METABOLISMO CELLULARE ENERGETICO L’insieme delle reazioni chimiche che permettono la produzione di energia (ATP) ed il suo utilizzo nelle reazioni di sintesi delle biomolecole. La molecola che viene degradata per formare ATP è principalmente il GLUCOSIO. Negli organismi autotrofi il glucosio si produce a partire da sostanze inorganiche (CO2 e H2O) tramite l’utilizzo dell’energia luminosa. Negli organismi eterotrofi il glucosio si ricava dalla demolizione delle molecole più complesse assunte con l’alimentazione METABOLISMO = REAZIONI CATABOLICHE + REAZIONI ANABOLICHE Le reazioni chimiche che producono energia degradando le molecole complesse per liberare l’energia presente nei loro legami chimici e produrre ATP. Le reazioni chimiche che consumano energia nella sintesi delle biomolecole.

reazioni cataboliche reazioni anaboliche

LA MOLECOLA DI ATP adenosin trifosfato adenosina

H2O Idrolisi dell’ATP H2O O + - O – P – OH - O L’idrolisi dell’ATP rompe un legame tra i gruppi fosfato e libera un’elevata quantità di energia. H2O ATP ADP + P 7,3 Kcal per una mole di ATP. H2O O + - O – P – OH - O H ADP adenosin di fosfato gruppo fosfato

PROBLEMA ! Tutte le reazioni chimiche per poter avvenire richiedono un apporto iniziale di energia, detta energia di attivazione (EA). Tale energia è necessaria per formare di un composto intermedio, detto complesso attivato, nel quale i legami presenti nelle molecole dei reagenti iniziano a rompersi ed iniziano a formarsi i legami nuovi che portano alla formazione dei prodotti. L’ energia di attivazione è di norma elevata e la semplice collisione tra le molecole dei reagenti non basta a raggiungerla. Spontaneamente le reazioni non avvengono. Le cellule risolvono questo problema utilizzando gli enzimi che abbassano l’energia di attivazione, sono cioè CATALIZZATORI A---B complesso attivato C---D EA enzima A-B C-D reagenti A-C B-D prodotti

ENZIMI sono SPECIFICI ci sono enzimi diversi in base al tipo di reagente e al tipo di reazione che devono catalizzare (es.: gli enzimi che catalizzano l’idrolisi dell’ATP sono idrolasi e nello specifico ATPasi) sono proteine complesse ripiegate su se stesse in modo da creare un sito specifico detto SITO ATTIVO dove i reagenti si legano.

reagenti Il legame enzima- reagenti modifica il sito attivo che si adatta perfettamente ai reagenti sito attivo si formano i prodotti I prodotti vengono rilasciati e l’enzima è pronto per essere riutilizzato

Molti enzimi svolgono la propria azione catalitica solo grazie alla presenza di determinate sostanze organiche non proteiche, chiamate COENZIMI. Nelle reazioni metaboliche di demolizione del glucosio intervengono speciali coenzimi, chiamati NAD, NADP e FAD che agiscono da accettori di elettroni. Tali reazioni sono infatti ossido - riduzioni.

OSSIDO RIDUZIONI Le reazioni di ossido riduzione comportano un trasferimento di elettroni da un atomo a un altro, o da una molecola all’altra: l’ossidazione corrisponde alla rimozione di elettroni, l’ATOMO o la MOLECOLA che PERDE ELETTRONI si OSSIDA, la riduzione corrisponde all’acquisizione di elettroni, l’ATOMO o la MOLECOLA che ACQUISTA ELETTRONI si RIDUCE. Ossidazione e riduzione avvengono contemporaneamente . Nelle reazioni complesse che coinvolgono le molecole biologiche gli elettroni non vengono scambiati da soli ma insieme ai protoni, cioè come atomi di IDROGENO. H = H+ + e - OSSIDAZIONE = perdita di atomi di idrogeno RIDUZIONE = acquisizione di atomi di idrogeno e - composto A cede e- si ossida (agente riducente) A B composto B acquista e- si riduce (agente ossidante)

Ad esempio le reazioni della respirazione cellulare (glicolisi, ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa) che demoliscono il glucosio comportano un trasferimento di atomi di idrogeno dal glucosio, che li dona e si ossida, all’ossigeno che li accetta e si riduce: C6H12O6 + 6 O2 6CO 2+ 6 H2O + ENERGIA Gli elettroni sotto forma di atomi di idrogeno passano in questo caso da un livello energetico più alto nei reagenti ad uno più basso nei prodotti con liberazione di energia sotto forma di ATP.

NAD nicotinammide adenina dinucleotide È un coenzima ossidoriduttivo costituito da 4 parti : la nicotinamide (n.1) anche conosciuta come niacina (o vitamina PP, Pellagra-Preventing, o vitamina B3) è la struttura che può donare/accettare atomi di idrogeno, l’adenina (n. 2) è una delle cinque basi azotate, Il di-nucleotide consiste invece nella coppia di nucleotidi (n.3 e n.4) in ciascuno di essi è presente un gruppo fosfato ed uno zucchero pentoso, il ribosio. 1 3 2 4

Il NAD si riduce e produce NADH + H+ 2H++ 2e- (.) H . + H+ Il NAD si riduce e produce NADH + H+ riceve due elettroni e due protoni, ovvero due atomi di idrogeno (di questi può trasportare solo 2 elettroni e 1 protone, per questo un protone H+ viene perso)

LA GLICOLISI E’ un insieme di 10 reazioni chimiche, ciascuna catalizzata da uno specifico enzima, finalizzate alla scissione di una molecola di glucosio (zucchero a 6 atomi di C) in due molecole di un composto a 3 atomi di C, chiamato Piruvato (anche detto acido piruvico). In questo processo vengono rimossi dal glucosio 4 atomi di idrogeno, ossia 4 protoni e 4 elettroni; gli elettroni e due protoni sono accettati dalle molecole di NAD+ mentre gli altri 2 protoni restano in soluzione come H+.

GUADAGNO NETTO DELLA GLICOLISI: 2 ATP + 2 NADH ATP ADP ATP ADP O - | C = O CH3 H2O ATP ADP+P ATP ADP+P NADH+ H NAD+ FRUTTOSIO 1,6 DI FOSFATO GLUCOSIO CONSUMO DI ENERGIA le prime tappe della glicolisi richiedono l’apporto di energia che è fornita dalla trasformazione di 2 molecole di ATP in ADP 2 MOLECOLE DI GLICERALDEIDE 3 FOSFATO (G3P) PRODUZIONE DI ENERGIA dalla tappa 4 in poi tutti i prodotti devono essere contati due volte perché si formano due molecole di G3P per ogni molecola di glucosio demolita. In queste tappe viene prodotta energia sotto forma di 4 molecole di ATP e di 2 molecole di NADH 2 molecole di PIRUVATO GUADAGNO NETTO DELLA GLICOLISI: 2 ATP + 2 NADH

+2ADP