INTRODUZIONE AL METABOLISMO

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1 INTRODUZIONE AL METABOLISMO

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

3 METABOLISMO Il metabolismo è un attività della cellula che ha lo scopo di: Ottenere energia dall ambiente immagazzinandola attraverso la degradazione delle sostanze nutrienti. Degradare le molecole complesse dei nutrienti nelle molecole semplici necessarie per il funzionamento della cellula. Sintetizzare nuove molecole complesse, polimeri, a partire dalle molecole semplici.

4 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 consuma energia produce energia L energia prodotta dal catabolismo è utilizzata nelle reazioni anaboliche

5 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. ΔG = G prodotti G reagenti ΔG < 0 ΔG > 0 ΔG = 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

6 L energia prodotta dal catabolismo è conservata mediante la formazione di molecole ATP e di trasportatori di elettroni in forma ridotta (NADH, NADPH, FADH 2 ) tratto da Principi di biochimica di A.L. Lehninger ed. Zanichelli

7 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. Gli scopi principali del lavoro biologico sono: produrre lavoro meccanico per la contrazione dei muscoli e il movimento il trasporto attivo di molecole e ioni la produzione (sintesi) di molecole complesse a partire da molecole semplici

8 ATP (Adenosina( 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

9 ATP (Adenosina( 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

10 ATP (Adenosina( trifosfato) Questo ciclo ATP-ADP è il principale meccanismo di scambio di energia nei sistemi biologici

11 ATP (Adenosina( trifosfato) Le reazioni che richiedono energia per avvenire possono aver luogo se sono sempre accoppiate a reazioni che avvengono con liberazione di energia. ATP ADP + Pi X P

12 REAZIONI DI OSSIDO-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

13 REAZIONI DI OSSIDO-RIDUZIONE nel metabolismo Nel CATABOLISMO avvengono per la maggior parte reazioni di ossidazione i substrati cedono elettroni che vengono accettati principalmente da NAD +. Nell ANABOLISMO avvengono per la maggior parte reazioni di riduzione i substrati acquistano elettroni che vengono ceduti dal NADPH.

14 Coenzima NAD + /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

15 Coenzima FAD/FADH 2 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

16 Coenzima NADP + /NADPH 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.

17 Schema generale del CATABOLISMO Possono essere descritte tre tappe principali nella generazione di energia dall ossidazione di sostanze nutrienti: Prima 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). Seconda tappa le molecole piccole sono ulteriormente trasformate in un numero ancora più limitato di intermedi metabolici fondamentali nel metabolismo (acetil CoA) Terza tappa Terza tappa i gruppi acetile dell acetil CoA sono completamente ossidati a CO 2 per mezzo delle due vie finali comuni dell ossidazione di sostanze nutrienti: il ciclo dell acido citrico e la fosforilazione ossidativa.

18 Schema generale del CATABOLISMO Grassi Polisaccaridi Proteine I tappa Acidi grassi e glicerolo Glucosio e altri monosaccaridi Amminoacidi Acetil CoA II tappa ATP ADP CoA H 2 O Fosforilazione ossidativa O 2 e - Ciclo di Krebs III tappa 2 CO 2

19 REGOLAZIONE delle vie metaboliche La rete complessa delle reazioni metaboliche deve essere regolata mediante il controllo di: quantità degli enzimi regolata dalla velocità di trascrizione dei geni che li codificano attività catalitica degli enzimi diversi fattori regolano l attività, ad es. ph, inibitori, ecc. disponibilità dei substrati Molte reazioni del metabolismo sono controllate dallo stato energetico della cellula