Metabolismo Cellulare PDF

Metabolismo cellulare Metabolismo cellulare Gi esseri viventi usano continuamente: - energia - materia che scambiano con l’ambiente e usano per operare una immensa quantità di reazioni chimiche che sono alla base della loro esistenza. Queste reazioni: - molto spesso vanno accelerate da enzimi: cat...

Metabolismo cellulare Metabolismo cellulare Gi esseri viventi usano continuamente: - energia - materia che scambiano con l’ambiente e usano per operare una immensa quantità di reazioni chimiche che sono alla base della loro esistenza. Queste reazioni: - molto spesso vanno accelerate da enzimi: catalizzatori; - sono incatenate per formare vie metaboliche. L’insieme di tutte le reazioni metaboliche è il metabolismo, che comprende sia la demolizione di molecole per ottenere energia e piccole molecole di base (catabolismo), sia la formazione di molecole partendo delle sue unità e usando energia (anabolismo o biosintesi). Metabolismo cellulare Gi organismi viventi generano ordine a tutti i livelli, con uso continuo di energia! Seguno i due principi della termodinamica: 1° L’energia si trasforma, non si crea né si distrugge 2° I sistemi evolvono verso un maggiore disordine (entropia) Reazione spontanea nel corso del tempo Sforzo organizzativo che richiede un apporto energetico Metabolismo cellulare I sistemi biologici fanno aumentare l’ordine al loro interno in cambio di aumento del disordine nel loro ambiente: le reazioni biologiche generano calore, una forma d’energia che si disperde nell’ambiente. Metabolismo cellulare Tutta l’energia che usano gli organismi vivi procede in origine dal Sole. L’energia solare entra nel sistema biologico grazie alla fotosintesi: cattura l’energia solare in forma di legami chimici con la sintesi di zuccheri. Gli organismi Questi composti fotosintetici (piante, organici sono il cibo alghe e alcuni batteri) per animali, funghi usano energia solare e e batteri non materia inorganica per fotosintetici fare composti organici Metabolismo cellulare La fotosintesi: uso della energia solare per sintetizzare molecole organiche Reazioni della fase luminosa Reazioni della fase oscura Metabolismo cellulare La respirazione: produzione di energia usando molecole organiche ZUCCHERO CO2 + H2 O Respirazione O2 ENERGIA Metabolismo cellulare La fotosintesi e la respirazione sono processi collegati Metabolismo cellulare La fotosintesi e la respirazione sono processi complementari: flusso di energia e materia nella biosfera Metabolismo cellulare Flusso di materia nella biosfera: flusso di carbonio Metabolismo cellulare Le reazioni chimiche cellulari Accadono di solito nelle due direzioni possibili: sono reversibili: A+B AB Le reazioni che raggiungono l’equilibrio chimico si fermano. Se in una cellula tutte le reazioni arrivano all’equilibrio la cellula muore. Ma la cellula scambia continuamente metaboliti con l’ambiente esterno, in modo di non arrivare mai all’equilibrio chimico. I legami non covalenti che fanno interagire due molecole fra di loro sono pure reazioni chimiche, reversibili, in equilibrio tra l’associazione e la dissociazione delle molecole. Metabolismo cellulare Nelle molecole organiche, C e H sono legati tra di loro con legami che contengono energia. Questa energia si potrebbe liberare in modo veloce e subito: combustione O2 CO2 Metabolismo cellulare O si può liberare in piccole quantità, sotto controllo: respirazione mitocondriale: nelle cellule aerobiche, la ossidazione di molecole energetiche a CO2 e H2O (usando O2) libera l’energia dei legami. Ossidazione e riduzione: L’ossidazione è la perdita di elettroni La riduzione è il guadagno di elettroni In una reazione chimica, se un atomo si ossida c’e un altro che si riduce: gli elettroni passano da uno all’altro. Quando queste reazioni accadono in un ambiente acquoso, gli elettroni sono in genere accompagnati da protoni (H+): nella riduzione c’è guadagno di un elettrone e un protone, nella ossidazione c’è la perdita di un elettrone e un protone. Metabolismo cellulare L’energia si trasforma attraverso reazioni chimiche: - Reazione che libera energia: esoergonica, spontanea - Reazione che richiede energia: endoergonica, non spontanea Reazioni chimiche endoergoniche ed esoergoniche richiede energia libera G → REAZIONI ENDOERGONICHE,  G  0, POSITIVO Fotosintesi clorofilliana  G = + 686 Kcal/M 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 rilascia energia libera G → REAZIONI ESOERGONICHE,  G  O, NEGATIVO Ossidazione del glucosio  G = - 686 Kcal/M C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O Metabolismo cellulare Le molecole biologiche, in condizioni fisiologiche di pH e di T, sono molto stabili; per subire reazioni chimiche, anche se sono spontanee, le molecole richiedono una energia di attivazione che fa possibile la loro trasformazione in prodotti. Per abbassarla e fare accadere le reazioni biologiche ci sono gli enzimi: proteine specializzate nella catalisi di reazioni chimiche. Energia di Energia di attivazione attivazione catalizzata da un enzima Reazione chimica Reazione chimica non catalizzata catalizzata Metabolismo cellulare Enzimi, i catalizzatori biologici: abbassano l’energia di attivazione, e così accelerano la velocità di reazione accoppiano reazioni esoergoniche a reazioni endoergoniche non modificano la direzione della reazione né il bilancio energetico Metabolismo cellulare enzyme_catalysis Metabolismo cellulare Gli enzimi: - Sono molto specifici per il substrato (specificità nell’interazione) - Sono molto specifici per la reazione che favoriscono - Hanno un sito attivo (come una ‘tasca’) adatto al legame col substrato (affinità dell’interazione) - Possono catalizzare la stessa reazione tante volte, non si esauriscono con l’uso Metabolismo cellulare Gli enzimi: il legame è solo l’inizio. Proteine molto diversificate e molto importanti per tutte le attività cellulari. Catalizzano le reazioni cellulari per farle accadere nelle condizioni fisiologiche delle cellule (temperatura, pH, etc). Sono molto specifici per il substrato e il tipo di reazione a catalizzare, e molto efficienti nel loro lavoro: veloci e processativi, possono catalizzare una reazione un milione di volte senza modificarsi. L’azione catalitica degli enzimi comprende in generale: - La capacità di orientare ed avvicinare fra di loro due substrati che devono reagire fra di loro. - La redistribuzione di cariche elettriche fra gli atomi per favorire le reazioni chimiche. - La formazione di legami temporanei con le catene laterali degli aa del enzima. - La deformazione dei legami covalenti del substrato per favorire la reazione chimica. Metabolismo cellulare Esempi: Idrolasi: nucleasi, proteasi, fosfatasi, ATPasi Transferasi: chinasi Ligasi: polimerasi, sintasi o sintetasi Metabolismo cellulare lysozyme_I Metabolismo cellulare Cofattori enzimatici Gruppi chimici che legano gli enzimi proteici, necessari per la loro funzione legate in modo reversibile: coenzimi: ad es. vitamine Molecole organiche legate agli enzimi in modo più stabile: gruppi prostetici: ad es. eme Cofattori enzimatici Stabilizzano l’enzima e/o il substrato oppure partecipano direttamente alle reazioni Molecole inorganiche chimiche catalizzate, come accettori di elettroni: ioni di Fe, Cu, Zn, Ca Metabolismo cellulare Gli enzimi incontrano i loro substrati grazie alla diffusione casuale delle molecole nel gel acquoso del citosol, e la diffusione accade grazie alla energia termica. Per le piccole molecole metaboliche, la diffusione basta per fare trovare facilmente il suo enzima: un enzima può processare anche mille molecole di substrato al secondo! Molecole più grandi diffondono più lentamente, o addirittura possono essere legate a punti fissi della cellula. L’attività degli enzimi è influenzata da: - temperatura: aumenta con l’incremento di T (fino a T che denaturano l’enzima); - pH: influenza lo stato di ionizzazione dei gruppi chimici degli aminoacidi, può cambiare il ripiegamento (struttura terziaria) e le interazioni del sito catalitico. Metabolismo cellulare Tante reazioni biologiche sono sfavorite energeticamente, sono endoergoniche, richiedono energia. Ad esempio, reazioni che generano ordine: una proteina è più ordinata che i singoli aminoacidi. Per fare accadere (dare energia a) una reazione sfavorita: una strategia è accoppiarla a un’altra reazione molto favorita, in modo che alla fine l’energia libera sia minore; ad esempio, il prodotto di una reazione si può usare come substrato nella seguente, lungo una via metabolica; uso di una ‘batteria’ carica d’energia. Metabolismo cellulare Reazioni accoppiate Nelle cellule, la maggior parte delle reazioni sono accoppiate: l’energia rilasciata da una reazione esoergonica è energia libera che può essere usata per far avvenire le reazioni endoergoniche (energia di attivazione). O… può essere immagazzinata per dopo, usando una batteria biologica. Metabolismo cellulare La vita di una tipica cellula animale somiglia la nostra vita: estraiamo energia dal cibo, che si conserva in forma di molecole cariche d’energia, che poi si consumano nelle nostre attività giornaliere. Nelle cellule, l’energia si ottiene dal cibo (soprattutto da zuccheri e grassi) grazie al catabolismo, ma non si usa tutta immediatamente: si conserva e trasporta in forma di legame chimico ad alta energia al interno di piccole molecole: i trasportatori ATTIVATI. Metabolismo cellulare Questo processo di formazione di trasportatori attivati è possibile grazie agli enzimi, che accoppiano le reazioni trasferendo l’energia da un legame a l’altro… Reazioni catalizzate da enzimi passano Reazioni catalizzate da enzimi passano l’energia dal cibo al trasportatore l’energia dal trasportatore alla molecola Metabolismo cellulare I trasportatori attivati più importanti sono tre: ATP: adenosina 5’ – trifosfato L’ATP è il principale trasportatore d’energia, si produce fondamentalmente grazie alla respirazione mitocondriale. NADH / NAD+: nicotinammide adenina dinucleotide NADPH / NADP+: nicotinammide adenina dinucleotide fosfato Metabolismo cellulare ATP (adenosina 5’ - trifosfato): la molecola che porta l’energia dove serve. Attivazione di substrati, controllo della segnalazione cellulare, funzionamento delle pompe di membrana, movimento dei motori molecolari... Metabolismo cellulare … grazie a processi di fosforilazione. Il legame con il fosfato è ad alta energia, e permette compiere reazioni sfavorite energeticamente: A-H + B-OH + energia → A-B + H2O NADH / NAD+: nicotinammide adenina dinucleotide NADPH / NADP+: nicotinammide adenina dinucleotide fosfato (nicotinammide: vitamina B3, una base azotata) Questo gruppo –P è assente in NAD +/NADH Metabolismo cellulare Sono trasportatori di un pacco di due elettroni ad alta energia + un H+: un gruppo idruro H- Il NADH e il NADPH si formano per riduzione durante reazioni cataboliche, e si portano il gruppo idruro, che possono passare ad altre molecole donando così energia. Metabolismo cellulare NADH e il NADPH si differenziano soltanto nel gruppo fosfato, che non interviene nelle reazioni di ossido-riduzione, ma dona alla molecola di NADPH una forma diversa: ognuna interagisce con enzimi diversi e partecipa così in reazioni diverse: Il NADPH si usa nelle vie anaboliche Il NADH si usa nelle vie cataboliche Questo uso differenziato, grazie alle differenze di struttura, aiuta a regolare indipendentemente i due tipi di vie metaboliche. I trasportatori d’energia hanno una struttura tipica basata su un gruppo di supporto al quale si lega un gruppo trasferibile. Il gruppo di supporto include di solito un nucleotide: forse perché i primi enzimi erano fatti da RNA, e i trasportatori d’energia potevano così interagire più facilmente con loro. Metabolismo cellulare La sintesi di polimeri biologici (polisaccaridi, acidi nucleici e proteine) incrementa l’ordine all’interno della cellula: richiede energia. I polimeri si costruiscono per condensazione di unità più piccole, grazie all’aiuto di enzimi, che catalizzano la formazione dei legami (glicosidico, fosfodiestere e peptidico), con consumo d’energia per la biosintesi: idrolisi di nucleotidi trifosfato. Altre enzimi catalizzano l’idrolisi di quei legami per degradare i polimeri, ma queste reazioni sono favorite energeticamente. Metabolismo cellulare IL CATABOLISMO Demolizione controllata di molecole per estrarre energia e componenti per la sintesi d’altre molecole. Produzione d’energia dal cibo: la respirazione Primo step: gli enzimi digestivi rompono le macromolecole in unità. Avviene in ambienti isolati: l’apparato digestivo e i lisosomi. Grazie al catabolismo si produce ATP, la batteria energetica della cellula. In una cellula ci sono ˜109 molecole di ATP, che si ricambiano ogni 1-2 minuti. Con queste reazioni, le cellule raccolgono in forma di ATP il 50% della energia del cibo. In confronto, una macchina ne approfitta soltanto il 20% della energia della benzina. Il resto si perde in forma di calore. L’ANABOLISMO Biosintesi di molecole utili per le cellule. Glucosio: l’apporto non è continuo, ma l’organismo deve mantenere un certo livello per il corretto funzionamento cellulare. Le cellule (soprattutto gli epatociti) possono produrre glucosio a partire da metaboliti più semplici, come il piruvato o l’acido lattico prodotto dai muscoli durante l’esercizio intenso. Dal piruvato, parte una via parallela alla glicolisi ma in senso contrario: la gluconeogenesi. Tanti step sono gli stessi però in senso contrario, e alcuni passi sono reazioni parallele che hanno bisogno di energia. Questi passi sono punti di controllo dove la cellula decide se fare glicolisi o gluconeogenesi, a seconda del bisogno. La regolazione avviene per modifica della attività degli enzimi che catalizzano ogni reazione. A volte, i metaboliti intermediari di una via possono modificare l’attività degli enzimi coinvolti. La sintesi di glucosio consuma molta energia. La strategia migliore è l’accumulo di riserve: glicogeno e grassi (negli animali), che si possono usare per produrre energia in qualsiasi momento. La biosintesi e demolizione del glicogeno è controllata a livello enzimatico da un metabolita chiave: il glucosio 6-fosfato è in grado di attivare la glicogeno sintasi e d’inibire la glicogeno fosforilasi (demolizione). Queste due vie sono regolate da ormoni: insulina, glucagone e adrenalina. Il grasso è una riserva più energetica e leggera: risparmio di 30 Kg di peso grazie alle riserve di grasso! Granuli di glicogeno nei epatociti Goccioline di grasso nelle cellule adipose Metabolismo cellulare Il controllo delle vie metaboliche: mettere assieme circa 500 vie non è semplice! In questo schema, ogni punto è un metabolita, e ogni linea è una reazione. La glicolisi e il ciclo dell’acido citrico sono centrali nel metabolismo cellulare: i metaboliti vanno a questo asse per essere ossidati a CO2 e H2O per produrre energia (catabolismo), o escono da questo asse per essere usati come unità per formare altre molecole utili alla cellula durante la biosintesi (anabolismo). Le vie metaboliche sono collegate tra di loro formando reti metaboliche.