Metabolismo: introduzione, fosforilazione ossidativa e catena respiratoria

Metabolismo: Introduzione

METABOLISMO Insieme delle reazioni chimiche coordinate e integrate che hanno luogo in tutte le cellule

• ACYL-CHAC

Catabolismo e Anabolismo

A T A B O L I S M O Alimenti: Carboidrati Lipidi Proteine etc. Ossidazioni esoergoniche ATP NADPH Prodotti poveri di energia CO2, H2O,NH3 Macromolecole cellulari Proteine Polisaccaridi Lipidi Ac. Nucleici ATP NADPH Riduzioni endoergoniche Precursori Amino acidi Zuccheri Acidi grassi Basi azotate A N A B ( ) L I S M OIl metabolismo è organizzato in vie anaboliche (sintesi di molecole a partire da precursori più semplici) e vie cataboliche (ossidazione delle molecole organiche e utilizzo dell'energia liberata per la sintesi di molecole di ATP) Il prodotto ultimo dell'ossidazione degli atomi di C presenti nelle molecole organiche è la CO2, quella degli atomi di H e H2O, mentre I'N degli amminoacidi viene eliminato sotto forma di urea Vie anaboliche e cataboliche non possono essere viste come due sistemi separati, al contrario, gli intermedi delle une possono esserlo anche delle altreUna specifica sequenza di reazioni prende il nome di via metabolica lineare ciclicaPrecursore Metabolita Intermedio Prodotto Ciascuna reazione è catalizzata da un enzima!

Ruolo degli Enzimi nel Metabolismo

.Perché è conveniente che tutte le reazioni siano catalizzate da enzimi?

• Le singole reazioni possono aver luogo con velocità compatibili con le necessità dell'organismo
• Ogni enzima è un potenziale punto di regolazioneLe cellule depositano e utilizzano energia sotto forma di ATP

ATP: Struttura e Funzione

Estere 0- I Adenina O II II II Ö O O H H Anidride H H Anidride OH OH ATP ADP + Pi+energia ATP Nel corso del metabolismo l'ATP viene continuamente prodotto da ADP e Pi nelle reazioni cataboliche e rapidamente consumato nelle reazioni anaboliche "0-P-0-P-O-P-O-CH2NAD+ e FAD sono i principali coenzimi ossidoriduttivi La strategia energetica del mondo vivente reazioni ossidative che si verificano per gradi (trasferimento atomi di H dei substrati, o i loro elettroni, ad accettori con potenziale di ossidoriduzione maggiore) L'energia liberata ad ogni passo viene in parte utilizzata per la sintesi di ATP attraverso complessi sistemi biochimici. Gli accettori di elettroni sono: il nicotinammide adenin dinucleotide (NAD) e il flavin adenin dinucleotide (FAD)flavin-adenin-dinucleotide nicotinammide-adenin-dinucleotide ŅH2 N A N 0- O=P-O-CH2 O H H H' H HO OH L O=P-O% NH2 nicotinammide (vit. PP) + +Z CH2 H3C N O H H H H H. H HO OH NH2 + H+ エ H3C Z- N O NH forma ridotta (FADH2) H3C Biochimica e Biologia per le professioni sanitarie, McGraw-Hill N N N N O O P O P O CH2 -O o- H H CH2 H H H C-OH HO OH H-C-OH H C-OH CH2 H3C -Z O NH forma ossidata (FAD) riboflavina (vit. B2) forma ossidata (NAD+) forma ridotta (NADH+H+) ŅH2

Catabolismo: Tre Stadi

Catabolismo: tre stadi proteine polisaccaridi lipidi 1 - 1 amminoacidi glucosio acidi grassi e glicerolo - - 2 NH3 H3C-C~S-CoA (acetil CoA) - urea CoASH ciclo di Krebs NADH+H+ FADH2 CO2 3 NAD+ FAD catena respiratoria ossigeno ADP+Pi ATP H2O fosforilazione ossidativa Biochimica e Biologia per le professioni sanitarie, McGraw-Hill

Digestione dei Cibi

Digestione dei cibi La digestione è il primo stadio del catabolismo

• Carboidrati - glucosio, fruttosio, galattosio
• Proteine - amminoacidi
• Lipidi glicerolo, acidi grassi

Fasi del Catabolismo

Fase 1: Produzione di Acetil-CoA

Fase 1 Produzione di acetil-CoA Ammino- Acidi acidi grassi Glucosio Glicolisi Piruvato e complesso della piruvato deidrogenasi CO2 e- Acetil-CoA Fase 2 Ossidazione dell'acetil-CoA Citrato Ossalacetato e Ciclo dell'acido citrico ℮ e CO2 e- CO2 NADH, FADH2 (trasportatori ridotti di e-) e Fase 3 Trasferimento degli elettroni e fosforilazione ossidativa 2H+ + 202 Catena respiratoria (trasferimento degli elettroni) H2O ADP + Pi ATP I principi di biochimica di Lenhinger-Zanichelli, 2014

Dettaglio Fase 1: Acetil-CoA

Ammino- Acidi acidi grassi Glucosio Fase 1 Produzione di acetil-CoA Glicolisi Piruvato e- 1 complesso della piruvato deidrogenasi ® CO2 e Acetil-CoA I principi di biochimica di Lenhinger-Zanichelli, 2014

Fase 2: Ossidazione dell'Acetil-CoA

Fase 2 Ossidazione dell'acetil-CoA Citrato Ossalacetato e Ciclo dell'acido citrico e CO2 CO2 NADH, FADH2 (trasportatori ridotti di e-) Fase 3 Trasferimento I principi di biochimica di Lenhinger-Zanichelli, 2014

Fase 3: Trasferimento degli Elettroni e Fosforilazione Ossidativa

NADH, FADH2 (trasportatori ridotti di e-) Fase 3 Trasferimento degli elettroni fosforilazione ossidativa e e 2H+ + 202 Catena respiratoria (trasferimento degli elettroni) H2O ADP + P ATP I principi di biochimica di Lenhinger-Zanichelli, 2014

Vie Metaboliche delle Ossidazioni Terminali

Le vie metaboliche attraverso cui si realizzano le ossidazioni terminali sono:

• Ciclo dell'acido citrico (o ciclo degli acidi tricarbossilici, o ciclo di Krebs): via attraverso cui l'acetil CoA viene ossidato a CO2 (matrice mitocondriale)
• Catena respiratoria: via attraverso cui gli atomi di H passano dai coenzimi ridotti all'O2 con formazione di H2O (membrana mitocondriale interna)
• Fosforilazione ossidativa: reazioni accoppiate alla catena respiratoria attraverso cui l'energia chimica liberata nel trasferimento degli e- sull'O2 viene utilizzata per la sintesi di ATP (membrana mitocondriale interna)

Struttura del Mitocondrio e Componenti

ATP sintasi (F.F1) Membrana esterna Permeabile a piccole molecole e ioni Creste Membrana interna Impermeabile alla maggior partedelle piccole molecole e degli ioni, compresi i protoni Contiene: · i trasportatori di elettroni della catena respiratoria (Complessi I-IV) · le ADP-ATP traslocasi . l'ATP sintasi (F.F1) · altri trasportatori di membrana Matrice Contiene: · il complesso della piruvato deidrogenasi · gli enzimi del ciclo dell'acido citrico · gli enzimi della ß ossidazione degli acidi grassi Ribosomi · gli enzimi dell'ossidazione degli amminoacidi · DNA, ribosomi Canali di porina · molti altri enzimi · ATP, ADP, Pi, Mg2+, Ca2+, K+ · molti intermedi metabolici solubili I principi di biochimica di Lenhinger-Zanichelli, 2014

Ciclo di Krebs

Ossidazione dell'Acetil-CoA a CO2

Ossidazione dell'acetilCoA a CO2 · Questo avviene nel CICLO DI KREBS (detto anche CICLO DEGLI ACIDI TRICARBOSSILICI o CICLO DELL'ACIDO CITRICO) · Via metabolica finale sulla quale convergono il metabolismo ossidativo di zuccheri, acidi grassi e amminoacidi · E' confinato nei MITOCONDRI, quindi in stretta vicinanza della catena respiratoria · Il ciclo di Krebs parte dall'ac. ossalacetico che condensa con l'acetilCoA a formare ac. citrico. · Alla fine del ciclo viene restituito l'acido ossalacetico

Schema del Ciclo di Krebs

H3C-C~S-CoA COO- CoASH C=O COO- CH2 HO-C-H malato deidrogenasi COO" H2O citrato sintasi COO" CH2 CH2 ossalacetato HO-C-COO" COO- CH2 malato COO- citrato Humano H2O aconitasi COO" COO" 1 CH2 C-H H-C-COO COO" 3 NADH+H+ HO-C-H fumarato I FADH2 COO isocitrato succinato deidrogenasi COO- - isocitrato deidrogenasi CH2 CH2 CO2 COO- COO- succinato COO- CH2 succinato tiochinasi @-chetoglutarato deidrogenasi CH2 CH2 CoASH CH2 GTP C~S-CoA GDP+Pi CoASH COO" @-chetoglutarato succinil-COA CO2 Biochimica e Biologia per le professioni sanitarie, McGraw-Hill

Bilancio del Ciclo di Krebs

AcetilCoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O -> 2 CO2 + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP + COA Acetil-CoA Citrato Ossalacetato Isocitrato NADH Ciclo dell'acido citrico CO2 NADH Malato «-Chetoglutarato CO2 Fumarato NADH Succinil-CoA FADH2 Succinato GTP (ATP)

Ciclo di Krebs: Processo Anfibolico

Ciclo di Krebs: processo anfibolico

• Via metabolica che ossida (catabolismo) substrati provenienti da varie tappe metaboliche cellulari (piruvato, acetil CoA , ... )
• Via metabolica che fornisce importanti precursori per vie anaboliche (biosintesi del glucosio, degli amminoacidi, delle porfirine)

Intermedi Biosintetici del Ciclo di Krebs

I componenti del ciclo di Krebs sono importanti intermedi biosintetici Piruvato Glucosio Acidi grassi, steroli piruvato carbossilasi Acetil-CoA PEP carbossichinasi Fosfoenolpiruvato (PEP) Ossalacetato Citrato Glutammina Prolina Arginina PEP carbossilasi Ciclo dell'acido citrico Serina Aspartato Asparagina Glicina enzima malico 1 Cisteina Purine Fenilalanina Pirimidine Succinil-COA Piruvato Tirosina Triptofano Porfirine, eme Malato «-Chetoglutarato Glutammato

Regolazione del Ciclo di Krebs

Regolazione del ciclo di Krebs Elevati livelli di NADH(H+)/NAD+ e di ATP/ADP+AMP rallentano il ciclo Bassi livelli di NADH(H+)/NAD+ e di ATP/ADP+AMP, indice di richiesta energetica, accellerano il ciclo Piruvato complesso della piruvato deidrogenasi ATP, acetil-CoA, NADH, acidi grassi AMP, CoA, NAD+, Ca2+ Acetil-CoA NADH, succinil-CoA, citrato, ATP ADP citrato sintasi Citrato Ossalacetato Ciclo dell'acido citrico Isocitrato isocitrato deidrogenasi ATP Ca2+, ADP malato deidrogenasi NADH Malato «-Chetoglutarato FADH2 complesso della a-chetoglutarato deidrogenasi succinil-COA, NADH Ca2+ succinato deidrogenasi Succinil-COA GTP (ATP) I principi di biochimica di Lenhinger-Zanichelli, 2014

Correlazioni tra Stato Metabolico e Rapporti ATP/ADP, NADH/NAD+

TABELLA 16.3 Correlazioni tra lo stato metabolico di una cellula e i rapporti ATP/ADP e NADH/NAD+ Cellule a riposo Richiedono e utilizzano relativamente poca energia Alti livelli di ATP, bassi di ADP implicano elevato ATP/ADP Alti livelli di NADH, bassi di NAD+ implicano elevato NADH/NAD* Cellule molto attive Richiedono e usano più energia della cellula a riposo Bassi livelli di ATP, alti di ADP implicano basso ATP/ADP Bassi livelli di NADH, alti di NAD* implicano basso NADH/NAD+

Terza Fase della Respirazione Cellulare

Rigenerazione dei Coenzimi Ridotti e Sintesi di ATP

Terza fase della respirazione cellulare: Rigenerazione dei coenzimi ridotti, liberazione di energia e sintesi di ATP I coenzimi ridotti si riossidano donando gli atomi di H ai componenti della CATENA RESPIRATORIA. A questo livello, gli e- vengono trasportati lungo gli elementi della catena respiratoria fino all'accettore finale che è l'O2.

Trasporto degli Elettroni e Fosforilazione Ossidativa

NADH dal citosol MATRICE H+ NADH Complesso H+ 1 SNADH NAD+ Acetil-CoA Piruvato, acidi grassi, aminoacidi dal citosol Fumarato FADH, Complesso Ciclo dell'acido citrico Aminoacidi 1 FAD Succinato NADH ATP ADP + P Coenzima Q H MEMBRANA INTERNA H2O O2 H Complesso V Complesso SPAZIO INTERMEMBRANA Complesso IV Citocromo C H+ V H* H (b) H+· Durante il trasporto degli e- nella catena respiratoria, si libera energia che viene usata in parte per sintetizzare ATP (a partire da ADP e Pi) mediante un processo detto FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA · Parte dell' energia viene rilasciata come calore (-> temperatura corporea) • L'ATP viene rigenerato per lo più proprio nella fosforilazione ossidativa e solo in piccola parte direttamente in altre reazioni come la glicolisi e il ciclo di Krebs (fosforilazione a livello del substrato)