Metabolismo Cellulare

Metabolismo Cellulare: Una Visione D'Insieme

• Il metabolismo energetico è un'attività cellulare coordinata che ricava energia trasformando l'energia luminosa in energia chimica (autotrofi) o demolendo molecole di nutrienti (eterotrofi).
• Idrolizza i polimeri biologici (polisaccaridi, proteine, acidi nucleici) in monomeri (monosaccaridi, amminoacidi, nucleotidi) e i trigliceridi in glicerolo e acidi grassi.
• Sintetizza i polimeri biologici dai monomeri e i trigliceridi da glicerolo e acidi grassi.
• Le trasformazioni avvengono gradualmente tramite sequenze di reazioni, ciascuna catalizzata da un enzima, formando prodotti intermedi che diventano reagenti per la reazione successiva, fino al prodotto finale.
• La sequenza delle reazioni coinvolte nello stesso processo metabolico costituisce una via metabolica
• Vie metaboliche diverse sono interconnesse quando condividono uno stesso prodotto intermedio.
• Numerose vie metaboliche sono comuni a tutti gli organismi, mentre altre sono specifiche per alcuni gruppi.
• Negli eucarioti, molte vie metaboliche sono compartimentate in organelli specifici (mitocondri, cloroplasti).
• Le reazioni chiave lungo una via metabolica sono controllate da enzimi essenziali che possono essere inibiti o attivati, modificando la velocità dell'intero processo.

Catabolismo e Anabolismo

• Ogni via metabolica ha un passaggio obbligato: una volta avvenuta la reazione catalitica iniziale, le altre si susseguono fino al prodotto finale.
• Se la cellula non necessita del prodotto (es. presenza adeguata nell'ambiente), il prodotto finale inibisce l'enzima del passaggio obbligato tramite un sito allosterico.

La Regolazione del Flusso di una Via Metabolica

• Sito allosterico: regione dell'enzima (diversa dal sito attivo) a cui si lega un inibitore o un attivatore, modificando l'attività dell'enzima.

Reazioni di Ossidoredizione nel Metabolismo Energetico

• La maggior parte delle reazioni anaboliche e cataboliche sono reazioni di ossidoriduzione (redox), in cui uno o più elettroni vengono trasferiti da una specie chimica a un'altra.
• Specie chimica che perde elettroni: riducente.
• Specie chimica che acquista elettroni: ossidante.
• Ossidazione e riduzione avvengono sempre insieme, richiedendo un donatore e un accettore di elettroni contemporaneamente.
• Il riducente si ossida (perde elettroni), mentre l'ossidante si riduce (acquista elettroni).
• Nei sistemi biologici, le semireazioni di ossidazione e riduzione avvengono con perdita e acquisto di atomi di idrogeno.
• Trasferimento di un atomo di idrogeno comporta anche il trasferimento di un elettrone: $H = H^+ + e^-$

Trasportatori di Elettroni: NAD, NADP e FAD

• Le deidrogenasi catalizzano l'ossidazione di composti usando coenzimi come NAD, NADP e FAD.
• Questi coenzimi subiscono ossidazioni e riduzioni reversibili, fungendo da "navette" di elettroni e atomi di idrogeno tra le vie metaboliche.

NAD e NADP

• Nicotinammide-adenin-dinucleotide (NAD) e Nicotinammide-adenin-dinucleotide-fosfato (NADP) sono coenzimi costituiti da due nucleotidi uniti da un legame fosfoanidridico.

• Il NAD deriva dalla vitamina B3 (niacina), sintetizzata a partire dall'amminoacido triptofano.

• Il NAD opera nelle reazioni cataboliche (ossidazione del glucosio), mentre il NADP ha un ruolo nelle reazioni anaboliche e nella protezione dai radicali liberi.

• Entrambi i coenzimi esistono in forma ossidata e ridotta.

• Formula:

  • Forma ossidata (NAD+): accetta elettroni
  • Forma ridotta (NADH): trasporta elettroni

• La niacina non viene prodotta in quantità sufficiente nell'organismo umano, specialmente in diete basate sul mais (povero di triptofano), causando pellagra (dermatite, diarrea, demenza).

• Il segno + in NAD+ e NADP+ indica la forma ossidata con carica positiva sull'azoto; H in NADH e NADPH indica la presenza di un atomo di idrogeno (forma ridotta).

Inibizione a Feedback

• L'inibizione avviene spesso quando il prodotto è in forte concentrazione, occupando un sito allosterico nell'enzima e inibendo una reazione a monte.
• Questo meccanismo è chiamato inibizione retroattiva o a feedback (inibizione da prodotto finale).
• Esempio: la via metabolica dei batteri che porta alla sintesi di isoleucina a partire da treonina. L'accumulo di isoleucina inibisce allostericamente l'enzima che catalizza il passaggio obbligato, bloccando la produzione di isoleucina.

Vie Anaboliche e Cataboliche

• Le reazioni biochimiche del metabolismo si dividono in due gruppi.
• Vie anaboliche: reazioni che formano molecole complesse da molecole più piccole, richiedendo energia (endoergoniche).
• Vie cataboliche: reazioni che degradano biomolecole in composti più semplici, producendo energia libera (esoergoniche).

ATP nel Metabolismo Energetico

• L'ATP (adenosina trifosfato) è il protagonista del metabolismo energetico cellulare, partecipando alle reazioni enzimatiche come trasportatore attivato di energia.

• L'ATP cattura temporaneamente l'energia liberata dalle reazioni esoergoniche e la cede per le reazioni endoergoniche.

• Struttura ATP: nucleotide formato da:

  • Zucchero pentoso: 2'-desossiribosio (DNA) o ribosio (RNA).
  • Base azotata: purina (adenina, guanina) o pirimidina (citosina, timina, uracile) legata allo zucchero con legame β-N-glicosidico.
  • Gruppi fosfato: fino a tre, legati con legami fosfoestereo e fosfoanidridico ad alto contenuto energetico.

• L'idrolisi di un legame fosfoanidridico dell'ATP rilascia 30,84 kJ/mol, formando ADP e fosfato inorganico.

Ossidazione del Glucosio Libera Energia Chimica

• Il metabolismo del glucosio è centrale per piante, animali e molti microrganismi.
• Il glucosio è ricco di energia potenziale (legami chimici stabili) ed è un ottimo combustibile per il catabolismo.
• La combustione del glucosio con ossigeno produce diossido di carbonio, acqua ed energia: $C<em>6H</em>{12}O<em>6 + 6O</em>2 \rightarrow 6CO<em>2 + 6H</em>2O + \text{energia libera}$.
• La reazione di combustione del glucosio è un'ossidoriduzione.
• Opposto all'ossidazione del glucosio ad alte temperature, nelle cellule avviene un processo controllato da enzimi specifici per estrarre l'energia contenuta nei legami del glucosio e immagazzinarla nell'ATP per attività cellulari.

Catabolismo del Glucosio

• L'energia del glucosio è estratta tramite tre processi catabolici: glicolisi, respirazione cellulare e fermentazione.

Glicolisi

• La glicolisi è una via che inizia il catabolismo del glucosio. Il glucosio (sei atomi di carbonio) è convertito in piruvato (tre atomi di carbonio).
• Si libera una piccola quantità di energia accumulata come ATP e NADH.
• È un processo anaerobico (non richiede ossigeno) ed è l'unica fonte di energia per alcune cellule (globuli rossi).

Respirazione Cellulare

• In presenza di ossigeno, alla glicolisi segue la respirazione cellulare, ossidando ulteriormente il piruvato in acqua e diossido di carbonio.
• È un processo aerobico, che libera molta energia impiegata per formare ATP.

Fermentazione

• In assenza di ossigeno, alla glicolisi segue la fermentazione.

• È un processo anaerobico, che trasforma il piruvato in lattato o etanolo.

• L'ossidazione del glucosio è incompleta, liberando meno energia rispetto alla glicolisi seguita dalla respirazione cellulare.

• La glicolisi è probabilmente il meccanismo biologico più antico per ottenere energia dalle molecole organiche (comparsa in atmosfere prive di ossigeno).

NAD e Reazioni Reversibili

• In una via metabolica, una molecola di substrato si ossida, perdendo protone e due elettroni, trasformandosi nella forma ridotta (NADH).

• In una reazione di riduzione, il NADH + H+ può donare protoni ed elettroni alla specie che si riduce.

• Esempio: la reazione reversibile catalizzata dall'enzima malato deidrogenasi.

  • Acido malico + NAD+ ⇄ Acido ossalacetico + NADH + H+

• Quando l'acido malico si ossida, cede due atomi di idrogeno. Il NAD+ lega un atomo di idrogeno con un elettrone in più (ione idruro, H-), trasformandosi in NADH. Nella reazione opposta il NADH + H+ fa da donatore di atomi di idrogeno.

• Il NAD+ è coenzima di molte deidrogenasi e trasporta equivalenti riducenti da una reazione all'altra.

FAD (Flavin-Adenin-Dinucleotide)

• Il FAD è il coenzima tipico delle flavoproteine che catalizzano ossidoriduzioni.
• Esiste in due forme: ossidata (FAD) e ridotta (FADH2).
• Quando una molecola di substrato si ossida perdendo due atomi di idrogeno, la forma ossidata del FAD accetta i due atomi di idrogeno e si riduce a FADH2: $FAD + 2H^+ + 2e^- \rightarrow FADH_2$
• Il FAD è coinvolto nelle reazioni cataboliche dell'ossidazione del glucosio e deriva dalla vitamina B2 (riboflavina).