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Laurea in Biotecnologie Agro-‐Industriali

Corso di Biologia Cellulare

Docente: Maria Elena Miranda Banos

Metabolismo cellulare

Biotecnologie Agro-‐Industriali. Biologia Cellulare. M.E. Miranda Banos


Gi esseri viven; usano con;nuamente: -‐ energia -‐  materia per operare una immensa quan;tà di reazioni chimiche che sono alla base della sua esistenza. Queste reazioni molto spesso vanno accelerate da enzimi specializza;: catalizzatori. E si incatenano le une con le altre per formare vie metaboliche, connesse fra di loro formando re> metaboliche. L’insieme di tuGe le reazioni metaboliche è il metabolismo, che comprende sia la demolizione di molecole per oGenere energia e piccole molecole di base (catabolismo), sia la formazione di molecole partendo delle sue unità e usando energia (anabolismo o biosintesi).

VIE CATABOLICHE

VIE ANABOLICHE

Piccole unità per la biosintesi

Molecole di cibo

Molecole cellulari



Gi organismi viven; generano ordine a tuK i livelli...



…ma questo richiede un uso con;nuo di energia!



La seconda legge della termodinamica stabilisce che nel universo o in qualunque sistema (isolato) il disordine può solo aumentare. I sistemi biologici fanno aumentare l’ordine al loro interno a cambio di aumentare ancora di più il disordine nel loro ambiente: le reazioni biologiche generano calore, una forma d’energia che si disperde nel ambiente.

TuGa l’energia che usano gli organismi vivi procede in origine dal sole. L’energia solare entra nel sistema biologico grazie alla fotosintesi: la caGura della energia eleGromagne;ca solare in forma di legami chimici.



La fotosintesi: uso della energia solare per sinte;zzare molecole organiche

Fase 1: reazioni della fase luminosa

Fase 2: reazioni della fase oscura



La respirazione: produzione d’energia per ossidazione di molecole organiche

Nelle molecole organiche il C e l’H sono lega; fra di loro. La ossidazione a CO2 e H2O nelle cellule aerobiche (usando l’O2) libera l’energia dei legami.

La fotosintesi e la respirazione sono processi complementari:

Energia della luce

Energia u>le per la cellula

Zuccheri e altre molecole



Il carbonio e la biosfera



Ossidazione e riduzione

L’ossidazione è la perdita di eleGroni La riduzione è un guadagno di eleGroni

In una reazione chimica, se un atomo si ossida c’e un altro che si riduce.

Quando ques; reazioni accadono in un medio acquoso, gli eleGroni sono in genere accompagna; da protoni: la riduzione è il guadagno di un eleGrone e un protone, la ossidazione è la perdita di un eleGrone e un protone.



Le reazioni chimiche accadono soltanto se favorite energe;camente: se si passa da uno stato di maggiore a uno di minore energia. A volte basta superare una ‘barriera’ di energia iniziale per fare procedere la reazione. Questa barriera è la energia di aMvazione, e per abbassarla e fare accadere le reazioni biologiche ci sono gli enzimi: proteine specializzate nella catalisi di reazioni chimiche.

Reazione chimica non catalizata

Reazione chimica catalizata

Energia di aMvazione

Energia di aMvazione catalizzata da un enzima



Gli enzimi: -‐  Sono molto specifici per il substrato -‐  Sono molto specifici per la reazione che favoriscono -‐  Hanno un sito aMvo (come una ‘tasca’) adaGo al legame col substrato -‐  Possono catalizzare la stessa reazione tante volte, non si esauriscono col uso


StruGura e funzione delle proteine

Gli enzimi: il legame è solo il inizio. Proteine molto variate e molto importan; per tuGe le aKvità cellulari. Catalizzano le reazioni cellulari per farli accadere nelle condizioni mite delle cellule (temperatura, pH, etc). Sono molto specifici per il substrato e il ;po di reazione a catalizzare, e molto efficien; nel loro lavoro: veloci e processa;vi, possono catalizzare una reazione un milione di volte senza modifiche a se estesi.

L’azione catali;ca degli enzimi comprende in generale: -‐ La capacità di orientare ed avvicinare fra di loro due substra; che devono reagire fra di loro. -‐ La redistribuzione di cariche eleGriche 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 covalen; del substrato per favorire la reazione chimica.



Il grado d’ordine di un sistema si misura come energia libera, G

La variazione di energia libera fra lo stato iniziale e quello finale è delta G (∆G)

Tante volte le reazioni biologiche sono sfavorite energe;camente (∆G è posi;va), sono reazioni che generano ordine: una proteina è più ordinata che i singoli aminoacidi.

Per fare accadere una reazione sfavorita una strategia è accoppiarla a un’altra reazione che sia molto favorita, in modo che la variazione finale di energia libera sia nega;va. Così il prodoGo di una reazione si può usare come substrato nella seguente, lungo una via metabolica. L’altra strategia consiste nel uso di una ‘baGeria’ carica d’energia…

Diminuzione della energia libera: ∆G è nega;va

La reazione procede spontaneamente



Le reazioni chimiche accadono di solito nelle due direzioni possibili: sono reversibili. La concentrazione dei reagen; in ogni senso della reazione spinge la reazione in un senso o nel altro.

Zucchero + ossigeno acqua + diossido di carbonio

Le reazioni che raggiungono l’equilibrio chimico si fermano, e questo equilibrio dipende della ∆G di ogni reazione (in ogni senso).

Se in una cellula tuGe le reazioni arrivano al equilibrio… la cellula morirebbe! Ma la cellula scambia con;nuamente metaboli; col ambiente esterno, in modo di non arrivare mai al equilibrio chimico.

I legami non covalen; che fanno interagire due molecole fra di loro sono pure reazioni chimiche, con costan; di equilibrio per la associazione e la dissociazione delle molecole.



Gli enzimi incontrano i loro substra; grazie alla diffusione casuale delle molecole nel gel acquoso citosolico, e la diffusione accade grazie alla energia termica. Per le piccole molecole metaboliche, la diffusione basta per farli trovare facilmente col suo enzima: un enzima può processare anche mille molecole di substrato in solo un secondo! Molecole più grandi diffondono più lentamente, o addiriGura possono essere legate a pun; fissi della cellula.



La vita di una ;pica 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 aKvità giornaliere.

Nelle cellule, l’energia si oKene dal cibo (zuccheri, grassi) grazie al catabolismo, ma non si usa tuGa immediatamente: si conserva in forma di legame chimico ad alta energia al interno di piccole molecole: i trasportatori aMva>.



Questo processo di formazione di trasportatori aKva; è possibile grazie agli enzimi, che accoppiano le reazioni trasferendo l’energia da un legame ad altro…

Reazioni catalizzate da enzimi passano l’energia dal cibo al trasportatore

Reazioni catalizzate da enzimi passano l’energia dal trasportatore alla molecola



I trasportatori aKva; più importan; sono tre:

ATP: adenosina 5’ -‐ trifosfato

NADH / NAD+: nico;nammide adenina dinucleo;de NADPH / NADP+: nico;nammide adenina dinucleo;de fosfato



ATP (adenosina 5’ -‐ trifosfato): la molecola che porta l’energia dove serve… AKvazione di substra;, controllo della segnalazione cellulare, funzionamento delle pompe di membrana, movimento dei motori molecolari...



… grazie a processi di fosforilazione. Il legame col fosfato è ad alta energia, e permeGe compire reazioni sfavorite energe;camente:



NADH / NAD+: nico;nammide adenina dinucleo;de NADPH / NADP+: nico;nammide adenina dinucleo;de fosfato



Sono trasportatori di un pacco di due eleVroni ad alta energia e 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 donandoli così energia.



NADH e il NADPH si differenziano soltanto nel gruppo fosfato, che non interviene nelle reazioni di ossido-‐riduzione, ma da 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 struGura, aiuta a regolare indipendentemente i due ;pi di vie metaboliche.

I trasportatori d’energia hanno una struGura ;pica basata su un gruppo di supporto al quale si lega un gruppo trasferibile. Il gruppo di supporto include di solito un nucleo;de: forse per ché i primi enzimi erano faK da RNA, e i trasportatori d’energia potevano così interagire più facilmente con loro.



La sintesi di polimeri biologici (polisaccaridi, acidi nucleici e proteine) incrementa l’ordine al 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 pep;dico), con consumo d’energia per la biosintesi: idrolisi di nucleosidi trifosfa;.

Altre enzimi catalizzano l’idrolisi di quei legami per degradare i polimeri, ma queste reazioni sono favorite energe;camente.



IL CATABOLISMO Demolizione controllata di molecole per estrarre energia e componen; per la sintesi d’altre molecole.


Produzione d’energia dal cibo: la respirazione

Primo step: gli enzimi diges;vi rompono le macromolecole in unità. Avviene in ambien; isola;: l’apparato diges;vo e i lisosomi.

Grazie al catabolismo si produce ATP, la baGeria energe;ca della cellula. In una cellula ci sono ˜109 molecole di ATP, che si ricambiano ogni 1-‐2 minu;.

Con queste reazioni, le cellule raccolgono in forma di ATP il 50% della energia del cibo. In confronto, una macchina ne approfiGa soltanto il 20% della energia della benzina. Il resto si perde in forma di calore.

Glicolisi

Fase 1: Le macromolecole si rompono in unità piccole

Fase 2: Le piccole unità si rompono ad ace>l CoA, e si produce poco ATP e NADH

Fase 3: Ossidazione completa del ace>l CoA a H2O e CO2. Produzione di molto ATP nei mitocondri

NADH

Rifiu;



Le fermentazioni: produzione d’energia senza ossigeno.

La fermentazione nel muscolo La fermentazione dei lievi; (birra, pane)



Il controllo delle vie metaboliche: meGere assieme circa 500 vie non è semplice!

In questo schema, ogni punto è un metabolito, e ogni linea è una reazione. La glicolisi e il ciclo del acido citrico sono centrali nel metabolismo cellulare: i metaboli; vanno a questo asse per essere ossida; a CO2 e H2O per produrre energia (catabolismo), o escono da questo asse per essere usa; come unità per formare altre molecole u;li alla cellula durante la biosintesi (anabolismo).



IL ANABOLISMO La biosintesi di molecole u;li per le cellule.

Ad esempio, l’apporto di glucosio dal cibo non è con;nuo, pero l’organismo ha bisogno di mantenere cer; livelli di glucosio per il correGo funzionamento cellulare. Le cellule (sopraGuGo gli epatoci;) sono in grado di produrre il loro glucosio a par;re di metaboli; più semplici, come il piruvato o il acido laKco prodoGo dai muscoli durante l’esercizio intenso. Dal piruvato, parte una via parallela alla glicolisi ma in senso contrario: la gluconeogenesi, dove tan; step sono gli stessi pero in senso contrario, e alcuni passi sono reazioni parallele che hanno bisogno di addizione d’energia per procedere. Ques; passi sono pun; di controllo dove la cellula regola se l’interessa fare di più la glicolisi o la gluconeogenesi, a seconda dei suoi bisogni. La regolazione avviene per modifica della aKvità degli enzimi che catalizzano ogni reazione. A volte, gli stessi metaboli; intermediari di una via, possono modificare l’aKvità degli enzimi coinvol;.



Ma 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 pure controllata a livello enzima;co da un metabolito chiave: il glucosio 6-‐fosfato, che è in grado di aKvare la glicogeno sintasi e d’inibire la glicogeno fosforilasi (demolizione). A livello del organismo, queste due vie sono regolate dagli ormoni: insulina, glucagone e adrenalina. Il grasso è una riserva più energe;ca e leggera: risparmiamo 30 Kg di peso in glicogeno grazie alle riserve di grasso!

Granuli di glicogeno nei hepatoci; Goccioline di grasso nelle cellule adipose



LA PRODUZIONE DI ENERGIA Nelle cellule, il principale trasportatore d’energia è il ATP, che si produce fondamentalmente grazie a due processi: -‐  La fosforilazione ossida>va durante la respirazione mitocondriale -‐  La fotosintesi nei cloroplas; In tuK i due casi, ci sono catene di trasporto di eleVroni energe;ci lungo un percorso di proteine associate a membrane: -‐  Membrana interna mitocondriale per la fosforilazione ossida;va -‐  Membrana ;lacoidale dei cloroplas; per la fotosintesi



Stadio 1: L’energia del trasporto degli eleVroni si usa per pompare i protoni oltre la membrana

Stadio 2: il gradiente protonico viene usato dalla ATP sintasi per produrre ATP

Catena di trasporto degli eleVroni

ATP sintasi

In ambi due casi si produce ATP grazie a un processo chiamato en generale accoppiamento chemiosmo>co, che richiede una membrana per stabilire un gradiente protonico, che poi viene usato per produrre l’ATP. Ci sono due fasi nel accoppiamento chemiosmo;co:



Accoppiamento chemiosmo;co durante la fotosintesi nel cloroplasto



pompa di protoni

Sintesi di ATP approfiVando il gradiente eleVrochimico di H+

Accoppiamento chemiosmo;co durante la fosforilazione ossida;va mitocondriale



La catena di trasporto di eleGroni mitocondriale

Gradiente eleVrochimico di H+

Forza proton motrice

pH ˜7

pH ˜7.5 Complesso della NADH deidrogenasi

Complesso del citocromo b-‐c1

Complesso della citocromo ossidasi

ubichinone

citocromo c



Grazie alla presenza ubiquitaria di acqua, in grado di donare e acceGare protoni con facilità, ogni eleGrone che si sposta si trascina con se un protone per compensare il carico eleGrico.

I complessi della catena di trasporto di eleGroni sono situa; nella membrana in modo di trascinare ques; protoni da un lato all’altro della membrana durante lo spostamento degli eleGroni, che provvedono l’energia per il processo.

Gli eleGroni si spostano d’una molecola all’altra interagendo con gruppi ferro-‐zolfo (nel complesso NADH deidrogenasi), con gli anelli dei chinoni, o con gruppi eme (contenen; ferro) nei citocromi (citocromo b-‐c1, citocromo ossidasi, citocromo c).



Una macchina molecolare meravigliosa e molto ben conservata: la ATP sintasi Il passaggio di ˜3 protoni genera energia per un ATP, la pompa ne fa 100 ATP al secondo. Ma come? Il passaggio di protoni a favore di gradiente fa girare l’asse mobile della macchina dentro la testa sta;ca, e l’energia meccanica si trasforma in energia chimica di legame di P al ADP per sinte;zzare la maggior parte del ATP cellulare. Fra l’altro, il suo funzionamento è reversibile, la ATP sintasi può funzionare pure come pompa, che crea un gradiente di protoni (u;le per il trasporto accoppiato, ad esempio di piruvato e Pi), consumando ATP.

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