Programma dettagliato della 2° lezione METABOLISMO CELLULARE 1. Bioelementi e Biomolecole DNA (duplicazione e trascrizione) 2. Il trasportatore dell’energia: ATP Reazioni metaboliche e ossidoriduzioni Enzimi Catabolismo del glucosio Fotosintesi clorofilliana 3. QUESITI SVOLTI

Necessità del metabolismo energetico Gli organismi viventi sono caratterizzati da strutture ordinate e complesse. Il mantenimento di strutture ordinate richiede energia (2° principio della termodinamica). La struttura specifica di ogni cellula e di ogni organismo è mantenuta grazie al continuo apporto di energia.

Gli organismi viventi svolgono continuamente reazioni chimiche che consentono la produzione di energia chimica. Da queste reazioni dipende la vita degli organismi stessi. Se queste reazioni vengono a cessare la cellula e l’organismo muore nel giro di pochi minuti.

METABOLISMO CELLULARE METABOLISMO: insieme delle trasformazioni della materia e dell’energia nella cellula. catabolismo: insieme delle reazioni di degradazione delle molecole complesse in sostanze più semplici. anabolismo: insieme delle reazioni di sintesi di composti cellulari a partire da composti semplici.

METABOLISMO CELLULARE Le reazioni cataboliche liberano energia (esoergoniche) Le reazioni anaboliche richiedono energia (endoergoniche) Le reazioni anaboliche consumano l’energia fornita da un trasportatore intermedio (ATP)

METABOLISMO CELLULARE CATABOLISMO ANABOLISMO Demolizione molecole Sintesi molecole Lavori cellulari produzione ATP L’ATP è la moneta di scambio energetico nella cellula che permette il collegamento tra reazioni cataboliche ed anaboliche.

Il trasportatore dell’energia cellulare: l’ATP L’ adenosintrifosfato (ATP) è un nucleotide trifosfato costituito da: uno zucchero (ribosio), una base azotata (adenina) e 3 fosfati inorganici. I legami tra i gruppi fosfato sono ad alta energia (~). Per formarli occorre energia (7kcal/mol) e, viceversa, la loro rottura libera energia utilizzabile in altre reazioni chimiche. ribosio adenina 3 gruppi fosfato ~ ~ ~ legami ad alta energia

Sintesi di ATP energia H20 + + + ADP gruppo fosfato ATP L’ ATP è sintetizzato attraverso una reazione di condensazione (eliminazione di una molecola di H2O) tra ADP e un fosfato inorganico (Pi). La sintesi di ATP richiede energia (7kcal/mole) ed è resa possibile grazie al suo accoppiamento con le reazioni cataboliche (esoergoniche). L’ idrolisi di ATP in ADP + Pi libera energia che la cellula usa per compiere le reazioni anaboliche e tutte le attività cellulari che richiedono energia. A R P ~ A R P ~ + + energia P + H20 ADP gruppo fosfato ATP

Altre molecole trasportatrici di energia o trasportatori di potere riducente (elettroni) NADH (nicotinamide adenina dinucleotide -forma ridotta) FADH2 (flavina adenina dinucleotide -forma ridotta) NADPH (nicotinamide adenina dinucleotide fosfato -forma ridotta) Il NAD nella forma ossidata (NAD+) può accettare 1H+ (protone) e 2e- (elettroni), riducendosi a NADH. Il FAD nella forma ossidata (FAD+) può accettare 2H+ (protoni) e 3e- (elettroni), riducendosi a FADH2. Il NADP nella forma ossidata (NADP+) può accettare 1H+ (protone) e 2e- (elettroni), riducendosi a NADPH.

Il catabolismo del glucosio La principale fonte di energia nella maggioranza delle cellule è la ossidazione del glucosio. L’ossidazione del glucosio avviene in due stadi distinti: Glicolisi Respirazione cellulare.

Il glucosio Glucosio: è un monosaccaride a sei atomi di carbonio (6C, esoso). Il glucosio si ottiene per idrolisi di molti carboidrati (es. saccarosio, maltosio, cellulosa, amido e glicogeno). Il fegato è in grado di trasformare in glucosio altri zuccheri semplici (es. fruttosio).  A partire dal glucosio è possibile sintetizzare tutti i carboidrati necessari alla sopravvivenza dell'organismo.    Stampa Glucosio Il livello di glucosio nel sangue e nei tessuti è regolato con precisione dagli ormoni antagonisti insulina e glucagone. Il glucosio in eccesso viene conservato in alcuni tessuti (es. fegato, muscolo) sotto forma di glicogeno.

Perchè il glucosio? Il glucosio è una fonte di energia onnipresente in biologia. Il motivo per il quale il glucosio e non un altro monosaccaride (es. fruttosio) sia la fonte energetica principale nella maggior parte di organismi è ancora oggetto di speculazione. Ipotesi: il glucosio può formarsi chimicamente dalla formaldeide e forse era già presente/abbondante quando nacquero i primi sistemi biochimici primitivi ridotta tendenza del glucosio, rispetto ad altri esosi, a reagire con i gruppi amminici delle proteine (glicosilazione) che riduce l'attività di molti enzimi (effetti a lungo termine del diabete). NB: la bassa reattività del glucosio verso la glicosilazione è dovuta al suo prevalente permanere nella forma ciclica, meno reattiva.

Fasi della degradazione del glucosio 1° fase Glicolisi Citoplasma 2° fase in presenza di O2 (via aerobia) Respirazione cellulare decarbossilazione ac. piruvico ciclo di Krebs catena di trasporto degli e- Mitocondrio matrice creste in assenza di O2 (via anaerobia) Fermentazione Quali organismi utilizzano la fermentazione in alternativa alla respirazione? Alcune cellule (es. neuroni) utilizzano solo la via aerobia. Le cellule muscolari utilizzano entrambe le vie. Alcuni batteri (anaerobi) utilizzano solo la via anaerobia. Altri batteri (anaerobi facoltativi) utilizzano entrambe le vie.

GLICOLISI Glicolisi: catena di 9 reazioni, che avvengono nel citoplasma, catalizzate ciascuna da un enzima specifico. Durante la glicolisi 1 molecola di glucosio (C6H12O6), contenente 6 atomi di carbonio (6C), viene gradualmente trasformata in 2 molecole di acido piruvico (3C), liberando energia. L’ energia liberata durante la glicolisi viene sfruttata per produrre: 2 ATP 2 NADH

La respirazione cellulare (via aerobia) In presenza di O2 l’acido piruvico entra nel mitocondrio dove viene ossidato e demolito totalmente a CO2 ed H2O durante 3 serie di reazioni: la decarbossilazione dell’acido piruvico il ciclo di Krebs la catena di trasporto degli elettroni

Decarbossilazione dell’acido piruvico La molecola di acido piruvico (3C) entra nel mitocondrio, perde una molecola di CO2 , trasformandosi in un gruppo acetile (2C). Il gruppo acetile si lega ad una molecola di Coenzima A (CoA), tramite la quale entra nel ciclo di Krebs come acetilCoA. CoA CO2 CH3 C=O CH3 C=O Coenzima A gruppo acetilico C=O NAD+ NADH OH + H+ ac. piruvico acetil-CoA

acido ossalacetico (4C) Il ciclo di Krebs Serie ciclica di reazioni che si svolge nella matrice mitocondriale. Il gruppo acetile (2C) viene trasferito dal CoA all’acido ossalacetico (4C) e forma acido citrico (6C). L’ acido citrico (6C) subisce una serie di ossidazioni che portano alla formazione di 2x CO2 e 1x ATP e alla formazione di 3x NADH e 1x FADH2. L’ultima reazione rigenera la molecola di acido ossalacetico che ricomincia un nuovo ciclo legandosi ad un altro gruppo acetile. 2 CO2 1 ATP 3 NADH acido citrico (6C) 1 FADH2 Ac-CoA Ciclo di Krebs acido ossalacetico (4C) Nel ciclo di Krebs non è richiesto O2

Catena respiratoria Serie di reazioni in cui il potere riducente di NADH e FADH2 , prodotto durante la glicolisi ed il ciclo di Krebs, viene usato per produrre molecole di ATP. NADH e FADH2 ridotti cedono elettroni agli enzimi della catena respiratoria. Durante il passaggio da un trasportatore all’altro l’energia degli elettroni diminuisce. L’ultimo trasportatore della catena cede gli elettroni all’O2 (accettore finale) trasformandolo in H2O. Durante il trasporto degli elettroni, i H+ sono pompati nello spazio tra le due membrane generando un gradiente. I protoni tendono a rientrare nella matrice attraverso il canale della ATP sintetasi. Il flusso di H+ attraverso la ATP sintetasi induce la sintesi di ATP da ADP e Pi (fosforilazione ossidativa).

Ogni complesso proteico (CP) ha un proprio livello energetico. I complessi sono disposti in serie secondo livello energetico decrescente. e - e - e - e - O2 CP CP CP Gli e- scorrono spontaneamente da un livello energetico maggiore ad uno minore, fino all’O2.

nello spazio tra le 2 membrane mitocondriali. Gli elettroni scorrendo in questi complessi proteici (proteine canale transmembrana) causano la fuoriuscita di ioni H+ contro gradiente nello spazio tra le 2 membrane mitocondriali. Il rientro secondo gradiente degli ioni H+ attraverso l’ ATP-sintetasi (proteina canale) genera ATP. Membrana mitocondriale esterna ATP-sintetasi Matrice mitocondriale

L’energia liberata durante il trasferimento degli e- viene utilizzata dai CP per pompare H+ fuori dalla membrana mitocondriale interna, contro gradiente. La proteina canale ATP-sintetasi sfrutta il rientro secondo gradiente degli protoni H+ per generare ATP.

Bilancio energetico della demolizione completa del glucosio Nella respirazione cellulare, attraverso una serie di reazioni catalizzate da enzimi, il glucosio viene ossidato fino a formare CO2 e H2O. L'energia prodotta da questa reazione viene usata per produrre ATP. L’equazione della demolizione completa (aerobica) del glucosio è: C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + energia (686kcal/mole) Delle 686kcal liberate: 266 (40%) sono utilizzate per sintetizzare ATP 420 (60%) sono disperse nell’ambiente sotto forma di calore rendimento energetico del processo = 40%.

La respirazione cellulare è la via più efficiente per liberare l’energia contenuta nel glucosio Dalla ossidazione completa di una molecola di glucosio si ottengono 38 molecole di ATP. Di queste: 2 molecole di ATP sono prodotte dalla glicolisi 36 molecole di ATP sono prodotte dalla respirazione aerobia

La fermentazione In assenza di O2 (anaerobiosi) le cellule ricorrono alla fermentazione. Glicolisi Fermentazione L’ ac.piruvico prodotto nella glicolisi viene ridotto dal NADH (che si ossida a NAD+) e convertito in sostanze diverse a seconda del tipo di fermentazione. etanolo e CO2 Lieviti fermentazione alcolica ac.piruvico NADH NAD+ Batteri del latte Cellule muscolari fermentazione lattica ac.piruvico acido lattico NADH NAD+ Durante la fermentazione non viene prodotto altro ATP ma viene soltanto riossidato il NADH prodotto nella glicolisi e ripristinata la scorta cellulare di NAD+

Fonti alternative di energia per la cellula Per produrre ATP la cellula non usa solo il glucosio ma anche carboidrati, lipidi e proteine Queste sostanze, per essere utilizzate come fonte di energia, sono convertite in glucosio o scomposte in molecole o intermedi che entrano a vari livelli nella glicolisi o nel ciclo di Krebs.

I polisaccaridi sono scissi in monosaccaridi e questi convertiti in glucosio o in intermedi della glicolisi. I lipidi (trigliceridi) sono scomposti in glicerolo ed acidi grassi. Il glicerolo è convertito in fosfogliceraldeide un intermedio della glicolisi e gli acidi grassi sono trasformati in acetilCoA che entra nel ciclo di Krebs. Le proteine sono scomposte nei singoli aminoacidi, dei quali alcuni sono convertiti in ac. piruvico ed altri in acetilCoA o in intermedi del ciclo di Krebs

La Regolazione del Metabolismo L’insieme delle vie metaboliche rende la cellula capace di demolire e sintetizzare continuamente, a seconda del bisogno, le sostanze organiche Questo insieme complesso di reazioni è tenuto costantemente sotto controllo grazie ad un raffinato sistema di regolazione degli enzimi coinvolti.

GLI ENZIMI Le reazioni metaboliche avvengono grazie a speciali proteine dette enzimi (es. ATPasi, ATP sintetasi, idrolasi, nucleasi, fosfatasi, DNA polimerasi). Enzimi: catalizzatori organici che aumentano la velocità delle reazioni biologiche senza essere modificati. Substrati: sostanze che reagiscono grazie all’enzima. Sito attivo: sito dell’enzima cui si lega il substrato formando il complesso enzima-substrato. Ogni enzima è altamente specifico per il suo substrato. Cofattori: ioni di cui l’enzima ha bisogno per funzionare (es. Mg2+). Coenzimi: piccole molecole organiche di cui l’enzima ha bisogno per funzionare (es. vitamine e loro derivati).

Gli enzimi possiedono siti di legame per i substrati e siti di legame specifici per sostanze regolatrici che possono modulare l’attività enzimatica, aumentandola o diminuendola, secondo necessità. Esempio di una regolazione negativa (dovuta alla molecola x) e positiva (dovuta al glucosio) che controllano l’attività dell’enzima in figura.