Sintesi sul metabolismo cellulare, Sbobinature di Chimica

Scarica Sintesi sul metabolismo cellulare e più Sbobinature in PDF di Chimica solo su Docsity! METABOLISMO CELLULARE: https://youtu.be/aKe5cSFrEOc Il metabolismo cellulare è l’insieme di processi che permettono alla cellula di ottenere energia e sintetizzare le molecole. Esistono una serie di reazioni (vie metaboliche) che portano da un reagente iniziale a un prodotto finale. Le vie metaboliche comprendono: • Le reazioni anaboliche= sono reazioni di sintesi e richiedono energia. Nelle reazioni anaboliche semplici, si hanno molecole più complesse (si parte da molecole poco energetiche per arrivare a molecole più energetiche). Una reazione anabolica è la fotosintesi clorofilliana. • Le reazioni cataboliche= sono reazioni di scissione e liberano energia. Nelle reazioni cataboliche si ha il procedimento opposto: da molecole più complesse otteniamo molecole semplici (si parte da molecole più energetiche per arrivare a molecole meno energetiche). Delle reazioni cataboliche sono la glicolisi e la respirazione cellulare. Vie anaboliche e vie cataboliche nel complesso formano le vie metaboliche. In tutte le vie metaboliche ci sono degli intermedi di reazione fondamentali che sono dei trasportatori di energia. Questi trasportatori si chiamano NAD e FAD. In queste vie metaboliche si hanno reazioni di ossidoriduzione. La riduzione da NAD a NADH assorbe energia e lo stesso discorso vale per la riduzione da FAD+ a FADH2. Quando il NAD e il FAD cedono protoni ed elettroni liberano energia. Per far si che le reazioni chimiche avvengano, ci devono essere queste particelle (coenzimi) che sono il NAD e il FAD. Le vie metaboliche principali sono due: glicolisi e respirazione cellulare. LA GLICOLISI: è un processo metabolico molto complesso che avviene grazie all’intervento del NAD del FAD (intermedi di reazioni) e di molecole altamente energetiche come l’ATP. -In che cosa consiste la glicolisi? Lo zucchero presente nelle piante, negli autotrofi e nelle cellule eterotrofe (cellule animali) subisce nel citoplasma una reazione di scissione (una reazione catabolica). Questo zucchero viene scisso, attraverso un processo metabolico chiamato glicolisi (=lisi/scissione del glucosio. È un processo catabolico che prevede una serie di complesse reazioni di demolizione), a un composto a 3 atomi di carbonio che prende il nome di acido piruvico (è un chetoacido). Dopodiché il piruvato, in presenza di ossigeno, va nei mitocondri ed è sottoposto a 3 processi (o fasi): 1. Ossidazione del piruvato (o decarbossilazione del piruvato); 2. Ciclo di Krebs; 3. Fosforilazione ossidativa. Questi tre processi messi insieme prendono il nome di “respirazione cellulare”. (Dalla glicolisi, l’acido piruvico entra nei mitocondri dove subisce questi tre processi). Il primo processo, dunque, avviene con la decarbossilazione del piruvato. Una volta decarbossilato il piruvato entra nella matrice mitocondriale dove subisce il ciclo di Krebs. Sulle creste mitocondriali avviene la fosforilazione ossidativa. La caratteristica principale di questi processi metabolici è che avvengono per tappe (tappe metaboliche). Queste reazioni avvengono attraverso stadi intermedi, perché tutta l’energia contenuta nel glucosio non può essere liberata tutta in una volta (in quanto comporterebbe la morte per eccesso di energia), ma deve essere liberata un po' alla volta. Facciamo un esempio per capire meglio: Es. Immaginiamo di essere su un pianerottolo e che alla base della scala ci sia uno specchio. Se dal pianerottolo lanciamo un pallone, quest’ultimo, con la velocità, potrebbe rompere lo specchio. Se il pallone scende gradino per gradino, quando arriva alla base della scala il pallone si ferma perché diminuisce la sua energia cinetica (viene liberata in modo graduale gradino per gradino). Nelle reazioni metaboliche che avvengono in stadi (A si trasforma in B, Bi si trasforma in C, C si trasforma in D… fino ad arrivare al prodotto finale) l’energia viene liberata un pochino alla volta. In questo modo, l’energia liberata non provoca danni alla La prima parte della glicolisi avviene nel citoplasma e il glucosio (è un aldoesoso ed è composto da 6 atomi di carbonio) viene scisso in 2 molecole composte da 3 atomi di carbonio, chiamate acido piruvico (o piruvato). cellula (quindi nelle cellule umane, le reazioni non possono essere delle combustioni perché distruggerebbero le cellule dei tessuti). In assenza di ossigeno il piruvato subisce un’altra via metabolica che prende il nome di “fermentazione”. Esistono due tipi di fermentazioni: Fermentazione lattica; Fermentazione alcolica. La reazione generale del metabolismo del glucosio è: 𝑪𝟔𝑯𝟏𝟐 + 𝑪𝟔𝑶𝟐 → 𝟔𝑪𝑶𝟐 + 𝟔𝑯𝟐𝑶 + 𝟔𝟖𝟔 𝒌𝒄𝒂𝒍 𝒎𝒐𝒍 (−𝟏) = 𝟑𝟎 − 𝟑𝟐 𝑨𝑻𝑷. Questa reazione (ossidazione del glucosio) ci dice che il glucosio, in presenza di ossigeno (ossidazione), si trasforma in anidride carbonica + acqua + 30-32 molecole di ATP. Questa reazione produce l’energia necessaria per le funzioni vitali. Il metabolismo del glucosio serve soprattutto per produrre ATP (Adenosintrifosfato “benzina dell’uomo”). Da una molecola di zucchero si ottengono 36 molecole di ATP. Questa sequenza metabolica non coinvolge direttamente l’uso di ossigeno molecolare. Infatti, questa molecola è un agente ossidante così energetico che l’energia prodotta in un processo di ossidazione di un substrato organico sarebbe così elevata da non poter essere conservata o usata efficientemente. Gli elettroni rilasciati dai composti organici non vengono dati direttamente all’ossigeno, o ad altri ossidanti, ma a ossidanti meno energici come il NAD+ e il FAD (forme ossidate), dando luogo alle forme ridotte di questi trasportatori di elettroni, rispettivamente NADH e FADH2, che a loro volta cederanno gli elettroni ad alta energia ad una serie di trasportatori che costituiscono la catena di trasporto degli elettroni mitocondriale. L’ossigeno molecolare appare soltanto all’ultimo stadio di questo processo. La glicolisi è una sequenza di 10 reazioni che convertono il glucosio in piruvato con la concomitante produzione di ATP e NADH. Il metabolismo del glucosio si suddivide in tre tappe: • Glicolisi; • Ciclo di Krebs; • Fosforilazione ossidativa. Nella prima parte del metabolismo del glucosio (composto a 6 atomi di C), quest’ultimo subisce nel citoplasma la glicolisi (serie di 10 reazioni). In questo processo la molecola di glucosio, con i suoi sei atomi di carbonio, viene degradata in 2 molecole di piruvato (è un chetoacido perché contiene un gruppo chetonico -2- ossopropanoico- deriva dall’acido propanoico soltanto che sul carbonio 2 abbiamo un doppio legame con l’ossigeno), ognuna contenente tre atomi di carbonio. Nel corso di questo processo sono prodotte 2 molecole di ATP e 2 molecole di NADH. Per poter entrare nel ciclo di Krebs, il piruvato deve essere trasformato prima in acetil-CoA (acetil-coenzima-A). Nei procarioti la conversione avviene nel citoplasma, mentre negli eucarioti è necessario che il piruvato entri nella matrice mitocondriale grazie a una proteina di trasporto. La reazione è catalizzata dal piruvato deidrogenasi e comprende due eventi: 1. La decarbossilazione e l’ossidazione del piruvato (a 3 atomi di carbonio) ad acetile (a 2 atomi di carbonio) con la liberazione di una molecola di CO2 e la riduzione di una molecola di NAD+ a NADH. 2. La formazione di un legame tra il gruppo acetile e il coenzima A (CoA) per produrre acetil-CoA. Complessivamente, quindi, per ogni molecola di glucosio otterranno due CO2, due di Acetil-CoA e due di NADH. Nella seconda parte avviene il ciclo di Krebs. Il ciclo di Krebs (o ciclo dell’acido citrico) è una via metabolica costituita da otto reazioni. Il ciclo inizia con il legame del gruppo acetile dell’acetil-CoA all’ossalacetato, un composto a quattro atomi di carbonio, con formazione del citrato, a sei atomi di carbonio. Il citrato è isomerizzato a isocitrato, che viene decarbossilato per formare il chetoglutarato, un composto a cinque atomi di carbonio. L’α-chetoglutarato è anch’esso decarbossilato per formare il succinato, una molecola a quattro atomi di carbonio. Il succinato è ossidato a fumarato, che reagisce con acqua formando il malato, che infine è ossidato a ossalacetato. Questo composto può reagire con una Si forma l’acetil-CoA. L’acetile si lega all’acetil- CoA. Se non si lega, il ciclo di Krebs non avviene. Vengono prodotte per ciascuna molecola di piruvato: 2 molecole di Co2; 2 di acetil-CoA e 2 di NADH. A questo punto avviene il ciclo di Krebs. nuova molecola di acetil-CoA e iniziare un altro giro del ciclo. Il bilancio complessivo del ciclo di Krebs è: Il metabolismo del glicogeno comprende due vie: • La glicogenesi: è una via catabolica che consiste nel distacco di un glucosio 1-fosfato dell’estremità non riducente della molecola grazie all’enzima glicogeno fosforilasi, che rompe un legame α-1,4-glicosidico. Il glucosio 1-fosfato viene successivamente trasformato in glucosio 6- fosfato dall’enzima fosfomutasi. A questo punto il glucosio 6-fosfato può imboccare due vie: Ø Nel muscolo il glucosio 6-fosfato entra nella glicolisi, dove serve come fonte di energia immediata per la contrazione; Ø Nel fegato viene convertito in glucosio e rilasciato nel sangue. La glicogeno fosforilasi agisce sulle estremità della molecola di glicogeno fino a quando non si avvicina a un punto di ramificazione in corrispondenza di un legame α-1,6-glicosidico; qui si blocca e viene sostituita dall’enzima deramificante che libera una molecola di glucosio e risolve la ramificazione per rendere possibile l’azione della fosforilasi. • La glicogenosintesi: è una via anabolica che ha inizio con l’isomerizzazione del glucosio 6-fosfato a glucosio 1-fosfato ad opera dell’enzima fosfomutasi. Ora il glucosio 1-fosfato deve essere “attivato” a UDP-glucosio grazie a una molecola di UTP, un nucleotide trifosfato analogo all’ATP. L’UTP-glucosio è quindi trasferito dalla glicogeno sintasi • all’estremità non riducente da una molecola di glicogeno costituita da unità di glicosio legate con legami α-1,4-glicosidici. I legami α-1,6-glicosidici che costituiscono i punti di ramificazione del glicogeno si formano poi con l’intervento dell’enzima ramificante, che trasferisce sei o sette molecole di glucosio al gruppo ossidrile sul C-6 del glucosio posto all’estremità di una catena. La formazione delle ramificazioni è importante perché esse rendono la molecola di glicogeno più solubile, più compatta e facilmente aggredibile dagli enzimi. L’attività degli enzimi glicogeno sintasi e glicogeno fosforilasi è uno snodo molto importante nelle vie che accumulano o utilizzano le riserve di glucosio; per questo è sottoposta a una serie di controlli metabolici e ormonali. L’insulina, per esempio, promuove l’azione della glicogeno sintasi stimolando così la sintesi del glicogeno. Il glucagone, al contrario, blocca la glicogenosintesi e stimola la degradazione del glicogeno da parte del fegato, aumentando la concentrazione del glucosio nel sangue. Il metabolismo dei lipidi e delle proteine I trigliceridi sono un’importante fonte di energia: Buona parte dell’energia quotidianamente richiesta da un essere umano, proviene dai trigliceridi assunti con la dieta. In questi composti forniscono più della metà dell’energia consumata da fegato, cuore e muscolo scheletrico e costituiscono la sola fonte di energia degli animali in letargo. Quando arrivano nell’intestino, i trigliceridi si trovano sottoforma di grosse particelle di grasso, insolubili in acqua: per poter essere assorbite devono essere rese solubili in ambiente acquoso. La solubilizzazione è effettuata dai sali biliari, composti sintetizzati nel fegato, a partire dal colesterolo. I sali biliari sono sintetizzati nell’intestino tenue dopo un pasto ricco di grassi e agiscono come detergenti biologici perché convertono le gocce di grasso in microscopiche micelle composte da sali biliari e trigliceridi. La formalizzazione delle micelle rende i lipidi aggredibili dalle lipasi, gli enzimi che convertono i trigliceridi in monogliceridi, digliceridi, acidi grassi e glicerolo. Queste molecole diffondono nelle cellule dell’epitelio intestinale, dove sono riconvertite in trigliceridi e inserite in aggregati lipoproteici detti chilomicroni o lipoproteine. A questo punto i chilomicroni vengono trasferiti dalla mucosa intestinale al sistema linfatico, entrano nel sangue e sono trasportati nei vari tessuti, dove sono usati per ricavare energia o sono immagazzinati come riserva energetica. La β-ossidazione avviene nei mitocondri: Giunti nei tessuti i trigliceridi sono idrolizzati a glicerolo e acidi grassi: il glicerolo viene trasformato in gliceraldeide 3- fosfato, un intermedio della glicolisi. Gli acidi grassi, invece, entrano nei mitocondri per essere ossidati ad acetil-CoA che andrà ad alimentare il ciclo di Krebs. Gli enzimi coinvolti in questo processo si trovano nella matrice mitocondriale. Gli acidi grassi con catene fino a 12 atomi di carbonio entrano direttamente nei mitocondri; quelli con 14 o più atomi, che sono la maggior parte, richiedono invece un sistema di trasporto detto “shuttle della carnitina” che coinvolge tre reazioni: 1. Sulla membrana mitocondriale esterna, un enzima catalizza la reazione tra l’acido grasso e il coenzima A per formare l’acetil-CoA, un composto ad alta energia. La reazione richiede ATP. 2. L’acile viene trasferito dall’acetil-CoA a una molecola di carnitina. La reazione è catalizzata dalla carnitina aciltrasferasi I che si trova sulla membrana esterna. Il prodotto è l’acil-carnitina. 3. Nella matrice, l’enzima carnitina aciltrasferasi II stacca l’acile carnitina e lo lega al coenzima A, rigenerando l’acil-CoA. La carnitina rientra nello spazio intermembrana attraverso il suo trasportatore. Nella matrice, l’acetil-CoA è progressivamente ossidato attraverso quattro reazioni ripetute in serie: per effetto di queste reazioni, la catena dell’acido grasso si accorcia di due atomi alla volta producendo FADH2, NADH, e acetil-CoA. Poiché l’ossidazione avviene a livello del carbonio β, la serie delle quattro reazioni è chiamata via della β-ossidazione. La sequenza delle reazioni che abbiamo descritto è tipica degli acidi grassi saturi. Molti degli acidi grassi dei trigliceridi e dei fosfolipidi degli animali e delle piante sono però insaturi, cioè possiedono uno o più doppi legami. I corpi chetonici sono una fonte di energia alternativa al glucosio: Oltre a entrare nel ciclo di Krebs, l’acetil-CoA prodotto per ossidazione degli acidi grassi può essere trasformato nei cosiddetti “gruppi chetonici”, cioè acetone, acetoacetato e β- idrossibutirrato. L’acetone è eliminato con la respirazione; l’acetoacetato e il β- idrossibutirrato sono trasportati dal sangue ai tessuti per essere trasformati in acetil- CoA e ossidati nel ciclo di Krebs. Sebbene l’acetoacetato e il β-idrossibutirrato siano normali combustibili per il nostro organismo, un quantitativo eccessivo può rivelarsi pericoloso. Il digiuno prolungato e il diabete mellito non trattato, per esempio, generano uno sbilanciamento del metabolismo dei carboidrati e degli acidi grassi che porta a una produzione eccessiva di corpi chetonici; in questi casi corpi chetonici possono raggiungere nel sangue e nelle urine concentrazioni molto elevate, una condizione detta chetosi. Poiché si tratta di composti a carattere acido, l’aumento della loro concentrazione abbassa il pH del sangue, portando in casi estremi al coma e alla morte. Il fegato produce lipidi e colesterolo: Attraverso l’alimentazione riusciamo a soddisfare il nostro fabbisogno giornaliero di lipidi; tuttavia, alcuni tessuti come il fegato e il tessuto adiposo sono capaci di sintetizzare acidi grassi e colesterolo. La sintesi degli acidi grassi, che avviene nel citoplasma, parte dell’acetil-CoA, che agisce da precursore per formare la catena idrocarburica dell’acido palmitico, il prodotto finale della via. La produzione di acidi grassi a catena più lunga e di acidi grassi insaturi come l’acido eolico avviene a partire sempre dell’acido palmitico grazie agli enzimi del reticolo endoplasmatico liscio. Le molecole di acidi grassi sono poi sottoposte a esterificazione con il glicerolo per formare trigliceridi. Le cellule del fegato operano anche la sintesi di colesterolo a partire da acetil-CoA e NADPH. Si tratta di un processo complesso, che avviene nel citoplasma e che comporta una serie di intermedi come lo squalene, una molecola a 30 atomi di carbonio. Poiché il colesterolo è introdotto anche con gli alimenti e non può essere smaltito attraverso alcuna via catabolica ma solo eliminato con le feci, è importante che la sua concentrazione sanguigna si mantenga entro determinati valori. Livelli superiori provocano una condizione nota come ipercolesterolemia, che costituisce un favore di rischio per numerose patologie cardiovascolari. Anche gli amminoacidi possono fornire energia: Gli amminoacidi provenienti dall’idrolisi delle proteine non hanno solo funzione strutturale, ma si possono usare per produrre energia. Le cellule ricorrono a questo tipo di risorsa energetica in tre casi: • In seguito al normale processo di ricambio delle proteine cellulari; • Se la dieta è molto ricca di proteine; • Durante il digiuno prolungato, quando i carboidrati e i lipidi non sono disponibili e le proteine cellulari sono impiegate per alimentare il metabolismo. Lo scarso utilizzo degli amminoacidi come fonte di energia si spiega tenendo presente che le proteine sono costituenti indispensabili del nostro corpo; in condizioni fisiologiche, il bilancio azotato dovuto al loro ricambio viene mantenuto in pari, in modo che il livello intracellulare delle proteine rimanga costante nel tempo. Un bilancio azotato positivo, in cui prevalgono processi anabolici di biosintesi delle proteine, è tipico degli organismi in accrescimento; un bilancio azotato negativo, in cui prevale il catabolismo, si verifica in caso di gravi malattie o di un digiuno prolungato. A differenza del glucosio e degli acidi grassi, che sono costituiti solo da carbonio, idrogeno e ossigeno, gli amminoacidi contengono anche azoto; perciò il catabolismo di questi composti produce composti azotati di scarto, che devono essere eliminati. Il catabolismo degli amminoacidi: Il primo passo per il catabolismo degli amminoacidi, che avviene prevalentemente nel fegato, è la perdita del gruppo amminico legato al carbonio α. Questo processo avviene grazie a due reazioni: la transaminazione e la deaminazione ossidativa del glutammato. Nella transaminazione il gruppo amminico dell’amminoacido è trasferito all’α- chetoglutarato formando glutammato. Nella deaminazione ossidativa del glutammato, l’enzima mitocondriale glutammato deidrogenasi utilizza NAD+ o NADP+ per rigenerare l’α-chetoglutarato liberando ioni di ammonio. Affinché la reazione possa procedere, è necessario che lo ione ammonio venga continuamente allontanato. Nel corso dell’evoluzione, gli animali hanno sviluppato vari modi per eliminare in modo efficiente questo prodotto di rifiuto: • Gli organismi ammoniotelici, come i pesci, liberano direttamente lo ione ammonio, rilasciando nell’ambiente acquoso in cui vivono; • Gli animali uricotelici, come i rettili e gli uccelli, convertono l’ammonio in acido urico: questo permetto loro di risparmiare acqua, che viene riassorbita prima dell’escrezione; • Gli animali ureotelici, come i mammiferi e gli anfibi, eliminano ammonio sottoforma di urea, una molecola formata da un gruppo carbonilico legato a due gruppi amminici, meno tossica dell’ammoniaca. Gli esseri umani sono quindi organismi ureotelici; la conversione dello ione ammonio in urea avviene nel fegato attraverso una serie di reazioni che costituisce il ciclo dell’urea. La regolazione del ciclo dell’urea è di grande importanza a causa della tossicità dello ione ammonio, che se si accumula nell’organismo provoca gravi danni al sistema nervoso. Una volta prodotta, l’urea immessa nel sangue ed eliminata con le urine insieme a una piccola quantità di acido urico prodotto dal catabolismo degli acidi nucleici. Gli amminoacidi sono precursori di molte molecole: Perduto il gruppo amminico, le catene carboniose degli amminoacidi sono trasformate in intermedi metabolici che possono entrare direttamente nel ciclo di Krebs, oppure essere convertiti in glucosio o in corpi chetonici. I venti amminoacidi che costituiscono le proteine si suddividono in tre gruppi: • Gli amminoacidi glucogenici: sono degradati a piruvato o ad altri composti intermedi utili per sintetizzare glucosio; • Gli amminoacidi chetogenici: producono intermedi come l’acetil-CoA, che si possono trasformare in acidi grassi o in gruppi chetonici; • Gli amminoacidi glucogenici e chetogenici: producono sia glucosio sia acidi grassi e corpi chetonici. Gli amminoacidi sono anche i precursori di numerose biomolecole tra cui ormoni, coenzimi nucleotidi, porfine e pigmenti. Le basi azotate degli acidi nucleici, per esempio, sono sintetizzate a partire da aspartato, glutammina e glicina. Il gruppo come l’emoglobina ha come precursore la glicina; tra i neurotrasmettitori, l’adrenalina e la dopamina derivano dalla tirosina. Infine, l’istamina una molecola coinvolta nelle reazioni allergiche e nello shock anafilattico, è sintetizzata a partire dall’istidina.