Se stai studiando Biologia per il test di Medicina, avrai sicuramente incrociato domande sul bilancio energetico. Se pensiamo alla cellula come un motore allora la sua benzina è principalmente rappresentata dallo zucchero. Questo, ossidandosi parzialmente o totalmente, genera la principale fonte di energia cellulare.
La Glicolisi: Un Processo Fondamentale
La glicolisi è un argomento da conoscere bene in vista del test di Medicina. La glicolisi è una via metabolica presente sia negli organismi eucarioti che nei procarioti e si svolge nel citoplasma. Questo processo, che si compone di 10 reazioni biochimiche che avvengono nel citoplasma della cellula, possono essere ricondotte a due, ovvero la spesa energetica e il guadagno energetico.
La glicolisi, infatti, è il processo o via metabolica con cui una molecola di glucosio viene trasformata in due molecole di piruvato, rilasciando energia tramite la cessione di 3 atomi di carbonio. Durante la glicolisi, la molecola di glucosio produce due molecole di piruvato, due molecole di ATP e due molecole di NADH + H+.
Durante la fase di produzione energetica della glicolisi, si ha la liberazione di 4 molecole di ATP. L’ATP che si forma durante la glicolisi deriva da un processo che si chiama fosforilazione a livello del substrato, in cui si trasferisce su una molecola di ADP un gruppo fosfato che proviene da una molecola ad alta energia.
Domanda: La glicolisi avviene?
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Risposta: Nel citoplasma.
Il Metabolismo Ossidativo del Glucosio
L'ossidazione completa del glucosio, in presenza di ossigeno, produce 32 molecole di ATP. La glicolisi avviene in assenza di ossigeno. In presenza di ossigeno, la respirazione cellulare precede la glicolisi.
La Respirazione Cellulare e il Ciclo di Krebs
La respirazione cellulare avviene in presenza di ossigeno, quindi negli aerobi. Il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa, processi fondamentali nella respirazione cellulare, si svolgono sia negli eucarioti che in alcuni procarioti, solo nei primi, però, hanno luogo all’interno di specifici organelli (i mitocondri) mentre nei procarioti si svolgono nel citoplasma.
Il ciclo di Krebs, in cui l’Acetil-coA si lega all’acido ossalacetico formando acido citrico. L'acido citrico è un composto che si forma durante il ciclo di Krebs. Nella reazione preparatoria che precede il ciclo di Krebs, si libera Acetil-CoA.
Non avviene nei mitocondri il ciclo di Calvin.
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Domanda: Quale processo non si svolge nei mitocondri?
Risposta: Glicolisi.
Il FADH2 viene prodotto durante il Ciclo di Krebs.
La Fosforilazione Ossidativa
La fosforilazione ossidativa è un processo che avviene sulla membrana interna dei mitocondri. I componenti della catena di trasporto degli elettroni posti nelle creste mitocondriali, utilizzano l'energia liberata per pompare protoni (H+) dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana. Il gradiente di concentrazione che si crea permette la sintesi di 3 molecole di ATP per ogni NADH ossidato.
L'enzima mitocondriale ATP-sintasi è localizzato nella membrana interna. Il complesso dell'ATP-sintasi dei cloroplasti è un canale per il flusso di H+.
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La Fotosintesi
La fotosintesi avviene in due fasi: quella luminosa e quella oscura. La luce solare viene assorbita dalla clorofilla e da altri pigmenti. Durante la fotosintesi viene assorbita anidride carbonica dall'atmosfera, rilasciato ossigeno e sintetizzato glucosio. L'ossigeno prodotto dalle piante, durante la fotosintesi, deriva dall'acqua.
Durante la fase luminosa della fotosintesi, si accumulano H+ nello spazio tilacoide. Nello stroma dei cloroplasti, avviene la riduzione del diossido di carbonio. Attraverso gli stomi di una foglia entra diossido di carbonio ed esce ossigeno.
Domanda: Durante la fase luminosa della fotosintesi?
Risposta: Si consuma glucosio.
Nei cloroplasti, la catena di trasporto degli elettroni che collega i due fotosistemi, si trova nella membrana tilacoidale.
La Fermentazione
In assenza di ossigeno, alcune cellule sono in grado di effettuare la fermentazione. I lieviti, in assenza di ossigeno, effettuano la fermentazione alcolica producendo alcol etilico e liberando anidride carbonica. Tale reazione permette di rigenerare NAD+ per la glicolisi. La fermentazione alcolica, ha sede citoplasmatica.
La fermentazione lattica può fornire energia alle cellule muscolari durante un grande sforzo, mentre quella alcolica permette la sopravvivenza in condizioni anaerobiche dei lieviti, i funghi unicellulari coinvolti nella fase fondamentale della panificazione. In entrambe i processi il piruvato, il prodotto finale della glicolisi, viene ridotto e il NADH viene ossidato con un guadagno netto di 2 molecole di ATP.
Quali organismi sono in grado di svolgere la fermentazione alcolica?
I lieviti.
In presenza di uno sforzo prolungato e intenso, il flusso sanguigno non riesce a fornire abbastanza ossigeno alle cellule muscolari, che di conseguenza, oltre alla glicolisi, effettuano la fermentazione lattica.
Altre Reazioni Metaboliche e Molecole Importanti
Una via metabolica è un insieme di reazioni chimiche, ciascuna catalizzata da uno specifico enzima. Una reazione di ossidoriduzione è caratterizzata dallo scambio di elettroni tra due composti chimici; è detto composto ossidante, colui che si riduce e composto riducente, colui che si ossida.
L’ATP (adenosina trifosfato) è un nucleotide costituito da adenina, ribosio e tre gruppi fosfato. I due fosfati più esterni possiedono legami ad alta energia, cioè la loro formazione richiede una notevole quantità di energia, mentre la loro scissione libera molta energia. Per questa sua caratteristica, l’ATP svolge un ruolo centrale come molecola trasportatrice di energia nei sistemi biologici: quando nella cellula è disponibile energia, per esempio in seguito a reazioni cataboliche, viene sintetizzato ATP, che poi è scisso ad ADP + P quando la cellula richiede energia.
Quando il NAD+ si riduce a NADH , accetta 2 elettroni. Durante il ciclo di Krebs, il NADH viene ossidato a NAD+. Nella fermentazione , il NADH è ossidato a NAD+.
Organismi Autotrofi
E' un organismo autotrofo un cianobatterio.
Tabella Riassuntiva dei Processi Metabolici
| Processo Metabolico | Localizzazione | Presenza di Ossigeno | Prodotto Finale |
|---|---|---|---|
| Glicolisi | Citoplasma | Assente o Presente | Piruvato |
| Ciclo di Krebs | Mitocondri (Eucarioti) / Citoplasma (Procarioti) | Presente | ATP, NADH, FADH2, CO2 |
| Fosforilazione Ossidativa | Membrana Interna Mitocondriale | Presente | ATP, H2O |
| Fermentazione Alcolica | Citoplasma | Assente | Etanolo, CO2 |
| Fermentazione Lattica | Citoplasma | Assente | Acido Lattico |
| Fotosintesi | Cloroplasti | N/A | Glucosio, O2 |
Misurazione del Metabolismo Energetico
Il consumo energetico può essere misurato indirettamente tramite misurazione del consumo di ossigeno e della produzione di anidride carbonica. Per effettuare il test il paziente deve essere a digiuno da almeno 12 ore e senza aver fumato per almeno due ore prima del test. Presso il nostro Centro Medico è possibile analizzare il RMR (Resting Metabolic Rate) ovvero la quantità di calore in cui gli organi vitali (cuore, cervello, polmoni etc) necessitano per funzionare correttamente a riposo durante un periodo di 24 ore. Il RMR rappresenta tra il 60% e il 75 % del metabolismo totale di un individuo. Una conoscenza del proprio RMR è di grande importanza per capire e gestire correttamente il proprio fabbisogno nutrizionale.
L'ossigeno entra all'interno della cellula, attraversando la membrana plasmatica per diffusione semplice.
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