Il metabolismo cellulare, Sintesi del corso di Biologia

Scarica Il metabolismo cellulare e più Sintesi del corso in PDF di Biologia solo su Docsity! IL METABOLISMO ENERGETICO (1) LE TRASFORMAZIONI CHIMICHE DI UNA CELLULA La vita di una cellula dipende dalle trasformazioni chimiche che avvengono al suo interno. Le biomolecole sono trasformate attraverso un numero enorme di reazioni chimiche ↪ l’insieme delle reazioni chimiche che degrada e sintetizza le biomolecole cellulari prende il nome di metabolismo [trasformazione] Il metabolismo svolge 3 funzioni: 1. ricavare energia per la cellula attraverso al degradazione di sostanza nutrienti 2. trasformare i nutrienti in molecole utili per la cellula 3. sintetizzare macromolecole e polimeri a partire dai precursori Le reazioni metaboliche sono lente e vengono quindi catalizzate da enzimi Il metabolismo è costituito da 2 fasi: il catabolismo libera energia, l’anabolismo assorbe energia [il catabolismo è il metabolismo degradativo; l’anabolismo è il metabolismo sintetico] ● le reazioni di degradazione dei carboidrati, acidi grassi e amminoacidi costituiscono il catabolismo → porta alla formazioni di prodotti di rifiuto (diossido di carbonio, acqua) Sono reazioni che richiedono la partecipazioni di coenzimi come NAD+ o FAD; sono esoergoniche→ determinano il rilascio di energia, immagazzinata sotto forma di ATP ● l’insieme delle reazioni di sintesi all’interno delle cellule viene chiamato anabolismo; Partendo da precursori l’anabolismo permette di ottenere macromolecole utili alla cellula; Sono reazioni endoergoniche→ non sono spontanee ma avvengono grazie alla partecipazione di molecole di ATP L’ATP è la principale fonte di energia per le reazioni metaboliche ↪ è una molecola ad alta energia di idrolisi Nel metabolismo cellulare, le reazioni cataboliche sono esoergoniche e avvengono spontaneamente, le reazioni anaboliche sono endoergoniche e non spontanee quindi possono svolgersi perchè accoppiate a reazioni fortemente esoergoniche → accoppiamento energetico, motore di numerosi processi fisiologici Il catabolismo si basa su reazioni di ossidoriduzione, in cui un agente ossidante riducendosi acquista elettroni dal substrato che deve essere ossidato Negli organismi i due principali agenti ossidanti sono i coenzimi: NAD+ e FAD i quali legano gli elettroni trasformandosi nella forma ridotta FADH2 e NADH Le reazioni che avvengono in una cellula sono regolate e coordinate all’interno di vie metaboliche→ sequenze di reazioni chimiche catalizzate da enzimi in cui il prodotto della prima reazione è il reagente della seconda, il prodotto di questa è il reagente della terza e così fino al prodotto finale della via → le molecole prodotte e utilizzate nei vari passaggi prendono il nome di intermedi metabolici Il metabolismo è un insieme di vie metaboliche lineari e ramificate, spesso interconnesse ● le vie cataboliche sono convergenti: da numerose biomolecole produce un numero limitato di prodotti detti catabolici [spesso l’Acetil-CoA che alimenta il ciclo di Krebs] ● le vie del metabolismo terminale sono cicliche ● le vie anaboliche sono divergenti: partono da pochi precursori semplici per dare origine a numerose molecole complesse I processi metabolici sono finemente regolati; tale regolazione avviene secondo il principio della massima economia: vengono prodotte/degradate solo le sostanze di cui esiste/non esiste effettiva necessità e nelle quantità e tempi opportuni La regolazione del metabolismo avviene secondo 3 meccanismi 1) mediante il controllo dell’attività dell’enzima che catalizza la reazione più lenta che è la tappa chiave dell’intera via; Il flusso metabolico è determinato dalla tappa chiave, se regolata l’attività dell’enzima (detto enzima chiave) che catalizza tale reazione si regola il metabolismo [l’attività enzimatica è regolata da 3 meccanismi: allosterismo, modificazioni covalenti e inibizione enzimatica] 2) mediante il controllo delle concentrazioni degli enzimi; la concentrazione di un enzima può essere variata favorendo o inibendo 2 processi opposti, la biosintesi e la degradazione dell’enzima 3) mediante la compartimentazione degli enzimi e substrati in specifici distretti cellulari (2) GLI ORGANISMI VIVENTI E LE FONTI DI ENERGIA Negli anni ottanta il biologo Woese propose una nuova classificazione degli organismi viventi, propose l’esistenza di 3 domini della vita: batteri e archei [unicellulari] ed eucarioti [anche pluricellulari] → possiamo distinguerli anche dal punto di vista metabolico aerobi: organismi viventi che si sono adattati a vivere in presenza di ossigeno anaerobi: organismi viventi che vivono in ambienti privi di ossigeno [molti archei e batteri] ↪ possono essere obbligati o facoltativi Gli organismi viventi sono classificati anche in base alla fonte chimica che usano per ottenere gli atomi di carbonio necessari ai loro processi metabolici organismi autotrofi: sintetizzano le molecole organiche a partire da composti inorganici (come CO2) organismi eterotrofi: usano come nutrienti sostanze organiche prodotte dagli autotrofi Organismi autotrofi e eterotrofi convivono sulla terra mettendo in atto un riciclo di sostanze che consente un reciproco sostegno; in questo la luce solare funge da motore inesauribile Un altro criterio divide i viventi in base al modo in cui si procurano l’energia necessaria per lo svolgimento delle loro attività vitali organismi fototrofi: ottengono l’energia dalla luce solare organismi chemiotrofi: ottengono l’energia dall’ossidazione delle sostanze chimiche presenti nell’ambiente (3) IL GLUCOSIO COME FONTE DI ENERGIA Dopo la glicolisi il bilancio energetico è di 2 molecole di piruvato, 2 molecole di coenzima NADH e 2 di ATP da 1 molecola di glucosio La glicolisi è regolata e si attiva solo in caso di necessità, se non è necessaria la sintesi di nuovo ATP il processo viene bloccato. La regolazione della glicolisi avviene tramite il controllo allosterico della fosfofruttochinasi - in condizione di abbondanza energetica la cellula è ricca in ATP e citrato quindi la glicolisi viene rallentata - la carenza energetica nella cellula, che si traduce in un aumento di AMP, porta invece all’attivazione della glicolisi e alla produzione di energia Lo svolgimento della glicolisi dipende dalla disponibilità di glucosio e anche dalla presenza del coenzima NAD+ che viene ridotto a NADH Affinché la glicolisi possa procedere è necessario che il NAD+ sia rigenerato attraverso un processo di riossidazione del NADH - in presenza di ossigeno si svolge la respirazione cellulare e il NADH viene trasferito nel mitocondrio dove è ossidato; la glicolisi si conclude con la produzione di piruvato che viene trasferito nel mitocondrio, dove va incontro a ulteriori processi metabolici - in assenza di ossigeno sono necessarie reazioni aggiuntive, reazioni di fermentazione, che rigenerano il NAD+ nel citoplasma LE FERMENTAZIONI In condizioni anaerobiche viene utilizzato il piruvato e l’aldeide come accettori degli atomi di idrogeno del NADH: il piruvato si trasforma in acido lattico mentre l’aldeide acetica dà origine a etanolo Questi due processi hanno il nome di fermentazione lattica e fermentazione alcolica (5) IL CICLO DELL’ACIDO CITRICO L’insieme delle reazioni ossidative che si svolgono nei mitocondri e garantiscono la produzione della maggior parte dell’energia cellulare prende il nome di metabolismo terminale ↪ questo coinvolge 2 processi che si svolgono nei mitocondri: decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo dell’acido citrico Negli eucarioti i processi ossidativi che avvengono dopo la glicolisi si svolgono nei mitocondri → organuli cellulari rivestiti da un doppio sistema di membrane; la membrana interna si introflette a formare numerose pieghe dette creste mitocondriali che delimitano uno spazio interno la matrice mitocondriale che è sede di varie vie metaboliche Il punto di passaggio fra la glicolisi e il ciclo dell’acido citrico consiste nella decarbossilazione ossidativa del piruvato ad acetile e nella trasformazione di questo in Acetil CoA → il processo inizia con l’ingresso della molecola di piruvato nei mitocondri, il piruvato diviene substrato di una reazione catalizzata dal complesso multienzimatico della piruvato deidrogenasi L’acetil-CoA nella matrice mitocondriale si lega ad una molecola chiamata ossalacetato (a 4 atomi di carbonio) costituendo una molecola a 6 atomi di C, l’acido citrico che è il primo prodotto della reazione L’enzima aconitasi catalizza lo spostamento del gruppo ossidrile del citrato, si ottiene isocitrato. Un ulteriore enzima attua la decarbossilazione (= perdita di una molecola di anidride carbonica); si ottiene un composto a 5 atomi di carbonio, e il NAD si riduce in NADH Vi è la perdita di un'ulteriore molecola di CO2, viene ridotto il NAD, si ottiene un composto a 4 atomi di carbonio a cui è legato il coenzima A L’enzima succinil-CoA sintetasi permette il distacco del CoA e la formazione del succinato, l’energia liberata nel processo è utilizzata per la sintesi di una molecola di GTP (guanosintrifosfato) → simile all’ATP con funzione di segnalazione. Si forma anche una molecola di ATP Interviene il FAD che diventa FADH2 prendendo 2 idrogeni dal succinato grazie all’enzima succinato deidrogenasi che preleva i 2 idrogeni, il quale diventa fumarato Reagendo con l’acqua il fumarato diventa malato che successivamente con l'intervento del NAD si trasforma in ossalacetato→ riprende il ciclo è importante ricordare che per ogni molecola di glucosio che entra nella glicolisi, il ciclo di krebs si compie due volte, e per ogni molecola di glucosio vengono prodotte 6 CO2, 10 NADH (due nella glicolisi, due nell’ossidazione del piruvato e 6 nel ciclo), 2 FADH2 e 4 ATP (2 nella glicolisi e 2 nel ciclo) (6) IL TRASFERIMENTO DI ELETTRONI NELLA CATENA RESPIRATORIA Dopo la glicolisi e l’acido citrico affinché il metabolismo ossidativo possa svolgersi senza interruzioni è necessario NADH e FADH2 siano riconvertiti alla loro forma ossidata (NAD+ e FAD) → quindi i coenzimi trasferiscono gli elettroni all’ossigeno attraverso una serie di reazioni durante le quali si accumula energia, con la formazione di molecole di ATP La sequenza di reazioni redox attraverso cui gli elettroni vengono trasferiti dai donatori iniziali, il NADH o il FADH2 all'accettatore finale, l’O2 prende il nome di catena respiratoria → il processo si svolge a livello della membrana mitocondriale interna, gli elettroni del NAD entrano nella catena di trasporto degli elettroni e sono trasferiti a una serie di trasportatori, infine questi elettroni arrivano all’ossigeno che lega protoni ed elettroni per formare acqua Il processo è accompagnato infatti dal passaggio di ioni H+, l'accumulo di questi nello spazio intermembrana è proporzionale all’intensità del flusso di elettroni nella catena respiratoria Ai 2 lati della membrana si genera un gradiente protonico (differenza di potenziale) dovuto al - gradiente chimico (concentrazione di protoni) e gradiente elettrico (distribuzione di cariche elettriche) Questo rappresenta la forza motrice del processo di sintesi dell’ATP (7) FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA E BIOSINTESI DELL’ATP Il trasferimento di elettroni lungo la catena respiratoria libera energia usata per sintetizzare molecole di ATP, un processo dal nome di fosforilazione ossidativa Peter Mitchell formulò la teoria chemiosmotica per spiegare in che modo l’energia liberata dalla catena respiratoria potesse essere usata per la sintesi dell’ATP ↪ questa dipende dalla formazione di un gradiente elettrochimico ai due lati della membrana che deriva dal trasferimento di elettroni nella catena respiratoria La sintesi dell’ATP avviene a livello dell’ATP sintasi, un complesso proteico associata alla membrana mitocondriale interna che usa l’energia associata al gradiente protonico ai due lati della membrana per sintetizzare ATP presenta una struttura particolare: - testa rotondeggiante che contiene il sito di sintesi dell’ATP - corpo allungato che ha la funzione di canale per gli ioni H+ Bilancio quantitativo: da una molecola di NADH → sintesi 2,5 molecole di ATP; da una di FADH2 → 1,5 molecole di ATP Quindi nel complesso per ogni molecola di glucosio ossidata si producono 32 molecole di ATP