I processi metabolici cellulari

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1 I processi metabolici cellulari 1

2 Metabolismo E l insieme delle reazioni chimiche che avvengono in una cellula o, più in generale, in qualsiasi organismo. Le sostanze coinvolte in tali reazioni sono dette metaboliti Sintetizzati dagli organismi Derivati dall ambiente Macromolecole organiche: zuccheri, lipidi, proteine Nutrienti, acqua, anidride carbonica, ossigeno 2

3 Metabolismo E possibile individuare due gruppi fondamentali di reazioni chimiche: Anabolismo Catabolismo: fase costruttiva fase di degradazione consumo di energia liberazione energia Reazioni chimiche endoergoniche Reazioni chimiche esoergoniche 3

4 Metabolismo = anabolismo + catabolismo Le diverse vie metaboliche non si svolgono in modo indipendente: spesso sono collegate in cicli di utilizzo e riclico di sostanze Proteine, polisaccaridi, lipidi demolizione Zuccheri, amminoacidi, acidi grassi Macromolecole Molecole organiche di piccole dimensioni + sintesi 4

5 Metabolismo e energia Gli organismi sono in grado di utilizzare soltanto due tipi di energia : En. Luminosa En. Chimica Autotrofi Eterotrofi Fotosintesi Respirazione cell. 5

6 Metabolismo e energia Reazioni chimiche endoergoniche Reazioni chimiche esoergoniche E. prodotti E. assorbita E. reagenti E. liberata E. reagenti E. prodotti Il contenuto energetico dei reagenti è minore di quello dei prodotti Il contenuto energetico dei reagenti è maggiore di quello dei prodotti 6

7 l'atp, il trasportatore universale di energia In tutti i viventi esiste una molecola, chiamata adenosin trifosfato (ATP) che ha il compito di assorbire l'energia prodotta dalle reazioni esorgoniche di demolizione e di renderla disponibile per i lavori cellulari. tre gruppi fosfato base azotata adenina I legami presenti tra questi gruppi fosfato racchiudono l'energia utilizzabile dalla cellula. zucchero a cinque atomi di carbonio 7

8 L ATP: una molecola Ricaricabile 8

9 L ATP: una molecola Ricaricabile L ATP immagazzina energia chimica nel legame fra due dei suoi gruppi fosfato. ATP è ADP + Energia Energia P Quando il legame si rompe, con una reazione Legami di idrolisi, ad alta energia l energia chimica si rende disponibile per altri processi biologici. P P Ribosio adenina 9

10 Rigenerazione dell ATP Continuamente, nel nostro organismo, si realizzano queste due reazioni: 1. ATP --> ADP + P + Energia 2. ADP + P + Energia ---> ATP La (1) è la reazione di liberazione di energia durante l'anabolismo, la (2) è quella che avviene durante la produzione di energia nella respirazione cellulare. ATP viene continuamente consumato ma si rigenera per addizione di un P ad ADP. 10

11 Ciclo dell ATP l energia liberata dalle reazioni di degradazione (catabolismo), viene utilizzata per ricaricare l ATP. L energia immagazzinata nell ATP viene utilizzata per compiere la maggior parte del lavoro cellulare. Quindi l ATP accoppia i processi cellulari che liberano energia con quelli che la richiedono. L ATP risulta coinvolto, direttamente o indirettamente, in quasi tutti i processi metabolici. 11

12 Flusso dell energia Da dove proviene l energia necessaria alla produzione di ATP? Tutti i viventi ricavano energia dalla demolizione del glucosio, uno zucchero a sei atomi di carbonio. Questo processo libera energia chimica che viene immagazzinata sotto forma di ATP per essere trasportata e resa disponibile alle reazioni dell'anabolismo cellulare. 12

13 Produzione di energia Adenosin- Trifosfato o ATP Respirazione cellulare produzione di ATP 13

14 Le cellule respirano? La respirazione cellulare è il meccanismo che permette alla cellula, in presenza di ossigeno,di ricavare energia utilizzabile nei processi vitali dai legami chimici delle molecole assorbite nella digestione. La respirazione cellulare consta di diverse reazioni, in cui i prodotti di un passaggio sono utilizzati come reagenti per il processo successivo. I prodotti di scarto della respirazione cellulare (come CO2 o H2O) vengono eliminati dalla cellula e, negli organismi superiori, escreti attraverso la respirazione polmonare e le urine. 14

15 Equazione generale della respirazione cellulare C 6 H 12 O 6 + 6O 2 à 6CO 2 + 6H 2 O + 36 ATP Glucosio Ossigeno Anidride Carbonica Acqua 15

16 Le reazioni avvengono per piccoli passi : sottoreazioni. I viventi hanno dovuto suddividere la demolizione in numerose tappe intermedie, in modo da poter sfruttare meglio l'energia contenuta nel glucosio e per evitare che questo processo fosse accompagnato da un innalzamento della temperatura cellulare. 16

17 Respirazione Cellulare: le fasi Glicolisi Catena di trasporto degli elettroni Ciclo di Krebs 17

18 Dove avviene la respirazione cellulare? 18

19 Fasi della respirazione cellulare 1. Glicolisi: catabolica, degrada sost. organiche avviene nel citoplasmatica 2. Ciclo di Krebs: catabolica, completa la degradazione di sost. org., avviene nella matrice mitocondriale 3. Catena di trasporto di elettroni e fosforilazione ossidativa: trasferimento di elettroni dal NADH, con formazione finale di acqua e ATP. La fosforilazione ossidativa avviene sulle creste mitocondriali, produce il 90% dell ATP cellulare. 19

20 Respirazione cellulare 20

21 Glicolisi Questa prima fase avviene nel citoplasma di tutte le cellule, procariote od eucariote: una molecola di glucosio, a sei atomi di carbonio viene trasformata, tramite 9 reazioni, in due molecole di acido piruvico a tre atomi di carbonio. Queste reazioni sono accompagnate da una liberazione di energia (2 ATP). E una fase anaerobica, non richiede ossigeno Glucosio Glicolisi 2 Ac. piruvico C 6 H 12 O 6 2 ADP + 2 Pi 2 ATP C 3 H 4 O 3 21

22 Sintesi dell acetil-coa Fase intermedia: il piruvato entra nei mitocondri e viene trasformato in acetil coenzima A. Si libera una molecola di CO2 22

23 Sintesi dell acetil-coa La molecola di acido piruvico (3C) entra nel mitocondrio, perde una molecola di CO 2, trasformandosi in un gruppo acetile (2C). Il gruppo acetile si lega ad una molecola di Coenzima A (CoA), tramite la quale entra nel ciclo di Krebs come acetilcoa. 23

24 Ciclo dell acido citrico (Krebs) Serie di reazioni che partono dall acetil-coa Si Producono elettroni ed atomi di idrogeno che sono inviati alla catena di trasporto di elettroni. 24

25 Un ciclo in 9 tappe che inizia con l acetil-coa che viene legato ad un acido a 4 atomi di Carbonio (ossalacetato), per formare acido citrico (6 C) Durante Gli atomi il ciclo di vengono idrogeno eliminate vengono 2 combinati mol. di CO2 con con gli produzione accettori specifici di un acido (NAD+ a e 5 FAD), atomi di C che si trasforma immediatamente Viene prodotta in una un molecola composto di a 4 ATP. atomi di C ossalacetato 25

26 Bilancio del Ciclo di Krebs Durante il ciclo di Krebs una singola molecola di acetil- CoA produce: 3 molecole di NADH 1 mol. di FADH 2 1 mol. di ATP 2 mol. di CO 2 26

27 Catena di trasporto di elettroni e fosforilazione ossidativa Invenzione «recente» spazio intramenbranale Avviene nella Membrana interna dei mitocondri Produzione di 34 ATP da ogni molecola di glucosio 27

28 Trasportatori di elettroni: citocromi I citocromi sono proteine vettori di elettroni che permettono l'utilizzazione dell'ossigeno a livello cellulare. Trasportano gli elettroni da un livello di alta energia ad un livello più basso. Questa liberazione energetica permette all'atp-sintetasi di produrre molecole di ATP a partire da ADP e gruppo P. 28

29 LA RESPIRAZIONE CELLULARE Il motore della respirazione cellulare: ATP-sintasi La ATP-sintasi trasportante H+ tra due settori è un complesso enzimatico che catalizza la seguente reazione: ADP + fosfato + H+ esterno à ATP + H 2 O + H+ interno Quando la reazione è catalizzata verso destra, l'enzima è comunemente chiamato ATP-sintasi ed è responsabile della sintesi di adenosintrifosfato (ATP) utilizzando come substrati adenosindifosfato (ADP) e fosfato inorganico, sfruttando il gradiente protonico generato dalla catena di trasporto degli elettroni. 29

30 La catena di trasporto di elettroni e la fosforilazione ossidativa La catena di trasporto degli elettroni è un processo cellulare per la produzione di ATP nei mitocondri. È costituita da una serie di complessi proteici e composti lipo-solubili capaci di produrre un potenziale elettrochimico attraverso la membrana mitocondriale mediante la creazione di un gradiente di concentrazione di ioni H+ tra i due lati della membrana. Questo potenziale è sfruttato per attivare i canali di trasporto presenti sulla membrana stessa e per promuovere la sintesi dell'atp da parte dell'atp sintetasi. Prof. paolo abis 30

31 Catena respiratoria Serie di reazioni in cui il potere riducente di NADH e FADH2, prodotto durante la glicolisi ed il ciclo di Krebs, viene usato per produrre molecole di ATP. NADH e FADH2 ridotti cedono elettroni agli enzimi della catena respiratoria. Durante il passaggio da un trasportatore all altro l energia degli elettroni diminuisce. L ultimo trasportatore della catena cede gli elettroni all O2 (accettore finale) trasformandolo in H2O. Durante il trasporto degli elettroni, i H + sono pompati nello spazio tra le due membrane generando un gradiente. I protoni tendono a rientrare nella matrice attraverso il canale della ATP sintetasi. Il flusso di H+ attraverso la ATP sintetasi induce la sintesi di ATP da ADP e Pi (fosforilazione ossidativa). 31

32 Ogni complesso proteico (CP) ha un proprio livello energetico. I complessi sono disposti in serie secondo livello energetico decrescente. e - e - e - e - CP CP CP O 2 Gli e- scorrono spontaneamente da un livello energetico maggiore ad uno minore, fino all O2. 32

33 Gli elettroni scorrendo in questi complessi proteici (proteine canale transmembrana) causano la fuoriuscita di ioni H+ contro gradiente nello spazio tra le 2 membrane mitocondriali. Il rientro secondo gradiente degli ioni H+ attraverso l ATP-sintetasi (proteina canale) genera ATP. Membrana mitocondriale esterna ATP-sintetasi Matrice mitocondriale 33

34 L energia liberata durante il trasferimento degli e - viene utilizzata dai CP per pompare H + fuori dalla membrana mitocondriale interna, contro gradiente. La proteina canale ATP-sintetasi sfrutta il rientro secondo gradiente dei protoni H + per generare ATP. 34

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36 Catena di trasporto di elettroni Prof. paolo abis 36

37 Catena di trasporto di elettroni Alla fine della catena gli elettroni, insieme ad altrettanti ioni H+, si combinano con l ossigeno per formare acqua. 37

38 L Ossigeno Qual è il ruolo dell O 2? L'ossigeno è fondamentale per la respirazione perché agisce come accettore finale di elettroni dall idrogeno dopo che tutta l energia è stata estratta per la fabbricazione di ATP O 2 si combina con 2H à acqua metabolica 38

39 Il rendimento energetico Da ogni molecola di glucosio attraverso la respirazione cellulare vengono prodotte complessivamente 36 molecole di ATP (Eucarioti) 38 molecole di ATP (Procarioti) 39