Programma dettagliato della 2° lezione
METABOLISMO CELLULARE
1. Bioelementi e Biomolecole
DNA (duplicazione e trascrizione)
2. Il trasportatore dell’energia: ATP
Reazioni metaboliche e ossidoriduzioni
Enzimi
Catabolismo del glucosio
Fotosintesi 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
produzione
ATP
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
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.
3 gruppi fosfato
~
~
legami ad alta energia
~
ribosio
adenina
Sintesi di ATP
L’ 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.
A
P ~ P ~
R
ADP
A
+ P + energia
gruppo
fosfato
P~ P ~ P ~
R
ATP
+ H20
Altre molecole trasportatrici di energia
o trasportatori di potere riducente (elettroni)
NADH (nicotinamide adenina dinucleotide -forma ridotta)
FADH2 (flavina adenina dinucleotide -forma ridotta)
NADPH (nicotinamide adenina dinucleotide fosfato -forma ridotta)
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.
Il catabolismo del glucosio
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 glucosio
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 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.
Perchè il 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.
Fasi della degradazione del glucosio
1° fase
Glicolisi
Citoplasma
2° fase
in presenza di O2
Respirazione cellulare
• decarbossilazione ac. piruvico
• ciclo di Krebs
• catena di trasporto degli e-
Mitocondrio
matrice
matrice
creste
Fermentazione
Citoplasma
(via aerobia)
2° fase
in assenza di O2
(via anaerobia)
Quali organismi utilizzano la fermentazione in alternativa alla respirazione?
1.
2.
3.
4.
Alcune cellule (es. neuroni) utilizzano solo la via aerobia.
Le cellule muscolari utilizzano entrambe le vie.
Alcuni batteri (anaerobi) utilizzano solo la via anaerobia.
Altri batteri (anaerobi facoltativi) utilizzano entrambe le vie.
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 in
2 molecole di acido piruvico (3C),
liberando energia.
L’ energia liberata durante la glicolisi viene
sfruttata per produrre:
2 ATP
2 NADH
La respirazione cellulare (via aerobia)
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
Decarbossilazione dell’acido piruvico
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.
CH3
CO2
CoA
CH3
gruppo acetilico
C=O
C=O
C=O
Coenzima A
OH
ac. piruvico
NAD+
NADH
+
H+
acetil-CoA
Il ciclo di Krebs
Serie 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
Ac-CoA
1 ATP
3 NADH
1 FADH2
acido citrico (6C)
acido ossalacetico (4C)
Nel ciclo di Krebs non è richiesto O2
Ciclo di
Krebs
Catena respiratoria
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.
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.
e
-
e
-
e
-
e
CP
CP
CP
-
O2
Gli e- scorrono spontaneamente da un livello energetico maggiore ad
uno minore, fino all’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 eviene utilizzata dai CP per pompare H+ fuori dalla
membrana mitocondriale interna, contro gradiente.
La proteina canale ATP-sintetasi sfrutta il rientro secondo
gradiente degli protoni H+ per generare ATP.
Bilancio energetico della demolizione completa
del glucosio
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.
L’equazione della demolizione completa (aerobica) del glucosio è:
C6H12O6 + 6O2
6CO2 + 6H2O + energia (686kcal/mole)
Delle 686kcal liberate:
266 (40%) sono utilizzate per sintetizzare ATP
420 (60%) sono disperse nell’ambiente sotto forma di calore
rendimento 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 glicolisi
36 molecole di ATP sono prodotte dalla respirazione aerobia
La fermentazione
In assenza di O2 (anaerobiosi) le cellule ricorrono alla fermentazione.
Glicolisi
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.
fermentazione alcolica
fermentazione lattica
ac.piruvico
ac.piruvico
NADH
NADH
NAD+
NAD+
etanolo e CO2
Lieviti
acido lattico
Batteri del latte
Cellule muscolari
Durante la fermentazione non viene prodotto altro ATP ma viene soltanto riossidato
il NADH prodotto nella glicolisi e ripristinata la scorta cellulare di NAD+
Fonti alternative di energia per la cellula
Per produrre ATP la cellula non usa solo il glucosio ma
anche carboidrati, lipidi e proteine
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.
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.
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
La Regolazione del Metabolismo
L’insieme delle vie metaboliche rende la cellula
capace di demolire e sintetizzare continuamente,
a seconda del bisogno, le sostanze organiche
Questo insieme complesso di reazioni è tenuto
costantemente sotto controllo grazie ad un
raffinato sistema di regolazione degli enzimi
coinvolti.
GLI ENZIMI
Le 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.