IL CATABOLISMO DEL GLUCOSIO Il glucosio costituisce la principale fonte energetica degli organismi viventi: quando il glucosio viene ossidato nel processo metabolico i prodotti di reazione sono diossido di carbonio e acqua oltre all’energia che viene rilasciata.Il glucosio viene parzialmente ossidato in tutti gli organismi attraverso la glicolisi, la via che dà inizio al catabolismo del glucosio, in cui il monosaccaride viene scisso i due molecole di piruvato (acido piruvico), composto a tre atomi di carbonio. Poi è ulteriormente catalizzato attraverso la respirazione cellulare (in presenza di ossigeno) o la fermentazione (in assenza di ossigeno). Con la respirazione cellulare il piruvato si ossida formando H 2O e CO2 e il rendimento energetico è massimo; invece con la fermentazione la demolizione del glucosio è incompleta, infatti il piruvato viene trasformato in acido lattico o etanolo e CO 2; il rendimento energetico, in questo caso, è minimo. LA GLICOLISI La glicolisi si svolge nel citoplasma di tutte le cellule e comprende 10 reazioni, ognuna catalizzata da uno specifico enzima. Durante la glicolisi si verifica l'ossidazione incompleta del glucosio con formazione di due molecole di piruvato e liberazione di energia chimica sotto forma di ATP e NADH. La glicolisi si può dividere in due fasi: UNA FASE ENDOERGONICA per avviare la reazione è necessario fornire energia sotto forma di due molecole di ATP (reazioni di innesco). Nella prima tappa il glucosio si fosforilizza (reazione di fosforilazione) in glucosio 6-fosfato; qui viene utilizzato il primo ATP, cioè avviene la prima reazione di innesco. Si ha l’isomerizzazione del glucosio 6-fosfato in fruttosio-6-fosfato Successivamente il fruttosio-6-fosfato si fosforilizza in fruttosio 1,6-fosfato; qui viene utilizzato il secondo ATP, cioè avviene la seconda reazione di innesco. Il fruttosio 1,6-fosfato si scinde in gliceraldeide-3-fosfato e diidrossiacetone. Visto che il diidrossiacetone fosfato non può essere demolito nelle reazioni successive viene isomerizzato a gliceraldeide-3-fosfato. Come prodotti finali della fase endoergonica abbiamo due molecole di gliceraldeide-3-fosfato UNA FASE ESOERGONICA le due molecole di gliceraldeide attraverso una serie di reazioni, vengono trasformate in due molecole di piruvato con rilascio di 4 ATP e due NADH. Ciascuna molecola di glucosio è ossidata in due molecole di piruvato. Nella prima fase sono state consumate 2 molecole di ATP; nella seconda si producono 4 ATP. Il bilancio energetico è di 2ATP e 2NADH. FERMENTAZIONE La fermentazione è un processo anaerobico in cui il glucosio viene degradato in altri composti organici. Avviene tipicamente nei batteri e lieviti ma può avvenire anche nell'uomo (la fermentazione lattica) in condizioni di anaerobiosi. I processi di fermentazione dei batteri e lieviti sono molto utilizzati in campo industriale per la produzione di bevande, come birra, vini o alimenti come yogurt, cibi fermentati. Sono inoltre utilizzati per la produzione di carburanti, solventi e altri composti chimici. A seconda dei prodotti finali esistono numerosi tipi di fermentazioni, le principali sono: LA FERMENTAZIONE LATTICA in cui il piruvato, grazie all’enzima lattato deidrogenasi, viene convertito in lattato (acido lattico) in un solo passaggio ripristinando il NAD+. Nell’uomo la fermentazione lattica avviene nel muscolo in seguito a sforzi fisici intensi; in questa situazione il circolo sanguigno non fornisce una quantità d’ossigeno sufficiente a ossidare il piruvato e il NADH prodotto dalla glicolisi. Il muscolo utilizza la sua riserva di glucosio per produrre ATP mediante la fermentazione, con il lattato come prodotto finale. LA FERMENTAZIONE ALCOLICA che produce etanolo e CO2. Al termine della glicolisi il piruvato viene decarbossilato ad acetaldeide grazie all’enzima piruvato decarbossilasi con liberazione di anidride carbonica. Successivamente, grazie all’enzima alcol deidrogenasi l’acetaldeide viene ridotta ad etanolo e il NADH viene ossidato a NAD+. La fermentazione alcolica è utilizzata in numerosi processi industriali tra cui la produzione di bevande alcoliche, la produzione dell’etanolo e biocarburanti, la lievitazione di pane e impasti. I principali organismi utilizzati sono batteri e lieviti. LA RESPIRAZIONE CELLULARE In presenza di ossigeno il piruvato, prodotto dalla glicolisi, viene ossidato in H 2O E CO2; questa fase costituisce la respirazione cellulare. Essa avviene nei mitocondri. I mitocondri sono organuli formati da una doppia membrana: la membrana esterna, permeabile a piccole molecole e ioni, e la membrana interna, ripiegata a formare dalle creste, è invece impermeabile alle molecole di piccole dimensioni e agli ioni. Tra queste due membrane si creano spazio detto spazio intermembrana. La membrana interna, invece, racchiude la matrice, in cui sono presenti i ribosomi, gli enzimi e le molecole di DNA mitocondriale. La respirazione cellulare comprende tre vie metaboliche: LA DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA: il piruvato entra nella matrice mitocondriale dove, grazie al piruvato deidrogenasi viene ossidato in acetile con liberazione di una molecola di CO2 e la riduzione di una molecola di NAD+ in NADH; l’acetile si legherà al coenzima-A per produrre acetil-coenzima-A. Complessivamente si otterranno due CO2, 2NADH e 2 acetil-coenzima-A. La piruvato deidrogenasi è un enzima importante nel nostro metabolismo; una sua alterazione può provocare danni al cervello, che dipende dall' ossidazione del glucosio per la sua sopravvivenza. IL CICLO DI KREBS o ciclo dell'acido citrico (chiamato così perché inizia e si conclude con questa molecola) è costituito da 8 reazioni ognuna catalizzata da un enzima specifico: Il ciclo inizia con il legame tra l’acetil-coenzima-A e l'ossalacetato con formazione del citrato (6 atomi di carbonio). Dal citrato seguiranno una serie di reazioni che alla fine porteranno alla formazione dell’ossalacetato. Alla fine, si ha la formazione di tre molecole di NADH, una molecola di FADH 2, una di ATP (GTP che poi diventa ATP) e due molecole di CO2. Dato che per ogni molecola di glucosio che entra nella glicolisi produce due molecole di piruvato, che poi vengono ossidate a due molecole di acetil-coenzima-A, il ciclo si compie due volte. Il bilancio complessivo è 6 NADH, 2FADH2, 2ATP e 4CO2. LA FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA è l'ultima tappa della respirazione cellulare. Tale processo ha inizio con l'ingresso degli elettroni conservati dai coenzimi NAD e FAD nella catena respiratoria mitocondriale che si trova nella membrana interna del mitocondrio. La catena respiratoria è paragonabile a un processo a cascata in cui gli elettroni passano attraverso una serie di Trasportatori di elettroni fino ad arrivare all'ossigeno. Trasportatori di elettroni possono avere natura chimica molto diversa possono essere: le flavoproteine che contengono un cofattore flavinico in grado di accettare o cedere due elettroni; il coenzima P o l’ubichinone, un derivato del benzene; i citocromi proteine con un gruppo Eme contenente ferro; le proteine Ferro-zolfo che presentano atomi di ferro associati ad atomi di zolfo. Trasportatori di elettroni sono organizzati in quattro grandi complessi proteici distinti in: complesso I, complesso II, complesso III e complesso IV. Gli elettroni provenienti dal NADH entrano nella catena di trasporto a livello del complesso I (2,5 ATP) invece gli elettroni provenienti da FADH entrano il livello del complesso II (1,5 ATP). Il trasferimento di elettroni lungo la catena respiratoria è accompagnato da un trasferimento di protoni, dalla matrice verso lo spazio intermembrana. Questo genera: un gradiente chimico dovuto alla differenza di concentrazione di protoni ai due lati della membrana mitocondriale interna; un gradiente elettrico generato dalla diversa distribuzione delle cariche positive dei protoni. Insieme questi costituiscono la forza Proton-motrice che tende a spingere i protoni verso la matrice mitocondriale. Dato che la membrana mitocondriale interna è impermeabile ai protoni, per attraversarla questi devono passare attraverso un complesso proteico chiamato ATP sintasi; L'ATP sintasi è composta da due parti: l'unità F0, che forma il canale per i protoni e l’unità F1 che ruota nella matrice mitocondriale; la rotazione della regione F1 consente la sintesi dell'ATP esso agisce da canale permettendo ai protoni diffondere di nuovo nella matrice e utilizza l’energia di questa diffusione per formare ATP. L'accoppiamento tra la forza proton-motrice e la sintesi dell'ATP è detto chemiosmosi e avviene in tutte le cellule che respirano. La sintesi dell'ATP è una reazione reversibile: se la reazione procede verso destra viene rilasciata energia libera che nel mitocondrio è impiegata per trasferire gli H + fuori della matrice; se la reazione procede verso sinistra l'energia liberata dalla diffusione di H+ è impiegata per formare ATP. Il rendimento energetico, con la respirazione cellulare, è massimo: circa 32 ATP. Una resa così elevata è dovuta al fatto che, grazie alla chemiosmosi si ottengono 2,5 molecole di ATP per ogni molecola di NADH e 1,5 molecole di ATP per ogni molecola di FADH2 che entra nella catena respiratoria. METABOLISMO DEI CARBOIDRATI Glucosio → soggetto di diversi altri processi: via dei pentoso fosfati: produce il coenzima NADPH = agente riducente che trasforma gli zuccheri esosi in pentosi (es: ribosio e desossiribosio) glicogenosintesi: trasforma il glucosio in glicogeno = riserva di energia nei muscoli o nel fegato glicogenolisi: demolisce il glicogeno per riportarlo sotto forma di glucosio nel momento di bisogno es: quando le cellule muscolari hanno bisogno di maggiore energia per un’attività intensa gluconeogenesi: ricava glucosio da precursori come il lattato, il piruvato e alcuni amminoacidi, con lo scopo di regolare il livello di glicemia durante uno sforzo elevato o a digiuno Glicolisi / via dei pentoso fosfati / fermentazione glicogenosintesi PIRUVATO / GLICOGENO LATTATO / GLUCOSIO glicogenolisi gluconeogenesi ETANOLO METABOLISMO DEI LIPIDI Trigliceridi: - 3 catene di acidi grassi + glicerolo Si accumulano nel tessuto adiposo Sono fonte di energia (per la presenza del glicerolo) Lipolisi: (a digiuno) processo che demolisce i trigliceridi permettendo il ricavo di energia dai grassi: o Glicerolo → usato dal fegato nella glicolisi o Acidi grassi → vengono rilasciati dal fegato in tutte le cellule dell’organismo, dove vengono demoliti - ossidazione: processo di demolizione degli acidi grassi che avviene nei mitocondri delle cellule e porta alla formazione di: o o acetil-CoA → usato in due modi: viene immesso nel ciclo di Krebs per essere ossidato a CO2 viene trasformato dal fegato in corpi chetonici = molecole utilizzate dal cervello come fonte di energia durante il digiuno (es: acetoacetato) NADH e FADH2 → usati nella catena respiratoria per cedere elettroni ai trasportatori Liposintesi: (dopo i pasti) processo che consuma energia per sintetizzare acidi grassi a partire da acetil-CoA e NADPH: il fegato trasforma i carboidrati che ingeriamo in acidi grassi per le riserve energetiche = vengono poi usati per formare i trigliceridi del tessuto adiposo (anche il colesterolo è sintetizzato dal fegato → biosintesi del colesterolo) METABOLISMO DEGLI AMMINOACIDI (catabolismo) Ione ammonio (NH4+) = composto tossico che non può accumularsi nel nostro organismo catabolismo degli amminoacidi = eliminazione del gruppo amminico NH2 ciclo dell’urea: processo che trasforma lo ione ammonio in urea eliminabile con le urine in questo modo l’amminoacido può essere degradato per produrre: Acetil-CoA → usato nel ciclo di Krebs Intermedi per la sintesi del glucosio Corpi chetonici Regolazione della glicemia Glicemia = concentrazione di glucosio nel sangue (min. 65 – max. 110 mg/dL) Glicemia < 65 ipoglicemia = insufficiente apporto di glucosio al cervello Es: in condizione di digiuno prolungato → il nostro organismo ha dei meccanismi fisiologici che controllano l’ipoglicemia, ma questa non può scendere sotto i 45 Glicemia > 110 iperglicemia Es: iperglicemia transitoria subito dopo i pasti (si ristabilisce dopo circa 2 ore) Sopra i 126 → diabete mellito, che in età giovanile si può curare con l’insulina In generale: i livelli di glicemia vengono controllati strettamente dal pancreas che produce 2 ormoni con funzioni opposte Insulina = proteina di 51 amminoacidi → funzioni: 1. Ipoglicemizzante = controlla il glucosio nel sangue 2. Lipogenetica = controlla l’accumulo di grassi nel tessuto adiposo 3. Anabolizzante = controlla la sintesi delle proteine muscolari funziona principalmente in condizioni di iperglicemia (es: dopo i pasti) Glucagone = polipeptide di 29 amminoacidi → funzioni: 1. Iperglicemizzante = promuove l’immissione di glucosio nel sangue da parte del fegato 2. Lipolitica = mobilizza i grassi del tessuto adiposo 3. Chetonica = promuove la chetogenesi = produzione di corpi chetonici funziona principalmente in condizioni di ipoglicemia (es: lontano dai pasti)
