Programma dettagliato della 2° lezione

METABOLISMO CELLULARE1. Bioelementi e Biomolecole

DNA (duplicazione e trascrizione)

2. Il trasportatore dell’energia: ATPReazioni metaboliche e ossidoriduzioniEnzimiCatabolismo del glucosioFotosintesi clorofilliana

3. QUESITI SVOLTI

Necessità del metabolismo energetico

Gli organismi viventi sono caratterizzati da strutture ordinate e complesse.

Il mantenimento di strutture ordinate richiede energia (2° principio della termodinamica).

La struttura specifica di ogni cellula e di ogni organismo è mantenuta grazie al continuo apporto di energia.

Gli organismi viventi svolgono continuamente reazioni chimiche che consentono la produzione di energia chimica.

Da queste reazioni dipende la vita degli organismi stessi.

Se queste reazioni vengono a cessare la cellula e l’organismo muore nel giro di pochi minuti.

METABOLISMO CELLULARE

METABOLISMO: insieme delle trasformazioni della materia e dell’energia nella cellula.

catabolismo: insieme delle reazioni di degradazione delle molecole complesse in sostanze più semplici.

anabolismo: insieme delle reazioni di sintesi di composti cellulari a partire da composti semplici.

METABOLISMO CELLULARE

Le reazioni cataboliche liberano energia (esoergoniche)Le reazioni anaboliche richiedono energia (endoergoniche)

Le reazioni anaboliche consumano l’energia fornita da un trasportatore intermedio (ATP)

METABOLISMO CELLULARE

CATABOLISMO ANABOLISMO

Demolizione molecole Sintesi molecole

Lavori cellulari

produzioneATP

L’ATP è la moneta di scambio energetico nella cellula che permette il collegamento tra reazioni cataboliche ed anaboliche.

Il trasportatore dell’energia cellulare: l’ATP

ribosio

adenina

3 gruppi fosfato

L’ adenosintrifosfato (ATP) è un nucleotide trifosfato costituito da:uno zucchero (ribosio), una base azotata (adenina) e 3 fosfati inorganici.

I legami tra i gruppi fosfato sono ad alta energia (~).Per formarli occorre energia (7kcal/mol) e, viceversa, la loro rottura libera energia utilizzabile in altre reazioni chimiche.

~ ~ ~

legami ad alta energia

ADP

+ PP

gruppo fosfato

+energia H20+

ATP

Sintesi di ATPL’ ATP è sintetizzato attraverso una reazione di condensazione (eliminazione di una molecola di H2O) tra ADP e un fosfato

inorganico (Pi).

La sintesi di ATP richiede energia (7kcal/mole) ed è resa possibile grazie al suo accoppiamento con le reazioni cataboliche (esoergoniche).

L’ idrolisi di ATP in ADP + Pi libera energia che la cellula usa per compiere le reazioni anaboliche e tutte le attività cellulari che richiedono energia.

AA

RR

PP~~PPPP ~~ ~~

AA

RR

PP~~PP ~~

Altre molecole trasportatrici di energiao trasportatori di potere riducente (elettroni)

Il NAD nella forma ossidata (NAD+) può accettare 1H+ (protone)

e 2e- (elettroni), riducendosi a NADH.

Il FAD nella forma ossidata (FAD+) può accettare 2H+ (protoni) e

3e- (elettroni), riducendosi a FADH2.

Il NADP nella forma ossidata (NADP+) può accettare 1H+

(protone) e 2e- (elettroni), riducendosi a NADPH.

NADH (nicotinamide adenina dinucleotide -forma ridotta)

FADH2 (flavina adenina dinucleotide -forma ridotta)

NADPH (nicotinamide adenina dinucleotide fosfato -forma ridotta)

La principale fonte di energia nella maggioranza delle cellule è la ossidazione del glucosio.

L’ossidazione del glucosio avviene in due stadi distinti: • Glicolisi• Respirazione cellulare.

Il catabolismo del glucosio

Il glucosio

Il livello di glucosio nel sangue e nei tessuti è regolato con precisione dagli ormoni antagonisti insulina e glucagone.

Il glucosio in eccesso viene conservato in alcuni tessuti (es. fegato, muscolo) sotto forma di glicogeno.

Glucosio: è un monosaccaride a sei atomi di carbonio (6C, esoso).

Il glucosio si ottiene per idrolisi di molti carboidrati (es. saccarosio, maltosio, cellulosa, amido e glicogeno). Il fegato è in grado di trasformare in glucosio altri zuccheri semplici (es. fruttosio). 

A partire dal glucosio è possibile sintetizzare tutti i carboidrati necessari alla sopravvivenza dell'organismo.

Glucosio

Il glucosio è una fonte di energia onnipresente in biologia.

Il motivo per il quale il glucosio e non un altro monosaccaride (es. fruttosio) sia la fonte energetica principale nella maggior parte di organismi è ancora oggetto di speculazione.

Ipotesi:1) il glucosio può formarsi chimicamente dalla formaldeide

e forse era già presente/abbondante quando nacquero i primi sistemi biochimici primitivi

2) ridotta tendenza del glucosio, rispetto ad altri esosi, a reagire con i gruppi amminici delle proteine (glicosilazione) che riduce l'attività di molti enzimi (effetti a lungo termine del diabete).

NB: la bassa reattività del glucosio verso la glicosilazione è dovuta al suo prevalente permanere nella forma ciclica, meno reattiva.

Perchè il glucosio?

Fasi della degradazione del glucosio

1° fase Glicolisi Citoplasma

2° fasein presenza di O2

(via aerobia)

Respirazione cellulare• decarbossilazione ac. piruvico• ciclo di Krebs• catena di trasporto degli e-

Mitocondriomatricematricecreste

2° fasein assenza di O2

(via anaerobia)

Fermentazione Citoplasma

1. Alcune cellule (es. neuroni) utilizzano solo la via aerobia. 2. Le cellule muscolari utilizzano entrambe le vie.3. Alcuni batteri (anaerobi) utilizzano solo la via anaerobia.4. Altri batteri (anaerobi facoltativi) utilizzano entrambe le vie.

Quali organismi utilizzano la fermentazione in alternativa alla respirazione?

L’ energia liberata durante la glicolisi viene sfruttata per produrre:2 ATP2 NADH

GLICOLISI

Glicolisi: catena di 9 reazioni, che avvengono nel citoplasma, catalizzate ciascuna da un enzima specifico.

Durante la glicolisi 1 molecola di

glucosio (C6H12O6), contenente 6

atomi di carbonio (6C), viene gradualmente trasformata in2 molecole di acido piruvico (3C), liberando energia.

In presenza di O2 l’acido piruvico entra nel mitocondrio

dove viene ossidato e demolito totalmente a CO2 ed H2O

durante 3 serie di reazioni:

1) la decarbossilazione dell’acido piruvico

2) il ciclo di Krebs

3) la catena di trasporto degli elettroni

La respirazione cellulare (via aerobia)

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.

Decarbossilazione dell’acido piruvico

C=O

OH

CH3

C=O

CH3

C=OCoenzima A

gruppo acetilicoCO2

CoA

NAD+ NADH

H++

ac. piruvico acetil-CoA

Il ciclo di KrebsSerie ciclica di reazioni che si svolge nella matrice mitocondriale.

Il gruppo acetile (2C) viene trasferito dal CoA all’acido ossalacetico (4C) e forma acido citrico (6C).

L’ acido citrico (6C) subisce una serie di ossidazioni che portano alla

formazione di 2x CO2 e 1x ATP e alla formazione di 3x NADH e 1x

FADH2.L’ultima reazione rigenera la molecola di acido ossalacetico che ricomincia un nuovo ciclo legandosi ad un altro gruppo acetile.

2 CO2

acido citrico (6C)

1 ATP3 NADH1 FADH2

acido ossalacetico (4C)

Ac-CoA

Ciclo di Krebs

Nel ciclo di Krebs non è richiesto O2

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).

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

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

L’energia liberata durante il trasferimento degli e-

viene utilizzata dai CP per pompare H+ fuori dalla membrana mitocondriale interna, contro gradiente.

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

secondo gradiente degli protoni H+ per generare secondo gradiente degli protoni H+ per generare

ATP.ATP.

Nella respirazione cellulare, attraverso una serie di reazioni catalizzate da enzimi, il glucosio viene ossidato fino a formare CO2 e H2O. L'energia prodotta da questa reazione viene usata per produrre ATP.

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + energia (686kcal/mole)

L’equazione della demolizione completa (aerobica) del glucosio è:

Bilancio energetico della demolizione completa del glucosio

Delle 686kcal liberate:266 (40%) sono utilizzate per sintetizzare ATP420 (60%) sono disperse nell’ambiente sotto forma di calorerendimento energetico del processo = 40%.

La respirazione cellulare è la via più efficiente per liberare l’energia contenuta nel glucosio

Dalla ossidazione completa di una molecola di glucosio si ottengono 38 molecole di ATP.

Di queste:2 molecole di ATP sono prodotte dalla glicolisi36 molecole di ATP sono prodotte dalla respirazione aerobia

Durante la fermentazione non viene prodotto altro ATP ma viene soltanto riossidato il NADH prodotto nella glicolisi e ripristinata la scorta cellulare

di NAD+

La fermentazioneIn assenza di O2 (anaerobiosi) le cellule ricorrono alla fermentazione.

L’ ac.piruvico prodotto nella glicolisi viene ridotto dal NADH (che si ossida a NAD+) e convertito in sostanze diverse a seconda del tipo di fermentazione.

Glicolisi Fermentazione

etanolo e CO2

Lieviti

fermentazione alcolica

ac.piruvico

NADH

NAD+

Batteri del latteCellule muscolari

fermentazione lattica

ac.piruvico

acido lattico

NADH

NAD+

Per produrre ATP la cellula non usa solo il glucosio

ma anche carboidrati, lipidi e proteine

Fonti alternative di energia per la cellula

Queste sostanze, per essere utilizzate come fonte di

energia,

sono convertite in glucosio o scomposte in molecole

o intermedi che entrano a vari livelli nella glicolisi o

nel ciclo di Krebs.

I polisaccaridi sono scissi in monosaccaridi e questi convertiti in glucosio

o in intermedi della glicolisi.

Le proteine sono scomposte nei singoli aminoacidi, dei quali alcuni sono convertiti in ac. piruvico ed altri in acetilCoA o in intermedi del ciclo di Krebs

I lipidi (trigliceridi) sono scomposti in glicerolo ed acidi grassi. Il glicerolo è convertito in fosfogliceraldeide un intermedio della glicolisi e gli acidi grassi sono trasformati in acetilCoA che entra nel ciclo di Krebs.

L’insieme delle vie metaboliche rende la

cellula capace di demolire e sintetizzare

continuamente, a seconda del bisogno, le

sostanze organiche

La Regolazione del Metabolismo

Questo insieme complesso di reazioni è

tenuto costantemente sotto controllo grazie

ad un raffinato sistema di regolazione degli

enzimi coinvolti.

GLI ENZIMILe reazioni metaboliche avvengono grazie a speciali proteine dette enzimi(es. ATPasi, ATP sintetasi, idrolasi, nucleasi, fosfatasi, DNA polimerasi).Enzimi: catalizzatori organici che aumentano la velocità delle reazioni biologiche senza essere modificati.

Substrati: sostanze che reagiscono grazie all’enzima.

Sito attivo: sito dell’enzima cui si lega il substrato formando il complesso enzima-substrato. Ogni enzima è altamente specifico per il suo substrato.Cofattori: ioni di cui l’enzima ha bisogno per funzionare (es. Mg2+).Coenzimi: piccole molecole organiche di cui l’enzima ha bisogno per funzionare (es. vitamine e loro derivati).

Gli enzimi possiedono siti di legame per i substrati e

siti di legame specifici per sostanze regolatrici che

possono modulare l’attività enzimatica,

aumentandola o diminuendola, secondo necessità.

Esempio di una regolazione negativa (dovuta alla molecola x) e positiva (dovuta al glucosio) che controllano l’attività dell’enzima in figura.