Il rendimento energetico

Quante molecole di ATP nette si ottengono nella glicolisi per ogni glucosio e quante in totale (cifra teorica classica) respirandolo completamente in modo aerobico?

Indica quante molecole di ATP si ottengono, secondo i valori attualmente accettati, per ogni NADH e per ogni $\text{FADH}_2$ che cedono i loro elettroni alla catena respiratoria.

Nella respirazione aerobica si ottengono circa $36$-$38\ \text{ATP}$ per glucosio, dei quali solo $2$ provengono dalla glicolisi. Calcola quale percentuale del rendimento totale forniscono le tappe mitocondriali (prendendo $36\ \text{ATP}$ come totale) e commenta il risultato.

Il NADH prodotto nella glicolisi deve introdurre i suoi elettroni nel mitocondrio tramite sistemi navetta: quella del malato-aspartato rende circa $2,5\ \text{ATP}$ per NADH e quella del glicerolo-fosfato circa $1,5\ \text{ATP}$. Spiega perché la resa totale della respirazione di una molecola di glucosio varia tra circa $30$ e $32\ \text{ATP}$ a seconda del tessuto, calcolando entrambi i valori a partire dagli altri coenzimi (che rendono $23\ \text{ATP}$) e dai $4\ \text{ATP}$ ottenuti per fosforilazione a livello del substrato.

Perché la fermentazione è molto meno redditizia dal punto di vista energetico della respirazione aerobica, anche se entrambe iniziano con la glicolisi? Spiega che cosa accade al piruvato in ciascun caso.

Ordina dal maggiore al minore rendimento energetico per molecola di glucosio: la respirazione aerobica, la fermentazione lattica e la fermentazione alcolica. Giustifica l'ordine.

Perché gli organismi che respirano in modo aerobico possono mantenere corpi più grandi e attivi di quelli che si limitano a fermentare? Collega la tua risposta al rendimento energetico di ciascuna via.

Calcola quante molecole di glucosio deve degradare una cellula per ottenere $180\ \text{ATP}$ per via aerobica ($36\ \text{ATP/glucosio}$) e quante per fermentazione ($2\ \text{ATP/glucosio}$). Commenta quale implicazione ha questa differenza per gli organismi anaerobi.

Il grafico confronta le molecole di ATP che si ottengono per ogni molecola di glucosio a seconda della via metabolica utilizzata. Una coltura di lieviti senza ossigeno degrada $100\ \text{mol}$ di glucosio per fermentazione alcolica. Calcola, a partire dal grafico, quante moli di ATP ottiene, quante ne otterrebbe se respirasse quello stesso glucosio in modo aerobico e quante volte la via aerobica è più redditizia.

Nella fermentazione alcolica si ottengono $2\ \text{mol}$ di ATP per mole di glucosio. Calcola quante moli di glucosio occorrerebbe fermentare per eguagliare l'ATP che si ottiene respirando una sola mole di glucosio, e argomenta quale problema comporta questo per un microrganismo anaerobio in un ambiente povero di zuccheri.

Durante una corsa a velocità massima di $100\ \text{m}$, le fibre muscolari a contrazione rapida richiedono ATP a una velocità approssimativa di $3{,}5\ \text{mmol}/(\text{kg}\cdot\text{s})$. In quelle stesse fibre, la fosforilazione ossidativa mitocondriale ha una velocità massima di produzione di appena $0{,}4\ \text{mmol}/(\text{kg}\cdot\text{s})$, mentre la fermentazione lattica può generare fino a $4{,}0\ \text{mmol}/(\text{kg}\cdot\text{s})$.

1. a) A partire da questi dati cinetici, giustifica perché per la cellula muscolare è energeticamente vantaggioso attivare massicciamente la fermentazione lattica, nonostante la sua resa stechiometrica per mole di glucosio sia circa 16-18 volte inferiore a quella della respirazione aerobica.
2. b) Prevedi quali conseguenze metaboliche e intracellulari immediate (in relazione al pH, alla disponibilità di substrato e all'attività di enzimi come la fosfofruttochinasi-1) si avrebbero se si tentasse di sostenere quel ritmo fermentativo per diversi minuti, giustificando perché compare l'affaticamento muscolare.

Che cosa significa che una via metabolica ha un rendimento energetico del $40\ \%$? Spiega che cosa accade al resto dell'energia contenuta nell'alimento.

L'energia degli alimenti si esprime di solito in kilocalorie. Spiega che cos'è una kilocaloria e che relazione ha con l'energia che la cellula immagazzina infine sotto forma di ATP.

In condizioni standard biochimiche ($\text{pH} = 7{,}0$, $25\ ^\circ\text{C}$), la combustione completa di $1\ \text{mol}$ di glucosio rende $\Delta G^{\circ\prime} = -2870\ \text{kJ/mol}$ e l'idrolisi di $1\ \text{mol}$ di ATP rende $\Delta G^{\circ\prime} = -30{,}5\ \text{kJ/mol}$. Tuttavia, nel citoplasma di un epatocita vivo, le concentrazioni reali di ATP, ADP e $\text{P}_\text{i}$ fanno sì che la fosforilazione dell'ADP richieda circa $+50{,}0\ \text{kJ/mol}$, ottenendo sperimentalmente circa $30\ \text{mol di ATP}$ netti per mole di glucosio ossidato.

1. a) Calcola e confronta il rendimento energetico percentuale teorico in condizioni standard (supponendo $36\ \text{ATP/glucosio}$) con il rendimento termodinamico reale intracellulare. Giustifica la destinazione della frazione di energia libera che non viene immagazzinata nei legami fosfato dell'ATP e la sua importanza per gli animali omeotermi.
2. b) Il 2,4-dinitrofenolo (DNP) è una molecola lipofila in grado di trasportare protoni attraverso la membrana mitocondriale interna dissipando il gradiente elettrochimico. Prevedi in modo motivato come influirà il trattamento con DNP sulla resa netta di ATP per glucosio, sulla velocità di consumo di $\text{O}_2$ da parte della cellula e sulla temperatura corporea dell'organismo.

Il bilancio teorico classico della respirazione cellulare prevede la sintesi di $36$ fino a $38\ \text{ATP}$ per molecola di glucosio, ma le misure in vivo nei mitocondri dei mammiferi dimostrano che la resa reale supera raramente $30$-$32\ \text{ATP}$.

1. a) Giustifica a livello molecolare e termodinamico due cause fisiologiche che spieghino questa discrepanza, facendo riferimento all'utilizzo e alla dissipazione del gradiente elettrochimico di protoni tra lo spazio intermembrana e la matrice mitocondriale.
2. b) Il tessuto adiposo bruno dei mammiferi ibernanti e dei neonati esprime nella membrana mitocondriale interna la proteina disaccoppiante termogenina (UCP-1). Applica l'ipotesi chemiosmotica di Mitchell per spiegare come la UCP-1 modifica il rapporto $\text{ATP/O}_2$ consumato e deduci quale vantaggio adattativo offre di fronte allo stress termico da freddo.

Il corpo umano consuma energia anche a riposo assoluto (metabolismo basale). Nomina due processi che consumano ATP anche quando siamo sdraiati e immobili, e spiega perché sono indispensabili per rimanere in vita.

Una persona ingerisce in un pasto $100\ \text{g}$ di glucosio (massa molare $180\ \text{g/mol}$, cioè circa $0,56\ \text{mol}$). Calcola quante moli di ATP può ottenere il suo organismo per via aerobica ($36\ \text{ATP}$ per glucosio) e a quanti grammi di ATP equivalgono (massa molare dell'ATP, $507\ \text{g/mol}$). Commenta la cifra ottenuta.

La combustione di $1\ \text{g}$ di glucosio libera circa $4\ \text{kcal}$ e quella di $1\ \text{g}$ di grasso circa $9\ \text{kcal}$. Spiega a che cosa è dovuta questa differenza e calcola quanti grammi di grasso forniscono la stessa energia di $90\ \text{g}$ di glucosio.

Durante una maratona, un corridore compie circa $10000\ \text{kJ}$ di lavoro utile. Se il suo organismo ha un rendimento globale del $25\ \%$, calcola quanta energia chimica degli alimenti ha dovuto mobilitare e argomenta perché il suo corpo si riscalda tanto durante la corsa.

L'encefalo umano adulto ha una massa di circa $1400\ \text{g}$ (circa il $2\ \%$ della massa corporea), ma a riposo consuma il $20\ \%$ dell'ossigeno e del glucosio dell'intero organismo, degradando circa $120\ \text{g}$ di glucosio al giorno (massa molare $= 180\ \text{g/mol}$).

1. a) Giustifica a livello molecolare e di trasporto di membrana quali processi fisiologici continui dei neuroni spieghino un simile consumo basale di ATP a riposo.
2. b) Calcola le moli di ATP prodotte quotidianamente dall'encefalo assumendo una resa netta di $30\ \text{mol di ATP}$ per mole di glucosio ossidato. Se la riserva totale intracellulare di ATP nel tessuto cerebrale è di $2{,}5\ \mu\text{mol/g}$, calcola per quanti secondi di attività basterebbe tale riserva se la fosforilazione ossidativa si arrestasse istantaneamente.
3. c) A partire dai risultati di b), giustifica perché un'ischemia cerebrale provoca la perdita di coscienza in meno di $10\ \text{secondi}$ e spiega perché l'encefalo non può sostenere la propria vitalità energetica mediante fermentazione a partire da glicogeno endogeno, a differenza delle fibre muscolari scheletriche.

Un uccello migratore di $30\ \text{g}$ deve affrontare una traversata ininterrotta che richiede una spesa energetica metabolica equivalente a $2\ \text{mol}$ di ATP.

Dati:

• Glucosio: $180\ \text{g/mol}$; resa = $36\ \text{mol}$ di ATP per mole di glucosio. Il glicogeno è immagazzinato idratato insieme a $2\ \text{g}$ di acqua per ogni grammo di polisaccaride secco.

• Acido palmitico: $256\ \text{g/mol}$; resa = $106\ \text{mol}$ di ATP per mole di acido grasso. I triacilgliceroli sono immagazzinati in forma anidra.

1. a) Calcola la massa totale di riserva (in grammi) che l'uccello dovrebbe accumulare nel proprio corpo prima del viaggio se immagazzinasse tale energia esclusivamente sotto forma di grasso rispetto al caso in cui lo facesse esclusivamente come glicogeno idratato.
2. b) A partire dai risultati ottenuti, interpreta la ripercussione biomeccanica sul volo e prevedi che cosa accadrebbe alla fattibilità della migrazione se si usasse il glicogeno.
3. c) Giustifica dal punto di vista biochimico perché un grammo secco di acido palmitico rende più del doppio di ATP rispetto a un grammo di glucosio, considerando il grado di ossidazione dei suoi atomi di carbonio.