La cellula e il suo metabolismo: glicolisi e ruolo dei coenzimi

Il metabolismo cellulare

La cellula e il suo metabolismo prevedono
TRASFORMAZIONI DI ENERGIA
sintetizzano e utilizzano l'
ATP
LE REAZIONI
DEL METABOLISMO
CELLULARE
sono accelerate dagli
ENZIMI
ESOERGONICHE
come
GLICOLISI E
RESPIRAZIONE
CELLULARE
sono
ENDOERGONICHE
come la
FOTOSINTESI

Il metabolismo cellulare consiste in un insieme di reazioni
chimiche che comprendono:

• reazioni cataboliche, che
  demoliscono le molecole
  complesse in altre più semplici
  Sono esoergoniche, quindi
  liberano energia
  C6H1206 + 6
  glucosio
  ossigeno
  6
  CO2 +
  6
  H20 +
  diossido
  di carbonio
  acqua
  energia
  asp
  glu
  glu ala
  arg
  asp
  gly
  asn
  phe
  cys
  cys
  asn
  +
  phe
  ala
  arg
  energia
  gly
  his
  gin
  ile
  ile
  gln
  amminoacidi
  polipeptide
  L'unione di più amminoacidi
  per produrre un polipeptide
  è una reazione
  endoergonica che consuma
  energia.
  his
  La demolizione del glucosio
  con produzione di acqua e
  diossido di carbonio nella
  respirazione cellulare è una
  reazione esoergonica che
  libera energia.
• reazioni anaboliche, che
  sintetizzano molecole
  complesse a partire da
  molecole più semplici. Sono
  endoergoniche, cioè richiedono
  energia.

Reazioni metaboliche

Reazioni endoergoniche

Reazioni
ENDOERGONICHE
Energia potenziale delle molecole->
prodotti
energia
fornita
reagenti
Avanzamento della reazione

Reazioni esoergoniche

Reazioni
ESOERGONICHE
Energia potenziale delle molecole->
reagenti
energia
rilasciata
prodotti
Avanzamento della reazione

Collegamento tra reazioni metaboliche

I due tipi di reazioni del metabolismo cellulare sono strettamente
collegate:
molecola complessa
energia proveniente
dalle reazioni
esoergoniche
reazioni anaboliche
reazioni cataboliche
energia disponibile
per le reazioni
endoergoniche
molecole semplici
-> le reazioni cellulari esoergoniche forniscono energia gradualmente per
evitare un rilascio eccessivo di calore che sarebbe dannoso. In ogni
reazione l'energia liberata viene liberata in una molecola di ATP

La molecola di ATP

L'ATP è la "moneta di scambio
energetico" usata dalle cellule
per trasferire energia
Adenosina trifosfato
P
P
V
P
Adenina
Ribosio
ATP-> adenosinatrifosfato
Nucleotide formato da:
- una base azotata (adenina)
- uno zucchero (ribosio)
- tre gruppi fosfato
-> è il principale trasportatore di energia nei sistemi viventi.
●
Viene prodotto nei mitocondri (cellule eucariotiche).
L'idrolisi dell'ATP libera energia
ATP + H.O
2
[
ADP + P. + energia

Idrolisi dell'ATP

La rottura per idrolisi
del legame tra un
gruppo fosfato e il
resto della molecola
libera energia (30
KJ/mol), che può
essere utilizzata in
altre reazioni
chimiche.
L'ATP è un agente accoppiante perché trasporta l'energia
dalle reazioni cataboliche esoergoniche a quelle anaboliche endoergoniche.
Energia ricavata da reazioni esoergoniche.
adenina
P
P
P
adenosintrifosfato (ATP)
ribosio
adenina
P
adenina
ribosio
adenosindifosfato
(ADP)
P
ribosio
Energia utilizzata per
reazioni endoergoniche.

Produzione e richiesta di energia

Adenosina trifosfato
P
P
P
Adenina
Ribosio
Reazioni che producono energia:
Reazioni che
richiedono energia:
● respirazione cellulare
● demolizione (catabolismo)
● trasporto attivo
● movimenti cellulari
● sintesi (anabolismo)
ADP
Energia
+ GP
1
Energia
La sintesi di
ATP da ADP
e P, richiede
energia.
L'idrolisi di
ATP in ADP
e P, libera
energia.
ATP
P
P
P
+
Adenosina difosfato
+ Fosfato
1

ATP e contrazione muscolare

L'idrolisi dell'ATP fornisce l'energia
per la contrazione muscolare
1
Quando si
combina con
l'ATP, la testa
di miosina
è in posizione
«di riposo».
2
Quando l'ATP si
scinde in ADP
e P, la testa
di miosina
si attacca
all'actina.
3
Quando l'ADP
e il P vengono
rilasciati, la testa
di miosina «tira»
il filamento di
actina.
Actina
P
Miosina
ATP
ADP
RISPONDI
A quale parte

Gli ENZIMI accelerano le reazioni cellulari

Gli enzimi sono proteine
globulari che accelerano e
rendono possibili le reazioni
cellulari.
-> generalmente terminano con
il suffisso -asi
Substrato
Sito attivo
Enzima
Ogni reazione è catalizzata da uno
specifico enzima.
CATALIZZARE-> rendere più veloce una reazione chimica
riducendo l'energia di attivazione

Energia di attivazione

Energia che si deve fornire alle molecole dei reagenti per farle
urtare in modo efficace e permettere la formazione dei prodotti
Energia libera
GHOSTRIDER
E
Energia
dei reagenti
E
- Enzima non presente
Enzima presente
Energia
dei prodotti
Andamento della reazione
Tony Freeman/PhotoEdit, @ David R. Frazier Photolibrary, Inc. / Alamy
presenza di enzima
assenza di enzima
Energia potenziale delle molecole -
energia
di attivazione richiesta
in presenza di enzima
energia di attivazione richiesta
in assenza di enzima
energia rilasciata dalla reazione
reagenti
1
Avanzamento della reazione
prodotti

Energia di attivazione: lattosio

senza enzima
Energia
lattosio
glucosio + galattosio
energia
di attivazione
reagenti
quantità netta
di energia liberata
dalla scissione
del lattosio
di energia liberata
Andamento della reazione
prodotti
con enzima
Energia
lattasi
lattosio
glucosio + galattosio
energia
di attivazione
in presenza
dell'enzima
quantità netta
reagenti
prodotti
Andamento della reazione
In assenza dell'enzima lattasi che catalizza la reazione di
scissione del lattosio in glucosio e galattosio l'energia di
attivazione della reazione è molto più alta

Funzionamento degli enzimi

Enzimi
●i reagenti di una reazione
catalizzata da un enzima
sono detti substrati
●il substrato si lega a una
porzione specifica
dell'enzima, chiamata sito
attivo
●il legame di un substrato al
sito attivo dà il complesso
enzima-substrato, che
porta al prodotto.
Prodotti
Enzima
Substrato
Complesso
enzima-substrato
Substrato (lattosio)
Sito attivo
Sito attivo
Enzima
Lattasi
Glucosio
Galattosio

Come agiscono gli enzimi

COME AGISCONO GLI ENZIMI
enzimi
Il saccarosio è lo
zucchero da tavola.
Il modello dell'enzima
saccarasi.
sito attivo
substrato
(saccarosio)
enzima
(saccarasi)
glucosio
fruttosio
H20

Vie metaboliche

Il metabolismo è suddiviso in vie
metaboliche costituite da:

• reazioni anaboliche che
  sintetizzano molecole complesse;
• reazioni cataboliche che le
  scindono.
  Macromolecole
  biologiche:
  proteine
  polisaccaridi
  lipidi
  acidi nucleici
  Sostanze nutrienti
  ricche di energla:
  carboidrati
  grassi
  proteine
  Anabolismo
  Catabolismo
  Energia
  chimica
  Precursori delle
  blomolecole:
  amminoacidi
  zuccheri
  semplici
  acidi grassi
  basi azotate
  Prodotti
  finall poveri
  di energia:
  CO,
  2
  H,0
  NH2

Il metabolismo del glucosio

I processi metabolici più
importanti per il rilascio
dell'energia del glucosio
sono:

• la glicolisi;
• la fermentazione;
• la respirazione
  cellulare.
  Estemo della cellula
  Vaso
  sanguigno
  Glucosio
  Membrana
  cellulare
  2
  ATP
  GLICOLISI
  Citosol
  in assenza
  di 0,
  Piruvato
  Piruvato
  in presenza
  di O,
  Piruvato
  e
  Piruvato
  FERMENTAZIONE
  CoA
  Acetil-CoA
  1. Fase preparatoria
  ACIDO LATTICO
  O ETANOLO
  e
  e
  Elettroni trasportati
  da NADH
  CoA
  32 0 34
  ATP
  e
  2
  ATP
  HO
  e
  2. Ciclo di
  Krebs
  3. Fosforilazione
  ossidativa
  Catena
  respiratoria
  mitocondriale
  e
  CO,
  Membrana
  mitocondriale
  interna
  Elettroni trasportati
  da NADH e FADH,
  e
  Membrana
  mitocondriale
  esterna
  Mitocondrio
  Interno della cellula
  RESPIRAZIONE
  CELLULARE

Metabolismo del glucosio: presenza di ossigeno

In presenza di ossigeno:
GLICOLISI
Glucosio
Piruvato
SINTESI
DI
ACETIL-COA
CICLO
DI KREBS
FOSFORILAZIONE
OSSIDATIVA
CO2
e
H2O
02
presente

Metabolismo del glucosio: assenza di ossigeno

In assenza di ossigeno:
glucosio
piruvato
fermentazione
O2
assente
acido
lattico
o
alcol
etilico
Estemo della cellula
Vaso
sanguigno
Glucosio
0
Membrana
cellulare
2 ATP
Citosol
in assenza
di O.
Piruvato
Piruvato
in presenza
di O
Piruvato
e
Piruvato
FERMENTAZIONE
CoA
Acetil-CoA
1. Fase preparatoria
e
e
Elettroni trasportati
da NADH
CoA
e
24 ATP
HO
e
2. Ciclo di
Krebs
3. Fosforilazione
ossidativa
Catena
respiratoria
mitocondriale
0,
e
Membrana
mitocondriale
interna
Elettroni trasportati
da NADH e FADH,
Membrana
mitocondriale
esterna
Mitocondrio
Interno della cellula
GLICOLISI
RESPIRAZIONE
CELLULARE
ACIDO LATTICO
O ETANOLO
32 0 34
ATP
e

La GLICOLISI

Processo comune a tutte le cellule
> avviene nel citoplasma della cellula
non richiede presenza di ossigeno
Tramite il processo di glicolisi, una
molecola di glucosio (6 atomi di C)
viene divisa in due molecole di piruvat
(3 atomi di C) e produce, come
guadagno energetico immediato, 2
ATP.
Vengono prodotti anche 2 NADH (un
coenzima che funziona da trasportatoi
di elettroni).
Molecola intermedia,
pronta per la degradazione
1
2
ENERGIA SPESA
ENERGIA RICAVATA
ATP (2)
ATP (4)
NADH (2)
Glucosio
Acqua
2 molecole di piruvato
ENERGIA SPESA
ENERGIA RICAVATA
-2
ATP
+4
ATP
+2
NADH
La glicolisi si svolge nel citoplasma delle
cellule e trasforma la molecola di glucosio in
due molecole di piruvato con un guadagno
netto di 2 molecole di ATP e 2 molecole di
NADH ad alto contenuto energetico.
Si svolge attraverso una serie di 10 reazioni,
ognuna catalizzata da uno specifico enzima.

I COENZIMI

Il metabolismo del glucosio è suddiviso
in numerose reazioni intermedie, che
coinvolgono diversi enzimi e coenzimi
specifici.
NAD (nicotinammide adenina
dinucleotide) è uno dei coenzimi coinvolti
(«navetta» per trasferire elettroni da
donatore a accettore).
NAD+ + H2 -> NADH + H+
NADH + H+ + 1/202 -> NAD+ + H2O
FAD (flavin adenina dinucleotide)
deriva dalla vitamina B2.
Può accettare due protoni e due
elettroni, riducendosi a FADH2.
FAD + H2 -> FADH2

NAD+ come coenzima

Il NAD+ è un coenzima, ovvero una molecola che partecipa
a una via metabolica e favorisce il trasferimento di atomi di
idrogeno (elettrone e e protone H+) tramite reazioni di
ossidoriduzione. Nella fase di respirazione cellulare, al NAD
si affianca anche il FAD
riduzione
NAD+
+ 2 H
2 H+
2 elettroni
NADH
+ H+
forma
ossidata
ossidazione
forma ridotta
(trasporta 2 elettroni)

FAD come coenzima

FAD (flavin adenina dinucleotide)
deriva dalla vitamina B2.
Può accettare due protoni e due
elettroni, riducendosi a FADH2.
FAD + H2 -> FADH2
riduzione
FAD
+ 2 H
2 H+
2 elettroni
FADH2
ossidazione
forma
ossidata
forma ridotta
(trasporta 2 elettroni)
Nella fase finale della respirazione cellulare, FADH2 cede gli
elettroni a una serie di trasportatori, fino all'ossigeno.

Respirazione cellulare in presenza di ossigeno

In presenza di ossigeno: respirazione
cellulare
In presenza di ossigeno:
GLICOLISI
Glucosio
Piruvato
SINTESI
DI
ACETIL-COA
CICLO
DI KREBS
FOSFORILAZIONE
OSSIDATIVA
CO2
e
H2O
02
presente
La membrana mitocondriale interna è ripiegata a
formare le creste e delimita la matrice.
In un ambiente aerobico, alla
glicolisi segue la
respirazione cellulare, che
avviene nei mitocondri.
Questa via metabolica
produce la maggior parte
dell'ATP utilizzato dalla cellula
(32-34 ATP)