Il Metabolismo cellulare: catabolismo, anabolismo e chemiosmosi in Biologia

Il Metabolismo

Fase Ossidativa e Riduttiva

Energy- containing nutrients Carbohydrates Fats Proteins

Catabolism

Energy- depleted end products CO2 H2O NH3

ADP + HPO2 NAD+ NADP+ FAD

ATP NADH NADPH FADH2

Chemical energy

Cell macromolecules Proteins Polysaccharides Lipids Nucleic acids

Anabolism

Precursor molecules Amino acids Sugars Fatty acids Nitrogenous bases

FASE RIDUTTIVA

1/14Il catabolismo è convergente L'anabolismo è divergente

Vie Cataboliche e Anaboliche

Gomma Pigmenti carotenoidi Ormoni steroidei Fosfolipidi

Isopentenil- pirofosfato

Colesterolo Acidi biliari Triacilgliceroli - Acidi grassi

Mevalonato

Vitamina K Esteri del colesterolo

Amido Alanina Fenil- alanina

Glicogeno Glucosio Piruvato Acetato (acetil-CoA)

Acetoacetil-CoA

Eicosanoidi Acidi grassi Triacilgliceroli

Isoleucina

(a) Vie cataboliche convergenti

Citrato CDP-diacilglicerolo Fosfolipidi Ossalacetato

(b) Vie anaboliche divergenti

CO2 CO2

(c) Via ciclica

Saccarosio Serina LeucinaIL METABOLISMO

Strategia di Conversione degli Alimenti in Energia

DIETA Proteine Zuccheri Grassi

Digestione Assorbimento

Aminoacidi Monosaccaridi Acidi grassi e glicerolo

Glucosio

Catabolismo (citoplasma)

Ammonio Chetoacidi

ATP

Ossidazione » ·Piruvato NADPH + ATP >Acetil CoA

Ciclo di Krebs

Anabolismo (citoplasma)

NADH, FADH, CO2

Aminoacidi Monosaccaridi Acidi grassi e glicerolo

Catena di trasporto e-

Proteine Zuccheri Grassi

Fosforilazione ossidativa (mitocondri)

ATP

Figura 8. Strategia utilizzata per la conversione degli alimenti in energia biologica (ATP) e in nuove molecole complesse.

3/14Il catabolismo può essere suddiviso in 2 fasi

Fasi del Catabolismo

Catabolismo Carboidrati Acidi grassi Amminoacidi

Ossidati

NAD+ OSSIDAZIONI FAD

NADH + H+ FADH2 - Ridotti

CO2 + H2O O2

ADP + Pi

NADH + H+ FADH2

NAD+ ATP FAD

H2O

Fosforilazione ossidativa

4/14CICLO DELL'ACIDO CITRICO

Ciclo di Krebs

Ciclo degli Acidi Tricarbossilici (TCA)

Mitocondri

O CH3-C S-CoA Acetyl-CoA

Carboidrati Amminoacidi Acidi grassi

Acetil CoA

Citrato

Ossalacetato

N Isocitrato

INAD+ CO2

Malato

T NAD+

Fumarato

a-Chetoglutarato

w /0 Succinil CoA

02

FADH2 NADH ADP ATP

Fosforilazione ossidativa

H2O

FADH NAD+

Acetil-CoA + 3 NAD+ + 1 FAD -> 2 CO2 + 3 NADH + 1 FADH2

5/14Catena di trasporto degli elettroni accoppiata alla Fosforilazione ossidativa

Modello Chemiosmotico

Sintesi di ATP nei Mitocondri

ATP viene costruito nei mitocondri di tutte le cellule

MITOCONDRIO

Membrana interna

ADP + Pi ATP

Matrice

Spazio intermembranale

NAD+ 2H++ 1/2 O2 H2O

NADH

Trasportatore dell'ATP

MATRICE MITOCONDRIALE

e- e- ATP sintasi e- Flusso di elettroni e-

Complesso Complesso II Complesso Complesso V

SPAZIO INTERMEMBRANALE

+ + + + H H H H

Membrana esternaembranale 2H+ 1/2 O2 H2O 2 + e-

8/14Modello chemiosmotico

Costruzione di ATP nelle Cellule

ATP viene costruito nei mitocondri di tutte le cellule

MITOCONDRIO

Membrana interna

ADP + Pi ATP

Matrice

Spazio intermembranale

NAD+ 2H++ 1/2 O2 H2O

NADH

Trasportatore dell'ATP

MATRICE MITOCONDRIALE

e- e- ATP sintasi e- Flusso di elettroni e-

Complesso Complesso II Complesso Complesso V

SPAZIO INTERMEMBRANALE

+ + + + H H H H

Membrana esternaLa catena di trasporto degli elettroni

Componenti della Catena di Trasporto degli Elettroni

< Spazio intermembranale

MITOCONDRIO

Substrato (ridotto)

NAD+ FMNH2

Prodotto (ossidato)

NADH + H+ FMN

CoQ

Fe2+ Fe3+ Fe2+

Complesso I

Cit b Cit c

Fe3+ Fe2+

Fumarato

FADH2 H2O

Complesso III Complesso IV

Succinato

FAD

Complesso II

Matrice

1-02 CoQH2Il complesso dell'ATP sintasi nei mitocondri

Complesso dell'ATP Sintasi

B a a 8 B ß a

ATP

b2

ADP + Pi

Catalisi Rotazionale

y N side

E a C12

P side (f)

H+

11/14TERMOGENINA: produzione di calore

Termogenina e Produzione di Calore

Spazio intermembrana (lato P)

Proteina disaccoppiante UCP1 (termogenina)

H + Cyt c

F I II III IV 0 F1

Calore

H+

Matrice (lato N)

12/14FOSFORILAZIONE A LIVELLO DEL SUBSTRATO

Fosforilazione a Livello del Substrato

2 NADH + H + .3-Bisfosf oglicerato (2)

2ADP dell'ATP

7 2 ATP

3-Fosf glicerato (2)

I 8

13/14Fosforilazione ossidativa

Processi di Fosforilazione Ossidativa

I processi ossidativi, come il ciclo dei TCA e la ß-ossidazione degli acidi grassi producono NADH e FADH2

FMN e deidrogenasi contenenti FAD donano elettroni alla CoQ (coenzima Q) composta

Citocromo bc1

Catena di trasporto degli elettroni da Citocromo c coinvolto nell' Apoptosi determina un

Citocromo a + a3

Flusso di elettroni accoppiato al > Trasporto dei protoni (H+)

dalla Matrice dello spazio intermembrana del mitocondrio rappresentabile come generando Un gradiente elettrico e un gradiente di pH · Ricchezza di proteine attraverso la > Membrana mitocondriale interna per · Presenza di trasportatori per sostanze ben specifiche Protoni di rientrare all'interno della matrice mitocondriale tramite il Passaggio attraverso un canale nel dominio Fo del complesso dell'ATP sintasi (Complesso V) perché Il trasporto degli elettroni e la fosforilazione sono processi strettamente accoppiati e il gradiente protonico costituisce l'intermedio comune. L'inibizione di uno dei due processi inibisce anche l'altro

Substrato ridotto determinando > NAD+ Cambiamenti conformazionali nel dominio F1 dell'ATP sintasi che permettono la sintesi dell'ATP a partire da ADP + Pi

MATRICE MITOCONDRIALE rappresentabile come

NADH

H+ H+ H+ H+

Substrato ossidato

+ + Membrana mitocondriale interna

Complesso I e Complesso III Complesso IV Complesso V

A H+ H+ H+ + H+ H+

SPAZIO INTERMEMBRANA

H+ H+ H+ + H H2O 1/202

ADP + Pi ATP

10000 CHI si distingue · Impermeabilità alla maggior parte delle molecole permettendo ai si distingue Unico componente che può reagire direttamente con l'ossigeno molecolare (O2)

14/14