Metabolismo e ATP: ruolo di proteine, grassi e minerali essenziali

Introduzione al Metabolismo

Metabolismo E ATPINTRODUZIONE AL METABOLISMO METABOLISMO ENERGETICO metabolismo basale + metabolismo attivoINTRODUZIONE AL METABOLISMO Metabolismo delle proteine Metabolismo degli acidi nucleici ENERGIA Metabolismo dei lipidi Metabolismo dei carboidratiINTRODUZIONE AL METABOLISMO Lavoro meccanico Biosintesi di macromolecole ENERGIA Lavoro Elettrico TrasportoMETABOLISMO ENERGETICO INTRODUZIONE AL METABOLISMO metabolismo basale + metabolismo attivo 4 Metabolismo: insieme delle reazioni chimiche che, in modo coordinato e integrato, degrada e sintetizza le biomolecole cellulari. Tre funzioni principali: · ricavare energia utile per la cellula attraverso la degradazione di sostanze nutrienti · convertire i nutrienti in molecole utili per la cellula · sintetizzare macromolecole e polimeri a partire dai precursori

Metabolismo Energetico

METABOLISMO ENERGETICO 5 metabolismo basale + metabolismo attivo Funzione I: Ricavare Energia utile per la cellula L'ATP è la principale fonte di energia per le reazioni metaboliche, perché è una molecola ad alta energia di idrolisi. ATP H2O La notevole quantità di energia liberata nella reazione di idrolisi dell'ATP è dovuta al fatto che l'ATP è una molecola relativamente instabile. O ǁ O "O-P-O-P-O-P-O- Ribosio - Adenina 1 -0 O O idrolisi AGº' = - 30,5 kJ/mol I prodotti della idrolisi dell'ATP, soprattutto lo ione fosfato, sono specie chimiche molto stabili. O O O ǁ ǁ "O-P-OH + HO-P-O-P-O- Ribosio - Adenina 1 Ò" Ò Fosfato ADP INTRODUZIONE AL METABOLISMO

Funzioni del Metabolismo

Funzione II: Conversione Nutrienti

INTRODUZIONE AL METABOLISMO Sostanze nutrienti ricche di energia Carboindrati Grassi Proteine Macromolecole cellulari Proteine Polisaccaridi Lipidi Acidi nucleici Funzione II: convertire i nutrienti in molecole utili per la cellula

Funzione III: Sintesi Macromolecole

Funzione III: sintetizzare macromolecole e polimeri a partire dai precursori ADP + H3PO43 NAD+ NADP+ ATP NADH NADPH Energia chimica Prodotti finali poveri di energia CO2 H2O NH3 Molecole di precursori Amminoacidi Zuccheri Acidi grassi Basi azotate

Energia e Funzioni Cellulari

Ciclo della Contrazione Muscolare

ENERGIA E FUNZIONI CELLULARI 1 La miosina è legata all'ATP e dissociata dall'actina 2 La testa della miosina idrolizza l'ATP e si lega al filamento di actina ADP B Actina B ATP Ciclo della contrazione muscolare ADP Miosina ATP ADP 4 3 I filamenti si distaccano quando l'ATP torna a legarsi alla testa della miosina Variazione della conformazione della molecola con rotazione della testa della miosina e generazione dell'impulso che fa scorrere i filamenti Lavoro meccanico

Lavoro Elettrico Cellulare

ENERGIA E FUNZIONI CELLULARI Lavoro elettrico Excitatory chemical synapse Presynaptic domain Oligodendrocyte Myelination P1 P2Y1 * P2X7 P1 (A3) P2Y P2X ADO LIF 1 P2Y6/12 ATP P2X7 +IL-81 ADP P2X4 ATP ATP Glutamate P2X2/4/6/7 Microglia activation and inflammation BDNF TrkB NMDA AMPA GABA ATP V P2X Astrocyte "Ca+2 waves" · Ca+2 P2Y1.154 Postsynaptic domain 1 ADO P2Y1/ /2/4/14 Astrocyte neuronal activity modulation P2Y

Trasporto Cellulare

ENERGIA E FUNZIONI CELLULARI DI FUSION FACILITATED DIFFUSION ACTI TRANSPORT Trasporto PASSIVE TRANSPORT

Biosintesi di Macromolecole

ENERGIA E FUNZIONI CELLULARI Biosintesi di Macromolecole (proteine, acidi nucleici, lipidi, carboidrati) Sostanze nutrienti ricche di energia Carboidrati Grassi Proteine Macromolecole cellulari Proteine Polisaccaridi Lipidi Acidi nucleici ADP + H3PO43 NAD+ NADP+ ATP NADH NADPH Energia chimica Prodotti finali poveri di energia CO. H2Ō NH3 Molecole di precursori Amminoacidi Zuccheri Acidi grassi Basi azotate

Energia e ATP

METABOLISMO ENERGETICO ENERGIA 5 metabolismo basale + metabolismo attivo O L'Energia necessaria alle principali funzioni biochimiche e fisiologiche di una cellula è ottenuta dall'ossidazione di molecole organiche e trasformata in Energia Chimica: ATP ADP + Pi ATP · ATP è il prodotto di scambio delle reazioni cataboliche · Molecola ad alta «energia di idrolisi» perché l'energia liberata dall'idrolisi dell'ATP è il doppio/triplo di una normale reazione di idrolisi di un legame covalente

Reazioni Esoergoniche ed Endoergoniche

ENERGIA Molte reazioni cataboliche sono reazioni esoergoniche che possono avvenire spontaneamente (AG < 0). Molte reazioni anaboliche sono endoergoniche (AG > 0) e possono svolgersi perché sono accoppiate a reazioni fortemente esoergoniche, come la reazione di idrolisi dell'ATP. reagenti prodotti energia libera quantità di energia sprigionata AG <0 energia libera quantità di energia da fornire AG > 0 reagenti prodotti andamento della reazione nel tempo andamento della reazione nel tempo andamento della reazione nel tempo andamento della reazione nel tempo Le reazioni termodinamicamente sfavorevoli vengono accoppiate alle reazioni termodinamicamente favorevoli

Reazioni che Liberano e Richiedono Energia

ENERGIA Reazione esoergonica Adenina P PNP P Adenosina trifosfato (ATP) Ribosio Adenina P JP Adenina Ribosio Adenosina difosfato (ADP) P NP Ribosio P Reazione endoergonica Reazioni che liberano Energia: Prodotti contengono meno Energia dei Reagenti C6H1206 + 602-6CO2 + 6H2O + Eg Reazioni che richiedono Energia: Prodotti che contengono più Energia dei Reagenti Eg + piccole molecole- Macromolecole Eg + amminoacidi Proteine

Struttura dell'ATP

ATP: Adenosina trifosfato Phosphate groups 0 0 0 0-P~0-P~0-P-O-CH2 I I I 1 C C I I H H OH OH Ribose NH2 Adenine NH2 I C N N C - H C C "0-P-O-P-O-P-O-CH, O. B a ' =0 O =0 =0 O H £ H H H HO OH Adenosina AMP ADP ATP legame fosfoestere -N N legami fosfoanidridici 0- N N .0

ATP: Coenzima e Trasportatore

ATP: Coenzima/trasportatore di gruppi fosforici O E 6 H2C-0-P-0" 1 CH2OH O H H H H H H OH H OH H HO OH HO OH H OH H OH Glucosio Esochinasi Glucosio 6-fosfato ATP ADP K

Ciclo dell'ATP

CICLO DELL'ATP ATP H2O La notevole quantità di energia liberata nella reazione di idrolisi dell'ATP è dovuta al fatto che l'ATP è una molecola relativamente instabile. O O 11 O "O-P-O-P-O-P-O- Ribosio - Adenina -C 1 Ò D I prodotti della idrolisi dell'ATP, soprattutto lo ione fosfato, sono specie chimiche molto stabili. idrolisi > O AGº' = - 30,5 kJ/mol O "O-P-OH + HO-P-O-P-O- Ribosio - Adenina 1 -O O 1 O- Fosfato ADP

ATP: Motore di Reazioni Cellulari

ATP IL MOTORE DI MOLTE REAZIONI CELLULARI X + Y + ATP + H2O X - Y + ADP + Pi Intermedio fosforilato 1 X - P & Y - Pi CREATINA FOSFOCREATINA I H H2N N HO. , N N 1 OH NH2 + O NH Le miofibre contengono un composto ad alta Energia: la creatina-P Durante la contrazione la creatina-P viene consumata per formare ATP Durante il riposo muscolare, l'ATP viene utilizzato per formare creatina-P come deposito di gruppi fosforici. O HO-P ilATP IL MOTORE DI MOLTE REAZIONI CELLULARI Na® + ADP ATP +Pi + K+

Fasi del Metabolismo

METABOLISMO METABOLISMO ENERGETICO 5 metabolismo basale + metabolismo attivo C Il metabolismo è costituito da due fasi distinte ma interconnesse: · il catabolismo libera energia degradando carboidrati, acidi grassi e amminoacidi e porta alla formazione di prodotti di rifiuto (CO2, H2O, scorie azotate) · l'anabolismo assorbe energia per svolgere reazioni di sintesi e condensazione all'interno delle cellule Le reazioni del metabolismo sono organizzate in vie metaboliche, cioè sequenze di reazioni chimiche catalizzate da enzimi in cui il prodotto della prima reazione è il reagente della seconda, il prodotto di questa è il reagente della terza, e così via fino al prodotto finale della via.

Nutrienti e Prodotti Finali

METABOLISMO Nutrienti che forniscono energia Molecole complesse Carboidrati Grassi Proteine Proteine Polisaccaridi Lipidi Acidi nucleici C A A Energia chimica ATP NADH 0 Prodotti finali poveri di energia Precursori delle molecole CO2 H2O NH3 Amminoacidi Zuccheri Acidi grassi Basi azotate

Reazioni di Ossidoriduzione

Reazioni di Ossidoriduzione METABOLISMO ENERGETICO 5 metabolismo basale + metabolismo attivo Reazioni di ossidoriduzione Le reazioni di ossidoriduzione o redox sono dei processi nei quali certi atomi A cedono elettroni ad altri atomi B che li acquistano. La cessione di elettroni è detta ossidazione: l'atomo A si ossida. L'acquisto di elettroni è detto riduzione: l'atomo B si riduce. ℮ si ossida si riduce A B e + - + riducente ossidante atomo ossidato atomo ridotto (più positivo) (più negativo)

Agenti Ossidanti e Riducenti

METABOLISMO METABOLISMO ENERGETICO 5 metabolismo basale + metabolismo attivo Il metabolismo energetico di tutti gli organismi si basa su reazioni di ossidoriduzione, in cui agenti ossidanti acquistano elettroni dal substrato che deve essere ossidato, riducendosi a loro volta. Il FAD e il NAD+ sono i principali agenti ossidanti delle reazioni redox cellulari. I due coenzimi legano gli elettroni trasformandosi nella forma ridotta, rispettivamente, FADH2 e NADH. FADH2 e NADH trasferiscono gli elettroni nella catena di trasporto elettronico fino all'ossigeno, gettando le basi per la produzione della maggior parte dell'energia.

Metabolismo dei Carboidrati

METABOLISMO CARBOIDRATI Forniscono 4 kilocalorie per grammo Fonte primaria di energia per il cervello e tessuto nervoso Possono essere utilizzati per sintetizzare aminoacidi, lipidi, acidi nucleici La dieta deve contenere sia polisaccaridi (amido), che zuccheri piu' semplici, saccarosio , fruttosio)

Metabolismo delle Proteine

METABOLISMO PROTEINE Forniscono circa 4 kilocalorie per grammo Fonte di aminoacidi Utilizzate per costruire altre proteine, ormoni, fattori di crescita, enzimi, emoglobina, mioglobina Due classi di aminoacidi: essenziali, non essenziali

Metabolismo dei Grassi

METABOLISMO GRASSI Forniscono circa 9 kilocalorie per grammo Precursori di molti ormoni Acidi grassi essenziali: acido linoleico, acido linolenico

Minerali e Funzioni

Macronutrienti Essenziali

METABOLISMO Minerali e loro funzione Micronutrienti · Calcio (ossa, denti, funzione muscolare) · Fosforo (ossa, energia, materiale genetico) · Sodio, potassio e cloro (potenziali di membrana) · Magnesio (metabolismo cellulare, enzimi) Il principale catione del liquido intracellulare è il potassio (K+) Il principale catione del liquido extracellulare è il sodio (Na+)

Oligoelementi Essenziali

METABOLISMO Minerali e loro funzione · Ferro (trasporto dell'ossigeno, metabolismo) · Rame (Enzimi) · lodio (corretta funzione della tiroide, ormoni T3 e T4) · Fluoro (Denti, non ha altre funzioni) Ne bastano piccolissime quantità (<100 mg/giorno)

Vitamine

Classificazione delle Vitamine

METABOLISMO VITAMINE Sono assunte attraverso l'alimentazione. Sono divise in 2 gruppi: Solubili in acqua (gruppo B e C) Liposolubili (A, E, D, K) · Vitamine che devono essere assunte quotidianamente (Complesso vit B; Vit C) · Vitamine che possono accumularsi (nel fegato, vit A, vit K, vit D)

Funzioni Specifiche delle Vitamine

METABOLISMO VITAMINE 1) Vitamina A: svolge importante ruolo nella funzione visiva 2) Vitamine B: molte sono coenzimi 3) Vitamina C, acido ascorbico: partecipa a numerose reazioni metaboliche (biosintesi di collageno, di alcuni amminoacidi e ormoni), è un antiossidante 4) Vitamina D: regola metabolismo del calcio ed il processo di mineralizzazione ossea 5) Vitamina K: importante nella coagulazione del sangue La carenza di vitamine ha sintomi specifici a seconda del tipo di vitamina e può causare diversi disturbi o malattie.