Le biochimica CAPITOLO 7 Indice Il metabolismo cellulare

Le biochimica CAPITOLO 7 Indice Il metabolismo cellulare 1. Il metabolismo dei carboidrati 2. La glicolisi 3. Il ciclo di Krebs (o ciclo dell’acido citrico) 4. Trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa 5. Il controllo della glicemia 6. Via del pentoso fosfato 7. Gluconeogenesi 8. I lipidi: fonte di energia 9. Biosintesi degli acidi grassi (o lipogenesi) 10. Biosintesi dei trigliceridi e dei fosfolipidi 11. Catabolismo dei trigliceridi (lipidi) 12. Biosintesi del colesterolo 13. Sintesi dei corpi chetonici 14. Metabolismo degli amminoacidi Mappa concettuale © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 1

Il metabolismo cellulare CAPITOLO 7. LA BIOCHIMICA La cellula svolge una serie di processi chimici per le sue funzioni vitali che prendono il nome di metabolismo. Il metabolismo si compone di due serie di reazioni: • Catabolismo, in cui molecole complesse sono degradate a molecole semplici. In questi processi distruttivi (glicolisi, fermentazioni, respirazione cellulare) si ha produzione di energia. • Anabolismo, in cui molecole complesse sono formate da molecole semplici con un consumo di energia (sintesi delle proteine, fotosintesi). © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2

1 Il metabolismo dei carboidrati CAPITOLO 7. LA BIOCHIMICA Un posto importante nella dieta dell’uomo e degli animali è occupato dai carboidrati che forniscono circa il 50% dell’energia introdotta. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 3

2 La glicolisi CAPITOLO 7. LA BIOCHIMICA La glicolisi è il processo principale con cui gli organismi demoliscono il glucosio per ricavarne energia. Tutte le reazioni si verificano nel citosol e sono catalizzate da enzimi specifici, che possono essere debolmente legati a strutture cellulari come le membrane. Nella glicolisi si ha la conversione di una molecola di glucosio in due molecole di acido piruvico che, nelle condizioni fisiologiche, si presenta nella forma di ione piruvato, CH 3 – COO–. L’energia che viene liberata è conservata come ATP. La reazione complessiva della glicolisi è così rappresentata: © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 4

2 La glicolisi CAPITOLO 7. LA BIOCHIMICA u Le fermentazioni: metabolismo anaerobico del piruvato In condizioni anaerobiche o in difetto di ossigeno, il piruvato viene convertito mediante fermentazione in un prodotto finale ridotto che nel muscolo è il lattato (fermentazione anaerobica omolattica), mentre in presenza di lieviti in etanolo e CO 2 (fermentazione anaerobica alcolica). Il percorso completo, che include la glicolisi e la riossidazione di NADH, è chiamato fermentazione. La reazione complessiva della fermentazione lattica può essere così rappresentata: Glucosio Lattato + 2 H+ © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 5

3 Il ciclo di Krebs (o ciclo dell’acido citrico) CAPITOLO 7. LA BIOCHIMICA Il piruvato, prodotto nella glicolisi, è una delle poche molecole in grado di attraversare la membrana mitocondriale. Il complesso delle reazioni metaboliche aerobiche, che si verificano nella matrice dei mitocondri, per mezzo delle quali si ha demolizione del piruvato in CO 2, prende il nome di ciclo di Krebs o ciclo dell’acido citrico. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 6

3 Il ciclo di Krebs (o ciclo dell’acido citrico) u CAPITOLO 7. LA BIOCHIMICA Schema semplificato © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 7

4 Trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa CAPITOLO 7. LA BIOCHIMICA Con la glicolisi, l’ossidazione del piruvato ad acetil-Co. A e il ciclo di Krebs vengono prodotte per molecola di glucosio solo 4 molecole di ATP ed, inoltre, 10 molecole di NADH e 2 molecole di FADH 2. L’ossidazione di NADH e di FADH 2 da parte dell’ossigeno è esotermica e si verifica secondo le due reazioni: NADH + H+ + ½ O 2 NAD+ + H 2 O ∆G° = − 220 k. J/mol FADH 2 + ½ O 2 FAD + H 2 O ∆G° = − 152 k. J/mol u Trasporto elettronico Il trasferimento degli elettroni da NADH ad O 2 avviene mediante una serie di reazioni redox (catena di trasporto degli elettroni). u Fosforilazione ossidativa La differente concentrazione di H+ (gradiente protonico) che si viene a creare ai due lati della membrana mitocondriale costituisce energia disponibile per la sintesi di ATP. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 8

5 Il controllo della glicemia CAPITOLO 7. LA BIOCHIMICA Il fegato svolge la funzione di mantenere a valori costanti la concentrazione di glucosio nel sangue. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 9

6 Via del pentoso fosfato CAPITOLO 7. LA BIOCHIMICA Nella glicolisi la demolizione ossidativa dei carboidrati serve a fini energetici, cioè per formare ATP e NADH. Una via alternativa del metabolismo dei carboidrati è l’ossidazione del glucosio-6 -fosfato attraverso le reazioni della via del pentoso fosfato. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 10

6 Via del pentoso fosfato CAPITOLO 7. LA BIOCHIMICA Questa via metabolica, che avviene a livello del citoplasma, ha notevole importanza biologica perché porta alla formazione del ribosio-5 -fosfato, uno zucchero a 5 atomi di carbonio, necessario per la sintesi dei nucleotidi e di NADPH che rappresenta la principale fonte di elettroni in molti processi riduttivi, quali la biosintesi degli acidi grassi, del colesterolo e degli ormoni steroidei. In seguito alle reazioni della via del pentoso fosfato, la cellula produce una molecola di ribosio-5 -fosfato e 2 molecole di NADPH per ogni molecola di glucosio-6 -fosfato: glucosio-6 -P + 2 NADP+ ribosio-5 -P + CO 2 + 2 NADPH + 2 H+ © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 11

7 Gluconeogenesi CAPITOLO 7. LA BIOCHIMICA Con il nome gluconeogenesi (in senso letterale nuova sintesi di glucosio) s’intende la formazione di glucosio da molecole non saccaridiche. Questo processo, che si verifica prevalentemente nel fegato, si innesca quando una dieta è totalmente priva di glucidi. Le sostanze non saccaridiche si possono trasformare in glucosio sono il lattato, il piruvato, e molti amminoacidi. Questi composti devono essere convertiti in ossalacetato, che rappresenta il punto di partenza della gluconeogenesi. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 12

8 I lipidi: fonte di energia CAPITOLO 7. LA BIOCHIMICA I grassi rappresentano una riserva energetica metabolica superiore a quella del glicogeno. Infatti, in caso di digiuno prolungato il glicogeno, contenuto nel muscolo scheletrico e nel fegato, si esaurisce nel tempo di un giorno, invece il grasso cutaneo permette la sopravvivenza per uno o due mesi. Sotto forma di adipociti (figura), il grasso si deposita nelle cellule adipose, occupando in alcuni casi tutto il volume cellulare. Gli enzimi interessati alla digestione dei lipidi alimentari sono le lipasi e le fosfolipasi pancreatiche. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 13

9 Biosintesi degli acidi grassi (o lipogenesi) CAPITOLO 7. LA BIOCHIMICA Quando l’apporto dietetico di carboidrati e di proteine supera i nostri fabbisogni energetici, si innesca un meccanismo in cui l’energia in eccesso è disponibile per la formazione di acidi grassi che danno luogo al grasso che si deposita nel tessuto adiposo. Il processo con cui si ha formazione di acidi grassi, partendo da precursori non lipidici, quali il glucosio e gli amminoacidi, prende il nome di lipogenesi. u Conversione del glucosio in acetil-Co. A Nella via metabolica che dai carboidrati porta agli acidi grassi la prima tappa è la conversione del glucosio in piruvato. Mediante la glicolisi, il glucosio si trasforma in piruvato che dal citoplasma, dopo aver attraversato la membrana mitocondriale, si sposta nella matrice. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 14

10 Biosintesi dei trigliceridi e dei fosfolipidi CAPITOLO 7. LA BIOCHIMICA I trigliceridi e i fosfolipidi sono sintetizzati a partire da glicerolo-3 -fosfato e acidi grassi. Nel fegato sono possibili due vie per produrre il glicerolo-3 -fosfato: una ha origine dal glucosio, l’altra dal glicerolo. Nel tessuto adiposo il glicerolo-3 -fosfato si ottiene solo dalla glicolisi del glucosio. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 15

11 Catabolismo dei trigliceridi (lipidi) CAPITOLO 7. LA BIOCHIMICA I grassi immagazzinati nei tessuti possono essere utilizzati dalla cellula per produrre energia. Prima della loro completa ossidazione, i lipidi (trigliceridi) devono essere idrolizzati nei loro componenti, glicerolo e acidi grassi; questa reazione si verifica nei tessuti adiposi mediante l’azione di un enzima, la lipasi. L’idrolisi di un trigliceride procede secondo la reazione già nota: CH 2 OH – – CH 2 O – OC – C 17 H 35 CHO – OC – C 17 H 33 + 3 H 2 O CHOH CH 2 O – OC – C 15 H 31 CH 2 OH C 17 H 35 COOH + C 17 H 33 COOH C 15 H 31 COOH Gli acidi grassi vengono demoliti mediante la ß-ossidazione dell’acil-Co. A. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 16

12 Biosintesi del colesterolo CAPITOLO 7. LA BIOCHIMICA Il colesterolo, presente negli organismi animali, è per la maggior parte di natura endogena. Viene assunto anche con la dieta alimentare. È sintetizzato nel citoplasma delle cellule del fegato a partire da acetil-Co. A, che può derivare dai carboidrati, dagli amminoacidi e dagli acidi grassi. Nella sintesi del colesterolo è inoltre necessaria la presenza di NADPH. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 17

13 Sintesi dei corpi chetonici CAPITOLO 7. LA BIOCHIMICA Quando la disponibilità di glucosio è limitata, in condizioni di digiuno prolungato o nello stato diabetico, si verifica una elevata ossidazione degli acidi grassi per le necessità energetiche dell’organismo. Ciò porta ad un accumulo di acetil-Co. A che, se l’organismo non è in grado di ossidare, dà origine a corpi chetonici. La sintesi dei corpi chetonici, che avviene nei mitocondri del fegato, è detta “chetogenesi”. Tutte le diete devono rispettare un principio base: si devono bruciare più k. J di quante se ne assumono con l’alimentazione. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas Una dieta ricca di proteine e di lipidi e povera di carboidrati porta alla sintesi di corpi chetonici. 18

14 Metabolismo degli amminoacidi CAPITOLO 7. LA BIOCHIMICA Una insufficiente quantità di proteine nella dieta è un grave problema nutrizionale che riguarda le popolazioni dei paesi sottosviluppati, ma anche i ceti meno abbienti dei paesi sviluppati. Le proteine alimentari, in seguito all’azione di una serie di enzimi, vengono demolite ad amminoacidi che si riversano nel sangue. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 19