Il metabolismo cellulare
L’obesità è problema sanitario e sociale
Tessuto adiposo
bianco e bruno
È tutta una questione di energia:
Se si assumono più molecole energetiche di
quelle che ci servono per costruire il nostro corpo
e l’attività fisica e cerebrale, l’energia in eccesso
viene immagazzinata sotto forma di grasso
Evolutivamente è un vantaggio perché l’energia
accumulata nei legami C-C e C-H del grasso può
essere utilizzata nei periodi di cibo scarso.
Ma l’eccesso di grasso ha conseguenze negative
Le cellule del grasso bruno sintetizzano la
proteina UCP1 (proteina disaccoppiante 1, o
termogenina) – si inserisce nelle membrane
interne dei mitocondri, rendendole
permeabili a H+.
Non si produce più ATP, ma calore
Fonti di energia in biologia
Le leggi della termodinamica
I – l’energia non può essere creata né distrutta
II – dopo una trasformazione energetica, parte dell’energia non è più disponibile per compiere lavoro
(energia libera diminuisce e l’energia non utilizzabile (disordine molecolare) aumenta)
aumento dell’entropia
Gli organismi viventi (le cellule) generano ordine, ma questo richiede un utilizzo continuo di energia
Gli organismi viventi sono complessi, donde la necessità di prelevare dall’ambiente esterno
materia (per sintetizzare nuove molecole) ed energia (per compiere lavoro).
- L’energia e la materia non si creano e non si distruggono, possono solo essere
trasformate.
- Vi è un flusso di materia ed energia. Se questo flusso si arresta, si ha la morte (della
cellula o dell’organismo).
- I due processi di utilizzazione di materia ed energia sono correlati tra loro: gli organismi
viventi sono “macchine” che funzionano ad “energia chimica”.
- Negli organismi viventi si verificano molte reazioni chimiche (metabolismo; enzimi).
Introduzione al metabolismo
La cellula necessita di energia
chimica dall’ambiente sotto forma
di nutrienti, che mediante reazioni
chimiche trasforma in energia
utilizzabile per creare l’ordine
(processi di biosintesi)
Vie cataboliche demolizione delle
molecole nutrienti che produce
energia sotto forma sia di calore
(che viene dissipato), sia di nuovi
legami chimici in molecole che
accumulano energia utilizzabile
dalla cellula (es. ATP)
Vie anaboliche sintetizzano
macromolecole a partire delle unità
strutturali base quali aminoacidi,
nucleotidi, etc., utilizzando energia
prodotta dal catabolismo
Le relazioni tra i processi metabolici
Le reazioni chimiche liberano o assorbono energia:
reazioni esoergoniche e endoergoniche
Reazione esoergonica: perdita netta di
energia libera (prodotti hanno meno
energia dei reagenti) – la reazione
procede spontaneamente
Reazione endoergonica: guadagno
netto di energia libera (prodotti hanno
più energia dei reagenti) – la reazione
non procede spontaneamente
L’ idrolisi di ATP libera energia
L’ATP è la «valuta» energetica della
cellula.
L’idrolisi dell’ATP in ADP e Pi è una
reazione esoergonica che produce una
variazione di energia libera (ΔG) di ca -7,3
kcal/mole (ca -30 kJ/mole)
+ energia libera
L’ ATP accoppia reazioni endoergoniche e esoergoniche
Un esempio di accoppiamento di reazione eso e endoergonica
Il trasferimento di energia nelle reazioni redox
L’energia non è trasferita solo attraverso il
gruppo fosfato dell’ATP, ma anche mediante il
trasferimento degli elettroni
Ossidazione: processo chimico in cui una
sostanza perde elettroni
Riduzione: processo chimico con cui una
sostanza acquista elettroni
Sostanza che si ossida, insieme ad elettroni
rilascia energia
Sostanza che si riduce, riceve energia
acquistando elettroni
Reazioni redox avvengono spesso in
serie. Es. nella respirazione cellulare
Trasportatori di elettroni trasferiscono
atomi di idrogeno
NAD+ è una delle più comuni molecole
accettrici di è- nei processi cellulari
Gli enzimi
Le reazioni da cui dipende la vita si svolgono spontaneamente a velocità così ridotte che le
cellule non potrebbero sopravvivere se non avessero il modo di accelerarle
Catalizzatori: sostanze che aumentano la velocità di reazione.
La maggior parte dei catalizzatori biologici sono proteine: gli enzimi
Per accelerare una reazione, un enzima
abbassa l’energia di attivazione (Ea)
Reazione catalizzata da enzimi
Complesso enzima-substrato
L’enzima è inalterato alla fine della reazione di catalisi
La struttura molecolare determina la funzione enzimatica
Il sito attivo è specifico per il substrato
L’enzima cambia forma quando si lega al substrato
Le molecole di substrato si avvicinano tra loro nei siti di legame e possono così
reagire più velocemente
Adattamento indotto: l’enzima si modifica quando il substrato si avvicina
Interazioni ES modifica anche forma del substrato, condizione favorevole per rottura e/o
formazione nuovi legami – S si trasforma in P che si stacca dall’enzima
Come funzionano gli enzimi
diverse conseguenze alla
formazione del complesso
enzima-substrato
Enzimi catalizzano reazioni in cui si formano o si rompono legami covalenti
Alcuni esempi
Proteasi: degradano proteine
Chinasi: aggiungono gruppi fosfato
Fosfatasi: rimuovono gruppi fosfato
ATPasi: idrolizzano ATP
Alcuni enzimi richiedono altre molecole (non proteiche) per funzionare
Gruppi prostetici – atomi o aggregati
molecolari (non amminoacidici) legati
in modo permanente agli enzimi
Cofattori inorganici – ioni come Cu, Zn
e Fe legati in modo permanente agli
enzimi
Coenzimi – piccole molecole organiche
necessarie per l’azione di uno o più
enzimi, si legano solo
temporaneamente.
Non esiste una distinzione chiara tra la funzione dei coenzimi e dei substrati…. Es. ATP.
Alcuni coenzimi derivano dalle vitamine
La concentrazione del substrato influenza la velocità di reazione
Mantenimento dell’omeostasi
cellulare attraverso reazioni
chimiche parte di vie metaboliche
Nelle vie metaboliche gli enzimi
sono organizzati in complessi
enzimatici
Modalità per regolare le vie
metaboliche
1- modifica dell’espressione genica
2- attivazione/disattivazione
(inibizione) degli enzimi già
presenti
Regolazione dell’attività enzimatica
- Concentrazione dell’enzima e del substrato
- Inibizione retroattiva (a feedback)
- Attivazione dell’enzima (sito attivo assume
una conformazione adatta al substrato per
azione di pH, ioni o aggiunta di gruppi P
- Inibizione per interazione con sito allosterico
(regolatori allosterici)
Inibizione
allosterica della
protein-chinasi
Inibizione enzimatica da parte di agenti chimici
Inibizione enzimatica
Reversibile
Inibizione
competitiva
Inibizione
non competitiva
Irreversibile
Le vie metaboliche che rilasciano energia nelle cellule…
Molti procarioti e tutti gli
eucarioti ottengono energia dai
composti nutritivi prodotti dalla
fotosintesi.
Trasformano questi composti in
glucosio per catturare energia
nelle molecole di ATP
… sintesi di ATP
L’estrazione dell’energia chimica
- Il combustibile chimico più diffuso è il glucosio.
- Altri carboidrati, grassi e proteine possono fornire energia all’organismo, ma devono
prima essere convertiti in glucosio o in altri composti intermedi del metabolismo del
glucosio
Come le cellule ottengono energia dal glucosio
Riduzione
Ossidazione
Il processo redox che trasferisce elettroni dell’idrogeno del glucosio all’ossigeno è
complesso e avviene attraverso numerosi passaggi. Energia libera degli elettroni è
utilizzata per produrre ATP.
Respirazione aerobica
In realtà la respirazione cellulare non è una singola reazione, ma una serie di reazioni
a catena che produce fino a 38 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio
Il coenzima NAD+ è un
trasportatore di elettroni
fondamentale nelle reazioni
redox
Differenti combinazioni di diverse vie metaboliche per ricavare energia dal glucosio
In presenza di O2 come accettore finale di elettroni,
sono attive 4 vie metaboliche:
- Glicolisi
- Ossidazione del piruvato
- Ciclo di Krebs (o dell’acido citrico)
- Trasporto di e-/sintesi di ATP (catena respiratoria)
La respirazione aerobica si può suddividere in 4 fasi
che avvengono in compartimenti diversi della cellula
La glicolisi avviene nel citosol
Il glucosio si ossida parzialmente, formando 2
molecole di piruvato, e si libera una parte
dell’energia (produzione netta di 2 ATP + 2NADH)
La glicolisi non richiede O2, può avvenire in
condizioni sia aerobiche sia anaerobiche
Il piruvato entra nei mitocondri e viene
convertito in acetilCoA
Decarbossilazione ossidativa
Rimozione di un gruppo carbossilico sotto forma di
CO2 da ciascun piruvato.
Residuo a 2 C viene ossidato, con produzione di 2
NADH
Formazione di un gruppo acetile che si lega a
coenzima A, dando origine a acetil CoA (legame
instabile mediato da S che consente trasferimento di gruppo
acetile ad altra molecola)
Serie complessa di reazioni catalizzata da un
complesso multienzimatico: piruvato deidrogenasi
(composto da 72 catene polipetidiche, associato a membrana
mitocondriale interna)
Con la conversione piruvato-acetil CoA si sono prodotte
2 CO2 e 2 NADH
Bilancio energetico di glicolisi + conversione piruvato-acetil CoA
= 2 ATP + 4 NADH
Il ciclo dell’acido citrico
(o di Krebs o degli acidi tricarbossilici)
avviene nella matrice mitocondriale e
ossida l’acetil CoA
L’acetil CoA (2C), attraverso una caterna
di reazioni, viene demolito a CO2, con
produzione di piccola quantità di ATP
Energia di rottura dei legami catturata da
NAD (> NADH) e da un secondo
trasportatore di e-, FAD (flavin adenin
dinucleotide) (> FADH2)
Bilancio del ciclo di Krebs per ogni
molecola di glucosio
4 CO2, 6 NADH, 2 FADH2, 2 ATP
Finora sono state prodotte solo 4 ATP (2 nella glicolisi e 2 nel ciclo di
Krebs) per fosforilazione a livello di substrato… e il glucosio (6C) di
partenza risulta completamente catabolizzato per perdita di 2CO2
nella conversione da piruvato a acetil CoA e 4 CO2 nel ciclo di Krebs
La maggior parte dell’energia estratta dal glucosio a questo punto si
trova accumulata nei NADH e nei FADH2
Questa energia sarà utilizzata per produrre ATP nella catena di
trasporto degli e- e nella chemiosmosi
La catena di trasporto degli elettroni
- Localizzata sulla membrana mitocondriale interna
- L’ossigeno è accettore finale di elettroni che «scorrono»
lungo una «catena di trasporto» costituita da proteine
(complessi enzimatici)
L’energia liberata ad ogni passaggio sulla catena viene
utilizzata per pompare ioni H+ nello spazio
intermembrana (si genera un gradiente di protoni a
cavallo della membrana mitocondriale interna)
Gli esperimenti di Mitchell
dimostrarono la capacità delle
membrane di batteri posti in un mezzo
acido (ricco di H+) di produrre ATP.
Alla fine della catena respiratoria si
trova l’ATP sintasi.
Un complesso enzimatico che
funziona come un «motore
molecolare» e che sfrutta l’energia
accumulata nel gradiente di H+ per
sintetizzare ATP da ADP+Pi (reazione
endoergonica)
In questa fase (catena respiratoria e
chemiosmosi), la sintesi di ATP è
accoppiata al trasporto di elettroni
Fosforilazione ossidativa
Veleni come il cianuro e il monossido di
carbonio sono mortali perché bloccano la
catena di trasporto degli elettroni verso
l’ossigeno. L’energia contenuta negli alimenti
non può essere trasformata in energia
sufficiente (l’ATP prodotta dalla glicolisi non è
sufficiente) e le attività cellulari si arrestano.
Resa energetica del catabolismo
di una molecola di glucosio
mediante respirazione aerobica
Gli esseri umani (e molti animali)
estraggono maggiore energia
dall’ossidazione degli acidi grassi
che dal glucosio
(ossidazione completa di ac. grasso a 6C
produce 44 ATP)
Aminoacidi sono metabolizzati per
deaminazione, con produzione di urea, e
formazione di composti che entrano nella
respirazione aerobica a livello della glicolisi
o del ciclo dell’acido citrico, a seconda degli
aa.
Fosfolipidi sono scissi in glicerolo e ac.
Grassi. Glicerolo convertito in G3P entra
nella glicolisi; ac. Grassi subiscono Bossidazione, formando gruppi acetile che
vengono convertiti in acetil CoA
Animazioni utili allo studio
Respirazione cellulare
http://www.youtube.com/watch?v=-Gb2EzF_XqA
Virtual Cell Animation Collection
http://vcell.ndsu.nodak.edu/animations/proteintrafficking/movieflash.htm
(x animazioni su metabolismo cellulare, mitosis, meiosis, trascrizione, traduzione)
