Respirazione cellulare Metabolismo dei glucidi

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

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

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

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

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

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

L ATP: una molecola Ricaricabile

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

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 CO 2 o H 2 O) vengono eliminati dalla cellula e, negli organismi superiori, escreti attraverso la respirazione polmonare e le urine. 10

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

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

Dove avviene la respirazione cellulare? 13

Fasi della respirazione cellulare 1. Glicolisi: catabolica, degrada sost. organiche avviene nel citoplasma 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.

Respirazione cellulare

In alcuni tessuti ed in alcuni tipi di cellule, eritrociti, midollare del rene, cervello, spermatozoi e cellule della retina, la demolizione del glucosio attraverso la glicolisi è la sola o la principale fonte di energia metabolica 120 grammi di glucosio / giorno = 480 Kilocalorie

C A T A B O L I S M O A N A B O L I S M O

Trasporto del glucosio: trasporto mediato (tramite proteine chiamate GLUT) Passivo (secondo gradiente) GLUT Il glucosio6p non può attraversare la membrana in quanto non possiede un trasportatore specifico

TRASPORTATORI DI GLUCIDI: bidirezionali Nome Tessuto K t Funzione GLUT 1 Eritrociti, molti tessuti 1-2 mm Captazione basale del glucosio GLUT 2 Fegato, cellule β del pancreas, intestino tenue, rene 15-20 mm Captazione e rilascio del glucosio nel fegato (galattosio e fruttosio) e nel rene; sensore per il glucosio delle cellule β del pancreas GLUT 3 Cervello, molti tessuti 1 mm Captazione basale del glucosio GLUT 4 Muscolo scheletrico e cardiaco, tessuto adiposo 5 mm Captazione del glucosio stimolata da insulina GLUT 5 Intestino tenue - Trasporto del fruttosio SGLT1 Trasporto attivo secondario (unidirezionale) Intestino tenue, rene - Assorbimento del glucosio e del galattosio alimentare dall intestino tenue; riassorbimento del glucosio filtrato nel rene

Trasporto facilitato passivo del glucosio attraverso una membrana cellulare GLUT4: trasportatore di glucosio insulina-dipendente presente nel tessuto muscolare scheletrico e cardiaco e nel tessuto adiposo L insulina induce l esocitosi dei trasportatori di glucosio nei tessuti con trasporto Insulinadipendente andando ad incrementare la capacità delle cellule di trasportare glucosio

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

La Glicolisi Stadio 1 Stadio 2 Stadio 3

GLICOLISI: Glucosio--à 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH avviene nel citosol di tutte le cellule è costituita da 10 tappe può essere suddivisa in due fasi Investimento energetico Produzione energetica

LE TAPPE DELLA GLICOLISI STEP 1: Fosforilazione del glucosio ΔG < 0 ESOCHINASI ΔG = -16,7 KJ/mol

STEP 2: Isomerizzazione del glucosio6p in fruttosio6p E una reazione di isomerizzazione reversibile Fosfoglucosio isomerasi ΔG = 1,7 KJ/mol

STEP 3: Fosforilazione del fruttosio-6-p ΔG o = -14,2 kj/mol Reazione irreversibile Fosfofruttochinasi 1

STEP 4: Demolizione dell esoso in triosi Chetoso ΔG o = -23,9 kj/mol Aldoso

STEP 5: Isomerizzazione dei triosofosfati Diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide 3 fosfato sono interconvertibili, in una reazione di isomerizzazione (chetoso) 96% (aldoso) 4% Da 1 molecola di fruttoso1,6 bifosfato, mediante reazioni sequenziali di Aldolasi e triso fosfato isomerasi, si ottengono 2molecole di G3P

STEP 6: ossidazione della gliceraldeide 3 fosfato Ossidazione (deidrogenazione) seguita da fosforolisi ΔG o = +6,3 kj/mol Legame ad alta energia tra l acido fosforico e il gruppo carbossilico legame da anidride mista Acil fosfato La reazione si dice accoppiata in quanto l energia derivante dall ossidazione dell aldeide viene utilizzata per la formazione del leg.fosfo-anidridico

STEP 7: 1 Fosforilazione dell ADP Sebbene l equilibrio sia termodinamicamente spostato verso dx, la reazione è tuttavia reversibile consentendo la generazione di ATP nel processo glicolitico: tuttavia quando viene richiesta la sintesi del glucoso (gluconeogenesi)ha luogo la formazione del 1-3BPG a spese di ATP Fosforilazione a livello del substrato ΔG o = -18,9 kj/mol 1 Reazione di fosforilazione a livello di substrato: consiste nel trasferimento di un gruppo fosfato da un composto ad elevato contenuto energetico all ADP con formazione di ATP

STEP 8: Trasferimento intramolecolare del radicale fosforico FOSFOGLICERATO MUTASI Scambio reversibile di un gruppo fosfato tra il C-2 e il C-3 del glicerato Mg++ Mutasi: enzimi che catalizzano il trasferimento di un raggruppamento da una parte all altra della molecola che conserva la propria identità Isomerasi:catalizzano una modificazione di identità del substrato.

STEP 9:Formazione del fosfoenolpiruvato (PEP) composto ad alta energia ΔG o = 1,8 kj/mol

STEP 10: 2 Fosforilazione dell ADP Piruvico Chinasi Forma Enolica Forma chetonica La seconda fosforilazione dell ADP a livello del substrato

Consumo 2 ATP Zucchero 6 C Si divide in 2x3 C Produzione di 4 ATP

La velocità della GLICOLISI è regolato dalle seguenti condizioni: disponibilità di GLUCOSIO nella cellula attività delle tre tappe irreversibili catalizzate dalla esochinasi (I tappa), fosfofruttochinasi (III tappa) e della piruvato chinasi (X tappa) disponibilità di ADP e NAD + Bilancio energetico della GLICOLISI: Glucosio GLU6P - 1ATP FRU6P F1,6BP - 1ATP 1,3BPG 3PG + 1ATP (x2) PEP PIR + 1ATP (x2) netto 2ATP GLICOLISI ANAEROBIA 1 Glucosio 2 Ac. Piruvico (ΔG = -146 kj/mole) GLICOLISI AEROBIA 1 Glucosio CO 2 + H 2 O (ΔG = -2840 kj/mole)

La conversione del glucosio in due molecole di piruvato ha avuto come risultato la sintesi netta di 2 molecole di ATP e 2 di NADH Dato che la concentrazione di NAD + nella maggior parte delle cellule è bassa, affinché la glicolisi possa procedere il NADH prodotto deve essere riossidato a NAD +

Esochinasi Regolazione della via glicolitica Fosfofruttochinasi + F2,6BP, H + - Insulina Glucagone Piruvato Chinasi - Alanina, Acetil CoA, acidi grassi

Esochinasi e glucochinasi L esochinasi è presente in tutte le cellule La glucochinasi è presente nel fegato

Isozimi: enzimi diversi che catalizzano la stessa reazione ESOCHINASI : Cinetica iperbolica adattamento indotto non specifico per il glucosio (fosforila anche il fruttosio e il mannosio) Km = 10-100 µm lavora normalmente (in vivo) alla velocità massima inibita allostericamente dal prodotto G6P inibitore irreversibile: 2-desossiglucosio GLUCOCHINASI (epatociti, cellule β del pancreas) : Cinetica sigmoide (da glucosio) specifico per il glucosio Km 10 mm enzima inducibile (indotto da insulina) non inibito da prodotto inibito da FRU6P ed attivato da FRU1P, intermedio del metabolismo del FRU, tramite una proteina inibitrice

L esochinasi L esochinasi catalizza la fosforilazione del glucosio nella maggior parte dei tessuti Ha un ampia specificità per il substrato (fosforila anche altri esosi) è inibita dal prodotto della reazione (glucosio 6-fosfato) ha una K m bassa per il glucosio (e quindi un affinità alta) ha una V max bassa, per cui non possono essere fosforilati più zuccheri di quanti la cellula non ne possa utilizzare

La glucochinasi E il principale enzima responsabile della fosforilazione del glucosio nel fegato e nelle cellule delle isole pancreatiche. Nel fegato facilita la fosforilazione del glucosio durante l iperglicemia. Differisce dalla esochinasi perché: 1) ha una K m >> esochinasi (cioè richiede una [ glucosio] più elevata per raggiungere 1/2 V max ) perciò funziona soltanto quando la [glucosio] negli epatociti è alta (es. dopo un pasto ricco di carboidrati) 2) ha una V max elevata (permette al fegato di eliminare con efficienza dal sangue portale il glucosio, anche dopo un pasto ricco di carboidrati, minimizzando l iperglicemia durante il periodo dell assorbimento)

La glucochinasi (fegato) è caratterizzata da un affinità per il glucosio molto più bassa (Km= 10mM) di quella dell esochinasi (Km= 0.010 mm) e non è soggetta all inibizione allosterica da parte del glucosio 6-fosfato

Destini alternativi degli intermedi glicolitici nelle vie biosintetiche

Vie di utilizzazione di substrati diversi dal glucosio nella Via Glicolitica muscolo fegato

Glicolisi e metabolismo ossidativo

Destino del NADH glicolitico e del Piruvato mitocondrio citosol mitocondrio

In anaerobiosi, il NADH è ri-ossidato ed il Piruvato ridotto a lattato nel citosol dalla lattico deidrogenasi (LDH) nel processo di fermentazione lattica

Trasporto del piruvato dal citosol nella matrice mitocondriale Citosol m.m.e m.m.i. Matrice H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + piruvato H + In condizioni di normale apporto di O 2 il piruvato entra nei mitocondri attraverso un trasportatore di membrana specifico e viene trasformato in AcetilCoA dal complesso enzimatico della PIRUVATO DEIDROGENASI mitocondriale

La decarbossilazione ossidativa del piruvato è catalizzata dalla piruvato deidrogenasi Il complesso della PDH comprende tre enzimi che partecipano alla conversione del piruvato in acetil coenzima A

Enzima Coenzima Vitamina richiesta Piruvato decarbossilasi (E 1 ) Diidrolipoil transacetilasi(e 2 ) Diidrolipoil deidrogenasi (E 3 ) Tiamina pirofosfato (TPP) Acido lipoico CoA Tiamina (vitamina B1) Acido Pantotenico (vitamina B5) FAD Riboflavina (vitamina B2) PDH-Chinasi PDH-Fosfatasi NAD + Niacina

Ciclo di Krebs

AcetilCoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H 2 O 2 CO 2 + 3 NADH + 3 H+ + FADH 2 + GTP + CoA Ciclo Krebs

Equazione generale: AcetilCoA + 3NAD + + FAD + GDP + Pi + 2H 2 O 2 CO 2 + 3 NADH + 3H + + FADH 2 + GTP + CoA L acetilcoa viene ossidato completamente a 2 molecole di CO 2 3 molecole di NAD+ e 1 di FAD vengono ridotte, legando gli atomi di H provenienti dall acetilcoa e da 2 molecole di H 2 O (8 H) Una molecola di GTP si forma a partire da GDP e Pi (reazione di fosforilazione a livello di substrato). Equivale alla formazione di un ATP secondo la reazione di interconversione dei nucleotidi: GTP + ADP GDP + ATP

7.5 1.5 10

Tre fattori governano la velocità del ciclo di Krebs: disponibilità di unità acetiliche, di ossalacetato e di coenzimi ossidati * inibizione da accumulo di prodotti (NADH e ATP) inibizione allosterica a feedback dei primi enzimi del ciclo da parte degli ultimi intermedi (diminuisce la K M per l isocitrato di 10 volte) (in alcuni tessuti), ATP

Inibizione Attivazione REGOLAZIONE DEL CICLO DI KREBS

Funzioni cataboliche: ossidare completamente acetil CoA produrre coenzimi ridotti dalla cui riossidazione ottenere energia Funzioni anaboliche: produrre intermedi per sintesi di molecole biologiche CICLO ANFIBOLICO

Ruolo ANABOLICO del ciclo di Krebs

La fosforilazione ossidativa ha inizio con l ingresso degli elettroni nella catena respiratoria Elettroni raccolti dalle deidrogenasi nei processi catabolici e trasferiti sulle molecole coenzimatiche (NAD + e FAD)

La catena respiratoria mitocondriale NADH NAD + in Membrana mitocondriale interna out Complesso I NADH DH Complesso II Succinico DH Q 10 Complesso III cit.c reduttasi Cit.c Complesso IV cit.c ossidasi 1/2 O 2 +2H + H 2 O DEIDROGENASI CATENA CITOCROMICA Subunità DNAn 38 4 10 10 DNAm 7-1 3 Totale 45 4 11 13

Complessi della catena respiratoria L ordine degli elementi della catena respiratoria è: complesso I (o complesso II) - CoQ - complesso III - citocromo c - complesso IV Durante il trasporto degli e-, i 3 complessi I, III e IV utilizzano l energia che si libera dal trasporto degli e - stessi per trasferire protoni (H +, presenti liberi nella matrice mitocondriale) dalla matrice allo spazio intermembrana del mitocondrio. Agiscono quindi da pompe protoniche

I complessi I, III e IV della catena respiratoria mitocondriale accoppiano al trasferimento di elettroni una traslocazione protonica dalla matrice verso lo spazio intermembrana, formando un gradiente elettrochimico transmembrana perché la membrana mitocondriale interna è praticamente impermeabile ai protoni

L ipotesi chemiosmotica di Mitchell L ATPasi (complesso V) utilizza il gradiente protonico in direzione opposta per sintetizzare ATP nel processo noto come fosforilazione ossidativa.

REGOLAZIONE Catena respiratoria, fosforilazione ossidativa sono strettamente interdipendenti: se si blocca l una si blocca anche l altra Sono controllate dalla disponibilità dei propri substrati, cioè: - coenzimi ridotti NADH e FADH 2 (ciclo di Krebs) - O 2 - ADP e Pi

La catena di trasporto mitocondriale degli elettroni (catena respiratoria) catalizza il trasferimento degli elettroni dal NADH e dal FADH 2 sull' ossigeno molecolare secondo le reazioni globali: NADH+H + + 1/2 O 2 ----> NAD + +H 2 O ΔG - 220 kj/mol : 2,5 ATP FADH 2 + 1/2 O 2 ----> FAD+H 2 O ΔG - 160 kj/mol : 1,5 ATP

In aerobiosi, il NADH è ri-ossidato a livelli della catena respiratoria formando ATP nella fosforilazione ossidativa ed il Piruvato è ossidato ad CO 2 ed H 2 O nel ciclo di Krebs (processi mitocondriali) il NADH glicolitico è ri-ossidato a livelli della catena respiratoria ma non potendo attraversare la membrana mitocondriale interna utilizza due sistemi per poter virtualmente entrare nel mitocondrio: sistema navetta o SHUTTLE del Glicerolo fosfato (determina la formazione di FADH 2 mitocondriale) sistema navetta o SHUTTLE del malato-aspartato (determina la formazione di NADH mitocondriale)

Gli equivalenti riducenti vengono trasportati all interno dei mitocondri attraverso dei sistemi navetta (Shuttle) SHUTTLE del Glicerolo fosfato

SHUTTLE del malato-aspartato