Lic classicoD A Azuni Sassari I processi metabolici

Lic. classico”D. A. Azuni” Sassari I processi metabolici cellulari Prof. Paolo Abis 1

Metabolismo E’ l’insieme delle reazioni chimiche avvengono in una cellula o, più in generale, in qualsiasi organismo. − Le sostanze coinvolte in tali reazioni sono dette metaboliti Sintetizzati dagli organismi Derivati dall’ambiente Macromolecole organiche: zuccheri, lipidi, proteine … Nutrienti, acqua, anidride carbonica, ossigeno … 2

Metabolismo E possibile individuare due gruppi fondamentali di reazioni chimiche: Anabolismo Catabolismo: fase costruttiva fase di degradazione consumo di energia liberazione energia Reazioni chimiche endoergoniche Reazioni chimiche esoergoniche Prof. paolo abis 3

Metabolismo = anabolismo + catabolismo Le diverse vie metaboliche non si svolgono in modo indipendente: spesso sono collegate in cicli di utilizzo e riclico di sostanze Proteine, polisaccaridi, lipidi… Zuccheri, amminoacidi, acidi grassi… demolizione Molecole organiche di piccole dimensioni Macromolecole + sintesi Prof. paolo abis 4

Metabolismo e energia • Gli organismi sono in grado di utilizzare soltanto due tipi di energia : En. Luminosa En. Chimica Autotrofi Eterotrofi Fotosintesi Respirazione cell. Prof. paolo abis 5

Metabolismo e energia Reazioni chimiche endoergoniche Reazioni chimiche esoergoniche E. prodotti E. reagenti E. liberata E. assorbita E. prodotti E. reagenti Il contenuto energetico dei reagenti è maggiore di quello dei prodotti Il contenuto energetico dei reagenti è minore di quello dei prodotti Prof. paolo abis 6

l'ATP, il trasportatore universale di energia • In tutti i viventi esiste una molecola, chiamata adenosin trifosfato (ATP) che ha il compito di assorbire l'energia prodotta dalle reazioni esorgoniche di demolizione e di renderla disponibile per i lavori cellulari. base azotata adenina tre gruppi fosfato I legami presenti tra questi gruppi fosfato racchiudono l'energia utilizzabile dalla cellula. Prof. paolo abis zucchero a cinque atomi di carbonio 7

L’ATP: una molecola “Ricaricabile” Prof. paolo abis 8

L’ATP: una molecola “Ricaricabile” L’ATP immagazzina energia chimica nel legame fra due dei suoi gruppi fosfato. ADP ATP Energia P P adenina P Quando il legame si rompe, con Legami ad alta energia una reazione di idrolisi, l’energia chimica si rende disponibile per altri processi biologici. Prof. paolo abis Ribosio 9

Rigenerazione dell’ATP Continuamente, nel nostro organismo, si realizzano queste due reazioni: 1. ATP --> ADP + Energia 2. ADP + Energia ---> ATP La (1) è la reazione di liberazione di energia durante l'anabolismo, la (2) è quella che avviene durante la produzione di energia nella respirazione cellulare. Prof. paolo abis ATP viene continuamente consumato ma si rigenera per addizione di un P ad ADP. 10

Ciclo dell’ATP l’energia liberata dalle reazioni di degradazione (catabolismo), viene utilizzata per “ricare” l’ATP. L’energia immagazzinata nell’ATP viene utilizzata per compiere la maggior parte del lavoro cellulare. Quindi l’ATP accoppia i processi cellulari che liberano energia con quelli che la richiedono. L’ATP risulta coinvolto, direttamente o indirettamente, in quasi tutti i processi metabolici. Prof. paolo abis 11

Flusso dell’energia Da dove proviene l’energia necessaria alla produzione di ATP ? • Tutti i viventi ricavano energia dalla demolizione del glucosio, uno zucchero a sei atomi di carbonio. • Questo processo libera energia chimica che viene immagazzinata sotto forma di ATP • per essere trasportata e resa disponibile alle reazioni dell'anabolismo cellulare. Prof. paolo abis 12

Produzione di energia • Adenosin. Trifosfato o ATP • Respirazione cellulare produzione di ATP Prof. paolo abis 13

Le cellule respirano? • La respirazione cellulare è il meccanismo che permette alla cellula, in presenza di ossigeno, di ricavare energia utilizzabile nei processi vitali dai legami chimici delle molecole assorbite nella digestione. • La respirazione cellulare consta di diverse reazioni, in cui i prodotti di un passaggio sono utilizzati come reagenti per il processo successivo. • I prodotti di scarto della respirazione cellulare (come CO 2 o H 2 O) vengono eliminati dalla cellula e, negli organismi superiori, escreti attraverso la respirazione polmonare e le urine. 14

Equazione generale della respirazione cellulare C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O + 36 ATP Glucosio Ossigeno Acqua Anidride Carbonica Prof. paolo abis 15

Le reazioni avvengono per piccoli passi : sottoreazioni. I viventi hanno dovuto suddividere la demolizione in numerose tappe intermedie, in modo da poter sfruttare meglio l'energia contenuta nel glucosio e per evitare che questo processo fosse accompagnato da un innalzamento della temperatura cellulare. Prof. paolo abis 16

Respirazione Cellulare: le fasi Catena di trasporto degli elettroni Glicolisi Ciclo di Krebs Prof. paolo abis 17

Dove avviene la respirazione cellulare ? Prof. paolo abis 18

Fasi della respirazione cellulare 1. Glicolisi: catabolica, degrada sost. organiche avviene nel citoplasmatica 2. Ciclo di Krebs: catabolica, completa la degradazione di sost. org. , avviene nella matrice mitocondriale 3. Catena di trasporto di elettroni e fosforilazione ossidativa: trasferimento di elettroni dal NADH , con formazione finale di acqua e ATP. La fosforilazione ossidativa avviene sulle creste mitocondriali, produce il 90% dell’ATP cellulare. Prof. paolo abis 19

Respirazione cellulare Prof. paolo abis 20

Glicolisi C 6 H 12 O 6 Glucosio Questa prima fase avviene nel citoplasma di tutte le cellule, procariote od eucariote: una molecola di glucosio, a sei atomi di carbonio viene trasformata, tramite 9 reazioni, in due molecole di acido piruvico a tre atomi di carbonio. 2 ADP + 2 Pi Glicolisi 2 ATP Queste reazioni sono accompagnate da una liberazione di energia (2 ATP). E una fase anaerobica, non richiede ossigeno 2 Ac. piruvico C 3 H 4 O 3 Prof. paolo abis 21

Sintesi dell’acetil-Co. A Fase intermedia: il piruvato entra nei mitocondri e viene trasformato in acetil coenzima A. Si libera una molecola di CO 2 Prof. paolo abis 22

Sintesi dell’acetil-Co. A • La molecola di acido piruvico (3 C) entra nel mitocondrio, perde una • molecola di CO 2 , trasformandosi in un gruppo acetile (2 C). • Il gruppo acetile si lega ad una molecola di Coenzima A (Co. A), tramite • la quale entra nel ciclo di Krebs come acetil. Co. A. Prof. paolo abis 23

Ciclo dell’acido citrico (Krebs) • Serie di reazioni che partono dall’acetil-Co. A • Si Producono elettroni ed atomi di idrogeno che sono inviati alla catena di trasporto di elettroni. Prof. paolo abis 24

Un ciclo in 9 tappe che inizia con l’acetil-Co. A che viene legato ad un acido a 4 atomi di Carbonio (ossalacetato), per formare acido citrico (6 C) • Durante Gli atomi il ciclo di vengono eliminate idrogeno vengono 2 mol. di CO 2 combinati concon gli produzionespecifici accettori di un acido a e 5 FAD), (NAD+ atomi di C che si trasforma • immediatamente Viene prodotta in un molecola una composto di a 4 atomi di C ATP. ossalacetato Prof. paolo abis 25

Bilancio del Ciclo di Krebs • Durante il ciclo di Krebs una singola molecola di acetil-Co. A produce: 3 molecole di NADH 1 mol. di FADH 2 1 mol. di ATP 2 mol. di CO 2 Prof. paolo abis 26

Catena di trasporto di elettroni e fosforilazione ossidativa spazio intramenbranale • Invenzione « recente » • Avviene nella Membrana interna dei mitocondri • Produzione di 34 ATP da ogni molecola di glucosio Prof. paolo abis 27

Trasportatori di elettroni: citocromi • I citocromi sono proteine vettori di elettroni che permettono l'utilizzazione dell'ossigeno a livello cellulare. • Trasportano gli elettroni da un livello di alta energia ad un livello più basso. Questa liberazione energetica permette all'ATP-sintetasi di produrre molecole di ATP a partire da ADP e gruppo P. Prof. paolo abis 28

LA RESPIRAZIONE CELLULARE Il motore della respirazione cellulare: ATP-sintasi La ATP-sintasi trasportante H+ tra due settori è un complesso enzimatico che catalizza la seguente reazione: ADP + fosfato + H+esterno ATP + H 2 O + H+interno Quando la reazione è catalizzata verso destra, l'enzima è comunemente chiamato ATP-sintasi ed è responsabile della sintesi di adenosintrifosfato (ATP) utilizzando come substrati adenosindifosfato (ADP) e fosfato inorganico, sfruttando il gradiente protonico generato dalla catena di trasporto degli elettroni. Prof. paolo abis 29

La catena di trasporto di elettroni e la fosforilazione ossidativa La catena di trasporto degli elettroni è un processo cellulare per la produzione di ATP nei mitocondri. È costituita da una serie di complessi proteici e composti lipo-solubili capaci di produrre un potenziale elettrochimico attraverso la membrana mitocondriale mediante la creazione di un gradiente di concentrazione di ioni H+ tra i due lati della membrana. Questo potenziale è sfruttato per attivare i canali di trasporto presenti sulla membrana stessa e per promuovere la sintesi dell'ATP da parte dell'ATP sintetasi. Prof. paolo abis 30

Catena respiratoria • Serie di reazioni in cui il potere riducente di NADH e FADH 2 , prodotto durante la glicolisi ed il ciclo di Krebs, viene usato per produrre molecole di ATP. • NADH e FADH 2 ridotti cedono elettroni agli enzimi della catena respiratoria. • Durante il passaggio da un trasportatore all’altro l’energia degli elettroni diminuisce. • L’ultimo trasportatore della catena cede gli elettroni all’O 2 (accettore finale) trasformandolo in H 2 O. Durante il trasporto degli elettroni, i H+ sono pompati nello gradiente. I protoni tendono a rientrare nella matrice attraverso il canale della ATP sintetasi. spazio tra le due membrane generando un • Il flusso di H+ attraverso la ATP sintetasi induce la sintesi di ATP da ADP e Pi (fosforilazione ossidativa). Prof. paolo abis 31

• Ogni complesso proteico (CP) ha un proprio livello energetico. • I complessi sono disposti in serie secondo livello energetico decrescente. e - e - e CP CP CP - O 2 • Gli e- scorrono spontaneamente da un livello energetico maggiore ad uno minore, fino all’O 2. Prof. paolo abis 32

• Gli elettroni scorrendo in questi complessi proteici (proteine canale transmembrana) causano la fuoriuscita di ioni H+ contro gradiente • nello spazio tra le 2 membrane mitocondriali. • Il rientro secondo gradiente degli ioni H+ attraverso l’ ATP-sintetasi (proteina canale) genera ATP. Membrana mitocondriale esterna ATP-sintetasi Matrice mitocondriale Prof. paolo abis 33

L’energia liberata durante il trasferimento degli e- viene utilizzata dai CP per pompare H+ fuori dalla membrana mitocondriale interna, contro gradiente. La proteina canale ATP-sintetasi sfrutta il rientro secondo gradiente dei protoni H+ per generare ATP. Prof. paolo abis 34

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Catena di trasporto di elettroni Prof. paolo abis 36

Catena di trasporto di elettroni • Alla fine della catena gli elettroni, insieme ad altrettanti ioni H+, si combinano con l’ossigeno per formare acqua. Prof. paolo abis 37

L’Ossigeno • Qual’è il ruolo dell’ O 2? L'ossigeno è fondamentale per la respirazione perché agisce come accettore finale di elettroni dall’idrogeno dopo che tutta l’energia è stata estratta per la fabbricazione di ATP O 2 si combina con 2 H acqua metabolica Prof. paolo abis 38

Il rendimento energetico • Da ogni molecola di glucosio attraverso la respirazione cellulare vengono prodotte complessivamente 36 molecole di ATP (Eucarioti) 38 molecole di ATP (Procarioti) Prof. paolo abis 39