1. 4° incontro. La Bioenergetica: I diversi tipi di
metabolismo e le reazioni di ossidoriduzione di
importanza biologica
LA BIOENERGETICA

2. Il metabolismo
• Estrarre dall’ambiente energia e potere
riducente
• Ilpotere riducente serve per compiere le
biosintesi

4. I principi basilari della bioenergetica
• ΔG <0
• Possibilità
di accoppiamento di reazioni
termodinamicamente sfavorevoli a reazioni
con un elevato ΔG < 0

5. Perché ai viventi serve un continuo rifornimento
di energia libera?
• produzione di lavoro meccanico
• trasporto attivo di molecole o ioni
• sintesi di macromolecole

6. Vita = capacità di permanere lontano dallo stato
di equilibrio

7. Come si riesce a rimanere lontani dall’equilibrio?

8. I due tipi di metabolismo
• Chemotrofia (eterotrofia e non solo...)
• Autotrofia (= fototrofia)

9. I chemotrofi ottengono l’energia libera a loro
necessaria dall’ossidazione di sostanze nutrienti
(organiche o non organiche)

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

11. Parte dell’energia ottenuta dalle ossidazioni o
dalla luce viene trasformata in una ‘forma
speciale’, adatta al trasporto e
all’immagazzinamento

13. Perché proprio l’ATP?
• 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; ...)

14. L’ATP viene sintetizzato quando le sostanze
nutrienti sono ossidate (chemiotrofia) o quando
la luce vien intrappolata (fototrofia)

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

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

17. ATP = ‘combustibile della vita’?
NO!!!

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

19. La bioenergetica studia i meccanismi che sono
alla base di questi processi di caduta degli
elettroni e dell’assemblaggio dell’ATP, ad essi
associato

20. L’assemblaggio dell’ATP è associato allo scambio
di uno o due elettroni tra due sostanze: il
donatore e l’accettore

21. • Il donatore di elettroni passa dallo stato ridotto
(ricco di elettroni) allo stato ossidato (povero di
elettroni)
• L’accettoredi elettroni passa dallo stato ossidato
(povero di elettroni) allo stato ridotto (ricco di
elettroni)

22. Le ossidoriduzioni biologiche

23. • 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

24. 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)

25. 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)

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

27. ETEROTROFI

28. METABOLISMO ETEROTROFO AEROBIO
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)

29. ANAEROBIOSI
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!

30. 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]

31. METABOLISMO AUTOTROFO FOTOTROFICO
NB non ci sono donatori
o accettori esterni
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.

32. METABOLISMO ETEROTROFO
• Lemacromolecole 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!]

33. FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA =
RESPIRAZIONE CELLULARE

34. CICLO DI KREBS E FOSFORILAZIONE
OSSIDATIVA
• sono le vie finali comuni all’ossidazione di molecole nutrienti
• l’acetilCoA 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)

35. 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

36. L’anello nicotinamidico accetta un
protone e due elettroni

38. La flavina accetta due protoni e due
elettroni

39. 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

40. 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!

41. Nella maggior parte delle biosintesi, i precursori
sono più ossidati dei prodotti: è quindi
necessario immettere elettroni nelle reazioni che
condurranno ai prodotti

42. Il donatore di elettroni nelle biosintesi riduttive è
il NADPH

45. Nel cuore del metabolismo vi è il trasporto di
gruppi attivati:
1) elettroni
2) gruppi acile

46. Nel cuore del metabolismo vi è infatti
la glicolisi

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

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

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

51. Quando?
Al termine della glicolisi

52. Come?
Per decarbossilazione ossidativa del piruvato, che è
infatti il prodotto finale della glicolisi

53. Dove?
All’interno dei mitocondri.
E infatti l’acetil CoA collega la glicolisi alla
fosforilazione ossidativa, negli aerobi

54. 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
• sisvolge nel citoplasma e non nei mitocondri (v. teoria
endosimbiontica L. Margulis)

55. Durante la glicolisi una molecola di glucosio
viene convertita in due molecole di piruvato, con
un guadagno netto di due molecole di ATP

56. L’accettore di elettroni accoppiato a tale
ossidazione del glucosio è il NAD +, che viene
perciò ridotto a NADH.

57. Negli aerobi, il NADH viene rigenerato a NAD +
durante la fosforilazione ossidativa, mentre si ha
l’assemblaggio di ATP

58. 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

59. 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

60. IL CICLO DI KREBS IN SINTESI
•è costituito da quattro reazioni di ossidoriduzione
• trecoppie di elettroni sono trasferite al NAD+ e una coppia è
trasferita al FAD
• nelciclo 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

61. 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

62. 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
• siottengono 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)

63. 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)

64. I LUOGHI
• Glicolisi > citosol
• Ciclo di Krebs > matrice mitocondriale
• Fosforilazione > membrana mitocondriale interna

65. I trasportatori di elettroni
• citocromi
• centri ferro-zolfo
• ioni rame

66. 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

67. 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)

68. 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

70. Il disaccoppiamento tra ossidazione e
fosforilazione (cortocircuitazione della barriera
protonica) si traduce nella liberazione di energia
sotto forma di energia termica:
>> produzione di calore

71. 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

72. Gli autotrofi riciclano all’infinito gli elettroni con
l’aiuto della luce (fotofosforilazione ciclica) e così
producono ATP, ma...

73. ... hanno comunque bisogno di elettroni esterni
per sostenere le riduzioni biosintetiche:
li ottengono dall’acqua!

74. 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’energiadell’elettrone eccitato viene convertita in separazione
di carica: si ottiene potenziale riducente

75. Mg-porfirina

77. • assorbimento della luce avviene nelle clorofille del fotosistema
II
• glielettroni 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

80. ATP e NADPH verranno poi usati nella riduzione
dell’anidride carbonica a glucosio
(ciclo di Calvin)

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

82. nella fotosintesi come nella fosforilazione ossidativa
il flusso degli elettroni genera un gradiente
protonico, che serve all’assemblaggio di ATP

83. 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