Metabolismo

METABOLISMO
È l’insieme delle reazioni chimiche
che avvengono nel corpo degli esseri
viventi e che intercorrono tra
l’introduzione di sostanze di origine
chimica e l’eliminazione degli scarti.
ENERGIA
ENERGIA =
ATTIVITÀ, FORZA
CAPACITÀ DI COMPIERE UN LAVORO
SPOSTARE LA MATERIA
ENERGIA CHIMICA
• Fondamentale per i viventi.
• È depositata nelle molecole sotto forma di legami
chimici.
• È resa utilizzabile in decorrenza alla demolizione
delle molecole.
• È resa disponibile per compiere lavoro.
USO DELL’ENERGIA
• L’uso dell’energia dipende:
– dalla capacità di trasformarsi in forme diverse
– dalla capacità di trasferirsi da un corpo all’altro
• Energia utile in uscita è MINORE a quella in
entrata
perdita sotto forma di
CALORE – forma di energia non utilizzabile per
compiere un lavoro
SISTEMI TERMODINAMICI
SISTEMA
ISOLATO
non scambia
né energia
né materia
SISTEMA
CHIUSO
scambia
energia ma
non materia
SISTEMA
APERTO
scambia
energia e
materia
LEGGI FONDAMENTALI DELL’ENERGIA
PRIMA LEGGE DELLA TERMODINAMICA
Nulla si crea, nulla si distrugge tutto si trasforma
SECONDA LEGGE DELLA TERMODINAMICA
L’energia dell’universo si degrada in modo
irreversibile
tende a disperdersi sotto
forma di calore e a degradarsi in maniera
disorganizzata
ENTROPIA
ENERGIA E I VIVENTI
• I viventi sono sistemi aperti molto organizzati
a bassa entropia.
• Per il mantenimento della vita c’è la necessità
di un continuo scambio e flusso di MATERIA
ed ENERGIA.
ENERGIA E I VIVENTI
I viventi utilizzano solo due forme di
manifestazione dell’energia:
Energia
luminosa
Energia
chimica
Organismi
autotrofi
Organismi
eterotrofi
fotosintesi
Ingestione di
molecole
organiche
ENERGIA E I VIVENTI
2 TIPI DI REAZIONI
ESOERGONICA
• Energia dei prodotti minore
di quella dei reagenti
• Libera enegia
spontaneamente
• Può produrre lavoro
• Es: respirazione cellulare
• Energia dei prodotti maggiore
di quella dei reagenti
• Richiedono spesa di energia
ENDOERGONICA
• Esigono lavoro per poter
avvenire
• Es. fotosintesi
reagenti
reagenti
prodotti
prodotti
ATP
• L’energia liberata dalle reazioni esoergoniche
deve essere “intrappolata” dai viventi,
affinché non si disperda in forma di calore.
• Viene perciò spesso trasferita ad uno speciale
trasportatore di energia: l’ATP
ATP = ADENOSINA TRIFOSFATO
ATP
È il collegamento universale tra le reazioni eso e
endoergoniche e funziona:
fornendo energia
ADP + P ATP
richiedendo energia
ATP ADP + P
o
ATP AMP + 2P
ATP e RISERVA ENERGETICA
• Il fabbisogno energetico di una cellula si
esprime in 2 modi:
– Bisogno immediato – energia da spendere
istantaneamente (uso di ATP).
– Deposito energetico – riserva energetica a lungo
termine (uso di polimeri grandi come amido nelle
piante e glicogeno negli animali).
ENERGIA DI ATTIVAZIONE
• È l’energia necessaria per innescare uma
reazione
• È questa che determina l’effettivo svolgimento
di una reazione e ne controlla la velocità
• In caso di assenza – cellula raggiunge entropia
massima e muore
• In caso di presenza – cellula può fare avvenire
le reazioni e può controllarla abbassandola
(azione enzimatica).
Reazione esoergonica
Energia di attivazione
Energia reagenti
Energia prodotti
Reazione endoergonica
Energia di attivazione
Energia prodotti
Energia reagenti
REAZIONI DI INTERESSE BIOLOGICO
OSSIDORIDUZIONI – REAZIONI REDOX
• Consistono nel trasferimento di elettroni
isolati o di elettroni e ioni idrogeno (protoni)
da un composto (DONATORE) ad un altro
(ACCETTORE).
OSSIDAZIONE – perdita di elettroni
RIDUZIONE – guadagno di elettroni
REDOX
• Le ossidazioni e le riduzioni sono sempre
abbinate perché gli elettroni non possono
essere mai eliminati, ma solo trasferiti.
• Al passaggio degli elettroni coincide un
passaggio di energia che non viene passata
tutta in una volta, ma gradualmente
attraverso reazioni intermedie che liberano
ciascuna una piccola porzione di energia.
REDOX
• In tal senso si evita che l’energia liberata tutta
insieme sotto forma di calore, innalzi la
temperatura della cellula fino alla sua morte.
• Ciò è possibile grazie ai trasportatori di
elettroni, che sono catene speciali di
molecole, disposte in ordine che liberano
energia gradativamente.
In laboratorio
Nella cellula
ENERGIE DI
ATTIVAZIONE
PICCOLE PER OPERA
DEGLI ENZIMI
ENERGIA DI
ATTIVAZIONE
GRANDE
Non viene
immagazzinata
nessuna energia
GLUCOSIO + O2
GLUCOSIO + O2
E
E
E
ATP
E
E
E
CO2 + H20
E
CO2 + H20
TRASPORTATORI DI ELETTRONI
Esempi:
• NAD – nicotinnamide adenin nucleotide
• NADP – nicotinnamide adenin dinucleotide
fosfato
• FAD – flavina adenin dinucleotide
• CITOCROMI – presenti nei mitocondri
CATALISI
• Le reazioni biochimiche nelle cellule sono quasi tutte
ad alta energia di attivazione.
• Le cellule quindi ricorrono ai CATALIZZATORI,
sostanze la cui funzione è quella di ABBASSARE
L’ENERGIA DI ATTIVAZIONE, AUMENTANDONE LA
VELOCITÀ.
• Le cellule usano catalizzatori organici che sono gli
ENZIMI.
• Questo processo è denominato CATALISI.
FATTORI CHE INFLUENZANO
L’ATTIVITÀ ENZIMATICA
• TEMPERATURA – aumento della temperatura
porta all’aumento della velocità delle reazioni,
ma oltre um certo grado può avvenire la
denaturazione irreversibile delle proteine.
• pH – piccole variazioni sono sufficienti per
ridurre l’attività enzimatica; variazioni grandi
denaturano gli enzimi.
METABOLISMO
ENERGETICO
STORIA
• Inizi ‘800 – sviluppo della chimica organica
• 1937 – uso di isotopi radioattivi usati come
traccianti per identificare le tappe del
metabolismo intermedio
Necessità cellulare:
COSTRUIRE, DEMOLIRE, RINNOVARE
FUNZIONI DEL METABOLISMO
• Fornire energia per permettere alla cellula di
svolgere le sue attività.
• Fornire materia per la costruzione di molecole
specifiche.
• Assicurare
il
ricambio
molecolare,
permettendo alla cellula di regolare il suo
ambiente interno e le sue attività.
METABOLISMO IN SINTESI
• Ingestione di macromolecole (proteine, glucidi e lipidi)
• L’apparato digerente riduce la macromolecole in
molecole più piccole
• Le molecole piccole passano al citoplasma dove vengono
ulteriormente demolite attraverso i processi di:
– Glicolisi – degradazione del glucosio
– Fermentazione (assenza di O2)
ATP
– Respirazione cellulare (presenza di O2)
GLICOLISI
• Via metabolica antica già usata dai batteri 3,5
miliardi di anni fa.
• Si tratta del metabolismo dei glucidi e stadio
di estrazione di energia dal glucosio.
• GLICOLISI = DEGRADAZIONE DEL GLUCOSIO
GLICOLISI
• A cosa serve:
– Fonte di energia
• In anaerobiosi – 2 ATP
• In aerobiosi – 38 ATP
– Fonte di materia
• Precursore di molecole di interesse biologico (es.
Pentosi - ribosio, desossiribosio)
GLICOLISI
• Origine del glucosio:
– Alimentare – digestione dei polisaccaridi e
disaccaridi
– Metabolica – prodotta dalle cellule del fegato
• Dove avviene:
– Nel citoplasma delle cellule e avviene
CONTINUAMENTE (tessuti glucosio-dipendenti:
globuli rossi e cervello).
GLICOLISI
• É una serie di reazioni, mediante le quali il glucosio viene
trasformato in due molecole di un composto a tre atomi di
carbonio, la gliceraldeide 3-fosfato o fosfogliceraldeide (PGAl),
e successivamente in due molecole di piruvato.
• Nella prima serie di tappe, il glucosio viene trasformato in
PGAl, previo utilizzo di due molecole di ATP.
• La tappa 3 è catalizzata dall'enzima fosfofruttochinasi. Questo
meccanismo viene utilizzato dalle cellule per evitare di
produrre ATP quando non serve
GLICOLISI
GLICOLISI
FERMENTAZIONE
Processo mediante il quale organismi ricavano
energia chimica dalla demolizione parziale del
glucosio in assenza di ossigeno molecolare
(anaerobiosi)
FERMENTAZIONE
• LATTICA
– Formazione di Acido lattico – sensazione di
affaticamento da parte dei muscoli
• Casi di acidosi metabolica – insufficienza epatica o
cardiaca, ustioni, leucemie
• ALCOLICA
– Formazione di alcol etilico
• Bibite alcoliche – es: Saccaromyces cervisiae
• Panifici – lieviti – liberazione di CO2
• Formazione dell’acido acetico
FERMENTAZIONE
• Funzione nell’uomo:
– Permette ai muscoli di lavorare quando l’apporto
di O2 è insufficiente
– Permette ai globuli rossi di ricavare energia
giacché sono sprovvisti di mitocondri
• Dove avviene:
– Nel citoplasma cellulare
FERMENTAZIONE
RESPIRAZIONE CELLULARE
• Permette di estrarre dal glucosio la maggior
quantità di ATP in presenza di Ossigeno.
• Avviene nei mitocondri.
RESPIRAZIONE CELLULARE
RESPIRAZIONE CELLULARE
• In presenza di ossigeno: l’acido piruvico entra
nel mitocondrio e si pone nella matrice
mitocondriale e qui grazie agli enzimi perde il
gruppo O2
Ac. Piruvico perde:
• CO2 – decabossilazione
• H - deidrogenazione
Ac.piruvico
RESPIRAZIONE CELLULARE
• Il gruppo acetile si attacca alla grande
molecola di coenzima A (COA), quindi si
ottiene l’acetil coenzima A
Gruppo
acetile
RESPIRAZIONE CELLULARE
• Chi permette questa reazione è un’enzima
chiamata piruvato-deidrogenasi (complesso
proteico grande attivato da vitamine del
complesso B di cui la tiamina - vitamina B1 – è
particolarmente importante
RESPIRAZIONE CELLULARE
• L’acetil-CoA è molto importante perché è il
punto di convergenza del metabolismo dei
glucidi, dei lipidi e delle proteine.
• Questo acetil-CoA entra nella matrice
mitocondriale, in un ciclo di reazione che si
chiama ciclo di Krebs.
RESPIRAZIONE CELLULARE
• Il Ciclo di Krebs è una sequenza di reazioni
cicliche che ha come finalità ossidare
completamente l’acetil-CoA a CO2, prodotto di
rifiuto della cellula.
Sir Hans Adolf Krebs, vincitore del premio Nobel
per la medicina nel 1953.
RESPIRAZIONE CELLULARE
• Il ciclo di Krebs è una sorgente di energia che
si libera dalla rottura dei legami che si
uniscono agli atomi di carbonio.
• Ad ogni giro l’energia viene immagazzinata in
1 ATP, 3 di NADH e 1 di FADH2.
• Per ossidare una molecola di glucosio sono
necessari quindi 2 giri del ciclo di Krebs.
RESPIRAZIONE CELLULARE
RESPIRAZIONE CELLULARE
• Il ciclo di Krebs è sempre seguito dalla
fosforilazione ossidativa, una catena di
trasporto di elettroni.
• Questa respirazione cellulare estrae energia
da NADH e FADH2, ricreando NAD+ e FAD,
permettendo in tal modo al Ciclo di
continuare.
RESPIRAZIONE CELLULARE
Catena respiratoria o catena di trasporto degli
elettroni:
- Il NADH (proveniente dalla glicolisi,
dall’ossidazione del piruvato in acetil-CoA e dal
ciclo di Krebs) ha immagazzinato energia che per
poter essere usata dalla cellula, deve essere
convertita in ATP.
RESPIRAZIONE CELLULARE
ENERGIA PRODOTTA
Risultato in termini di ATP:
• 10 molecole da piruvato e acetil CoA
• 24 molecole da intermedi nel ciclo di Krebs
SALDO DI ATP
TOTALE
• Numero di ATP derivanti dalla glicolisi
(respirazione anaerobia) = 2
• Numero di ATP derivanti dal ciclo di Krebs
e dal sistema di trasporto di elettroni = 34
Totale (glicolisi + krebs + STE) =
36 molecole ATP in presenza di ossigeno
• L’energia che si ricava dalla completa
demolizione di una molecola di glucosio
attraverso i tre diversi stadi della respirazione
cellulare:
glicolisi --> Ciclo di Krebs --> catena di
trasporto di elettroni, è approssivamente di
38 molecole di ATP.