Il metabolismo cellulare, enzimi, fotosintesi

APPUNTI DI MATTIA CORATTI

APPUNTI DI BIOLOGIA DI MARINA POGGETTI

martedì 1 agosto 2017 18:24 IL METABOLISMO CELLULARE

Le biomolecole viste fin ora sono continuamente degradate o sintetizzate attraverso un numero enorme di reazioni

chimiche coordinate e integrate che, nel loro complesso, prendono il nome di metabolismo.

IL METABOLISMO CELLULARE E' L'INSIEME DELLE REAZIONI DI TRASFORMAZIONE DELLA

MATERIA E DELL'ENERGIA CHE SI SVOLGONO ALL'INTERNO DELLA CELLULA

Il metabolismo cellulare è dunque la base chimica della vita e svolge tre funzioni principali:

- Ricavare energia chimica utile per la cellula dalla degradazione di nutrienti o dalla trasformazione di altre forme

di energia come la luce solare

- Convertire i nutrienti in molecole utili per la cellula

- Sintetizzare macromolecole e polimeri a partire dai precursori

Il metabolismo è costituito da due fasi distinte ma fortemente interconnesse, chiamate CATABOLISMO e

ANABOLISMO, distinguiamo bene queste due fasi distinte:

CATABOLISMO

- : è l'insieme delle reazioni di DEGRADAZIONE DELLE MOLECOLE

Fanno parte delle reazioni cataboliche: le reazioni di degradazione dei

COMPLESSE in sostanze più semplici.

carboidrati, acidi grassi e amminoacidi. In questo caso si passa da SOSTANZE PIU' COMPLESSE =

Possiamo quindi

MAGGIORE ENERGIA, a SOSTANZE MENO COMPLESSE = MINORE ENERGIA.

dedurre che:

TUTTE LE REAZIONI CATABOLICHE SONO REAZIONI ESOERGONICHE (energia reagenti

maggiore di energia prodotti) quindi SONO SPONTANEE PERCHE' LIBERANO L'ENERGIA

NECESSARIA ALLA CELLULA PER MANTENERE LE STRUTTURE ED IL LIVELLO DI

ORGANIZZAZIONE CHE LA CARATTERIZZANO

ANABOLISMO:

- è l'insieme delle reazioni di SINTESI DEI OSTITUENTI CELLULARI a partire da

Fanno parte delle reazioni anaboliche tutti quei processi che, a partire da un numero limitato

composti semplici.

di precursori di piccole dimensioni, quali amminoacidi ecc,permettono di ottenere una varietà di macromolecole

utili alla cellula, come proteine, polisaccaridi, lipidi e molti altri. Quindi in questo caso si passa da

SOSTANZE MENO COMPLESSE = ENERGIA MINORE, a SOSTANZE PIU'

Possiamo quindi dedurre che:

COMPLESSE=ENERGIA MAGGIORE.

TUTTE LE REAZIONI ANABOLICHE SONO REAZIONI ENDOERGONICHE (energia reagenti

minore di energia prodotti) quindi NON SONO SPONANEE MA PER AVVENIRE RICHIEDONO

ENERGIA, CHE E' FORNITA LORO DALLE REAZIONI CATABOLICHE ATTRAVERSO LA

PRODUZIONE DI ATP

Le migliaia di reazioni chimiche anaboliche e cataboliche che avvengono in una cellula NON SI VERIFICANO

SIMULTANEAMENTE NE' IN MODO INDIPENDENTE, ma esse sono regolate e coordinate all'interno di VIE

METABOLICHE, ovvero delle sequenze di reazioni chimiche catalizzate da specifici enzimi in cui il prodotto

della prima reazione è il reagente della seconda e così via fino al prodotto ultimo della via.

Le molecole prodotte e utilizzate in una via metabolica prendono il nome di INTERMEDI METABOLICI. Alcune

vie metaboliche degradative, come quelle cataboliche, sono apparentemente uguali e contrarie alle corrispondenti

vie anaboliche. In realtà, la perfetta sovrapposizione tra vie cataboliche e anaboliche non si verifica quasi mai e ciò

consente di regolare in modo diverso e indipendente i processi catabolici e anabolici a seconda delle esigenze della

cellula. Si distinguono 3 principali vie metaboliche:

- le vie metaboliche convergenti sono quelle che partono

CONVERGENTI (catabolismo): DA SUBSTRATI

Il catabolismo è

DIVERSI e portano alla PRODUZIONE DI UN NUMERO LIMITATO DI MOLECOLE.

IL METABOLISMO CELLULARE+ENZIMI+FOTOSINTESI Pagina 1 Il catabolismo è

DIVERSI e portano alla PRODUZIONE DI UN NUMERO LIMITATO DI MOLECOLE.

dunque costituito da un insieme di vie convergenti, che portano alla fine alla produzione di un piccolo

catabolita, l'acetil-CoA.

- le vie metaboliche cicliche sono quelle in cui, dopo essere giunti grazie alle vie cataboliche ad un

CICLICHE:

piccolo catabolita, quest'ultimo alimenta come appunto

una via metabolica che ha ANDAMENTO CICLICO,

è il ciclo di Krebs.

- le vie meboliche divergenti sono quelle che partono

DIVERGENTI(anabolismo): da POCHI PRECURSORI

L'anabolismo è dunque costituito da

per dare origine a NUMEROSE MOLECOLE COMPLESSE DIVERSE.

una serie di vie metaboliche divergenti.

⚫ IL TRASPORTATORE DELL'ENERGIA CELLULARE: l'ATP

In una cellula continuamente ci sono reazioni cataboliche e anaboliche. Non è detto però che temporalmente e

spazialmente le due cose coincidono, quindi una cellula fa in modo di monetizzare l'energia che si libera nelle

cataboliche e si spende per le anaboliche. La nostra moneta energetica è l'adenosintrifosfato, ovvero l'ATP.

(ATP) è una viene idrolizzata

L'adenosintrifosfato MOLECOLA AD ALTA ENERGIA DI IDROLISI(quando

libera molta energia) costituita da un NUCLEOSIDE, ovvero l'ADENOSINA, legato a 3 GRUPPI FOSFATO.

La sua caratteristica fondamentale è che il LEGAME TRA IL 1° e IL 2° FOSFATO e quello fra il 2°FOSFATO

e il 3°FOSFATO, sono LEGAMI AD ALTA ENERGIA: ciò significa che per formarli, occorre molta energia;

la loro rottura, viceversa, libera energia utilizzabile in altre reazioni chimiche.

Ma come viene sintetizzato l'ATP?

L'ATP viene sintetizzato attraverso una REAZIONE DI CONDENSAZIONE tra ADP(adenosindifosfato)

è una che di

+ GRUPPO FOSFATO INORGANICO; reazione ENDOERGONICA richiede circa 7 kcal/mol

energia per sintetizzare una molecola di ATP. Questa reazione è resa possibile grazie al suo accoppiamento con le

reazioni cataboliche esoergoniche. Oltre alla reazione di sintesi dell'ATP a partire da

ADP e fosfato, sicuramente è altrettanto importante

la reazione di IDROLISI DELL'ATP, durante la

quale uno dei suoi legami fosfato-fosfato (di solito

l'ultimo) viene idrolizzato e porta alla liberazione

di una quantità di energia notevolmente

superiore a quella liberata dall'idrolisi di un

normale legame covalente.

L'IDROLISI DELL'ATP E' UNA REAZIONE

ESOERGONICA E REVERSIBILE_(come

anche la sintesi di ATP)

L'energia liberata dalla sua idrolisi viene sfruttata

dalla cellula per le reazioni di sintesi, per effettuare

spostamenti, per la divisione cellulare e per tutte le

attività cellulari che la richiedono.

Il fatto che si possa conservare energia sotto forma di legame covalente è molto importante, in quanto quest' ultimo

è un legame stabile che si basa sulla divisione. Potrebbero anche esserci forma di accumolo di energia maggiori

rispetto all'ATP, ma non vengono utilizzate dall'organismo perché NON SONO STABILI, per questo la natura ha

selezionato l'ATP.

Molte delle reazioni anaboliche che si svolgono all'interno delle cellule mostrano un aumento dell'energia libera di

Gibbs e, di fatto, non avverrebbero perché il loro equilibrio risulta completamente spostato dalla parte dei reagenti.

In realtà, nelle cellule queste reazioni hanno luogo perché sono ACCOPPIATE A REAZIONI ESOERGONICHE

(fortemente esoergoniche), fra le quali ha particolare rilevanza la reazione di idrolisi dell'ATP, ne segue quindi che:

IL METABOLISMO CELLULARE+ENZIMI+FOTOSINTESI Pagina 2

(fortemente esoergoniche), fra le quali ha particolare rilevanza la reazione di idrolisi dell'ATP, ne segue quindi che:

SPOSTANDO

L'IDROLISI DI ATP E' UNA REAZIONE FORTEMENTE ESOERGONICA CHE,

L'EQUILIBRIO VERSO I PRODOTTI, PERMETTE DI FAR AVVENIRE TUTTE QUELLE REAZIONI

ANABOLICHE CHE SENZA DI LEI NON AVVERREBBERO PER L'ENERGIA DI GIBBS ALTISSIMA

⚫ REAZIONI METABOLICHE DI OSSIDORIDUZIONE E TRASPORTATORI DI

ELETTRONI (COENZIMI)

Le reazioni chimiche sono trasformazioni in cui l'energia dei legami chimici di una sostanza è trasferita nei legami

chimici di una sostanza diversa. In molte reazioni cellulari questo trasferimento comporta il passaggio di elettroni

da una sostanza ad un'altra, o comunque un cambiamento dello stato di ossidazione di alcuni elementi chimici; in

questo caso si parla di REAZIONI DI OSSIDORIDUZIONE.

LA MAGGIOR PARTE DELLE REAZIONI METABOLICHE SONO REAZIONI DI OSSIDORIDUZIONE

In questi casi è sempre presente un elemento che si OSSIDA, ovvero cede elettroni ed aumenta il suo numero di

ossidazione; ed un elemento che si RIDUCE, ovvero acquista elettroni e diminuisce il suo numero di ossidazione.

Ogni volta che c'è passaggio di elettroni avvien anche passaggio di protoni quindi possiamo dedurre che:

- cede elettroni e sono

OSSIDA: PERDE IDROGENI, reazioni di DEIDROGENAZIONE

- acquista elettroni e sono

RIDUCE: ACQUISTA IDROGENI, reazioni di IDROGENAZIONE

Le reazioni metaboliche non avvengono generalmente in un unico passaggio, sono quindi necessari, oltre alle

molecole di ATP, anche altri COENZIMI che agiscono da trasportatori di elettroni durante le reazioni di ossido

riduzione. La loro funzione è importante perché molte reazioni del metabolismo sono reazioni redox.

Quindi gli elettroni ( e gli ioni H+) vengono ceduti dalle sostanze energetiche durante le reazioni cataboliche

(glicolisi e respirazione), mentre sono utilizzati per ridurre molecole ossidate, come la CO2, durante le reazioni

anaboliche (fotosintesi). I composti che possono acquistare o cedere elettroni (e H+) e fungono da trasportatori

di "potere riducente" (cioè di elettroni) nello stesso modo in cui l'ATP agisce come trasportatore di energia,

sono chiamati TRASPORTATORI DAL POTERE RIDUCENTE.

Tra questi troviamo:

⚫ NAD (nicotinammide adenina dinucleotide)

: è una molecola che può presentarsi in due forme

chimicamente diverse, entrambe coinvolte nelle redox di interesse biologico:

- è la che (e liberare un H+),

NAD+ FORMA OSSIDATA può ACCETTARE 1 PROTONE e 2 ELETTRONI

riducendosi a NADH

- è la che (e formare acqua)

NADH FORMA RIDOTTA può CEDERE 1 PROTONE e 2 ELETTRONI

ossidandosi a NAD+

Le due forme possono passare dall'una all'altra secondo la seguente reazione di ossidoriduzione:

⚫ FAD (flavina adenina dinucleotide): è una molecola che anch'essa può presentarsi in due forme

chimicamente diverse, entrambe coinvolte nelle redox di interesse biologico:

IL METABOLISMO CELLULARE+ENZIMI+FOTOSINTESI Pagina 3

- è la che riducendosi a FADH2

FAD FORMA OSSIDATA può ACCETTARE 2 PROTONI E 2 ELETTRONI

- è la che ossidandosi a FAD

FADH2 FORMA RIDOTTA può CEDERE 2 PROTONI E 2 ELETTRONI

Le due forme possono passare dall'una all'altra secondo la seguente reazione di ossidoriduzione:

Questi due trasportatori, ovvero il NAD e il FAD, agiscono principalmente nelle REAZIONI CATABOLICHE.