Metabolismo Cellulare.

Prof. Attilio Citterio

Dipartimento CMIC “Giulio Natta”

https://iscamapweb.chem.polimi.it/citterio/education/

course-topics/

Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione

Course 096125 (095857)

Introduction to Green and Sustainable Chemistry

FATS CARBOHYDRATES

CITRIC ACID CYCLE

CO2

+

ENERGY

Attilio Citterio

Metabolismo: Concetti di Base e Schemi.

Negli organismi viventi i processi di trasduzione dell’energia si realizzano

tramite una complessa rete integrata di reazioni chimiche (metabolismo).

A. Il Metabolismo è costituito da molti reazioni accoppiate interconnesse

B. L’ossidazione delle molecole organiche è una importante fonte di

energia cellulare

C. Le vie metaboliche contengono molti motivi ricorrenti

TERMINI:

• Le reazioni operanti nelle cellule si inquadrano nel termine metabolismo

• Le vie che spezzano le molecole più grandi in molecole più piccole si

indicano come catabolismo

• Le vie che sintetizzano molecole più grandi da molecole più piccole si

indicano come anabolismo

• Le vie cataboliche normalmente rilasciano energia mentre le anaboliche

normalmente assorbono energia.

Attilio Citterio

Metabolismo Primario e Secondario.

Metabolismo: (Gr. metabole = modifica) la totalità delle trasformazioni

chimiche in cellule viventi che implicano la formazione e la degradazione

dei composti chimici.

Metabolismo primario : biosintesi, formazione e rottura dei composti

essenziali e degli elementi strutturali degli organismi viventi, quali:

zuccheri e polisaccaridi; amminoacidi, peptidi e proteine (inclusi gli

enzimi); acidi grassi; e nucleotidi. I materiali di partenza sono CO2, H2O e

NH3. Tutti gli organismi posseggono vie metaboliche primarie simili e

usano metaboliti primari simili.

Metabolismo secondario : si riferisce alla biosintesi, utilizzo e rottura

dei composti organici più piccoli riscontrati nelle cellule. Questi composti,

detti metaboliti secondari, derivano da un gruppo di composti di base

intermedi quali: acetil coenzima A (acetil-CoA), acido mevalonico (MVA)

e metileritritol fosfato (MEP), acido scichimico, e gli amminoacidi

fenilalanina/tirosina, triptofano, ornitina e lisina.

Attilio Citterio

Metaboliti Primari delle Piante.

• I metaboliti primari sono

composti che sono

comunemente prodotti da tutte le

piante e che sono direttamente

usati nella crescita e nello

sviluppo della pianta.

• I principali metaboliti primari

sono:

• carboidrati,

• proteine,

• acidi nucleici

• lipidi.

4

energia

luminosa

fotosintesi,

respirazione e

fotorespirazione

organi di stoccaggio

di amido o zucchero

zuccheri

amido

H2O vapore

organo di stoccaggio

di zuccheri e amido

zuccheri

zuccheri

H2O

O2

CO2

O2

CO2

respirazione, no

fotorespirazione

H2O e

minerali

Fotosintesi, respirazione, scambio idrico e

traslocazione di zuccheri (fotosintetizzati) in una

pianta

Attilio Citterio

Relazioni tra Metabolismo Primario e Secondario.

• I processi e i prodotti del metabolismo primario sono simili in quasi tutti

gli organismi, mentre quelli secondari sono più specifici.

• Nelle piante, il metabolismo primario è realizzato dalla fotosintesi,

respirazione, ecc., usando CO2, H2O, e NH3 come materie prime, e

formando prodotti quali il glucosio, gli amminoacidi, gli acidi nucleici.

Questi sono simili tra le varie specie viventi.

• Nel metabolismo secondario, le vie biosintetiche, i substrati e i prodotti

sono caratteristici delle famiglie e delle specie. Le specie che sono

tassonomicamente vicine mostrano maggiori similarità (e metaboliti);

quelle che sono distanti hanno maggiori differenze.

Biogenesi: panorama dell’origine dei composti partendo da un gruppo

di composti di base intermedi: acetil-CoA, MEP, acido schichimico, e gli

amminoacidi fenilalanina e tirosina, triptofano, ornitina e lisina.

Biosintesi: studio della formazione a stadi dei metaboliti. Si

identificano gli enzimi specifici, i geni e i segnali.

Attilio Citterio

Schema Riassuntivo del Metabolismo delle Piante.

FOTOSINTESI

Acqua

Biossido di

Carbonio

Luce

Ossigeno

Zuccheri

RESPIRAZIONE

Amido

Minerali del suolo

(cibo immagazzinato)

Pectina

Cellulosa Pareti cellulari

Lignina

GrassiCutina

MembraneProteine

EnzimiPigmenti

Ormoni

Vitamine

Alcaloidi, tannini e

altre sostanze

protettive, ecc.

Acqua

Biossido di

Carbonio

Energia(usata nella sintesi dei

prodotti vegetali di destra)

Attilio Citterio

Metabolismo: Complessità e Progettazione.

• Il metabolismo del batterio E. coli comprende più di 1000 reazioni

chimiche

• Questa vasto insieme di reazioni è semplificato dall’uso di un progetto

coerente che coinvolge molti motivi comuni.

• Questi motivi includono l’uso di una valuta energetica e il ricorso ad

un numero limitato di intermedi attivati.

• Un gruppo di circa 100 molecole giocano un ruolo centrale in tutte le

forme in cui la vita compare dal microrganismo all’uomo.

• Il numero di reazioni è molto grande, il numero dei motivi è piccolo e i

meccanismi sono normalmente semplici (con qualche eccezione)

• Le vie metaboliche sono regolate da sequenza comuni.

Attilio Citterio

Classificazione delle Trasformazioni Biosintetiche.

Tutti i metaboliti, indipendentemente dalla loro complessità,

sono biosintetizzati via stadi chimicamente-ragionevoli. Le

trasformazioni biosintetiche sono classificate come segue: 1. Idrolisi

2. Esterificazione

3. Ossidazione: idrossilazione, epossidazione o ossigenazione di

alcheni, deidrogenazione, alogenazione

4. Riduzione: idrogenazione, deossigenazione

5. Formazione di legami carbonio-carbonio: accoppiamento radicalico

aromatico, condensazione di Claisen e Aldolica

6. Trasposizione cationica: migrazione-1,2, Wagner-Meerwein

7. Trasposizione sotto controllo della simmetria degli orbitali

8. Spostamento Sn2

9. Eliminazione E2

10. Carbossilazione / decarbossilazione

Attilio Citterio

Enzimi Implicati nel Metabolismo.

Ogni stadio si presume sia mediato da un enzima

specifico. Tutte le trasformazioni chimiche sono spiegabili

con un sistema di sei classi di enzimi:

1. ossidoriduttasi

2. transferasi

3. idrolasi

4. liasi

5. isomerasi

6. ligasi

3. Gli enzimi sono localizzati in parti specifiche delle cellule,

e in certi casi sono immobilizzati sulle membrane.

4, Gli enzimi sono codificati nel genoma dell’organismo la

cui espressione può esser controllata a livello dei geni.

Attilio Citterio

Le Cellule Trasformano Diversi Tipi di Energia.

Gli organismi viventi richiedono un continuo apporto di energia libera per

tre principali scopi:

• Fare lavoro meccanico, quale contrazione dei muscoli ed altri

movimenti cellulari

• Trasportare attivamente molecole e ioni

• Sintetizzare macromolecole ed altre biomolecole da semplici

precursori

Conversioni di Energia:

Organismi fotosintetici, or fototrofi, usano l’energia della luce solare

per convertire molecole semplici a bassa energia in molecole più

complesse e più ricche di energia che poi servono da combustibili.

Essi trasformano la radiazione luminosa in energia chimica

Organismi chemotrofi, come l’uomo, ottengono l’energia chimica

tramite l’ossidazione dei componenti alimentari prodotti dai fototrofi

L’energia chimica è poi trasformata in altre forme di energia.

Attilio Citterio

Esempio di Metabolismo Semplificato del Glucosio.

Il glucosio viene

trasformato in

Piruvato in una

sequenza di 10

reazioni

Metabolismo:

una serie interconnessa

di reazioni chimiche

Glucosio

Piruvato

10 stadi

Anaerobico

Lattato

Condizioni

anaerobiche

Condizioni

anaerobiche

Aerobico

Acetil CoA

Attilio Citterio

Vie Metaboliche.

Attilio Citterio

Rappresentazione Semplificata delle Vie

Biochimiche Connesse con i Mitocondri.

Metabolites 2014, 4(3), 831-878

Attilio Citterio

Processi Metabolici.

Due ampie classi:

1. Quelle che convertono l’energia in forme biologicamente utili si

indicano come vie cataboliche

Combustibili (carb./grassi) → CO2 + H2O + energia utile: catabolismo

2. Quelle che richiedono immissione di energia per poter procedere si

indicano col termine vie anaboliche

energia utile + piccole molecole → mol. complesse: anabolismo

Le vie che sono sia anaboliche o cataboliche si individuano col termine

vie amfiboliche.

Attilio Citterio

Accoppiamento Spontaneo e Reazioni non

Spontanee.

Una via metabolica deve soddisfare al minimo due criteri:

1. Le singole reazioni devono essere specifiche, fornendo solo un particolare

prodotto o una gamma di prodotti.

Gli Enzimi forniscono la specificità

2. L’intero gruppo di reazioni in una via deve esser termodinamicamente

favorito

Una reazione può avvenire spontaneamente solo se il DG, la

variazione di energia libera, è negativa.

3. Un importante proprietà della funzione termodinamica G è che la variazione

complessiva di energia libera di una reazione o di una serie di reazioni è

uguale alla somma delle variazioni di energia libera delle singole fasi,

A B + C DG0’ = + 5 kcal mol-1

B D DG0’ = - 8 kcal mol-1

————————————————

A C + D DG0’ = - 3 kcal mol-1

Attilio Citterio

L’ATP è la Moneta Universale dell’Energia Libera.

Il Metabolismo è facilitato dall’uso di una moneta di scambio energetico

comune.

Parte dell’energia libera derivata dall’ossidazione dei cibi e dalla luce

viene trasformata in ATP – l’ATP è la moneta energetica universale per

lo scambio dell’energia libera. Si libera una grande quantità di energia

libera quando si idrolizza l’ATP ad ADP e Pi, o l’ATP a AMP e Ppi:

ATP + H2O a ADP + Pi DG0’ = -7.3 kcal mol-1

ATP + H2O a AMP + PPi DG0’ = -10.9 kcal mol-1

Nelle tipiche condizioni cellulari, il valore reale di per queste idrolisi è

approssimativamente -12 kcal mol-1

L’idrolisi dell’ATP attiva il metabolismo spostando

l’equilibrio di reazioni accoppiate di un fattore di circa 108.

Attilio Citterio

Strutture di ATP, ADP e AMP.

Adenosina trifosfato (ATP) Adenosina difosfato (ADP)

Adenosina monofosfato (AMP)

X-ray of ATP Na salt

A. Kennard et al. Proc. R.

Soc. London, 325, ,401

(1978)

Attilio Citterio

L’Adenosina Difosfato (ADP) è un Modulo

Primordiale.

nel metabolismo. Evoluto da iniziali catalizzatori del RNA?

adenina

ribosio

Attilio Citterio

ATP.

L’ATP è una molecola ricca in energia perché le sue unità

trifosfato contengono due legami fosfoanidridici ( e )

ATP ha un elevato potenziale di trasferimento del gruppo

fosforile (DG = -12 kcal mol-1)

Adenosina trifosfato (ATP)

a

Attilio Citterio

Strutture di Risonanza dell’Ortofosfato.

Perché l’ATP ha un elevato potenziale di trasferimento del fosforile?

DG0’ dipende dalla differenza nelle energie libere dei prodotti e quelle dei

reagenti, per cui entrambe si devono considerare

Quattro fattori sono importanti:

1. Stabilizzazione per Risonanza

2. Repulsione Elettrostatica

3. Stabilizzazione dovuta all’idratazione

4. Aumento dell’entropia per formazione di 2 specie da 1

Attilio Citterio

Composti con Alto Potenziale di

Trasferimento di Fosforile.

Il potenziale di trasferimento di

fosforile è un’importante forma di

trasferimento di energia cellulare

Questi composti possono

trasferire un gruppo fosforile

all’ADP per formare ATP

Essi accoppiano l’ossidazione al

carbonio alla sintesi dell’ATP

Fosfoenolpiruvato

Creatina fosfato

1,3-Bisfosfoglicerato

Attilio Citterio

Posizione Intermedia dell’ATP.

La posizione intermedia dell’ATP sulla scala dell’energia libera gli

consente di funzionare bene come trasportatore di gruppo fosforile

Energia libera standard per l’idrolisi di alcuni composti fosforilati

Composto kcal·mol-1 kJ·mol-1

Fosfoenolpiruvato - 14.8 - 61.0

1,3-Bisfosfoglicerato - 11.8 - 49.4

Creatina fosfato - 10.3 - 43.1

ATP (ad ADP) - 7.3 - 30.5

Glucosio 1-fosfato - 5.0 - 20.9

Pirofosfato - 4.6 - 19.3

Glucosio 6-fosfato - 3.3 - 13.8

Glicerolo 3-fosfato - 2.2 - 9.2

R-OPO32‾ + H2O → ROH + HOPO3

2‾ DG°idrolisi

Attilio Citterio

Ciclo ATP-ADP.

ATP ADP

Ossidazione di molecole

combustibili

o

Fotosintesi

Movimento

Trasporto attivo

Biosintesi

Amplificazione di Segnale

Si tratta di un forma

fondamentale di scambio

nei sistemi biologici

L’ossidazione dei combustibili

organici è una fonte

importante di energia

cellulare

100 g di ATP nel corpo,

il turnover è molto alto.

Un uomo a riposo consuma

40 kg di ATP in 24 ore.

Un’attività intensa porta a

consumare 0.5 kg / minuto.

In 2 ore: sono usati 60 kg

Attilio Citterio

Reazioni ATP-accoppiate.

Molte reazioni non sono spontanee in condizioni fisiologiche o cellulari.

Però, tali reazioni si possono accoppiare all'idrolisi dell'ATP per avvenire.

ATP + Glucosio → Glucosio-6-P + ADP

Reazione cellulare attuale → P-trasferimento

G

Coordinata di reazione

Glucosio

H2O

ATP

ADP + Pi + Glucosio

Glucosio-6-P + ADP-30.513.8

16.87

Glucosio-6-P

Attilio Citterio

Fonti di ATP nel Corso di una Attività

Prolungata.

Nel muscolo a riposo, [ATP] = 4 mM, [creatina fosfato] = 25 mM

[ATP] sufficiente a sostenere 1 secondo di contrazione muscolare

Secondi Minuti Ore

Energ

iaATP

Creatina fosfato

Metabolismo aerobico

Metabolismo

Anaerobico

Attilio Citterio

Energia Libera di Ossidazione di specifici

composti ad un atomo di carbonio.

Negli organismi aerobici, l’accettore finale nell’ossidazione del

carbonio è l’O2, e il prodotto di ossidazione è la CO2

Più il carbonio è ridotto, più energia si ricava dalla sua ossidazione.

più energia meno energia

DG°ossidaz.

(kJ·mol-1)

-195 -168 -125 -68 0

Metano Metanolo Formaldeide Acido formico Biossido di carbonio

DG°ossidaz.

(kcal·mol-1)

-820 -703 -523 -285 0

Attilio Citterio

Combustibili Biologici Comuni.

I grassi sono combustibili più efficienti dei carboidrati (per es. Glucosio)

Perché il carbonio nei grassi è più ridotto (eccetto il carbonio del COOH).

Glucosio

Acido grasso

Attilio Citterio

Gli Stadi della Respirazione Cellulare.

Il recupero di energia dal glucosio si svolge in tre stadi:

Glicolisi (rottura del glucosio in due molecole di piruvato)

Ciclo dell’acido citrico (completa la rottura del glucosio)

Fosforilazione ossidativa (determina la maggior parte della

sintesi dell’ATP)

Trasporto di

elettroni via NADH

e FADH2

Glicolisi

Glucosio Piruvato

Ossidazione

piruvato

Acetil-CoA

Trasporto di

Elettroni via

NADH

Ciclo

acido

citrico

Fosforilazione

ossidativa:

trasporto elettronico

e chemiosmosi

MITOCONDRIOCITOSOL

Fosforilazione a

livello-substrato

ATP ATP ATP

Fosforilazione a

livello-substrato

Fosforilazione

ossidativa

Attilio Citterio

Fosforilazione Ossidativa e Glicolisi.

Il processo che genera la maggior parte dell’ATP è detto fosforilazione

ossidativa perché è basato su reazioni redox

La fosforilazione ossidativa spiega circa il 90% dell’ATP generato

dalla respirazione cellulare

Una piccola parte di ATP si forma nella glicolisi e nel ciclo

dell’acido citrico per fosforilazione a livello di substrato

Per ogni molecola di glucosio degradata a CO2 ed acqua dalla

respirazione, la cellula produce 32 molecole di ATP.

Glicolisi (“rottura di zuccheri”) processo di frammentazione del glucosio

in due molecole di piruvato

La glicolisi avviene nel citoplasma e ha due maggiori fasi:

• Fase di investimento di energia

• Fase do produzione di energia

La glicolisi avviene in presenza o assenza di O2.

Attilio Citterio

Glicolisi.

Fase di

investimento

d’energia

Glucosio

2 ATP2 ADP + 2 P usati

TotaleGlucosio 2 Piruvato + 2 H2O

4 ATP formati - 2 ATP usati 2 ATP

2 NAD+ + 4 e‾ + 4 H+ 2 NADH + 2 H+

4 ATP4 ADP + 4 P

Fase di

recupero

d’energia formati

2 NADH + 2 H+

2 CH3COCO2H

+ 2 H2O

2 NAD+ + 4 e‾ + 4 H+

Glucosio Glucosio 6-fosfato Fruttosio 6-fosfato

Esochinasi Fosfogluco-

isomerasi

Fosfo-

fructochinasi

Fruttosio 6-fosfato Fruttosio 1,6-bisfosfato

Aldolasi

Diidrossiacetone

fosfato

Gliceraldeide

fosfato

Isomerasi Allo

stadio 6

3-Fosfo-

glicerato

1,3-Bisfosfo-

glicerato

Fosfo-

glycerochinasi

Triosio

Fosfato

deidrogenasi

Attilio Citterio

Conversione del Piruvato in Acetil-CoA.

Dopo che il piruvato è ossidato, il ciclo dell’acido citrico completa

l’ossidazione con recupero energetico delle molecole organiche.

In presenza di O2, il piruvato entra nel mitocondrio (nelle cellule eucariote) dove

si complete l’ossidazione del glucosio. Prima che possa iniziare il ciclo dell’acido

citrico, il piruvato deve essere convertito ad acetiil Coenzima A (acetil CoA), che

connette la glicolisi al ciclo dell’acido citrico.

Piruvato

Coenzima A

NAD+ NADH + H+ Acetil CoA

Proteina di trasporto

CITOSOL

MITOCONDRIO

CO2

1 3

2

Attilio Citterio

Stadi del Catabolismo: Ciclo dell’Acido Citrico – CTA.

Il ciclo dell’acido citrico completa l’ossidazione con recupero d’energia delle molecole organiche.

L’ossidazione dei substrati è un processo a 8 stadi, riassumibili in 3:

Incorporamento in acetil-CoA

Ossidazione a CO2, riduzione do agenti di trasferimento elettronico e un po’ di ATP

Gli agenti ridotti di trasporto elettronico sono riossidati con produzione di energia per la sintesi di altro ATP (fosforilazione ossidativa)

L’attività del ciclo TCA è favorita da bassi rapporti di NADH/NAD+.

1 mole di glucosio fornisce 30

moli di ATP !

Fumarato

Malato

OssalacetatoCitrato

cis-Aconitato

Isocitrato

Succinato

Succinil-CoA

a-Chetoglutarato

Fosforilazione a

livello di subtrato

Deidrogenazione

Decarbossilazione

ossidativa

Idratazione

Decarbossilazione

ossidativa

Disidratazione

Condensazione

Attilio Citterio

Nella fosforilazione ossidativa, la chemiosmosi si

accoppia al trasporto elettronico della sintesi dell’ATP.

Nel corso della glicolisi e del ciclo dell’acido citrico, NADH e FADH2

giustificano la maggior parte dell’energia estratta dal cibo

Questi due trasportatori di elettroni forniscono elettroni alla

catena del trasporto elettronico, che supporta la sintesi dell’ATP

tramite la fosforilazione ossidativa

Gli elettroni sono trasferiti da NADH o FADH2 alla catena di

trasporto elettronico

Gli elettroni sono trasferiti all’O2 tramite una serie di proteine

inclusi i citocromi (ognuno contenente atomi di ferro).

La catena di trasporto elettronico non genera direttamente ATP

Essa suddivide l’ampia diminuzione di energia libera dal cibo

all’O2 in stadi intermedi che rilasciano energia in quantità più

gestibile.

Attilio Citterio

La Sequenza del Trasporto Elettronico.

La catena del trasporto elettronico

ha luogo all’interno della membrana

(cristae) del mitocondrio

La maggior parte dei

component della catena sono

proteine, che esistono in

complessi multiproteici

I trasportatori alternano stati

ridotti e ossidati in grado di

accettare e donare elettroni

Gli elettroni abbassano la loro

energia libera nel corso della

catena e sono alla fine passati

all’O2, formando H2O.

NADH

FADH2

NAD+2 e‾

2 e‾ FAD

II

III

I

FMN

Fe·S Fe·S

Q

Cyt b

Cyt c1

Fe·S

Cyt c

Cyt a

Cyt a3

Complessi

multiproteici

(originariamente da

NADH o FADH2)

2 H+ + 1/2 O2

2 e‾

H2O

IV

Attilio Citterio

Meccanismo di Accoppiamento Energetico.

Il trasferimento elettronico nella

catena del trasporto elettronico

porta le proteine a pompare H+ dalla

matrice dei mitocondri allo spazio

inter-membrana.

L’H+ quindi si sposta nella

membrana, passando tramite

l’ATP sintasi

L’ATP sintasi usa il flusso

esoergonico del H+ per spingere

la fosforilazione dell’ATP

Questo è un esempio di

chemiosmosi, uso di energia in

un gradiente di H+ o recupero di

lavoro cellulare.

MATRICE MITOCONDRIALE

ADP

+

P i ATP

Blocco

catalitico

Asse

Interno

Statore

Rotore

H+

SPAZIO INTERMEMBRANA

Attilio Citterio

Gradienti Protonici nella Respirazione.

• L’energia immagazzinata in un gradiente protonico nella membrana

accoppia le reazioni redox della catena alla sintesi dell’ATP

• Il gradiente protonico è una forza protone-motrice, sottolineandone

la capacità a compiere lavoro (~ 32 mol di ATP per mole di glucosio)

Complesso

Proteico

di trasportatori

di elettroni

(trasporta elettroni

dal cibo)

NADH NAD+

FADH2FAD

I

II

III

IV

Cyt c

2 H+ + ½ O2 H2O

ADP + P i ATP

H+H+

H+

H+

H+

Q

Chemiosmosi

Fosforilazione ossidativa

Catena del trasporto elettronico

ATP

sinthasi

Attilio Citterio

Gradienti Protonici.

L’ossidazione dei

combustibili biologici

può indurre

l’istaurarsi di

gradienti protonici

Gradienti protonici

possono a loro

volta indurre la

sintesi di ATP

H+H+

H+ H+

NADH H2O

L’ossidazione di combustibili

pompa fuori dei protoni

L’immissione di protoni forma l’ATP

ADP + Pi ATP

Attilio Citterio

Fermentazione e Respirazione Anaerobica.

La fermentazione e la respirazione anaerobica consente alle cellule di

produrre ATP senza l’uso dell’ossigeno

La maggior parte della respirazione cellulare richiede O2 per

produrre ATP

Senza O2, la catena del trasporto elettronico cessa di funzionare

In queste condizioni, la glicolisi si accoppia alla fermentazione o

respirazione anaerobica per produrre ATP

La respirazione anaerobica usa una catena di trasporto elettronico

con un accettore finale di elettroni diverso da O2, per esempio

solfato

La fermentazione usa la fosforilazione a livello di substrato anziché

la catena del trasporto elettronico per generare ATP.

Attilio Citterio

Tipi di Fermentazione.

La fermentazione consta di glicolisi più reazioni che rigenerano NAD+,

che la glicolisi può riusare

Due tipi comuni sono la fermentazione alcolica e la fermentazione

dell’acido lattico

Nella fermentazione alcolica, il piruvato è convertito in etanolo in

due stadi, con il primo rilascio di CO2

La fermentazione alcolica da parte dei lieviti si usa nella

produzione della birra, del vino e nella panificazione

Nella fermentazione dell’acido lattico, il piruvato è ridotto da

NADH, formando lattato come prodotto finale senza rilascio di CO2

La fermentazione dell’acido lattice da parte di alcuni funghi e

batteri si usa nella produzione di formaggi e di yogurt

Le cellule muscolari umane usano la fermentazione dell’acido

lattico per generare ATP quando c’è carenza di O2.

Attilio Citterio

Due Tipi Comuni di Fermentazione.

Glucosio Glicolisi

2 Piruvato

2 Acetaldeide2 Etanolo

(a) Fermentazione alcolica

2 NAD+ 2 NADH

+ 2 H+

2 CO2

2 ADP + 2 P i2 ATP 2 ADP + 2 P i

2 ATP

Glucose Glicolisi

2 NAD+ 2 NADH

+ 2 H+2 Piruvato

2 Lattato

(b) Fermentazione dell’acido lattico

Attilio Citterio

Confronto tra Fermentazione con Respirazione

Anaerobica e Respirazione Aerobica.

Tutte usano la glicolisi (totale ATP = 2) per ossidare il glucosio e

recuperare energia chimica dal cibo

In tutte e tre, il NAD+ è l’agente ossidante che accetta elettroni nel

corso della glicolisi

I processi hanno differenti accettori elettronici finali: una molecola

organica (come il piruvato o l’acetaldeide) nella fermentazione e

l’ossigeno O2 nella respirazione cellulare

La respirazione cellulare produce 32 ATP per molecola di glucosio; la

fermentazione produce 2 ATP per molecola di glucosio

Gli anaerobi obbligati effettuano la fermentazione o la respirazione

anaerobica e non possono sopravvivere in presenza di O2

I lieviti e molti batteri sono anaerobi facoltativi, cioè possono

sopravvivere usando sia la fermentazione sia la respirazione cellulare

In anaerobi facoltativi, il piruvato è un punto di biforcazione nelle vie

metaboliche che porta a due vie cataboliche alternative.

Attilio Citterio

Vie Metaboliche Divergenti.

Glucosio

Piruvato

Etanolo,

lattato, o

altri prodotti

Assenza O2 :

fermentazione

Presenza O2 :

respirazione

cellulare aerobica

MITOCONDRIO

Acetil CoA

Ciclo

acido

citrico

CITOSOLGlicolisi

Attilio Citterio

La Glicolisi e il Ciclo dell’Acido Citrico sono

Legati a Molte Altre Vie Metaboliche.

• La Glicolisi e il Ciclo dell’Acido Citrico sono le maggiori intersezioni di

varie vie cataboliche e anaboliche

• Le vie cataboliche trasportano elettroni di molti classi di molecole

organiche nella respirazione cellulare

• La glicolisi accetta un’ampia varietà di carboidrati

• Le proteine devono essere digerite ad amminoacidi; i gruppi ammino

possono alimentare la glicolisi o il ciclo dell’acido citrico

• I grassi sono digeriti a glicerolo (usato nella glicolisi) e acidi grassi

(usati nella generazione di acetil CoA)

• Gli acidi grassi sono degradati per beta ossidazione e forniscono

acetil CoA

• Un grammo di grasso ossidato produce più del doppio di ATP di un

grammo di carboidrato ossidato.

Attilio Citterio

Piccole Molecole Chiave (Metaboliti) dal Cibo.

• Il corpo usa piccole

molecole per

costruire altre

sostanze.

• Queste piccole

molecole possono

derivare direttamente

dal cibo, dalla

glicolisi, o dal ciclo

dell’acido citrico.

Proteine Carboidrati Grassi

Amminoacidi

Zuccheri Glicerolo Acidigrassi

Glicolisi

Glucosio

Gliceraldeide 3- P

NH3 Piruvato

Acetil CoA

Ciclo

acido

citrico

Fosforilazione

ossidativa

NH3

Attilio Citterio

Regolazione della Respirazione Cellulare via

Meccanismi di Retro-Regolazione.

• L’inibizione per retro-

regolazione è il più

comune meccanismo di

controllo

• Se la concentrazione

dell’ATP inizia a scendere,

la respirazione accelera;

quanto c’è molto ATP, la

respirazione rallenta

• Il controllo del catabolismo

si basa soprattutto sulla

regolazione dell’attività

enzimatica in punti

strategici nelle vie

cataboliche.

Ciclo

acido

citrico

Fosforilazione

ossidativa

Acetil CoA

Piruvato

Citrato

inibisce

Stimola

AMP

Glucosio

Glicolisi

Fruttosio 6-fosfato

Fosfofruttochinasi

Fruttosio 1,6-bisfosfatoInibisce

ATP

Attilio Citterio

Il Ciclo di Calvin.

CO2

+Ribulosio-1,5-

bisfosfato

carbossilasi

Ribulosio-1,5-

bisfosftoAcido

3-fosfoglicerico

FASE DI CARBOSSILAZIONE FASE DI RIDUZIONE

Fosfo-

glicerato

chinasi

Gliceraldeide -

3-fosfato

deidrogenasi1,3-bisfosfo-

glicerato

Gliceraldeide -

3-fosfato

Prodotti

ATP ADP NADPH NADP+Pi

Fruttosio-1,6-

bisfosfatoH2O

Triosio

fosfato

isomerasi

Phosphatase

Eritrosio-4-

fosfato

Transchetolasi

Aldolasi

Fruttosio-6-

fosfato

Diidrossi-

acetone

fosfato

Pi

H2OPi

FosfatasiSedoeptulosio

7-fosfato

Sedoeptulosio

1,7-bisfosfatoTranschetolasi

Ribosio-5-

fosfato

Ribulosio

fosfato

Ribosio

fosfato

isomerasi

Xilulosio-5-

fosfato

ATP

ADP

Fosforibulochinasi

FASE DI REGENERAZIONE

Fosfopentosio

epimerasi

Una comunità di organismi e il loro ambiente che vive

sulle masse dei continenti e sulle isole.

Attilio Citterio

Gluconeogenesi.

Le cellule usano

questa via per

sintetizzare gli zuccheri

C-6 dagli acidi grassi,

proteine, ecc.

Per lo più, gli stessi

processi della glicolisi.

Glucosio

Glucosio-6-fosfato

Glucosio-6-fosfatasi

Fruttosio bisfosfatasi

Fruttosio-6-fosfato

Esochinasi ATP

ADP

Fosfofruttochinasi

Pi

H2O

ATP

ADP

Pi

H2OFruttosio 1,6-bisfosfato

Pi

NAD+

NADH + H+

Gliceraldeide 3-fosfato Diidrossiacetonefosfato

1,3-bisfosfoglicerato

ADP

ATP3-fosfoglicerato

2-fosfoglicerato

H2Ofosfoenolpiruvato

CO2

GDP

GTPOssalacetato

Piruvato

ADP

ATPCO2

ADP

ATP

Piruvato chinasi

Fosfoenolpiruvatocarbossichinasi

Piruvato carbossilasi

Attilio Citterio

Il Ciclo del Gliossalato.

Equazione complessiva:

2 Acetil-CoA + FAD + 2NAD++ 3H2O → Ossalacetato + 2CoA + FADH2 + 2NADH +2H

Ossalacetato

Malatodeidro-genasi

Ossalacetato

Acetil-CoACitrato sintasiCoASH

CICLO GLIOSSILATO

CoASH

Malato

Acetyl-CoACitrato

Aconitasi

Malatosintasi

Gliossilato

Isocitrato

Succinato

Fumarato

Succinil-CoA

a-chetoglutarato

Isocitratoliasi

H2O

CO2

CO2

Vie Metaboliche.

Attilio Citterio

Motivi Ricorrenti nelle Vie Metaboliche.

I Motivi unificanti includono metaboliti comuni, reazioni e

schemi regolatori.

I trasportatori attivati esemplificano la progettazione

modulare e l’economia del metabolismo, per es. l’ATP è un

trasportatore attivato di gruppi fosforili.

1. Trasportatori attivati di elettroni per l’ossidazione dei

combustibili: NAD+ / NADH e FAD / FADH2

2. Un trasportatore attivato d’elettroni per la biosintesi

riduttiva: NADP+ / NADPH

3. Un trasportatore attivato di frammenti a due-carboni:

Coenzima A, per es. Acetil CoA

Attilio Citterio

Struttura del Trasportatore di Elettroni

Derivato della Nicotinammide.

Forme

ossidateNicotinammide adenina

dinucleotide (NAD+),

R = H

Nicotinammide adenina

dinucleotide

fosfato (NADP+),

R = PO32-

Principale trasportatore di

elettroni ad alta-energia

Sito reattivo

Attilio Citterio

Tipo di Reazione per il NAD+ come Accettore

di Elettroni.

Attilio Citterio

Tipo di Reazione per il FAD come Accettore

di Elettroni.

Attilio Citterio

Biosintesi Riduttiva: Acidi Grassi.

La riduzione del gruppo chetonico a metilene avviene in molti stadi

e richiede la disponibilità di 4 elettroni

NADPH è il datore di elettroni

Attilio Citterio

Coenzima A.

L’acetil CoA trasporta un gruppo acetile attivato esattamente come

l’ATP trasporta un gruppo fosforile attivato.

Trasportatore attivato di frammenti a due-atomi di carbonio

I gruppi acili legati al CoA con legami tioesterici: alto potenziale di

trasferimento di gruppi acilici (il trasferimento è esotermico)

Acil CoA Acetil CoA

Attilio Citterio

Struttura del Coenzima A.

Vitamina B

Gruppo reattivo

Unità -Mercapto-

etilamminaUnità pantotenato

Attilio Citterio

Un piccolo insieme di trasportatori responsabile per la maggior parte dei gruppi attivati

usati nel metabolismo

Principali Trasportatori Attivati nel Metabolismo.

Molecola trasportratice in forma attivata Gruppo trasferito Precursore vitamina

ATP Fosforile

NADH e NADPH Elettroni Nicotinato (niacina)

FADH2 Elettroni Riboflavina (vit. B2)

FMNH2 Elettroni Riboflavina (vit. B2)

Coenzima A Acile Pantotenato

Lipoammide Acile

Tiamina pirofosfato Aldeide Tiamina (vitamina B1)

Biotina CO2 Biotina

Tetraidrofolato Unità a 1-carbonio Folato

S-Adenosil metionina Metile

Uridina glucosio difosfato Glucosio

Citidina diacilgicerolo difosfato Fosfatidato

Nucleoside trifosfato Nucleosidi

Attilio Citterio

Migliaia di Reazioni Metaboliche.

Si possono suddividere in sei tipi.

Tipi di reazioni chimiche:

Tipo di reazione Descrizione

Ossido-riduzione Trasferimento elettronico

Legami richiedenti la rottura dell’ATP Formazione di legami covalenti (per

es. legami carbonio-carbonio)

Isomerizzazione Trasposizione di atomi per formare

isomeri

Trasferimento di gruppo Trasferimento di gruppo funzionale

da una molecola ad un’altra

Idrolisi Rottura di legami per somma di H2O

Addizione o rimozione di gruppo

funzionale

Addizione di gruppi funzionali al

doppio legame o loro rimozione per

formare doppi legami.

Attilio Citterio

1. Reazioni di Ossido-riduzione.

Le due reazioni sotto indicate sono parti del ciclo dell’acido citrico, che

porta alla completa ossidazione del frammento attivato a due-carboni

dell’acetilCoA a due molecole di CO2

L’ossidazione del succinato e del malato genera energia utile per

trasferire elettroni ai trasportatori FAD e NAD+ .

Succinato Fumarato

Malato Ossalacetato

(1)

(2)

Attilio Citterio

2. Reazioni di Formazione di Legami.

I legami C-C si formano usando l’energia di rottura dell’ATP

L’ossalacetato può intervenire nel ciclo dell’acido citrico, o

essere convertito in amminoacidi quale l’acido aspartico.

Ossalacetato

Piruvato

Attilio Citterio

3. Reazioni di Isomerizzazione.

Traspongono particolari atomi all’interno della molecola, spesso in

preparazione di successive reazioni, per es. ossido-riduzioni

Componenti del ciclo dell’acido citrico. Il gruppo idrossile del citrato si

sposta da una posizione terziaria ad una secondaria seguita da una

ossido-riduzione e decarbossilazione.

Citrato Isocitrato

Attilio Citterio

4. Reazioni di Trasferimento di Gruppo.

La reazione immobilizza

il glucosio nella cellula

Giocano una varietà di ruoli, per es. trasferimento di gruppi fosforile al

glucosio

Glucosio ATP

ADPGlucosio-6-fosfato

(G-6Pi)

Attilio Citterio

Reazioni di Trasferimento di Gruppo:

Sintesi del Glicogeno.

OO

OHOH

HH

H

CH2

H

HN

N

O

O

OP

O

O

P

O

O

H O

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H

O

H

O

P

O

O

H O

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H

O

H

OO

OHOH

HH

H

CH2

H

HN

N

O

O

OP

O

O

P

O

O

OPO

O

O

PPi

+

UDP-glucose

glucose-1-phosphate UTP

UDP-Glucose Pyrophosphorylase

H O

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H

O H

H

OHH

OH

CH2OH

H

O

HHC

CH

NH

CH2

O

O

H O

OH

H

OHH

OH

CH2OH

HH

C

CH

NH

CH2

O

O1

5

4

3 2

6

H O

OH

H

OHH

OH

CH2OH

HH

O1

5

4

3 2

6

P O P O Uridine

O

O

O

O

C

CH

NH

CH2

HO

O

tyrosine residue of Glycogenin

O-linked glucose residue

+ UDP

UDP-glucose

H O

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H

O H

H

OHH

OH

CH2OH

H

O

HHC

CH

NH

CH2

O

O

H O

OH

H

OHH

OH

CH2OH

HH

C

CH

NH

CH2

O

O1

5

4

3 2

6

H O

OH

H

OHH

OH

CH2OH

HH

O1

5

4

3 2

6

P O P O Uridine

O

O

O

O

C

CH

NH

CH2

HO

O

UDP-glucose

O-linked glucose residue

a(14) linkage

+ UDP

+ UDP

Glicogenina

Glicogenina Quest’ultima fase è ripetuta fino a

costruire un corto polimero lineare

del glucosio con legami glicosidici

a(1,4) sulla Glicogenina.

Un enzima ramificante trasferisce

un segmento dall’estremità di una

catena di glicogeno all’idrossile C6

di un residuo di glucosio del

glicogeno per dare una

ramificazione con legame a(1,6).

Uridina difosfato (UDP)

Glicogeno

Sintasi

Attilio Citterio

5. Reazioni Idrolitiche.

Rompono legami per somma di acqua.

Strategia comune usata per degradare molte macromolecole naturali

Sopra è schematizzata l’idrolisi di un legame peptidico.

Attilio Citterio

6. Addizione di Gruppi Funzionali.

L’addizione a doppi legami o la rimozione di gruppi dai doppi legami, è

catalizzata dalle liasi. Esempio tratto dalla reazione di glicolisi (stadio 7).

La reazione inversa è tipica delle condensazioni aldoliche tra un chetone

ed un’aldeide. L’enzima che catalizza l’equilibrio è una aldolasi.

+

Fruttosio 1,6-bisfosfato

(F-1,6-BP)

Didrossiacetone fosfato

(DHAP)

Gliceraldeide 3-fosfato

(GAP)

Attilio Citterio

2o Esempio di Rimozione di un Gruppo.

Lo stadio di disidratazione predispone lo stadio successivo nella via

metabolica,

Una reazione di trasferimento di gruppo che usa l’elevato potere di

trasferimento del gruppo fosforile del PEP per formare ATP da ADP

2-fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato

(PEP)

Attilio Citterio

Motivi Metabolici.

Le varie vie hanno reazioni in comune: ossidazione, addizione di un

gruppo funzionale al doppio legame, e ulteriore ossidazione:

Ciclo acido citrico Degradazione acidi grassi Sintesi acidi grassi Degradazione Lisina