metabolismo cellulare, Sintesi del corso di Chimica

Scarica metabolismo cellulare e più Sintesi del corso in PDF di Chimica solo su Docsity! METABOLISMO CELLULARE Gli esseri viventi ricavano energia dalla demolizione degli zuccheri, ma anche da vie metaboliche diverse a partire dai grazie dalle proteine -> l’energia liberata da questi processi non viene direttamente utilizzata dalla cellula, ma sfruttata per sintetizzare una particolare molecola: adenosina trifosfato (ATP). L’ATP = una base azotata + uno zucchero a cinque atomi di carbonio + tre gruppi fosfato -> I legami che tengono uniti questi tre gruppi fosfato sono legami covalenti -> legami ad alta energia che si spezzano facilmente liberando una quantità di energia sufficiente ad azionare molte delle reazioni fondamentali della cellula -> quando un gruppo fosfato che stacca per idrolisi, la molecola di ATP si trasforma in ADP. ATP + H2O —> ADP + fosfato + energia (Per idrolisi viene rimosso un altro gruppo fosfatO, l’ADP trasforma in AMP) La molecola di ADP risultante può essere ricaricata in ATP mediante la reazione inversa alla precedente, con l’aggiunta di un gruppo fosfato e l’apporto energetico -> l’ADP viene ricaricato in ATP. REAZIONI ACCOPPIATE Nelle reazioni di biosintesi in cui molecole più grandi e complesse vengono sintetizzate da molecole più piccole e semplici, è necessario un ulteriore apporto di energia -> reazioni di costruzione: endoergoniche (richiedono energia) -> reazioni in cui il contenuto di energia dei prodotti è maggiore rispetto a quella dei reagenti, possono avvenire solo prelevando energia dall’ambiente esterno -> insieme di processi chiamato anabolismo. In una reazione biosintetica accadrà che il prodotto della reazione avrà un quantitativo di energia maggiore rispetto all’energia contenuta nei legami che tengono unite le molecole dei reagenti -> le cellule riescono a superare questa difficoltà grazie a reazioni accoppiate -> dove le reazioni che richiedono energia sono abbinati anche alle reazioni esoergoniche (liberano energia). IDROLISI E FOSFORILAZIONE Nelle cellule l’ATP è a volte idrolizzato direttamente in ADT + fosfato (Pi), liberando energia indispensabile per compiere le varie attività vitali. Il gruppo fosfato terminale dell’ATP viene rimosso e trasferito a un’altra molecola. Fosforilazione: aggiunta di un gruppo fosfato -> queste reazioni traferiscono parte dell’energia del gruppo fosfato della molecola dell’ATP al composto fosforilato che partecipava a una successiva reazione -> non è l’idtisi stessa dell’ATP a fornire energia al prodotto finale della reazione accoppiata, ma è la presenza del gruppo fosfato che è stato trasferito a incrementare la sua energia libera. PROCESSI METABOLICI CELLULARI SINTRSI E DEMOLIZIONE DELLE BIOMOLECOLE Le cellule possono ottenere le biomolecole attraverso due diverse modalità: ● Cellule autotrofe: la costruiscono autonomamente utilizzando fonti esterne di energia; ● Cellule eterotrofe: se le procurano dall’ambiente esterno. Mediante complicati processi metabolici che coinvolgono numerosi enzimi, tutte le cellule demoliscono le biomolecole per ottenere energia. Per svolgere le varie attività metaboliche le cellule autotrofe utilizzano l’energia immagazzinata in molecole che esse costruiscono. Due tipi di cellule autotrofe: ● Cellule chemiosintetiche: ottengono l’energia svolgendo reazioni inorganiche ma tali cellule sono piccole e semplici; ● Cellule fotosintetiche: ricavano dal sole l’energia necessaria per compiere le loro attività. Il prodotto finale del glucosio è la principale molecola organica che viene utilizzata dalle cellule per ottenere energia -> una volta in possesso di questo monosaccaride, tutte le cellule provvedono a demolirlo (almeno in parte) per ricavare l’energia contenuta nei suoi legami interni. C6H12 + 6 O2 —> 6 CO2 + 6 H2O + ATP Questa demolizione prevede due fasi: atomi di carbonio) prende il nome di gruppo acetile e si lega a un composto: coenzima. Gruppo acetilico + coenzima A = acetilcoenzima A (CoA). La reazione di ossidazione dell’acido piruvico è accompagnata dalla riduzione del NAD+. CICLO DI KREBS Il ciclo di Krebs è costituito da una serie di reazioni, a ogni tappa di questa serie avviene solo un piccolo cambiamento, ma la sequenza nel suo complesso produce grosse variazioni. Il ciclo di Krebs ha inizio quando il gruppo acetilico a due atomi di carbonio, una volta staccatosi dal coenzima A, si combina con un composto a quattro atomi di carbonio (acido ossalacetico) per produrre un composto a sei atomi di carbonio (acido citrico). Nel corso del ciclo, due dei sei atomi di carbonio sono ossidati ad anidride carbonica e si rigenera acido ossalacetico, rendendo questa serie di reazioni un vero e proprio ciclo. Nel corso di queste reazioni parte dell’energia liberata dal l’ossidazione degli atomi di carbonio è utilizzata per: ● Trasformare ADP in ATP; ● Produrre NADH e H+ a partire dal NAD+; ● Produrre FADH2 a partire dal FAD. Sono necessari due giri del ciclo per completare l’ossidazione di una molecola di glucosio. Nel ciclo di Krebs non è necessario l’ossigeno. L’ossigeno è necessario per la successiva e ultima tappa della respirazione che inizia quando il NADH e il FADH2 restituiscono i loro elettroni e protoni, riformando NAD+ e FAD. Se ci fosse disponibilità di ossigeno il ciclo di Krebs si interromperebbe e ci sarebbe l’arresto della produzione di energia e la morte delle cellule. TRASPORTO FINALE DI ELETTRONI Alla fine del ciclo di Krebs la molecola di glucosio risulta completamente ossidata. Nel trasporto finale di elettroni (fase conclusiva della respirazione) gli elettroni che si trovano a un alto livello di energia sono trasferiti all’ossigeno, scendendo gradualmente a un livello energetico inferiore -> questo passaggio graduale è reso possibile dalla catena respiratoria, formata da una serie di trasportatori di elettroni, ognuno dei quali accoglie gli elettroni a un livello energetico via via più basso. Tra i componenti principali della catena ci sono delle molecole chiamate citocromi. A mano a mano che il FMN, il coenzima Q (CoQ) e i citocromi b, c, a e a3 scendono lungo la catena, gli elettroni passano gradualmente a livelli inferiori di energia e alla fine vengono accettati dall’ossigeno che si combina con ioni di idrogeno per formare ACQUA. Passando lungo la catena di trasporto, gli elettroni scendono a livelli energetici inferiori e si libera energia -> questa viene utilizzata dai mitocondri per favorire la sintesi di ATP a partire da ADP -> processo chiamato fosforilazione ossidativa. Con la sintesi di ATP, durante la fosforilazione ossidativa si completa il processo che ha avuto inizio con la molecola di glucosio. Sono due processi “accoppiati”: ● Fosforilazione ossidativa: l’energia liberata viene utilizzata per produrre ATP a partire da ADP e fosforo; ● Catena di trasporto degli elettroni: viene liberata energia contenuta nei trasportatori NADH e FADH2 attraverso un passaggio graduale degli elettroni a un livello energetico inferiore. FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA I componenti della catena di trasporto di elettroni sono disposti in sequenza dentro la membrana interna dei mitocondri -> sono inseriti: 4 complessi proteici che contengono i trasportatori di elettroni e gli enzimi necessari a catalizzare il passaggio degli elettroni da un trasportatore altro, fino ad arrivare al l’ossigeno e formare acqua. L’energia liberata viene utilizzata fai complessi proteici per pompare lo spazio compreso tra le membrane del mitocondrio. La membrana interna dei mitocondri è impermeabile ai protoni -> essi non possono attraversare facilmente la membrana del mitocondrio e tornare nella concentrazione di protoni attraverso questa membrana. La differenza di concentrazione protonica tra la soluzione presente nello spazio tra le membrane e la matrice corrisponde a energia potenziale -> questa deriva dalla reale differenza di concentrazione e da una differenza di carica elettrica -> l’energia potenziale si trova sottoforma di un gradiente elettrochimico -> mette un moto un canale per far tornare i protoni all’interno della matrice -> questo canale è azionato dall’ATP sintetasi (complesso enzimatico che si trova dentro la membrana interna). Quando i protoni attraversano il canale muovendosi secondo il gradiente elettrochimico dallo spazio tra le membrane alla matrice, liberano energia, che aziona la sintesi di ATP da ADP e fosfato. Questo meccanismo di sintesi è chiamato: accoppiamento chemiosmotico = processo cellulare che sfrutta l’energia potenziale del gradiente di concentrazione protonica per formare ATP a partire da ADP e fosfato. CELLULA E GLUCOSIO Ogni processo glicolitico produce: 2 molecole di ATP e 2 molecole di NADH. Quando è presente l’ossigeno, gli elettroni appartenenti a queste molecole di NADH devono attraversare la membrana interna dei mitocondri e poi entrare nella catena di trasporto di elettroni. ● In molte cellule: il costo energetico di questo processo è basso e, per ogni NADH formato nella glicolisi, si ha alla fine la sintesi di tre molecole di ATP -> guadagno totale della glicolisi: 8 ATP. ● In altre cellule: il costo energetico del trasferimento di elettroni all’interno dei mitocondri è maggiore e corrisponde a 2 ATP -> guadagno totale della glicolisi: 6 ATP. La trasformazione dell’acido piruvico in acetil-CoA produce due molecole di NADH per ogni molecola di glucosio. Quando gli elettroni di queste due molecole di NADH scendono lungo la catena di trasporto di elettroni, si producono 6 ATP. il ciclo di Krebs produce: ● 2 molecole di ATP ● 6 molecole di NADH