Metabolismo cellulare, Dispense di Chimica

Scarica Metabolismo cellulare e più Dispense in PDF di Chimica solo su Docsity! Il Metabelisme Cellulare 18 Marzo 2021 » Attraverso l’alimentazione siamo in grado di introdurre nel nostro corpo sostanze come grassi, vitamine o sali minerali che costituiscono il nostro fabbisogno alimentare e che vengono assorbite a livello cellulare dal nostro organismo per liberare energia. » L'energia che noi ricaviamo dal nostro fabbisogno alimentare è sotto forma di ATP (= adenosin trifosfato ) ° 9% f 0>P_0—P_0—!—0 sb Definizione i di » L’insieme delle reazioni chimiche che, in modo coordinato ed integrato, degradano e sintetizzano le biomolecole cellulari è detto metabolismo - dal greco petaBoAr= trasformazione —> Tutto questo serve a liberare energia. Funzioni principali - Ricavare energia attraverso la degradazione dei nutrienti. - Convertire i nutrienti in molecole utili per la cellula. — Sintetizzare macromolecole e polimeri a partire dai precursori (= molecole più semplici ). Classificazione » Il metabolismo è costituito da due fasi distinte ma interconnesse tra loro: - Catabolismo - dal greco kataBdMw che significa “demolire”. > Rappresenta il metabolismo degradativo, comprende reazioni per lo più esoergoniche, quindi libera energia. = Anabolismo - dal greco avafBoAri che significa “salita”. > Rappresenta il metabolismo sintetico, comprende reazioni per lo più endoergoniche, quindi assorbe energia. Le vie metaboliche » Le reazioni chimiche del metabolismo sono organizzate in vie metaboliche. Definizione Una via metabolica corrisponde ad un insieme di reazioni, ciascuna catalizzata da un enzima specifico, in cui il prodotto della prima reazione diventa reagente della seconda, il prodotto della seconda diventa reagente della terza, quello della terza diventa reagente della quarta, e così fino al prodotto finale. | prodotti intermedi delle reazioni che impongono la via metabolica prendono il nome di “intermedi metabolici”. Esempio: Nella Glicolìsi (= che è una via metabolica ) si parte dal glucosio e si arriva al piruvato, e quindi al prodotto finale, attraverso 10 reazioni. - Ognuna di queste reazioni avrà un suo enzima di riferimento, un reagente, ed un prodotto che diventerà reagente della reazione successiva. - | prodotti che si formano man mano che la reazione procede, e che vengono utilizzati nei vari passaggi si chiamano intermedi metabolici. Classificazione » Le vie metaboliche possono essere : - Lineari - Divergenti - Convergenti - Cicliche » A seconda che appartengano a catabolismo, metabolismo terminale o anabolismo, le vie metaboliche sono strutturate in modo diverso: © Le vie cataboliche sono convergenti: > Si parte da biomolecole degradabili (che possono essere carboidrati, lipidi o proteine) e si arriva ad un numero limitato di prodotti detti cataboliti. > Nella maggior parte delle cellule le vie cataboliche portano alla formazione di un unico, piccolo, catabolita: l’aceti/-CoA = acetil-CoenzimaA * Le vie del metabolismo terminale sono cicliche: > Ad esempio il Ciclo di Krebs: questo è alimentato proprio dall’Acetil-CoA (prodotto dalla via catabolica) e dall’ossalacetato. Alla fine delle reazioni che lo compongono permette di ottenere nuovamente l’ossalacetato e contemporaneamente libera CO2. Le vie anaboliche sono divergenti: > Si parte dall’acetil-CoA e si arriva a tutta una serie di sostanze diverse come acidi grassi, basi azotate, amminoacidi... L'ATP » Tutte le reazioni che compongono il metabolismo cellulare portano ad un prodotto fondamentale: l’ATP. »L’ATP (= adenosin trifosfato) è la principale fonte energetica delle cellule. -> è una molecola, più precisamente un acido, ad alto contenuto energetico che ha il compito di fornire alla cellula l'energia necessaria per svolgere qualsiasi tipo di lavoro. L’ATP è costituito da: - Un nucleoside: L'adenosina, che, a sua volta, è composta da > Adenina (= una base azotata ) > Ribosio (= zucchero pentoso, ovvero con 5 atomi di C ) - E da 3 gruppi fosfato. - Fotoeterotrofi = pur utilizzando la luce solare come fonte di energia, assorbono sostanze organiche. > tra questi troviamo alcuni rari batteri. - Chemioeterotrofi = ossidano sostanze organiche per produrre energia. > tra questi troviamo gli animali, la maggior parte dei funghi, i protisti ed alcuni batteri. —> L'uomo ovviamente rientra tra i chemioeterotrofi. Glucosio: fonte di energia Glucosio: C6H1206 » Il glucosio fa parte dei carboidrati, è un aldoso (= presenta infatti il gruppo aldeidico CHO terminale), ed è precisamente, il monosaccaride più diffuso negli organismi viventi » Il metabolismo del glucosio fornisce la maggior parte dell'apporto energetico necessitato dalle cellule, che siano batteri, organismi unicellulari e anche per piante ed animali, e quindi per l’uomo. —> Il glucosio è il “combustibile universale” da cui gli organismi possono trarre energia. La Glicolisi » La glicolisi è la principale via catabolica del glucosio. » È quella via metabolica lineare attraverso cui il glucosio viene degradato per produrre energia. » La glicolisi avviene nel citoplasma di tutte le cellule, procariotiche ed eucariotiche. » Quando in condizioni: - anaerobiche: (= in assenza di ossigeno), corrisponde alla prima parte della respirazione cellulare - aerobiche: (= in presenza di ossigeno),dando origine alle fermentazioni. In sintesi Nella Glicolisi si parte dal Glucosio che ha 6 atomi di carbonio e attraverso 10 reazioni che vanno a demolirlo, si arriva al prodotto finale: il piruvato. —> Si producono esattamente 2 molecole di piruvato, ciascuna delle quali possiede 3 atomi di carbonio. » Considerando che il glucosio a 6 atomi di Carbonio, viene poi convertito in piruvato a 3 atomi di C, capiamo bene che non ci troviamo davanti ad un’ossidazione completa del glucosio ( che si avrebbe qualora il prodotto finale risultasse avere un solo atomo di Carbonio ), ma è un’ossidazione parziale : si parte dai 6 atomi di Carbonio del glucosio e si arriva ai 3 atomi di Carbonio del piruvato. Le fasi della glicolisi » La glicolisi prevede complessivamente 10 reazioni reazioni che si organizzano in due fasi principali: 1. Fase di preparazione ( o fase preparatoria ): costituita da 5 reazioni. 2. Fase di recupero energetico ( o di produzione dell’energia ): costituita da 5 reazioni. Fase preparatoria (12) »Le reazioni della prima fase, sono endoergoniche = e cioè prevedono il consumo di ATP per ricavare energia. —> In particolare si consumano 2 molecole di ATP. » Questa prima fase prevede reazioni di: - Fosforilazione - lsomerizzazione — + una di scissione » Gli enzimi che intervengono appartengono alle classi enzimatiche delle - transferàsi - isomeràsi - liàsi Prima reazione = è una reazione di foforilazione 1) Si parte da una molecola di glucosio, più precisamente a-D-Glucosio. 2) Grazie ad un enzima, che può essere - o la esochinàsi (= che si trova nel fegato) - o la glucochinàsi (= che si trova in tutte le altre cellule) —> viene consumata una molecola di ADP e si forma la molecola di Glucosio 6-fosfato. Seconda reazione = è una reazione di isomerizzazione 1) Si parte dal Glucosio 6-fosfato 2) Con l’azione dell'enzima fosfoesoso isomeràsi, il Glucosio 6-fosfato viene convertito in Fruttosio-6-fosfato: il suo isomero. Terza reazione = è una reazione di fosforilazione 1) Viene consumata una molecola di ATP per dare ADP (= adenosindifosfato: deriva dalla perdita di un gruppo fosfato dalla molecola di ATP). 2) E, a partire dal Fruttosio 6-fosfato, con l’azione dell'enzima fosfofruttochinasi, si forma il Fruttosio 1,6-Bisfosfato , che quindi presenta 2 gruppi fosfato. Importanza dell’enzima fosfofruttochinasi. —> L'enzima fosfofruttochinasi è l’enzima chiave della vita. Partendo dal presupposto che le vie metaboliche sono finemente regolare, possiamo evidenziare come in ogni via metabolica ci sia un’enzima “chiave”, ovvero un enzima che siccome agisce più lentamente rispetto agli altri rappresenta la maniera più efficace per la regolazione di tutta la via metabolica; in questo caso si tratta proprio dell'enzima fosfofruttochinasi. Quarta reazione = è una reazione di scissione > Il Fruttosio 1,6-bisfosfato è un composto instabile, per cui: 1) Interviene l'enzima aldolàsi, appartenente della classe delle liàsi, che scinde il Fruttosio 1,6-bisfosfato in due prodotti finali: - una molecola di Diidrossiacetonefosfato. - una molecola di Gliceraldeide 3-fosfato. > La Gliceraldeide è un aldoso, che presenta il gruppo aldeidico CHO terminale. > Il Diidrossiacetone è un chetoso, che presenta il gruppo carbonile CO in posizione intermedia. Quinta reazione = è una reazione di isomerizzazione 1) Si parte dal Diidrossiacetonefosfato. 2) Con l’azione dell’enzima fosfotrioso isomerasi, il diidrossiacetone viene convertito in Gliceraldeide 3-fosfato Complessivamente avremo: - Reagente iniziale: a-D-Glucosio - Prodotti finali: 2 molecole di Gliceraldeide 3-fosfato - Molecole di ATP consumate: 2 - Reazioni di fosforilazione: 2 (prima e terza) - Reazioni di isomerizzazione: 2 (seconda e quinta - Reazioni di scissione: 1 (quarta) - Famiglie degli enzimi che partecipano: transferasi - isomerasi - liasi 22 Aprile 2021 Glicolisi in condizioni anaerobiche: le fermentazioni » Abbiamo visto che la glicolisi costituisce la prima parte della respirazione cellulare, processo che avviene solo nelle cellule eucariote (= quindi riguarda organismi superiori che hanno bisogno di tantissime molecole di ATP per svolgere le loro attività). » Con alcune varianti è effettuata anche dalle piante, oltre alla fotosintesi clorofilliana (= che avviene solo nelle piante) » In natura però la glicolisi può riguardare anche gli organismi anaerobi, e quindi può avvenire in condizioni anaerobiche, ed in questo caso non si procede con la respirazione cellulare, ma dopo la glicolisi avviene la fermentazione. » La fermentazione può essere di due tipi: - Fermentazione alcolica - Fermentazione lattica |- Fermentazione alcolica » La fermentazione alcolica è una via metabolica che avviene nei microrganismi anaerobi, in particolare nei lieviti, ad esempio nei saccaromiceti (= saccharomyces cerevisiae ) che sono lieviti capaci di fermentare vino e birra. Procedimento: 1) Il Glucosio, attraverso la glicolisi (che è una via metabolica) viene trasformato in due molecole di Piruvato ( o acido piruvico) e in questa serie di reazioni\tappe vengono prodotte anche 2 molecole di ATP e due molecole di NADH (che è trasportatore di elettroni). 2) Attraverso una reazione di decarbossilazione, che prevede liberazione di anidride carbonica, il piruvato viene convertito in due molecole di acetaldeide. 2) Poi, con l’azione dell’enzima alcol deidrogenasi, si formano due molecole alcol etilico. —> Quindi dal glucosio si ottiene etanolo, e in queste reazioni viene liberata anche anidride carbonica. » La fermentazione alcolica avviene naturalmente, e l’uomo, avendola ormai scoperta, è capace di sfruttarla nei processi industriali: > Ad esempio per i processi di panificazione: - | saccaromiceti utilizzano lo zucchero per ricavare energia e liberano anidride carbonica, proprio l'anidride carbonica, in quanto gas, farà lievitare la massa aumentandone il volume. »A differenza di quanto avviene nelle cellule, notiamo che per gli organismi anaerobi sono sufficienti 2 molecole di ATP rispetto alle 32 delle cellule eucariotiche. 10 2- Fermentazione lattica » La fermentazione lattica è una via metabolica che avviene nei microrganismi anaerobi, in particolare nei batteri (= ad esempio il lactobacillus casei capace di fermentare yogurt ),ma avviene anche nelle fibre muscolari dell’uomo: quando si fanno attività fisiche in cui l'organismo ha bisogno di molto ossigeno\energia, per colmare il debito di ossigeno, si aiuta con la fermentazione lattica che produce acido lattico (a noi fa venire il dolore ai muscoli), poi pian piano è metabolizzato e il dolore passa naturalmente. Procedimento: 1) Il Glucosio, attraverso la glicolisi (che è una via metabolica) viene trasformato in due molecole di Piruvato ( o acido piruvico) e in questa serie di reazioni\tappe vengono prodotte anche 2 molecole di ATP e due molecole di NADH (che è trasportatore di elettroni). 2) Con l’azione dell'enzima lattato deidrogenasi, il piruvato viene trasformato in due molecole di acido lattico (lattato). » Questi batteri, come anche quelli in cui avviene la fermentazione alcolica, sopravvivono con sole due molecole di ATP per ogni reazione fermentativa svolta (perché sono organismi unicellulari, non hanno bisogno di tanta energia come gli eucarioti). 31 Marzo 2021 | metabolismo terminale » La respirazione cellulare si articola in tre momenti fondamentali: - Glicolisi 7 Ciclo dell acido citrico e Che costituiscono il metabolismo terminale. - Fosforilazione ossidativa » Dopo la glicolisi, infatti, il piruvato viene ossidato completamente a livello dei mitocondri, per produrre energia, fino ad ottenere CO». »L’insieme delle reazioni ossidative che hanno luogo nei mitocondri e che garantiscono gran parte della produzione di energia cellulare è detto Metabolismo Terminale che comprende il ciclo dell’acido citrico e la fosforilazione ossidativa. | mitocondri | mitocondri sono organelli cellulari di forma variabile che appaiono rotondeggianti, allungati o filamentosi, e sono gli unici organelli eucariotici a possedere un proprio DNA. Sono costituiti da: - una membrana esterna povera di proteine di membrana che circonda - una membrana interna, molto più ricca di proteine, che si sviluppa in una serie di pieghe dirette in senso trasversale (creste). - Lo spazio compreso tra le due membrane è detto spazio intermembrana e 11 - quello all’interno della membrana interna che circonda le creste viene detto matrice mitocondriale. Le due membrane mitocondriali contengono proteine ed enzimi differenti. = In particolare, la membrana interna contiene gran parte dei componenti della catena respiratoria e del ciclo degli acidi tricarbossilici, ed il complesso dell’ATP sintasi (responsabile della fosforilazione ossidativa). - La matrice mitocondriale contiene il complesso enzimatico della piruvato decarbossilasi, nonché gli enzimi responsabili della degradazione ossidativa degli acidi grassi. - La membrana mitocondriale esterna è relativamente permeabile mentre quella interna contiene numerosi sistemi di trasporto tra cui quelli responsabili dello scambio ADP/ATR, piruvato/ossalacetato. Il ciclo dell'acido citrico » Il ciclo dell'acido citrico costituisce la prima tappa del metabolismo terminale, » Edè anche detto: - Giclo di Krebs = dal nome dello scienziato che lo scoprì, e che nel 1953 ricevette il Nobel - Ciclo degli acidi tricarbossilici = proprio perché in questa via metabolica ci sono degli acidi carbossilici che presentano 3 gruppi carbossilici, ovvero 3 gruppi funzionali COOH. Pre-ciclo di Krebs : il metabolismo intermedio » Prima del ciclo di Krebs sono necessari due fasi importanti che rientrano nel cosiddetto metabolismo intermedio: 1) La prima fase riguarda l’ingresso del piruvato (prodotto dalla glicolisi) all’interno del mitocondrio, che avviene attraverso un trasportatore di membrana. » Nella membrana plasmatica infatti, oltre a molecole molto piccole che possono entrare e uscire facilmente dalla membrana, ci sono altre molecole, come ad esempio gli ioni, hanno bisogno di trasportatori di membrana, e uno di questi trasportatori è quello che permette l'ingresso del piruvato all’interno del mitocondrio. 2) Dopodiché all’interno del mitocondrio avviene una reazione di decarbossilazione: —> Con l’azione dell'enzima piruvatodeidrogenasi, il piruvato si combina con il coenzimaA e si formano: - Un complesso che prende il nome di Acetil-CoA (= acetilcoenzimaA) - In quanto reazione di decarbossilazione, si libera CO», - Si produce anche NADH + H* dalla riduzione del NAD* coinvolto nella reazione. 12 » Tra le reazioni anaplerotiche troviamo ad esempio - La reazione che, con l’azione dell'enzima piruvato carbossilasi produce Ossalacetato, ADP e fosfato inorganico ( a partire dal piruvato che reagisce con lo ione idrogenocarbonato HCOse l’ATP ) Equazione netta del ciclo di rebs Acetil-CoA + 3 NAD* + FAD + GDP + Pi + 2 H°0 —> 2 CO? + 3 NADH + 3 H* + FADH2 + GTP + CoA “L’ Acetil-coenzimaA si combina con tre molecole di NAD+, una molecola di FAD, una molecola di GDR un atomo dii fosfato in organico e due molecole d’acqua, e produce due molecole di anidride carbonica, tre di NADH + H* , una di FADH:, una di GTP e una di CoenzimaA” Catena di trasporto degli elettroni (catena respiratoria) » La terza e ultima tappa della respirazione cellulare è la fosforilazione ossidativa, a cui si arriva attraverso alcuni processi: in primis la Catena respiratoria. » Abbiamo visto che dal ciclo di Krebs vengono liberate molecole ricche di energia, come il NADH o il FADH2, proprio da questi composti si liberano anche ioni H+, e contemporaneamente si verifica un movimento di elettroni. » E questi elettroni prodotti a livello della matrice mitocondriale subiscono una serie di reazioni attraverso alcuni complessi proteici che fanno parte della membrana plasmatica dei mitocondri. »Ciò significa che la fosforilazione ossidativa avviene a livello della: —> membrana mitocondriale interna: Questa membrana comprende 4 complessi indicati con i numeri romani: -— COMPLESSO | COMPLESSO Il COMPLESSO III COMPLESSO IV A questi si aggiungono — Ubichinone | che non fanno parte della — Citocromo membrana mitocondriale interna » Gli elettroni vengono accolti da questi complessi, uno dopo l’altro, dando origine a delle reazioni di ossido riduzione (= reazioni redox ) : —> Un complesso accetta elettroni (= si riduce ) e subito dopo li cede (= si ossida). 15 » Si hanno, quindi, una serie di reazioni a cascata in cui gli elettroni provenienti dal NADH passano attraverso questi complessi e alla fine arrivano all’ossigeno, che rappresenta l’accettore finale degli elettroni, e che li lega ai protoni e si trasforma in H20 . 21 Aprile 2021 Il gradiente protonico » Contemporaneamente a questo movimento di elettroni che attraversano i complessi fino ad arrivare all’ossigeno, c'è anche un movimento di atomi di idrogeno, o meglio, di protoni. 1) Nei mitocondri, i protoni vengono pompati nello spazio intermembrana. —> e questo evento è alla base della teoria chemiosmotica di Mitchell, un ricercatore inglese che, alla luce di ciò che aveva scoperto (quindi questo movimento di protoni) capì in che modo fosse sintetizzato l’ATP. 2) | protoni hanno carica positiva, e se questi vengono pompati nello spazio intermembrana, inevitabilmente la concentrazione subirà delle variazioni, per cui si vengono a creare due situazioni: - Un gradiente chimico dovuto al fatto che gli H* aumentano - Un gradiente elettrico dovuto al fatto che ci sono più cariche positive rispetto all’altra parte. —> In sintesi: c'è un gradiente elettrochimico. » Questo gradiente elettrochimico rappresenta una forza: la forza proton-motrice che è alla base del processo di sintesi dell’ATP. 2) | protoni, però non rimangono nello spazio intermembrana, ma grazie alla forza proton-motrice si viene a creare un movimento tale per cui riescono a sfruttare il canale del complesso enzimatico dell’ATP sintasi, rientrando nella matrice mitocondriale. Fosforilazione ossidativa e teoria chemiosmotica » Ecco che si arriva alla fosforilazione ossidativa, che è il processo attraverso cui l’energia del catabolismo ossidativo viene propriamente impiegata per la produzione di ATP. » Partendo dal movimento di elettroni e protoni, con l'aggiunta di ADP e Pi (fosfato inorganico) si arriva alla formazione di ATP. » Per spiegare questo meccanismo alla base della sintesi dell'ATP, nel 1978, il biochimico britannico Peter Mitchell formulò la teoria chemiosmotica che gli valse il premio Nobel per la chimica nello stesso anno. 16 » Secondo questa teoria: la biosintesi dell’ATP dipende dalla formazione del gradiente elettrochimico che si ritrova ai due lati della membrana mitocondriale interna, e la formazione di questo gradiente deriva dal trasferimento degli elettroni nella catena respiratoria. L'ATP sintasi » Il complesso proteico che concretamente si occupa della sintesi dell'ATP a partire da ADP e Pi sfruttando il gradiente protonico ai due lati della membrana mitocondriale interna è lATP sintasi. » Tutto L’ATP sintasi è formata da due subunità indicate con: Fo(F con zero ) * F1(F con uno) - in Fo è compreso il “rotore”: è di fatto una testa rotondeggiante composta da varie subunità che sporge verso la matrice mitocondriale, e contiene il sito catalitico di sintesi dell’ATP - in F1 c’è la parte finale dove avviene la produzione dell’ATP: è un corpo allungato immerso nella membrana mitocondriale, anche questo costituito da varie subunità, ed in contatto con Fo »Per far avvenire la reazione in F1 è necessaria energia, che proviene proprio dalla forza proton- motrice. 22 Aprile 2021 Sintesi dell'ATP » Sappiamo che l’ATP rappresenta la “moneta energetica” della cellula, e la sua produzione procede attraverso complesse sequenze di reazioni tutte interconnesse: a partire dalla glicolisi, poi il ciclo di Krebs, poi la catena respiratoria e quindi la fosforilazione ossidativa con la sintesi vera e propria dell’ATP. —> è una molecola, più precisamente un acido, ad alto contenuto energetico che ha il compito di fornire alla cellula l'energia necessaria per svolgere qualsiasi tipo di lavoro. > L’ATP è costituito da: - Un nucleoside: L'adenosina, che, a sua volta, è composta da > Adenina (= una base azotata ) > Ribosio (= zucchero pentoso, ovvero con 5 atomi di C ) - E da 3 gruppi fosfato collegati in serie con il ribosio. 17