Metabolismo + glicolisi PDF

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metabolismo cellulare e glicolisi....

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4. IL METABOLISMO Gli organismi viventi richiedono un continuo apporto di energia libera per tre scopi principali:  Produrre lavoro meccanico: durante la contrazione muscolare o durante movimenti cellulari;  Trasporto attivo di molecole e ioni;  Sintesi di macromolecole e altre biomolecole a partire da precursori semplice. L’energia necessaria per queste trasformazioni viene ricavata dall’ambiente. Gli organismi fototrofi usano l’energia solare per convertire molecole semplici e povere di energia in molecole più complesse e ricche di energia (usano CO2 come fonte di atomi di carbonio con la quale formano molecole organiche che servono da combustibili o sostanze nutrienti); i chemioautotrofi si procurano energia tramite l’ossidazione delle sostanze nutrienti generate dai fototrofi (otteniamo molecole di carbonio da molecole organiche già presenti). In questo metabolismo viene utilizzata l’ATP e verrà usato un numero limitato di intermedi attivati. Nei In ogni dato istante all’interno della cellula avvengono migliaia di conversioni di energia. L’energia viene estratta dalle sostanze nutrienti ossidabili e viene utilizzata per alimentare i processi biosintetici. Queste trasformazioni costituiscono il metabolismo. Il metabolismo è essenzialmente una serie di reazioni chimiche che partono da una particolare molecola e la convertono in qualche altra molecola o in altre molecole in modo molto preciso. Nella cellula esistono molte di queste vie dedicate. Le vie metaboliche sono interdipendenti e la loro attività è coordinata per mezzo di sensibilissimi sistemi di comunicazione in cui operano gli enzimi allosterici. Queste vie metaboliche possono essere divise in 2 classi generali:  Reazioni anaboliche (anabolismo): le forma utilizzabili di energia prodotte nel catabolismo vengono impiegate nelle reazioni anaboliche per avere molecole più complesse da molecole più semplici. Sono quelle che per potere procedere richiedono apporto di energia (sintesi di glucosio, grassi, DNA).  Reazioni cataboliche (catabolismi): trasformano i combustibili che prendiamo dall’ambiente in energia cellulari. Attraverso il catabolismo si trasformano le sostanze nutrienti (carboidrati, lipidi, proteine) in CO2 , H 2 O e Energia biologicamente utile . Le vie biosintetiche e le vie degradative sono quasi sempre distinte, quindi in genere o funziona una o l’altra ma non nello stesso momento.

Le vie cataboliche e le vie anaboliche sono strettamente correlate; le prime generano energia sotto forma di ATP, NADH, NADPH e FADH2 derivata dall’ossidazione di sostanze nutrienti, si generano nuove molecole ricche di energia e i prodotti finali sono poveri di energia. Nelle vie anaboliche le molecole formate durante il catabolismo vengono usate per convertire molecole di precursori (amminoacidi, zuccheri, acidi grassi e basi azotate) in macromolecole quindi proteine, polisaccaridi, lipidi, DNA e RNA.

METABOLISMO DEL GLUCOSIO: 1)Via metabolica: il glucosio viene ossidato, viene ricavata energia, viene metabolizzato a piruvato in 10 reazioni sequenziali. Attraverso 10 tappe verrà convertito in una molecola più piccola, il piruvato: in condizioni anaerobiche il piruvato viene metabolizzato a lattato e, in condizioni aerobiche, ad acetil CoA. Gli atomi di carbonio derivati dal glucosio vengono successivamente ossidati a CO2. In questi processi l’ATP funge da moneta energetica universale. Una parte dell’energia libera ottenuta dall’ossidazione delle sostanze nutrienti (o da energia solare) viene trasformata da ATP che funge poi da donatore di energia libera in molti processi che richiedono energia. Il metabolismo è facilitato dall’uso di ATP.La maggior parte delle reazioni cataboliche estrae energia dalle sostanze nutrienti e le converte in ATP. ATP: adenosina-trifosfato. E’ un nucleotide costituito da adenina, ribosio e da un gruppo trifosforico. La forma attiva dell’ATP è di solito un complesso di ATP con gli ioni Mg2+ o Mn2+. E’ una molecola ricca di energia perché il suo gruppo trifosforico contiene 2 legami fosofanidridici che quando vengono scissi rilasciano tutta l’energia possibile. Quando l’ATP viene idrolizzato ad ADP e ortofosfato (Pi) o quando l’ATP viene idrolizzato a AMP e pirofosfato (PPi) viene liberata una grande quantità di energia libera. Questo è dovuto all’alto potenziale di trasferimento del gruppo fosforico dell’ATP a causa dei 2 legami fosfoanidridici: ATP + H2O ADP + Pi ΔG°’ = -7,3 kcal mol-1, mentre ATP + H2O AMP + PPi ΔG°’ = -10,9 kcal mol-1. Il valore esatto dell’energia standard è di queste due reazioni nelle tipiche condizioni cellulari è pari a circa 12 kcal mol-1. Le variazioni di energia libera associata ad idrolisi di ATP è così elevata perché ADP ed ortofosfato hanno una maggiore stabilizzazione per risonanza rispetto ad ATP: l’ATP a pH=7 ha 4 cariche negative che si respingono (repulsione elettrostatica); a seguito della separazione delle cariche che avviene dopo l’idrolisi diminuisce la repulsione. Inoltre il fosfato inorganico che viene rilasciato da idrolisi viene stabilizzato da un ibrido di risonanza dove ciascuno dei 4 legami fosforo-ossigeno ha lo stesso grado di doppio legame e lo ione idrogeno non è sempre legato allo stesso atomo di ossigeno. Vi è anche una stabilizzazione dovuta ad idratazione: nella molecola di ADP e nella molecola di orto-fosfato di legano più molecole di acqua ad ADP e orto-fosfato che all’ATP, e questo stabilizza ulteriormente i prodotti della reazione rispetto ai reagenti. Come abbiamo appena visto, l’idrolisi di ATP favorisce il metabolismo spostando l’equilibrio delle reazioni accoppiate: questo vuol dire che una reazione con un ΔG positivo può diventare con un ΔG negativo se questa reazione viene accoppiata con idrolisi ATP (varia il rapporto

all’equilibrio tra prodotti\reagenti di un fattore molto grande pari a 108 ). Perciò si può convertire una sequenza di reazioni termodinamicamente sfavorevole in una sequenza favorevole, accoppiandola all’idrolisi di un numero sufficiente di molecole di ATP. Nei sistemi biologici l’ATP funge da molecola che fornisce un immediato apporto di energia ma non è la molecola che serve da deposito di energia per lunghi intervalli di tempo: a questo proposito ci sono altre molecole che fungono da riserva perché nelle cellule le molecole di ATP vengono consumate entro 1 minuto dalla produzione perché il tuo turnover (sintesi ed utilizzo) è rapido e se ne fa poca. La quantità totale di ATP è limitata (100 gr nell’uomo). Altre molecole in grado di rilasciare energia (alto potenziale di trasferimento del gruppo fosforico): fosfoenolpiruvato (PEP), creatina fosfato (molecola che fa parte della riserva di gruppi fosforici ad alta energia nel muscolo), 1,3bisfosfoglicerato; l’idrolisi del legame fosfoanidridico in queste molecole libera una quantità di energia standard superiore a quella dell’ATP. Questi composti hanno un potenziale di trasferimento ancora più elevato di quello dell’ATP, e possono essere utilizzati per fosforilare l’ADP e ottenere ATP. FONTI DI ENERGIA DURANTE ESERCIZIO FISICO Nei vertebrati, nei primi secondi si usa ATP e riserve di creatina-fosfato nel muscolo: nei primi secondi tutte queste riserve vengono usate. Se ho bisogno di ulteriore energia l’ATP deve essere generato dalle vie metaboliche. Il metabolismo anaerobico fornisce energia per secondi\minuti e il metabolismo aerobio per minuti\ore. Per quanto riguarda il muscolo a riposo la quantità di ATP è 100 gr per un uomo e come concentrazione è 4mM nel muscolo a riposo; circa 400\600 gr di creatina-fosfato che è sufficiente per 10-15 secondi di sforzo muscolare e poi si esaurisce e l’ATP va riformata attraverso metabolismo anaerobico o aerobico. L’ATP viene consumata entro un minuto dalla sua formazione e quindi ci deve essere un meccanismo per riformare ATP consumato: un uomo a riposo consuma circa 40 kg di ATP nel giorno e quindi ci deve essere un continuo turnover (consumo e formazione) di ATP durante il giorno; si arriva a consumare 0,5Kg di ATP al minuto se si fa un intenso esercizio fisico (60Kg un’ora di pedalata). E’ essenziale quindi possedere un meccanismo di rigenerazione dell’ATP. E’ necessario quindi avere un ciclo di ADP-ATP continuo. L’ATP viene consumata per movimento, trasporto, attivo, biosintesi; l’ADP che è formato poi deve essere ritrasformato in ATP. Questa è una delle funzioni principali di catabolismo, quindi ossidazione di molecole organiche o fotosintesi. Il carbonio delle molecole organiche (sostanze nutritive) come il glucosio e i grassi, viene ossidato ad anidride carbonica. Gli elettroni che derivano da queste ossidazioni vengono catturati e utilizzati per rigenerare l’ATP da ADP e Pi. Negli organismi aerobici l’accettore ultimo di questi elettroni catturati dalle molecole organiche è l’ossigeno quindi il prodotto finale è la CO2: quanto è più ridotto l’atomo di carbonio partenza tanta più energia libera viene rilasciata durante l’ossidazione per presenza e rilascio di elettroni. Energia libera rilasciata da ossidazione di:     

Metano: -820 KJ\mol Metanolo: -703 KJ\mol Formaldeide: -523 KJ\mol Acido formico: -283 KJ\mol Biossido di carbonio: 0 KJ\mol

Tutte le reazioni di ossidazione prevedono perdita di elettroni dalle molecole ossidate e acquisto di elettroni da altre molecole (processo di riduzione). Vedendo la molecola di glucosio e di acido grasso, la seconda ha gli atomi di carbonio in una forma molto più ridotta rispetto alla molecola di glucosio, dove abbiamo molti più gruppi ossidrilici (forma più ossidata): questo è importante in quanto i grassi sono a parità di peso una fonte migliore di energia rispetto al glucosio in quanto i loro atomi di carbonio sono in una forma più ridotta. LE TRE FASI CON LE QUALI L’ENERGIA VIENE ESTRATTA DALLE SOSTANZE NUTRIENTI

1. FASE I: Digestione Grosse molecole polimeriche degli alimenti degradate in unità più piccole (grassi in acidi grassi e glicerolo, polisaccaridi in glucosio ed altri zuccheri, proteine in amminoacidi). 2. FASE II: Le numerose piccole molecole vengono degradate fino a generare poche unità più piccole, che svolgono un ruolo centrale nel metabolismo. Queste unità più piccole vengono convertite in acetil CoA. In questa fase viene generata una certa quantità di ATP, la quale, però, è piccola se paragonata a quella ottenuta nella terza fase. 3. FASE III: Viene prodotto ATP dall’ossidazione completa dell’unità acetile presente nell’acetil CoA. La terza fase comprende il ciclo dell’acido citrico e la fosforilazione ossidativa, le vie comuni finali nell’ossidazione delle molecole organiche. L’acetil CoA dona l’unità acetile al ciclo dell’acido citrico, dove i suoi due atomi di carbonio sono ossidati a CO2. Per ogni gruppo acetile che viene ossidato vengono trasferite quattro coppie di elettroni. Questi elettroni quando fluiranno da molecole che li trasportano all’ossigeno attraverso tutta una serie di trasportatori, si genererà un gradiente protonico usato per generare ATP. Questa energia viene resa disponibile dall’ ossidazione di sostanze nutrienti e viene usata in alcuni casi per creare direttamente un composto ad alto trasferimento del gruppo fosforico o per generare un gradiente ionico (protonico), ma il fine ultimo è sempre la formazione di ATP. Tra le due facce di una membrana, la formazione di un gradiente ionico porta ad avere un potenziale elettrochimico il quale è dovuto dovuto a fotosintesi o ad ossidazione delle sostanze nutrienti. Il gradiente favorisce questa sintesi di ATP nelle cellule. Negli animali il gradiente protonico che si forma dall’ossidazione dei composti organici porta alla formazione di più del 90% dell’ATP che viene generato all’interno della cellula fosforilazione ossidativa in 2 passaggi: 1) formazione del gradiente protonico: nella terza fase dell’estrazione dell’energia avviene la fosforilazione ossidativa, ossia la fase in cui il passaggio di elettroni attraverso una serie di trasportatori favorisce il pompaggio di protoni all’esterno della membrana (interna del mitocondrio); l’ossigeno viene ridotto ad acqua, il combustibile organico + ossigeno = ossidazione delle sostanze nutrienti da cui si ricava CO2 e acqua e nello stesso momento abbiamo pompaggio di protoni all’esterno; 2) questo gradiente protonico si usa per formare ATP. La catena respiratoria è rappresentata dai cilindri gialli, chi sintetizza l’ATP è la proteina rossa (ATP sintasi, enzima che sintetizza ATP). MOLECOLE CHE FUNGONO DA TRASPORTATORI ATTIVATI Il trasferimento di gruppi fosforici può essere utilizzato per favorire reazioni endoergoniche; accoppiano ad una reazione termodinamicamente sfavorita l’idrolisi di ATP questa può diventare favorita, l’idrolisi di ATP serve a variare la conformazione di una proteina o variare la sua attività: l’ATP è il donatore di gruppi fosforici, ossia è un trasportatore attivato di gruppi fosforici. ci sono altri tipi di trasportatori attivati:  trasportatori attivati di elettroni: con l’ossidazione delle sostanze nutrienti si ricavano degli elettroni che poi verranno utilizzati per ridurre ossigeno ad acqua e per creare CO2 . Negli organismi aerobi l’accettore ultimo di elettroni nell’ossidazione delle sostanze nutrienti è l’ossigeno; gli elettroni non vengono trasferiti direttamente dalle sostanze nutrienti all’ossigeno, ma saranno trasferiti a molecole trasportatrici (flavine o nucleotidi piridinici) e una volta che queste molecole si sono ridotte trasferiscono i loro elettroni ad alto potenziale di trasferimento all’ O 2 attraverso la catena respiratoria. Il grafico mostra il NAD sia nella forma NAD+(nicotinamide adenin dinucleotide): viene usato per sintesi di ATP.che Questa molecola è un picco a ossidata ridotta; presenta rappresentata da due nucleotidi che sono uniti mediante un legame fosfo-anidridico fra i loro circa 260 nm, ma solamente la forma gruppi fosforici; i due nucleotidi sono composti da un gruppo fosfato ribosio a sua volta a 340 ridottalegato ha unapicco di assorbimento nm (in laboratorio si può seguire la formazione del NADH monitorando l’assorbanza a 340 nm della formazione di NADH).

legato ad una base azotata che sono l’adenina (rettangolo ara nicotinammide (rosso, anello nicotilamidico derivato della pir biologico della molecola in quanto può accettare o donare at ossidata l’atomo di azoto dell’anello nicotinamidico ha carica positiva e quindi, quando il NAD+ va ad ossidare un substrato, l’anello accetta un protone e due elettroni e quindi il NAD+ diviene NADH (forma ridotta). Nelle biosintesi riduttive viene usato il NADPH: nel NADP al posto del gruppo ossidrilico troviamo esterificato un gruppo fosforico.

Adenina

Nel NADP+ questo gruppo -OH è esterificato con gruppo fosforico

FAD (coenzima flavin adenin dinucleotide): è costituito da una unità di flavin mononucleotide (blu, 3 anelli condensati che rappresentano il gruppo isoallosazinico della flavina (contiene i gruppi reattivi, ossia i due atomi di N), legato a sua volta ad uno zucchero il ribitolo + un gruppo fosfato) e da una unità di AMP (nero). Se l’FMN reagisce con un’altra molecola di ATP, vediamo la molecola del FAD, quindi un altro gruppo fosfato legato al fosfato in blu con la molecola di AMP rimanente. Il FAD quindi, come il NAD, è capace di accettare 2 elettroni, ma acquista anche 2 protoni: forma quindi la forma ridotta FADH 2 .

Il coenzima A (CoA): è una molecola essenziale per metabolismo, trasportatore di gruppi acilici i quali sono utilizzati sia nelle vie cataboliche, come l’ossidazione degli acidi grassi, sia nelle vie anaboliche, come la sintesi dei lipidi di membrana. Una parte deriva dalla vitamina B-5 (acido

pantotenico). E’ formato da: un’unità di β-mercaptoetilammina, un’unità di acido pantotenico. I gruppi acilici sono legati al CoA da legami tioestere. Il gruppo solfidrilico terminale nel CoA è il sito reattivo (-SH). Uno dei gruppi acilici che si legano solitamente al CoA è l’unità acetile; questo derivato è detto acetil CoA. Il coenzima A è un trasportatore attivato di unità bicarboniose, si troverà come Acetil coenzima. L’acetil CoA ha un alto potenziale di trasferimento del gruppo acetile, in quanto il trasferimento del gruppo acetile è esoergonico: Acetil CoA + H2O acetato + CoA + H+ ed il ΔG0 standard della reazione = -7,5 kj\mol. Come l’ATP rappresenta una molecola che può trasferire facilmente un gruppo fosforico, l’acetil coA trasferisce facilmente gruppi acetile attivati. LA GLICOLISI

antica via metabolica impiegata da molti microrganismi

Per definizione è la sequenza di reazioni che metabolizzano 1 molecola di glucosio a 2 molecole di piruvato con la concomitante produzione di 2 molecole di ATP. E’ un processo anerobio (non richiede la presenza di ossigeno). Il prodotto della glicolisi è il piruvato; esso può essere metabolizzato: anaerobicamente (fermentazione): le fermentazioni forniscono soltanto una frazione dell’energia resa disponibile dalla combustione completa del glucosio e producono 1) lattato, tramite fermentazione lattica; 2) etanolo, tramite fermentazione alcolica; aerobicamente: può venire completamente ossidato a molto maggiore di ATP.

CO2 ; a questo punto avviene una produzione

Il motivo di utilizzo di una via metabolica relativamente inefficiente è che non richiede ossigeno e quindi la mancanza di ossigeno può far sopravvivere molti organismi in ambienti sfavorevoli come suolo o acque profonde, motivo per il quale nonostante sia una via non molto efficiente permette quindi a molti microrganismi di vivere in queste condizioni.

Diversi destini del glucosio

Il glucosio è un combustibile prezioso e quindi i prodotti del suo metabolismo (piruvato e lattato) vengono recuperati per sintetizzare il glucosio nella gluconeogenesi. Glicolisi e gluconeogenesi non sono l’una l’inverso dell’altra (anche se hanno alcuni enzimi in comune) e sono regolate in modo che non avvengano contemporaneamente nella stessa cellula. Il glucosio è il combustibile più usato del cervello dei mammiferi in condizioni normali ed è l’unico usato dai globuli rossi. Per quanto riguarda le fermentazioni, ad esempio la fermentazione lattica tipica dei lattobacilli può avvenire anche nella cellula animale in assenza di ossigeno; la fermentazione alcolica è tipica di alcuni lieviti. La glicolisi è una via presente nelle cellule procariotiche ed eucariotiche e nelle cellule eucariotiche la glicolisi si svolge nel citosol in 2 stadi: 1. stadio 1 (fase preparatoria): stadio di intrappolamento del glucosio e della preparazione alla sua demolizione. Il glucosio viene intrappolato nella cellula, si forma il fruttosio-1,6-bisfosfato, un composto facilmente scindibile in 2 unità a 3 atomi di carbonio fosforilate, la gliceraldeide 3-fosfato e il diidrossiacetone-fosfato, 2 composti facilmente invertibili tra loro; vengono usate due molecole di ATP (1\3 reazione), sono 5 reazioni ed ognuna viene catalizzata da un enzima specifico e nell’ultime reazione invece abbiamo un enzima che inter converte le due unità a 3 atomi di carbonio (enzima triosofosfato isomerasi). 1.1 La reazione è catalizzata dall’esochinasi (le chinasi sono enzimi che catalizzano il passaggio di un gruppo fosforico da una molecola di ATP ad uno zucchero a 6 atomi di carbonio, gli esosi) ed è considerata un innesco del gruppo fosfato; in questa fase avviene il legame del gruppo fosforico di ATP con il gruppo -OH del carbonio C-6. La fosforilazione fa sì che il glucosio 6-fosfato è incapace di diffondere attraverso la membrana e l’addizione del gruppo fosforico comincia a destabilizzare il glucosio, facilitando il suo ulteriore metabolismo. La reazione è tutta spostata verso destra (irreversibile); Modello dell’adattamento indotto dell’esochinasi, 2 lobi superiore ed inferiore con una fessura tra i due lobi, separati. Con l’arrivo del glucosio si chiude la fessura, i due lobi si avvicinano e circondano il substrato catalizzando la reazione. 1.2 la seconda reazione è un’isomerizzazione del glucosio 6-fosfato con un gruppo aldeidico sul C-1 a fruttosio 6-fosfato con gruppo chetonico su C-2 (quindi passaggio da aldosio a chetosio, una reazione catalizzata dalla fosfoglucosio-isomerasi). L’enzima deve prima aprire l’anello esatomico del glucosio 6-fosfato (forma...