catabolismo anabolismo

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1 Il metabolismo è la somma di tutte le trasformazioni chimiche che avvengono in un organismo o in una cellula Il catabolismo è l insieme delle reazioni che portano alla scissione di molecole complesse (ricche di energia) in sostanze più semplici (povere di energia). Rilascia energia Nutrienti contenenti energia Carboidrati Grassi Proteine Molecole complesse Carboidrati Grassi Proteine Attività cellulari catabolismo anabolismo E Prodotti di scarto poveri di energia CO 2 H 2 O NH 3 Molecole semplici L anabolismo è l insieme delle reazioni che portano alla formazione di molecole complesse a partire da molecole più semplici. Richiede energia

2 Adenosin-trifosfato ATP legame anidridico:legame tra due acidi cariche negative che si respingono legami anidridici ad alto contenuto energetico ATP ADP + P i G 7.3 kcal/mol ADP + P i ATP G G +7.3 kcal/mol

3 respirazione cellulare C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6 CO H 2 O glucosio fotosintesi luce G = -686 Kcal/mol Reazioni cataboliche G < 0 ATP Reazioni anaboliche G > 0 Composto ad alto contenuto energetico L ATP immagazzina temporaneamente l E le libera e la rende disponibile per le reazioni successive

4 Le reazioni di ossidazione dei composti organici consistono in reazioni di deidrogenazione cioè nella sottrazione di due atomi di idrogeno L ossidazione di un alcool primario forma un aldeide L ossidazione di un aldeide (idrata) forma un acido carbossilico L ossidazione di un alcool secondario forma un chetone L ossidazione di un alcool terziario non avviene Ciò che cambia è il rapporto H/O

5 substrati ridotti 6 6 Acido oleico prodotti di rifiuto ossidati CO 2 fosforilazione a livello dei substrati ATP e - e - NH 3 NADH e FADH 2 e - trasportatori di elettroni sotto forma di atomi di idrogeno

6 I trasportatori di idrogeno: NAD + Nicotin Adenin Dinucleotide H + ione idrogeno non ha più l elettrone H atomo di idrogeno ha il suo elettrone

7 substrati ridotti 6 6 Acido oleico prodotti di rifiuto ossidati CO 2 fosforilazione a livello dei substrati ATP e - e - NH 3 NADH e FADH 2 e - trasportatori di elettroni sotto forma di atomi di idrogeno e - ½ O 2 + 2e - +2H + NAD+ e FAD ossidati mitocondri Catena respiratoria H 2 O accettore finale di elettroni ADP+P ATP

8 C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6 CO H 2 O glucosio glicolisi G = -686 Kcal/mol catena respiratoria piruvato deidrogenasi ciclo di Krebs 32 molecole di ATP = 237 Kcal/mol 40% Il frazionamente in più passaggi metabolici permette il recupero di una notevole quantità di energia

9 Schema generale del metabolismo cellulare STADIO 1: Scissione di macromolecole a unità semplici proteine aminoacidi polisaccaridi monosaccaridi trigliceridi acidi grassi e glicerolo STADIO 2: Ossidazione delle unità semplici ad acetilcoa accompagnata dalla produzione di limitate quantità di NADH e di ATP nel citoplasma citoplasma glucosio glicolisi piruvato acetilcoa ATP NADH βossidazione membrana mitocondriale Ciclo di Krebs STADIO 3: Completa ossidazione dell acetilcoa ad CO 2 e H 2 O accompagnata dalla produzione di grandi quantità di NADH, FADH 2 e di ATP nei mitocondri membrana plasmatica NH 3 Potere riducente NADH, FADH 2 O 2 Fosforilazione ossidativa H 2 O ATP ATP ATP CO 2 Prodotti di rifiuto

10 Acetil CoA Unità acetile Legame tioestere legame ad alta energia di idrolisi

11 carboidrati lipidi proteine acetilcoa ossidazione acidi grassi corpi chetonici aminoacidi

12 Come è fatta una via metabolica? A E 1 B E 2 C E 3 D Le reazioni sono catalizzate, cioè accelerate, da speciali proteine dette enzimi

13 Accelerazione di velocità da parte di enzimi Enzima Velocità Velocità Accelerazione non enzimatica enzimatica di velocità Chimotripsina 4x10-9 4x Lisozima 3x10-2 5x10-1 2x10 8 Fumarasi 2x10-8 2x10-3 3x10 11 b-amilasi 3x10-9 1x10-3 3x10 11 Ureasi 3x x Fosfatasi alcalina

14 Gli enzimi sono catalizzatori di natura proteica accelerano solo reazioni spontanee non apportano energia alla reazione non alterano l equilibrio della reazione prendono parte alla reazione ma si ritrovano alla fine immodificati sono efficaci a concentrazioni minime rispetto alle concentrazioni dei substrati sono molto specifici, in quanto catalizzano solo alcuni tipi di reazioni chimiche

15 Gli enzimi accelerano solo le reazioni termodinamicamente possibili reazione esoergonica G negativo G G A + B C + D Ma come fanno ad avvenire le reazioni termodinamicamente impossibili? reazione endoergonica G positivo G C + D A + B

16 Accoppiando le reazioni endoergoniche a reazioni esoergoniche reazione 1 A+b C+d G 1 >0 reazione 2 e+d f+b G 2 <0 somma A+e C+f G 1 + G 2 Una reazione esoergonica,, come la scissione dell ATP, fornisce l energia l necessaria a una reazione endoergonica

17 Gli enzimi accelerano le reazioni chimiche abbassando l energia l di attivazione (fanno diminuire l energia l libera del complesso attivato)

18 Effetto della concentrazione del substrato reazione catalizzata velocità della reazione reazione non catalizzata concentrazione del substrato [S]

19 Struttura degli enzimi substrato enzima sito attivo complesso enzima/substrato In genere il sito attivo rappresenta meno del 5% della superficie di un enzima

20 Meccanismo di azione degli enzimi substrato prodotti sito attivo enzima complesso enzima/substrato complesso enzima/prodotti enzima E + S [ES] [E P] E + P L attività enzimatica si studia determinando la velocità (V) con cui decorre la reazione in presenza di enzima (E) V = d[p] dt V = - d[s] dt

21 Effetto della concentrazione del substrato reazione catalizzata velocità della reazione reazione non catalizzata concentrazione del substrato [S]

22 Effetto della concentrazione del substrato

23 Struttura degli enzimi apoenzimasito attivo substrato + coenzima oloenzima I coenzimi sono molecole organiche a basso peso molecolare derivate da vitamine

24 Caratteristiche degli enzimi La loro attività è influenzata dalle condizioni ambientali Funzionano al meglio a valori particolari di temperatura, ph e concentrazione salina

25 Effetto della temperatura 37 C = optimum di temperatura

26 Come viene regolata una via metabolica? A E 1 B E 2 C E 3 D Le vie metaboliche vengono regolate controllando l attivitl attività dell enzima enzima che catalizza una delle prime reazioni della via

27 Meccanismi di regolazione dell attivit attività enzimatica Regolazione della sintesi Le cellule regolano la produzione degli enzimi a seconda delle necessità e le reazioni avvengono solo se sono presenti gli enzimi che le catalizzano Inibitori

28 S I Inibizione competitiva l inibitore ha una struttura simile al substrato e compete con il substrato per il legame sul sito attivo I E I Inibizione non competitiva l inibitore si lega a un sito diverso dal sito attivo inducendo un cambiamento conformazionale dell enzima

29 Meccanismi di regolazione dell attivit attività enzimatica Regolazione della sintesi Le cellule regolano la produzione degli enzimi a seconda delle necessità e le reazioni avvengono solo se sono presenti gli enzimi che le catalizzano Inibitori Modificazione covalente irreversibile Gli enzimi sono sintetizzati in forma inattiva e vengono attivati mediante scissione di uno più legami peptidici

30 Modificazione covalente irrreversibile Attivazione della chimotripsina

31 Meccanismi di regolazione dell attivit attività enzimatica Regolazione della sintesi Le cellule regolano la produzione degli enzimi a seconda delle necessità e le reazioni avvengono solo se sono presenti gli enzimi che le catalizzano Inibitori Modificazione covalente irreversibile Gli enzimi possono essere prodotti in forma inattiva ed essere attivati mediante scissione Modificazione covalente reversibile Gli enzimi possono essere modulati attraverso processi di fosforilazione/defosforilazione

32 Modificazione covalente reversibile ATP ADP proteina chinasi E CH 2 OH fosfatasi E CH 2 O - P i P i H 2 O P i = H 3 PO 4 acido fosforico

33 Comunicazione endocrina L ormone viene secreto da una ghiandola endocrina L ormone viaggia nel circolo sanguigno e raggiunge la cellula bersaglio dove esplicherà la sua azione L ormone riconosce la cellula bersaglio, poiché essa possiede un recettore specifico per l ormone l stesso Un recettore è una proteina che lega l ormone l con altissima affinità

34 Esistono due classi di ormoni a seconda della loro natura chimica e del meccanismo d azioned Ormoni idrofilici: ormoni proteici (TSH, GH, ACTH, insulina, ecc.) peptidici (ADH o vasopressina, ossitocina) ormoni fenolici (adrenalina, nor-adrenalina) Recettori di membrana Non possono attraversare la membrana cellulare Ormoni idrofobici: Recettori intracellulari ormoni steroidei (corticosteroidi, progestinici, ormoni sessuali maschili e femminili) ormoni tiroidei (T3 e T4) acido retinoico Possono attraversare la membrana cellulare

35 Meccanismo d azione d degli ormoni idrosolubili Hanno un azione molto rapida e per breve tempo

36 Meccanismo d azione d degli ormoni liposolubili Hanno un azione più lenta e prolungata nel tempo