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Lic. classico”D. A. Azuni” Sassari

I

processi

metabol

ici

cellular

i

Prof. Paolo AbisProf. Paolo Abis

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Metabolismo

E’ l’insieme delle reazioni chimiche

che avvengono in una cellula o, più

in generale, in qualsiasi organismo.− Le sostanze coinvolte in tali reazioni sono dette

metaboliti

Sintetizzati dagli organismi Sintetizzati dagli organismi Derivati dall’ambiente Derivati dall’ambiente

Nutrienti, acqua, anidride carbonica, ossigeno …

Nutrienti, acqua, anidride carbonica, ossigeno …

Macromolecole organiche: zuccheri, lipidi, proteine …

Macromolecole organiche: zuccheri, lipidi, proteine …

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MetabolismoE possibile individuare due gruppi fondamentali di reazioni chimiche:

AnabolismoAnabolismo Catabolismo:Catabolismo:

fase costruttivafase costruttiva fase di degradazione

fase di degradazione

consumo di energia

consumo di energia

liberazione energialiberazione energia

Reazioni chimiche endoergoniche

Reazioni chimiche endoergoniche

Reazioni chimiche esoergoniche

Reazioni chimiche esoergoniche

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Metabolismo = anabolismo + catabolismo

Le diverse vie metaboliche non si svolgono in modo indipendente:

spesso sono collegate in cicli di utilizzo e riclico di sostanze

Macromolecole

Molecole organiche di piccole

dimensioni

+

Proteine, polisaccaridi,

lipidi…

Zuccheri, amminoacidi

, acidi grassi…

demolizion

e

sintesi

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Metabolismo e energia• Gli organismi sono in grado di utilizzare soltanto due tipi di

energia :

En. LuminosaEn. Luminosa En. ChimicaEn. Chimica

AutotrofiAutotrofi EterotrofiEterotrofi

FotosintesiFotosintesi Respirazione cell.

Respirazione cell.

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Metabolismo e energia

Reazioni chimiche endoergoniche

Reazioni chimiche endoergoniche

Reazioni chimiche esoergoniche

Reazioni chimiche esoergoniche

Il contenuto energetico dei

reagenti è minore di quello dei

prodotti

Il contenuto energetico dei

reagenti è minore di quello dei

prodotti

Il contenuto energetico dei

reagenti è maggiore di quello

dei prodotti

Il contenuto energetico dei

reagenti è maggiore di quello

dei prodotti

E. reagenti

E. prodotti

E. assorbita

E. reagenti

E. prodotti

E. liberata

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l'ATP, il trasportatore universale di energia

• In tutti i viventi esiste una molecola, chiamata adenosin trifosfato (ATP) che ha il compito di assorbire l'energia prodotta dalle reazioni esorgoniche di demolizione e di renderla disponibile per i lavori cellulari.

base azotata adenina

base azotata adenina

zucchero a cinque atomi di carbonio

zucchero a cinque atomi di carbonio

tre gruppi fosfato

tre gruppi fosfato

I legami presenti tra questi gruppi fosfato racchiudono l'energia utilizzabile dalla cellula.

I legami presenti tra questi gruppi fosfato racchiudono l'energia utilizzabile dalla cellula.

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L’ATP: una molecola “Ricaricabile”

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L’ATP: una molecola “Ricaricabile”

L’ATP immagazzina energia chimica nel legame fra due dei suoi gruppi fosfato.

ATP

adenina

Ribosio

P

P

P

Quando il legame si rompe, con una reazione di idrolisi, l’energia chimica si rende disponibile per altri processi biologici.

Quando il legame si rompe, con una reazione di idrolisi, l’energia chimica si rende disponibile per altri processi biologici.

Legami ad alta energia

Legami ad alta energia

Energia

ADP

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Rigenerazione dell’ATP

Continuamente, nel nostro organismo, si realizzano queste due reazioni:

1. ATP --> ADP + P + Energia

2. ADP + P + Energia ---> ATP

La (1) è la reazione di liberazione di energia durante l'anabolismo,

la (2) è quella che avviene durante la produzione di energia nella respirazione cellulare.

ATP viene continuamente consumato ma si rigenera

per addizione di un P ad ADP.

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l’energia liberata dalle reazioni di degradazione (catabolismo), viene

utilizzata per “ricaricare” l’ATP. L’energia immagazzinata nell’ATP

viene utilizzata per compiere la maggior parte del lavoro cellulare.

Quindi l’ATP accoppia i processi cellulari che liberano energia con quelli

che la richiedono.

Ciclo dell’ATP

L’ATP risulta coinvolto, direttamente o indirettamente,

in quasi tutti i processi metabolici.

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Flusso dell’energiaDa dove proviene l’energia necessaria alla produzione di ATP ?

• Tutti i viventi ricavano energia dalla demolizione del glucosio, uno zucchero a sei atomi di carbonio.

• Questo processo libera energia chimica che viene immagazzinata sotto forma di ATP

• per essere trasportata e resa disponibile alle reazioni dell'anabolismo cellulare.

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Produzione di energia • Adenosin-

Trifosfato o ATP

• Respirazione cellulare produzione di ATP

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• La respirazione cellulare è il meccanismo che permette alla cellula, in presenza di ossigeno,di ricavare energia utilizzabile nei processi vitali dai legami chimici delle molecole assorbite nella digestione.• La respirazione cellulare consta di diverse reazioni, in cui i prodotti di un passaggio sono utilizzati come reagenti per il processo successivo.• I prodotti di scarto della respirazione cellulare (come CO2 o H2O) vengono eliminati dalla cellula e, negli organismi superiori, escreti attraverso la respirazione polmonare e le urine.

Le cellule respirano?

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Equazione generale della respirazione cellulare

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 36 ATP

GlucosioOssigeno

Anidride Carbonica

Acqua

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Le reazioni avvengono per piccoli passi : sottoreazioni.

I viventi hanno dovuto suddividere la demolizione in numerose tappe intermedie, in modo da poter sfruttare meglio l'energia contenuta nel glucosio e per evitare che questo processo fosse accompagnato da un innalzamento della temperatura cellulare.

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Respirazione Cellulare: le fasi

Glicolisi

Ciclo di Krebs

Catena di trasporto degli elettroni

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Dove avviene la respirazione cellulare ?

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1. Glicolisi: catabolica, degrada sost. organiche avviene nel citoplasmatica

2. Ciclo di Krebs: catabolica, completa la degradazione di sost. org., avviene nella

matrice mitocondriale

3. Catena di trasporto di elettroni e fosforilazione ossidativa: trasferimento di elettroni dal NADH , con formazione finale di acqua e ATP. La fosforilazione ossidativa avviene sulle creste mitocondriali, produce il 90% dell’ATP cellulare.

Fasi della respirazione cellulare

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Respirazione cellulare

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Questa prima fase avviene nel citoplasma di tutte le cellule, procariote od eucariote:

una molecola di glucosio, a sei atomi di carbonio viene trasformata, tramite 9 reazioni, in due molecole di acido piruvico a tre atomi di carbonio.

Queste reazioni sono accompagnate da una liberazione di energia (2 ATP).

E una fase anaerobica, non richiede ossigeno

Glicolisi

C6H12O6

Glucosio

2 Ac. piruvico

2 ADP + 2 Pi

2 ATP

C3H4O3

Glicolisi

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Fase intermedia: il piruvato entra nei mitocondri e viene trasformato in acetil coenzima A.

Sintesi dell’acetil-CoA

Si libera una molecola di CO2

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Sintesi dell’acetil-CoA

• La molecola di acido piruvico (3C) entra nel mitocondrio, perde una

• molecola di CO2 ,

trasformandosi in un gruppo acetile (2C).

• Il gruppo acetile si lega ad una molecola di Coenzima A (CoA), tramite

• la quale entra nel ciclo di Krebs come acetilCoA.

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Ciclo dell’acido citrico (Krebs)• Serie di reazioni che partono

dall’acetil-CoA

• Si Producono elettroni ed atomi di

idrogeno che sono inviati alla catena di

trasporto di elettroni.

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Un ciclo in 9 tappe che inizia con l’acetil-CoA che viene legato ad un acido a 4 atomi di Carbonio (ossalacetato), per formare acido citrico (6 C)

Un ciclo in 9 tappe che inizia con l’acetil-CoA che viene legato ad un acido a 4 atomi di Carbonio (ossalacetato), per formare acido citrico (6 C)

Durante il ciclo vengono eliminate 2 mol. di CO2 con produzione di un acido a 5 atomi di C che si trasforma immediatamente in un composto a 4 atomi di C

Durante il ciclo vengono eliminate 2 mol. di CO2 con produzione di un acido a 5 atomi di C che si trasforma immediatamente in un composto a 4 atomi di C

• Gli atomi di idrogeno vengono combinati con gli accettori specifici (NAD+ e FAD),

• Viene prodotta una molecola di ATP.

• Gli atomi di idrogeno vengono combinati con gli accettori specifici (NAD+ e FAD),

• Viene prodotta una molecola di ATP.

ossalacetato

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Bilancio del Ciclo di Krebs• Durante il ciclo di

Krebs una singola

molecola di acetil-

CoA produce:

3 molecole di NADH

1 mol. di FADH2

1 mol. di ATP

2 mol. di CO2

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Catena di trasporto di elettroni e fosforilazione ossidativa

• Invenzione

« recente »

• Avviene nella

Membrana interna

dei mitocondri

• Produzione di 34 ATP

da ogni molecola di

glucosio

spazio intramenbranalespazio intramenbranale

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Trasportatori di elettroni: citocromi

• I citocromi sono proteine vettori di elettroni che

permettono l'utilizzazione dell'ossigeno a livello

cellulare.

• Trasportano gli elettroni da un livello di alta

energia ad un livello più basso. Questa liberazione

energetica permette all'ATP-sintetasi di produrre

molecole di ATP a partire da ADP e gruppo P.

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LA RESPIRAZIONE CELLULARE

La ATP-sintasi trasportante H+ tra due settori è un complesso enzimatico che catalizza la seguente reazione:

ADP + fosfato + H+esterno ATP + H2O + H+interno

Quando la reazione è catalizzata verso destra, l'enzima è comunemente chiamato ATP-sintasi ed è responsabile della sintesi di adenosintrifosfato (ATP) utilizzando come substrati adenosindifosfato (ADP) e fosfato inorganico, sfruttando il gradiente protonico generato dalla catena di trasporto degli elettroni.

Il motore della respirazione cellulare: ATP-sintasi

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La catena di trasporto degli elettroni è un processo cellulare per la produzione di ATP nei mitocondri. È costituita da una serie di complessi proteici e composti lipo-solubili capaci di produrre un potenziale elettrochimico attraverso la membrana mitocondriale mediante la creazione di un gradiente di concentrazione di ioni H+ tra i due lati della membrana.

Questo potenziale è sfruttato per attivare i canali di trasporto presenti sulla membrana stessa e per promuovere la sintesi dell'ATP da parte dell'ATP sintetasi.

La catena di trasporto di elettroni e la fosforilazione ossidativa

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• Serie di reazioni in cui il potere riducente di

NADH e FADH2 , prodotto durante la glicolisi ed

il ciclo di Krebs, viene usato per produrre

molecole di ATP.

• NADH e FADH2 ridotti cedono elettroni agli

enzimi della catena respiratoria.

• Durante il passaggio da un trasportatore

all’altro l’energia degli elettroni diminuisce.

Catena respiratoria

• L’ultimo trasportatore della catena cede gli

elettroni all’O2 (accettore finale) trasformandolo

in H2O.

Durante il trasporto degli elettroni, i H+ sono pompati nello spazio tra le due membrane generando

un gradiente. I protoni tendono a rientrare nella

matrice attraverso il canale della ATP sintetasi.

• Il flusso di H+ attraverso la ATP sintetasi induce la

sintesi di ATP da ADP e Pi (fosforilazione

ossidativa).

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• Ogni complesso proteico (CP) ha un proprio livello

energetico.

• I complessi sono disposti in serie secondo livello energetico

decrescente.

• Gli e- scorrono spontaneamente da un livello energetico

maggiore ad uno minore, fino all’O2.

e -

e -

e -

CP CP CP

e -

O2

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• Gli elettroni scorrendo in questi complessi proteici (proteine

canale transmembrana) causano la fuoriuscita di ioni H+

contro gradiente

• nello spazio tra le 2 membrane mitocondriali.• Il rientro secondo gradiente degli ioni H+ attraverso l’

ATP-sintetasi (proteina canale) genera ATP.

Membrana mitocondriale esterna

ATP-sintetasi

Matrice mitocondriale

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L’energia liberata durante il trasferimento degli e- viene utilizzata dai CP per pompare Hpompare H++ fuori dalla membrana mitocondriale interna, contro gradientecontro gradiente.

La proteina canale ATP-sintetasi ATP-sintetasi sfrutta il rientro secondo

gradiente gradiente dei protoni H H++ per generare ATP. generare ATP.

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Catena di trasporto di elettroni

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Catena di trasporto di elettroni• Alla fine della catena gli

elettroni, insieme ad

altrettanti ioni H+, si

combinano con l’ossigeno per

formare acqua.

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L’Ossigeno

• Qual’è il ruolo dell’ O2?

L'ossigeno è fondamentale per la respirazione perché agisce come accettore finale di elettroni dall’idrogeno dopo che tutta l’energia è stata estratta per la fabbricazione di ATP

O2 si combina con 2H acqua metabolica

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Il rendimento energetico

• Da ogni molecola di glucosio

attraverso la respirazione

cellulare vengono prodotte

complessivamente

36 molecole di ATP (Eucarioti)

38 molecole di ATP (Procarioti)