Reazioni Metaboliche: Catabolismo, Anabolismo e Ciclo di Krebs

Reazioni Metaboliche Cellulari

Prof.ssa Monica TropeaIntroduzione Con il termine "metabolismo cellulare" si intende tutto il complesso di reazioni che avvengono nelle cellule e che provvedono, innanzitutto, a:

1. Ricavare energia mediante la trasformazione di energia luminosa in energia chimica (negli autotrofi) -> Fotosintesi Clorofilliana
2. Ricavare energia mediante la demolizione di nutrienti (negli eterotrofi) > Glicolisi, Fermentazione, Ciclo di Krebs, Fosforilazione Ossidativa

CELLULAR RESPIRATION a Light energy Chloroplast alamy Photosynthesis CO2 + H2O Cellular Respiration ATP (energy) O2+ C6H1206 E alamy Mitochondrion In altre parole, il metabolismo cellulare è definito come l'insieme di tutte le reazioni cataboliche e anaboliche che le singole cellule mettono in atto per assicurare la sopravvivenza all'intero organismo.

Catabolismo e Anabolismo

Per catabolismo si intende l'insieme di tutti quei processi dai quali si ottengono, a partire da polimeri complessi, molecole strutturalmente più semplici. Quindi, le reazioni cataboliche sono quelle in cui la cellula demolisce le macromolecole per ottenere i "mattoncini" che le costituiscono: per esempio, dal catabolismo delle proteine si ottengono gli aminoacidi. Gli aminoacidi sono le sostanze di base che costituiscono le proteine. Ogni proteina è caratterizzata da una precisa sequenza di "mattoni" di aminoacidi. Alcuni sono prodotti dall'organismo trasformando gli alimenti, altri, che l'organismo non riesce a sintetizzare, devono essere assunti direttamente con il cibo., mentre dal catabolismo dei lipidi si recuperano gli acidi grassi. Le reazioni cataboliche sono esoergoniche, cioè liberano energia. Questa energia "in eccesso" viene convertita in ATP. L'adenosina trifosfato (ATP) può essere definito la "moneta energetica" della cellula, lo strumento attraverso cui la cellula realizza processi che necessitano di energia (endoergonici) ed è prodotto da reazioni che liberano energia (esoergonici) ed è utilizzata dalla cellula per alimentare i processi anabolici, che sono pertanto endoergonici, ossia richiedono energia per poter avvenire. L'anabolismo è l'opposto del catabolismo: attraverso i processi anabolici, la cellula sintetizza molecole complesse a partire da altre più semplici.

Glicolisi: Demolizione del Glucosio

Il glucosio (C6H1206) è lo zucchero più diffuso nel nostro pianeta e gli esseri viventi sono in grado di metabolizzarlo attraverso la glicolisi, che rappresenta la prima via di demolizione del glucosio e degli altri carboidrati esosi (ovvero a 6 atomi di carbonio, come il galattosio e il fruttosio). La glicolisi è un processo metabolico mediante cui una molecola di glucosio viene scissa in due molecole di piruvato al fine di generare molecole a più alta energia, come 2 molecole di ATP e 2 molecole di NADH per ogni molecola di glucosio utilizzata. La glicolisi avviene nel citoplasma dei procarioti e degli eucarioti. La glicolisi è schematizzabile in 10 reazioni che avvengono una dopo l'altra in ordine preciso, e che portano alla formazione di cofattori ridotti (NADH), ATP e piruvato. L'equazione netta della reazione è la seguente: C6H1206 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi -> 2C3H303 + 2H+ + 2NADH + 2ATP + 2H2O. La glicolisi porta in definitiva a un guadagno netto di 2 molecole di ATP e 2 di NADH per ciascuna molecola di glucosio. La sequenza delle reazioni che potete vedere nell'immagine di seguito è necessaria per la riuscita del processo, ed enzimi specifici permettono che ciò accada correttamente.

Fasi della Glicolisi

La glicolisi può essere divisa in:

• Una fase preparatoria (passaggi 1-5), in cui la cellula "investe" 2 ATP per aggiungere un gruppo fosfato al substrato (fosforilazione), mediante le due chinasi;
• Una fase di recupero energetico (passaggi 6- 10), nella quale la cellula produce 4 ATP e 2 NADH.

o 2 NAD" Questo avviene perché in questa fase si parte ® 2 NADH dalle 2 molecole di gliceraldeide-3- fosfato (G3P) prodotte alla fine della fase precedente. Il NAD+ 2 ADP viene ridotto a NADH in quanto utilizzato nel 2- passaggio di ossidazione del substrato (G3P) ,000 . dall'enzima deidrogenasi: di fatto la reazione O completa della glicolisi è una ossido-riduzione. I 2000 Ricavo di 4 ATP cofattori ridotti possono essere utilizzati nei 2 O mitocondri per sintetizzare ulteriore ATP sulla membrana interna, in caso di presenza di .000 2 ADP ossigeno (aerobiosi), o sulla membrana esterna 23 ATP (anaerobiosi). Dalle due molecole di piruvato ottenute si può ricavare altra energia con 2 ac. piruvico ulteriori ossidazioni nei mitocondri mediante il ciclo di Krebs. In alternativa il piruvato può essere trasformato in altre molecole in modo da recuperare i cofattori ossidati (NAD+) mediante la fermentazione. Esempi classici di fermentazione sono quelle che portano alla produzione di etanolo (fermentazione alcolica) e di acido lattico (fermentazione lattica). La glicolisi è finemente regolata soprattutto a livello dei passaggi fortemente esoergonici, ovvero quei passaggi dove viene liberata energia. In particolare le reazioni della glicolisi che hanno questa caratteristica sono la nº1, 3 e 10. Le altre reazioni sono in equilibrio fra prodotti e substrati, per questo motivo esiste la gluconeogenesi, ovvero la reazione che permette la sintesi di glucosio a partire da piruvato. Questa via viene attivata in particolari condizioni cellulari, per esempio quando è presente un substrato non fermentabile, come l'etanolo, come unica fonte di carbonio: la necessità di "risalire" la glicolisi è principalmente legata al fatto che i vari intermedi sono utili anche in altre vie metaboliche vitali per la cellula, come per esempio la sintesi degli acidi grassi.

Glicolisi ADP Perdita di 2 ATP ATP 0 ADP + P

Ciclo di Krebs e Respirazione Aerobica

La respirazione aerobica è il processo che permette di sfruttare il contenuto energetico delle molecole utilizzate nel metabolismo. Per questa Acetil-CoA via metabolica è necessaria la presenza 1 H2O CoA-SH dell'ossigeno e per questo motivo l'apparizione Ossalacetato H20 degli organismi fotosintetici è stato un Citrato passaggio fondamentale nell'evoluzione dei 1 viventi. La respirazione permette infatti di Cis-aconitato ossidare il piruvato proveniente dai processi di Malato glicolisi, sfruttando così al massimo il H2O 1 NADH contenuto energetico iniziale del glucosio, zucchero esoso intorno al quale ruota il H2O Isocritrato Fumarato FADH2 metabolismo centrale della maggior parte degli esseri viventi. Negli eucarioti gli enzimi di che CO2 a-Chetoglutarato intervengono in queste reazioni si trovano nei CoA-SH mitocondri, dove avviene il ciclo di Krebs. Il ciclo Succinato CO2 è costituito da 8 reazioni catalizzate da enzimi, CoA-SH Succinil-COA i cui intermedi sono spesso substrato di altre vie GTP GDP+Pi metaboliche. Ma prima di inserirsi in questa via, il piruvato deve essere trasportato attraverso la doppia membrana del mitocondrio, sin nella parte più interna, chiamata matrice mitocondriale. Il piruvato viene poi trasformato in Acetilcoenzima A (AcetilCoA) dall'enzima piruvato deidrogenasi, liberando CO2 e NADH. I vari passaggi di ossidazione, catalizzati dalle deidrogenasi, producono cofattori ridotti: 3 NADH e 1 FADH2 per ogni piruvato utilizzato, il doppio per ogni glucosio, dato che la glicolisi permette di ottenere 2 molecole di piruvato per ogni glucosio. Gli altri prodotti ottenuti sono 2CO2 (che diffonde dalle membrane) e 1GTP (guanosintrifosfato) dal quale indirettamente si ottiene 1 ATP. Visto che non risulta conveniente coinvolgere così tanti enzimi per guadagnare solo 1 ATP, la cellula sfrutta i cofattori ridotti accumulati nella glicolisi e nel ciclo di Krebs per produrre altro ATP. Sulla membrana interna sono presenti un gruppo di proteine integrali che svolgono il ruolo di deidrogenasi. Esse sono in grado di ossidare il NADH e il FADH2 e di utilizzare l'energia potenziale degli elettroni che da essi ottengono, i quali derivano in origine dall'ossidazione del glucosio e del piruvato. Queste proteine sono enzimi che vengono chiamati nel loro insieme catena di trasporto degli elettroni, formata da 4 "complessi" (I, II, III e IV) che sono, in pratica, delle pompe protoniche in grado di sfruttare l'energia delle reazioni redox che catalizzano per trasportare protoni (H+) dalla matrice allo spazio intermembrana, creando così un gradiente di concentrazione (valore associato ad una differenza di concentrazione di una stessa specie chimica) ad alta energia potenziale. I protoni, infatti, subiscono forte repulsione elettrostatica e cercano una "valvola di sfogo" per allontanarsi, cedendo la propria energia a qualcun altro. L'enzima ATP sintasi, anch'esso nella membrana interna del mitocondrio, è in grado di usare questo gradiente per legare un gruppo fosfato all'ADP, sintetizzando l'ATP, la cui energia è proprio contenuta nel legame dell'ultimo gruppo fosfato, che qui si forma. Questo tipo di aggiunta di un gruppo fosfato viene chiamato fosforilazione ossidativa. La reazione completa, a partire dal glucosio e comprendendo quindi la glicolisi e la catena di trasporto degli elettroni, è la seguente: C6H1206+ 602 6CO2 + 6H2O + 36 (0 38) ATP.

Fosforilazione Ossidativa

La terza fase della respirazione cellulare è denominata fosforilazione ossidativa ed avviene a livello delle creste mitocondriali (ripiegamenti della membrana interna dei mitocondri). Essa consiste nel trasferimento degli elettroni dell'idrogeno del NADH a una catena di trasporto (detta catena respiratoria), formata da citocromi, fino all'ossigeno, che rappresenta l'accettore finale degli elettroni. Il passaggio degli elettroni comporta la liberazione di energia che viene immagazzinata nei legami di 36 molecole di adenosindifosfato (ADP) tramite il legame di gruppi fosfato e che porta alla sintesi di 36 molecole di ATP. Dalla riduzione dell'ossigeno e dagli ioni H+ che si formano dopo il trasferimento degli elettroni dal NADH e dal FADH, derivano molecole di acqua che si aggiungono a quelle prodotte con il ciclo di Krebs.

Processo di Fosforilazione Ossidativa

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA Proteine Carboidrati Lipidi Glucosio Amminoacidi Glucosio Acidi grassi e Glicerolo 2 NADH ≥5 ATP ADP ATP Glicolisi NAD+ NADH >2 ATPZ Piruvato 2 Piruvato CO2 Acetil-CoA 2 NADH 5 ATPE Ciclo dell'acido citrico 2 Acetil-CoA NAD* NADH FAD FADH NH3 CO2 6 NADH ≥15 ATPE NAD+ NADH Fosforilazione ossidativa FAD FADH 2 FADH2 3 ATP ADP HO ≥2 GTPZ >2 ATP3 La fosforilazione ossidativa è la via finale del metabolismo energetico, in cui gli elettroni (NADH e FADH2) provenienti dalle molecole energetiche sono trasferiti all'ossigeno molecolare in modo da alimentare la sintesi di ATP. È la fonte principale di ATP negli animali (p.e., essa produce 26 delle 30 molecole di ATP generate dalla ossidazione completa del glucosio). La fosforilazione ossidativa è un processo che genera ATP tramite il trasferimento di elettroni dai coenzimi redox ridotti fino all'ossigeno, mediante una serie di trasportatori.