Metabolismo cellulare e produzione di energia, Appunti di Biologia

Scarica Metabolismo cellulare e produzione di energia e più Appunti in PDF di Biologia solo su Docsity! Pagina 54 METABOLISMO CELLULARE: Il metabolismo è l’insieme dei processi chimici che avvengono in un organismo vivente (reazioni chimiche nelle cellule). I processi sono distinti in anabolici e catabolici. L’anabolismo comprende l’insieme di reazioni che portano alla sintesi delle biomolecole complesse (da semplici (monosaccaridi, glicerolo, acidi grassi, aa) a complesse (polisaccaridi, proteine …); al contrario del catabolismo, qui devo fornire energia. Il catabolismo è il processo inverso, comprende l’insieme di reazioni che frammentano le molecole complesse dalle quali si ottengono energia e altre molecole più semplici (glucosio+ossigeno=ATP). Dunque, anabolismo e catabolismo lavorano in forma sinergica, con un flusso di energia e sostanze dall’uno all’altro. ENERGIA PER LE REAZIONI METABOLICHE: Tutte le reazioni chimiche, comprese quelle che avvengono nelle cellule, possono verificarsi in modo spontaneo o meno. Per essere spontaneo un processo deve rilasciare energia e questo tipo di reazioni sono dette reazioni esoergoniche e i prodotti contengono meno energia dei reagenti (esempio: glicolisi, respirazione cellulare). Le reazioni chimiche che non avvengono spontaneamente e necessitano di un apporto di energia sono dette reazioni endoergoniche e i prodotti contengono più energia dei reagenti (Esempio: fotosintesi clorofilliana→ le piante hanno bisogno di C2, acqua, Sali minerali ed energia). Le reazioni termodinamicamente sfavorevoli (endoergoniche) vengono accoppiate alle reazioni termodinamicamente favorevoli (reazioni esoergoniche), così lavorano di simmetricamente e insieme (l’energia che serve a uno la prende dall’altro). RICORDA: affinché avvenga una reazione, c'è bisogno del raggiungimento minimo dell'energia di attivazione: maggiori sono la temperatura e la concentrazione di reagenti, maggiore è la quantità di reagenti che raggiunge il valore dell'energia di attivazione. Però fornire troppo calore influenzerebbe tutte le reazioni e porterebbe alla denaturazione di molte molecole della cellula. I catalizzatori sono sostanze che abbassano il livello di energia di attivazione accelerando la velocità di reazione senza modificare la natura di reagenti e prodotti. Gli enzimi sono catalizzatori due proteine globulari che svolgono il ruolo di catalizzatori. Grazie agli enzimi le cellule se valgono le reazioni biochimiche a temperature e velocità compatibili con la vita. Sono aiutati da ulteriori sostanze chiamati cofattori e coenzimi. Direttamente dalla cellula ma produce ATP L’ATP: L’energia prodotta dalla demolizione di zuccheri, grassi e proteine non è sfruttata direttamente dalla cellula, ma serve per sintetizzare l’ATP (adenosina trifosfato). L’ATP è una molecola organica costituita da: una base azotata (l’adenina); uno zucchero (il ribosio→ ossigeno nel secondo carbonio); (adenina + ribosio formano il nucleotide adenosina); tre gruppi fosfato, legati tra loro da legami covalenti. I gruppi fosfato possono essere rimossi per idrolisi liberando energia utilizzabile dalla cellula. L’ATP si può frammentare in ADP+P+E (adenosinmonofosfato→ idrolisi, tolgo un gruppo fosfato). (reazione esoergonica: ATP + H2O ⟶ ADP + Pi + energia). L’ATP può svolgere due importanti funzioni nelle cellule: 1) agire da agente accoppiante tra le reazioni endoergoniche e quelle esoergoniche: l’energia liberata durante le reazioni esoergoniche viene utilizzata per caricare le molecole di ADP in ATP, che a loro volta saranno impiegate nelle reazioni endoergoniche di biosintesi; 2) essere usato per la fosforilazione dei composti: quando l’ATP è idrolizzato in ADP, il gruppo fosfato terminale viene trasferito a un’altra molecola. La molecola diventa fosforilata, caricandosi così di energia; molti enzimi sono attivati e disattivati grazie alla fosforilazione. La sintesi e la demolizione delle biomolecole costituisce il metabolismo. Noi abbiamo due tipi di cellule: autotrofe ed eterotrofe. Le cellule autotrofe sintetizzano le biomolecole a partire da molecole inorganiche utilizzando fonti esterne di energia. Le cellule chemiosintetiche utilizzano l’energia proveniente da reazioni chimiche inorganiche: poiché si tratta di reazioni a basso rendimento, le cellule chemiosintetiche sono inorganiche, piccole e semplici come i procarioti. Le cellule fotosintetiche utilizzano l’energia solare; poiché si tratta di reazioni più efficienti, le cellule fotosintetiche sono più grandi e più complesse come quelle delle piante, e sono a nucleo chiuso. ? Le cellule eterotrofe ottengono le biomolecole con l’alimentazione (ad esempio gli animali). Sia le cellule autotrofe che eterotrofe demoliscono le biomolecole per ottenere energia per le attività cellulari. La biomolecola principalmente utilizzata è il glucosio → Il glucosio è la principale fonte di energia per tutti gli organismi. IL METABOLISMO DEL GLUCOSIO: è l’insieme dei processi mediante i quali il glucosio si frammenta e si ossida, producendo molecole come: diossido di carbonio con ossigeno (respirazione cellulare); acido lattico ed etanolo in assenza di ossigeno (fermentazione). Quando una sostanza cede uno o più elettroni, subisce un’ossidazione. Viceversa, la sostanza che acquista gli elettroni subisce una riduzione. L’ossidazione non coinvolge necessariamente l’ossigeno. Qualsiasi composto ceda elettroni viene definito agente riducente e qualsiasi composto sottragga elettroni è definito agente ossidante. Nelle cellule, l’ossidazione e la riduzione non sono mai indipendenti: se una sostanza si ossida, un’altra deve ridursi. Il passaggio di elettroni da una molecola a un’altra è definito reazione di ossidoriduzione (o reazione redox). Dal punto di vista energetico si libera energia che viene utilizzata per produrre ATP. nelle cellule, molti elettroni da trasportare sono confinati dentro atomi di idrogeno composti da un protone e da un elettrone. Quindi nelle reazioni biochimiche: l’ossidazione consiste nella rimozione di atomi di H; la riduzione consiste nell’accettazione di atomi di H (H→ un protone ed un elettrone). Le molecole che nel processo di formazione dell’ATP spostano gli elettroni da una molecola all’altra sono chiamate trasportatori di elettroni. Si tratta di coenzimi costituiti da due nucleotidi associati a molecole che possono variare il loro stato di ossidazione e sono 3: Nicotinammide adenina dinucleotide (NAD+); Flavina adenina dinucleotide (FAD); Nicotinammide adenina dinucleotide fosfato (NADP+). (Pag.58). Queste molecole possono viaggiare con o senza elettroni. Ad esempio, quando l’NAD non ha elettroni, si trova nella forma ionica positiva NAD+. Quando partecipa a una reazione redox, il NAD+ raccoglie: un atomo di idrogeno (un elettrone e un protone) e un elettrone solitario (prelevato da un secondo atomo di idrogeno). Quest’ultimo neutralizza la carica positiva del trasportatore, trasformando il NAD+ in NAD, mentre l’atomo di idrogeno lo converte a sua volta in NADH. L’NADH può cedere il suo carico ad altre molecole che abbiano una maggiore forza di attrazione verso gli elettroni. Dopo aver ceduto gli elettroni, il trasportatore “scarico” si trova nuovamente nella forma NAD+ ed è pronto a caricarsi di altri elettroni. Nel caso del FAD, quando acquisisce due atomi di idrogeno, diventa FADH2 (stesso processo). LA GLICOLÌSI: significa “scissione dello zucchero”. La glicolisi avviene nel citosol di ogni cellula (nel citoplasma) ed è il primo passaggio dell’ossidazione del glucosio (C6H12O6) (→dare elettroni e ottenere energia). La glicolisi è una via metabolica formata da 10 reazioni, ciascuna catalizzata da uno specifico enzima. 1. avviene la fosforilazione: Il glucosio entra nella cellula e si lega un gruppo fosfato ceduto dall’ATP. Il gruppo fosfato si lega al carbonio 6 e si forma la molecola glucosio 6 fosfato. Viene utilizzata 1 ATP 2. Il glucosio 6 fosfato si trasforma in fruttosio 6 fosfato 3. Viene usata un’altra ATP per aggiungere un altro fosfato e la molecola diventa fruttosio-1,6-di fosfato. Abbiamo usato 2 ATP finora 4. La molecola di fruttosio si divide in 2 e forma la gliceraldeide 3 fosfato (2 mol). La glicolisi si sdoppia 5. Le gliceraldeidi (le 2 mol) si ossidano grazie ai NAD+ (aggiungi elettroni/idrogeno) e l’NAD+ diventa NADH. L’ossidazione produce energia che permette al fosfato di legarsi, quindi la molecola che si forma è acido 1,3 fosfoglicerico 6. L’acido perde il gruppo fosfato, diventa acido 3 fosfoglicerico. Il gruppo fosfato perso si lega all’ADP e produce ATP 7. L’acido 3-fosfoglicerico diventa acido fosfoenolpiruvico, che cede il fosfato all’ADP e si formano ATP e acido piruvico. Ogni operazione è doppia perché la molecola di fruttosio si è inizialmente scissa perciò si producono 4 ATP Ricapitolando, la glicolisi: non richiede ossigeno; scinde il glucosio in due molecole di acido piruvico; si svolge in 10 tappe: le prime tappe sono denominate fase preparatoria e richiedono 2 molecole di ATP (- 2ATP); le ultime tappe sono denominate fase di recupero energetico producono 2 ATP e 2 NADH per ogni molecola di glucosio demolita. LA RESPIRAZIONE CELLULARE: Gli organismi eucarioti sfruttano l’ossigeno atmosferico e ossidano completamente la molecola di glucosio a diossido di carbonio. La respirazione cellulare è un processo aerobico. La respirazione cellulare avviene nel mitocondrio. Ricorda: I mitocondri sono organuli cellulari rivestiti da una doppia membrana: una esterna che delimita l’organulo ed una interna che si ripiega formando una serie di anse dette creste. La porzione più interna del mitocondrio contiene una soluzione densa detta matrice contenente acqua, enzimi, coenzimi, gruppi fosfato, ecc. Lo spazio tra le due membrane è detto spazio intermembrana. La membrana esterna è permeabile alla maggior parte delle molecole di piccole dimensioni. La membrana interna è caratterizzata da una permeabilità selettiva: permette solo il passaggio di determinate molecole come il piruvato, ADP, ATP e impedisce il passaggio di altre molecole e ioni come H+. La respirazione cellulare comprende tre fasi: 1) Decarbossilazione ossidativa; 2) ciclo di Krebs; 3) catena respiratoria degli elettroni. Decarbossilazione ossidativa: Il piruvato (anione dell’acido piruvico) passa dal citosol alla matrice, dove si ossida (complesso del piruvato deidrogenasi) e perde il gruppo carbossilico (co2), generando il gruppo acetile. Il gruppo acetile si lega al coenzima A (acetil-coA). Avviene la riduzione dell’NAD+ e dell’NADH. Ogni glucosio produce 2 piruvato, perciò, si ottiene 2 acetil-coA e 2 NADH.