché abbiamo bisogno dei
mitocondri?
L'idea di fondo dietro questo processo è quella di trarre più ATP possibile
dal glucosio (o da altro alimento). Se non abbiamo ossigeno, noi otteniamo
solo 4 molecole di pacchetti energetici di ATP per ciascuna molecola di
glucosio (nella glicolisi). Quindi, se abbiamo ossigeno, allora avviamo il
ciclo di Krebs per produrre molti più ioni idrogeno che possono attivare
quelle pompe dell'ATP. Dal ciclo di Krebs si ottengono 24-28 molecole di ATP
da una molecola di glucosio convertita in piruvato ( più le 4 molecole
ricavate dalla glicolisi). Dunque, si può vedere come si possa trarre più
energia da una molecola di glucosio se i nostri mitocondri funzionano e se
abbiamo ossigeno.
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