1 Il metabolismo cellulare 2 Zanichelli editore 2016

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Il metabolismo cellulare 2 © Zanichelli editore 2016

Che cos’è il metabolismo? Gli organismi viventi trasformano le biomolecole che si trovano negli alimenti per produrre energia e per ottenere i precursori per la sintesi di macromolecole. Questo processo di trasformazione si chiama metabolismo. Le vie metaboliche possono essere cataboliche (degradazione di molecole) o anaboliche (sintesi di molecole). 3 © Zanichelli editore 2016

Il metabolismo dei carboidrati 4 © Zanichelli editore 2016

Il catabolismo dei carboidrati: la glicolisi La glicolisi è la via catabolica che porta alla degradazione del glucosio (6 atomi di C) in piruvato (3 atomi di C). Condizioni aerobiche Glucosio Condizioni anaerobiche Glucosio Glicolisi Piruvato Fermentazione Prodotti di fermentazione Respirazione CO 2 + H 2 O 5 © Zanichelli editore 2016

Glicolisi: diverse fasi La glicolisi si divide in due fasi: • fase preparatoria – 2 molecole di ATP sono usate per produrre fruttosio 1, 6 bisfosfato; • fase di recupero energetico – produzione di 4 molecole di ATP e due molecole di piruvato. 6 © Zanichelli editore 2016

Dal piruvato all’acetil-Co. A In condizioni aerobiche, il piruvato (3 C) è trasferito nei mitocondri, dove il complesso dell’enzima piruvato deidrogenasi lo trasforma in acetil-Co. A. piruvato + NAD+ + Co. A-SH acetil-Co. A + CO 2 + NADH + H+ 7 © Zanichelli editore 2016

Il ciclo di Krebs L’acetil-Co. A entra nel ciclo di Krebs, o ciclo dell’acido citrico, dove in una serie di reazioni la molecola è ossidata a CO 2, riducendo nello stesso tempo NAD a NADH. 8 © Zanichelli editore 2016

Il ciclo di Krebs: bilancio energetico • L’ATP è prodotto indirettamente da GTP, generato quando il succinil-Co. A è idrolizzato a succinato. • Il ciclo produce agenti riducenti: 3 NADH e 1 FADH 2, che possono essere usati per la sintesi di molecole di ATP. 9 © Zanichelli editore 2016

La catena di trasporto degli elettroni NADH e FADH 2 trasferiscono elettroni a un sistema di proteine che si trovano sulla membrana interna dei mitocondri. Queste proteine costituiscono la catena di trasporto degli elettroni o catena respiratoria. 10 © Zanichelli editore 2016

La funzione della catena di trasporto degli elettroni La catena respiratoria è una sequenza di reazioni redox, durante le quali le proteine che si trovano in diversi complessi accettano elettroni e li donano subito al complesso successivo. L’ossigeno è l’accettore finale di elettroni. La catena respiratoria non genera direttamente ATP, ma produce energia sotto forma di forza proton-motrice, che sarà necessaria per la fosforilazione ossidativa. 11 © Zanichelli editore 2016

La formazione di un gradiente protonico L’ossidazione di NADH libera 2 elettroni e 2 protoni (H+). Gli elettroni entrano nella catena di trasporto, trasferiti dal complesso IV e all’ossigeno. In ogni reazione redox, si generano nuovi protoni che vengono pompati attraverso la membrana mitocondriale nello spazio intermembrana. 12 © Zanichelli editore 2016

Gradiente protonico e sintesi di ATP Alte concentrazioni di H+ da un lato della membrana creano un gradiente elettrochimico, per cui i protoni si riversano dallo scomparto a concentrazione più alta nello scomparto a concentrazione più bassa. Il flusso di protoni passa attraverso la regione F 0 del canale ATP sintasi. Questa regione attiva la subunità F 1, dove ha luogo la sintesi di ATP. 13 © Zanichelli editore 2016

Condizioni anaerobiche: la fermentazione In mancanza di ossigeno, il metabolismo dei carboidrati non segue la via della respirazione cellulare: il piruvato va incontro a fermentazione alcolica o fermentazione lattica. 14 © Zanichelli editore 2016

La fermentazione lattica Nella fermentazione lattica, il piruvato prodotto con la glicolisi è ridotto ad acido lattico. Gli elettroni necessari sono forniti da NADH + H+, generati durante la fase di recupero energetico. Glucosio Glicolisi 2 NAD+ 2 piruvato 2 NADH + H+ 2 acido lattico 15 © Zanichelli editore 2016

La fermentazione alcolica In alcuni lieviti avviene la fermentazione alcolica: il piruvato va incontro a una decarbossilazione ed è convertito ad acetaldeide, poi ridotta a etanolo grazie a NADH + H+. Glucosio Glicolisi 2 NAD+ 2 etanolo 2 piruvato 2 NADH + H+ 2 CO 2 2 acetaldeide 16 © Zanichelli editore 2016

Il metabolismo dei lipidi 17 © Zanichelli editore 2016

Il metabolismo dei lipidi: dal cibo o dalle riserve energetiche I lipidi sono importanti fonti di energia, soprattutto nei muscoli e nel fegato. Possono essere introdotti nel corpo con l’alimentazione, o possono essere presi dalle riserve energetiche delle cellule adipose. I lipidi presenti nei cibi (trigliceridi) sono assorbiti a livello dell’intestino nel flusso sanguigno, dove si spostano associati a lipoproteine, come le lipoproteine ad alta densità (HDL). Gli acidi grassi che derivano dal tessuto adiposo sono trasportati dalla proteina albumina. 18 © Zanichelli editore 2016

Il fegato e il metabolismo dei grassi Il fegato sintetizza trigliceridi, che sono trasportati alle cellule dalle proteine VLDL (very low density lipoproteins, proteine a densità molto bassa). Dopo aver consegnato i trigliceridi, diventano LDL, ricche in colesterolo. Sono assorbite dalle cellule che hanno bisogno di colesterolo per le loro membrane. L’eccesso di colesterolo nel flusso sanguigno è rimosso dalle proteine HDL (high density lipoproteins, lipoproteine ad alta densità), che lo trasportano al fegato perché sia degradato. 19 © Zanichelli editore 2016

Gli acidi grassi nei mitocondri Nei mitocondri avviene l’ossidazione degli acidi grassi. Queste molecole sono trasportate nei mitocondri grazie al trasportatore carnitina, con la formazione di acil-carnitina. Nella matrice mitocondriale, la molecola reagisce con Co. A per rilasciare l’acido grasso, con la formazione di acil-Co. A. 20 © Zanichelli editore 2016

Beta ossidazione degli acidi grassi L’ossidazione degli acidi grassi è chiamata betaossidazione. Durante il processo, le molecole di acidi grassi sono degradate per generare acetil-Co. A, FADH 2 e NADH. L’acetil-Co. A può quindi entrare nel ciclo di Krebs. 21 © Zanichelli editore 2016

Il metabolismo degli amminoacidi 22 © Zanichelli editore 2016

Il metabolismo degli amminoacidi Gli amminoacidi rappresentano un contributo minore della richiesta energetica. In caso di digiuno prolungato, il corpo può distruggere le proteine endogene (soprattutto nei muscoli scheletrici) per ricavare una fonte di energia, ma il processo può essere pericoloso per l’organismo. Gli amminoacidi forniscono precursori essenziali per la sintesi di molte molecole. 23 © Zanichelli editore 2016

La rimozione del gruppo amminico è una tappa importante nel catabolismo degli amminoacidi. Per la maggior parte degli amminoacidi, la rimozione avviene in due reazioni: • transaminazione; • deaminazione ossidativa. Il gruppo amminico è eliminato sotto forma di catione ammonio (NH 4+). 24 © Zanichelli editore 2016

Transaminazione La transaminazione avviene nel fegato, catalizzata dagli enzimi chiamati transaminasi. Il gruppo amminico è trasferito dall’amminoacido a un alfa-chetoacido (generalmente l’alfachetoglutarato), generando acido glutammico. O O R 1 HO HO NH 2 transaminasi O O + R 2 HO HO O NH 2 25 © Zanichelli editore 2016

La deaminazione ossidativa L’acido glutammico generato con la transaminazione va incontro a deidrogenazione grazie alla glutammato deidrogenasi, che rigenera l’alfa-chetoglutarato e trasforma il gruppo amminico in catione ammonio. Gli elettroni sono trasferiti a NAD+ (o NADP+). NAD(P)+ NAD(P)H + H+ acido glutammico + H 2 O alfa-chetoglutarato + NH 4+ glutammato deidrogenasi 26 © Zanichelli editore 2016

Il catione ammonio è tossico ed è eliminato dagli organismi in forme diverse. Nei mammiferi e negli anfibi, il catione ammonio è eliminato con la sintesi di urea 27 © Zanichelli editore 2016