INTRODUZIONE AL METABOLISMO Uno degli aspetti più importanti del biochimico è capire come la cellula sia in grado di regolare la miriade di sequenze di reazioni che avvengono in essa VIA METABOLICA = sequenza di reazioni CATABOLISMO = degradazione sostanze complesse ANABOLISMO = sintesi di sostanze organiche complesse

degli STADIO 1 STADIO 2 STADIO 3 POLIMERI: Proteine, acidi nucleici, Polisaccaridi, lipidi STADIO 1 Monomeri: Amminoacidi, nucleotidi, zuccheri, acidi grassi, glicerolo STADIO 2 Intermedi metabolici: Piruvato, acetil-CoA, intermedi del ciclo dell’acido citrico STADIO 3 CONSUMO NETTO DI ENERGIA PRODUZIONE NETTA DI ENERGIA PICCOLE MOLECOLE SEMPLICI

Ogni via metabolica è caratterizzata da tre stadi di complessità: STADIO 1 = interconversione dei polimeri e dei lipidi complessi negli intermedi monomerici; STADIO 2 = interconversione di zuccheri monomerici, amminoacidi e lipidi in composti organici ancora più semplici; STADIO 3 = degradazione finale a composti organici semplici tra cui CO2 H2O e NH3, oppure la sintesi a partire da tali composti

METABOLISMO INTERMEDIO = reazioni che riguardano immagazzinamento e produzione di energia metabolica e impiego di questa energia per le sintesi di altri composti a basso PM e per sostanze di riserva. Sono reazioni che non richiedono una molecola di acido nucleico come stampo METABOLISMO ENERGETICO = parte del metabolismo intermedio che consiste delle vie che immagazzinano e generano energia metabolica VIE METABOLICHE CENTRALI = vie sostanzialmente identiche nei vari organismi e responsabili della manipolazione di grandi quantità di energia e materia. Rappresentano le vie metaboliche principali

VIE CENTRALI NEL METABOLISMO Una delle vie più importanti è la GLICOLISI (stadio 2) che catabolizza i carboidrati sia nelle cellule aerobie che anaerobie. Il substrato è rappresentato dal GLUCOSIO, che deriva dai polisaccaridi di riserva o è introdotto tramite la dieta. La via porta al PIRUVATO + CHETOACIDI a tre atomi di carbonio

Negli ANAEROBI il piruvato viene ridotto ad altri composti tra cui ETANOLO e CO2 (FERMENTAZIONE). Nel metabolismo ossidativo (AEROBI) il principale destino del piruvato è la sua ossidazione ad un composto metabolicamente attivato, l’ACETIL-CoA. Gli atomi di carbonio di questo composto possono subire una ulteriore ossidazione nel CICLO DELL’ACIDO CITRICO (stadio 3). Tramite questa via si arriva all’ossidazione completa del glucosio sino a CO2 ed acqua. Le reazioni ossidative di questo ciclo producono trasportatori ridotti di elettroni (NADH e FADH2), la cui riossidazione promuove la sintesi di ATP

Anche altre vie ossidative portano “carburante” al ciclo dell’acido citrico. L’acetil-CoA deriva infatti anche dalla ossidazione degli acidi grassi mediante un processo noto come - OSSIDAZIONE e da alcune vie ossidative degli amminoacidi. Se l’acetil-CoA non viene completamente ossidato può rappresentare il substrato di partenza di vie metaboliche di sintesi, per esempio degli acidi grassi. Questa ed altre vie biosintetiche riduttive utilizzano come trasportatore di elettroni il coenzima ridotto, NADPH.

Durante il corso ci occuperemo anche di alcuni processi coinvolti nella biosintesi dei carboidrati, come la GLUCONEOGENESI, importante negli organismi eteretrofi e la FOTOSINTESI, processo chiave attraverso il quale le piante verdi “catturano” l’energia luminosa per la produzione di potere riducente (NADPH) ed energia (ATP) necessari per la sintesi dei carboidrati.

COESISTENZA DI VIE DEGRADATIVE E BIOSINTETICHE Abbiamo detto che l’ossidazione dei grassi porta alla liberazione di molecole di acetil-CoA Gli acidi grassi vengono sintetizzati a partire da molecole di acetil-CoA Queste due vie metaboliche sono ben distinte l’una dall’altra anche se possono presentare intermedi o alcune reazioni enzimatiche comuni

Queste due vie metaboliche avvengono in due compartimenti cellulari diversi Occorre inoltre sottolineare che le biosintesi non sono mai l’esatto contrario delle vie degradative anche se spesso iniziano e terminano con gli stessi metaboliti

LE VIE DEGRADATIVE E QUELLE BIOSINTETICHE SONO INOLTRE DISTINTE PER DUE MOTIVI: UNA VIA PUO’ ESSERE ESOERGONICA IN UNA SOLA DIREZIONE LE VIE DEBBONO ESSERE REGOLATE SEPARATAMENTE PER EVITARE CICLI FUTILI

CONSIDERAZIONI DI BIOENERGETICA Ogni reazione esoergonica in grado di liberare sufficiente energia può essere accoppiata ad una endoergonica Negli organismi viventi la maggior parte dell’energia libera richiesta per promuovere le reazioni biochimiche deriva dall’ossidazione dei substrati organici

L’ossigeno, un potente ossidante, rappresenta l’accettore finale di elettroni negli organismi AEROBICI Per questa tendenza dell’ossigeno e per la sua elevata presenza nell’atmosfera, gli organismi viventi hanno evoluto la capacità di ricavare energia dall’ossidazione dei composti organici

Le ossidazioni biologiche L’ossidazione biologica dei composti organici è sostanzialmente uguale alle ossidazioni non biologiche come ad esempio la combustione del legno Le ossidazioni biologiche sono però molto più complesse; quando il legno brucia tutta l’energia viene rilasciata sotto forma di calore Le ossidazioni biologiche non determinano un elevato aumento della temperatura ed una parte dell’energia viene convertita in energia chimica (soprattutto ATP)

La maggior parte delle ossidazioni biologiche non comporta un trasferimento diretto di elettroni da un substrato ridotto all’ossigeno Più frequentemente si verifica una serie di reazioni accoppiate di ossidoriduzione nelle quali gli elettroni vengono trasferiti ad una serie di trasportatori intermedi (CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI) come il NAD+ e da ultimo sono trasferiti all’ossigeno (ACCETTORE FINALE DEGLI ELETTRONI) L’energia delle ossidazione viene rilasciata in piccole aliquote in modo da controllare meglio l’ossidazione e catturare l’energia appena viene rilasciata.

Non tutta l’energia comunque deriva dall’ossidazione dell’ossigeno Molti microrganismi possono o devono vivere in condizioni anaerobiche ed in questo caso essi espletano il processo delle fermentazioni, vie cataboliche in grado di produrre energia e che procedono in assenza di ossigeno Se l’energia deriva essenzialmente dalle reazioni di ossidazione ne deriva che quanto più uno strato è ridotto quanto maggiore sarà la sua capacità di generare energia

Tra le molecole organiche, i grassi sono i composti che liberano la maggior parte di energia C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O G0’ = - 15,64 kJ/g C16H32O2 + 23O2 16CO2 + 16H2O G0’ = - 38,90 kJ/g i grassi hanno un maggior numero di protoni ed elettroni in grado di legarsi all’ossigeno rispetto al glucosio

L’ATP come moneta di scambio energetico Le cellule viventi catturano l’energia libera rilasciata dal catabolismo principalmente sotto forma di ATP L’energia chimica immagazzinata nell’ATP può essere convertita in altre forme di energia nel processo noto come TRASDUZIONE DELL’ENERGIA L’ATP non sarebbe l’unica molecola con legami ad alta energia; tuttavia, molti enzimi si legano preferenzialmente all’ATP ed utilizzano la sua energia di idrolisi per rendere possibili reazioni endoergoniche

PRINCIPALI MECCANISMI DI CONTROLLO DEL METABOLISMO Tra i principali meccanismi abbiamo certamente il controllo delle attività enzimatiche, come la concentrazione del substrato e la regolazione allosterica Controllo livelli enzimatici: induzione e repressione sintesi enzima Controllo attività enzimatica: interazioni con substrati, prodotti ed effettori allosterici e modificazione covalente della proteina

Compartimentazione: nell’ambito di determinati organelli cellulari Regolazione ormonale