Definizione di metabolismo Il termine metabolismo si riferisce all’insieme delle reazioni chimiche che avvengono nell’organismo. Le reazioni biochimiche avvengono con formazione o rottura di legami nel corso di processi catalizzati dagli enzimi con l’intervento talvolta di coenzimi.

Definizione di metabolismo L’ anabolismo è l’insieme delle reazioni chimiche di sintesi che assemblano sostanze semplici in molecole più complesse, utilizzando più energia di quella che producono. Il catabolismo è l’insieme delle reazioni chimiche di degradazione che demoliscono composti organici complessi in molecole più semplici, liberando più energia di quella che consumano.

Definizione di metabolismo L’appaiamento di reazioni che rilasciano energia e che richiedono energia è raggiunto attraverso l’ATP.

Il metabolismo dei carboidrati Durante la digestione i polisaccaridi e i disaccaridi sono scissi in monosaccaridi che vengono assorbiti nell’intestino tenue. Poiché il glucosio è la fonte prescelta dell’organismo per la sintesi dell’ATP, il destino del glucosio assorbito con gli alimenti dipende dalle necessità cellulari.

Il metabolismo dei carboidrati Il catabolismo del glucosio, conosciuto anche come respirazione cellulare, avviene in quattro fasi glicolisi; formazione di acetilcoenzima A; ciclo di Krebs; catena di trasporto degli elettroni. Possono essere riassunte nella reazione: C6H12O6 + 6O2 → 38ATP + 6CO2 + 6H2O

Il metabolismo dei carboidrati

Il metabolismo dei carboidrati La maggior parte del glucosio introdotto nell’organismo viene utilizzato per la sintesi di ATP. Quello in eccesso può essere impiegato per la sintesi di glicogeno; di nuove molecole di glucosio a partire da proteine e lipidi.

Il metabolismo dei carboidrati La gluconeogenesi è una serie di reazioni svolte all’interno delle cellule epatiche in cui la componente di glicerolo dei trigliceridi, l’acido lattico e certi amminoacidi vengono convertiti in glucosio.

Il metabolismo dei carboidrati

Il metabolismo dei lipidi I lipidi, come i carboidrati, possono essere utilizzati per produrre ATP a partire dai trigliceridi. I lipidi vengono utilizzati come molecole strutturali. Gli acidi grassi essenziali sono l’acido linoleico e l’acido linolenico.

Il metabolismo dei lipidi Il catabolismo dei lipidi, o lipolisi, è il processo che si svolge in muscoli, fegato e cellule adipose durante il quale i trigliceridi vengono scissi in glicerolo e acidi grassi. In questo processo il fegato può convertire alcune molecole di acetil-CoA in corpi chetonici.

Il metabolismo dei lipidi

Il metabolismo dei lipidi Durante l’anabolismo dei lipidi l’ormone insulina stimola le cellule epatiche e adipose a sintetizzare trigliceridi a partire non solo dai grassi, ma anche da carboidrati e proteine.

Il metabolismo dei lipidi La maggior parte dei lipidi non è idrosolubile. Per poter essere trasportati nel sangue devono essere legati a proteine per essere idrosolubili. Le lipoproteine sono particelle sferiche dotate di un rivestimento esterno di proteine, fosfolipidi e colesterolo, che racchiude un nucleo interno di trigliceridi e altri lipidi.

Il metabolismo delle proteine Nel corso della digestione le proteine vengono degradate in amminoacidi. Contrariamente ai carboidrati, gli amminoacidi non vengono immagazzinati, ma vengono ossidati per produrre ATP oppure utilizzati per la sintesi di nuove proteine. Gli amminoacidi in eccesso vengono convertiti in trigliceridi o in glucosio (gluconeogenesi).

Il metabolismo delle proteine Con il processo di deaminazione nelle cellule epatiche si verifica la rimozione dei gruppi amminici dagli amminoacidi con produzione di ammoniaca che viene accumulata e successivamente convertita in urea da smaltire tramite le urine.

Il metabolismo delle proteine La biosintesi della proteine si svolge nei ribosomi sotto la direzione di DNA e RNA. Dei 20 amminoacidi presenti nel corpo umano, 10 sono amminoacidi essenziali perché non prodotti dall’organismo in quantità adeguata e quindi devono essere introdotti con l’alimentazione. Gli altri 10 sono definiti amminoacidi non essenziali e sono sintetizzati dall’organismo.

Respirazione cellulare La principale molecola organica complessa che viene demolita in molecole semplici dalle cellule per ottenere energia è il glucosio L’energia liberata durante la demolizione del glucosio viene temporaneamente immagazzinata nella molecola di ATP

Demolizione del glucosio La demolizione del glucosio prevede due fasi: la prima è la glicolisi che, in presenza di ossigeno, è seguita dalla respirazione cellulare; in assenza di ossigeno, invece, la glicolisi è seguita dalla fermentazione La demolizione del glucosio si realizza attraverso reazioni di ossido-riduzione catalizzate da enzimi che utilizzano degli accettori di atomi di idrogeno (elettroni + H+), come il NAD+ e il FAD

Demolizione del glucosio (schema riassuntivo)

Glicolisi La glicolisi è un processo: che avviene nel citoplasma di tutte le cellule, sia procariote che eucariote che non ha bisogno di ossigeno mediante cui una molecola di glucosio (6C) viene spezzata in due molecole di acido piruvico (3C), ossia in un composto più ossidato e contenente meno energia

Tappe della glicolisi La glicolisi avviene in nove tappe suddivise in due fasi: una fase preparatoria, in cui sono consumate due molecole di ATP, e una fase di recupero energetico, che produce 4 ATP e 2 NADH + 2H+ Il guadagno energetico effettivo è di 2 ATP e 2 NADH

La fermentazione In assenza o in carenza di ossigeno, l’acido piruvico non può essere ulteriormente demolito In questo caso, nel citoplasma avviene la fermentazione Lo scopo della fermentazione è quello di rigenerare il NAD+, necessario per poter svolgere nuovamente la glicolisi Vi sono diversi tipi di fermentazione, ciascuno dei quali produce sostanze diverse Le più importanti sono: fermentazione lattica e fermentazione alcolica

La fermentazione lattica La fermentazione lattica avviene: in alcuni microrganismi anaerobici ed è utilizzata per la produzione di yogurt nelle cellule muscolari sottoposte a un intenso esercizio fisico anaerobico

Fermentazione lattica: i prodotti finali La fermentazione lattica determina: la formazione di acido lattico (tossico per le cellule), che è la causa dei dolori muscolari e viene ritrasformato in glucosio dal fegato la formazione di NAD+, fondamentale per lo svolgimento della glicolisi; senza NAD+ il processo si bloccherebbe

La fermentazione alcolica La fermentazione alcolica avviene: nei lieviti, ed è utilizzata per la produzione di vino e birra e per la panificazione

Fermentazione alcolica: i prodotti finali La fermentazione alcolica determina: la formazione di alcol etilico con liberazione di CO2 la formazione di NAD+, che è riutilizzato durante la glicolisi

Respirazione aerobica In presenza di ossigeno, l’acido piruvico può essere ulteriormente ossidato Nei mitocondri si verifica il processo di respirazione cellulare suddiviso in due momenti fondamentali: il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni Lo scopo è fornire alla cellula grandi quantità di energia

Dalla glicolisi al ciclo di Krebs L’acido piruvico entra nei mitocondri, si ossida riducendo un NAD+ e si trasforma in acetil-coenzima A (acetil-CoA) liberando una molecola di CO2

Il ciclo di Krebs (1) Il ciclo di Krebs avviene nella matrice mitocondriale L’acetil-CoA avvia il ciclo di Krebs legando il gruppo acetile (2 atomi di carbonio) all’acido ossalacetico (4C) con formazione di acido citrico (6C) Nel corso del processo, 2 dei 6 atomi di carbonio sono ossidati ad anidride carbonica e si rigenera acido ossalacetico, rendendo questa serie di reazioni un vero e proprio ciclo A ogni giro completo il ciclo consuma un gruppo acetile e rigenera una molecola di acido ossalacetico, pronta per essere riutilizzata

Ciclo di Krebs (2) Nel corso del ciclo di Krebs parte dell’energia liberata dall’ossidazione degli atomi di carbonio è utilizzata per trasformare ADP in ATP (una molecola per ciclo), parte è utilizzata per produrre NADH e H+ a partire dal NAD+ (3 molecole per ciclo) e parte ancora dell’energia viene utilizzata per produrre FADH2 a partire dal FAD (una molecola per ciclo)

Ciclo di Krebs (schema)

Catena di trasporto di elettroni Gli elettroni catturati dal NADH o dal FADH2 sono ceduti alla catena di trasporto degli elettroni Questo processo a “cascata” avviene sulle creste mitocondiali Attraverso una serie di reazioni di ossido- riduzione gli elettroni passano da un trasportatore ad alto livello energetico a un altro con energia minore, liberando energia L’accettore ultimo di elettroni è l’ossigeno che si lega ad atomi di idrogeno per formare una molecola di acqua

Catena di trasporto di elettroni (schema)

Gradiente elettrochimico Il flusso di elettroni lungo la catena di trasporto è accompagnato da una migrazione di protoni attraverso la membrana mitocondriale interna che crea un gradiente elettrochimico La membrana mitocondriale interna è impermeabile agli ioni H+ Disposizione delle componenti della catena di trasporto degli elettroni.

Sintesi di ATP Per tornare nella matrice, i protoni si incanalano attraverso un enzima, l’ATP- sintetasi, che utilizza l’energia ricavata dalla dissipazione del gradiente protonico per la sintesi di ATP Tale meccanismo di sintesi dell’ATP è detto accoppiamento chemiosmotico L’ATP-sintetasi è costituita da due unità: F0 e F1

Bilancio energetico totale * In alcune cellule il costo energetico del trasporto di elettroni dal NADH formatosi nella glicolisi, attraverso la membrana mitocondriale interna, abbassa la produzione netta di queste due NADH a 4 ATP; così, la produzione totale massima in queste cellule è di 36 ATP

Strategie metaboliche Gli organismi possono ottenere energia, oltre che dal glucosio, anche dai trigliceridi e dalle proteine I trigliceridi sono scomposti in glicerolo e acidi grassi. Gli acidi grassi sono demoliti in frammenti a due atomi di carbonio ed entrano nel ciclo di Krebs come acetil-CoA Le proteine sono scomposte nei loro amminoacidi, dai quali vengono rimossi i gruppi amminici e lo scheletro carbonioso entra nel ciclo di Krebs

Strategie metaboliche (schema) Degradazione di carboidrati, proteine e lipidi per ottenere energia

ATP L’ATP (adenosin trifosfato) è una speciale molecola capace di immagazzinare energia ed è formato da un nucleotide che presenta 3 gruppi fosfato Sono proprio i legami tra i gruppi fosfato a trattenere una certa quantità di energia

NAD+ e FAD Il NAD (nicotinamide adenin-dinucleotide) e il FAD (flavin-adenin dinucleotide) sono coenzimi: trasportano gli elettroni durante le reazioni redox Il NAD esiste in due forme chimicamente distinte: la forma ossidata (NAD+) e quella ridotta (NADH + H+) Analogamente, acquistando due protoni e due elettroni il FAD si riduce a FADH2. Le molecole di NADH e di FADH2 sono ricche di energia