metabolismo Flashcards
cos’è il metabolismo
il metabolismo è l’insieme delle reazioni che avvengono all’interno dell’organismo.
reazioni accoppiate
reazioni metaboliche possono essere:
- di sintesi, o anaboliche, o endoergoniche, quando necessitano di energia e l’energia è maggiore nei reagenti che nei prodotti
- di idrolisi, o cataboliche, o esoergoniche, quando producono energia, maggiore nei prodotti che nei reagenti
le reazioni anaboliche e cataboliche sono reazioni accoppiate, poiché l’energia prodotta nelle reazioni cataboliche viene utilizzata nelle reazioni endoergoniche.
l’ATP
l’ATP è un nucleotide libero che fornisce energia nelle reazioni anaboliche e la immagazzina nelle reazioni cataboliche.
è chiamato adenosintriforfato. la base azotata è formata da due anelli ciclici (adenina), che legati al ribosio, uno zucchero aldopentoso, formano l’adenosina. l’adenosina si lega poi a tre gruppi fosfato. con un gruppo fosfato si forma l’AMP, con due gruppi l’ADP e con tre gruppi l’ATP.
idrolizzazione dell’ATP
i legami covalenti tra i gruppi fosfato racchiudono un alto contenuto di energia. l’ATP fornisce energia nelle reazioni cataboliche, rompendo un legame e idrolizzandosi in ADP. libera così 7 kilocalorie per mole.
ATP + H2O -> ADP + fosfato libero + energia
nella maggior parte delle reazioni, l’ADP non perde un ulteriore gruppo fosfato, ma viene convertito nuovamente in ATP dall’energia fornita dalle reazioni cataboliche.
fosforilazione
la fosforilazione è la reazione che avviene quando il gruppo fosfato per so dall’ATP durante la sua idrolisi si lega con un’altra molecola. la presenza del gruppo fosfato libero fornisce energia al composto.
es. nelle piante si forma il saccarosio a partire da:
monosaccaride di glucosio + ATP -> glucosio fosfato + ADP
monosaccaride di fruttosio + ATP -> fruttosio fosfato + ADP
il glucosio fosfato ed il fruttosio fosfato si uniscono a formare il saccarosio e liberano due gruppi fosfato.
l’ATP può agire da agente accoppiante o per fosforilare gli enzimi e regolarne l’attività
tipi di cellule
esistono due tipi di cellule:
- procarioti (batteri) in cui il materiale genetico si trova libero nel citoplasma
- eucarioti, in cui il materiale genetico si trova all’interno del nucleo.
come ottengono le biomolecole essenziali le cellule
le cellule possono ottenere le biomolecole essenziali in due modi:
* se sono autotrofe, costituiscono autonomamente le biomolecole di cui necessitano, sintetizzando molecole organiche a partire da molecole inorganiche.
si distinguono in:
- chemiosintetiche, che ottengono energia per sintesi i molecole organiche a partire da reazioni inorganiche, con un rendimento scarso
- fotosintetiche, che ottengono energia a per sintesi di molecole organiche grazie all’energia solare
- se sono eterotrofe utilizzano molecole organiche procurate con l’alimentazione
ossidazione del glucosio
entrambi i tipi di cellule ottengono energia demolendo biomolecole, in particolare il glucosio.
l’ossidazione del glucosio prevede due fasi:
1 la glicolisi, l’ossidazione parziale del glucosio, che avviene nel citoplasma in condizioni anaerobiche
2 - la respirazione cellulare, che avviene in presenza di ossigeno nei mitocondri
- la fermentazione, che avviene in assenza di ossigeno
reazioni di ossidoriduzione
la maggior parte delle reazioni cataboliche sono reazioni di ossidoriduzione, perché avvengono in associazione al trasferimento di elettroni.
l’atomo che perde gli elettroni si ossida
l’atono che acquista gli elettroni si riduce
nelle molecole organiche gli elettroni viaggiano insieme ai protoni sotto forma di atomi di idrogeno
coenzini NAD e FAD
a garantire il trasporto degli elettroni agiscono specifici composti organici. nella demolizione del glucosio i coenzimi che funzionano da trasportatori di elettroni sono il NAD+ (nicotinammide adenina dinucleotide) ed il FAD(flavina adenina dinucleotide)
il NAD e il NADP possono accettare un protone H+ e due elettroni, riducendosi a NADH + H+ e NADPH + H+
il FAD può invece accettare due protoni e due neutroni, si riduce in
FADH2
la glicolisi
quando il glucosio entra nella cellula subisce un processo di glicolisi, che avviene all’interno del citoplasma, anche in assenza di ossigeno.
- fase preparatoria, è una fase endoergomica che attiva l’ATP. la molecola di glucosio viene fosforilata e si trasforma nel suo isomero fruttosio 1-6 di fosfato, dove i due gruppi fosfato derivano dall’attivazione di due molecole di ATP
- fase di recupero energetico. il fruttosio viene convertito in due molecole a tre atomi di carbonio, il gliceraldeide tre fosfato.
- le due molecole di gliceraldeide 3 fosfato si ossidano, il NAD si riduce (NADH). il gliceraldeide perde il suo gruppo fosfato e un idrogeno, diventando acido piruvico
gliceraldeide 3 fosfato
CH2O P
|
H - C - OH
|
C = O
|
H
acido piruvico
CH3
|
C = O
|
C = O
|
OH
reazione totale della glicolisi
C 6 H 12 O 6 + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ ->
2 acido piruvico + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+
la respirazione cellulare
la respirazione cellulare avviene in presenza di ossigeno, dove l’acido piruvico viene completamente ossidato dei mitocondri.
la respirazione cellulare nei mitocondri avviene in tre fase:
- ciclo di krebs nella matrice
- trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa nelle creste.
l’acido piruvico per entrare nel ciclo di krebs viene decarbossilato:
si ossida, il carbonio in posizione 1 viene eliminato con l’ossigeno sotto forma di diossido di carbonio. il NAD si riduce e si crea un gruppo acetile a 2 atomi di carbonio, che si lega al coenzima A e produce l’acetil CoA
i mitocondri
i mitocondri sono organuli presenti nelle cellule eucariote. sono rivestiti da una doppia membrana, una esterna, molto permeabile, che delimita l’organulo
una interna, che si ripiega dormando delle anse, le creste mitocondriali. è poco permeabile, possono passare soltanto acido piruvico, ATP e ADP.
tra e de membrane si trova lo spazio intermembrana
la matrice è una soluzione densa delimitata dalla membrana interna del mitocondrio, contiene enzimi, coenzimi, acqua, gruppi fosfato e altre molecole
il ciclo di krebs
il ciclo di krebs è una serie di reazioni, ognuna catalizzata da un enzima differente, che avviene nella matrice dei mitocondri e porta alla completa ossidazione del gruppo acetile. il coenzima A mette in collegamento la respirazione cellulare ed il ciclo.
- il gruppo acetilico si stacca dal coenzima A, che esce dal ciclo, e si combina con l’acido ossalacetico, formando l’acido citrico, un composto a 6 atomi di carbonio
- il composto si ossida perché il NAD si riduce. vengono eliminate 2 molecole di CO2, si rigenera l’acido ossalacetico
- si ritorna alla molecola iniziale. nel ciclo non è necessario l’ossigeno. dato che la glicolisi produce due molecole di acido piruvato, sono necessari due giri del ciclo di krebs per ossidare una molecola di glucosio.
guadagno energetico:
l’energia liberata dall’ossidazione del carbonio trasforma:
- 3 molecole di NADH + H+ a partire dal NAD
- 1 molecola di FSDH2 a partire dal FAD
- 1 molecola di ATP a partire dall’ADP (prima si forma il GTP, che cede il suo gruppo fosfato trasformando l’ADP in ATP
la molecola di glucosio è ossidata, piccola parte dell’energia è utilizzabile per produrre ATP, ma la maggior parte è associata agli elettroni rimossi dagli atomi di carbonio e trasferiti ai coenzimi NAD+ e FAD.
gli elettroni provenienti dall’ossidazione del piruvato, dalla glicolisi e dal ciclo di krebs si trovano ad un livello energetico elevato
catena di trasporto degli elettroni
nella catena di trasporto, gli elettroni sono trasferiti progressivamente a livelli energetici decrescenti, fino all’ossigeno, l’accettore finale. il passaggio graduale è garantito dalla catena respiratoria, una serie di trasportatori di elettroni.
- gli elettroni trasportati dal NADH e dal FADH2 alimentano i trasportatori di elettroni dalla membrana mitocondriale interna e trasferiscono i protoni nello spazio intermembrana
- gli elettroni sono trasportati dai trasportatori di elettroni, come l’ubichinone o il coenzima Q, scendendo lungo la catena passano a livelli di energia inferiori e vengono infine accettati dall’ossigeno, che caricato negativamente, si lega con l’idrogeno
la fosforilazione ossidativa
il processo della fosforilazione ossidativa sfrutta l’energia potenziale associata al gradiente protonico.
- i complessi proteici che formano la catena di trasporto degli elettroni hanno anche la funzione di pompare gli ioni H+ dalla matrice verso lo spazio intermembrana. creano un gradiente elettro-chimico, poiché lo spazio intermembrana è più carico positivamente per la presenza di ioni H+.
per ogni coppia di elettroni che passa nella catena, i complessi proteici pompano circa una decina di protoni
- la membrana interna dei mitocondri è impermeabile ai protoni, quindi gli ioni H+ si concentrano nello spazio intermembrana, creando un’elevata energia potenziale, sotto forma di gradiente elettrochimico.
- il canale che permette agli ioni di tornare nella matrice è l’ATP sintetasi, formato dall’unità Fo, nella membrana interna del mitocondrio, e l’unità F1, che sporge nella matrice.
gli ioni H+ attraversano l’ATP sintetasi e nel passaggio producono energia, permettendo la produzione di ATP a partire dall’ADP e gruppi fosfato liberi. gli ioni H+ sono accettati dall’ossigeno che diventa acqua.
accoppiamento chemiosmotico
la fosforilazione ossidativa è un accoppiamento chemiosmotico, perché comprende processi chimici e di trasporto attraverso la membrana selettivamente permeabile.
la fermentazione
la fermentazione è il processo che segue la glicolisi nelle cellule in assenza di ossigeno. avviene nel citoplasma ed è un processo anaerobico.
può essere lattica o alcolica
la fermentazione alcolica
la fermentazione alcolica viene mesa in atto dai lieviti, organismi unicellulari eucarioti. è il processo alla base di produzioni industraili come l’alcool, dunque è una biotecnologia. è visibile ad esempio attraverso la polvere bianca sulla buccia della frutta.
avviene attraverso due fasi:
- la decarbossilazione dell’acido piruvico, che libera diossido di carbonio e forma un acetaldeide
- l’acido piruvico viene ridotto ad etanolo grazie all’ossidazione del NADH in NAD
la fermentazione lattica
la fermentazione lattica avviene in molti batteri quando l’ossigeno è scarso o assente. l’acido piruvico viene trasformato in acido lattico con l’ossidazione del NADH.
può avvenire anche nelle cellule muscolari in assenza di ossigeno, durante l’esercizio fisico.
il catabolismo
il catabolismo è l’insieme dei processi mediante i quali i cibi vengono demoliti per ottenere energia
i trigliceridi sono costituiti dal glicerolo legato a 3 acidi grassi.
- quando vengono ingeriti, per la loro digestione, devono essere emulsionati, quindi trasformati in piccole goccioline assorbite dalle pareti intestinali. il processo è ad opera della bile prodotta dal fegato
- intervengono poi gli enzimi lipasi, prodotti dal pancreas.
quando i lipidi si trasformano in acidi grassi inizia il catabolismo.
beta ossidazione degli acidi grassi
con l’ossidazione degli acidi grassi inizia il catabolismo.
- l’acido grasso viene ossidato e genera residui a due atomi di carbonio. è detta beta ossidazione perché avviene sul carbonio beta.
l’ossidazione avviene nel mitocondrio. prima di entrare si aggiunge il coenzima A e l’acido prende il nome di Acil-CoA - i gruppi acetile sono immessi nel ciclo di krebs durante il quale vengono ossidati a CO2 e gli elettroni sono trasferiti agli appositi trasportatori.
- gli elettroni sono trasferiti all’ossigeno tramite la catena respiratoria, generano l’energia necessaria alla sintesi di ATP per fosforilazione ossidativa
digestione delle proteine
le proteine introdotte nel corpo, per poter essere utilizzate devono essere demolite. la loro digestione avviene nello stomaco grazie ai succhi gastrici ed all’enzima pepsina, e nell’intestino tenue da un gruppo di enzimi pancreatici (tripsina).
la rottura dei legami peptidici forma gli amminoacidi, che attraversano le pareti dell’intestino ed entrano nel flusso sanguigno, fino alle cellule. nelle cellule gli amminoacidi sono usati per la sintesi di nuove proteine, quelli in eccesso non possono essere immagazzinati e devono essere demoliti.
digestione delle proteine negli amminoacidi
nell’amminoacido:
il gruppo amminico contiene azoto, quindi deve essere eliminato perché genera prodotti tossivi. deve subire altri due processi: transaminazione e deaminazione ossidativa
lo scheletro carbonioso è recuperato ed entra a far parte del metabolismo degli zuccheri, va incontro all’ossidazione e fornisce energia all’organismo.
- gli amminoacidi chetogenici sono trasformati in molecole di acido piruvico o in gruppi acetile, entrano nel ciclo di krebs sotto forma di Acetil CoA
- gli amminoacidi glucogenici sono convertiti in composti che partecipano direttamente al ciclo di krebs come acido ossalacetico
transaminazione
la transaminazione avviene nel citoplasma. per essere eliminati i gruppi amminici devono essere trasferiti all’acido alfa-chetoglutarico, reazione catalizzata dagli enzimi transaminasi.
il processo dà origine all’acido glutammico. ciò che rimane dell’amminoacido privato del gruppo amminico diventa chetoacido
deaminazione ossidativa
l’acido glutammico perde il suo gruppo amminico sotto forma di ione ammonio NH4+. il NAD si riduce e si trasforma di nuovo in acido alfa-chetoglutarico
lo ione ammonio deve essere eliminato dal corpo perché tossico.
- negli organismi ureotelici, come i mammiferi e anfibi, il fegato utilizza gli ioni NH4+ per formare l’urea, eliminata attraverso le urine
- negli organismi uricotelici, come rettili e uccelli, lo ione ammonio viene trasformato in acido urico, un composto denso.
- negli organismi ammoniotelici, come i pesci, viene disperso direttamente nell’acqua.
vie convergenti-divergenti
nel catabolismo i carboidrati, le proteine e i lipidi formano Acetil CoA, che va ad alimentare il ciclo di krebs formando ATP. sono dette vie convergenti.
le vie anaboliche al contrario sono divergenti, l’anabolismo è uan serie di reazioni mediante cui le cellule assemblano le molecole organiche. per farlo viene utilizzata l’energia prodotta dal ciclo di krebs
la fotosintesi clorofilliana
grazie alla fotosintesi, le cellule vegetali assemblano molecole di carboidrati grazie all’energia solare, all’acqua e al diossido di carbonio.
la fotosintesi si distingue in due fasi:
- la fase luminosa, o luce dipendente, dove la luce viene assorbita dalla clorofilla dei cloroplasti
- la fase oscura, dove viene usata l’energia prodotta nella fase luminosa
i cloroplasti
come i mitocondri, anche i cloroplasti sono organuli cellulari delimitati da due membrane, una interna e una esterna.
nello stroma, una soluzione densa, sono presenti i tilacoidi, membrane specializzate in cui si trova la clorofilla. i tilacoidi sono disposti uno sopra l’altro, impilati a forma di grani.
la clorofilla e gli altri pigmenti sono ammassati in unità dette fotosistemi, collettori di energia solare.
sono formati da
- i pigmenti antenna, che assorbono l’energia solare che colpisce i tilacoidi. l’energia passa tra i pigmenti fino a raggiungere il
- centro di reazione, dove si trova la clorofilla a, che usa l’energia per promuovere gli elettroni a uno stato elettrico eccitato, dove si trova l’accettore primario
fase luminosa
nella membrana del tilacoide si trovano i fotosistemi II e I.
il fotosistema II contiene clorofilla di tipo a detta P680, dalla lunghezza in nanometri dell’onda che può assorbire.
- promuove un elettrone al suo acettore a livelli energetici superiori, mentre l’ossigeno dell’acqua si ossida in elettroni, ioni H+ e O2, formando un buco positivo
- gli elettroni decadono e viene catturata l’energia per la sintesi di ATP nella catena di trasporto degli elettroni. il processo è detto foto fosforilazione
- i due elettroni vanno a colmare il buco positivo del fotosistema I, che contiene clorofilla P700. gli elettroni sono spinti in un altro accettore primario ed infine alla molecola del coenzima NADP+, che si riduce a NADPH. la fotolisi dell’acqua fornisce gli elettroni per colmare il buco positivo del fotosistema II
fase oscura
nel processo di fissazione del carbonio, l’energia viene usata per ridurre il carbonio inorganico e sintetizzare composti organici sotto forma di zuccheri semplici.
nelle piante il CO2 raggiunge le cellule fotosintetiche attraverso gli stomi, delle aperture sulla pagina interiore della foglia.
la chiusura e apertura degli stomi è regolata dalle cellule di guardia, se queste sono turgide, le membrane si avvicinano, mentre se sono morbide, le membrane si allontanano, permettendo il passaggio di gas e vapore acqueo
il ciclo di kalvin
la riduzione del carbonio avviene nello stroma dei cloroplasti. il composto iniziale e finale è una molecola di ribulosio 1-5difosfato RuBP, uno zucchero a 5 atomi di carbonio legao a due gruppi fosfato.
- il ciclo inizia quando il diossido di carbonio entrato attraverso gli stomi si lega al RuBP, crea un composto a 6 atomi di carbonio molto instabile
2 il ribulosio difosfato si scinde in due molecole a tre atomi di carbonio, il gliceraldeide di fosfato
- sono necessari 6 giri completi del ciclo, con l’introduzione di 6 molecole di CO2 per produrre una molecola di carbonio.
la reazione di fissazione del glucosio è catalizzata dall’enzima rubisco. due molecole vengono usate per formare il glucosio, mentre le 10 rimanenti formano il ribulosio 1-5 difosfato
