Il metabolismo

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Il metabolismo

• (Questa presentazione non è ancora completa e
  definitiva)

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• Questo tabellone si può trovare appeso in un
  laboratorio di chimica biologica, si tratta di
  una mappa metabolica, ossia uno schema che mostra
  le relazioni biochimiche fra i metaboliti
  principali. Notiamo molte frecce disposte in
  serie sono le vie metaboliche. Alcune di esse
  sono cicliche, ossia terminano ed iniziano con lo
  stesso composto.

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Quante reazioni!

• Niente paura noi ci occuperemo solo di alcuni
  semplici esempi di vie metaboliche, perché lo
  scopo che ci proponiamo è principalmente quello
  di provare ad entrare nella logica delle attività
  cellulari, utilizzando molto di ciò che abbiamo
  imparato finora..

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..sappiamo già molte cose

• Lenergia, lequilibrio chimico, le biomolecole,
  le cellule, il trasporto, gli enzimi, questi sono
  tutti strumenti che dovremo tenere a mente, e che
  anzi trovano nel metabolismo una fondamentale
  applicazione.

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Ogni cellula ha il suo metabolismo

• Da una parte sarà importante comprendere le
  differenze ma anche le analogie di base nel
  funzionamento delle cellule di organismi diversi,
  dallaltra applicheremo le conoscenze in
  particolare al metabolismo dei mammiferi, classe
  di vertebrati alla quale apparteniamo come specie
  umana.

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Le cellule hanno bisogno di energia

• Incominciamo con il metabolismo energetico, ossia
  linsieme delle trasformazioni chimiche
  finalizzate allottenimento di energia.
• Per comprenderne bene il significato incominciamo
  dalla fine, ossia poniamoci il problema
• come fanno le cellule a svolgere attività
  endoergoniche (con ?G gt 0)?

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Gli organismi sono sistemi ordinati

• Ormai non abbiamo nessun dubbio sul fatto che i
  sistemi viventi svolgono attività endoergoniche,
  in particolare sappiamo che la componente
  entropica dellenergia libera è molto influente
  nella costruzione (struttura) e nel comportamento
  (funzione) di ogni organismo.

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Le principali funzioni endoergoniche

• 1) la biosintesi (anabolismo)
• 2) il trasporto contro gradiente (attivo)
• 3) la contrazione muscolare (negli animali)

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Lidrolisi dellATP ha un ?G -7,3 kcal/mol

• LATP è la molecola che le cellule utilizzano per
  la maggior parte delle loro funzioni
  endoergoniche
• ATP H2O ? ADP Pi 7,3 kcal
• Questo processo di idrolisi viene accoppiato ad
  una trasformazione endoergonica per mezzo di una
  proteina specifica (ad es. un enzima).

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Facciamo un esempio..

• Consideriamo la reazione (indeterminata)
• A ? B (?G 4 kcal/mol)
• Come si vede è una reazione endoergonica.
• Lenzima che catalizza questa reazione ha una
  struttura tale da poter lavorare solo operando
  allo stesso tempo anche lidrolisi dellATP (si
  dice che è unATPasi).

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La somma delle due reazioni

• A 4 kcal ? B
• ATP H2O ? ADP Pi 7,3 kcal
  __________________________________
• ATP H2O A 4 kcal ? ADP Pi
  B 7,3 kcal
• Qual è il bilancio energetico complessivo di
  questa catalisi? Basta sommare i due valori di
  ?G
• 4 kcal/mol 7,3 kcal/mol - 3,3 kcal/mol
• La catalisi complessiva è esoergonica!
• Abbiamo trasformato A in B consumando un ATP.

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Lidrolisi di ATP sposta lequilibrio

• Sappiamo che il ?G dipende dalle concentrazioni
  delle varie sostanze della reazione. Ora
  affermiamo che lidrolisi di ogni ATP sposta
  lequilibrio delle reazioni accoppiate di un
  fattore 108
• in altre parole la costante di equilibrio diventa
  100 000 000 di volte più grande se viene
  idrolizzato 1 ATP, e questo significa che
  allequilibrio i prodotti sono molto più
  abbondanti.

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Ma chi è lATP?

• LATP appartiene alla classe di biomolecole che
  ancora non abbiamo studiato gli acidi nucleici.
• Attenzione! La funzione più conosciuta degli
  acidi nucleici è la gestione dellinformazione
  genetica. La funzione energetica dellATP è del
  tutto distinta da quella genetica non dobbiamo
  confondere le due funzioni, anche se hanno delle
  molecole in comune. Questo fatto dimostra un
  evidente caso di opportunismo cellulare e non è
  finita, è possibile trovare altre funzioni ancora
  dellATP!

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I nucleotidi

• LATP è un nucleotide. Il nome deriva dal fatto
  che lATP, insieme ad altri nucleotidi, è fra
  laltro un monomero del DNA e dellRNA, gli acidi
  nucleici per lappunto.
• Ogni nucleotide è formato da tre componenti
• - 1 monosaccaride (ribosio o desossiribosio)
• - 1 composto chiamato base azotata, che può
  essere di diverse specie
• - 1 parte fosforica (1, 2 o 3 gruppi fosfato)
• Vediamo questa struttura

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La struttura dellATP

• La base azotata (in blu) si chiama adenina. Il
  termine adenosina indica lunione della base
  azotata e dello zucchero.

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La fosforilazione

• Dopo aver compreso che lATP fornisce energia per
  le esigenze cellulari, ci dobbiamo chiedere come
  si forma lATP?
• In realtà abbiamo già imparato che la formazione
  di ATP a partire da ADP si chiama fosforilazione.
  
• ADP Pi 7,3 kcal ? ATP H2O
• Lenergia necessaria per questo processo
  endoergonico può essere fornita in tre modi
  diversi.

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Tre tipi di fosforilazione

• 1) Fotofosforilazione dipende dallassorbimento
  di energia solare da parte dei pigmenti
  fotosintetici, come la clorofilla.
• 2) Fosforilazione a livello del substrato alcune
  tappe del catabolismo ossidativo sono
  esoergoniche, e forniscono direttamente mediante
  accoppiamento enzimatico lenergia per la
  fosforilazione.
• 3) Fosforilazione ossidativa altre tappe
  esoergoniche forniscono lenergia per la
  formazione di intermedi, lNADH, ed il FADH2, i
  quali allinterno dei mitocondri vengono a loro
  volta utilizzati per la fosforilazione. Questo
  tipo di fosforilazione richiede la disponibilità
  di ossigeno.

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LNADH

• Impariamo a conoscere questo importante
  intermedio. La sigla significa Nicotin-amide
  Adenina Dinuclotide.
• LNADH è la forma ridotta, lNAD è la forma
  ossidata.
• La reazione con la quale il composto libera la
  sua energia è la seguente
• NADH H ½ O2 ? NAD H2O
• (?G - 52,6 kcal/mol)
• Questa reazione esoergonica è unossidazione. La
  reazione inversa, la riduzione del NAD, è
  endoergonica.

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Il FADH2

• Il Flavin-Adenina-Dinucleotide è un coenzima, del
  tutto analogo al NADH.
• La reazione di ossidazione è la seguente
• FADH2 D ? FAD DH2
• La lettera D rappresenta un donatore di atomi
  di idrogeno.

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Il catabolismo ossidativo

• Questa espressione comprende i vari processi
  finalizzati allestrazione di energia chimica
  dalle biomolecole.
• I lipidi, i carboidrati, le proteine, sono le
  molecole di partenza del catabolismo ossidativo.
• La scelta del combustibile non è casuale, ma
  avviene in funzione dellottimizzazione
  dellattività di ogni cellula in ogni sua fase.

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Il glucosio

• Questa molecola, che conosciamo bene, è un
  intermedio centrale nel flusso di energia.
  Osserviamo lo schema seguente
• CO2 ? glucosio ? CO2
• Le due frecce di questo schema rappresentano due
  importanti capitoli del metabolismo la
  fotosintesi, la respirazione cellulare.

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La fotosintesi è prerogativa di alcuni organismi,
le piante.

• Il glucosio prodotto nelle foglie viene
  successivamente utilizzato anche in tutti gli
  altri organi della pianta il glucosio fornisce
  materiale organico per le funzioni anaboliche,
  oppure restituisce lenergia chimica, che viene
  utilizzata per diversi scopi (anabolismo,
  trasporto di membrana).

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Lossidazione del glucosio

• La seconda freccia rappresenta la demolizione del
  glucosio fino a CO2, allo scopo di ottenere
  energia (ATP). Ciò si verifica in tre fasi
• 1) La glicolisi
• 2) Il ciclo di Krebs (o dellacido citrico)
• 3) La fosforilazione ossidativa

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La glicolisi

• La glicolisi è una via ubiquitaria, avviene
  praticamente in tutte le cellule.
• La sede della glicolisi è il citosol.
• La glicolisi comprende 10 enzimi, ossia 10 tappe
  successive. Noi ci limitiamo ad osservare il
  risultato complessivo di questa via, mettendo in
  evidenza tre tipi di trasformazioni
• 1) il glucosio (6C) viene diviso in due molecole
  di acido piruvico (3C) (fase esoergonica)
• 2) due ATP vengono prodotti a livello del
  substrato
• 3) due NADH si formano a partire da NAD.

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In simboli
ACIDO PIRUVICO
GLUCOSIO
Esercizio comè cambiato il numero di
ossidazione (medio) degli atomi di carbonio?
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Lequazione della glicolisi

• Glucosio ? 2 CH3COCOOH 4 H
• 2ADP 2Pi ? 2 ATP 2 H2O
• 2 NAD 4 H ? 2 NADH 2 H
• (?G totale - 20,4 kcal/mol)

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I destini dellacido piruvico

• Lacido piruvico che deriva dalla glicolisi può
  subire trasformazioni molto diverse a seconda
  della situazione cellulare
• 1- entra nei mitocondri per essere completamente
  ossidato (ciclo di Krebs)
• 2- viene trasformato in etanolo, ad esempio nei
  lieviti (fermentazione alcolica)
• 3- viene trasformato in acido lattico
  (fermentazione lattica)

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Nei mitocondri lacido piruvico diventa gruppo
acetile

• Lacido piruvico che deriva dalla glicolisi,
  prima di entrare nel ciclo di Krebs subisce una
  decarbossilazione ossidativa, ossia perde un
  atomo di carbonio sotto forma di CO2, e diventa
  un gruppo acetile (il nome deriva dallacido
  acetico CH3COOH)
• ?G - 8,0 kcal/mol
• Poi si forma un legame fra il gruppo acetile ed
  un coenzima, ossia una molecola necessaria per
  lattività dellenzima. È importante notare che
  questa reazione comporta la riduzione di un NAD.

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Il ciclo di Krebs

• A questo punto il gruppo acetile viene trasferito
  ad una sostanza che si trova nella matrice
  mitocondriale, lacido ossalacetico.
• Acetil-CoA acido ossalacetico (4C)
  acido citrico (6C) CoA
• Questa è la prima tappa, ora vedremo lequazione
  complessiva del ciclo, il quale nel suo insieme
  comprende 8 enzimi. Lultimo di essi produce lo
  stesso acido ossalacetico dal quale siamo
  partiti, per questo motivo la via si considera
  ciclica. Ovviamente dobbiamo osservare in
  particolare il guadagno in termini di ATP, di
  NADH, di FADH2.

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Lequazione complessiva del ciclo di krebs

• AcetilCoA 3 NAD FAD ADP Pi 2
  H2O
• 2 CO2 3 NADH FADH2 ATP H
  CoA
• In questa equazione osserviamo in particolare la
  resa del ciclo vengono prodotti
• 1 ATP
• 3 NADH
• 1 FADH2
• I due atomi di carbonio del gruppo acetile sono
  stati completamente ossidati ad anidride
  carbonica, e saranno eliminati attraverso la
  respirazione polmonare.

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Questo guadagno va moltiplicato per due

• Per ogni molecola di glucosio si producono due
  molecole di acido piruvico, quindi due gruppi
  acetile. Sia la decarbossilazione ossidativa
  dellacido piruvico, sia il ciclo di Krebs devono
  essere considerati due volte.
• Facciamo il punto della situazione
• Glicolisi ? 2 ATP 2 NADH
• Formazione di 2 acetilCoA ? 2 NADH
• 2 x Ciclo di Krebs ? 2 ATP 6 NADH 2
  FADH2
• Totale 4 ATP, 10 NADH, 2 FADH2.

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NADH e FADH2 forniscono ATP

• Siamo giunti allultima fase della respirazione
  cellulare la fosforilazione ossidativa. Essa
  produce la maggior parte dellATP, utilizzando il
  potenziale energetico di NADH e FADH2, attraverso
  la catena di trasporto degli elettroni.

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NADH e FADH2 sono poco stabili

• Gli elettroni presenti nelle forme ridotte dei
  due coenzimi, si trovano ad un potenziale
  energetico elevato.
• Gli elettroni in realtà compaiono come atomi di
  idrogeno, ma noi sappiamo che nel calcolo dello
  stato di ossidazione gli elettroni dellidrogeno
  (meno elettronegativo) si considerano
  appartenenti allatomo al quale esso si lega
  quindi spostare un atomo di idrogeno equivale a
  spostare un elettrone.
• Alla fine della catena di trasporto, gli
  elettroni (atomi di H) si legano allossigeno
  formando lacqua, raggiungono il loro minimo
  potenziale energetico e la loro massima
  stabilità.

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Lipotesi chemio-osmotica

• La scoperta del meccanismo di collegamento fra
  trasporto di elettroni e formazione di ATP è una
  conquista abbastanza recente della biochimica,
  lipotesi fu proposta da Peter Mitchell nel 1961.
• Vediamo quali sono i punti fondamentali che la
  descrivono.

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Lossidazione è accoppiata alla creazione di un
gradiente

• - Il trasporto degli elettroni (?G lt 0) avviene
  per opera di proteine che si trovano inserite
  nella membrana mitocondriale interna.
• - Contestualmente al trasporto di elettroni le
  proteine attivano uno spostamento di ioni H
  dalla matrice del mitocondrio allo spazio fra le
  due membrane (?G gt 0).
• - Questo trasporto ha due effetti molto evidenti
• 1. si crea un gradiente di concentrazione (di
  pH!)
• 2. si crea una separazione di cariche elettriche
  fra i due lati della membrana il lato interno è
  negativo, quello esterno positivo questa
  differenza genera un potenziale di membrana.

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Il gradiente elettrochimico

• Questa situazione si descrive con il termine
  gradiente elettrochimico, il quale esprime due
  componenti
• - una componente chimica dovuta alla differenza
  di concentrazione
• - una componente elettrica dovuta al potenziale
  di membrana

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Gli ioni H diffondono allinterno

• La presenza di un forte gradiente elettrochimico
  determina una tendenza al ritorno per diffusione
  (?G lt 0) degli ioni H dallo spazio intermembrana
  alla matrice interna.
• Questo passaggio non avviene liberamente, in
  quanto la membrana è impermeabile a questi ioni.
  Il passaggio avviene attraverso specifiche
  proteine di membrana che ora descriveremo.

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Le ATPsintetasi

• Le proteine che consentono la diffusione degli
  ioni H (?G lt 0) sfruttano questo passaggio
  esoergonico per fosforilare lADP (?G gt 0) ed
  ottenere finalmente lATP.
• Per ogni NADH si ottengono 3 ATP, per ogni FADH2
  si ottengono 2 ATP.

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Quanti ATP in tutto?

• Ora finalmente possiamo tracciare un bilancio
  finale della completa ossidazione del glucosio.
  Riportiamo il guadagno che deriva dalle varie
  fasi 4 ATP, 10 NADH, 2 FADH2.
• Questo significa
• 4 (10 x 3) (2 x 2) 38 ATP