Metabolismo cellulare - Dipartimento di Biologia e Biotecnologie

Laurea in Biotecnologie Agro-‐Industriali Corso di Biologia Cellulare Docente: Maria Elena Miranda Banos Metabolismo cellulare Metabolismo cellulare Gi esseri viven; usano con;nuamente: -‐ energia -‐  materia per operare una immensa quan;tà di reazioni chimiche che sono alla base della sua esistenza. Queste reazioni molto spesso vanno accelerate da enzimi specializza;: catalizzatori. E si incatenano le une con le altre per formare vie metaboliche, connesse fra di loro formando re> metaboliche. L’insieme di tuGe le reazioni metaboliche è il metabolismo, che comprende sia la demolizione di molecole per oGenere energia e piccole molecole di base (catabolismo), sia la formazione di molecole partendo delle sue unità e usando energia (anabolismo o biosintesi). Molecole di cibo VIE CATABOLICHE Molecole cellulari VIE ANABOLICHE Piccole unità per la biosintesi Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare Gi organismi viven; generano ordine a tuK i livelli... Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare …ma questo richiede un uso con;nuo di energia! Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare La seconda legge della termodinamica stabilisce che nel universo o in qualunque sistema (isolato) il disordine può solo aumentare. I sistemi biologici fanno aumentare l’ordine al loro interno a cambio di aumentare ancora di più il disordine nel loro ambiente: le reazioni biologiche generano calore, una forma d’energia che si disperde nel ambiente. TuGa l’energia che usano gli organismi vivi procede in origine dal sole. L’energia solare entra nel sistema biologico grazie alla fotosintesi: la caGura della energia eleGromagne;ca solare in forma di legami chimici. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare La fotosintesi: uso della energia solare per sinte;zzare molecole organiche Fase 1: reazioni della fase luminosa Fase 2: reazioni della fase oscura Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare La respirazione: produzione d’energia per ossidazione di molecole organiche Nelle molecole organiche il C e l’H sono lega; fra di loro. La ossidazione a CO2 e H2O nelle cellule aerobiche (usando l’O2) libera l’energia dei legami. La fotosintesi e la respirazione sono processi complementari: Zuccheri e altre molecole Energia della luce Energia u>le per la cellula Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare Il carbonio e la biosfera Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare Ossidazione e riduzione L’ossidazione è la perdita di eleGroni La riduzione è un guadagno di eleGroni In una reazione chimica, se un atomo si ossida c’e un altro che si riduce. Quando ques; reazioni accadono in un medio acquoso, gli eleGroni sono in genere accompagna; da protoni: la riduzione è il guadagno di un eleGrone e un protone, la ossidazione è la perdita di un eleGrone e un protone. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare Le reazioni chimiche accadono soltanto se favorite energe;camente: se si passa da uno stato di maggiore a uno di minore energia. A volte basta superare una ‘barriera’ di energia iniziale per fare procedere la reazione. Questa barriera è la energia di aMvazione, e per abbassarla e fare accadere le reazioni biologiche ci sono gli enzimi: proteine specializzate nella catalisi di reazioni chimiche. Energia di aMvazione Reazione chimica non catalizata Energia di aMvazione catalizzata da un enzima Reazione chimica catalizata Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare Gli enzimi: -‐  Sono molto speciﬁci per il substrato -‐  Sono molto speciﬁci per la reazione che favoriscono -‐  Hanno un sito aMvo (come una ‘tasca’) adaGo al legame col substrato -‐  Possono catalizzare la stessa reazione tante volte, non si esauriscono col uso Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos StruGura e funzione delle proteine Gli enzimi: il legame è solo il inizio. Proteine molto variate e molto importan; per tuGe le aKvità cellulari. Catalizzano le reazioni cellulari per farli accadere nelle condizioni mite delle cellule (temperatura, pH, etc). Sono molto speciﬁci per il substrato e il ;po di reazione a catalizzare, e molto eﬃcien; nel loro lavoro: veloci e processa;vi, possono catalizzare una reazione un milione di volte senza modiﬁche a se estesi. L’azione catali;ca degli enzimi comprende in generale: -‐ La capacità di orientare ed avvicinare fra di loro due substra; che devono reagire fra di loro. -‐ La redistribuzione di cariche eleGriche fra gli atomi per favorire le reazioni chimiche. -‐ La formazione di legami temporanei con le catene laterali degli aa del enzima. -‐ La deformazione dei legami covalen; del substrato per favorire la reazione chimica. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare Il grado d’ordine di un sistema si misura come energia libera, G La variazione di energia libera fra lo stato iniziale e quello ﬁnale è delta G (∆G) Diminuzione della energia libera: ∆G è nega;va La reazione procede spontaneamente Tante volte le reazioni biologiche sono sfavorite energe;camente (∆G è posi;va), sono reazioni che generano ordine: una proteina è più ordinata che i singoli aminoacidi. Per fare accadere una reazione sfavorita una strategia è accoppiarla a un’altra reazione che sia molto favorita, in modo che la variazione ﬁnale di energia libera sia nega;va. Così il prodoGo di una reazione si può usare come substrato nella seguente, lungo una via metabolica. L’altra strategia consiste nel uso di una ‘baGeria’ carica d’energia… Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare Le reazioni chimiche accadono di solito nelle due direzioni possibili: sono reversibili. La concentrazione dei reagen; in ogni senso della reazione spinge la reazione in un senso o nel altro. Zucchero + ossigeno acqua + diossido di carbonio Le reazioni che raggiungono l’equilibrio chimico si fermano, e questo equilibrio dipende della ∆G di ogni reazione (in ogni senso). Se in una cellula tuGe le reazioni arrivano al equilibrio… la cellula morirebbe! Ma la cellula scambia con;nuamente metaboli; col ambiente esterno, in modo di non arrivare mai al equilibrio chimico. I legami non covalen; che fanno interagire due molecole fra di loro sono pure reazioni chimiche, con costan; di equilibrio per la associazione e la dissociazione delle molecole. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare Gli enzimi incontrano i loro substra; grazie alla diﬀusione casuale delle molecole nel gel acquoso citosolico, e la diﬀusione accade grazie alla energia termica. Per le piccole molecole metaboliche, la diﬀusione basta per farli trovare facilmente col suo enzima: un enzima può processare anche mille molecole di substrato in solo un secondo! Molecole più grandi diﬀondono più lentamente, o addiriGura possono essere legate a pun; ﬁssi della cellula. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare La vita di una ;pica cellula animale somiglia la nostra vita: estraiamo energia dal cibo, che si conserva in forma di molecole cariche d’energia, che poi si consumano nelle nostre aKvità giornaliere. Nelle cellule, l’energia si oKene dal cibo (zuccheri, grassi) grazie al catabolismo, ma non si usa tuGa immediatamente: si conserva in forma di legame chimico ad alta energia al interno di piccole molecole: i trasportatori aMva>. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare Questo processo di formazione di trasportatori aKva; è possibile grazie agli enzimi, che accoppiano le reazioni trasferendo l’energia da un legame ad altro… Reazioni catalizzate da enzimi passano l’energia dal cibo al trasportatore Reazioni catalizzate da enzimi passano l’energia dal trasportatore alla molecola Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare I trasportatori aKva; più importan; sono tre: ATP: adenosina 5’ -‐ trifosfato NADH / NAD+: nico;nammide adenina dinucleo;de NADPH / NADP+: nico;nammide adenina dinucleo;de fosfato Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare ATP (adenosina 5’ -‐ trifosfato): la molecola che porta l’energia dove serve… AKvazione di substra;, controllo della segnalazione cellulare, funzionamento delle pompe di membrana, movimento dei motori molecolari... Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare … grazie a processi di fosforilazione. Il legame col fosfato è ad alta energia, e permeGe compire reazioni sfavorite energe;camente: Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare NADH / NAD+: nico;nammide adenina dinucleo;de NADPH / NADP+: nico;nammide adenina dinucleo;de fosfato Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare Sono trasportatori di un pacco di due eleVroni ad alta energia e un H+: un gruppo idruro H-‐ Il NADH e il NADPH si formano per riduzione durante reazioni cataboliche, e si portano il gruppo idruro, che possono passare ad altre molecole donandoli così energia. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare NADH e il NADPH si diﬀerenziano soltanto nel gruppo fosfato, che non interviene nelle reazioni di ossido-‐riduzione, ma da alla molecola di NADPH una forma diversa: ognuna interagisce con enzimi diversi e partecipa così in reazioni diverse: Il NADPH si usa nelle vie anaboliche Il NADH si usa nelle vie cataboliche Questo uso diﬀerenziato, grazie alle diﬀerenze di struGura, aiuta a regolare indipendentemente i due ;pi di vie metaboliche. I trasportatori d’energia hanno una struGura ;pica basata su un gruppo di supporto al quale si lega un gruppo trasferibile. Il gruppo di supporto include di solito un nucleo;de: forse per ché i primi enzimi erano faK da RNA, e i trasportatori d’energia potevano così interagire più facilmente con loro. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare La sintesi di polimeri biologici (polisaccaridi, acidi nucleici e proteine) incrementa l’ordine al interno della cellula: richiede energia. I polimeri si costruiscono per condensazione di unità più piccole, grazie all’aiuto di enzimi, che catalizzano la formazione dei legami (glicosidico, fosfodiestere e pep;dico), con consumo d’energia per la biosintesi: idrolisi di nucleosidi trifosfa;. Altre enzimi catalizzano l’idrolisi di quei legami per degradare i polimeri, ma queste reazioni sono favorite energe;camente. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare IL CATABOLISMO Demolizione controllata di molecole per estrarre energia e componen; per la sintesi d’altre molecole. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare Produzione d’energia dal cibo: la respirazione Primo step: gli enzimi diges;vi rompono le macromolecole in unità. Avviene in ambien; isola;: l’apparato diges;vo e i lisosomi. Grazie al catabolismo si produce ATP, la baGeria energe;ca della cellula. In una cellula ci sono ˜109 molecole di ATP, che si ricambiano ogni 1-‐2 minu;. Con queste reazioni, le cellule raccolgono in forma di ATP il 50% della energia del cibo. In confronto, una macchina ne approﬁGa soltanto il 20% della energia della benzina. Il resto si perde in forma di calore. Fase 1: Le macromolecole si rompono in unità piccole Glicolisi Fase 2: Le piccole unità si rompono ad ace>l CoA, e si produce poco ATP e NADH Fase 3: Ossidazione completa del ace>l CoA a H2O e CO2. Produzione di molto ATP nei mitocondri NADH Riﬁu; Metabolismo cellulare Le fermentazioni: produzione d’energia senza ossigeno. La fermentazione nel muscolo La fermentazione dei lievi; (birra, pane) Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare Il controllo delle vie metaboliche: meGere assieme circa 500 vie non è semplice! In questo schema, ogni punto è un metabolito, e ogni linea è una reazione. La glicolisi e il ciclo del acido citrico sono centrali nel metabolismo cellulare: i metaboli; vanno a questo asse per essere ossida; a CO2 e H2O per produrre energia (catabolismo), o escono da questo asse per essere usa; come unità per formare altre molecole u;li alla cellula durante la biosintesi (anabolismo). Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare IL ANABOLISMO La biosintesi di molecole u;li per le cellule. Ad esempio, l’apporto di glucosio dal cibo non è con;nuo, pero l’organismo ha bisogno di mantenere cer; livelli di glucosio per il correGo funzionamento cellulare. Le cellule (sopraGuGo gli epatoci;) sono in grado di produrre il loro glucosio a par;re di metaboli; più semplici, come il piruvato o il acido laKco prodoGo dai muscoli durante l’esercizio intenso. Dal piruvato, parte una via parallela alla glicolisi ma in senso contrario: la gluconeogenesi, dove tan; step sono gli stessi pero in senso contrario, e alcuni passi sono reazioni parallele che hanno bisogno di addizione d’energia per procedere. Ques; passi sono pun; di controllo dove la cellula regola se l’interessa fare di più la glicolisi o la gluconeogenesi, a seconda dei suoi bisogni. La regolazione avviene per modiﬁca della aKvità degli enzimi che catalizzano ogni reazione. A volte, gli stessi metaboli; intermediari di una via, possono modiﬁcare l’aKvità degli enzimi coinvol;. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare Ma la sintesi di glucosio consuma molta energia. La strategia migliore è l’accumulo di riserve: glicogeno e grassi (negli animali), che si possono usare per produrre energia in qualsiasi momento. La biosintesi e demolizione del glicogeno è pure controllata a livello enzima;co da un metabolito chiave: il glucosio 6-‐fosfato, che è in grado di aKvare la glicogeno sintasi e d’inibire la glicogeno fosforilasi (demolizione). A livello del organismo, queste due vie sono regolate dagli ormoni: insulina, glucagone e adrenalina. Il grasso è una riserva più energe;ca e leggera: risparmiamo 30 Kg di peso in glicogeno grazie alle riserve di grasso! Granuli di glicogeno nei hepatoci;
Goccioline di grasso nelle cellule adipose Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare LA PRODUZIONE DI ENERGIA Nelle cellule, il principale trasportatore d’energia è il ATP, che si produce fondamentalmente grazie a due processi: -‐  La fosforilazione ossida>va durante la respirazione mitocondriale -‐  La fotosintesi nei cloroplas; In tuK i due casi, ci sono catene di trasporto di eleVroni energe;ci lungo un percorso di proteine associate a membrane: -‐  Membrana interna mitocondriale per la fosforilazione ossida;va -‐  Membrana ;lacoidale dei cloroplas; per la fotosintesi Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare In ambi due casi si produce ATP grazie a un processo chiamato en generale accoppiamento chemiosmo>co, che richiede una membrana per stabilire un gradiente protonico, che poi viene usato per produrre l’ATP. Ci sono due fasi nel accoppiamento chemiosmo;co: ATP sintasi Catena di trasporto degli eleVroni Stadio 1: L’energia del trasporto degli eleVroni si usa per pompare i protoni oltre la membrana Stadio 2: il gradiente protonico viene usato dalla ATP sintasi per produrre ATP Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare Accoppiamento chemiosmo;co durante la fotosintesi nel cloroplasto Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare Accoppiamento chemiosmo;co durante la fosforilazione ossida;va mitocondriale pompa di protoni Sintesi di ATP approﬁVando il gradiente eleVrochimico di H+ Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare La catena di trasporto di eleGroni mitocondriale Gradiente eleVrochimico di H+ Forza proton motrice pH ˜7 citocromo c ubichinone pH ˜7.5 Complesso della NADH deidrogenasi Complesso del citocromo b-‐c1 Complesso della citocromo ossidasi Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare Grazie alla presenza ubiquitaria di acqua, in grado di donare e acceGare protoni con facilità, ogni eleGrone che si sposta si trascina con se un protone per compensare il carico eleGrico. I complessi della catena di trasporto di eleGroni sono situa; nella membrana in modo di trascinare ques; protoni da un lato all’altro della membrana durante lo spostamento degli eleGroni, che provvedono l’energia per il processo. Gli eleGroni si spostano d’una molecola all’altra interagendo con gruppi ferro-‐zolfo (nel complesso NADH deidrogenasi), con gli anelli dei chinoni, o con gruppi eme (contenen; ferro) nei citocromi (citocromo b-‐c1, citocromo ossidasi, citocromo c). Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare Una macchina molecolare meravigliosa e molto ben conservata: la ATP sintasi Il passaggio di ˜3 protoni genera energia per un ATP, la pompa ne fa 100 ATP al secondo. Ma come? Il passaggio di protoni a favore di gradiente fa girare l’asse mobile della macchina dentro la testa sta;ca, e l’energia meccanica si trasforma in energia chimica di legame di P al ADP per sinte;zzare la maggior parte del ATP cellulare. Fra l’altro, il suo funzionamento è reversibile, la ATP sintasi può funzionare pure come pompa, che crea un gradiente di protoni (u;le per il trasporto accoppiato, ad esempio di piruvato e Pi), consumando ATP. Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos Metabolismo cellulare Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos