1 lic. classicod. a. azuni sassari i processi metabolici cellulari prof. paolo abis
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Lic. classico”D. A. Azuni” Sassari
I
processi
metabol
ici
cellular
i
Prof. Paolo AbisProf. Paolo Abis
Prof. paolo abis 2
Metabolismo
E’ l’insieme delle reazioni chimiche
che avvengono in una cellula o, più
in generale, in qualsiasi organismo.− Le sostanze coinvolte in tali reazioni sono dette
metaboliti
Sintetizzati dagli organismi Sintetizzati dagli organismi Derivati dall’ambiente Derivati dall’ambiente
Nutrienti, acqua, anidride carbonica, ossigeno …
Nutrienti, acqua, anidride carbonica, ossigeno …
Macromolecole organiche: zuccheri, lipidi, proteine …
Macromolecole organiche: zuccheri, lipidi, proteine …
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MetabolismoE possibile individuare due gruppi fondamentali di reazioni chimiche:
AnabolismoAnabolismo Catabolismo:Catabolismo:
fase costruttivafase costruttiva fase di degradazione
fase di degradazione
consumo di energia
consumo di energia
liberazione energialiberazione energia
Reazioni chimiche endoergoniche
Reazioni chimiche endoergoniche
Reazioni chimiche esoergoniche
Reazioni chimiche esoergoniche
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Metabolismo = anabolismo + catabolismo
Le diverse vie metaboliche non si svolgono in modo indipendente:
spesso sono collegate in cicli di utilizzo e riclico di sostanze
Macromolecole
Molecole organiche di piccole
dimensioni
+
Proteine, polisaccaridi,
lipidi…
Zuccheri, amminoacidi
, acidi grassi…
demolizion
e
sintesi
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Metabolismo e energia• Gli organismi sono in grado di utilizzare soltanto due tipi di
energia :
En. LuminosaEn. Luminosa En. ChimicaEn. Chimica
AutotrofiAutotrofi EterotrofiEterotrofi
FotosintesiFotosintesi Respirazione cell.
Respirazione cell.
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Metabolismo e energia
Reazioni chimiche endoergoniche
Reazioni chimiche endoergoniche
Reazioni chimiche esoergoniche
Reazioni chimiche esoergoniche
Il contenuto energetico dei
reagenti è minore di quello dei
prodotti
Il contenuto energetico dei
reagenti è minore di quello dei
prodotti
Il contenuto energetico dei
reagenti è maggiore di quello
dei prodotti
Il contenuto energetico dei
reagenti è maggiore di quello
dei prodotti
E. reagenti
E. prodotti
E. assorbita
E. reagenti
E. prodotti
E. liberata
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l'ATP, il trasportatore universale di energia
• In tutti i viventi esiste una molecola, chiamata adenosin trifosfato (ATP) che ha il compito di assorbire l'energia prodotta dalle reazioni esorgoniche di demolizione e di renderla disponibile per i lavori cellulari.
base azotata adenina
base azotata adenina
zucchero a cinque atomi di carbonio
zucchero a cinque atomi di carbonio
tre gruppi fosfato
tre gruppi fosfato
I legami presenti tra questi gruppi fosfato racchiudono l'energia utilizzabile dalla cellula.
I legami presenti tra questi gruppi fosfato racchiudono l'energia utilizzabile dalla cellula.
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L’ATP: una molecola “Ricaricabile”
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L’ATP: una molecola “Ricaricabile”
L’ATP immagazzina energia chimica nel legame fra due dei suoi gruppi fosfato.
ATP
adenina
Ribosio
P
P
P
Quando il legame si rompe, con una reazione di idrolisi, l’energia chimica si rende disponibile per altri processi biologici.
Quando il legame si rompe, con una reazione di idrolisi, l’energia chimica si rende disponibile per altri processi biologici.
Legami ad alta energia
Legami ad alta energia
Energia
ADP
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Rigenerazione dell’ATP
Continuamente, nel nostro organismo, si realizzano queste due reazioni:
1. ATP --> ADP + P + Energia
2. ADP + P + Energia ---> ATP
La (1) è la reazione di liberazione di energia durante l'anabolismo,
la (2) è quella che avviene durante la produzione di energia nella respirazione cellulare.
ATP viene continuamente consumato ma si rigenera
per addizione di un P ad ADP.
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l’energia liberata dalle reazioni di degradazione (catabolismo), viene
utilizzata per “ricaricare” l’ATP. L’energia immagazzinata nell’ATP
viene utilizzata per compiere la maggior parte del lavoro cellulare.
Quindi l’ATP accoppia i processi cellulari che liberano energia con quelli
che la richiedono.
Ciclo dell’ATP
L’ATP risulta coinvolto, direttamente o indirettamente,
in quasi tutti i processi metabolici.
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Flusso dell’energiaDa dove proviene l’energia necessaria alla produzione di ATP ?
• Tutti i viventi ricavano energia dalla demolizione del glucosio, uno zucchero a sei atomi di carbonio.
• Questo processo libera energia chimica che viene immagazzinata sotto forma di ATP
• per essere trasportata e resa disponibile alle reazioni dell'anabolismo cellulare.
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Produzione di energia • Adenosin-
Trifosfato o ATP
• Respirazione cellulare produzione di ATP
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• La respirazione cellulare è il meccanismo che permette alla cellula, in presenza di ossigeno,di ricavare energia utilizzabile nei processi vitali dai legami chimici delle molecole assorbite nella digestione.• La respirazione cellulare consta di diverse reazioni, in cui i prodotti di un passaggio sono utilizzati come reagenti per il processo successivo.• I prodotti di scarto della respirazione cellulare (come CO2 o H2O) vengono eliminati dalla cellula e, negli organismi superiori, escreti attraverso la respirazione polmonare e le urine.
Le cellule respirano?
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Equazione generale della respirazione cellulare
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 36 ATP
GlucosioOssigeno
Anidride Carbonica
Acqua
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Le reazioni avvengono per piccoli passi : sottoreazioni.
I viventi hanno dovuto suddividere la demolizione in numerose tappe intermedie, in modo da poter sfruttare meglio l'energia contenuta nel glucosio e per evitare che questo processo fosse accompagnato da un innalzamento della temperatura cellulare.
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Respirazione Cellulare: le fasi
Glicolisi
Ciclo di Krebs
Catena di trasporto degli elettroni
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Dove avviene la respirazione cellulare ?
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1. Glicolisi: catabolica, degrada sost. organiche avviene nel citoplasmatica
2. Ciclo di Krebs: catabolica, completa la degradazione di sost. org., avviene nella
matrice mitocondriale
3. Catena di trasporto di elettroni e fosforilazione ossidativa: trasferimento di elettroni dal NADH , con formazione finale di acqua e ATP. La fosforilazione ossidativa avviene sulle creste mitocondriali, produce il 90% dell’ATP cellulare.
Fasi della respirazione cellulare
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Respirazione cellulare
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Questa prima fase avviene nel citoplasma di tutte le cellule, procariote od eucariote:
una molecola di glucosio, a sei atomi di carbonio viene trasformata, tramite 9 reazioni, in due molecole di acido piruvico a tre atomi di carbonio.
Queste reazioni sono accompagnate da una liberazione di energia (2 ATP).
E una fase anaerobica, non richiede ossigeno
Glicolisi
C6H12O6
Glucosio
2 Ac. piruvico
2 ADP + 2 Pi
2 ATP
C3H4O3
Glicolisi
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Fase intermedia: il piruvato entra nei mitocondri e viene trasformato in acetil coenzima A.
Sintesi dell’acetil-CoA
Si libera una molecola di CO2
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Sintesi dell’acetil-CoA
• La molecola di acido piruvico (3C) entra nel mitocondrio, perde una
• molecola di CO2 ,
trasformandosi in un gruppo acetile (2C).
• Il gruppo acetile si lega ad una molecola di Coenzima A (CoA), tramite
• la quale entra nel ciclo di Krebs come acetilCoA.
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Ciclo dell’acido citrico (Krebs)• Serie di reazioni che partono
dall’acetil-CoA
• Si Producono elettroni ed atomi di
idrogeno che sono inviati alla catena di
trasporto di elettroni.
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Un ciclo in 9 tappe che inizia con l’acetil-CoA che viene legato ad un acido a 4 atomi di Carbonio (ossalacetato), per formare acido citrico (6 C)
Un ciclo in 9 tappe che inizia con l’acetil-CoA che viene legato ad un acido a 4 atomi di Carbonio (ossalacetato), per formare acido citrico (6 C)
Durante il ciclo vengono eliminate 2 mol. di CO2 con produzione di un acido a 5 atomi di C che si trasforma immediatamente in un composto a 4 atomi di C
Durante il ciclo vengono eliminate 2 mol. di CO2 con produzione di un acido a 5 atomi di C che si trasforma immediatamente in un composto a 4 atomi di C
• Gli atomi di idrogeno vengono combinati con gli accettori specifici (NAD+ e FAD),
• Viene prodotta una molecola di ATP.
• Gli atomi di idrogeno vengono combinati con gli accettori specifici (NAD+ e FAD),
• Viene prodotta una molecola di ATP.
ossalacetato
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Bilancio del Ciclo di Krebs• Durante il ciclo di
Krebs una singola
molecola di acetil-
CoA produce:
3 molecole di NADH
1 mol. di FADH2
1 mol. di ATP
2 mol. di CO2
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Catena di trasporto di elettroni e fosforilazione ossidativa
• Invenzione
« recente »
• Avviene nella
Membrana interna
dei mitocondri
• Produzione di 34 ATP
da ogni molecola di
glucosio
spazio intramenbranalespazio intramenbranale
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Trasportatori di elettroni: citocromi
• I citocromi sono proteine vettori di elettroni che
permettono l'utilizzazione dell'ossigeno a livello
cellulare.
• Trasportano gli elettroni da un livello di alta
energia ad un livello più basso. Questa liberazione
energetica permette all'ATP-sintetasi di produrre
molecole di ATP a partire da ADP e gruppo P.
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LA RESPIRAZIONE CELLULARE
La ATP-sintasi trasportante H+ tra due settori è un complesso enzimatico che catalizza la seguente reazione:
ADP + fosfato + H+esterno ATP + H2O + H+interno
Quando la reazione è catalizzata verso destra, l'enzima è comunemente chiamato ATP-sintasi ed è responsabile della sintesi di adenosintrifosfato (ATP) utilizzando come substrati adenosindifosfato (ADP) e fosfato inorganico, sfruttando il gradiente protonico generato dalla catena di trasporto degli elettroni.
Il motore della respirazione cellulare: ATP-sintasi
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La catena di trasporto degli elettroni è un processo cellulare per la produzione di ATP nei mitocondri. È costituita da una serie di complessi proteici e composti lipo-solubili capaci di produrre un potenziale elettrochimico attraverso la membrana mitocondriale mediante la creazione di un gradiente di concentrazione di ioni H+ tra i due lati della membrana.
Questo potenziale è sfruttato per attivare i canali di trasporto presenti sulla membrana stessa e per promuovere la sintesi dell'ATP da parte dell'ATP sintetasi.
La catena di trasporto di elettroni e la fosforilazione ossidativa
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• Serie di reazioni in cui il potere riducente di
NADH e FADH2 , prodotto durante la glicolisi ed
il ciclo di Krebs, viene usato per produrre
molecole di ATP.
• NADH e FADH2 ridotti cedono elettroni agli
enzimi della catena respiratoria.
• Durante il passaggio da un trasportatore
all’altro l’energia degli elettroni diminuisce.
Catena respiratoria
• L’ultimo trasportatore della catena cede gli
elettroni all’O2 (accettore finale) trasformandolo
in H2O.
Durante il trasporto degli elettroni, i H+ sono pompati nello spazio tra le due membrane generando
un gradiente. I protoni tendono a rientrare nella
matrice attraverso il canale della ATP sintetasi.
• Il flusso di H+ attraverso la ATP sintetasi induce la
sintesi di ATP da ADP e Pi (fosforilazione
ossidativa).
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• Ogni complesso proteico (CP) ha un proprio livello
energetico.
• I complessi sono disposti in serie secondo livello energetico
decrescente.
• Gli e- scorrono spontaneamente da un livello energetico
maggiore ad uno minore, fino all’O2.
e -
e -
e -
CP CP CP
e -
O2
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• Gli elettroni scorrendo in questi complessi proteici (proteine
canale transmembrana) causano la fuoriuscita di ioni H+
contro gradiente
• nello spazio tra le 2 membrane mitocondriali.• Il rientro secondo gradiente degli ioni H+ attraverso l’
ATP-sintetasi (proteina canale) genera ATP.
Membrana mitocondriale esterna
ATP-sintetasi
Matrice mitocondriale
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L’energia liberata durante il trasferimento degli e- viene utilizzata dai CP per pompare Hpompare H++ fuori dalla membrana mitocondriale interna, contro gradientecontro gradiente.
La proteina canale ATP-sintetasi ATP-sintetasi sfrutta il rientro secondo
gradiente gradiente dei protoni H H++ per generare ATP. generare ATP.
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Catena di trasporto di elettroni
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Catena di trasporto di elettroni• Alla fine della catena gli
elettroni, insieme ad
altrettanti ioni H+, si
combinano con l’ossigeno per
formare acqua.
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L’Ossigeno
• Qual’è il ruolo dell’ O2?
L'ossigeno è fondamentale per la respirazione perché agisce come accettore finale di elettroni dall’idrogeno dopo che tutta l’energia è stata estratta per la fabbricazione di ATP
O2 si combina con 2H acqua metabolica
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Il rendimento energetico
• Da ogni molecola di glucosio
attraverso la respirazione
cellulare vengono prodotte
complessivamente
36 molecole di ATP (Eucarioti)
38 molecole di ATP (Procarioti)