Metabolismo Cellulare, Appunti di Biologia

Scarica Metabolismo Cellulare e più Appunti in PDF di Biologia solo su Docsity! Metabolismo Cellulare  Il metabolismo (energetico) è l’insieme delle reazioni chimiche che avvengono in una cellula. Ha 3 funzioni principali: 1) Ricavare energia. Organismi autotrofi grazie all’energia luminosa trasformata in chimica. Organismi eterotrofi grazie all’energia chimica (cibo) trasformata in energia cellulare. 2) Idrolisi: rottura di un legame grazie ad H2O, i polimeri diventano monomeri. (es proteine in amminoacidi, acidi nucleici in nucleotidi). 3) Sintetizzazione: contrario dell’idrolisi. Le trasformazioni sono graduali e avvengono grazie a una sequenza di reazioni chimiche, catalizzate ognuna da uno specifico enzima. Si formano prodotti non stabili intermedi che fungono da reagenti per la reazione successiva. (via metabolica: es respirazione cellulare). Si tratta principalmente di reazioni di ossidazione, quindi perdita di elettroni e aumento del numero di ossidazione. In ambito biologico: perdita e acquisto di H. La maggior parte delle reazioni sono catalizzate da enzimi. I coenzimi sono materiali non proteici che attivano l’enzima. Sono coinvolti nella reazione e trasportano elettroni. (chi cede verrà ossidato, il coenzima gli accetta). NAD: nicotinammide-adenin-dinucleotide. Coenzima, trasporta elettroni. Nella sua forma ossidata è NAD+ perché ha perso un elettrone. Per essere ridotto ne può accettare 2. (NADH + H) AH2  NAD+  A ox B  NAD+  BH2 riduzione Glucosio: molecola organica usata per ricavare energia dalla rottura dei suoi legami. 3 processi metabolici catabolici: glicolisi, respirazione cellulare, fermentazione La glicolisi dà inizio al processo grazie all’ossidazione del glucosio. Il glucosio viene convertito in 2 molecole di PIRUVATO, formato da tre atomi di C:  In ambiente aerobico: respirazione cellulare, glucosio ossidato completamente viene prodotta energia e H2O + CO2  In ambiente anaerobico: fermentazione, produzione di etanolo o acido lattato e CO2, poca energia. Non avviene l’ossidazione completa del glucosio. Glicolisi Processo metabolico che dà inizio al catabolismo del glucosio, è la sequenza di reazioni che permette di passare da glucosio a 2 molecole di piruvato. Composta dalla successione di 10 tappe, cioè 10 reazioni chimiche ognuna col proprio enzima. Avviene all’interno del citoplasma delle cellule dopo che i glut (trasportatori della membrana plasmatica) fanno entrare il glucosio nel citoplasma. Le prime cinque fasi compongono la fase endoergonica, cioè d’investimento energetico (vengono utilizzate 2 molecole di ATP per ottenerne successivamente di più). Le altre cinque costituiscono la fase esoergonica, ovvero di guadagno energetico, cioè di 4 molecole di ATP. Il guadagno finale quindi è di 2 molecole di ATP. Durante la glicolisi il glucosio viene ossidato parzialmente (presenta ancora energia) Fase Endoergonica  La prima fase è la più importante, attiva il glucosio grazie all’esochinasi, enzima che trasporta i gruppi P e catalizza l’attacco di un gruppo fosfato al carbonio 6. Viene trasformato in glucosio-6- fosfato in seguito all’idrolisi dell’ATP che rilascia P, ossia avviene la fosforilazione del glucosio (investimento della prima molecola di ATP). L’ossidazione del glucosio avviene durante la sua idrolisi. L’energia liberata dal glucosio (ricco di e. potenziale) viene usata per produrre 4 molecole di ATP e per la riduzione di NAD+ a 2NADH.  Seconda fase: il glucosio 6 fosfato viene isomerizzato in fruttosio-6-fosfato. Passa quindi da aldeide a chetone, grazie a un riarrangiamento del gruppo carbonilico e ossidilico. L’enzima che catalizza la reazione è il fosfoesoso-isomerasi.  Terza fase: al fruttosio-6-fosfao viene aggiunto un ulteriore gruppo P al C1 grazie all’enzima fosfofruttochinasi. L’ATP diventa quindi ADP.  Quarta fase: il fruttosio 1,6-bifosfato viene scisso in zuccheri triosi fosforilati, in particolare diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide 3-fosfato. L’enzima che catalizza la reazione è l’aldolasi, che permette la condensazione aldolica.  Quinta fase: solo la gliceraldeide viene demolita nel processo metabolico. Il diidrossiacetone viene isomerizzato in 2 molecole di gliceraldeide 3-fosfato grazie alla trioso fosfato isomerasi. Fase Esoergonica Composta da cinque tappe, avviene la sintesi di 2+2 molecole di ATP (2 bilanciano quelle precedentemente usate) per un guadagno totale di 2ATP + 2NADH. La gliceraldeide 3-fosfato (2 per ogni molecola di glucosio) viene trasformata in piruvato.  Sesta fase: il gliceraldeide quindi viene ossidato ad acido carbossilico e NAD+ (che funge da accettore di atomi di idrogeno) viene ridotto a NADH + H+. Poi avviene la fosforilazione dell’acido carbossilico (ora può accettare gruppo fosfato proveniente dal citoplasma e non da ATP-> fosfato inorganico), per cui le 2 molecole gliceraldeide 3-fosfato vengono convertite in 1,3- bifosfoglicerato, grazie all’enzima deidrogenasi che si occupa dell’ossidoriduzione. -> 2 gruppi fosfato  Settima fase: avviene la sintesi dell’ATP partendo dal 1,3-bifosfoglicerato che ha la tendenza a cedere il gruppo P, trasferito all’ADP grazie al fosfoglicerato chinasi. Avviene una fosforilazione al livello del substrato e vengono prodotte 2 molecole ATP. Dispendio dell’energia della fase endoergonica colmato.  Ottava fase: Il gruppo fosfato cambia posizione; il 3-fosfoglicerato formatosi nella tappa precedente viene convertito in 2-fosfoglicerato grazie all’enzima fosfoglicerato-mutasi.  Nona fase: il 2-fosfoglicerato viene disidratato liberando quindi H20. Si forma il fosfoenolpiruvato (PEP), molto instabile. L’enzima è l’enolasi.  Decima fase: formazione di 2 molecole di piruvato partendo dal fosfoenolpiruvato che cede P all’ADP. Si formano quindi 2 ATP + piruvato grazie all’enzima piruvato chinasi. È la reazione del guadagno energetico. Fermentazione Tipicamente avviene nei batteri e nei lieviti. (produzione birra, vino, yougurt, fernentazione lattica). Succede anche nell’uomo, ad esempio con la produzione di acido lattico in condizione di anaerobiosi, per cui il sangue non riesce a fornire sufficiente ossigeno alle cellule per fare la respirazione. L’energia allora viene prodotta tramite fermentazione lattica. In assenza di ossigeno per l’ox (ossidazione) di NADH a NAD+ il piruvato funge da accettore di elettroni (fondamentale per il processo di glicolisi). Per arrestare l’ox del glucosio è importante che NADH continui a essere riossidato a NAD+ grazie alla fermentazione. In questo modo la glicolisi può procedere. La fermentazione può essere lattica o alcolica.  Fermentazione lattica: viene rigenerato NAD attraverso la riduzione di piruvato e lattato (forma protonata dell’acido lattico, è così che si trova all’interno dell’organismo). L’ubichinolo QH2 viene ossidato a Q. I 2 elettroni vengono strappati uno alla volta e trasferiti al citocromo c grazie ai trasportatori solubili. Avviene quindi il trasporto di 4 H+ dalla matrice allo spazio intermembrana.  Complesso IV: citocromo c ossidasi Parte dal citocromo c, 4 molecole vengono ossidate grazie a atomi di rame, infine elettroni vengono ceduti a O2. Vengono rilasciate 2 molecole di H20. Avviene la fosforilazione dell’ossigeno, gli elettroni si muovono a cascata fino all’ossigeno, ogni passaggio libera energia. Sono necessarie tutte queste reazioni per non liberare tutta l’energia in un colpo solo Sintesi ATP ATP sintasi: complesso transmembrana, sintetizza ATP partendo da ADP e fosforo inorganico. Il trasferimento di elettroni è accompagnato dal trasferimento di ioni H+ dalla matrice allo spazio intermembrana. (Chemiosmosi) Si genera quindi un gradiente protonico o elettrochimico grazie alla catena di trasporto. Si tratta di un gradiente chimico data la diversa concentrazione di H+ all’interno e all’esterno della membrana mitocondriale interna, ed elettrico, perché le cariche positive sono maggiormente presenti nello spazio intermembrana che nella matrice. È quindi un gradiente elettrochimico che costituisce una forma di energia potenziale detta energia proton-motrice che spinge i protoni verso la matrice per riequilibrare il gradiente chimico ed elettrico. La membrana interna è impermeabile agli ioni H+, che devono quindi passare attraverso l’ATP sintasi, che oltre a fungere da canale utilizza energia per sintetizzare ATP da ADP e P. Chemiosintesi: accoppiamento della forza proton-motrice e sintesi dell’ATP. L’ATP sintasi, anche chiamato complesso 5, funziona reversibilmente: In assenza di ioni H+ va ad idrolizzare ATP in ADP + P + ENERGIA con cui poi trasferirebbe H (reazione diretta) ATPADP + P + ENERGIA La reazione più comune è quella contraria ENERGIA + P + ADP ATP. Quindi il gradiente protonico è necessario per la produzione di ATP. L’ATP sintasi è formato da due unità 1. F0, attraversa la membrana e funge da canale per H+ (grazie a gradiente protonico). 2. F1, sporge nella matrice, è composta da 6 spicchi che ruotano attorno a un polipeptide (asse centrale) chiamato asse gamma. Quando gli ioni si spostano l’energia cinetica lo fa muovere. Viene poi trasferita energia ad altre subunità per la sintesi di proteine. Il movimento rotatorio di F0 viene passato all’asse gamma e poi a F1. I 6 spicchi costituiscono 3 siti catalitici, dove avviene la catalisi rotazionale. La rotazione infatti porta al cambiamento di forma dei siti che assumono tre conformazioni:  Il sito lega ATP e P (-ADPADP +P)  Il sito sintetizza quindi ATP (-ATP)  Il sito rilascia ATP (-vuoto) Bilancio Energetico Per ogni NADH vengono sintetizzate 2,5 ATP, e per ogni FADH2 1,5 ATP. 2NADH5ATP glicolisi 2NAD5ATP sintesi Acetil-CoA 6NADH15ATP Ciclo di krebs 2FAD3ATP ciclo di Krebs 2 ATP ciclo Krebs 2 ATP glicolisi  Guadagno energetico di 32 molecole di ATP. Negli eucarioti viene usata ATP per introdurre NAD nella membrana, quindi il ricavo è di circa 30 ATP. Gluconeogenesi Se la quantità di glucosio assunta con l’alimentazione non è sufficiente per il fabbisogno energetico dell’organismo (es: cervello, 120g di glucosio) avviene la gluconeogenesi, ovvero la sintesi di glucosio a partire da elementi non saccaridici, ovvero piruvato, lattato, glicerolo e amminoacidi (degradazione amminoacidica). La gluconeogenesi avviene quindi in condizioni di digiuno o sforzo fisico intenso e prolungato. Mantiene stabili i livelli di glicemia. Avviene nel citoplasma delle cellule del fegato o in minor parte nella corteccia surrenale. La glicolisi e la gluconeogenesi non sono identiche e percorribili in senso opposto: 7 reazioni della gluconeogenesi sono reazioni della glicolisi che avvengono in direzione opposta; tre reazioni della glicolisi però non sono reversibili, e quindi non utilizzabili nella gluconeogenesi. Richiedono quindi un diverso gruppo di enzimi. 3 deviazioni della glicolisi nella gluconeogenesi: Prima reazione: glucosio 6-fosfato + H2Oglucosio + P, enzima glucosio-6-fosfatasi (solo nel fegato e corteccia surrenale). Terza reazione: fruttosio 1,6-bifosfatofruttosio 6-fosfato + P, reazione di idrolisi, enzima fruttosio 1,6- bifosfatasi. Decima reazione: produzione piruvato, enzima piruvato carbossilasi, PEP carbossichinasi. È formata da due tappe: 1. Carbossilazione piruvatoossalacetato. Enzima piruvato carbossilasi. Necessita energia, ATP  ADP + P 2. Processo decarbossilazione e fosforilazionefosfoenolpiruvato. Enzima fosfoenolpiruvato carbossichinasi. P arriva da guarosintrifosfato (GTP). La glicolisi e la gluconeogenesi necessitano di una regolazione coordinata. Quando il flusso del glucosio procede nella glicolisi, quello del piruvato rallenta e viceversa, per evitare dispendio di ATP e calore. Nella cellula quando una via è attiva l’altra è inattiva. In entrambe le vie l’azione degli enzimi è regolata sia allostericamente che con modificazioni ormoni- dipendenti. Biosintesi del glucosio: 2 piruvato + 2NADH + 4ATP + 2GTP + 6H2O + 2H+  glucosio + 2NAD+ +4ADP + 2GTP + 6Pi La gluconeogenesi necessita 4ATP e 2GTP per ogni molecola di glucosio, quindi è energeticamente dispendiosa. Glicogeno: polimero, carboidrato, funzione di riserva. Il suo eccesso viene convertito in polisaccaridi. (monosaccaride=glucosio, polisaccaride=glicogeno). È presente nel fegato come riserva per tutti i tessuti, e nei muscoli scheletrici per energia immediata. Ha una struttura ramificata, ovvero i residui del glucosio sono uniti grazie a legami  1,4 glicosidici, mentre le catene principali sono legate da legami  1,6 glicosidici. Il metabolismo del glicogeno può avvenire secondo due vie metaboliche: 1. la ricostruzione del glucosio a partire dalla demolizione del glicogeno, quindi per via catabolica, 2. attraverso la biosintesi del glucosio attraverso la glicogenosintesi, quindi per via anabolica. Glicogenolisi -> Degradazione metabolica del glicogeno in glucosio Nel primo caso avviene la glicogenolisi, ovvero si ottiene glucosio a partire dal glicogeno. Fase 1: Per prima cosa viene rotto il legame  1,4 glicosidico tra i residui dell’estremità non riducente della catena. L’enzima che catalizza la reazione è il glicogeno fosforilasi. Viene liberato glucosio 1- fosfato. È un processo che avviene in maniera sequenziale, cioè non si ferma fino a quando non si raggiungono 4 unità a partire da una ramificazione. Fase 2: L’enzima deramificante svolge una duplice funzione: - trasferisce il blocco di 3 residui di glucosio all’estremità non riducente di una catena vicina - elimina il residuo di glucosio legato alla catena principale. Rompe il legame  1,6 glicosidico, quindi viene rilasciata una molecola di glucosio libero. La catena è quindi diventata lineare, perdendo la ramificazione. Fase 3: il glucosio 1,6-fosfato grazie all’enzima fosfomutasi diventa glucosio 6-fosfato, così da poter entrare nella glicolisi. VIA DEL PENTOSO FOSFATO La via del pentoso fosfato è una via metabolica alternativa alla glicolisi. Il glucosio 6-fosfato prodotto in seguito alla prima reazione di glicolisi viene utilizzato per produrre molecole essenziali come ribosio (zucchero pentoso) e molecole di NADPH e H+; il glucosio viene ossidato. Viene prodotta NADHP, un agente riducente usato nelle reazioni anaboliche. Rispetto al NAD+ presenta un P. Dona elettroni, in particolare per sintesi che avvengono ad esempio nel fegato, nel tessuto adiposo, nelle ghiandole mammarie. Il ribosio 5-fosfato è un precursore per la sintesi di nucleotidi e acidi nucleici. Viene usato dalle cellule ad alta proliferietà (ad esempio del midollo osseo) per sintetizzare RNA, DNA e ATP. La via del pentoso fosfato avviene nel citoplasma e permette di indirizzar i pentosi verso la glicolisi o la gliconeogenesi. Si sviluppa in due fasi: Fase ossidativa: -Ossidazione: Il glucosio 6-fosfato viene ossidato a 6-fosfoglucono. L’enzima che catalizza la reazione è il glucosio 6-fosfato deidrogenasi, enzima principale della via e attivato allostericamente da NADP+. Viene prodotta NADPH. -Idrolisi di 6-fosfoglucono a 6-fosfogluconato. Enzima catalizzatore lattasi. -Decarbossilazione ossidativa. Il 6-fosfogluconato diventa ribulosio 5-fosfato. Liberazione CO2 e NADPH. L’enzima è il 6-fosfogliconato deidrogenasi. Perdita di un gruppo carbossilico. -Isomerizzazione ribulosio 5-fosfato a ribosio 5-fosfato. Vengono prodotti il coenzima NADPH e il ribosio, utilizzati nella sintesi di RNA, DNA, ATP e processi di biosintesi riduttiva. Fase non ossidativa: -Rimaneggiamento molecolare del ribosio 5-fosfato. -Il glucosio 6-fosfato è in comune anche con la glicolisi e con la via del pentoso fosfato. Il suo ingresso in una o l’altra via metabolica dipende dalle esigenze energetiche della cellula e dalle concentrazioni di NADP+ o NADH. Viene regolata principalmente dall’enzima chiave 6-fostato deidrogenasi che viene attivato allostericamente da NADP+ e attiva la via. Se nella cellula si stanno verificando biosintesi riduttive avviene il consumo di NADPH. Di conseguenza NAD+ aumenta e si lega all’enzima, dando inizio alla via del pentoso fosfato. Viceversa, se il NAD+ diminuisce la via rallenta e il glucosio 6-fosfato viene usato per la glicolisi. Il glicogeno si forma attraverso la glicogenosintesi, ovvero la conversione del glucosio a glicogeno. Avviene principalmente nel fegato e nei muscoli. Il glucosio può legarsi alla catena del glicogeno se legato ad un nucleotide. Si deve infatti formare l’uridina difosfoglucosio (UDPG), composta da un nucleotide legato allo zucchero esoso. Molte polimerizzazioni necessitano di questa condizione. L’unione tra un nucleotide e lo zucchero attiva l’atomo di carbonio a cui è legato. GLICOGENOSINTESI