La respirazione cellulare

Scrivi l'equazione globale della respirazione aerobica del glucosio e indica quale sostanza si ossida e quale si riduce nel processo.

In quale parte della cellula avviene la glicolisi e quali prodotti netti si ottengono da una molecola di glucosio in questa tappa?

Nomina le quattro tappe della respirazione aerobica e indica in quale parte della cellula eucariote si localizza ciascuna di esse.

Per ogni molecola di glucosio, la glicolisi ha un bilancio netto di $2\ \text{ATP}$ e $2$ NADH. Spiega perché si parla di bilancio «netto», specificando quanti ATP si consumano nella prima fase e quanti se ne producono nella seconda.

Che cos'è il piruvato e quali sono i suoi due destini principali dopo la glicolisi a seconda che l'ossigeno sia disponibile o meno? Indica che tipo di via metabolica segue in ciascun caso.

Definisci la fermentazione e nomina i due tipi principali con i loro prodotti finali, indicando un organismo o un tessuto che realizza ciascuno di essi.

Nella fermentazione lattica il piruvato si trasforma in lattato. Spiega perché questo processo permette di rigenerare $\text{NAD}^+$ e in quali situazioni lo utilizza la muscolatura umana.

I lieviti e le nostre cellule muscolari possono respirare o fermentare a seconda dell'ossigeno disponibile. Spiega come la cellula «decide» tra una via e l'altra (effetto Pasteur) e quale vantaggio ottiene quando, in presenza di ossigeno, riduce il consumo di glucosio mantenendo lo stesso apporto di ATP.

In un bioreattore industriale con lieviti (Saccharomyces cerevisiae) alimentati con glucosio, si monitorano il consumo di substrato e i metaboliti formati. In una prima fase anaerobica, i lieviti consumano glucosio a grande velocità producendo etanolo e $\text{CO}_2$. Immettendo ossigeno in modo continuo (seconda fase), si osserva che la velocità di consumo del glucosio si riduce a un quarto (effetto Pasteur) e cessa completamente la produzione di etanolo. a) Interpreta e giustifica a livello bioenergetico perché i lieviti consumano molto più glucosio per unità di tempo in anaerobiosi che in aerobiosi per mantenere lo stesso tasso di divisione cellulare. b) Se invece dei lieviti si sottoponesse a queste stesse due condizioni una coltura di cellule muscolari scheletriche, prevedi quale metabolita organico si accumulerebbe nella prima fase e spiega se si libererebbe $\text{CO}_2$. c) Giustifica l'esigenza metabolica comune che obbliga sia il lievito sia la cellula muscolare a ridurre il piruvato durante la fermentazione.

Si analizzano biopsie muscolari di un velocista durante una corsa a sforzo massimo. Nei primi $2$ - $3$ secondi di corsa, la concentrazione cellulare di ATP si mantiene quasi invariata ($[\text{ATP}] \approx 5\ \text{mmol/kg}$), mentre la fosfocreatina scende drasticamente da $25$ a $8\ \text{mmol/kg}$. Dal quarto secondo, il lattato aumenta rapidamente da $1,5$ a $12\ \text{mmol/kg}$ e la potenza meccanica comincia a diminuire.

1. a) Giustifica dal punto di vista biochimico perché la concentrazione di ATP rimane praticamente costante all'inizio nonostante l'idrolisi da parte delle miosina-ATPasi sia massiva.
2. b) Prevedi che cosa accadrebbe ai livelli di ATP, all'accumulo di lattato e alla prestazione nei primi $3$ secondi se alle fibre muscolari venisse somministrato un inibitore selettivo della creatina chinasi.
3. c) Confronta la velocità di risintesi dell'ATP e la capacità totale di produzione energetica del sistema della fosfocreatina rispetto alla respirazione mitocondriale, giustificando perché un atleta non può mantenere la propria velocità massima per tutta una gara di $400\text{ metri}$.

Che cos'è il ciclo di Krebs? Indica quale molecola a due atomi di carbonio vi entra proveniente dall'ossidazione del piruvato e quale gas si libera nelle sue reazioni.

Disegna o descrivi un mitocondrio indicando la membrana esterna, la membrana interna con le creste e la matrice, e indica in quali zone avvengono il ciclo di Krebs e la catena respiratoria.

Puoi farlo su carta e inviare una foto con la tua risposta.

Nel ciclo di Krebs, l'acetil-CoA si unisce all'ossalacetato e, dopo una serie di reazioni, l'ossalacetato viene rigenerato. Spiega perché questa via si chiama «ciclo» e specifica quali prodotti energetici e quale prodotto di scarto si generano a ogni giro.

I mitocondri possiedono un proprio DNA, propri ribosomi e si dividono per scissione binaria. Spiega quale origine evolutiva suggeriscono questi dati (teoria endosimbiontica) e perché questi organuli sono il luogo adatto per ospitare la respirazione cellulare.

In un dibattito in classe sull'origine cellulare, uno studente afferma: «Gli enzimi della glicolisi e quelli della catena di trasporto degli elettroni mitocondriale dovettero evolversi contemporaneamente nelle prime cellule viventi per evitare che si esaurisse il $\text{NAD}^+$ citosolico».

1. a) Confuta l'affermazione dello studente fornendo due argomenti geochimici sulle condizioni dell'atmosfera della Terra primitiva e un argomento evolutivo basato sulla teoria endosimbiontica.
2. b) Se i primi organismi non disponevano di ossigeno né di sistemi di trasporto degli elettroni dipendenti da membrane complesse, giustifica dal punto di vista biochimico la necessità ineludibile di accoppiare la glicolisi a reazioni di fermentazione per la continuità della vita cellulare.
3. c) Prevedi che cosa accadrebbe a un batterio anaerobio obbligato, la cui unica via di rigenerazione del $\text{NAD}^+$ è la fermentazione lattica, se una mutazione inattivasse la sua lattato deidrogenasi in un ambiente in cui il glucosio è l'unica fonte di carbonio ed energia.

Indica quale molecola agisce da accettore finale degli elettroni nella catena di trasporto degli elettroni e quale sostanza si forma quando tale molecola si riduce.

Nello schema della respirazione aerobica, indica quale tappa corrisponde a ciascuna delle caselle numerate (1, 2 e 3), nomina le molecole indicate con A e B e indica in quale parte della cellula avviene ciascuna tappa.

Spiega quale ruolo svolgono il $\text{NAD}^+$ e il FAD nella respirazione cellulare e che cosa accade alle loro forme ridotte (NADH e $\text{FADH}_2$) nella catena di trasporto degli elettroni.

L'ATP sintasi funziona come un motore molecolare rotante. Spiega che cosa la fa ruotare, quale reazione catalizza e in quale membrana del mitocondrio si trova.

Si eseguono saggi con mitocondri isolati ai quali vengono forniti diversi substrati respiratori: fornendo malato (che genera NADH intramitocondriale), si registra consumo di $\text{O}_2$ e un rapporto di sintesi di circa $2,5\ \text{ATP}$ per coppia di elettroni; aggiungendo rotenone (inibitore del Complesso I), il consumo di $\text{O}_2$ cessa, ma si ripristina fornendo succinato (che riduce il FAD a $\text{FADH}_2$), con una resa di solo circa $1,5\ \text{ATP}$ per coppia di elettroni. a) Giustifica a livello molecolare e chemiosmotico la causa biofisica di questa differenza di resa energetica tra i due substrati. b) Deduci in modo motivato che cosa accadrebbe al consumo di $\text{O}_2$ e alla sintesi di ATP a partire dal succinato se si aggiungesse un inibitore specifico del Complesso IV (citocromo c ossidasi). c) Nel muscolo scheletrico, gli elettroni del NADH glicolitico entrano nella catena respiratoria mediante la navetta del glicerolo-3-fosfato, mentre nel miocardio lo fanno attraverso la navetta malato-aspartato. Calcola la differenza nel bilancio netto totale di ATP per mole di glucosio completamente ossidata tra i due tessuti e giustifica la causa metabolica di tale discrepanza.

Il cianuro blocca l'ultimo complesso della catena respiratoria (la citocromo c ossidasi). Prevedi che cosa accadrà al consumo di ossigeno, alla sintesi di ATP e al destino del piruvato in una cellula intossicata, e spiega perché il cianuro è letale anche se c'è glucosio disponibile.

Il 2,4-dinitrofenolo (DNP) è un disaccoppiante: rende la membrana mitocondriale interna permeabile ai protoni senza che si produca ATP. Prevedi, motivandolo, che cosa accadrà al consumo di ossigeno, alla sintesi di ATP e alla temperatura corporea di chi lo ingerisce, e spiega perché è arrivato a essere usato come dimagrante con conseguenze mortali.

Il monossido di carbonio si lega all'emoglobina con maggiore affinità dell'ossigeno. a) Spiega quale effetto ha sul trasporto di $\text{O}_2$ verso i tessuti. b) Spiega quali tappe della respirazione cellulare risulteranno compromesse e perché le cellule passano a fermentare anche se dispongono di glucosio. c) Confronta il meccanismo di tossicità del monossido di carbonio con quello del cianuro.

Per verificare sperimentalmente l'ipotesi chemiosmotica, si isolano mitocondri intatti e si sospendono in un mezzo a pH 8,0 senza ADP né substrati ossidabili. Dopo aver lasciato che la matrice raggiunga tale pH, vengono trasferiti bruscamente in un mezzo a pH 4,0 contenente ADP e $\text{P}_i$, in assenza totale di ossigeno e di donatori di elettroni. a) Prevedi in modo motivato se in queste condizioni artificiali verrà sintetizzato ATP e descrivi il meccanismo biofisico attraverso cui l'ATP sintasi sfrutta tale situazione. b) Che cosa accadrebbe alla sintesi di ATP se in precedenza si fosse trattata la membrana mitocondriale interna con una sostanza ionofora che permette il libero passaggio dei protoni? Giustifica la tua risposta. c) Spiega perché, in condizioni fisiologiche normali, l'esaurimento dell'ossigeno arresta la fosforilazione ossidativa.