Biologia 22 – Metabolismo cellulare Vie metaboliche Il

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Biologia 22 – Metabolismo cellulare 1 Biologia 22 – Metabolismo cellulare

Vie metaboliche

Il metabolismo cellulare indica l’insieme delle reazioni che la cellula compie per procurarsi energia o per sintetizzare molecole di varie funzioni.

Esso include:

 Catabolismo: i processi che portano alla degradazione delle molecole organiche con liberazione di energia.

 Anabolismo: le reazioni che assorbono energia per costruire molecole complesse.

Il meccanismo con cui le cellule degradano o sintetizzano molecole non è istantaneo; ci sono infatti, varie tappe.

È necessario che la liberazione di energia o la sintesi della molecole avvenga gradualmente, altrimenti il flusso di energia (dovuto alla rottura e alla creazione di legami) diverrebbe così elevato da essere incontenibile (e quindi disperso totalmente).

In ogni tappa interviene un enzima diverso che converte un intermedio in un altro intermedio. Solo alla fine avremo il prodotto finale (molecole utili alla cellula nel caso delle reazioni anaboliche, molecole prive di energia utilizzabile nel caso delle reazioni cataboliche).

Le tappe possono essere:

 Limitanti, se si tratta di reazioni “lente”. Sono queste a decidere la velocità delle altre tappe successive, in base a come vengono regolate. Saranno quindi anche indispensabili per il controllo di tutta la via.

 Non limitanti, se si tratta di reazioni “veloci”.

Esistono perciò, nel complesso, delle vie cataboliche e delle vie anaboliche (e quindi vie metaboliche), in cui più enzimi e più intermedi intervengono per creare il prodotto finale.

Le vie metaboliche, nel complesso, sono sempre attive, ma vengono più o meno attivate a seconda delle necessità cellulari.

Molecole energetiche

Esistono varie molecole in grado di accumulare energia. Inoltre, diverse molecole sono capaci di

“immagazzinare” quantità diverse di energia, a seconda delle proprietà chimiche.

Oltre all’ATP, esistono altre molecole che accumulano quantità addirittura maggiori di energia. Questo consente loro di essere usate per sintetizzare l’ATP stesso (una molecola energetica usata come reagente deve essere più energetica del prodotto che si vuole ottenere)

¹

.

ATP

È la molecola energetica più comune.

Essa accumula l’energia nei legami tra i suoi 3 atomi di fosforo. L’idrolisi dei legami libera l’energia in essi accumulati (circa 31 Kj/mol).

La grande energia di questi legami è dovuta alla forte repulsione elettrica degli ossigeni negativi legati agli atomi di fosforo.

Equivalenti riducenti

Sono i coenzimi NAD (vitamina B

3

) e FAD (vitamina B

2

).

Essi si caricano di ioni idrogeno ed elettroni persi dalle reazioni redox che avvengono nella cellula diventando NADH e FADH

2

.

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Nella reazione di sintesi dell’ATP, non tutta l’energia viene inserita nei legami tra i fosfati; parte di questa, infatti, viene persa sotto

forma di calore. Per questo, solo molecole più energetiche dell’ATP possono permetterne la sintesi, perché devono avere sia

l’energia da “immagazzinare” nell’ATP, sia l’energia da perdere come calore.

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Biologia 22 – Metabolismo cellulare 2 Essi poi donano questi elettroni acquisiti ai complessi respiratori, che li useranno per produrre ATP. Grazie agli elettroni ceduti da una molecola di NADH si formano 3 molecole di ATP, mentre da una molecola di FADH

2

se ne formano 2.

Intermedi della glicolisi

Sono il fosfoenolpiruvato (PEP) (la cui idrolisi rilascia 62 Kj/mol) e l’1,3-bisfosfoglicerato (1,3-BPG) che può cedere 49 Kj/mol.

Tioesteri

Composti con un gruppo -COSH molto utilizzati nell’anabolismo. Il più conosciuto è il coenzima A (vitamina B

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), la cui idrolisi rilascia 31 Kj/mol.

Catabolismo del glucosio

1) Glicolisi

Si tratta di una via catabolica in cui una molecola di glucosio viene convertita in 2 molecole di acido piruvico (o piruvato).

Avviene nel citoplasma.

La glicolisi avviene in 10 reazioni ed è divisa in due fasi:

 Di investimento (5 tappe): nella prima fase, la cellula consuma 2 ATP per dividere il glucosio (che ha 6 atomi di carbonio – 6C) in 2 molecole di gliceraldeide 3 – fosfato (GAP - 3C).

In questa fase la cellula spende energia per produrre due molecole ad alto valore energetico, che potranno essere ossidate e defosforilate per ottenere energia.

La prima fase ha 2 tappe limitanti, la prima e la terza.

 Di rendimento (5 tappe): nella seconda fase, la cellula modifica le due GAP, trasformandole in acido piruvico.

Durante la seconda fase, si ha, in totale, la produzione di 4 ATP (2 per ogni GAP) e 2 NADH (1 per ogni GAP).

Anche la seconda fase ha due tappe limitanti, la settima e l’ultima.

Quindi, alla fine della glicolisi, la cellula ha guadagnato 2 ATP (2 ATP consumate nella prima fase e 4 guadagnate nella seconda) e 2 NADH (che potranno essere utilizzati per produrre ATP).

Il piruvato prodotto ha due destini diversi a seconda della quantità di O

2

in cellula:

 Se c’è poco O

2

, allora andrà incontro a fermentazione (respirazione anaerobia).

 Se c’è abbastanza O

2

, allora andrà incontro a ciclo di Krebs e poi a fosforilazione ossidativa (respirazione aerobia).

2A) Fermentazione

Avviene nel citoplasma. Serve principalmente a rifornire la glicolisi di NAD

⁺

, senza il quale essa si blocca.

Infatti, all’inizio della fase di rendimento della glicolisi, la GAP viene ossidata e gli elettroni vengono trasferiti sul NAD

⁺

che diventa NADH.

Se la quantità di NAD

⁺

scende considerevolmente (come nel caso di glicolisi accelerata in sforzi intensi), la glicolisi rischia di fermarsi. La fermentazione usa NADH per ridurre l’acido piruvico (formando il lattato o l’alcol etilico) e ricreare il NAD

⁺

.

Essa può essere di due tipi, a seconda del prodotto:

 Fermentazione lattica, il cui prodotto finale è l’acido lattico (o lattato).

Questa avviene nei muscoli scheletrici quando sono sottoposti a sforzi troppo intensi. In queste condizioni, infatti, il muscolo ha bisogno immediatamente di molta energia, che non riesce a ricavare dalla fosforilazione ossidativa (perchè è una via più lenta della glicolisi).

Quindi, si ha un’accelerazione della glicolisi.

 Fermentazione alcolica, il cui prodotto finale è alcol etilico. Questa avviene, ad esempio, nel vino.

L’energia che la cellula ricava dalla fermentazione è di 2 NADH (1 per ogni acido piruvico) e 2 ATP.

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Biologia 22 – Metabolismo cellulare 3 2B) Ossidazione del piruvato e ciclo di Krebs

Prima del ciclo di Krebs, grazie all’O

2

, il piruvato viene convertito in acetil-coA con produzione, per ogni acido piruvico, di 1 molecola di NADH e 1 molecola di CO

2

.

Inizia a questo punto il ciclo di Krebs. L’acetil-coA passa attraverso una serie di 8 reazioni chimiche, che avvengono in maniera ciclica (cioè sono sempre le stesse per ogni molecola di acetil-coA).

Alla fine del ciclo di Krebs, si ottengono, per ogni acetil-coA, 2 CO

2

, 3 NADH, 1 FADH

2

e 1 ATP.

3B) Fosforilazione ossidativa

Questa fase avviene sulla membrana mitocondriale interna, a livello delle creste mitocondriali. Durante la fosforilazione ossidativa, entrano in gioco:

 Complessi transmembrana, formati da una parte proteica (enzimatica) ed un gruppo prostetico (cationi capaci di attrarre elettroni).

I complessi sono quattro: I, II, III, IV.

 Ubichinone e citocromo C, piccole molecole libere di spostarsi da un complesso all’altro trasportando elettroni.

 NADH e FADH

₂

, in cui è contenuta energia sotto forma di legame.

 Ossigeno (O

2

).

 Pompe di tipo F

Il processo avviene in diverse fasi:

1. Al complesso I arrivano le molecole di NADH e FADH

2

. Queste rompono il legame con l’idrogeno e

“liberano” gli elettroni che erano coinvolti in quel legame. Questi elettroni vengono attratti dal catione presente nel complesso I e, attraversandolo, riescono a far passare alcuni ioni H

⁺

dalla matrice allo spazio intermembrana.

Dopo questa fase gli elettroni vengono caricati sull’ubichinone.

2. Altri elettroni, contemporaneamente, vengono donati dal FADH

2

al complesso II, lo attraversano, ( ma non vengono pompati ioni attraverso la membrana) e vengono caricati sull’ubichinone.

Questo complesso è in realta un enzima del ciclo di Krebs (succinato deidrogenasi) che produce esso stesso il FADH

2

da cui assorbe gli elettroni.

3. A questo punto l’ubichinone trasporta gli elettroni acquisiti dai complessi I e II sul complesso III che li utilizza per pompare nello spazio intermembrana altri ioni idrogeno.

Dopodichè li carica sul citocromo C.

4. Il citocromo C trasporta gli elettroni al complesso IV che li usa per pompare fuori altri ioni idrogeno e poi li trasferisce all’ossigeno. Grazie a questi due elettroni e grazie a due ioni H

⁺

, si forma una molecola di H

₂

O. 5. Una volta che gli elettroni hanno finito la loro “corsa”, gli ioni H

⁺

si trovano nello spazio intermembrana e, per gradiente di concentrazione, tendono a rientrare nella matrice.

Tuttavia, l’unica “strada” che hanno per rientrarci è la pompa di tipo F chiamata ATP sintasi. Dato che il passaggio avviene in maniera passiva, la pompa sfrutta l’energia che si crea in seguito alle interazioni elettrostatiche tra lo ione H

⁺

e il la pompa stessa per trasformare una molecola di ADP in una molecola di ATP. Cioè, va a “ricaricare” l’ADP. Con questo meccanismo, per ogni molecola di glucosio di partenza, si riescono ad ottenere ben 26 molecole di ATP.