METABOLISMO METABOLISMO

INTRODUZIONE INTRODUZIONE

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METABOLISMO

METABOLISMO

METABOLISMO METABOLISMO

Il metabolismo (dal greco metabolé = trasformazione) è il complesso delle reazioni chimiche coordinate ed integrate che avvengono in una cellula.

Il metabolismo avviene attraverso una serie di reazioni catalizzate da enzimi che prendono il nome di vie metaboliche. vie metaboliche

In una via metabolica una molecola di un composto viene trasformata in prodotto attraverso il passaggio per una serie di composti intermedi detti metabolitimetaboliti.

METABOLISMO METABOLISMO

Il metabolismo è un’attività della cellula che ha lo scopo di:

¾

Ottenere energia dall’ambiente immagazzinandola attraverso la degradazione delle sostanze nutrienti.

¾

Degradare le molecole complesse dei nutrienti nelle molecole semplici necessarie per il funzionamento della cellula.

¾

Sintetizzare nuove molecole complesse, polimeri, a

partire dalle molecole semplici.

METABOLISMO METABOLISMO

ANABOLISMO

insieme di reazioni che portano alla sintesi di

molecole complesse a partire da molecole semplici

CATABOLISMO

insieme di reazioni che portano alla degradazione di molecole complesse per generare molecole semplici

produce energia

L’energia prodotta dal catabolismo è utilizzata nelle reazioni anaboliche

consuma energia

ENERGIA LIBERA ENERGIA LIBERA

• L’energia libera (G) è una grandezza termodinamica associata a ciascun composto di una reazione chimica.

• La variazione di energia libera (ΔG) di una reazione ne indica la sua spontaneità.

Δ G = G

– G

Δ G < 0

Δ G > 0 Δ G = 0

reazione spontanea esoergonica ⇒ nel corso della reazione si libera una certa quantità di energia che può essere utilizzata per compiere un lavoro

reazione non spontanea endoergonica ⇒ tale reazione può avvenire solo se si fornisce l’energia necessaria per farla avvenire

reazione all’equilibrio

L’energia prodotta dal catabolismo è conservata mediante la formazione di molecole ATP e di trasportatori di elettroni in forma ridotta (NADH, NADPH, FADH₂)

tratto da “Principi di biochimica “ di A.L. Lehninger ed. Zanichelli

L’energia libera prodotta dalle reazioni viene conservata dalla cellula sotto forma di ATP ed altre molecole ad alta energia che possono poi essere utilizzate per svolgere il lavoro biologico.

¾

produrre lavoro meccanico per la contrazione dei muscoli e il movimento

¾

il trasporto attivo di molecole e ioni

¾

la produzione (sintesi) di molecole complesse a partire da molecole semplici

Gli scopi principali del lavoro biologico sono:

ATP (

ATP (Adenosina Adenosina trifosfato) trifosfato )

L’ATP è la molecola di scambio energetico della cellula

Tratto da: D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, FONDAMENTI DI BIOCHIMICA 2E, Ed. Zanichellli

ATP (

ATP (Adenosina Adenosina trifosfato) trifosfato )

• L’ATP è una molecola ricca di energia perché contiene due legami fosfoanidridici ⇒ l’energia viene liberata quando uno dei legami tra due molecole di fosfato si idrolizza (scinde).

• Nel corso del metabolismo l’ATP viene continuamente prodotto da ADP e ortofosfato da reazioni cataboliche e velocemente consumato da quelle anaboliche.

ADP + Pi + energia ATP

Tratto da: P. Champe, R. Harvey, D.R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Ed. Zanichellli

ATP (

ATP (Adenosina Adenosina trifosfato) trifosfato )

Questo ciclo ATP-ADP è il principale meccanismo di scambio di energia nei sistemi biologici

ATP (

ATP (Adenosina Adenosina trifosfato) trifosfato )

Le reazioni che richiedono energia per avvenire possono aver luogo se sono sempre accoppiate a reazioni che avvengono con liberazione di energia.

X P

ATP ADP + Pi

REAZIONI DI OSSIDO

REAZIONI DI OSSIDO- -RIDUZIONE nel metabolismo RIDUZIONE nel metabolismo

Il catabolismo sfrutta reazioni di ossidoriduzione per produrre energia ⇒ le molecole di sostanze nutrienti (es. glucosio e acidi grassi) sono ossidate.

Gli elettroni prodotti da tale ossidazione non sono però direttamente trasferiti alle molecole che si riducono ma vengono trasferiti a “speciali trasportatori” di elettroni:

NAD ⁺

FAD

REAZIONI DI OSSIDO

REAZIONI DI OSSIDO--RIDUZIONE nel metabolismoRIDUZIONE nel metabolismo

Nel

avvengono per la maggior parte reazioni di ossidazione

i substrati cedono elettroni che vengono accettati principalmente da NAD

.

Nell’

avvengono per la maggior parte

reazioni di riduzione

i substrati acquistano elettroni

che vengono ceduti dal NADPH.

Coenzima NAD

Coenzima NAD

/NADH /NADH

Il NAD⁺ (nicotinamide adenin dinucleotide) è il principale accettore di elettroni nelle ossidazioni di molecole combustibili. Nell’ossidazione di un substrato il NAD⁺ accetta uno ione H⁺ e 2 elettroni, che equivalgono ad uno ione idruro H^-.

NAD

+ 2e

+ H

NADH

forma ossidata forma ridotta

Tratto da: D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, FONDAMENTI DI BIOCHIMICA 2E, Ed. Zanichellli

Coenzima FAD/FADH Coenzima FAD/FADH

Il FAD (flavin adenin dinucleotide) è l’altro trasportatore di elettroni nelle ossidazioni di sostanze nutrienti. A differenza del NAD⁺ esso si riduce accettando uno ione H⁺ e uno ione idruro H^-.

FAD + 2e ^- + 2H ⁺ FADH ₂

Il NADPH è il principale donatore di elettroni nelle reazioni anaboliche riduttive. La sua struttura differisce da quella del NADH per la presenza di un gruppo fosfato.

Coenzima NADP

Coenzima NADP

/NADPH /NADPH

Schema generale del CATABOLISMO Schema generale del CATABOLISMO

Possono essere descritte tre tappe principali nella generazione di energia dall’ossidazione di sostanze nutrienti:

9 Prima tappaPrima tappa ⇒ le grandi biomolecole contenute nel cibo sono degradate nelle molecole più piccole di cui sono costituite (es. i polisaccaridi sono idrolizzati a zuccheri semplici).

9 Seconda tappaSeconda tappa ⇒ le molecole piccole sono ulteriormente trasformate in un numero ancora più limitato di intermedi metabolici fondamentali nel metabolismo (acetil CoA)

9 Terza tappaTerza tappa ⇒ i gruppi acetile dell’acetil CoA sono completamente ossidati a CO₂ per mezzo delle due vie finali comuni dell’ossidazione di sostanze nutrienti: il ciclo dell’acido citrico e la fosforilazione ossidativa.

Schema generale del CATABOLISMO Schema generale del CATABOLISMO

Grassi Polisaccaridi Proteine

Acidi grassi

e glicerolo Glucosio e altri

monosaccaridi Amminoacidi

Acetil CoA

CoA

2 CO₂ e^-

Fosforilazione ossidativa

H₂O

ATP ADP

tappaI

tappaII

tappaIII

Ciclo di Krebs

O₂

REGOLAZIONE delle vie metaboliche REGOLAZIONE delle vie metaboliche

La rete complessa delle reazioni metaboliche deve essere regolata mediante il controllo di:

¾ quantità degli enzimi ⇒ regolata dalla velocità di trascrizione dei geni che li codificano

¾ attività catalitica degli enzimi ⇒ diversi fattori regolano l’attività, ad es. ph, inibitori, ecc.

¾ disponibilità dei substrati

Molte reazioni del metabolismo sono controllate dallo stato Molte reazioni del metabolismo sono controllate dallo stato

energetico della cellula energetico della cellula