INTRODUZIONE AL METABOLISMO

Transcript

1 INTRODUZIONE AL METABOLISMO Autotrofi: -organismi che si nutrono di sostanze inorganiche semplici (H 2 O, CO 2, ioni inorganici) - Partendo da sostanze inorganiche sintetizzano ogni tipo di molecola organica (glucidi, lipidi, proteine) Eterotrofi: - organismi che si nutrono di sostanze organiche complesse (glucidi, lipidi, proteine) - Dipendono strettamente dagli autotrofi per nutrirsi - Utilizzazione di fonti di energia luminosa o chimica. - Organicazione del carbonio Piante verdi Alghe *Batteri autotrofi Animali Funghi Batteri *batteri autotrofi: per fotosintesi e per chemiosintesi (solfobatteri e ferrobatteri) Chemiosintesi: organicazione del carbonio senza la luce ma attraverso l ossidazione di sostanze inorganiche (energia chimica)

2 COMPOSIZIONE CHIMICA DELLA MATERIA VIVENTE H2O + Sali minerali + molecole organiche H2O: Sali minerali: Molecole organiche: sono in genere polimeri, con elevato peso molecolare e si suddividono in metaboliti primari e secondari Metaboliti primari: sono essenziali alla vita (carboidrati( carboidrati, lipidi, proteine,ac.nucleici ac.nucleici) Metaboliti secondari: non sono essenziali alla vita Sono deputati a meccanismi biochimici propri della cellula o dell organismo, legati a processi secondari e/o di relazione (es. antiossidanti, difesa.)

3 Metaboliti primari: si dividono in 4 categorie principali - CARBOIDRATI: formati da zuccheri. Sono le molecole più abbondanti in natura. Rappresentano le molecole di riserva energetica per molti organismi. - LIPIDI : gran parte contengono acidi grassi. Sono sostanze grasse e oleose. Solitamente idrofobi e quindi insolubili in H2O. Sono utilizzate come molecole di riserva energetica e hanno anche funzione strutturale. - PROTEINE: costituite da aminoacidi. Hanno funzione sia strutturale ma anche catalizzatrice di reazioni chimiche nelle cellule. Sono importanti per il movimento. - ACIDI NUCLEICI: costituite da catene di nucleotidi. Formano DNA e RNA, molecole deputate alla trasmissione del patrimonio genetico.

4 CARBOIDRATI: formati da C- H-O Nei vegetali: ruoli Energetici e Strutturali POLISACCARIDI DI RISERVA Amido: forma polimerica costituita da monomeri di α-glucosio, con i legami α tutti dalla stessa parte della molecola. Nel composto, granuloso, si possono distinguere due forme separabili, amilosio a catena lineare o amilopectina a catena ramificata. Glicogeno: polimero simile all amido ma di minor peso molecolare, è la tipica sostanza di riserva glicidica accumulata dagli animali e dai funghi. Inulina: oligosaccaride di riserva (vacuoli) tipico delle Asteraceae (Composite). Altri polisaccaridi di riserva in gruppi sistematici differenti sono: amido delle floridee (Rhodobionta), paramylon (Euglenophyta), laminarina (Phaeophyceae), leucosina (altri Chromista unicellulari). POLISACCARIDI STRUTTURALI Cellulosa: polimero costituito da monomeri di β-glucosio, con i legami β da parti alternate della molecola. La cellulosa si distende in fibre resistenti ed elastiche, che la cellula vegetale sovrappone alla sua parete.. Chitina: polimero di acetilglucosamina, differisce dalla cellulosa soprattutto per il contenuto in Azoto (N); irrobustisce le pareti cellulari dei funghi superiori, e costituisce la cuticola resistente degli artropodi.

5 Carboidrati di origine vegetale di importanza farmaceutica DISACCARIDI: Saccarosio: glucosio+fruttosio (Beta vulgaris e Saccharium officinalis) Maltosio: glucosio+glucosio (legame α-1,4 glucosidico) Cellobiosio: glucosio+glucosio (legame β-1,4 glucosidico) unità costitutiva della cellulosa POLISACCARIDI: Omopolisaccaridi Amido: polimero dell α-glucosio (amiloplasti) Cellulosa: polimero del β-glucosio (molecola lineare) (parete cellulare) Inulina: polimero di D-fruttosio (vacuolo). Tipico delle Asteraceae Chitina: polimero dell N-acetilglusosamina (parete cellulare dei funghi ed esoscheletro di crostacei e insetti) ETEROPOLISACCARIDI: Emicellulose: pentosi (arabinosio e xilosio) ed esosi (galattosio, glucosio e mannosio) Sostanze pectiche: polimeri dell acido galatturonico Gomme: parete cellulare (possono essere degli essudati prodotti a seguito di modificazione). Contengono ramnosio, arabinosio, xilosio, ac. glucuronico, ac. galatturonico Mucillaggini: parete cellulare e vacuolo. Sono costituiti da pentosi, esosi, acidi uronici

6 LIPIDI: formati da C- H-O Grande gruppo di composti caratterizzati dalla loro relativa insolubilità in acqua e dalla solubilità in solventi organici. Si distinguono LIPIDI SEMPLICI (es. trigliceridi, cere) e LIPIDI CONIUGATI (es. fosfolipidi) Ruolo: energetico (riserva; es. trigliceridi); strutturale (membrane cellulari; es. lipidi coniugati) LIPIDI SEMPLICI - Trigliceridi: esterificazione (legame con perdita di una molecola d acqua) tra glicerolo (alcol trivalente) e 1, 2 o 3 acidi grassi* - Cere: alcol diverso dal glicerolo esterificato con acidi grassi *Gli acidi grassi sono lunghe catene di C in numero pari (C16-C24 tra i più comuni)

7 Fosfolipidi: due molecole di acido grasso legate a glicerolo il cui terzo ossidrile (-OH) è esterificato con acido fosforico. Sono molecole anfipatiche (parte idrofoba e parte idrofila) e sono i costituenti fondamentali delle membrane biologiche. Le membrane biologiche sono formate da un DOPPIO strato di fosfolipidi con le teste idrofile rivolte verso la fase acquosa e le code idrofobe rivolte le une verso le altre verso l interno. Il carattere polare delle molecole dei fosfolipidi consente loro di aggregarsi insieme formando strati bimolecolari (impalcatura fondamentale delle membrane cellulari)

8 PROTEINE formate da C- H-O-N Carbonio gruppo terminale aminico (-NH2) gruppo terminale carbossilico (-COOH) gruppo funzionale (R) identificativo dell a.a. Grosse molecole polimeriche costituite da tanti aminoacidi tenute assieme da legami peptidici. Ruolo delle proteine: movimento, struttura, catalisi di reazioni (enzimi) Diversi livelli di organizzazione: Struttura primaria: Sequenza lineare Struttura secondaria: Interazioni tra i vari a.a. causano il ripiegamento ad a-elica o b-foglietto Struttura terziaria: Proteine in struttura secondarie ripiegate con formazione di globuli. Struttura quaternaria: Proteine formate da più catene polipeptidiche diverse.

9 Gli aminoacidi Gli aminoacidi essenziali sono 20. Si classificano a seconda del carattere della catena laterale: Apolare Acido - Basico Neutro - Polare La proteina è formata da una sequenza di aminoacidi

10 Enzimi vegetali di importanza farmaceutica ed industriale Bromelina dall ananas (Ananas cosmosus) Papaina dalla papaia (Carica papaia) Ficina dal fico (Ficus carica e Ficus glabrata) In quanto enzima proteolitico, la Bromelina come la Papaina e la Ficina è utilizzata nelle dispepsie (problemi digestivi) ma il suo utilizzo principale è come antiinfiammatorio ed antiedematoso.

11 ACIDI NUCLEICI Macromolecole di fondamentale importanza biologica contenute in tutte le cellule viventi Sono polimeri costituiti da monomeri detti nucleotidi Nucleotide: molecola complessa costituita da uno zucchero a 5 C (ribosio-desossiribosio) + gruppo fosfato + base azotata

12 DNA: costituisce l archivio dell informazione genetica. E la sede del patrimonio genetico TRASCRIZIONE RNA: si trova sia nel nucleo sia nel citoplasma dove è parte essenziale della sintesi proteica. TRADUZIONE PROTEINE: sequenza aminoacidi

13 METABOLISMO Insieme di tutte le reazioni chimiche che avvengono in un essere vivente che richiedono assorbimento e liberazione di energia. Si divide in anabolismo e catabolismo, che coesistono in qualunque essere vivente. Tutte queste reazioni sono catalizzate da enzimi. Anabolismo: insieme delle reazioni che portano alla sintesi di nuove sostanze organiche che vengono a far parte dell organismo. Catabolismo: insieme delle reazioni che demoliscono sostanze organiche sino a trasformarle in prodotti inorganici molto semplici (CO 2, Acqua) che vengono espulsi dall organismo. Le reazioni possono essere: - Esoergoniche: liberano energia - Endoergoniche: richiedono energia per avvenire Crescita,riproduzione,movimento richiedono ATP

14 RESPIRAZIONE CELLULARE C 6 H 12 O 6 + 6O 2 = 6CO 2 + 6H 2 O + ATP Alimenti Proteine Polisaccaridi Grassi La respirazione è un processo di ossidoriduzione: -riducenti sono molecole organiche altamente ridotte e ricche di energia -ossidanti sono molecole inorganiche come O 2 con capacità di strappare elettroni Aminoacidi Zuccheri semplici Glucosio ATP Acidi grassi e glicerolo Diversi processi metabolici concatenati: Piruvato Glicolisi Avviene nel citoplasma in assenza di ossigeno. Conversione del glucosio (C6), in due molecole di piruvato (C3). Acetil CoA Ciclo di Krebs Avviene nella matrice dei mitocondri in presenza di ossigeno. Una molecola di AcetilCoA (C2) entra nel ciclo di reazioni formando con l ossalacetato (C4) acido citrico (C6). Attraverso diverse reazioni di ossidazione, si libera CO2, si producono molecole ridotte di trasportatori di elettroni (NADH e FADH2) e ATP. ATP Catena di trasporto elettroni Avviene sulla membrana interna dei mitocondri in presenza di O2. Recupero della maggior parte dell'energia libera togliendo elettroni a NADH e FADH2 attraverso la fosforilazione ossidativa, producendo altro ATP. NH 3 O 2 H 2 O Prodotti di Rifiuto ATP ATP CO 2

15 GLICOLISI ATP La GLICOLISI consiste in un gruppo di 10 reazioni catalizzate che convertono un molecola di glucosio, (C6), in due molecole di piruvato (C3). Si ottiene un guadagno energetico netto di 2 ATP per ogni molecola di glucosio. La glicolisi ha due funzioni: - degrada il glucosio, per generare ATP - produce precursori per la biosintesi dei componenti cellulari. Bilancio energetico glicolisi: - Consumate 2 molecole di ATP + Prodotte 2 molecole di NADH + Prodotte 4 molecole di ATP

16 La fermentazione (lattica, alcolica, ecc. che produce alcol etilico, acido lattico, ecc.) ha luogo quando le molecole organiche (piruvato=acido piruvico) ottenute dalla glicolisi per ossidazione del glucosio non possono essere ulteriormente ossidate nelle reazioni che hanno luogo nel ciclo di Krebs: ambiente anaerobio o organismi anaerobi

17 Il ciclo di Krebs Il piruvato (3C) può essere ulteriormente ossidato ad Acetil Coenzima A (2C) che entra nel ciclo di reazioni formando con l ossalacetato (4C) acido citrico (6C) Attraverso diverse reazioni di ossidazione, si libera CO 2, si producono molecole ridotte di trasportatori di elettroni (NADH e FADH 2 ) e ATP. Bilancio dall acido piruvico: + 4 molecole di NADH + 1 molecola di FADH + 1 molecola di ATP + 3 molecole di CO 2 Nota: per ogni glucosio (6C) vengono prodotte 2 molecole di piruvato (3C) poi ossidate ad acetilcoa (2C). Se il bilancio energetico parte dal glucosio i prodotti del ciclo di Krebs si devono riferire a quelli ottenuti da 2 molecole di piruvato (X 2).

18 Catena di Trasporto Elettronico NADH e FADH 2 sono molecole ricche di energia (contengono e - ). Vengono ossidate dall O 2 che strappa loro gli e - inducendo la formazione di H + Il trasferimento di questi e - lungo la catena respiratoria (catena di trasporto) attraverso diversi complessi genera Forza Elettromotrice che è spinge gli H + formati nella ossidazione verso l esterno della matrice mitocondriale (lato citosolico). Ioni H + si accumulano nel lato citosolico della membrana mitocondriale interna, creando così una differenza di potenziale fra le sue due membrane (come in un pila) ed un gradiente ph (interno circa esterno circa 7.0).

19 Fosforilazione ossidativa I protoni H + sono più concentrati nel lato citosolico mitocondriale. Si forma un potenziale di membrana che genera una Forza Motrice Protonica che spinge H + verso la matrice mitocondriale interna. L energia prodotta è sfruttata per legare un fosfato ad una ADP producendo così una molecola di ATP (fosforilazione ossidativa).

20 FOTOSINTESI Processo di conversione di Energia Luminosa in Energia Chimica 6CO 2 + 6H 2 O + LUCE = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + ATP Fase luminosa Assorbimento della luce Trasporto elettronico Sintesi chemiosmotica ATP Liberazione di O 2 Fase oscura Organicazione della CO 2 Formazione di Glucosio C 6 H 12 O 6

21 LUCE: particelle elementari di energia (quanti o fotoni) L energia di ciascun quanto è proporzionale alla lunghezza d onda con cui si propaga (più piccola è λ maggiore è la frequenza di vibrazione, quindi maggiore è l energia).

22 Assorbimento della luce L assorbimento di energia da parte di un pigmento antenna, provoca lo spostamento di uno o più elettroni ad un livello energetico più alto (cioè ad un orbitale più esterno e quindi meno stabile). In questo modo una molecola si trova in uno stato eccitato. Una molecola può restare nello stato eccitato un tempo molto breve e poi ritornare allo stato fondamentale restituendo almeno in parte l energia ricevuta.

23

24 FASE LUMINOSA

25 FASE OSCURA Nel corso della fase oscura la CO2 viene trasformata in sostanze organiche (zuccheri). Il processo necessita di una fonte di energia (ATP) e di un agente riducente (NADPH) che vengono prodotti nella fase luminosa. La trasformazione della CO2 in zuccheri avviene per mezzo di una serie di reazioni chimiche detto ciclo di Calvin : da RuBP (ribulosio-bifosfato) accettore della CO2, si passa a 3PGA (Acido 3-fosfoglicerico) intermezzo di reazione riduzione a G3P (gliceraldeide 3 fosfato) ritorno a RuBP dando come prodotto di sintesi zuccheri (l amido primario). RuBP: Ribulosio 1,5-bifosfato RuP: Ribulosio 5-fosfato 3PGA: Acido 3-fosfoglicerico G3P: Gliceraldeide 3-fosfato 1) 3 RuBP + 3 CO 2 -> 6 3PGA n C 3 x 5C 3 x 1C 6 x 3C ATP 2) 6 3PGA -> 6 G3P NADPH n C 6 x 3C 6 x 3C ATP 3) 5 G3P -> 3 RuP -> 3 RuBP n C 5 x 3C 3 x 5C 3 x 5C

26 6CO 2 + 6H 2 O + LUCE = C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + ATP FOTOSINTESI Fase luminosa membrana cattura energia solare riduzione a NADPH sintesi di ATP Liberazione di O 2 Fase oscura stroma organicazione di CO 2 in amido (C 6 H 12 O 6 )