BIOLOGIA IL METABOLISMO GSCATULLO PICNUPIA (

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1 BIOLOGIA IL METABOLISMO GSCATULLO PICNUPIA (

2 Il Metabolismo Il Metabolismo Energetico Il Metabolismo energetico è l insieme di reazioni chimiche utilizzate dalle cellule per sintetizzare ATP. La sintesi di ATP avviene con molecole organiche ad alto contenuto energetico. Le reazioni del metabolismo di sintesi, ovvero che creano prodotti, come la fotosintesi clorofilliana, sono dette anaboliche e consumano energia. Le reazioni che scompongono sostanze complesse in più semplici, come la glicolisi, sono dette cataboliche e producono energia (ATP) dalle scomposizioni. Gli Eterotrofi ricavano biomolecole ad alto contenuto di energia dagli organismi di cui si nutrono. Gli Autotrofi sintetizzano biomolecole partendo da molecole semplici ed inorganiche utilizzando una fonte di energia esterna (e.g. il sole nella fotosintesi clorofilliana). Le reazioni chimiche che costituiscono il metabolismo si realizzano in più tappe, la sequenza di quest ultime costituisce la via metabolica. Redox (reazioni di ossidoriduzione) composte da: Riduzione Acquisto di uno o più elettroni da parte di un atomo, ione o molecola. Ossidazione Perdita di uno o più elettroni. Il NAD + Il NAD (nicotinammide adenina dinucleotide) è un coenzima, ovvero lavorando in coppia con un enzima favorisce le reazioni redox, che si presenta in due forme differenti: una ossidata (NAD + ) ed una ridotta (NADH+H + ). Il NAD + prende gli elettroni da una molecola riduzione, diventa NADH + H + - e li porta ad un altra, ovvero glieli cede tramite ossidazione e torna ad essere NAD +. Si tenga presente che il NAD + è presente nelle cellule in quantità limitate e per tale motivo esso viene continuamente riciclato dopo l utilizzo. Metabolismo del glucosio Il nutrimento più comune alle cellule è lo zucchero glucosio C 6H 12O 6 Quando il glucosio è ossidato libera energia, per sfruttarla le cellule utilizzano diversi processi metabolici:

3 Comune a tutte e più importante è la glicolisi, che avviene nel citoplasma. Essa frammenta il glucosio in due molecole di piruvato. Il processo, che non utilizza ossigeno per avvenire, libera una piccola quantità di energia usata per costruire due molecole di ATP. In assenza d ossigeno (anaerobiosi) segue un processo detto fermentazione che trasforma le due molecole di piruvato in acido lattico o etanolo. Non produce ATP. In presenza di ossigeno (aerobiosi) avviene la respirazione cellulare che trasforma ogni piruvato in tre molecole di CO 2 liberando grandi quantità di energia e producendo dunque molta ATP. Glicolisi La glicolisi è la scissione parziale del glucosio in due molecole di piruvato e la produzione di 2 molecole d ATP. Vengono inoltre ridotte due molecole di NAD + in NADH + H +. La glicolisi comprende 10 tappe differenti, ciascuna catalizzata (ovvero velocizzata) da uno specifico enzima. Si potrebbe suddividerla in due fasi: Una prima fase che consuma 2 molecole di ATP, la molecola di glucosio viene trasformata dapprima in Fruttosio-6-fosfato e quindi in 2 molecole di gliceraldeide 3-fosfato (G3P). La seconda fase produce 4 ATP e 2 NADH, le molecole di G3P vengono ossidate e trasformate in due molecole di piruvato. La glicolisi consuma due molecole per la prima fase e ne produce quattro nella seconda, ottenendo un bilancio netto di 2 molecole di ATP prodotte ogni molecola di glucosio consumata.

4 La Glicolisi

5 Fermentazione Nelle cellule che vivono in assenza di ossigeno (anaerobie) la produzione di ATP si ferma con la glicolisi, tuttavia è necessario un ulteriore processo per riciclare il NADH ossidandolo. Le vie principali di fermentazione sono la fermentazione lattica dove il prodotto finale (in realtà lo scarto) è l acido lattico, e la fermentazione alcolica dove il prodotto finale è l alcol etilico. Fermentazione lattica La fermentazione lattica è comune fra molti procarioti, come il Lacrobacillus bulgaricus, che trasformano lo zucchero di lattosio in acido lattico. Questo processo è utilizzato dall uomo per la produzione di formaggi e latticini. Anche nell essere umano può avvenire tale processo: le cellule muscolari che durante uno sforzo fisico non ricevono abbastanza ossigeno devono lavorare in condizioni anaerobiche e producono acido lattico. Se esso è in quantità elevate ha come effetto i crampi. Fermentazione alcolica Nella fermentazione alcolica, che interessa i lieviti e alcune cellule vegetali, il processo avviene in due tappe e produce oltre al NAD + e all alcol etilico anche il diossido di carbonio (anidride carbonica, ovvero le bollicine ). Il lievito responsabile della fermentazione delle bevande alcoliche è il Saccaromyces cerevisiae che utilizza gli zuccheri dell uva o dell orzo per la produzione di etanolo. Anche la lievitazione del pane è un processo di fermentazione alcolica: il CO 2 fa crescere l impasto, mentre l etanolo è eliminato durante la cottura. Fermentazione lattica Fermentazione alcolica Respirazione cellulare La glicolisi non libera tutta l energia (ATP) presente nel glucosio ma solo una piccola parte. Per ricavare il resto in presenza di ossigeno, la maggior parte delle cellule completa l ossidazione del glucosio attraverso un processo chiamato respirazione cellulare che permette la liberazione di tutta l ATP. Durante la respirazione cellulare hanno luogo l ossidazione completa del piruvato in CO 2 e la riduzione dell ossigeno a molecole d acqua. L energia liberata durante il processo è utilizzata per produrre ATP.

6 Dove avviene? Negli eucarioti la respirazione cellulare avviene nei mitocondri, la presenza di questi organuli in ogni cellula varia a seconda dei tessuti, ma in media ne sono presenti circa I mitocondri sono circondati da due membrane: La membrana mitocondriale esterna, liscia e permeabile dalle piccole molecole e dagli ioni. La membrana mitocondriale interna, estesa e ripiegata in creste, impermeabile a tutti gli ioni e alle molecole polari. Per attraversarla devono utilizzare proteine di strasporto. Tra le due membrane vi è uno spazio detto intermembrana e contenuta dalla membrana interna vi è una soluzione gelatinosa detta matrice. In quest ultima vi sono le informazioni genetiche dei mitocondri (DNA, RNA) e qui avviene la produzione di acetato e il ciclo di Krebs. Nelle pieghe della membrana interna avviene invece la fosforilazione ossidativa. Il processo La respirazione si divide in tre fasi, in queste l ossigeno è usato solo nella fase finale (fosforilazione ossidativa) nella quale si produce maggior quantità di ATP. La prima fase è la produzione di acetato. Il piruvato in questa fase entra nel mitocondrio dove viene parzialmente ossidato e trasformato in un gruppo acetile al quale è aggiunto il coenzima A (CoA) per portarlo nel ciclo di Krebs. La reazione produce un NADH e rilascia una molecola di CO 2 per ogni piruvato. La seconda fase è il ciclo di Krebs. Il ciclo di Krebs è un processo che avviene nella matrice mitocondriale in otto tappe, in ognuna delle quali si susseguono diversi enzimi che trasformano le molecole e rilasciano 1 ATP, 2 CO 2, 1 FADH 2 e 3 NADH; per ogni Acetil-CoA. La terza fase è la fosforilazione ossidativa. Questa fase prevede l ossidazione del NADH e del FADH 2 prodotti durante il ciclo di Krebs, nell ossidazione sono ceduti elettroni all ossigeno. Il passaggio degli elettroni all ossigeno non avviene direttamente bensì tramite la catena di trasporto: una serie di complessi proteici nella membrana interna. Durante questa catena i protoni H + sono portati fuori dalla membrana interna nello spazio intermembrana. Spinti verso la matrice da una forza detta protonomotrice 1, i protoni non possono riattraversare la membrana interna in quanto la membrana interna è impermeabile agli ioni. Interviene quindi uno specifico enzima detto ATP sintetasi che sintetizza l ATP dall ADP utilizzando l energia della forza protonomotrice; e trasporta i protoni (H + ) nella matrice. Infine gli H + si legano all ossigeno e formano acqua, per mantenere neutro il PH delle cellule.

7 La respirazione cellulare

8 La catena di trasporto degli elttroni 1 Forza generata dalla differenza di carica fra lo spazio intermembrana (molti H + ) e la matrice. Bilancio Energetico Glicolisi 2ATP 2NADH Ossidazione del Pirutvato 2NADH 2CO 2 Ciclo di Krebs 2ATP (1ATP x 2) 6NADH (3NADH x 2) 4CO 2 2FADH 2 (1FADH 2 x 2) Totale Parziale 4ATP 10NADH e 2FADH 2 Fosforilazione ossidativa 30ATP (10ATP per ogni NADH) 6H 2O 4ATP (2ATP per ogni FADH 2) Totale 34 ATP per ogni molecola di glucosio 6CO2 + 6H2O Chimicamente:

9 Altri processi coinvolti Anche gli altri cibi oltre il glucosio partecipano alla respirazione cellulare tramite le vie cataboliche, ovvero subendo una trasformazione preliminare l ammissione al processo. I carboidrati (l amido, polisaccaride) sono idrolizzati a glucosio, quindi procedono la glicolisi e la respirazione cellulare. I lipidi (trigliceridi) vengono scissi: il glicerolo che li compone è trasformato in DAP, prodotto intermedio della glicolisi, mentre gli acidi grassi sono trasformati in Acetil-CoA. Le proteine sono idrolizzate negli amminoacidi che le compongono e, dopo essere stati deamminati, entrano nel ciclo di Krebs. La concentrazione di sostanze nelle cellule non è dipendente dal grado di assunzione ma è regolata (con l aumento o la diminuzione degli enzimi del catabolismo e dell anabolismo) per rimanere sempre costante. Questo fenomeno, detto omeostasi metabolica, si sconvolge solo in circostanze eccezionali come la denutrizione.

10 Realizzato il 12/02/2014. Grafica il 05/09/2015. Da Paolo Franchi, per Sapere Aude! AMDG