Metabolismo energetico: dal glucosio all'ATP Flashcards
Che cosa si intende per metabolismo energetico?
L’insieme delle reazioni chimiche che, in modo coordinato e integrato, degrada e sintetizza le biomolecole cellulari prende il nome di metabolismo.
Il metabolismo energetico comprende le reazioni che permettono all’organismo di ricavare energia utile per le cellule attraverso la degradazione di sostanze nutrienti.
Quale classificazione dei viventi e’ necessario fare a livello di metabolismo energetico?
Gli esseri viventi possono essere:
- AUTOTROFI: se le loro reazioni interne permettono di ricavare un Carbonio organico a partire da materiale carbonico inorganico
- ETEROTROFI: se le loro reazioni interne necessitano di materiale organico per avvenire
Che cosa si intende per via metabolica?
Una via metabolica e’ una sequenza di reazioni precisa che permette alla cellula di ricavare energia dall’ambiente. Le vie metaboliche rappresentano un lungo processo suddiviso in tappe: la suddivisione della produzione energetica permette un precisissimo controllo della quota di energia prodotta.
Le reazioni metaboliche liberano o assorbono energia: in molte reazioni una parte dell’energia viene dissipata sotto forma di calore.
Nella cellula la maggior parte delle reazioni cataboliche e anaboliche sono reazioni di ossidoriduzione in cui uno o piu’ elettroni vengono trasferiti da una specie chimica all’altra
Quali sono i tre importanti principi generali alla base della produzione energetica cellulare?
PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA: l’energia non si crea e non si distrugge, puo’ solo essere trasformata da una forma ad un’altra
SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA: le trasformazioni energetiche comportano necessariamente una perdita di energia utile
DEFINIZIONE DI ENTROPIA: ogni trasformazione di energia aumenta inevitabilmente l’entropia di un sistema
In quali due macrocategorie e’ possibile raggruppare le reazioni metaboliche energetiche?
REAZIONI CATABOLICHE: demoliscono sostanze complesse e ordinate in prodotti piu’ piccoli, disposti in maniera casuale. Il catabolismo libera energia.
Si basano prevalentemente sull’ossidazione dei carboidrati, degli acidi grassi e degli amminoacidi, e portano alla produzione di scorie quali CO2, H2O, residui azotati.
Le reazioni cataboliche sono esoergoniche (e quindi spontanee): liberano energia normalmente immagazzinata nell’adenosintrifosfato.
REAZIONI ANABOLICHE: assemblano molecole complesse e ordinate partendo da reagenti piu’ piccoli. L’anabolismo consuma l’energia prodotta dal catabolismo.
Si tratta di reazioni endoergoniche (non spontanee): il loro processo avviene solo grazie alla partecipazione di molecole di ATP.
Che cos’e l’ATP?
ATP= adenosintrifosfato: e’ una molecola composta da un ribosio centrale, a cui e’ legata un’adenina e a tre gruppi fosfato.
E’ una molecola ad alta energia di idrolisi: questo significa che quando viene idrolizzato uno dei suoi legami fosfato-fosfato viene liberata una grande quantita’ di energia. La reazione di idrolisi di un gruppo fosfato e’ detta fosforilazione: l’ATP dona un gruppo fosfato a una molecola che acquisisce una quota di energia.
L’ATP perde facilmente il terzo gruppo fosfato, dal momento che i prodotti di reazione (ATP+H2O=ADP+Pi+en) sono piu’ stabili della molecola reagente: la reazione di fosforilazione e’ fortemente esoergonica, mentre la sua reazione inversa (ADP+Pi+en=ATP+H2O) e’ fortemente endoergonica.
Le due reazioni di sintesi e fosforilazione dell’ATP costituiscono un accoppiamento energetico: l’ATP agisce come agente accoppiante.
Cosa si intende per accoppiamento energetico?
Nel metabolismo cellulare, gran parte delle reazioni cataboliche sono esoergoniche; al contrario, molte reazioni anaboliche sono endoergoniche, e necessitano quindi di una determinata quota di energia per avvenire, la quale viene fornita dall’ATP. Quest’ultimo tipo di reazioni puo’ svolgersi perche’ risulta accoppiato a reazioni fortemente esoergoniche.
L’energia libera e’ accumulata nei legami P-O dell’ATP, che poi diffonde in altri siti della cellula dove consegna l’energia libera immagazzinata per alimentare una reazione endoergonica di biosintesi.
Una cellula in movimento ha bisogno di produrre milioni di molecole di ATP ogni secondo per alimentare i suoi apparati biochimici: generalmente una molecola di ATP e’ consumata entro un secondo dalla formazione.
Che ruolo hanno gli enzimi nelle vie metaboliche? Quali altre molecole sono necessarie agli enzimi in alcuni casi? Da quali fattori dipende la loro attivita’?
Gli enzimi sono proteine con la funzione di catalizzare le reazioni biologiche abbassando notevolmente l’energia di attivaione necessaria a portare i substrati nello stato di transizione.
Molti enzimi necessitano della presenza di altre molecole non proteiche per attivarsi:
- COFATTORI INORGANICI= ioni metallici che permettono all’enzima di legare il substrato
- COFATTORI ORGANICI (COENZIMI)= molecole complesse che agiscono come trasportatori di gruppi funzionali
L’attivita’ degli enzimi dipende dal pH della soluzione in cui lavorano: ogni enzima raggiunge la sua massima attivita’ ad un pH ben definito (se la soluzione e’ troppo acida o basica l’attivita’ diminuisce).
Anche la temperatura influisce sull’attivita’ enzimatica: a temperature troppo alte gli enzimi rischiano la denaturazione, a temperature troppo basse non riescono a catalizzare sufficientemente le reazioni.
Cosa si intende per inibizione enzimatica?
Le reazioni nelle cellule sono sempre parte di vie metaboliche: l’inibizione degli enzimi avviene quando un inibitore si lega a un enzima e ne dimuisce l’attivita’ con il fine di controllare il consumo (o la produzione) energetico della via.
L’inibizione puo’ essere:
- NON COMPETITIVA: quando l’inibitore si lega al sito allosterico dell’enzima, comportando una modificazione allosterica della struttura enzimatica la quale non e’ piu’ compatibile con la forma dell’enzima
- COMPETITIVA: se l’inibitore e il substrato completono per legarsi al sito attivo dell’enzima
Che ruolo hanno le reazioni redox nei sistemi biologici? Quali molecole sono agenti ossidanti?
Nella cellula la maggior parte delle reazioni cataboliche e anaboliche sono reazioni di ossidoriduzione in cui uno o piu’ elettroni vengono trasferiti da una specie chimica all’altra: in chimica organica avvengono attraverso la perdita e l’acquisizione di un atomo di H che comporta anche il trasferimento di un elettrone.
In biologia quindi ossidazione e deidrogenazione sono sinonimi: per questo motivo gli enzimi che catalizzano le reazioni di ossidazione sono detti ossidoriduttasi o deidrogenasi.
Le deidrogenasi cellulari operano grazie a specifici coenzimi: NAD, NADH, FAD. Questi coenzimi possono andare incontro a ossidazioni e riduzioni reversibili, e si comportano quindi come delle “navette” di elettroni e di nuclei di H per le reazioni.
Quali sono le tre vie metaboliche del catabolismo del glucosio? Come sono relazionate?
La prima tappa e’ comune a tutti gli organismi, in quanto e’ un processo anaerobico che non richiede la presenza di O2.
1) GLICOLISI= il glucosio e’ convertito in PIRUVATO (un composto a 3C). Questo processo e’ esoergonico: libera una piccola quantita’ di energia che viene accumulata sotto forma di ATP e NADH.
2a) se e’ disponibile O2 –> RESPIRAZIONE CELLULARE= il piruvato si ossida ulteriormente formando acqua e CO2, oltre che liberando moltissima energia (32 ATP)
2b) se non e’ disponibile O2 –> FERMENTAZIONE = il piruvato fermentato si trasforma in lattato o in etanolo, composti relativamente ricchi di energia (2 ATP). In questo processo, l’ossidazione del glucosio e’ incompleta.
La fermentazione avviene quando il piruvato si ferma nel citoplasma, senza entrare nel mitocondrio.
In cosa consiste il primo passaggio del catabolismo del glucosio?
La glicolisi e’ una via metabolica fondamentale composta di 10 reazioni catalizzate da enzimi specifici che avvengono nel citoplasma.
Durante le reazioni si verifica l’ossidazione incompleta del glucosio, il quale viene trasformato in 2 piruvato liberando energia chimica: la maggior parte dell’energia rimane nel piruvato, ma una piccola parte viene liberata sotto forma di 2 ATP e 2 NADH.
Le prime 5 reazioni sono endoergoniche: sono necessarie due molecole di ATP che, fosforilando il glucosio, lo rendono instabile e reattivo aprendo la sua struttura ad anello; la strategia di queste reazioni iniziali e’ quella di formare un composto che possa essere facilmente spezzato in unita’ fosforilate a tre atomi di C
Le ultime 5 reazioni sono endoergoniche: vengono prodotte 4 molecole di ATP e 2 molecole di NADH mentre il carbonio inizialmente fosforilato viene trasformato in piruvato
