ATP

20/12/2009
Organismi differenti utilizzano differenti modalità
per ottenere carbonio ed energia:
– carbonio:
• Gli Autotrofi usano CO2
• Gli Eterotrofi usano carbonio organico
– energia:
• I Fototrofi usano la luce
• I Chemotrofi usano carboidrati, grassi e proteine
– Tutti gli animali sono organismi Chemoeterotrofi
– Le Piante sono organismiFotoautotrofi
organismiFotoautotrofi.
L’energia:
è la capacità di dare lavoro
1
20/12/2009
CARBURANTE + O2
CO2 + H2O
L’energia chimica contenuta nelle molecole di carburante viene
convertita in energia meccanica dal motore dell’auto e quindi
utilizzata per far muovere la vettura (cioè per compiere un lavoro)
ALIMENTI + O2
CO2 + H2O
L’energia chimica contenuta nelle molecole degli alimenti viene
covertita in energia chimica dell’ATP e quindi utilizzata per i vari
tipi di lavoro necessario ai processi vitali degli organismi
2
20/12/2009
ATP
Organismo
C6H12O6 + 6O2
6CO2 + 6H2O
+ 640 Kcal/mole
Se si brucia glucosio in presenza di aria si produce solo calore (+ H2O e CO2)
Se il glucosio viene metabolizzato da un organismo aerobio, si formano ugualmente
H2O e CO2, ma una parte dell’energia in esso contenuta viene conservata sottoforma
di ATP che, a sua volta, è usato dall’organismo per produrre lavoro utile !
3
20/12/2009
Il metabolismo:
metabolismo:
• è la capacità di acquisire energia e di usarla per i fini propri
della vita
• è l’insieme di tutte le reazioni chimiche che avvengono nella
cellula
Il metabolismo è l’insieme delle reazioni chimiche che
avvengono nelle cellule
provvede a fornire alle cellule l’energia
(ATP)
necessaria per compiere ogni tipo di lavoro (meccanico,
elettrico, di trasporto di ioni e molecole attraverso le
membrane, di costruzione etc.).
permette alla cellula di disporre di tutte quelle sostanze
di base necessarie per costruire le macromolecole
(proteine, acidi nucleici, glicogeno) e gli organuli cellulari
(membrane, mitocondri, reticolo etc.)
realizza la sintesi di tutte le altre molecole necessarie
per il buon funzionamento della cellula tra cui quelle che
permettono di comunicare con altre cellule dello stesso
organismo (ormoni, trasmettitori etc.).
4
20/12/2009
Vie metaboliche
Nella cellula le vie metaboliche sono
regolate
(regolazione via feedfeed-back negativo)
5
20/12/2009
Mappa del metabolismo
(da: Kyoto Encyclopedia of
Genes and Genomes
www.genome.ad.jp/kegg)
In questa mappa, ogni punto
rappresenta un intermedio;
ogni linea rappresenta un
enzima che agisce su un
intermedio, trasformandolo in
un altro metabolita
CATABOLISMO E ANABOLISMO
I processi catabolici convertono gli alimenti
combustibili in energia cellulare:
Combustibili (carboidrati, grassi, ..)
CO2 + H2O + energia
I processi anabolici generano molecole complesse da
semplici molecole, usando l’energia:
Energia + piccole molecole
Molecole complesse
6
20/12/2009
Catabolic vs anabolic metabolic pathways
• Catabolic pathways
produce energy by
breaking down
ingested or stored
fuel molecules
• Anabolic pathways
consume energy to
build the components
of the cell
Esempi di vie cataboliche:
Composti che vengono degradati
Glicolisi
carboidrati (glucosio, fruttosio, galattosio etc.)
β -ossidazione
acidi grassi (ac. palmitico, ac. stearico etc.)
Glicogenolisi
glicogeno
Ciclo di Krebs
acetile (CH3CO; entra nel ciclo come acetilacetil-CoA)
Esempi di vie anaboliche
Composti che vengono costruiti
Gluconeogenesi
carboidrati (glucosio)
Biosintesi degli acidi grassi
acidi grassi (ac. palmitico.)
Biosintesi del colesterolo
steroidi
Biosintesi proteica
proteine
Biosintesi dei polinucleotidi
DNA; RNA
Biosintesi delle porfirine
eme
Biosintesi dei trigliceridi
grassi di riserva
Biosintesi dei fosfolipidi
lipidi di membrana
7
20/12/2009
CARBOIDRATI
+ O2
GRASSI
PROTEINE
(NAD, FAD, NADP)
PROTEINE
LIPIDI
POLISACCARIDI
DNA, RNA
CATABOLISMO
ADP + Pi
ATP
ANABOLISMO
CO2 + H2O + NH4+
(NADH, FADH2, NADPH)
AMINO ACIDI
ACIDI GRASSI
MONOSACCARIDI
BASI AZOTATE
IL METABOLISMO
8
20/12/2009
Se due reazioni hanno un composto in comune, le
le
variazione di energia libera si possono sommare
1)
A
B
∆G1’0
2)
B
C
∆G2’0
somma
A
C
∆G1’0 + ∆G2’0
9
20/12/2009
Le reazioni chimiche coinvolte nel metabolismo possono essere
distinte in endoergoniche ed esoergoniche
Le reazioni chimiche endorgoniche per avvenire richiedono la
presenza di composti energetici
Il composto energetico più importante è l' ATP formato da una
base purinica, l'adenina, e da un pentoso, il DD-ribosio.
Al ribosio sono legate 3 molecole di acido fosforico: la prima
con un legame di estere, e le altre 2 con legami anidridici ad alto
contenuto energetico.
Adenina
Idrolisi
Gruppi
fosfato
Ribosio
Energia
+H2O
•
Questa è la reazione che fornisce
energia per il lavoro cellulare
ATP
10
20/12/2009
Bioenergetica
Le principali vie di utilizzazione dell’ATP
Attivazione dei substrati (accopiamento dell’idrolisi dell’ATP
con reazioni endoergoniche)
Strutturazione nativa (Folding) delle proteine
Gradienti di concentrazione ai due lati di una membrana
(pompe iniche di membrana, as es. pompa sodio-potassio)
Contrazione muscolare
Ogni altro tipo di lavoro cellulare
11
20/12/2009
Proteins
Fats
ATP needed to
drive biosynthesis
KREBS
CYCLE
GLUCOSE SYNTHESIS
Acetyl
CoA
Pyruvic
acid
G3P
Glucose
Amino
groups
Amino acids
Fatty acids Glycerol
Sugars
Proteins
Fats
Polyscaccharides
Cells, tissues, organisms
12
20/12/2009
CATABOLISMO
13
20/12/2009
1a fase: idrolisi (o altri tipi di biodegradazione)
in questa fase i carboidrati complessi (amido) diventano carboidrati
semplici (glucosio) .
I lipidi complessi (trigliceridi) si trasformano in acidi grassi e glicerolo.
Le proteine si trasformano in amino acidi)
2a fase: catabolismo intermedio
β -ossidazione per gli acidi grassi
vie metaboliche particolari per ogni amino acido.
glicolisi per il glucosio e altri carboidrati
In questa fase le sostanze vengono ossidate e trasformate,
direttamente o indirettamente, in acetil-coenzima-A. Vengono anche
formate molecole di coenzimi ridotti come NADH e FADH2
3a fase:
catabolismo terminale (ciclo di Krebs)
nel ciclo di Krebs, il gruppo acetile (CH
CH3CO
CO--)
contenuto nell’acetil-CoA viene ossidato a CO2 ed i
suoi elettroni vengono trasferiti ai coenzimi NAD e FAD
formando numerose molecole di NADH e FADH2)
NADH e FADH2 sono coenzimi trasportatori di elettroni : cedono
gli elettroni estratti dai metaboliti alla catena respiratoria
mitocondriale allo scopo di produrre ATP con il processo della
fosforilazione ossidativa.
La catena respiratoria trasferisce anche gli elettroni ricevuti
all’ossigeno ( O2 ) che viene trasformato in H2O
14
20/12/2009
CATABOLISMO
ATP
NADH
NADH
FADH2
NADH
FADH2
NADH
NADH
NADH
FADH2
NADH
ATP
15