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1 Organismi differenti utilizzano differenti modalità per ottenere carbonio ed energia: carbonio: Gli Autotrofi usano CO 2 Gli Eterotrofi usano carbonio organico energia: I Fototrofi usano la luce I Chemotrofi usano carboidrati, grassi e proteine Tutti gli animali sono organismi Chemoeterotrofi Le Piante sono organismifotoautotrofi. L energia: è la capacità di dare lavoro 1

2 CARBURANTE + O 2 CO 2 + H 2 O L energia chimica contenuta nelle molecole di carburante viene convertita in energia meccanica dal motore dell auto e quindi utilizzata per far muovere la vettura (cioè per compiere un lavoro) ALIMENTI + O 2 CO 2 + H 2 O L energia chimica contenuta nelle molecole degli alimenti viene covertita in energia chimica dell ATP e quindi utilizzata per i vari tipi di lavoro necessario ai processi vitali degli organismi 2

3 ATP Organismo C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O Kcal/mole Se si brucia glucosio in presenza di aria si produce solo calore (+ H 2 O e CO 2 ) Se il glucosio viene metabolizzato da un organismo aerobio, si formano ugualmente H 2 O e CO 2, ma una parte dell energia in esso contenuta viene conservata sottoforma di ATP che, a sua volta, è usato dall organismo per produrre lavoro utile! 3

4 Il metabolismo: è la capacità di acquisire energia e di usarla per i fini propri della vita è l insieme di tutte le reazioni chimiche che avvengono nella cellula Il metabolismo è l insieme delle reazioni chimiche che avvengono nelle cellule provvede a fornire alle cellule l energia (ATP) necessaria per compiere ogni tipo di lavoro (meccanico, elettrico, di trasporto di ioni e molecole attraverso le membrane, di costruzione etc.). permette alla cellula di disporre di tutte quelle sostanze di base necessarie per costruire le macromolecole (proteine, acidi nucleici, glicogeno) e gli organuli cellulari (membrane, mitocondri, reticolo etc.) realizza la sintesi di tutte le altre molecole necessarie per il buon funzionamento della cellula tra cui quelle che permettono di comunicare con altre cellule dello stesso organismo (ormoni, trasmettitori etc.). 4

5 Vie metaboliche Nella cellula le vie metaboliche sono regolate (regolazione via feed-back negativo) 5

6 Mappa del metabolismo (da: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes In questa mappa, ogni punto rappresenta un intermedio; ogni linea rappresenta un enzima che agisce su un intermedio, trasformandolo in un altro metabolita CATABOLISMO E ANABOLISMO I processi catabolici convertono gli alimenti combustibili in energia cellulare: Combustibili (carboidrati, grassi,..) CO 2 + H 2 O + energia I processi anabolici generano molecole complesse da semplici molecole, usando l energia: Energia + piccole molecole Molecole complesse 6

7 Catabolic vs anabolic metabolic pathways Catabolic pathways produce energy by breaking down ingested or stored fuel molecules Anabolic pathways consume energy to build the components of the cell Esempi di vie cataboliche: Composti che vengono degradati Glicolisi β-ossidazione Glicogenolisi Ciclo di Krebs carboidrati (glucosio, fruttosio, galattosio etc.) acidi grassi (ac. palmitico, ac. stearico etc.) glicogeno acetile (CH 3 CO; entra nel ciclo come acetil-coa) Esempi di vie anaboliche Composti che vengono costruiti Gluconeogenesi Biosintesi degli acidi grassi Biosintesi del colesterolo Biosintesi proteica Biosintesi dei polinucleotidi Biosintesi delle porfirine Biosintesi dei trigliceridi Biosintesi dei fosfolipidi carboidrati (glucosio) acidi grassi (ac. palmitico.) steroidi proteine DNA; RNA eme grassi di riserva lipidi di membrana 7

8 CARBOIDRATI GRASSI PROTEINE + O 2 CATABOLISMO CO 2 + H 2 O + NH 4 + (NAD, FAD, NADP) ADP + Pi ATP (NADH, FADH 2, NADPH) PROTEINE LIPIDI POLISACCARIDI DNA, RNA ANABOLISMO AMINO ACIDI ACIDI GRASSI MONOSACCARIDI BASI AZOTATE IL METABOLISMO 8

9 Se due reazioni hanno un composto in comune, le variazione di energia libera si possono sommare 1) A B G 1 0 2) B C G 2 0 somma A C G G 2 0 9

10 Le reazioni chimiche coinvolte nel metabolismo possono essere distinte in endoergoniche ed esoergoniche Le reazioni chimiche endorgoniche per avvenire richiedono la presenza di composti energetici Il composto energetico più importante è l' ATP formato da una base purinica, l'adenina, e da un pentoso, il D-ribosio. Al ribosio sono legate 3 molecole di acido fosforico: la prima con un legame di estere, e le altre 2 con legami anidridici ad alto contenuto energetico. Adenina Gruppi fosfato Ribosio Idrolisi +H 2 O Energia Questa è la reazione che fornisce energia per il lavoro cellulare ATP 10

11 Bioenergetica Le principali vie di utilizzazione dell ATP Attivazione dei substrati (accopiamento dell idrolisi dell ATP con reazioni endoergoniche) Strutturazione nativa (Folding) delle proteine Gradienti di concentrazione ai due lati di una membrana (pompe iniche di membrana, as es. pompa sodio-potassio) Contrazione muscolare Ogni altro tipo di lavoro cellulare 11

12 Proteins Fats ATP needed to drive biosynthesis KREBS CYCLE Acetyl CoA GLUCOSE SYNTHESIS Pyruvic acid G3P Glucose Amino groups Amino acids Fatty acids Glycerol Sugars Proteins Fats Polyscaccharides Cells, tissues, organisms 12

13 CATABOLISMO 13

14 1 a fase: idrolisi (o altri tipi di biodegradazione) in questa fase i carboidrati complessi (amido) diventano carboidrati semplici (glucosio). I I lipidi complessi (trigliceridi) si trasformano in acidi grassi e glicerolo. Le proteine si trasformano in amino acidi) 2 a fase: catabolismo intermedio glicolisi per il glucosio e altri carboidrati β-ossidazione per gli acidi grassi vie metaboliche particolari per ogni amino acido. In questa fase le sostanze vengono ossidate e trasformate, direttamente o indirettamente, in acetil-coenzima-a. Vengono anche formate molecole di coenzimi ridotti come NADH e FADH 2 3 a fase: catabolismo terminale (ciclo di Krebs) nel ciclo di Krebs, il gruppo acetile (CH 3 CO-) contenuto nell acetil-coa viene ossidato a CO 2 ed i suoi elettroni vengono trasferiti ai coenzimi NAD e FAD formando numerose molecole di NADH e FADH 2 ) NADH e FADH 2 sono coenzimi trasportatori di elettroni : cedono gli elettroni estratti dai metaboliti alla catena respiratoria mitocondriale allo scopo di produrre ATP con il processo della fosforilazione ossidativa. La catena respiratoria trasferisce anche gli elettroni ricevuti all ossigeno ( O 2 ) che viene trasformato in H 2 O 14

15 CATABOLISMO ATP NADH NADH FADH 2 NADH NADH FADH 2 NADH NADH FADH 2 ATP NADH 15

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