Metabolismo, glicolisi e ATP: concetti fondamentali di biochimica

Metabolismo: Reazioni Chimiche e Vie Metaboliche

METABOLISMO: termine che si riferisce all'insieme delle reazioni chimiche che avvengono all'interno del nostro organismo.

Le reazioni biochimiche che fanno parte del nostro organismo sono organizzate per formare le vie metaboliche, queste reazioni avvengono con formazione/rotture dei legami nel corso di processi catalizzati dagli enzimi con l'intervento di coenzimi (molecole non proteiche che si legano a un enzima per aiutarlo a catalizzare una reazione chimica, trasportano gruppi chimici o elettroni da un substrato a un altro, facilitando il processo biochimico)

Coenzimi Noti nel Metabolismo

COENZIMI più noti: il NAD+ -> presente in ogni cellula del corpo, aiuta a produrre energia sotto forma di ATP (adenosina trifosfato) Coenzima A (CoA) -> fondamentale per il metabolismo degli acidi grassi

Funzioni Principali del Metabolismo

FUNZIONI PRINCIPALI:

1. ricavare energia utile per la cellula attraverso la degradazione di sostanze nutrienti
2. convertire i nutrienti in molecole utili per la cellula
3. sintetizzare macromolecole e polimeri a partire dai precursori

Fasi del Metabolismo: Anabolismo e Catabolismo

DUE FASI DEL METABOLISMO:

Macromolecole cellulari Sostanze nutrienti ricche di energia Proteine Polisaccaridi Lipidi Acidi nucleici Carboidrati Grassi Proteine ADP+ HPO2 NAD NADP+ FAD Anabolismo Catabolismo ATP NADH NADPH FADH2 Energia chimica Molecole di precursori Amminoacidi Zuccheri Acidi grassi Basi azotate Prodotti finali poveri di energia CO2 Pz H2O Urea

Il CATABOLISMO -> è l'insieme delle reazioni chimiche di degradazione che demoliscono composti organici complessi (carboidrati, acidi grassi e amminoacidi) in molecole più semplici, liberando più energia di quella che consumano e portando alla formazione di prodotti di rifiuto (2, H2O, scorie azotate). L'ANABOLISMO -> è l'insieme delle reazioni chimiche di sintesi che assemblano sostanze semplici in molecole più complesse, utilizzando più energia di quella che producono

Vie Metaboliche: Convergenti, Divergenti e Cicliche

Le vie metaboliche sono convergenti, divergenti e cicliche

Carboidrati Lipidi Acetil-CoA Pochi precursori Numerose biomolecole (amminoacidi, acidi grassi, monosaccaridi, basi azotate, ecc.) Via convergente in quanto la degradazione di carboidrati, lipidi e proteine porta ad una molecola singola l'ACETIL-COENZIMAA Proteine Ciclo di Krebs Catabolismo Metabolismo terminale Anabolismo Le vie cataboliche sono convergenti. Le vie del metabolismo terminale sono cicliche. Le vie anaboliche sono divergenti. Via divergente in quanto ci sono dei precursori che divergono e vanno a sintetizzare molecole diverse

ATP: Fonte di Energia Cellulare

L'appaiamento di reazioni che rilasciano energia e che richiedono energia è raggiunto attraverso l'ATP.

Rilascio di calore Molecole semplici come glucosio, amminoacidi, glicerolo e acidi grassi ATP Processi catabolici trasferiscono energia da molecole complesse all'ATP Processi di sintesi trasferiscono energia dall'ATP a molecole complesse ADP + P Molecole complesse come glicogeno, proteine e trigliceridi Rilascio di calore

Aspetti Generici delle Reazioni Biochimiche e ATP

ASPETTO GENERICO DELLE REAZIONI BIOCHIMICHE

• Adenosintrifosfato (ATP)
• Fonte di energia chimica all'interno delle cellule
• "motore" di numerose reazioni cellulari

L'ATP è la principale fonte di energia per le reazioni metaboliche, perché è una molecola ad alta energia di idrolisi.

• Molecola ad alta energia di idrolisi che viene utilizzata per rendere possibili reazioni termodinamicamente sfavorite.
• L'idrolisi dell'ATP avviene soltanto in presenza di enzimi.
• Reazioni esoergoniche ed esoergoniche: 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.

A In una reazione esoergonica i reagenti si comportano come una pallina che scivola giù da un pendio: i reagenti si trasformano in prodotti a contenuto energetico minore e si sprigiona energia. B Come per spingere una pallina in salita, in una reazione endoergonica è necessario un apporto di energia, perché i reagenti si trasformano in prodotti a maggior contenuto energetico.

reagenti prodotti energia libera quantità di energia sprigionata quantità di energia da fornire AG <0 energia libera AG>0 reagenti andamento della reazione nel tempo andamento della reazione nel tempo andamento della reazione nel tempo andamento della reazione nel tempo

Modalità di Cessione Energetica dell'ATP

Modalità con cui l'ATP cede energia: trasferimento di gruppi fosfato

Reazione endoergonica da sola A+ B C + D Reazione endoergonica accoppiata all'idrolisi di ATP ATP ADP + P A+ B SC+D prodotti

Composti ad Alta Energia di Idrolisi e Trasportatori di Elettroni

• Composti ad alta energia libera di idrolisi: Nelle cellule si trovano composti che contengono legami molto "energetici". Questi composti sono in grado di fosforilare l'ADP per generare ATP. - Fosfoenolpiruvato (si forma nella glicolisi) - 1,3-bisfosfoglicerato (si forma nella glicolisi) - Fosfocreatina (riserva energetica dei muscoli) - Tioesteri (es. succinil-CoA)
• 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'ossi geno, gettando le basi per la produzione della maggior parte dell'energia.
• Trasportatori di elettroni:

Regolazione del Metabolismo Cellulare

REGOLAZIONE DEL METABOLISMO -> L'attività metabolica cellulare deve essere regolata con precisione. Tale regolazione avviene secondo il principio della massima economia: vengono prodotte (o degradate) solo le sostanze di cui esiste (o non esiste) effettiva necessità e soltanto nelle quantità e nei tempi opportuni. La regolazione in una via metabolica avviene attraverso il controllo di una sola reazione, la reazione più lenta.

Meccanismi di Regolazione Metabolica

La regolazione del metabolismo avviene secondo tre meccanismi generali:

1. Controllo allosterico e covalente dell'attività enzimatica - Rapido
2. Controllo della quantità di enzima - Lento
3. Compartimentazione delle vie metaboliche e trasferimento dei substrati.

Controllo dell'attività catalitica degli enzimi: il flusso metabolico è determinato dalla tappa chiave e l'enzima in questione è definito enzima chiave della via metabolica. Particolarmente importante è il feedback negativo

E2 Ea E A B C Z E1 è l'enzima chiave della via. Il prodotto finale della via (Z) inibisce l'enzima chiave (E1) che catalizza la trasformazione del substrato iniziale (A) nel primo intermedio metabolico (B).

Controllo delle concentrazioni intracellulari degli enzimi chiave: avviene favorendo o ostacolando due processi opposti: la biosintesi e la degradazione intracellulare dell'enzima. Compartimentazione delle vie metaboliche: alcune vie metaboliche si realizzano solo nel citoplasma, mentre altre si svolgono solo nel reticolo endoplasmatico liscio oppure nei mitocondri o in più di un distretto.In questo modo, gli intermedi di vie metaboliche diverse si trovano separati dalle membrane degli organuli cellulari, e la loro concentrazione dipende anche dall'efficienza dei sistemi di trasporto attraverso le membrane.

Nutrienti: Funzioni Essenziali per l'Organismo

NUTRIENTI -> sostanze chimiche presenti negli alimenti che il nostro corpo utilizza per svolgere una serie di funzioni essenziali. Queste sostanze:

• forniscono energia, contribuiscono alla crescita e alla riparazione dei tessuti
• svolgono un ruolo chiave nel funzionamento di tutti i sistemi del nostro organismo. Sono quindi elementi essenziali per la nostra salute e il nostro benessere. I nutrienti non vengono ingeriti direttamente, ma fanno parte degli alimenti

Macronutrienti e Micronutrienti

In base ai componenti di qualsiasi alimento si può fare una distinzione in base alla quantità in cui sono presenti: macronutrienti e micronutrienti.

• MACRONUTRIENTI -> sono nutrienti di cui il nostro corpo ha bisogno in grandi quantità e sono responsabili di fornire energia. Ci sono quattro tipi principali:
  1. Proteine: sono essenziali per la crescita, la riparazione dei tessuti e la produzione di enzimi e ormoni. Sono composte da amminoacidi, i mattoni fondamentali del nostro corpo.
  2. Carboidrati: sono la principale fonte di energia del nostro corpo. Vengono scomposti in glucosio e utilizzati per alimentare le nostre cellule.
  3. Grassi: forniscono energia a lungo termine e sono coinvolti nella protezione degli organi, nell'isolamento termico e nella produzione di ormoni.
  4. Acqua: è fondamentale per il funzionamento di tutti i processi corporei. Senza di essa, la vita non sarebbe possibile. E' necessario berne 1,5 l al giorno
• MICRONUTRIENTI -> sono nutrienti di cui il nostro corpo ha bisogno in piccole quantità, ma sono comunque essenziali per la salute. Questi includono: Vitamine: hanno il compito di regolare le attività dell'organismo. Sali minerali: ioni che mantengono i liquido osmotico, servono per mantenere un giusto equilibrio osmotico e fornire elementi chimici indispensabili; fanno parte dei tessuti (spesso, come il calcio nelle ossa)

Sali Minerali e Loro Funzioni

SALI MINERALI = CALCIO -> OSSA

• IODIO - TIROIDE FOSFORO -> OSSA
• SODIO -> LIQUIDI EXTRACELLULARI FLUORO-> DENTI
• POTASSIO -> LIQUIDI INTRACELLULARI
• FERRO -> SANGUE FEGATO

• il Sodio (Na) ed il Potassio (K) insieme al Cloro (CI) ed al Calcio (Ca), mantengono i potenziali elettrici alla base della trasmissione di impulsi nervosi;
• il Calcio (Ca) è poi coinvolto in molteplici funzioni, quali la mineralizzazione dell' osso, la coagulazione del sangue, la contrazione muscolare;
• il Selenio (Se) contribuisce alla protezione delle cellule dagli agenti ossidanti che ne provocano l'invecchiamento;
• il Ferro (Fe) è un essenziale costituente dell'emoglobina dei globuli rossi e della mioglobina, che nel muscolo capta l'ossigeno

Nutrienti come Fonte di Energia

Nutrienti come fonte di energia: Carboidrati 60% Lipidi 25% Proteine 15%

Proteine . Amminoacidi (+) Nutrienti azotati: Acidi nucleici (-)

Fabbisogno Energetico e Fonti Alimentari

FABBISOGNO ENERGETICO -> si misura in chilocalorie (kcal), varia secondo il sesso, l'età e l'attività svolta ed è di circa 25-30 kcal per ogni kg di peso; queste kcal ci vengono fornite in quantità diverse, da protidi, lipidi e glucidi:

Calcolo del Fabbisogno Energetico Medio

Calcolare il fabbisogno energetico medio: 1 Kcal per kg di peso per un'ora Uomo di 70 kg 1 Kcal x 70 Kg x 24 h = 1680 Kcal/giorno

Energia dalle Principali Fonti Alimentari

Energia delle principali fonti alimentari Carboidrati 4 kcal/g Proteine 4 kcal/g Lipidi (grassi) 9 kcal/g Alcool 7 kcal/g

Etanolo: Nutriente, Agente Tossico e Droga Psicoattiva

ETANOLO -> non è un componente necessario della dieta ma è un componente importante nella vita quotidiana nei paesi occidentali. Può essere un:

• "NUTRIENTE";
• AGENTE TOSSICO -> se ne facciamo abuso può diventare anche una droga;
• DROGA PSICOATTIVA -> causa disturbi comportamentali, induce dipendenza a seconda di diverse circostanze quali: quantità, frequenza di assunzione, ingestione con altri nutrienti, differenze individuali genetiche sociali assunzione di farmaci gli effetti dell'etanolo sono pertanto variabili.

L' etanolo rappresenta 1-3% dell'introito calorico giornaliero (forti bevitori anche 50%). Per la potenziale tossicità e per l' incapacità di accumularlo, l'organismo lo elimina il più rapidamente possibile.