Il metabolismo cellulare L obesità è problema sanitario e sociale Tessuto adiposo bianco e bruno È tutta una questione di energia: Se si assumono più molecole energetiche di quelle che ci servono per costruire il nostro corpo e l attività fisica e cerebrale, l energia in eccesso viene immagazzinata sotto forma di grasso Evolutivamente è un vantaggio perché l energia accumulata nei legami C-C e C-H del grasso può essere utilizzata nei periodi di cibo scarso. Ma l eccesso di grasso ha conseguenze negative Le cellule del grasso bruno sintetizzano la proteina UCP1 (proteina disaccoppiante 1, o termogenina) si inserisce nelle membrane interne dei mitocondri, rendendole permeabili a H +. Non si produce più ATP, ma calore
Fonti di energia in biologia
Le leggi della termodinamica I l energia non può essere creata né distrutta II dopo una trasformazione energetica, parte dell energia non è più disponibile per compiere lavoro (energia libera diminuisce e l energia non utilizzabile (disordine molecolare) aumenta) aumento dell entropia
Gli organismi viventi (le cellule) generano ordine, ma questo richiede un utilizzo continuo di energia
Gli organismi viventi sono complessi, donde la necessità di prelevare dall ambiente esterno materia (per sintetizzare nuove molecole) ed energia (per compiere lavoro). - L energia e la materia non si creano e non si distruggono, possono solo essere trasformate. - Vi è un flusso di materia ed energia. Se questo flusso si arresta, si ha la morte (della cellula o dell organismo). - I due processi di utilizzazione di materia ed energia sono correlati tra loro: gli organismi viventi sono macchine che funzionano ad energia chimica. - Negli organismi viventi si verificano molte reazioni chimiche (metabolismo; enzimi).
Introduzione al metabolismo La cellula necessita di energia chimica dall ambiente sotto forma di nutrienti, che mediante reazioni chimiche trasforma in energia utilizzabile per creare l ordine (processi di biosintesi) Vie cataboliche demolizione delle molecole nutrienti che produce energia sotto forma sia di calore (che viene dissipato), sia di nuovi legami chimici in molecole che accumulano energia utilizzabile dalla cellula (es. ATP) Vie anaboliche sintetizzano macromolecole a partire delle unità strutturali base quali aminoacidi, nucleotidi, etc., utilizzando energia prodotta dal catabolismo
Le relazioni tra i processi metabolici
Le reazioni chimiche liberano o assorbono energia: reazioni esoergoniche e endoergoniche Reazione esoergonica: perdita netta di energia libera (prodotti hanno meno energia dei reagenti) la reazione procede spontaneamente Reazione endoergonica: guadagno netto di energia libera (prodotti hanno più energia dei reagenti) la reazione non procede spontaneamente
L idrolisi di ATP libera energia L ATP è la «valuta» energetica della cellula. L idrolisi dell ATP in ADP e P i è una reazione esoergonica che produce una variazione di energia libera (ΔG) di ca -7,3 kcal/mole (ca -30 kj/mole) + energia libera
L ATP accoppia reazioni endoergoniche e esoergoniche
Un esempio di accoppiamento di reazione eso e endoergonica
Il trasferimento di energia nelle reazioni redox L energia non è trasferita solo attraverso il gruppo fosfato dell ATP, ma anche mediante il trasferimento degli elettroni Ossidazione: processo chimico in cui una sostanza perde elettroni Riduzione: processo chimico con cui una sostanza acquista elettroni Sostanza che si ossida, insieme ad elettroni rilascia energia Sostanza che si riduce, riceve energia acquistando elettroni Reazioni redox avvengono spesso in serie. Es. nella respirazione cellulare Trasportatori di elettroni trasferiscono atomi di idrogeno NAD + è una delle più comuni molecole accettrici di è - nei processi cellulari
Gli enzimi Le reazioni da cui dipende la vita si svolgono spontaneamente a velocità così ridotte che le cellule non potrebbero sopravvivere se non avessero il modo di accelerarle Catalizzatori: sostanze che aumentano la velocità di reazione. La maggior parte dei catalizzatori biologici sono proteine: gli enzimi Per accelerare una reazione, un enzima abbassa l energia di attivazione (E a )
Reazione catalizzata da enzimi Complesso enzima-substrato L enzima è inalterato alla fine della reazione di catalisi
La struttura molecolare determina la funzione enzimatica Il sito attivo è specifico per il substrato L enzima cambia forma quando si lega al substrato Le molecole di substrato si avvicinano tra loro nei siti di legame e possono così reagire più velocemente Adattamento indotto: l enzima si modifica quando il substrato si avvicina Interazioni ES modifica anche forma del substrato, condizione favorevole per rottura e/o formazione nuovi legami S si trasforma in P che si stacca dall enzima
Come funzionano gli enzimi diverse conseguenze alla formazione del complesso enzima-substrato
Enzimi catalizzano reazioni in cui si formano o si rompono legami covalenti Alcuni esempi Proteasi: degradano proteine Chinasi: aggiungono gruppi fosfato Fosfatasi: rimuovono gruppi fosfato ATPasi: idrolizzano ATP
Alcuni enzimi richiedono altre molecole (non proteiche) per funzionare Gruppi prostetici atomi o aggregati molecolari (non amminoacidici) legati in modo permanente agli enzimi Cofattori inorganici ioni come Cu, Zn e Fe legati in modo permanente agli enzimi Coenzimi piccole molecole organiche necessarie per l azione di uno o più enzimi, si legano solo temporaneamente. Non esiste una distinzione chiara tra la funzione dei coenzimi e dei substrati. Es. ATP. Alcuni coenzimi derivano dalle vitamine
La concentrazione del substrato influenza la velocità di reazione
Mantenimento dell omeostasi cellulare attraverso reazioni chimiche parte di vie metaboliche Nelle vie metaboliche gli enzimi sono organizzati in complessi enzimatici Modalità per regolare le vie metaboliche 1- modifica dell espressione genica 2- attivazione/disattivazione (inibizione) degli enzimi già presenti
Regolazione dell attività enzimatica - Concentrazione dell enzima e del substrato - Inibizione retroattiva (a feedback) - Attivazione dell enzima (sito attivo assume una conformazione adatta al substrato per azione di ph, ioni o aggiunta di gruppi P - Inibizione per interazione con sito allosterico (regolatori allosterici) Inibizione allosterica della protein-chinasi
Inibizione enzimatica da parte di agenti chimici Inibizione enzimatica Reversibile Irreversibile Inibizione competitiva Inibizione non competitiva
Le vie metaboliche che rilasciano energia nelle cellule Molti procarioti e tutti gli eucarioti ottengono energia dai composti nutritivi prodotti dalla fotosintesi. Trasformano questi composti in glucosio per catturare energia nelle molecole di ATP sintesi di ATP
L estrazione dell energia chimica - Il combustibile chimico più diffuso è il glucosio. - Altri carboidrati, grassi e proteine possono fornire energia all organismo, ma devono prima essere convertiti in glucosio o in altri composti intermedi del metabolismo del glucosio Come le cellule ottengono energia dal glucosio Riduzione Ossidazione Il processo redox che trasferisce elettroni dell idrogeno del glucosio all ossigeno è complesso e avviene attraverso numerosi passaggi. Energia libera degli elettroni è utilizzata per produrre ATP. Respirazione aerobica
In realtà la respirazione cellulare non è una singola reazione, ma una serie di reazioni a catena che produce fino a 38 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio
Il coenzima NAD + è un trasportatore di elettroni fondamentale nelle reazioni redox
Differenti combinazioni di diverse vie metaboliche per ricavare energia dal glucosio In presenza di O 2 come accettore finale di elettroni, sono attive 4 vie metaboliche: - Glicolisi - Ossidazione del piruvato - Ciclo di Krebs (o dell acido citrico) - Trasporto di e - /sintesi di ATP (catena respiratoria)
La respirazione aerobica si può suddividere in 4 fasi che avvengono in compartimenti diversi della cellula
La glicolisi avviene nel citosol Il glucosio si ossida parzialmente, formando 2 molecole di piruvato, e si libera una parte dell energia (produzione netta di 2 ATP + 2NADH) La glicolisi non richiede O 2, può avvenire in condizioni sia aerobiche sia anaerobiche
Il piruvato entra nei mitocondri e viene convertito in acetilcoa Decarbossilazione ossidativa Rimozione di un gruppo carbossilico sotto forma di CO 2 da ciascun piruvato. Residuo a 2 C viene ossidato, con produzione di 2 NADH Formazione di un gruppo acetile che si lega a coenzima A, dando origine a acetil CoA (legame instabile mediato da S che consente trasferimento di gruppo acetile ad altra molecola) Serie complessa di reazioni catalizzata da un complesso multienzimatico: piruvato deidrogenasi (composto da 72 catene polipetidiche, associato a membrana mitocondriale interna) Con la conversione piruvato-acetil CoA si sono prodotte 2 CO 2 e 2 NADH Bilancio energetico di glicolisi + conversione piruvato-acetil CoA = 2 ATP + 4 NADH
Il ciclo dell acido citrico (o di Krebs o degli acidi tricarbossilici) avviene nella matrice mitocondriale e ossida l acetil CoA L acetil CoA (2C), attraverso una caterna di reazioni, viene demolito a CO 2, con produzione di piccola quantità di ATP Energia di rottura dei legami catturata da NAD (> NADH) e da un secondo trasportatore di e -, FAD (flavin adenin dinucleotide) (> FADH 2 ) Bilancio del ciclo di Krebs per ogni molecola di glucosio 4 CO 2, 6 NADH, 2 FADH 2, 2 ATP
Finora sono state prodotte solo 4 ATP (2 nella glicolisi e 2 nel ciclo di Krebs) per fosforilazione a livello di substrato e il glucosio (6C) di partenza risulta completamente catabolizzato per perdita di 2CO 2 nella conversione da piruvato a acetil CoA e 4 CO 2 nel ciclo di Krebs La maggior parte dell energia estratta dal glucosio a questo punto si trova accumulata nei NADH e nei FADH 2 Questa energia sarà utilizzata per produrre ATP nella catena di trasporto degli e - e nella chemiosmosi
La catena di trasporto degli elettroni - Localizzata sulla membrana mitocondriale interna - L ossigeno è accettore finale di elettroni che «scorrono» lungo una «catena di trasporto» costituita da proteine (complessi enzimatici)
L energia liberata ad ogni passaggio sulla catena viene utilizzata per pompare ioni H+ nello spazio intermembrana (si genera un gradiente di protoni a cavallo della membrana mitocondriale interna)
Gli esperimenti di Mitchell dimostrarono la capacità delle membrane di batteri posti in un mezzo acido (ricco di H + ) di produrre ATP. Alla fine della catena respiratoria si trova l ATP sintasi. Un complesso enzimatico che funziona come un «motore molecolare» e che sfrutta l energia accumulata nel gradiente di H + per sintetizzare ATP da ADP+P i (reazione endoergonica) In questa fase (catena respiratoria e chemiosmosi), la sintesi di ATP è accoppiata al trasporto di elettroni Fosforilazione ossidativa
Veleni come il cianuro e il monossido di carbonio sono mortali perché bloccano la catena di trasporto degli elettroni verso l ossigeno. L energia contenuta negli alimenti non può essere trasformata in energia sufficiente (l ATP prodotta dalla glicolisi non è sufficiente) e le attività cellulari si arrestano.
Resa energetica del catabolismo di una molecola di glucosio mediante respirazione aerobica
Gli esseri umani (e molti animali) estraggono maggiore energia dall ossidazione degli acidi grassi che dal glucosio (ossidazione completa di ac. grasso a 6C produce 44 ATP) Aminoacidi sono metabolizzati per deaminazione, con produzione di urea, e formazione di composti che entrano nella respirazione aerobica a livello della glicolisi o del ciclo dell acido citrico, a seconda degli aa. Fosfolipidi sono scissi in glicerolo e ac. Grassi. Glicerolo convertito in G3P entra nella glicolisi; ac. Grassi subiscono B- ossidazione, formando gruppi acetile che vengono convertiti in acetil CoA
Animazioni utili allo studio Respirazione cellulare http://www.youtube.com/watch?v=-gb2ezf_xqa Virtual Cell Animation Collection http://vcell.ndsu.nodak.edu/animations/proteintrafficking/movieflash.htm (x animazioni su metabolismo cellulare, mitosis, meiosis, trascrizione, traduzione)