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Il METABOLISMO:
• è la capacità di acquisire energia e di usarla per i fini propri della vita
• è l’ insieme di tutte le reazioni chimiche che avvengono nella cellula
• implica interazioni tra biomolecole
Due tipologie di metabolismo:
- CATABOLISMO
- ANABOLISMO
Catabolic vs anabolic metabolic pathways
Catabolic pathways
- Anabolic pathways
produce energy by consume energy to breaking down build the components ingested or stored of the cell fuel molecules
Metabolism Catabolic Reactions provide the energy that drives Anabolic Reactions forward
Catabolic reaction in Coupling Energy Anabolic reaction
IL METABOLISMO
BIOSINTESI
ATP amino acidi proteine nucleotidi acidi nucleici (DNA/RNA) trigliceridi glicerolo + acidi grassi glicogeno glucosio colesterolo acetil-Coa ADP + Pi
L’ATP è necessario per tutte le biosintesi, cioè per costruire molecole più grandi e più complesse a partire da molecole più piccole. Alcune biosintesi
sonoschematizzate sopra, ma nella cellula ne avvengono molte altre. Nelle biosintesi (Anabolismo) l'ATP viene trasformato in ADP e fosfato inorganico (Pi). In alcuni processi biosintetici viene trasformato in AMP e pirofosfato inorganico (PPi). LAVORO ATP - muscoli lavoro meccanico - pompa sodio/potassio lavoro di trasporto ionico - trasporto attivo diversi carriers di metaboliti - ADP + Pi L'ATP viene utilizzato per compiere ogni tipo di lavoro delle cellule o dell'organismo. Alcuni tipi di lavoro sono indicati sopra, insieme alla generazione di calore. Durante il lavoro l'ATP si trasforma in ADP e fosfato inorganico (Pi). Le principali vie di utilizzazione dell'ATP: - Attivazione dei substrati (accopiamento dell'idrolisi dell'ATP con reazioni endoergoniche) - Strutturazione nativa (Folding) delle proteine - Gradienti di concentrazione ai due lati di una membrana (pompe ioniche di membrana, ad esempio pompa sodio-potassio) - Contrazione muscolare - Ogni altro tipo di lavoro delle cellule o dell'organismo.lavoro cellulare
CATABOLISMO E ANABOLISMO
I processi catabolici convertono gli alimenti combustibili in energia cellulare:
Combustibili CO2 + H2O + energia (carboidrati, grassi, ..)
I processi anabolici generano molecole complesse da molecole semplici, usando l'energia:
Energia + piccole Molecole → Molecole complesse
CATABOLISMO:
Il catabolismo provvede alla degradazione delle sostanze energetiche (carboidrati, grassi, proteine). Nell'uomo è sostenuto da vie metaboliche in genere oxidative che demoliscono, tappa dopo tappa, le diverse sostanze energetiche trasformandole in anidride carbonica e acqua. Tuttavia, dette trasformazioni non generano solo calore. Una parte dell'energia considerevole (40 - 50%) contenuta in queste sostanze (1 g di carboidrati contiene circa 4 Kcal mentre 1 g di grassi ne contiene circa 9) viene utilizzata per costruire ATP.
ATP
ANABOLISMO:
L'anabolismo è quella parte del metabolismo che determina la costruzione di molecole più complesse a partire
damolecole più semplici (Biosintesi). Ad esempio, le proteine, gli acidi nucleici, i trigliceridi, i fosfolipidi di membrana, i carboidrati complessi come il glicogeno e molte altre biomolecole vengono costruite nella cellula mediante l'anabolismo. Esso è costituito da vie metaboliche che utilizzano ATP come energia della cellula e, frequentemente, il potere riducente del NADPH.
VIE METABOLICHE
Il metabolismo consiste in parecchie accoppiate reazioni connesse l'una all'altra da un metabolita comune.
Vie metaboliche:
Nella cellula le vie metaboliche sono regolate:
- Regolazione a feedback negativa
- Regolazione forward positiva
Esempi di vie cataboliche:
| Via metabolica | Composti degradati nella via |
|---|---|
| Glicolisi | Carboidrati (glucosio, fruttosio, galattosio, ecc.) |
| β-ossidazione degli acidi grassi | Acidi grassi (ac. palmitico, ac. stearico, ecc.) |
| Glicogenolisi | Glicogeno |
| Ciclo di Krebs | Acetile (CH3CO) - entra nel ciclo come acetil-CoA |
Esempi di vie anaboliche:
Composti sintetizzati
Gluconeogenesi carboidrati (glucosio)
Biosintesi degli acidi grassi acidi grassi (ac. palmitico.)
Biosintesi del colesterolo steroidi
Biosintesi proteica proteine
Biosintesi dei polinucleotidi DNA & RNA
Mappa del metabolismo
(da: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes
In questa mappa, ogni punto rappresenta un intermedio;
ogni linea rappresenta un enzima che agisce su un
intermedio, trasformandolo in un altro metabolita
Le vie metaboliche sono localizzate in
specifici compartimenti cellulari .
Bioenergetica
UNIVERSO TERMODINAMICO
Un sistema isolato non
scambia né energia né
Ambiente materia con l'ambiente
Un sistema chiuso
scambia energia, ma non
Sistema isolato materia con l'ambiente
Un sistema aperto
scambia sia energia che
materia con l'ambiente
Tutti
Sistema chiuso gli organismi
sono sistemi aperti
Ambiente materia
energia
Sistema aperto
LA PRIMA LEGGE DELLA
TERMODINAMICA
La quantità di energia dell'universo è
costanteUna forma di energia può essere convertita in un'altra, ma non può essere creata né distrutta Forme: chimica, elettrica, calore, etc... L'energia può essere conservata per un uso futuroLa seconda legge della termodinamicaL'universo tende ad essere sempre più disordinato: In tutti i processi naturali l'entropia tende ad aumentare.C H O + 6 O 6 CO + 6 H O6 12 6 2 2 2glucosioMinore entropia Maggiore entropiaWhat is ∆S?Entropy is a measure of randomness or disorderLow order,High order, High entropyLow entropyFirst Law of Thermodynamics:Transducers Energy can be neither created nor destroyedTherefore, energy "generated" in any system is energy that has been transformed from one state to another(e.g., chemically stored energy transformed to heat)Energy Second Law of Thermodynamics:are Efficiencies of energy transformation never equal 100%Organisms Therefore, all processes lose energy, typically as heat, and arenot reversible unless the system is open & thelost energy is resupplied from the environment Conversion to heat is the ultimate fate of chemical energy Organisms are Energy Transducersst Organisms take in energy & transduce it to new forms (1 law)nd As energy transducers organisms are <100% efficient (2 law) Organisms employ this energy to: • Grow • Protect Themselves • Repair Themselves • Compete with other Organisms • Make new Organisms (I.e., babies) In the process, organisms generate waste chemicals & heat Organisms create local regions of order at the expense of thetotal energy found in the Universe!!! We are Energy Parasites! ENERGIA LIBERA DI GIBBS(G) ∆ ∆ ∆G = H – T S “In un sistema biologico ( a temperatura e pressione∆costanti) le variazioni di energia libera ( G), di entalpia∆ ∆( H) e di entropia ( S) sono tra loro correlate ” Le cellule hanno bisogno di energia libera Nelle reazioni chimiche, la variazione dienergialibera standard è direttamente correlata alla costante di equilibrio ΔG' = -RTln K'n eq
Il simbolo [ ] indica che i parametri G e K sono riferiti ai sistemi biologici (pH = 7)
ΔG' = -RTln K'n eq Δ
La variazione di energia libera (ΔG) dipende dalle concentrazioni reali dei reagenti e dei prodotti contenuti nella cellula. In condizioni standard, le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti sono 1 M e quindi:
ΔG' rappresenta la variazione di energia libera standard di una reazione chimica in sistemi biologici!
All'equilibrio G = 0 e le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti sono quelle caratteristiche dell'equilibrio quindi: ΔG' = -RTln K'n eq
Free energy is a measure of how far a reaction is from equilibrium.
= -ΔG
Δrxn products substrates
Energy A + B ΔP rxn A + B P
Δrxn
Free P A + B > 0
ΔG = 0
ΔG < 0
ΔG kcal = kJ / 4,184 * kJ = kcal 4,184
Se due reazioni hanno un composto in comune,
levariazione di energia libera si possono sommare1’01) A B G∆ 2’02) B C G∆ 1’0 2’0A C G G+∆ ∆somma Le reazioni chimiche coinvolte nel metabolismoG positivopossono essere distinte in endoergoniche ( )∆G negativoed esoergoniche ( )∆ Nella cellula, l e reazioni chimiche endorgoniche peravvenire richiedono la presenza di composti energetici Il composto energetico pi ù importante per le cellule èl' ATP formato da una base purinica , l'adenina , da unpentoso , il D- ribosio e da tre gruppi fosfato.A T P PA T hosphatedenosine ri Le reazioni chimiche coinvolte nel metabolismopossono essere distinte in endoergoniche edesoergoniche Le reazioni chimiche endorgoniche per avvenirerichiedono la presenza di composti energetici Il composto energetico pi ù importante è l' ATPformato da una base purinica , l'adenina , e da unpentoso , il D- ribosio . laAl ribosio sono legate 3 molecole di acido fosforico:prima con un
legame di estere le altre 2 con, elegami anidridici ad alto contenuto energetico.
A T P
Hydrolysis of ATP
La reazione di idrolisi dell'ATP si accompagna al rilascio di una quantità di energia maggiore rispetto a quella di molte altre reazioni di idrolisi! Perché?
Energy Coupling via ATP (2/2)
L'energia libera reale dell'ATP negli eritrociti:
ADP = 0,25 mM
Pi = 1,65 mM
ATP = 2,25 mM
Perché il delta di energia libera della reazione di idrolisi dell'ATP ha un elevato valore di energia libera e segno negativo? (ΔG' = -30,5 kJ/mole)
Nella cellula l'ATP, l'ADP e altri nucleo
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