Metabolismo cellulare

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1 Laurea in Biotecnologie Agro- Industriali Corso di Biologia Cellulare Docente: Maria Elena Miranda Banos Metabolismo cellulare

2 Gi esseri viven; usano con;nuamente: - energia - materia per operare una immensa quan;tà di reazioni chimiche che sono alla base della sua esistenza. Queste reazioni molto spesso vanno accelerate da enzimi specializza;: catalizzatori. E si incatenano le une con le altre per formare vie metaboliche, connesse fra di loro formando re> metaboliche. L insieme di tuge le reazioni metaboliche è il metabolismo, che comprende sia la demolizione di molecole per ogenere energia e piccole molecole di base (catabolismo), sia la formazione di molecole partendo delle sue unità e usando energia (anabolismo o biosintesi). Molecole di cibo VIE CATABOLICHE Molecole cellulari Piccole unità per la biosintesi VIE ANABOLICHE

3 Gi organismi viven; generano ordine a tuk i livelli...

4 ma questo richiede un uso con;nuo di energia!

5 La seconda legge della termodinamica stabilisce che nel universo o in qualunque sistema (isolato) il disordine può solo aumentare. I sistemi biologici fanno aumentare l ordine al loro interno a cambio di aumentare ancora di più il disordine nel loro ambiente: le reazioni biologiche generano calore, una forma d energia che si disperde nel ambiente. TuGa l energia che usano gli organismi vivi procede in origine dal sole. L energia solare entra nel sistema biologico grazie alla fotosintesi: la cagura della energia elegromagne;ca solare in forma di legami chimici.

6 La fotosintesi: uso della energia solare per sinte;zzare molecole organiche Fase 1: reazioni della fase luminosa Fase 2: reazioni della fase oscura

7 La respirazione: produzione d energia per ossidazione di molecole organiche Nelle molecole organiche il C e l H sono lega; fra di loro. La ossidazione a CO 2 e H 2 O nelle cellule aerobiche (usando l O 2 ) libera l energia dei legami. La fotosintesi e la respirazione sono processi complementari: Zuccheri e altre molecole Energia della luce Energia u>le per la cellula

8 Il carbonio e la biosfera

9 Ossidazione e riduzione L ossidazione è la perdita di elegroni La riduzione è un guadagno di elegroni In una reazione chimica, se un atomo si ossida c e un altro che si riduce. Quando ques; reazioni accadono in un medio acquoso, gli elegroni sono in genere accompagna; da protoni: la riduzione è il guadagno di un elegrone e un protone, la ossidazione è la perdita di un elegrone e un protone.

10 Le reazioni chimiche accadono soltanto se favorite energe;camente: se si passa da uno stato di maggiore a uno di minore energia. A volte basta superare una barriera di energia iniziale per fare procedere la reazione. Questa barriera è la energia di amvazione, e per abbassarla e fare accadere le reazioni biologiche ci sono gli enzimi: proteine specializzate nella catalisi di reazioni chimiche. Energia di amvazione Energia di amvazione catalizzata da un enzima Reazione chimica non catalizata Reazione chimica catalizata

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12 Gli enzimi: - Sono molto specifici per il substrato - Sono molto specifici per la reazione che favoriscono - Hanno un sito amvo (come una tasca ) adago al legame col substrato - Possono catalizzare la stessa reazione tante volte, non si esauriscono col uso

13 StruGura e funzione delle proteine Gli enzimi: il legame è solo il inizio. Proteine molto variate e molto importan; per tuge le akvità cellulari. Catalizzano le reazioni cellulari per farli accadere nelle condizioni mite delle cellule (temperatura, ph, etc). Sono molto specifici per il substrato e il ;po di reazione a catalizzare, e molto efficien; nel loro lavoro: veloci e processa;vi, possono catalizzare una reazione un milione di volte senza modifiche a se estesi. L azione catali;ca degli enzimi comprende in generale: - La capacità di orientare ed avvicinare fra di loro due substra; che devono reagire fra di loro. - La redistribuzione di cariche elegriche fra gli atomi per favorire le reazioni chimiche. - La formazione di legami temporanei con le catene laterali degli aa del enzima. - La deformazione dei legami covalen; del substrato per favorire la reazione chimica.

14 Il grado d ordine di un sistema si misura come energia libera, G La variazione di energia libera fra lo stato iniziale e quello finale è delta G ( G) Diminuzione della energia libera: G è nega;va La reazione procede spontaneamente Tante volte le reazioni biologiche sono sfavorite energe;camente ( G è posi;va), sono reazioni che generano ordine: una proteina è più ordinata che i singoli aminoacidi. Per fare accadere una reazione sfavorita una strategia è accoppiarla a un altra reazione che sia molto favorita, in modo che la variazione finale di energia libera sia nega;va. Così il prodogo di una reazione si può usare come substrato nella seguente, lungo una via metabolica. L altra strategia consiste nel uso di una bageria carica d energia

15 Le reazioni chimiche accadono di solito nelle due direzioni possibili: sono reversibili. La concentrazione dei reagen; in ogni senso della reazione spinge la reazione in un senso o nel altro. Zucchero + ossigeno acqua + diossido di carbonio Le reazioni che raggiungono l equilibrio chimico si fermano, e questo equilibrio dipende della G di ogni reazione (in ogni senso). Se in una cellula tuge le reazioni arrivano al equilibrio la cellula morirebbe! Ma la cellula scambia con;nuamente metaboli; col ambiente esterno, in modo di non arrivare mai al equilibrio chimico. I legami non covalen; che fanno interagire due molecole fra di loro sono pure reazioni chimiche, con costan; di equilibrio per la associazione e la dissociazione delle molecole.

16 Gli enzimi incontrano i loro substra; grazie alla diffusione casuale delle molecole nel gel acquoso citosolico, e la diffusione accade grazie alla energia termica. Per le piccole molecole metaboliche, la diffusione basta per farli trovare facilmente col suo enzima: un enzima può processare anche mille molecole di substrato in solo un secondo! Molecole più grandi diffondono più lentamente, o addirigura possono essere legate a pun; fissi della cellula.

17 La vita di una ;pica cellula animale somiglia la nostra vita: estraiamo energia dal cibo, che si conserva in forma di molecole cariche d energia, che poi si consumano nelle nostre akvità giornaliere. Nelle cellule, l energia si okene dal cibo (zuccheri, grassi) grazie al catabolismo, ma non si usa tuga immediatamente: si conserva in forma di legame chimico ad alta energia al interno di piccole molecole: i trasportatori amva>.

18 Questo processo di formazione di trasportatori akva; è possibile grazie agli enzimi, che accoppiano le reazioni trasferendo l energia da un legame ad altro Reazioni catalizzate da enzimi passano l energia dal cibo al trasportatore Reazioni catalizzate da enzimi passano l energia dal trasportatore alla molecola

19 I trasportatori akva; più importan; sono tre: ATP: adenosina 5 - trifosfato NADH / NAD + : nico;nammide adenina dinucleo;de NADPH / NADP + : nico;nammide adenina dinucleo;de fosfato

20 ATP (adenosina 5 - trifosfato): la molecola che porta l energia dove serve AKvazione di substra;, controllo della segnalazione cellulare, funzionamento delle pompe di membrana, movimento dei motori molecolari...

21 grazie a processi di fosforilazione. Il legame col fosfato è ad alta energia, e permege compire reazioni sfavorite energe;camente:

22 NADH / NAD + : nico;nammide adenina dinucleo;de NADPH / NADP + : nico;nammide adenina dinucleo;de fosfato

23 Sono trasportatori di un pacco di due elevroni ad alta energia e un H + : un gruppo idruro H - Il NADH e il NADPH si formano per riduzione durante reazioni cataboliche, e si portano il gruppo idruro, che possono passare ad altre molecole donandoli così energia.

24 NADH e il NADPH si differenziano soltanto nel gruppo fosfato, che non interviene nelle reazioni di ossido- riduzione, ma da alla molecola di NADPH una forma diversa: ognuna interagisce con enzimi diversi e partecipa così in reazioni diverse: Il NADPH si usa nelle vie anaboliche Il NADH si usa nelle vie cataboliche Questo uso differenziato, grazie alle differenze di strugura, aiuta a regolare indipendentemente i due ;pi di vie metaboliche. I trasportatori d energia hanno una strugura ;pica basata su un gruppo di supporto al quale si lega un gruppo trasferibile. Il gruppo di supporto include di solito un nucleo;de: forse per ché i primi enzimi erano fak da RNA, e i trasportatori d energia potevano così interagire più facilmente con loro.

25 La sintesi di polimeri biologici (polisaccaridi, acidi nucleici e proteine) incrementa l ordine al interno della cellula: richiede energia. I polimeri si costruiscono per condensazione di unità più piccole, grazie all aiuto di enzimi, che catalizzano la formazione dei legami (glicosidico, fosfodiestere e pep;dico), con consumo d energia per la biosintesi: idrolisi di nucleosidi trifosfa;. Altre enzimi catalizzano l idrolisi di quei legami per degradare i polimeri, ma queste reazioni sono favorite energe;camente.

26 IL CATABOLISMO Demolizione controllata di molecole per estrarre energia e componen; per la sintesi d altre molecole.

27 Produzione d energia dal cibo: la respirazione Primo step: gli enzimi diges;vi rompono le macromolecole in unità. Avviene in ambien; isola;: l apparato diges;vo e i lisosomi. Grazie al catabolismo si produce ATP, la bageria energe;ca della cellula. In una cellula ci sono 10 9 molecole di ATP, che si ricambiano ogni 1-2 minu;. Con queste reazioni, le cellule raccolgono in forma di ATP il 50% della energia del cibo. In confronto, una macchina ne approfiga soltanto il 20% della energia della benzina. Il resto si perde in forma di calore. Fase 1: Le macromolecole si rompono in unità piccole Fase 2: Le piccole unità si rompono ad ace>l CoA, e si produce poco ATP e NADH Fase 3: Ossidazione completa del ace>l CoA a H 2 O e CO 2. Produzione di molto ATP nei mitocondri NADH Rifiu; Glicolisi

28 Le fermentazioni: produzione d energia senza ossigeno. La fermentazione nel muscolo La fermentazione dei lievi; (birra, pane)

29 Il controllo delle vie metaboliche: megere assieme circa 500 vie non è semplice! In questo schema, ogni punto è un metabolito, e ogni linea è una reazione. La glicolisi e il ciclo del acido citrico sono centrali nel metabolismo cellulare: i metaboli; vanno a questo asse per essere ossida; a CO 2 e H 2 O per produrre energia (catabolismo), o escono da questo asse per essere usa; come unità per formare altre molecole u;li alla cellula durante la biosintesi (anabolismo).

30 IL ANABOLISMO La biosintesi di molecole u;li per le cellule. Ad esempio, l apporto di glucosio dal cibo non è con;nuo, pero l organismo ha bisogno di mantenere cer; livelli di glucosio per il corrego funzionamento cellulare. Le cellule (sopragugo gli epatoci;) sono in grado di produrre il loro glucosio a par;re di metaboli; più semplici, come il piruvato o il acido lakco prodogo dai muscoli durante l esercizio intenso. Dal piruvato, parte una via parallela alla glicolisi ma in senso contrario: la gluconeogenesi, dove tan; step sono gli stessi pero in senso contrario, e alcuni passi sono reazioni parallele che hanno bisogno di addizione d energia per procedere. Ques; passi sono pun; di controllo dove la cellula regola se l interessa fare di più la glicolisi o la gluconeogenesi, a seconda dei suoi bisogni. La regolazione avviene per modifica della akvità degli enzimi che catalizzano ogni reazione. A volte, gli stessi metaboli; intermediari di una via, possono modificare l akvità degli enzimi coinvol;.

31 Ma la sintesi di glucosio consuma molta energia. La strategia migliore è l accumulo di riserve: glicogeno e grassi (negli animali), che si possono usare per produrre energia in qualsiasi momento. La biosintesi e demolizione del glicogeno è pure controllata a livello enzima;co da un metabolito chiave: il glucosio 6- fosfato, che è in grado di akvare la glicogeno sintasi e d inibire la glicogeno fosforilasi (demolizione). A livello del organismo, queste due vie sono regolate dagli ormoni: insulina, glucagone e adrenalina. Il grasso è una riserva più energe;ca e leggera: risparmiamo 30 Kg di peso in glicogeno grazie alle riserve di grasso! Granuli di glicogeno nei hepatoci; Goccioline di grasso nelle cellule adipose

32 LA PRODUZIONE DI ENERGIA Nelle cellule, il principale trasportatore d energia è il ATP, che si produce fondamentalmente grazie a due processi: - La fosforilazione ossida>va durante la respirazione mitocondriale - La fotosintesi nei cloroplas; In tuk i due casi, ci sono catene di trasporto di elevroni energe;ci lungo un percorso di proteine associate a membrane: - Membrana interna mitocondriale per la fosforilazione ossida;va - Membrana ;lacoidale dei cloroplas; per la fotosintesi

33 In ambi due casi si produce ATP grazie a un processo chiamato en generale accoppiamento chemiosmo>co, che richiede una membrana per stabilire un gradiente protonico, che poi viene usato per produrre l ATP. Ci sono due fasi nel accoppiamento chemiosmo;co: ATP sintasi Catena di trasporto degli elevroni Stadio 1: L energia del trasporto degli elevroni si usa per pompare i protoni oltre la membrana Stadio 2: il gradiente protonico viene usato dalla ATP sintasi per produrre ATP

34 Accoppiamento chemiosmo;co durante la fotosintesi nel cloroplasto

35 Accoppiamento chemiosmo;co durante la fosforilazione ossida;va mitocondriale pompa di protoni Sintesi di ATP approfivando il gradiente elevrochimico di H +

36 La catena di trasporto di elegroni mitocondriale citocromo c Gradiente elevrochimico di H + Forza proton motrice ph 7 ubichinone Complesso della NADH deidrogenasi Complesso del citocromo b- c 1 Complesso della citocromo ossidasi ph 7.5

37 Grazie alla presenza ubiquitaria di acqua, in grado di donare e accegare protoni con facilità, ogni elegrone che si sposta si trascina con se un protone per compensare il carico elegrico. I complessi della catena di trasporto di elegroni sono situa; nella membrana in modo di trascinare ques; protoni da un lato all altro della membrana durante lo spostamento degli elegroni, che provvedono l energia per il processo. Gli elegroni si spostano d una molecola all altra interagendo con gruppi ferro- zolfo (nel complesso NADH deidrogenasi), con gli anelli dei chinoni, o con gruppi eme (contenen; ferro) nei citocromi (citocromo b- c 1, citocromo ossidasi, citocromo c).

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39 Una macchina molecolare meravigliosa e molto ben conservata: la ATP sintasi Il passaggio di 3 protoni genera energia per un ATP, la pompa ne fa 100 ATP al secondo. Ma come? Il passaggio di protoni a favore di gradiente fa girare l asse mobile della macchina dentro la testa sta;ca, e l energia meccanica si trasforma in energia chimica di legame di P al ADP per sinte;zzare la maggior parte del ATP cellulare. Fra l altro, il suo funzionamento è reversibile, la ATP sintasi può funzionare pure come pompa, che crea un gradiente di protoni (u;le per il trasporto accoppiato, ad esempio di piruvato e Pi), consumando ATP.

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