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Lezioni di biochimica 2 2 2

Il metabolismo e l'energia Lezione 4 Il metabolismo e l'energia 3 © Zanichelli editore, 2014 3

Che cos’è il metabolismo I sistemi viventi trasformano le biomolecole presenti nei nutrienti al fine di: ricavare energia; ricavare precursori per la biosintesi di macromolecole. L'attività di trasformazione delle molecole da parte degli organismi viventi è detta metabolismo. © Zanichelli editore, 2014 4 4

Le vie metaboliche Le trasformazioni chimiche del metabolismo avvengono attraverso blocchi di reazioni chimiche dette vie metaboliche. Sono sequenze di reazioni catalizzate da enzimi, dove i prodotti di una reazione fanno da substrati per la reazione successiva. I prodotti che si generano all'interno della via metabolica sono detti intermedi metabolici. Schema semplificato di una via metabolica, in cui i prodotti di una reazione sono i reagenti della successiva. © Zanichelli editore, 2014 5 5

Le vie metaboliche procedono in due sensi (I) Le vie metaboliche di tipo degradativo sono dette vie cataboliche. Le vie metaboliche di tipo sintetico sono dette vie anaboliche. Le vie metaboliche che funzionano sia in senso catabolico sia anabolico sono dette anfiboliche. © Zanichelli editore, 2014 6 6

Le vie metaboliche procedono in due sensi (II) La cellula ricava energia e precursori attraverso il catabolismo di carboidrati, acidi grassi e proteine. Attraverso l'anabolismo, la cellula è invece in grado di sintetizzare le biomolecole che servono per le sue funzioni. © Zanichelli editore, 2014 7 7 7

Vie convergenti, divergenti, cicliche (I) Le vie cataboliche delle diverse macromolecole (carboidrati, lipidi, proteine) terminano tutte su un intermedio comune, l'acetil coenzima A (acetil-CoA). Queste vie sono dette convergenti. Le vie anaboliche invece partono da intermedi comuni per dare molti prodotti differenti, esse sono quindi divergenti. © Zanichelli editore, 2014 8 8

Vie convergenti, divergenti, cicliche (II) Alcune vie metaboliche iniziano e finiscono con lo stesso intermedio: sono vie cicliche. Un esempio è il ciclo di Krebs, che utilizza l’acetil-CoA prodotto dal catabolismo. © Zanichelli editore, 2014 9 9

Gli stadi del catabolismo e dell’anabolismo (I) Il catabolismo ha carattere principalmente ossidativo, mentre per l’anabolismo è richiesto molto potere riducente. Catabolismo e anabolismo sono interconnessi e possono essere suddivisi in stadi principali. © Zanichelli editore, 2014 10 10

Gli stadi del catabolismo e dell’anabolismo (II) Processo Stadio Funzione Catabolismo I Le grosse molecole sono ridotte a zuccheri semplici (esosi, pentosi), acidi grassi, amminoacidi II Le molecole semplici dello stadio I vengono ulteriormente degradate ad Acetil CoA, un composto a 2 atomi di carbonio III L’Acetil CoA viene incanalato nel ciclo degli acidi tricarbossilici (ciclo di Krebs) dove viene ossidato a CO2 e H2O con produzione di ATP. Anabolismo Nel ciclo di Krebs vengono generate alcune piccole molecole di precursori I precursori vengono assemblati in unità di montaggio (acidi grassi, amminoacidi) Le unità vengono assemblate nelle macromolecole finali (zuccheri, lipidi, proteine) © Zanichelli editore, 2014 11 11

Significato delle vie metaboliche indipendenti Le vie cataboliche sono energeticamente favorite, mentre le vie anaboliche richiedono dispendio di energia, per cui non possono procedere insieme. Una via anabolica non è l’esatto l’inverso di una via catabolica. Le vie cataboliche e anaboliche sono regolate indipendentemente e da enzimi diversi. Questo permette una regolazione del metabolismo più efficace. © Zanichelli editore, 2014 12 12

Le vie metaboliche sono compartimentalizzate Spesso, le reazioni metaboliche sono isolate in distretti cellulari (per esempio in organuli come il mitocondrio o nel citosol). Questa separazione serve a isolare reazioni potenzialmente i conflitto tra loro (per la presenza di intermedi comuni) e a garantirne una regolazione efficiente attraverso la modulazione della velocità di passaggio dei metaboliti da un compartimento all’altro. © Zanichelli editore, 2014 13 13

La produzione di energia: ossidazione (I) Tutti gli organismi eterotrofi ricavano la loro energia da reazioni di ossido-riduzione, in cui gli elettroni sono trasferiti da un donatore (agente riducente) a un accettore (agente ossidante). Negli organismi aerobi, l’energia è ottenuta dalla respirazione, in cui l’ossigeno è l’accettore finale degli elettroni generati durante le reazioni di ossidazione del catabolismo dei nutrienti. © Zanichelli editore, 2014 14 14

La produzione di energia: ossidazione (II) Una delle funzioni principali del catabolismo è generare energia chimica sotto forma di elettroni. Questa energia sarà conservata sotto forma di molecole l’ATP, mentre gli elettroni saranno alla fine ceduti all’ossigeno (con produzione di H2O e CO2). © Zanichelli editore, 2014 15 15 15

Il metabolismo richiede energia Il metabolismo è un lavoro di tipo chimico e richiede energia. Questa è ottenuta direttamente dal Sole nei vegetali grazie alla fotosintesi, mentre negli altri organismi l'energia è estratta dai legami chimici delle macromolecole attraverso il catabolismo ossidativo. Per poter essere utilizzata nelle reazioni anaboliche, questa energia deve essere immagazzinata nella cellula, sotto forma di composti a elevata energia. © Zanichelli editore, 2014 16 16

Rendimento energetico delle reazioni metaboliche L'ossidazione di glucidi o lipidi libera una grande quantità di energia e infatti queste ossidazioni sono le principali fonti di energia per la cellula. Tuttavia, le prime tappe della glicolisi richiedono un investimento iniziale di energia. © Zanichelli editore, 2014 17 17

L'energia è resa disponibile grazie all'ATP e ai coenzimi NAD e FAD Nella cellula le principali molecole utilizzate per trasferire energia chimica sono l'adenosina trifosfato (ATP) e i coenzimi NADH e FADH2. L'ATP trasporta l'energia immagazzinandola nel legame fosforico e rilasciandola in seguito a idrolisi. Il NADH (e la sua forma fosforilata NADPH) e il FADH2 invece sono trasportatori di elettroni e forniscono potere riducente alle numerose reazioni di ossidoriduzione del metabolismo. © Zanichelli editore, 2014 18 18

L'ATP è la principale fonte di energia chimica della cellula L'ATP è un nucleotide trifosfato. I suoi gruppi fosforici possono essere idrolizzati, liberando energia. © Zanichelli editore, 2014 19 19

NADH, NADPH, FADH (I) Molte reazioni metaboliche coinvolgono il trasferimento di elettroni (reazioni di ossidoriduzione). Questi elettroni sono ottenuti nelle reazioni di ossidazione tipiche del catabolismo e trasferiti ai coenzimi nicotinammide adenin dinucleotide (FADH2) e flavin adenin dinucleotide (NADH). © Zanichelli editore, 2014 20 20

NADH, NADPH, FADH2 (II) FADH2 e NADH esistono in due stati: la forma ossidata (NAD+) e quella ridotta (NADH+H+). Gli elettroni vengono ceduti nelle reazioni di riduzione ad accettori elettronegativi (come l'ossigeno). © Zanichelli editore, 2014 21 21 21

Trasferimento di elettroni mediato dal NAD La reazione di riduzione: NAD+ + 2H  NADH + H+ consente il trasferimento di due elettroni (e due protoni). © Zanichelli editore, 2014 22 22