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Il metabolismo cellulare 13/11/11 Il metabolismo cellulare 2 © Zanichelli editore 2016 2 2

Che cos’è il metabolismo? 13/11/11 Che cos’è il metabolismo? Gli organismi viventi trasformano le biomolecole che si trovano negli alimenti per produrre energia e per ottenere i precursori per la sintesi di macromolecole. Questo processo di trasformazione si chiama metabolismo. Le vie metaboliche possono essere cataboliche (degradazione di molecole) o anaboliche (sintesi di molecole). 3 © Zanichelli editore 2016 3 3

Il metabolismo dei carboidrati 4 13/11/11 4 © Zanichelli editore 2016

Il catabolismo dei carboidrati: la glicolisi 13/11/11 Il catabolismo dei carboidrati: la glicolisi La glicolisi è la via catabolica che porta alla degradazione del glucosio (6 atomi di C) in piruvato (3 atomi di C). Condizioni aerobiche Condizioni anaerobiche Glucosio Glucosio Glicolisi Fermentazione Piruvato Prodotti di fermentazione Respirazione CO2 + H2O 5 © Zanichelli editore 2016 5 5

Glicolisi: diverse fasi 13/11/11 Glicolisi: diverse fasi La glicolisi si divide in due fasi: fase preparatoria – 2 molecole di ATP sono usate per produrre fruttosio 1,6-bisfosfato; fase di recupero energetico – produzione di 4 molecole di ATP e due molecole di piruvato. Numero Immagine 226202527 6 © Zanichelli editore 2016 6 6

Dal piruvato all’acetil-CoA 13/11/11 Dal piruvato all’acetil-CoA In condizioni aerobiche, il piruvato (3 C) è trasferito nei mitocondri, dove il complesso dell’enzima piruvato deidrogenasi lo trasforma in acetil-CoA. piruvato + NAD+ + CoA-SH  acetil-CoA + CO2 + NADH + H+ Numero Immagine 255540475 7 © Zanichelli editore 2016 7 7

Il ciclo di Krebs 13/11/11 L’acetil-CoA entra nel ciclo di Krebs, o ciclo dell’acido citrico, dove in una serie di reazioni la molecola è ossidata a CO2, riducendo nello stesso tempo NAD a NADH. Numero Immagine 206034445 8 © Zanichelli editore 2016 8 8

Il ciclo di Krebs: bilancio energetico 13/11/11 Il ciclo di Krebs: bilancio energetico L’ATP è prodotto indirettamente da GTP, generato quando il succinil-CoA è idrolizzato a succinato. Il ciclo produce agenti riducenti: 3 NADH e 1 FADH2, che possono essere usati per la sintesi di molecole di ATP. 9 © Zanichelli editore 2016 9 9

La catena di trasporto degli elettroni 13/11/11 La catena di trasporto degli elettroni NADH e FADH2 trasferiscono elettroni a un sistema di proteine che si trovano sulla membrana interna dei mitocondri. Queste proteine costituiscono la catena di trasporto degli elettroni o catena respiratoria. 10 © Zanichelli editore 2016 10 10

La funzione della catena di trasporto degli elettroni 13/11/11 La funzione della catena di trasporto degli elettroni La catena respiratoria è una sequenza di reazioni redox, durante le quali le proteine che si trovano in diversi complessi accettano elettroni e li donano subito al complesso successivo. L’ossigeno è l’accettore finale di elettroni. La catena respiratoria non genera direttamente ATP, ma produce energia sotto forma di forza proton-motrice, che sarà necessaria per la fosforilazione ossidativa. 11 © Zanichelli editore 2016 11 11

La formazione di un gradiente protonico 13/11/11 La formazione di un gradiente protonico L’ossidazione di NADH libera 2 elettroni e 2 protoni (H+). Gli elettroni entrano nella catena di trasporto, trasferiti dal complesso I al complesso IV e all’ossigeno. In ogni reazione redox, si generano nuovi protoni che vengono pompati attraverso la membrana mitocondriale nello spazio intermembrana. Numero Immagine 174872780 12 © Zanichelli editore 2016 12 12

Gradiente protonico e sintesi di ATP 13/11/11 Gradiente protonico e sintesi di ATP Alte concentrazioni di H+ da un lato della membrana creano un gradiente elettrochimico, per cui i protoni si riversano dallo scomparto a concentrazione più alta nello scomparto a concentrazione più bassa. Il flusso di protoni passa attraverso la regione F0 del canale ATP sintasi. Questa regione attiva la subunità F1, dove ha luogo la sintesi di ATP. Numero Immagine 254321554 13 © Zanichelli editore 2016 13 13

Condizioni anaerobiche: la fermentazione 13/11/11 Condizioni anaerobiche: la fermentazione In mancanza di ossigeno, il metabolismo dei carboidrati non segue la via della respirazione cellulare: il piruvato va incontro a fermentazione alcolica o fermentazione lattica. 14 © Zanichelli editore 2016 14 14

La fermentazione lattica 13/11/11 La fermentazione lattica Nella fermentazione lattica, il piruvato prodotto con la glicolisi è ridotto ad acido lattico. Gli elettroni necessari sono forniti da NADH + H+, generati durante la fase di recupero energetico. Glicolisi Glucosio 2 piruvato 2 NAD+ 2 NADH + H+ 2 acido lattico 15 © Zanichelli editore 2016 15 15

La fermentazione alcolica 13/11/11 La fermentazione alcolica In alcuni lieviti avviene la fermentazione alcolica: il piruvato va incontro a una decarbossilazione ed è convertito ad acetaldeide, poi ridotta a etanolo grazie a NADH + H+. Glicolisi Glucosio 2 piruvato 2 NAD+ 2 NADH + H+ 2 CO2 2 etanolo 2 acetaldeide 16 © Zanichelli editore 2016 16 16

13/11/11 Il metabolismo dei lipidi 17 © Zanichelli editore 2016 17 17

Il metabolismo dei lipidi: dal cibo o dalle riserve energetiche 13/11/11 Il metabolismo dei lipidi: dal cibo o dalle riserve energetiche I lipidi sono importanti fonti di energia, soprattutto nei muscoli e nel fegato. Possono essere introdotti nel corpo con l’alimentazione, o possono essere presi dalle riserve energetiche delle cellule adipose. I lipidi presenti nei cibi (trigliceridi) sono assorbiti a livello dell’intestino nel flusso sanguigno, dove si spostano associati a lipoproteine, come le lipoproteine ad alta densità (HDL). Gli acidi grassi che derivano dal tessuto adiposo sono trasportati dalla proteina albumina. 18 © Zanichelli editore 2016 18 18

Il fegato e il metabolismo dei grassi 13/11/11 Il fegato e il metabolismo dei grassi Il fegato sintetizza trigliceridi, che sono trasportati alle cellule dalle proteine VLDL (very low density lipoproteins, proteine a densità molto bassa). Dopo aver consegnato i trigliceridi, diventano LDL, ricche in colesterolo. Sono assorbite dalle cellule che hanno bisogno di colesterolo per le loro membrane. L’eccesso di colesterolo nel flusso sanguigno è rimosso dalle proteine HDL (high density lipoproteins, lipoproteine ad alta densità), che lo trasportano al fegato perché sia degradato. Numero Immagine 115341250 19 © Zanichelli editore 2016 19 19

Gli acidi grassi nei mitocondri 13/11/11 Gli acidi grassi nei mitocondri Nei mitocondri avviene l’ossidazione degli acidi grassi. Queste molecole sono trasportate nei mitocondri grazie al trasportatore carnitina, con la formazione di acil-carnitina. Nella matrice mitocondriale, la molecola reagisce con CoA per rilasciare l’acido grasso, con la formazione di acil-CoA. 20 © Zanichelli editore 2016 20 20

Beta ossidazione degli acidi grassi 13/11/11 Beta ossidazione degli acidi grassi L’ossidazione degli acidi grassi è chiamata beta-ossidazione. Durante il processo, le molecole di acidi grassi sono degradate per generare acetil-CoA, FADH2 e NADH. L’acetil-CoA può quindi entrare nel ciclo di Krebs. 21 © Zanichelli editore 2016 21 21

Il metabolismo degli amminoacidi 22 13/11/11 22 © Zanichelli editore 2016 22 22

Il metabolismo degli amminoacidi 13/11/11 Il metabolismo degli amminoacidi Gli amminoacidi rappresentano un contributo minore della richiesta energetica. In caso di digiuno prolungato, il corpo può distruggere le proteine endogene (soprattutto nei muscoli scheletrici) per ricavare una fonte di energia, ma il processo può essere pericoloso per l’organismo. Gli amminoacidi forniscono precursori essenziali per la sintesi di molte molecole. 23 © Zanichelli editore 2016 23 23

La rimozione del gruppo amminico 13/11/11 La rimozione del gruppo amminico La rimozione del gruppo amminico è una tappa importante nel catabolismo degli amminoacidi. Per la maggior parte degli amminoacidi, la rimozione avviene in due reazioni: transaminazione; deaminazione ossidativa. Il gruppo amminico è eliminato sotto forma di catione ammonio (NH4+). 24 © Zanichelli editore 2016 24 24

Transaminazione 13/11/11 La transaminazione avviene nel fegato, catalizzata dagli enzimi chiamati transaminasi. Il gruppo amminico è trasferito dall’amminoacido a un alfa-chetoacido (generalmente l’alfa-chetoglutarato), generando acido glutammico. O O R1 R1 HO HO NH2 transaminasi O O + O + R2 R2 HO HO O NH2 25 © Zanichelli editore 2016 25 25

La deaminazione ossidativa 13/11/11 La deaminazione ossidativa L’acido glutammico generato con la transaminazione va incontro a deidrogenazione grazie alla glutammato deidrogenasi, che rigenera l’alfa-chetoglutarato e trasforma il gruppo amminico in catione ammonio. Gli elettroni sono trasferiti a NAD+ (o NADP+). NAD(P)+ NAD(P)H + H+ acido glutammico + H2O alfa-chetoglutarato + NH4+ glutammato deidrogenasi 26 © Zanichelli editore 2016 26 26

13/11/11 Il catione ammonio Il catione ammonio è tossico ed è eliminato dagli organismi in forme diverse. Nei mammiferi e negli anfibi, il catione ammonio è eliminato con la sintesi di urea. Numero Immagine 228397390 urea 27 © Zanichelli editore 2016 27 27