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Metabolismo

Gli organismi autotrofi (piante verdi e batteri fotosintetici) provvisti di clorofilla o altre molecole

fotosensibili, trasformano l’energia luminosa in energia chimica, sintetizzando sostanze organiche

complesse a partire da molecole semplici come CO2 , H2O , NH3 .

Gli organismi eterotrofi si nutrono di queste biomolecole, le demoliscono e liberano l’energia in

esse contenuta, mediante una serie di reazioni biochimiche. L’insieme di queste reazioni mediante

le quali gli organismi eterotrofi demoliscono le sostanze alimentari liberando energia, viene

chiamato catabolismo.

Un’altra serie di reazioni che viene chiamata anabolismo sfrutta questa energia per sintetizzare le

biomolecole necessarie per la vita dell’organismo.

L’insieme delle reazioni anaboliche e cataboliche costituisce il metabolismo.

Metabolismo è l’insieme di processi biochimici tramite i quali gli organismi viventi utilizzano gli

alimenti per ottenere energia, sostanze necessarie alla crescita e materiali di struttura per le

cellule.

Il processo per il quale il glucosio si forma dalla CO2 e dall’H2O a spese dell’energia solare è detto

fotosintesi.

6 CO2 + 6 H2O + (luce solare) C6H12O6 + 6 O2

I carboidrati sono i principali metaboliti del regno animale e sono il combustibile fondamentale dei

sistemi biologici perché forniscono alle cellule l’energia necessaria. I carboidrati durante il

processo di combustione (ossidazione) si trasformano in CO2 e H2O con la liberazione dell’energia

immagazzinata dalla molecola nel corso della fotosintesi.

La glicolisi è la reazione inversa alla fotosintesi e riassume la combustione biologica delle molecole

alimentari svolta dalla cellula (respirazione cellulare).

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + (energia)

Il termine respirazione viene usato in senso più vasto, fino a comprendere tutti i processi

metabolici nei quali l’ossigeno viene utilizzato per ossidare tutte le sostanze organiche in CO2 e

H2O liberando energia. Gli organismi viventi conservano parte dell’energia liberata raccogliendola

nei legami fosforici dell’ATP; il resto dell’energia prodotta dalla respirazione viene sfruttata per

riscaldare l’organismo, mantenendolo così alla temperatura adatta.

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Digestione dei carboidrati

Si definisce digestione il processo di idrolisi durante il quale le molecole più grandi si trasformano

in molecole più semplici che possono essere assorbite dall’organismo. Nell’umano la digestione ha

luogo nell’apparato digerente, mentre l’assorbimento avviene soprattutto nell’intestino tenue.

Il principale carboidrato di cui l’uomo si alimenta è l’amido; la sua digestione inizia nella bocca

dove l’enzima ptialina (un’α-amilasi) catalizza la sua idrolisi.

La ptialina è attiva mentre il cibo percorre l’esofago ma viene resa inattiva quando il cibo arriva

nello stomaco, a causa l’ambiente acido. Nello stomaco la digestione dei carboidrati subisce un

rallentamento, perché l’idrolisi catalizzata da acidi avviene troppo lentamente alla temperatura

corporea, per essere efficace. La zona principale ove avviene la digestione dei carboidrati è

l’intestino tenue, dove un’altra amilasi l’amilopsina, trasforma le molecole di glucosio rimanenti in

maltosio che poi è scisso in due molecole di glucosio dall’enzima maltasi.

I disaccaridi, saccarosio e lattosio vengono digeriti completamente nell’intestino tenue dove

vengono attaccati dagli enzimi saccarasi e lattasi.

L’idrolisi completa dei disaccaridi e dei polisaccaridi produce tre monosaccaridi: il glucosio, il

fruttosio e il galattosio, che vengono assorbiti nel sangue attraverso i villi intestinali. Dopo

l’assorbimento i monosaccaridi vengono trasportati al fegato dove il fruttosio e il galattosio

vengono trasformati enzimaticamente in glucosio, l’unico zucchero che può circolare nel sangue.

Il glucosio può seguire due strade; passare nel sistema circolatorio per essere trasportato ai tessuti

oppure essere rincorporato nel glicogeno e depositato nel fegato, costituendo una riserva per il

mantenimento del giusto tasso glicemico. Nei tessuti il glucosio può essere ossidato in CO2 e H2O,

trasformato in grasso o convertito in glicogeno muscolare, costituendo una riserva di energia per

lo svolgimento delle attività meccaniche.

Il livello di glucosio nel sangue è controllato dall’ormone insulina che lo trasforma in glicogeno;

quando il pancreas non secerne una quantità sufficiente di insulina, sorge il diabete ed il glucosio

viene espulso dalle urine.

Metabolismo e glicolisi, una visione d’insieme

La glicolisi (dal greco dolce scissione) viene chiamata via di Embden-Meyorf, è la via metabolica più

antica. Breve storia:

Intorno al 1850 Louise Pasteur scoprì che le fermentazioni avvengono ad opera di

organismi

Si pensava che il fenomeno non fosse riproducibile in laboratorio

Intorno al 1900 si scopre che nel processo è impiegato del fosforo inorganico

Nel 1930 viene scoperta e realizzata in laboratorio tutta la sequenza di reazioni ad opera

dei chimici Embden e Meyorf.

Il glucosio è trasformato in piruvirato attraverso 10 passaggi, i primi cinque sono definiti fase di

investimento energetico (si consumano due moli di ATP) ; i secondi cinque sono definiti fase di

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produzione energetica (si producono 4 ATP e 2 NADH). Il guadagno

netto della glicolisi è di 2 mol di ATP per ogni mole di glucosio, con la

produzione di due moli di piruvirato. Tali reazioni non sono di

ossidazione.

Il piruvirato è il composto bivio.

In totale si ottengono 32 ATP

C6H12O6 + 6 O2 + 32 ADP 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP

L’efficienza è circa del 38% il resto dell’energia è dispersa sottoforma di calore

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Schema sintetico della via di Emden-Meyorf

1) glucosio-6-fosfato (- ATP)

2) fruttosio-6-fosfato

3) fruttosio-1,6-difosfato (-ATP)

4) gliceraldeide-3-fosfato + diidrossiacetonfosfato

5) 2 molecole di gliceraldeide-3-fosfato

6) acido-1,3-difosfoglicerico

7) acido-3-fosfoglicerico (+ATP)

8) acido-2-fosfoglicerico

9) acido-2-fosfoenolpiruvico

10) acido piruvico (+ATP)

Schema sintetico ciclo di Krebs

Decarbossilazione ossidativa:

Acido piruvico CO2 + Acetil-Co-A

Acetil-Co-A + acido ossalacetico acido citrico

1) acido citrico

2) acido cis-aconitico

3) acido isocitrico

4) acido assalsuccinico (+NADH)

5) acido α-chetoglucarico (+CO2)

6) succinil-Co-A (+CO2 + NADH)

7) acido succinico

8) acido fumarico

9) acido (s)malico

10) acido ossalacetico (+NADH)

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cinasi

Mg2+

isomerasi

10 Tappe della glicolisi

1) Fosforilazione

Glucosio + ATP glucosio-6-fosfato + ADP

2) Isomerizzazione

Glucosio-6-fosfato fruttosio-6-fosfato

La reazione avviene attraverso al formazione dell’endiolo intermedio, il glucosio in forma

emiacetalica è in equilibrio con la rispettiva forma a catena aperta, che risulta essere un’aldeide

presentante un idrogeno in posizione α. Si può così formare l’equilibrio con la forma enolica,

l’enolo potrà poi dare nuovamente origine alla forma aldeidica o a quella chetonica (fruttosio).

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cinasi

Mg2+

aldolasi

fosfoisomerasi

3) Fosforilazione

Identica alla reazione 1

Fruttosio-6-fosfato + ATP fruttosio-1,6-difosfato + ADP

4) Degradazione

L’esoso viene spezzato in due molecole di 3 atomi, è l’inverso di una condensazione aldolica, la

catena si rompe nel carbonio in β rispetto al gruppo carbonile.

fruttosio-1,6-difosfato gliceraldeide-3-fosfato + diidrossiacetonfosfato

5) Trasformazione

Diidrossiacetofosfato gliceraldeide-3-fosfato

La reazione avviene attraverso la formazione dell’endiolo intermedio

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deidrogenasi

6) Ossidazione e Fosforilazione

Gliceraldeide-3-fosfato + NAD+ + HPO42- acido-1,3-difosfoglicerico + NADH + H+

Si può pensare che la reazione avvenga in due fasi, l’ossidazione del gruppo aldeidico ad acido

carbossilico e la successiva formazione del legame etereo con il fosforo.

In realtà la reazione avviene in un

unico stadio, la gliceraldeide-3-

fosfato si lega ad un gruppo di

cisteina (dell’enzima) formando un

tioemiacetale (al posto del gruppo

carbonilico si forma il legame con lo

zolfo della cisteina) il quale è più

facilmente ossidabile a tioestere,

successivamente l’enzima avvicina

il gruppo fosfato e lo lega.

L’acido formato è un composto ad

alta energia, contiene due gruppi

fosforici, nella prossima reazione

tende quindi ad espellere il fosforo

del carbonile.

7) Fosforilazione al livello del substrato, produzione di ATP

Acido1,3-difosfoglicerico + ADP acido-3-fosfoglicerico + ATP

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enolasi

Mg2+ K+

cinasi

Fosfoglicerato mutasi

8) Trosformazione

Il gruppo fosfato passa dall’ossidrile finale a quello centrale, reazione di isomerizzazione.

Acido-3-fosfoglicerico acido-2-fosfoglicerico

Acido-3-fosfoglicerico Acido-2-fosfoglicerico

9) Formazione dell’enolo, acido insaturo

Acido-2-fosfoglicerico Acido fosfoenolpiruvico

Reazione di disidratazione con formazione del doppio legame:

acido fosfoenolpiruvico (PEP)

tende a trasformarsi per

tautomeria cheto-enolica nel

corrispondente chetone

eliminando il fosforo.

10) Seconda fosforilazione al livello del substrato

Acido fosfoenolpiruvico + ADP acido piruvico

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Fermentazione lattica

Avviene nei microrganismi anaerobi per la produzione di yogurt, avviene inoltre quando il muscolo

scheletrico è affaticato.

L’acido piruvico viene ridotto ad acido lattico ed il NADH si ossida riformando il NAD+, così che la

tappa n.6 della glicolisi possa continuare ad avvenire. (il NADH si riossida facilmente in quanto

nella forma NAD+ è ripristinata l’aromaticità della molecola)

Fermentazione alcolica

Avviene nei microrganismi e nei lieviti in condizioni anaerobiche, la fermentazione procede in due

tappe:

1. Decarbossilazione con produzione di CO2 (la reazione avviene in un verso solo)

2. Riduzione con enzima alcoldeidroalogenasi ed ossidazione del NADH

Bilancio energetico della fase anaerobica

Per ogni mole di glucosio si ha prima il consumo di due moli di ATP e poi la produzione di 4 moli di

ATP, il bilancio energetico netto è di due moli di ATP. L’energia prodotta dal metabolismo

anaerobico è solo una piccola parte dell’energia ottenibile dall’ossidazione completa del glucosio,

per questo motivo le fermentazioni sviluppano molto calore.

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Ciclo di Krebs o ciclo dell’acido citrico

Decarbossilazione

L’acido piruvico subisce una decarbossilazione ossidativa e viene trasformato in aceticlcoenzima-A

(un tioestere dell’acido acetico legato al coenzima-A)

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La decarbossilazione può avvenire in condizioni blande solo con acidi β-ϒ insaturi affinchè, tolta la

CO2, il doppietto che rimane sul carbonio (α) adiacente al gruppo carbossilico, risuoni sul secondo

gruppo carbonilico (quello in β) e la molecola sia così stabilizzata.

ES: decarbossilazione dell’acido acetacetico

L’acido piruvico è però un α-chetoacido quindi non decarbossila facilmente:

La carica negativa non può essere de localizzata perché viene a trovarsi direttamente sul cabonile.

Per questo motivo è necessario l’utilizzo del coenzima-A e della vitamina B1 come catalizzatore.

10 tappe del ciclo di Krebs

1) Condensazione dell’acetil-Co-A con l’acido ossalsuccinico per la formazione dell’acido citrico,

rimozione del Co-A. Condensazione di Claisen mista tra n chetone e un estere.

+ + + H2O

2) e 3) Eliminazione di acqua (reazione di disidratazione) formazione del doppio legame, con

conseguente reintroduzione dell’acqua (idratazione) e riformazione del gruppo alcolico che però è

spostato da “sotto” a “sopra”. Tale addizione è contro la regola di Markovnikov.

+ H2O

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4) e 5) Ossidazione con formazione dell’acido ossalcuccinico e successiva decarbossilazione.

+ NAD+ + NADH + CO2

(viene eliminata la seconda delle tre molecole di CO2)

6) Decarbossilazione ossidativa

Identica alla decarbossilazione avvenuta prima del ciclo di Krebs, viene eliminata una molecola di

CO2 e legato il Co-A-SH. È l’unica reazione irreversibile del ciclo di Krebs.

+ NAD+ + Co-A-SH

(le decarbossilazioni sono terminate, tutto il glucosio è stato ossidato, ma occorre tornare all’acido

ossalacetico, affinchè il ciclo possa riprendere)

7) Idratazione e formazione dell’acido succinico, viene rilasciato il coenzima A.

+ H2O + Co-A-SH

Acido succinico

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8) Deidroalogenazione, si forma il doppio legame tra i due atomi di carbonio, è una reazione di

ossidazione.

+ FAD + FADH2

Acido succinico

9) Idratazione del doppio legame, si forma il gruppo ossidrile, la reazione è stereo specifica.

+ H2O

Acido L-malico

10) Deidroalogenazione ossidativa, si ossida il gruppo ossidrile a carbonile, e si ricostituisce l’acido

ossalacetico.

+ 2 NAD+ + 2 NADH

Acido L-malico

La catena respiratoria e la fosforilazione ossidativa

Alla fine del ciclo di Krebs tutti i NADH e FADH2 che si sono formati devono essere riossidati a NAD+

e FAD dall’accettatore finale di elettroni: l’ossigeno molecolare (O2) che si riduce ad H2O.

NADH e FADH2 non reagiscono direttamente con O2 ma l’ossidazione avviene attraverso la catena

respiratoria, nella quale gli elettroni sono trasportati dai citocromi. I citocromi sono quattro

complessi organici del Fe2+/Fe3+ nei quali le lievi differenze strutturali causano potenziali di

riduzione diversi.

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In ogni citocromo la forma ossidata del ferro (Fe3+) riceve un elettrone e si riduce trasformandosi

in Fe2+ , tale elettrone è successivamente donato al citocromo successivo e il ferro si ritrasforma in

Fe3+ . Si viene così a creare un sorta di scala ove i citocromi reagiscono in successione da quello a

potenziale di riduzione maggiore a quello con potenziale di riduzione minore.

L’ultimo citocromo trasferisce l’elettrone all’ossigeno molecolare.

2 Fe2+ 2 Fe3+ + 2 e-

½ O2 + 2 H+ + 2 e- 2 H2O (gli H+ derivano da NADH e FADH2)

Contemporaneamente alla catena respiratoria avviene la fosforilazione ossidativa.

La catena respiratoria si comporta come una pila elettrica, il flusso di elettroni compie lavoro

chimico inducendo alcuni complessi proteici di membrana a trasferire gli H+ fuori dalla membrana

interna, nello spazio di intermembrana.

Si crea così una differenza di pH di 0,75 unità fra i due lati della membrana, che (come in un

elettrodo ad idrogeno) causa una differenza di potenziale la quale aziona l’enzima ATP sintasi.

Gli ioni H+ nello spazio intermembrana non possono tornare liberamente nella matrice

mitocondriale, data l’impermeabilità della membrana, e possono fare ciò solo passando attraverso

l’enzima ATP sintasi. Questo enzima sintetizza ATP a partire da ADP e fosforo inorganico, è una

vera e propria macchina molecolare il cui movimento è azionato dal flusso di H+ (come in un

mulino ad acqua).

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Bilancio finale

Condizioni anaerobiche 2 ATP

Condizioni aerobiche 32 ATP

Resa del 38%

La glicolisi anaerobica produce soltanto due molecole di ATP ma è 200 volte più veloce, quando il

muscolo scheletrico è sotto sforzo lavora in condizioni anaerobiche, sviluppa maggiore potenza al

prezzo di consumare più glucosio e di accumulare acido lattico. L’acido l’attico (composto sol-gel)

viene portato dal sangue nel fegato ove viene ritrasformato in glucosio.