7. Metabolismo energetico
7. Metabolismo energetico 7. Metabolismo energetico
Le vie del metabolismo cellulare che liberano energia chimica Pierangela Ciuffreda
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Le vie del<br />
metabolismo cellulare<br />
che liberano energia<br />
chimica<br />
Pierangela Ciuffreda
Energia<br />
• Fa muovere gli oggetti<br />
• ferma gli oggetti<br />
• energia dal sole piante cibi per l’uomo <br />
energia per vivere<br />
• abbiamo bisogno di energia per fare lavoro<br />
Energia: capacità di compiere lavoro<br />
Lavoro (forza per spostamento)<br />
Salire delle scale<br />
sollevare un peso<br />
respirare<br />
cuore che pompa sangue
Energia potenziale = cioè energia<br />
immagazzinata<br />
Esempi: acqua in una diga (meccanica)<br />
molla schiacciata (meccanica)<br />
legami chimici nella benzina o carbone (chimica)<br />
cibo (chimica)<br />
Energia cinetica = è l’energia del<br />
movimento<br />
Esempi:<br />
peso in caduta<br />
l’acqua che esce dalla diga<br />
bruciare della benzina
Energetica<br />
biochimica<br />
Si occupa dell’energia<br />
chimica, cioè l’energia<br />
potenziale<br />
immagazzinata nei<br />
legami delle molecole<br />
dei nutrienti
Energia libera di Gibbs<br />
ΔG < 0 reazione esoergonica, può avvenire spontaneamente<br />
ΔG = 0 il sistema è all’equilibrio: non c’e’ variazione netta di<br />
G tra reagenti e prodotti<br />
ΔG > 0 reazione endoergonica: non può avvenire<br />
spontaneamente. Ci vuole un input esterno di energia per la<br />
reazione<br />
• ΔG e’ indipendente dalla “strada” percorsa<br />
dai reagenti per diventare prodotti<br />
• ΔG non fornisce informazioni sulla<br />
velocità della reazione
Serie di Reazioni<br />
• Per reazioni consecutive in serie i valori di ΔG<br />
sono additivi<br />
Reazioni favorevoli e sfavorevoli<br />
• Reazioni sfavorevoli<br />
• Alcune reazioni necessarie al metabolismo hanno un ΔG positivo<br />
• Reazioni favorevoli<br />
• Idrolisi di ATP (Adenosina trifosfato) ovvero la moneta energetica<br />
della cellula<br />
• conformazione di proteine attivate<br />
• gradienti ionici attraverso le membrane
Accoppiamento<br />
Una reazione<br />
termodinamicamente<br />
sfavorevole può<br />
essere guidata da<br />
una<br />
termodinamicamente<br />
favorevole mediante<br />
accoppiamento
ATP trasferisce energia tra i<br />
composti<br />
Il ciclo dell’ATP<br />
1. ATP - composto ad alto livello<br />
<strong>energetico</strong><br />
2. ADP basso livello <strong>energetico</strong><br />
3. La conversione di ADP ad ATP è<br />
chiamata fosforilazione e richiede<br />
energia<br />
4. La conversione di ATP ad ADP è<br />
chiamata defosforilazione e rilascia<br />
energia
2Mg 2+<br />
Idrolisi legami anidridici= 30 Kj/mole<br />
L’energia liberata dalla rottura dei legami anidridici<br />
dell’ATP può essere utilizzata per guidare reazioni<br />
termodinamicamente non favorite come la biosintesi<br />
di molecole.
Sintesi dell’ATP<br />
• In un motore a scoppio la benzina viene ossidata<br />
a CO 2 e H 2 O (idealmente) in un processo esplosivo<br />
=> energia cinetica<br />
• i viventi non possono sfruttare tale energia<br />
– meccanismi che coinvolgono reazioni distinte con<br />
produzione di intermedi ad energia<br />
progressivamente minore<br />
• energia delle molecole nutritizie viene liberata in<br />
parte come calore e in parte recuperata sotto forma<br />
di ATP
La capacità dell'ATP di fungere da<br />
trasportatore di energia dipende dal fatto<br />
che la molecola è sufficientemente<br />
instabile da sviluppare una notevole<br />
quantità di energia quando subisce il<br />
distacco di un gruppo fosforico<br />
repulsione elettrostatica tra<br />
ossigeni dei gruppi fosfato
I processi cellulari esoergonici liberano l’energia necessaria per<br />
produrre ATP<br />
L’energia liberata dalla conversione dell’ ATP in ADP viene<br />
utilizzata per alimentare i processi endoergonici.
Ossidazione, riduzione e<br />
trasferimento <strong>energetico</strong><br />
• Durante la demolizione dei nutrienti (molecole<br />
organiche complesse) viene rilasciata energia<br />
libera<br />
• Attraverso quale via viene trasferita<br />
l’energia contenuta nei legami chimici dei<br />
nutrienti e ad altre molecole durante il<br />
metabolismo?
Ossidoriduzioni<br />
• Ossidazione: processo attraverso cui un atomo perde elettroni<br />
• Riduzione: processo attraverso cui un atomo acquista elettroni<br />
Ossidazioni biologiche<br />
• Un aspetto centrale del metabolismo è il trasferimento di elettroni tra<br />
molecole diverse<br />
Ossidoriduzioni nel metabolismo<br />
• un flusso di elettroni produce lavoro (es.: motore elettrico alimentato da<br />
una batteria)<br />
• batteria: contiene due specie chimiche aventi affinità diverse per gli<br />
elettroni e collegate da un circuito<br />
• la forza che fa muovere gli elettroni (forza elettromotrice) è<br />
proporzionale alla differenza di affinità per gli elettroni delle specie<br />
chimiche
Ossidoriduzioni nel<br />
metabolismo<br />
• Le cellule possiedono un circuito analogo: i composti ridotti es.<br />
glucosio o acidi grassi sono la fonte di elettroni<br />
• durante l’ossidazione gli elettroni vengono rilasciati e attraverso<br />
piccole tappe vengono raccolti dall’ O 2 , l’accettore finale<br />
Forme di trasferimento di<br />
elettroni<br />
In biochimica spesso deidrogenazione (deidrogenasi) e’ sinonimo di<br />
ossidazione<br />
– molte reazioni redox ioni avvengono infatti per trasferimento di<br />
atomi di H o ioni idruro<br />
– I coenzimi raccolgono gli elettroni rilasciati dal catabolismo e li<br />
mettono a diposizione delle reazioni anaboliche
Coenzimi trasportatori di elettroni<br />
• Durante le riduzioni, i coenzimi accettano atomi di idrogeno<br />
• Durante le ossidazioni, i coenzimi rimuovono atomi di idrogeno<br />
• FAD (flavin adenina dinucleotide)<br />
• NAD + (nicotinamide adenine dinucleotide)<br />
• I coenzimi raccolgono gli elettroni rilasciati dal catabolismo<br />
• Il catabolismo è ossidativo : i substrati perdono equivalenti<br />
riducenti, di solito ioni H -<br />
• l’anabolismo è riduttivo - NADPH fornisce il potere riducente<br />
(elettroni)
Respirazione aerobica<br />
Il più comune combustibile delle cellule<br />
èil glucosio.<br />
Le cellule ottengono energia dal glucosio attraverso<br />
reazioni di ossidazione, attraverso una serie di vie<br />
metaboliche.
Respirazione cellulare<br />
ossidazione<br />
C 6H 12O 6 + 6O 2<br />
6CO 2 + 6H 2O<br />
riduzione<br />
+ energia
La respirazione aerobica<br />
avviene in quattro stadi:<br />
Glicolisi (citoplasma)<br />
Formazione dell’acetil CoA (matrice<br />
mitocondriale)<br />
Ciclo dell’acido citrico (matrice<br />
mitocondriale)<br />
Sistema di trasporto degli elettroni<br />
(membrana mitocondriale interna)
Glicolisi: ossidazione del<br />
glucosio<br />
da glucosio a piruvato<br />
avviene nel citoplasma delle cellule<br />
produce una piccola quantità di<br />
energia e NON genera CO 2<br />
dopo 10 reazioni il prodotto finale<br />
sono DUE molecole di piruvato
Glicolisi: Degrada il glucosio ad acido piruvico<br />
Glucosio + 2 ADP + 2 NAD + + 2 Pi<br />
2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H +
Glicolisi: da glucosio a piruvato<br />
•Il glucosio arriva dal sangue per demolizione di<br />
polisaccaridi superiori<br />
• Viene demolito nel citoplasma ad opera di 10 enzimi<br />
nella via glicolitica<br />
•Ogni molecola di glucosio ossidata a piruvato si<br />
formano 2 ATP e si riducono 2 NAD + a NADH+H +<br />
•Due stadi della glicolisi: Reazioni di investimento<br />
<strong>energetico</strong> e Reazioni che liberano energia<br />
•Il piruvato che si forma può subire l’ossidazione<br />
aerobica o entrare nelle fermentazioni anaerobiche
La Glicolisi<br />
•Reazioni di<br />
investimento <strong>energetico</strong><br />
•Reazioni che liberano<br />
energia
Bilancio<br />
<strong>energetico</strong> della<br />
glicolisi
Glicolisi: ossidazione del<br />
2 ATP<br />
glucosio a piruvato<br />
Glucosio<br />
Gliceraldeide 3 P<br />
2 molecole di piruvato<br />
2 NAD +<br />
2 ADP 2 NADH+H +<br />
4 ADP<br />
4 ATP
Formazione dell’acetil CoA<br />
Processo ossidativo<br />
La piruvato<br />
deidrogenasi,<br />
complesso<br />
enzimatico legato<br />
alla membrana<br />
mitocondriale,<br />
catalizza la<br />
formazione di Acetil<br />
CoA.
Ciclo dell’acido citrico<br />
Entrano:<br />
AcetilCoA, H 2O, NAD + e FAD<br />
(trasportatori di e - ossidati)<br />
Escono:<br />
CO 2, NADH + H + e FADH 2 (trasportatori<br />
di e - ridotti) e ATP.<br />
acetilCoA 2 CO 2 +FADH 2 + 3 NADH + ATP
Una serie di reazioni che:<br />
• funziona solo in condizioni<br />
aerobiche<br />
• gli enzimi sono localizzati nella<br />
matrice o membrana mitocondriale<br />
interna<br />
• fornisce coenzimi ridotti e ATP
•Dalla glicolisi e dal ciclo<br />
dell’acido citrico viene prodotto<br />
un gran numero di NADH e<br />
FADH 2 , trasportatori di<br />
elettroni ridotti ad alto<br />
contenuto <strong>energetico</strong>.<br />
•Nella respirazione ossidativa<br />
questi possono trasferire gli<br />
elettroni ad accettori liberando<br />
energia conservata sotto forma<br />
di ATP
La catena di trasporto di elettroni e la fosforilazione ossidativa<br />
La catena di trasporto degli elettroni è un processo<br />
cellulare per la produzione di ATP nei mitocondri. È<br />
costituita da una serie di complessi proteici e composti<br />
lipo-solubili capaci di produrre un potenziale<br />
elettrochimico attraverso la membrana mitocondriale<br />
mediante la creazione di un gradiente di<br />
concentrazione di ioni H + tra i due lati della<br />
membrana.
La catena respiratoria<br />
•Gli e - passano attraverso trasportatori<br />
associati alla membrana<br />
•Il flusso di e - lungo la catena determina<br />
trasporto attivo di H + dalla matrice alla<br />
membrana mitocondriale interna<br />
•I H + diffondono indietro nella matrice con<br />
sintesi di ATP
Trasporto degli elettroni<br />
Gli e - passano attraverso trasportatori<br />
associati alla membrana mitocondriale
Il trasferimento degli elettroni attraverso la catena<br />
respiratoria richiede l'intervento di enzimi detti<br />
deidrogenasi, che hanno la funzione di "strappare"<br />
l'idrogeno alle molecole donatrici (FADH e NADH), in<br />
modo che si producano ioni H + ed elettroni per la<br />
catena respiratoria; inoltre, questo processo richiede la<br />
presenza di alcune vitamine (C, la E, la K e la B2).
Sintesi dell’ATP<br />
•Il flusso di e - lungo<br />
la catena determina<br />
trasporto attivo di H +<br />
dalla matrice alla<br />
membrana<br />
mitocondriale interna<br />
•Ioni H + diffondono<br />
spontaneamente<br />
indietro nella matrice<br />
con sintesi di ATP
I vari trasportatori sono disposti in maniera tale da avere potenziali di<br />
riduzione crescenti e per questo motivo gli elettroni venendo trasportati<br />
passano da uno stato <strong>energetico</strong> più alto ad uno stato <strong>energetico</strong> più<br />
basso con conseguente liberazione di energia, la quale verrà utilizzata in<br />
parte per la sintesi di ATP, ed in parte verrà dispersa come calore.
ATP sintetasi = un grande complesso proteico inserito<br />
nella membrana mitocondriale che permette ai protoni<br />
di attraversarla in entrambe le direzioni. Il passaggio<br />
netto dei protoni avviene però in una singola direzione<br />
e l’energia liberata dal flusso di ioni secondo il<br />
gradiente di concentrazione viene usata per la sintesi<br />
dell'ATP
Resa effettiva di ATP<br />
•3 (2,5) ATP per ogni NADH+ H +<br />
•2 (1,5) ATP per ogni FADH 2<br />
•2,5<br />
•1,5
Lattato nei muscoli<br />
L’esercizio prolungato porta a<br />
condizioni anaerobiche<br />
• Il lattato aumenta con il continuare della<br />
glicolisi<br />
• I muscoli si stancano e “fanno male”<br />
• aumenta il ritmo respiratorio<br />
• il lattato forma piruvato nel fegato
Fermentazione lattica:<br />
•Durante intensi sforzi<br />
fisici in carenza di<br />
ossigeno si rigenera NAD +<br />
attraverso la riduzione di<br />
piruvato ad acido lattico<br />
che si accumula nei<br />
muscoli e provoca la<br />
dolorosa sensazione dei<br />
crampi.<br />
•In condizioni normali<br />
l’acido lattico viene<br />
trasportato nel fegato e<br />
riconvertito a glucosio<br />
(gluconeogenesi)
Schema semplificato<br />
della respirazione cellulare
RIASSUMENDO<br />
Respirazione cellulare consta di:<br />
Glicolisi: catabolica, degrada sostanze<br />
organiche nel citoplasmatica<br />
Formazione dell’acetil CoA<br />
Ciclo di Krebs: catabolica, completa la<br />
degradazione di sostanze organiche,<br />
matrice mitocondriale
Catena di trasporto di elettroni e<br />
fosforilazione ossidativa:<br />
trasferimento di elettroni di solito dal NADH,<br />
con formazione finale di acqua e ATP. La<br />
fosforilazione ossidativa avviene sulle creste<br />
mitocondriali, produce il 90% dell’ATP<br />
cellulare.<br />
Una quantità minore di ATP si forma<br />
direttamente in poche reazioni della glicolisi e<br />
del ciclo di Krebs attraverso la fosforilazione<br />
di un substrato.
Energia in ATP dal Piruvato<br />
2 piruvato 2 acetilCoA + 2 CO 2 + 2 NADH<br />
2 piruvato 2 acetilCoA + 2 CO 2 + 5 ATP<br />
x 2,5
Energia dal ciclo dell’acido citrico<br />
Ad ogni giro del ciclo dell’acido citrico<br />
3 NADH X 2,5 ATP = 7,5 ATP<br />
1 FADH 2 X 1,5 ATP = 1,5 ATP<br />
1 GTP X 1ATP = 1 ATP<br />
Totale = 10 ATP<br />
Il glucosio fornisce due acetilCoA per<br />
due giri del ciclo dell’acido citrico<br />
2 acetilCoA 20 ATP + 4 CO 2
ATP dal glucosio<br />
Da una molecola di glucosio che subisce<br />
ossidazione completa:<br />
Glicolisi 5 ATP<br />
2piruvato a 2 acetilCoA 5 ATP<br />
2acetilCoA a 4CO2 20 ATP<br />
Glucosio + 6 O 2 = 6 CO 2 + 6 H 2O + 30 ATP
Glucosio + 6 O 2 = 6 CO 2 + 6 H 2O + 30 ATP<br />
Dall'ossidazione completa di una<br />
molecola di glucosio ad anidride<br />
carbonica e dalla ri-ossidazione<br />
completa di tutti i coenzimi ridotti<br />
durante il processo.
Passaggio Resa di coenzimi Resa di ATP Fonte di ATP<br />
Fase preparatoria della<br />
glicolisi<br />
Fase di recupero<br />
dell'energia della glicolisi<br />
Decarbossilazione<br />
ossidativa<br />
ciclo di Krebs<br />
-2<br />
4<br />
2 NADH 3<br />
Fosforilazione del glucosio<br />
e del fruttosio-6-fosfato<br />
utilizzando 2 ATP presenti<br />
nel citoplasma<br />
Fosforilazione al livello<br />
del substrato<br />
Fosforilazione ossidativa<br />
(solo 2 ATP per ogni<br />
molecola di NADH, dal<br />
momento che il coenzimi<br />
ridotti necessitano di un<br />
trasporto attivo dal<br />
citoplasma alla matrice<br />
mitocondriale)<br />
2 NADH 5 Fosforilazione ossidativa<br />
2<br />
Fosforilazione al livello<br />
del substrato<br />
6 NADH 15 Fosforilazione ossidativa<br />
2 FADH 2 3 Fosforilazione ossidativa<br />
Resa totale 30 ATP<br />
Dall'ossidazione<br />
completa di una<br />
molecola di glucosio ad<br />
anidride carbonica e<br />
dalla ri-ossidazione<br />
completa di tutti i<br />
coenzimi ridotti<br />
durante il processo.