Metabolismo Cellulare

Il metabolismo energetico

Reazioni esotermiche: avvengono con liberazione di calore nell’ambiente, per le quali ΔH < 0. Reazioni endotermiche: avvengono con assorbimento di calore dall’ambiente, per le quali ΔH > 0.

Il metabolismo energetico è un’attività cellulare a cui partecipano milioni di reazioni che svolgono tre funzioni principali: ricavare energia, idrolizzare e sintetizzare i polimeri biologici. La sequenza delle reazioni coinvolte nello stesso processo metabolico costituisce una via metabolica. Numerose vie metaboliche sono comuni a tutti gli organismi, dai batteri ai vertebrati; altre sono peculiari di alcuni gruppi. Negli eucarioti alcune sono compartimentate (avvengono all’interno di organuli specifici come mitocondri e cloroplasti

Le reazioni biochimiche che, nell’insieme, costituiscono il metabolismo degli organismi viventi si dividono in due gruppi: le vie anaboliche: reazioni endoergoniche, portano alla formazione di molecole più complesse; le vie cataboliche: reazioni esoergoniche, degradano le biomolecole in composti più semplici. La molecola di ATP (adenosina trifosfato) partecipa alle reazioni enzimatiche come molecola trasportatrice attivata: incamera temporaneamente l’energia delle reazioni esoergoniche e la cede per lo svolgimento di funzioni endoergoniche.

Gli Enzimi

Cosa sono gli Enzimi?

Sono proteine globulari che svolgono la funzione di catalizzatori biologici nei sistemi viventi: indebolendo i legami chimici dei reagenti nelle reazioni cataboliche; favorendo l’orientazione delle molecole dei reagenti per la formazione dei prodotti nelle reazioni anaboliche. Il nome comune è costituito da una radice che non è in relazione con la funzione svolta, seguita dal suffisso -ina. Il nome sistematico è costituito da un prefisso dato dalla radice del nome del substrato su cui agisce l’enzima e dal suffisso -asi.

I cofattori hanno la funzione di attivare gli enzimi. Si distinguono in due classi: attivatori sono ioni metallici che si legano all’enzima per far assumere alla proteina la configurazione adatta per potersi combinare con il substrato; coenzimi sono molecole organiche che funzionano da trasportatori di gruppi funzionali, protoni o elettroni. L’azione catalitica di un enzima consiste nell’aumentare la velocità di una reazione e si esplica abbassando l’energia di attivazione (Ea) della reazione.

Tra i numerosi coenzimi abbiamo:

• ATP, ADP, AMP Questi coenzimi sono i mediatori di molte reazioni chimiche attraverso l'idrolisi dei legami fosfoanidridici tra i diversi gruppi fosforici;
• NAD + è la forma ossidata della nicotinammide adenina dinucleotide ed è un accettore di elettroni e di protoni e permette reazioni ossidative; il suo corrispondente ridotto è NADH (esso si riossida nella catena di trasporto degli elettroni).
• FAD e FADH2 (flavina adenina dinucleotide in forma ossidata che ridotta) sono coenzimi ossidoriduttivi

PRINCIPALI COENZIMI

Gli enzimi hanno un’elevata specificità che si manifesta sia nei confronti del substrato su cui agisce sia nei confronti del tipo di reazione catalizzata.La specificità di substrato dipende dal sito attivo, piccola regione dell’enzima entro la quale si trovano le catene laterali degli amminoacidi che partecipano alla catalisi.La specificità permette di classificare gli enzimi in sei classi, il cui nome è costituito da un prefisso, dato dalla radice del nome del tipo di reazione, e dalla desinenza -asi:

• ossidoreduttasi
• trasferasi
• idrolasi
• liasi
• isomerasi
• ligasi

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pH e Temperatura influenzano l'attività enzimatica

Effetti della Temperatura

La concentrazione del SUBSTRATO

La cinetica enzimatica, ovvero lo studio della velocità con cui un enzima riesce a trasformare il substrato in prodotto, è oggetto di studio dei biochimici in quanto analizzano la velocità iniziale della reazione V0 momento in cui la concentrazione di substrato può essere considerata costante.

All'inizio abbiamo la formazione del complesso enzima substrato: tappa veloce e reversibile; successivamente abbiamo uno stadio lento: la formazione del prodotto e dell'enzima libero.

Mantenendo costante la concentrazione dell'enzima e in presenza di una bassa concentrazione di substrato, solamente alcune molecole di enzima formeranno il complesso ES. e la V0 risulta direttamente proporzionale alla concentrazione di S. Aumentando la concentrazione di S, la velocità iniziale cresce in misura minore poichè c'è sempre meno enzima disponibile per formare il complesso ES. Con cocentrazioni sempre maggiori di S si arriverà al punto che V0 aumenta sempre in modo minore in funzione di S, avvicinandosi alla massima velocità iniziale della reazione enzimatica, chiamata Vmax

COSA POSSO NOTARE?

A : aumentando la concentrazione di substrato, la velocità della reazione catalizzata (curva rossa) aumenta rapidamente fino a un valore massimo, mentre la velocità della reazione non catalizzata mostra un incremento minore ma continuo. B : quando una reazione catalizzata raggiunge una velocità pari a metà di quella massima, la concentrazione del substrato equivale alla costante di MICHAELIS-MENTEN

EQUAZIONE DI MICHAELIS-MENTEN

La regolazione dell’attività enzimatica dipende dalla disponibilità dei substrati e da altri fattori come: effettori allosterici: molecole che inducono un lieve cambiamento conformazionale all’enzima al quale si legano: gli effettori positivi aumentano la capacità del sito attivo di legarsi al substrato; gli effettori negativi la diminuiscono. inibitori enzimatici: si combinano con gli enzimi interferendo con la loro attività catalitica. In base al meccanismo di azione, sono: inibitori irreversibili: modificano il sito attivo dell'enzima in modo che questo non sia più in grado di legare il substrato; inibitori reversibili competitivi / non competitivi: si legano all’enzima riducendo la sua attività catalitica.

Il catabolismo del glucosio

La principale fonte di energia per le cellule è il glucosio che viene parzialmente ossidato in tutti gli organismi attraverso la glicolisi e ulteriormente catabolizzato con la respirazione cellulare o la fermentazione

Le deidrogenasi catalizzano l’ossidazione di centinaia di composti operando con specifici coenzimi chiamati NAD, NADP e FAD che possono andare incontro a ossidazioni e riduzioni reversibili trasportando H+ e e- tra le vie metaboliche. Il metabolismo del glucosio ricopre un ruolo centrale per piante, animali e microrganismi eucarioti e procarioti. Questo è un esoso ricco di energia, contenuta nei suoi legami chimici, viene estratta tramite tre processi catabolici: la glicolisi; la respirazione cellulare; la fermentazione.

GLICOLISI

esochinasi

fosfoesoso isomerasi

fosfofruttochinasi

aldolasi

isomerasi

Durante le reazioni della glicolisi si verifica l’ossidazione incompleta della molecola di glucosio con formazione di due molecole di piruvato e liberazione di energia chimica impiegata per la sintesi di ATP e la riduzione di NAD+. Le dieci tappe della glicolisi si possono raggruppare in due fasi, una endoergonica e una esoergonica: Fase endoergonica: le prime 5 tappe della glicolisi scindono il glucosio in due molecole a tre atomi di carbonio. Per avviare la reazione è necessario fornire energia sotto forma di due molecole di ATP (reazioni di innesco). Vengono prodotte due G3P.

Fase esoergonica: le altre cinque tappe, comportano la liberazione di energia chimica e l’ossidazione della G3P in piruvato. Complessivamente si verificano la sintesi di quattro molecole di ATP e la riduzione di due molecole di NAD+ a NADH. Sette delle dieci tappe sono reversibili; le altre tre tappe sono irreversibili nelle condizioni intracellulari; questo fa sì che la glicolisi sia, nel suo complesso, un processo irreversibile. Il guadagno energetico netto della glicolisi è di due molecole di ATP per ogni molecola di glucosio.

Il piruvato prodotto con la glicolisi segue vie diverse in presenza o in assenza di ossigeno: In condizioni aerobiche si verifica la completa ossidazione del piruvato grazie alla respirazione cellulare; In condizioni anaerobiche tale processo non può avvenire e la cellula ricorre alla fermentazione. La fermentazione può avvenire in due modi diversi ma che permettono entrambi la rigenerazione del NAD+ in assenza di ossigeno: Fermentazione lattica: riduce il piruvato a lattato; Fermentazione alcolica: il piruvato è convertito a etanolo e CO2.

In assenza di ossigeno, quindi in condizioni anaerobiche, il piruvato va incontro al processo di fermentazione!

La Respirazione Cellulare

In presenza di ossigeno il piruvato prodotto dalla glicolisi viene ossidato a CO2 e H2O. Questa fase costituisce la respirazione cellulare che avviene nei mitocondri, organuli avvolti da una doppia membrana: una esterna liscia e permeabile a piccole molecole e ioni; delimita lo spazio intermembrana; una interna estesa e ripiegata a formare creste, impermeabile a molecole di piccole dimensioni e ioni; delimita la matrice mitocondriale.

La respirazione cellulare comprende tre vie metaboliche in sequenza:

• La decarbossilazione ossidativa del piruvato;
• Il ciclo di Krebs;
• La fosforilazione ossidativa.

Nella decarbossilazione ossidativa del piruvato, questo viene trasformato in acetil-CoA: la reazione è catalizzata dalla piruvato deidrogenasi. Per ogni molecola di glucosio si ottengono due CO2, due acetil-CoA e due NADH

Presenting My

CICLO DI KREBS

o CICLO DEGLI ACIDI TRICARBOSSILICI

Il ciclo di Krebs è una via metabolica costituita da otto reazioni, ciascuna catalizzata da un enzima specifico; queste reazioni portano all’ossidazione completa dei due atomi di carbonio del gruppo acetile, con produzione di due molecole di CO2

L’ossidazione del glucosio, del piruvato e del gruppo acetile produce molecole di NADH e FADH2. L’energia che contengono è utilizzata nella sintesi di ATP attraverso la fosforilazione ossidativa, composta da due processi distinti e strettamente interconnessi: Gli elettroni (conservati da NADH e FADH2) entrano nella catena respiratoria mitocondriale nella membrana mitocondriale interna e passano nella catena di trasporto degli elettroni fino ad arrivare all’ossigeno; Contemporaneamente si crea un gradiente elettrochimico tra i lati della membrana mitocondriale interna che sostiene la produzione di ATP attraverso il processo di chemiosintesi

I complessi I e II contengono delle proteine ferro-zolfo in grado di ossidarsi e ridursi. I complessi III e IV contengono citocromi, che presentano gruppi eme con atomi di ferro che possono ossidarsi e ridursi.

Solamente i complessi I,III e IV sono in grado di spostare nello spazio intermembrana gli ioni H+ e si dicono quindi Pompe Protoniche

Bilancio energetico dell’ossidazione del glucosio: La glicolisi seguita dalla fermentazione produce due molecole di ATP per ogni molecola di glucosio ossidata. La glicolisi seguita dalla respirazione cellulare, produce circa 32 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio.

THANKS!

...to be continued