Metabolismo Cellulare

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1 Scuola di Ingegneria Industriale e dell Informazione Course (095857) Elementi di Chimica Verde e Sostenibile A.A. 2015/2016 Metabolismo Cellulare Prof. Dipartimento CMIC Giulio Natta

2 Metabolismo: Concetti di Base e Schemi Negli organismi viventi i processi di trasduzione dell energia si realizzano tramite una complessa rete integrata di reazioni chimiche dette metabolismo. A. Il Metabolismo è costituito da molti reazioni accoppiate interconnesse B L ossidazione delle molecole organiche è una importante fonte di energia cellulare B Le vie metaboliche contengono molti motivi ricorrenti

3 Un Abbozzo del Metabolismo delle Piante Acqua Luce Amido (cibo immagazzinato) Biossido di Carbonio FTSINTESIS Zuccheri Pectina Cellulosa Pareti cellulari ssigeno Biossido di Carbonio Minerali del suolo RESPIRAZINE Lignina Grassi Proteine Pigmenti rmoni Vitamine Cutina Membrane Enzimi Acqua Energia (usata nella sintesi dei prodotti vegetali a destra) Alcaloidi, tannini e altre sostanze protettive, ecc.

4 Metabolismo: Complessità e Programmazione Il metabolismo del batterio E. coli comprende più di 1000 reazioni chimiche Questa vasta batteria di reazioni è semplificata dall uso di un progetto coerente che coinvolge molti motivi comuni. Questi motivi includono l uso di una valuta energetica e il ricorso ad un numero limitato di intermedi attivati. Un gruppo di circa 100 molecole giocano un ruolo centrale in tutte le forme in cui la vita compare dal micro-organismo all uomo. Il numero di reazioni è molto grande, il numero dei motivi è piccolo e i meccanismi sono normalmente semplici (con qualche eccezione) Le vie metaboliche sono regolate da modalità comuni.

5 Le Cellule Trasformano Diversi Tipi di Energia Gli organismi viventi richiedono un continuo apporto di energia libera per tre principali scopi: Fare lavoro meccanico, quale contrazione dei muscoli ed altri movimenti cellulari Trasportare attivamente molecole e ioni Sintetizzare macromolecole ed altre biomolecole da semplici precursori Conversioni di Energia: rganismi fotosintetici, or fototrofi, usano l energia della luce solare per convertire molecole semplici a bassa energia in molecole più complesse e più ricche di energia che poi servono da combustibili. Essi trasformano la luce in energia chimica rganismi chemotrofi, come l uomo, ottengono l energia chimica tramite l ossidazione dei componenti alimentari prodotti dai fototrofi L energia chimica è poi trasformata in altre forme di energia.

6 Metabolismo del Glucosio Il glucosio viene trasformato in Piruvato in 10 reazioni in sequenza Glucosio Metabolismo: una serie interconnessa di reazioni chimiche 10 stadi - Piruvato Condizioni anaerobiche Anaerobico Lattato - Aerobico Acetil CoA Condizioni anaerobiche

7 Vie Metaboliche

8 Vie Metaboliche Due ampie classi: 1. Quelle che convertono l energia in forme biologicamente utili si indicano come vie cataboliche Combustibili (carb./grassi) C 2 + H 2 + energia utile: catabolismo 2. Quelle che richiedono immissione di energia per poter procedere si indicano col termine vie anaboliche energia utile + piccole molecole mol. complesse: anabolismo Le vie che sono sia anaboliche o cataboliche si individuano col termine vie amfiboliche.

9 Accoppiamento Spontaneo e Reazioni non Spontanee Una via metabolica deve soddisfare al minimo due criteri: 1. Le singole reazioni devono essere specifiche, fornendo solo un particolare prodotto o una gamma di prodotti. Gli Enzimi forniscono la specificità 2. L intero gruppo di reazioni in una via deve esser termodinamicamente favorito Una reazione può avvenire spontaneamente solo se il DG, la variazione di energia libera, è negativa. 3. Un importante proprietà della funzione termodinamica G è che la variazione complessiva di energia libera di una reazione o di una serie di reazioni è uguale alla somma delle variazioni di energia libera delle singole fasi, A B + C G 0 = + 5 kcal mol -1 B D G 0 = - 8 kcal mol -1 A C + D G 0 = - 3 kcal mol -1

10 ATP è la Moneta Universale dell Energia Libera Il Metabolismo è facilitato dall uso di una moneta di scambio energetico comune Parte dell energia libera derivata dall ossidazione dei cibi e dalla luce viene trasformata in ATP l ATP è la moneta energetica universale per lo scambio dell energia libera. Si libera una grande quantità di energia libera quando si idrolizza l ATP ad ADP e Pi, o l ATP a AMP e PPi ATP + H 2 ADP + P i G 0 = -7.3 kcal mol -1 ATP + H 2 AMP + PP i G 0 = kcal mol -1 Nelle tipiche condizioni cellulari, il valore reale di per queste idrolisi è approssimativamente -12 kcal mol -1 L idrolisi dell ATP sposta il metabolismo spostando l equilibrio di reazioni accoppiate di un fattore di circa 10 8

11 Strutture di ATP, ADP e AMP Adenosina trifosfato (ATP) Adenosina difosfato (ADP) Adenosina monofosfato (AMP)

12 ATP L ATP è una molecola ricca in energia perché le sue unità trifosfato contengono due legami fosfoanidridici ( e ) 2 Adenosina trifosfato (ATP) ATP ha un elevato potenziale di trasferimento del gruppo fosforile ( G = -12 kcal mol -1 )

13 Strutture di Risonanza dell rtofosfato Perché l ATP ha un elevato potenziale di trasferimento del fosforile? G 0 dipende dalla differenza nelle energie libere dei prodotti e quelle dei reagenti, per cui entrambe si devono considerare Quattro fattori sono importanti: 1. Stabilizzazione per Risonanza 2. Repulsione Elettrostatica 3. Stabilizzazione dovuta all idratazione 4. Aumento dell entropia per formazione di 2 specie da 1

14 Composti con Alto Potenziale di Trasferimento di Fosforile P Fosfoenolpiruvato N CH 3 Creatina fosfato H NH 2 + H 2- P P 2-2- Il potenziale di trasferimento di fosforile è un importante forma di trasferimento di energia cellulare Questi composti possono trasferire un gruppo fosforile all ADP per formare ATP Essi accoppiano l ossidazione al carbonio alla sintesi dell ATP 1,3-Bisfosfoglicerato

15 Posizione Intermedia dell ATP consente all ATP di funzionare efficientemente come trasportatore di gruppo fosforile R-P H 2 RH + HP 3 2 G idrolisi Energia libera standard per l idrolisi di alcuni composti fosforilati Composto kcal mol -1 kj mol -1 Fosfoenolpiruvato ,3-Bisfosfoglicerato Creatina fosfato ATP (ad ADP) Glucosio 1-fosfato Pirofosfato Glicerolo 6-fosfato Glicerolo 3-fosfato

16 Ciclo ATP-ADP Movimento Trasporto attivo Biosintesi Amplificazione di Segnale 100 g di ATP nel corpo, il turnover è molto alto. Un uomo a riposo consuma 40 kg di ATP in 24 ore. Un attività intensa porta a consumare 0.5 kg / minuto. In 2 ore: sono usati 60 kg ATP ssidazione di molecole combustibili o Fotosintesi ADP Si tratta di un modo fondamentale di scambio nei sistemi biologici L ossidazione dei combustibili organici è una fonte importante di energia cellulare

17 Fonti di ATP nel Corso di una Attività Prolungata ATP Metabolismo aerobico Creatina fosfato Energia Metabolismo Anaerobico Secondi Minuti re Nel muscolo a riposo, [ATP] = 4 mm, [creatina fosfato] = 25 mm [ATP] sufficiente a sostenere 1 secondo di contrazione muscolare

18 Energia Libera di ssidazione di specifici composti ad un atomo di carbonio più energia meno energia G ossidaz. (kcal mol -1 ) H H C H H H H C H H H C H Metano Metanolo Formaldeide Acido formico Biossido di carbonio H C H C G ossidaz. (kj mol -1 ) Negli organismi aerobici, l accettore finale nell ossidazione del carbonio è l 2, e il prodotto di ossidazione è la C 2 Più il carbonio è ridotto, più energia si ricava dalla sua ossidazione.

19 Combustibili Biologici Comuni I grassi sono combustibili più efficienti dei carboidrati (per es. Glucosio) - Acido grasso Glucosio Perché il carbonio nei grassi è più ridotto (eccetto il carbonio del CH).

20 Gradienti Protonici H + H + xidation of fuels pumps protons out L ossidazione dei combustibili può indurre l istaurarsi di gradienti protonici NADH ADP + P i ATP H 2 Influx of protons forms ATP H + H + Gradienti protonici possono a loro volta indurre la sintesi di ATP

21 Stadi del Catabolismo Metabolismo Cellulare (Ciclo Ac. Citrico, CTA) È utile pensare all ossidazione metabolica dei substrati come a un processo a 3 stadi: il carbonio è incorporato nell acetil-coa il carbonio viene quindi ossidato a C 2, agenti ridotti di trasferimento elettronico e una piccola quantità di ATP gli agenti ridotti di trasferimento elettronico sono riossidati fornendo energia per la sintesi di ulteriore ATP (fosforilazione ossidativa) L attività del ciclo TCA è favorita da bassi rapporti NADH/NAD +

22 Motivi Ricorrenti nelle Vie Metaboliche I Motivi unificanti includono metaboliti comuni, reazioni, e schemi regolatori. I trasportatori attivati esemplificano la progettazione modulare e l economia del metabolismo, per es. l ATP é un trasportatore attivato di gruppi fosforile. 1. Trasportatori attivati di elettroni per l ossidazione di comb. NAD + / NADH e FAD / FADH 2 2. Un trasportatore attivato d elettroni per biosintesi riduttiva NADP + / NADPH 3. Un trasportatore attivato di frammenti a due-carboni Coenzima A, per es. Acetil CoA

23 Struttura de Trasportatore di Elettroni Derivato della Nicotinammide Forma ossidata Sito reattivo Nicotinammide adenina dinucleotide (NAD + ), R = H Nicotinammide adenina dinucleotide fosfato (NADP + ), R = P 3 2- Principale trasportatore di elettroni ad alta-energia

24 Tipo di Reazione per il NAD + come Accettore di Elettroni NAD + NADH H +

25 Tipo di Reazione per il FAD come Accettore di Elettroni FAD FAD H2

26 Biosintesi Riduttiva: Acidi Grassi Riduzione del gruppo chetonico a metilene: avviene in molti stadi, richiede la disponibilità di 4 elettroni 4 H + 4 e - H2 NADPH è un datore di elettroni

27 Coenzima A Trasportatore attivato di frammenti a due-atomi di carbonio Acil CoA Acetil CoA I gruppi acili legati al CoA con legami tioesterici: alto potenziale di trasferimento di gruppi acilici (il trasferimento è esotermico) L acetil CoA trasporta un gruppo acetile attivato esattamente come l ATP trasporta un gruppo fosforile attivato.

28 Struttura del Coenzima A N NH 2 N N N Gruppo reattivo 2- H S P 3 N N P P H H H H Unità -Mercaptoetilammina Unità pantotenato Vitamina B

29 Principali Trasportatori Attivati nel Metabolismo Molecola trasportratice in forma attivata Gruppo trasferito Precursore vitamina ATP Un piccolo insieme di trasportatori responsabile per la maggior parte di gruppi attivati nel metabolismo Fosforile NADH e NADPH Elettroni Nicotinato (niacina) FADH 2 Elettroni Riboflavina (vit. B 2 ) FMNH 2 Elettroni Riboflavina (vit. B 2 ) Coenzima A Acile Pantotenato Lipoammide Acile Tiamina pirofosfato Aldeide Tiamina (vitamina B 1 ) Biotina C 2 Biotina Tetraidrofolato Unità a 1-carbonio Folato S-Adenosil metionina Uridina dfosfato glucosio Citidina diphosphate diacilgicerolo Nucleoside triphosfati Metile Glucosio Fosfatidato Nucleosidi

30 Migliaia di Reazioni Metaboliche Si possono suddividere in sei tipi Tipi di reazioni chimiche Tipo di reazione ssido-riduzione Legami richiedenti la rottura dell ATP Isomerizzazione Trasferimento di gruppi Idrolitico Addizione o rimozione di gruppi funzionali Descrizione Trasferimento elettronico Formazione di legami covalenti (per es. legami carbonio-carbonio) Trasposizione di atomi per formare isomeri Trasferimento di gruppo funzionale da una molecola ad un altra Rottura di legami per somma di H 2 Addizione di gruppi funzionali al doppio legame o loro rimozione per formare doppi legami.

31 1. Reazioni di ssido-riduzione Le due reazioni sotto indicate sono parti del ciclo dell acido citrico, che porta alla completa ossidazione del frammento attivato a due-carboni dell acetil CoA a due molecole di C FAD - FADH2 (1) Succinato Fumarato NAD + NADH H + - (2) Malato ssalacetato L ossidazione del succinato e malato genera energia utile per trasferire elettroni ai trasportatori FAD e NAD +.

32 2. Reazioni di Formazione di Legami Forma legami usando l energia legata alla rottura dell ATP - C2 ATP H2 Piruvato - - ADP H + Pi ssalacetato L ossalacetato può intervenire nel ciclo dell acido citrico, o essere convertito in amminoacidi quale l acido aspartico.

33 3. Reazioni di Isomerizzazione Traspongono particolari atomi all interno della molecola, spesso in preparazione di successive reazioni, per es. ossido-riduzioni Citrato Isocitrato Componenti del ciclo dell acido citrico. Il gruppo idrossi del citrato si sposta da una posizione terziaria ad una secondaria seguita da una ossido-riduzione e decarbossilazione.

34 4. Reazioni di Trasferimento di Gruppo Giocano una varietà di ruoli.,per es. trasferimento di gruppi fosforile al glucosio Glucosio ATP La reazione immobilizza il glucosio nella cellula Glucosio-6-fosfato (G-6P i ) ADP

35 5. Reazioni Idrolitiche Rompono legami per somma di acqua: Strategia comune usata per degradare molte macromolecole naturali H2 - + H 3 Illustra l idrolisi di un legame peptidico.

36 6. L Addizione di Gruppi Funzionali A doppi legami o la rimozione di gruppi dai doppi legami, è catalizzata da liasi. Esempio dalla reazione di glicolisi (7) C 2- CH 2 P 3 H C H H + Fruttosio 1,6-bisfosfato (F-1,6-BP) Didrossiacetone fosfato (DHAP) Gliceraldeide 3-fosfato (GAP)

37 2 nd Esempio di Rimozione di un Gruppo Lo stadio di disidratazione predispone lo stadio successivo nella via metabolica, - - H H2 2-fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato (PEP) Una reazione di trasferimento di gruppo che usa l elevato potere di trasferimento del gruppo fosforile del PEP per formare ATP da ADP

38 Motivi Metabolici Le varie vie hanno reazioni in comune: ossidazione, addizione di un gruppo funzionale al doppio legame, e ulteriore ossidazione

39 L Adenosina Difosfato (ADP) è un Modulo Primordiale nel metabolismo. Evoluto da iniziali catalizzatori del RNA? adenine ribose diphosphate

40 Metaboliti Secondari delle Piante 40 Le piante producono una varietà di composti meno ampiamente distribuiti quali morfina, caffeina, nicotina, mentolo e gomma. Questi composti sono i prodotti del metabolismo secondario, che è il metabolismo dei prodotti chimici che si trovano irregolarmente o raramente nelle piante, e che spesso non hanno un ruolo generale metabolico noto. I metaboliti secondari o composti secondari sono composti che non sono richiesti per la crescita normale e lo sviluppo e non sono sintetizzati secondo le strade metaboliche comuni a tutte le piante. La maggior parte delle piante non sono state esaminate per i metaboliti secondari e si scoprono ogni giorno nuovi composti. energia luminosa fotosintesi, respirazione e fotorespirazione 2 C 2 organo di stoccaggio di zuccheri e amido respirazione, no fotorespirazione zuccheri amido 2 C 2 zuccheri H 2 zuccheri organi di stoccaggio di amido o zucchero H 2 vapore H 2 e minerali Fotosintesi, respirazione, scambio idrico e traslocazione di zuccheri (fotosintetizzati) in una pianta