Metabolismo cellulare e traduzione genetica: anabolismo e catabolismo

Metabolismo Cellulare

Complesso dei processi chimici e fisici, che danno luogo al continuo scambio di energia e di sostanze tra l'ambiente esterno e la cellula stessa.

Si distingue:

1. anabolismo cellulare, insieme dei processi di sintesi delle molecole organiche complesse, partendo da molecole più semplici o dalle sostanze nutritive. Questi processi richiedono energia;
2. catabolismo cellulare, insieme dei processi metabolici che hanno come prodotti sostanze si struttura più semplici e povere di energia, liberando quella in eccesso sotto forma di energia chimica (ATP) e/o termica.

Anabolismo e catabolismo sono correlati in un complesso intreccio di vieBichemical Pathway Wall Chart --- 2.W LANTY

Sintesi Proteica

Involucro nucleare DNA Trascrizione MRNA Ribosoma Traduzione Polipeptide

1. Trascrizione: sintesi a livello nucleare di mRNA a partire dal DNA
2. Traslocazione del mRNA nel citoplasma attraverso un poro nucleare
3. Traduzione: sintesi della catena polipeptidica a livello del complesso mRNA ribosoma

Trascrizione del DNA

1. La doppia elica di DNA viene aperta in un punto preciso (regione di promozione)
2. L'enzima RNA polimerasi lega nucleotidi complementari a quelli del filamento di DNA formando il polimero
3. L'informazione presente nel DNA è "riversata" nell'mRNA RNA polymerase Ribonucleotide 5' 5' G G T G G - C G G A G 3' mRNA G 5' A Đ Template strand Direction of transcription
4. L'mRNA si lega alla sub-unità piccola del ribosoma ' I À F A Nontemplate strand G 3

Traduzione del mRNA

1. In ogni sequenza di mRNA tre nucleotidi consecutivi (triplette) codificano un solo aminoacido (es. UUU -> Fenilalanina)
2. Un aminoacido può essere codificato da diverse triplette (es. Fenilalanina -> UUU e UUC) Met Ser Ser Tyr Leu Leu AUGUCGAGUUACCUCUUA ....
3. La tripletta AUG, che codifica per la metionina, determina anche il punto di inizio della traduzione
4. Le triplette UAA, UAG e UGA determinano il punto di termine della traduzione Seconda base U C A G UUU7 Phe UCU UCC UCA UCG Ser UAA Stop UGA Stop UGG Trp CUU CGU Prima base (estremità 5') C CUC CUA Leu CCU CCC CCA Pro CAU CAC CAA CAG CGC CGA CGG Arg CUG CCG AUU AUC Ile ACU ACC ACA AAU AAC Asn AGU AGC Ser A AUA AAA Lys AUG Met 0. inizio ACG AAG AGA AGG r Arg GUU GAU Asp G GUC GUA GUG Val GCU GCC GCA GCG Ala GAC GAA GAG Glu GGU GGC GGA GGG U C 4 G G U U C G ODOC OD OC D DOC Q DOC Terza base (estremità 3') Cys UUC U UAU UAC Tyr UGU UGC UUA UUG Leu UAG Stop His Gin Thr Gly

Formazione della catena aminoacidica

Gli aminoacidi sono legati al tRNA che lega anche una tripletta complementare anticodone a quella che codifica l'aminoacido legato Ser Tyr RNA U C A anticodon AUG A G U codon UAC mRNA Il tRNA si lega alla sub-unità grande del ribosoma UUU7 Phe UCU UCC UCA UCG UAU Tyr UGU" UGC Cys UUC UUA Ser UAA Stop UGA Stop UUG UAG Stop UGG Trp CUU CUC Leu CCU CCC CCA CAU CAC CAA His CUA CUG CCG CAG AUU AAU AGU AUC |Ile ACU ACC ACA Thr AAA Lys AUG Met inizio ACG AAG AGA AGG Arg GUU GAU Asp G GUC GAC Val GCU GCC GCA Ala GAA Glu GUG GCG GAG GGG Arg Gin CGU CGC CGA CGG Asn Ser AAC AGC AUA GUA GGC GGA Gly UAC Leu Pro

Complesso Ribosoma, tRNA e mRNA

1. Il primo tRNA che si complessa è quello con anticodone UAC che lega Met Gly Trp Tyr Ala A AL'C C A A C A T G Met Subunità grande A 5 AUG GGU GCU UAU UGG UAA 3' Subunità piccola
2. Il secondo tRNA che si complessa è quello con anticodone CCA (codone mRNA GGU) che lega una Gly Ala Tyr CG A A A A T Met Gly UVC CHA
3. La Met si stacca dal suo tRNA e si lega alla Gly con un legame peptidico 5' AUG GGU GCU UAU UGG UAA 3'
4. Il primo tRNA, privo dell'aminoacido si stacca dal complesso
5. Il terzo tRNA che si complessa è quello con anticodone CGA (codone mRNA GCU) che lega una Ala Trp Tvr A=C C AZ A ₸ Met C Gly Ala A C A C G
6. Il dipeptide Met-Gly si stacca dal tRNA e si lega alla Ala con un legame peptidico 5' AUG GGU GCU UAU UGG UAA 3'
7. Il meccanismo procede con le medesime modalità fino alla presenza di un codone stop che determina il distacco della catena aminoacidica formata Met I Gly Ala Tyr - Trp AVC C 5' AUG GGU GCU UAU UGG UAA 3'

Fotosintesi

Processo chimico mediante il quale le piante verdi e altri organismi autotrofi producono sostanze organiche (principalmente carboidrati) a partire da CO2 atmosferica e H2O metabolica, in presenza di luce solare 6CO2 + 6H2O -> C6H1206 + 602

Distinguiamo due fasi:

1. fase luminosa:
   • nei tilacoidi
   • di giorno, necessita di luce
   • produzione di NADPH e ATP e rilascio di O2
2. ciclo di Calvin (o fase oscura ):
   • nello stroma
   • di giorno e di notte, non necessita di luce
   • utilizzo dei prodotti della fase luminosa
   • fissazione enzimatica di CO2 atmosferico e sintesi di sostanza organica

Schema della Fotosintesi

Energia solare Cellule del mesofillo - Venatura della foglia CO2 Stroma O2 Cloroplasto Stroma Grani Lunghezze d'onda crescenti Energia crescente Raggi Raggi X UV Infra- 10850 Micro- onde Onde Luce visibile 380 500 600 750 Lunghezze d'onda (nm) H2O CO2 Energia solare ADP + P NADP+ Reazioni luce Reazioni del ciclo di Calvin NADPH ATP Membrana tilacoidale Stroma O2 C6H12O2

Componenti della fase luminosa

Componenti coinvolti nella fase luminosa (membrana dei tilacoidi)

1. molecole di clorofilla (fotosistemi)
2. complessi enzimaici della catena di trasporto degli e- (ETC)
3. enzima ATP sintasi Fotone I Fotone H+ ATP ADP Stroma NADPH Complesso antenna Membrana tilacoldale 1 H++ NADP+ Fd 2c PQ 2 2c PC H2O +H H Plastochinone Plastocianina Ferrodossina Gradiente protonico +H Enzimi che scindono l'acqua H 1/202 2H+ Spazio tilacoidale Fotosistema II Complesso be-f Fotosistema I NADP reduttasi ATP sintasi 4100 2c 1

Punti essenziali della fase luminosa

1. L'energia luminosa eccita e- dalla clorofilla fotosistemi causando la perdita di un
2. L' H2O "dona un e- alla clorofilla e libera una molecola di O2 Fotone H+ ATP ADP Stroma NADPH Complesso antenna H++ NADP+ Membrana tilacoldale Fd 2c 2c PQ 2c 2e PC H2O +H H Plastochinone Plastocianina Ferrodossina Gradiente protonico +H Enzimi che scindono l'acqua H 1/202 ZH- Spazio tilacoidale Fotosistema II Complesso b ;- f Fotosistema I NADP reduttasi ATP sintasi 4100 Fotone
3. L'e- perso dalla clorofilla è trasferito dalla ETC (reazioni redox) e "donato" ad una molecola di NADP+ con formazione di NADPH
4. Durante il trasporto degli e-, dei protoni dallo stroma all'interno dei tilacoidi H+) vengono portati
5. Gli H+ per gradiente di concentrazione passano attraverso il canale dell'ATP sintasi determinando la sintesi di ATP Fotone Fotone H+ ATP ADP Stroma NADPH Complesso antenna H++ NADP+ Membrana tilacoldale Fd 2e PQ 2e IS PC H2O +H Plastochinone Plastocianina Ferrodossina Gradiente protonico H' Enzimi che scindono l'acqua H Spazio tilacoidale Fotosistema II Complesso b ;- f Fotosistema I NADP reduttasi ATP sintasi 2c 2e H 1/202 2H+

Componenti e punti essenziali del ciclo di Calvin

Componenti coinvolti nel ciclo di Calvin (stroma) · enzimi solubili

Punti essenziali del ciclo di Calvin

1. Fissazione della atmosferica CO2
2. Utilizzo dei prodotti della fase luminosa e ricostituzione di:
   • NADP+
   • ADP
3. Sintes Glucosio 6 molecole di Anidride carbonica (CO2) Rubisco 12 molecole di 6 molecole di 3-fosfoglicerato (3C) (PGA) Ribulosio 1,5-bifosfato (5C) (RuBP) Fissa FASE 1 el carbonio 12 ADP 6 ADP- 12 molecole di Ciclo di Calvin 1,3-bifosfoglicerato (3C) 6 ATP FASE 2 Riduzione 12 NADP+ 10 molecole di 12 (Pi Gliceraldeide 3-fosfato (3℃) 12 molecole di Gliceraldeide 3-fosfato (3C) (G3P) 2 molecole di Gliceraldeide 3-fosfato (3C) (G3P) Glucosio e altri zuccheri 12 NADPH Pi FASE 3 Rigenerazione della rubisco 12 ATP

Glicolisi

Processo metabolico mediante il quale una molecola di glucosio viene scissa in due molecole di piruvato

Localizzazione: citoplasma

Componenti coinvolti · enzimi solubili

Punti essenziali:

1. Formazione d NADH
2. Produzione netta di ATP
3. Liberazione H2O Glicolisi in entrata in uscita glucosio 2 piruvato 2 NAD+ 2 NADH 2 ATP 2 ADP 4 ADP + 4 P 4 ATP 2 ATP - netto Glucosio (6 atomi C) ATP Esochinasi ADP Glucosio 6-fosfato 2 Fosfo glucosio isomerasi Fruttosio 6-fosfato ATP 3 Fosfofruttochinasi ADP + 2-fosfoglicerato (2PG) 2-fosfoglicerato (2PG) g Enolasi Fosfoenolpiruvato (PEP) Fosfoenolpiruvato (PEP) ADP 10 ADP Piruvatochinasi ATP ATP Piruvato Piruvato O O II H.C-C-C 3 (3 atomi C) O ... e 2 H2O !! 1,3-difosfoglicerato (BPG) 1,3-difosfoglicerato (BPG) ADP 7 ADP Fosfogliceratochinasi ATP ATP 3-fosfoglicerato (3PG) 3-fosfoglicerato (3PG) Fosfogliceromutasi Fruttosio 1,6-difosfato 4 5 Aldolasi Isomera si Diidrossiacetone fosfato Gliceraldeide 3-fosfato (G3P) 6 NAD + P; P: -NAD + NADH Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi NADH 1,3-difosfoglicerato (BPG) 1,3-difosfoglicerato (BPG)

Fermentazione Alcolica

alcolica Yeast CYTOSOL CBH1206 Glucose 2 ADP + 2 NAD+| 2 P; Glycolysis 2 ATP + 2 NADH + 2 P + 2 H2O - 0 0 2 CH3-C-C-OH Pyruvic acid Punti essenziali: Pyruvate decarboxylase CO2 O 2 CH3-CH Acetaldehyde NADH + H+ Alcohol dehydrogenase NAD 2 CH3-CH,-OH Ethanol

Metabolismo Anaerobico: Fermentazioni

Fermentazione Lattica

lattica Muscle CYTOSOL CBH1206 Glucose 2 ADP + NAD+| 2 P Glycolysis 2 ATP + 2 NADH + 2 Pi + 2 H2O O 0 2 CH3-C-C-OH Pyruvic acid NADH + H+ 1. Utilizzo dei prodotti della Glicolisi e ricostituzione di: Lactate dehydrogenase NAD OH O 1 • NAD+ 2 CH3 CH-C-OH Lactic acid Glucose + 2 ADP + 2 P; - > 2 ethanol + 2 CO2+ 2 ATP + 2 H2O Glucose + 2 ADP + 2 P, -> 2 lactate + 2 ATP + 2 H2O

Localizzazione: citoplasma

Componenti coinvolti · enzimi solubili

Metabolismo Aerobico: Ciclo di Krebs

Localizzazione: matrice mitocondriale

Piruvato ·CO2 NAD+ NADH CoA Acetil-CoA Ossidazione del piruvato O CoA Ossalacetato (4C) CH3-C-S Citrato (6C) COO- NADH NAD+ 0=C 1 Ciclo di Krebs ATP COO- 9 COO- HO-CH Malato deidrogenasi CH coo- 2 H2O Aconitasi 3 8 Fumarasi Componenti coinvolti Fumarato (4C) COO CH HČ COO- FADH? Punti essenziali: FAD 7 Succinato deidrogenasi Isocitrato deidrogenasi 4 NAD. CO2 NADH a-Chetoglutarato (5C) COO- Succinil-CoA (4C) COO- Succinil-COA sintetasi COO- CH2 - CH CH, 6 ADP GDP + Pi CH 5 NAD. C=0 I CoA-SH S-CoA NADH Isocitrato (6C) COO- CH2 HC-COO- - HO-CH COO 1. Formazione di e FADH2 NADH 2. Liberazione H2O 3. Produzione di ATP 4. Liberazione d CO 2 Succinato (4C) COO- CH CH2 CoA-SH GTP a-Chetoglutarato deidrogenasi I ¿= o I COO- ATP COO- L CH2 CH Citrato sintetasi HO-Č-COO- FADH2 Catena di trasporto degli elettroni - Chemiosmosi L CH2 - COO- NADH CoA.SH Malato (4C) · enzimi solubili e di membrana CO2