Biologia I

Biologia I

Immaginiamo che tu sia una cellula. Ti è appena stata data una grande e succosa molecola di glucosio, e ti piacerebbe convertire parte dell’energia in questa molecola di glucosio in una forma più utilizzabile, una che puoi usare per alimentare le tue reazioni metaboliche. Come puoi fare? Qual è il modo migliore per spremere quanta più energia possibile da quella molecola di glucosio, e per catturare questa energia in una forma utile?

Fortunatamente per noi, le nostre cellule – e quelle di altri organismi viventi – sono eccellenti nel raccogliere energia dal glucosio e da altre molecole organiche, come grassi e aminoacidi.) Qui vedremo le reazioni di trasferimento di elettroni (reazioni redox) che sono la chiave di questo processo.

Reazioni redox

La respirazione cellulare coinvolge molte reazioni in cui gli elettroni vengono passati da una molecola all’altra. Le reazioni che coinvolgono trasferimenti di elettroni sono note come reazioni di ossido-riduzione (o reazioni redox), e giocano un ruolo centrale nel metabolismo di una cellula. In una reazione redox, una delle molecole che reagiscono perde elettroni e si dice ossidata, mentre un’altra molecola che reagisce guadagna elettroni (quelli persi dalla prima molecola) e si dice ridotta. Puoi ricordare cosa significano ossidazione e riduzione con il pratico mnemonico “OIL RIG: Oxidation Is Losing electrons; Reduction Is Gaining electrons.

Energy in Redox Reactions

Nelle reazioni redox, l’energia viene rilasciata quando un elettrone perde energia potenziale come risultato del trasferimento. Gli elettroni hanno più energia potenziale quando sono associati ad atomi meno elettronegativi (come C o H), e meno energia potenziale quando sono associati ad un atomo più elettronegativo (come O). Così, una reazione redox che sposta elettroni o densità di elettroni da un atomo meno a uno più elettronegativo sarà spontanea e libererà energia. Per esempio, la combustione del butano (C4H10) rilascia energia perché c’è uno spostamento netto di densità di elettroni dal carbonio e dall’idrogeno all’ossigeno. Se hai sentito dire che molecole come il glucosio hanno elettroni “ad alta energia”, questo è un riferimento all’energia potenziale relativamente alta degli elettroni nei loro legami \testo{C}-{C} e \testo{C}-{H}.

Un bel po’ di energia può essere rilasciata quando gli elettroni nei legami \testo{C}-{C} e \testo{C}-{H} vengono spostati sull’ossigeno. In una cellula, tuttavia, non è una grande idea rilasciare tutta quell’energia in una volta in una reazione di combustione. Invece, le cellule raccolgono energia dal glucosio in modo controllato, catturandone il più possibile sotto forma di ATP. Questo si ottiene ossidando il glucosio in modo graduale, piuttosto che esplosivo. Ci sono due modi importanti in cui questa ossidazione è graduale:

• Piuttosto che togliere tutti gli elettroni dal glucosio allo stesso tempo, la respirazione cellulare li toglie a coppie. Le reazioni redox che rimuovono le coppie di elettroni dal glucosio le trasferiscono a piccole molecole chiamate portatori di elettroni.
• I portatori di elettroni depositano i loro elettroni nella catena di trasporto degli elettroni, una serie di proteine e molecole organiche nella membrana mitocondriale interna. Gli elettroni vengono passati da un componente all’altro in una serie di passaggi di rilascio di energia, permettendo all’energia di essere catturata sotto forma di gradiente elettrochimico.

Guarderemo sia i trasportatori redox che la catena di trasporto degli elettroni in modo più dettagliato qui di seguito.

La rimozione di un elettrone da una molecola, ossidandola, provoca una diminuzione dell’energia potenziale nel composto ossidato. L’elettrone (a volte come parte di un atomo di idrogeno), non rimane senza legame, tuttavia, nel citoplasma di una cellula. Piuttosto, l’elettrone viene spostato verso un secondo composto, riducendo il secondo composto. Lo spostamento di un elettrone da un composto all’altro rimuove un po’ di energia potenziale dal primo composto (il composto ossidato) e aumenta l’energia potenziale del secondo composto (il composto ridotto). Il trasferimento di elettroni tra le molecole è importante perché la maggior parte dell’energia immagazzinata negli atomi e usata per le funzioni delle celle a combustibile è sotto forma di elettroni ad alta energia. Il trasferimento di energia sotto forma di elettroni permette alla cella di trasferire e utilizzare l’energia in modo incrementale – in piccoli pacchetti piuttosto che in un singolo, distruttivo scoppio. Questo capitolo si concentra sull’estrazione di energia dal cibo; vedrai che mentre segui il percorso dei trasferimenti, stai seguendo il percorso degli elettroni che si muovono attraverso le vie metaboliche.

Vettori di elettroni

I vettori di elettroni, a volte chiamati navette di elettroni, sono piccole molecole organiche che passano facilmente dalla forma ossidata a quella ridotta e sono usate per trasportare elettroni durante le reazioni metaboliche. Ci sono due trasportatori di elettroni che svolgono ruoli particolarmente importanti durante la respirazione cellulare: NAD+ (nicotinamide adenina dinucleotide, mostrato sotto) e FAD (flavin adenina dinucleotide). Sia il NAD+ che il FAD possono servire come agenti ossidanti, accettando una coppia di elettroni, insieme a uno o più protoni, per passare alle loro forme ridotte. NAD+ inizio apice, più, fine apice accetta due elettroni e un H+ per diventare NADH, mentre FAD accetta due elettroni e due H+ per diventare FADH2. Il NAD+ è il principale trasportatore di elettroni usato durante la respirazione cellulare, con il FAD che partecipa solo a una (o a volte due) reazioni.

Come mostrato nell’immagine qui sopra, il NAD+ è una piccola molecola organica la cui struttura include il nucleotide adenina dell’RNA. (Il FAD è un tipo di molecola simile, anche se i suoi gruppi funzionali sono diversi). Entrambe le molecole sono derivati della vitamina B, con il NAD+ prodotto dalla niacina e il FAD prodotto dalla riboflavina. NAD+ e FAD sono coenzimi, molecole organiche che servono come aiutanti durante le reazioni catalizzate dagli enzimi, e ricevono elettroni e protoni come parte di queste reazioni. In particolare, sia il NAD+ inizio apice, più, fine apice e FAD servono come cofattori per gli enzimi chiamati deidrogenasi, che rimuovono uno o più atomi di idrogeno dai loro substrati.

Panoramica delle vie di ripartizione del carburante

Le reazioni che permettono di estrarre energia da molecole come il glucosio, i grassi e gli aminoacidi sono chiamate reazioni cataboliche, il che significa che coinvolgono la rottura di una molecola più grande in pezzi più piccoli. Per esempio, quando il glucosio viene scomposto in presenza di ossigeno, viene convertito in sei molecole di anidride carbonica e sei molecole di acqua. La reazione complessiva per questo processo può essere scritta come:

C6H12O6 + O2= 6CO2 + 6H20 + calore + ATP

Questa reazione, come scritta, è semplicemente una reazione di combustione, simile a quella che avviene quando si brucia un pezzo di legno in un camino o la benzina in un motore. Questo significa che il glucosio sta continuamente bruciando all’interno delle vostre cellule? Per fortuna, non del tutto! La reazione di combustione descrive il processo generale che avviene, ma all’interno di una cellula, questo processo è suddiviso in molti passi più piccoli. L’energia contenuta nei legami del glucosio viene rilasciata durante le reazioni della glicolisi e del ciclo dell’acido citrico (Krebs) Quindi le coppie di elettroni vengono rimosse dalla molecola di glucosio (ossidazione) e vengono aggiunte al NAD o al FAD (riduzione) per essere usate nella prossima reazione descritta di seguito.

La catena di trasporto degli elettroni

Nelle loro forme ridotte, NADH e FADH2 portano gli elettroni alla catena di trasporto degli elettroni nella membrana mitocondriale interna. Depositano i loro elettroni all’inizio o vicino all’inizio della catena di trasporto, e gli elettroni sono poi passati da una proteina o molecola organica alla successiva in una serie prevedibile di passi. È importante notare che il movimento degli elettroni attraverso la catena di trasporto è energeticamente “in discesa”, così che l’energia viene rilasciata ad ogni passo. In termini redox, questo significa che ogni membro della catena di trasporto degli elettroni è più elettronegativo (affamato di elettroni) di quello che lo precede, e meno elettronegativo di quello che lo segue. Il NAD+, che deposita i suoi elettroni all’inizio della catena come NADH, è il meno elettronegativo, mentre l’ossigeno, che riceve gli elettroni alla fine della catena (insieme a H+) per formare acqua, è il più elettronegativo. Mentre gli elettroni scendono “a valle” attraverso la catena di trasporto, rilasciano energia, e parte di questa energia viene catturata sotto forma di gradiente elettrochimico e usata per produrre ATP. Tuttavia, gran parte dell’energia dal glucosio è ancora persa come calore,

Possiamo confermare questo se guardiamo gli effettivi spostamenti di elettroni coinvolti, come nel video qui sotto: