Metabolismo Cellulare Notes

Vie Metaboliche

Il metabolismo energetico è un'attività cellulare coordinata con tre funzioni principali:
- Ricavare energia (da energia luminosa in autotrofi o da nutrienti in eterotrofi).
- Idrolizzare polimeri biologici in monomeri (polisaccaridi → monosaccaridi, proteine → amminoacidi, acidi nucleici → nucleotidi, trigliceridi → glicerolo e acidi grassi).
- Sintetizzare polimeri biologici da monomeri e trigliceridi da glicerolo e acidi grassi.
Le trasformazioni avvengono gradualmente in sequenze di reazioni.
Ogni tappa è catalizzata da un enzima specifico, formando un prodotto intermedio che diventa il reagente della reazione successiva fino al prodotto finale.
Una via metabolica è la sequenza di reazioni in un processo metabolico.
Vie metaboliche diverse sono interconnesse se condividono un prodotto intermedio.
Molte vie metaboliche sono comuni a tutti gli organismi, mentre altre sono specifiche per alcuni gruppi.
Negli eucarioti, molte vie avvengono in organelli specifici (mitocondri, cloroplasti).
Reazioni chiave controllate da enzimi essenziali possono essere inibite o attivate per modificare la velocità dell'intero processo.

Regolazione del Flusso di una Via Metabolica

Ogni via metabolica ha un passaggio obbligato: una volta avvenuta la reazione catalitica, le altre si susseguono fino al prodotto finale.
Se la cellula non necessita del prodotto, il prodotto finale inibisce l'enzima che catalizza il passaggio obbligato, interrompendo la via metabolica all'inizio.
L' inibizione spesso avviene in un sito allosterico.
Il prodotto finale agisce come inibitore non competitivo di un enzima della via che porta alla sua sintesi (inibizione retroattiva o a feedback).
- Sito allosterico: regione dell'enzima diversa dal sito attivo a cui si lega un inibitore o un attivatore, causando un cambiamento conformazionale che ne modifica l'attività.
Esempio:
- La via metabolica dei batteri che porta alla sintesi dell'isoleucina a partire dalla treonina.
- Accumulo del prodotto finale (isoleucina) causa l'inibizione allosterica dell'enzima che catalizza il passaggio obbligato, bloccando la produzione del prodotto finale stesso.

Vie Cataboliche e Vie Anaboliche

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 una molecola trasportatrice attivata che partecipa alle reazioni enzimatiche.
L'ATP incamera temporaneamente l'energia liberata nelle reazioni esoergoniche e la cede per le reazioni endoergoniche.
L'ATP è un nucleotide formato da:
- Uno zucchero pentoso (2'-desossiribosio nel DNA o ribosio nell'RNA).
- Una base azotata (purine: adenina e guanina; pirimidine: citosina, timina e uracile) legata allo zucchero con legame B-N-glicosidico.
- Uno o più gruppi fosfato (fino a tre): il primo legato allo zucchero con legame fosfoestereo, i successivi con legame fosfoanidridico ad alta energia.
L'idrolisi del legame fosfoanidridico libera energia immagazzinata nell'ATP.
L'idrolisi di un legame fosfoanidridico nella molecola di ATP rilascia $30,84 \frac{kJ}{mol}$ ; la reazione libera una molecola di ADP e fosfato inorganico.

Reazioni di Ossidazione-Riduzione (Redox)

La maggior parte delle reazioni anaboliche e cataboliche sono reazioni redox, dove uno o più elettroni vengono trasferiti da una specie chimica all'altra.
La specie che perde elettroni è il riducente (si ossida), quella che acquista elettroni è l'ossidante (si riduce).
Ossidazione e riduzione avvengono sempre insieme.
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 con coenzimi specifici: NAD, NADP e FAD.
Questi coenzimi subiscono ossidazioni e riduzioni reversibili, agendo come "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.
NAD deriva dalla vitamina B3 (niacina), sintetizzata dall'amminoacido triptofano.
NAD opera nelle reazioni cataboliche (ossidazione del glucosio), mentre NADP ha un ruolo in molte reazioni anaboliche e nella protezione dai radicali liberi.
Entrambi i coenzimi esistono in forma ossidata e ridotta.
- Il segno + nelle abbreviazioni NAD e NADP indica la forma ossidata con carica positiva sull'azoto; H in NADH e NADPH indica la forma ridotta del coenzima.
- Ossidazione è spesso sinonimo di deidrogenazione; gli enzimi che catalizzano reazioni di ossidazione (ossidoreduttasi) sono detti deidrogenasi.
Quando una molecola di substrato si ossida perdendo due atomi di idrogeno, la forma ossidata del coenzima ( $NAD^+$ ) può accettare un protone e due elettroni trasformandosi nella forma ridotta (NADH).
Viceversa, in una reazione di riduzione, NADH può donare protoni ed elettroni alla specie che si riduce.
- Esempio: Reazione reversibile catalizzata dalla malato deidrogenasi:
 $COOH$
 $|$
 $H-C-OH$
 $|$
 $CH2$ $|$ $COOH$ acido malico $\rightleftharpoons$ $COOH$ $|$ $C=O$ $|$ $CH2$
 $|$
 $COOH$
 acido ossalacetico
Poiché il NAD è coenzima di molte deidrogenasi, esso trasporta equivalenti riducenti da una reazione all'altra.
Ci sono più di duecento enzimi cellulari che catalizzano la riduzione del NAD, tutti della famiglia delle deidrogenasi.

FAD

Il flavin-adenin dinucleotide (FAD) è il coenzima tipico delle flavoproteine, enzimi che catalizzano ossidoriduzioni.
FAD si presenta in forma ossidata (FAD) e ridotta ( $FADH_2$ ).
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 $FADH2$ : $FAD + 2H^+ + 2e^- \rightarrow FADH2$
Il FAD è coinvolto nelle reazioni cataboliche dell'ossidazione del glucosio e deriva dalla vitamina B2 (riboflavina).

Ossidazione del Glucosio

Il metabolismo del glucosio è centrale per piante, animali e molti microrganismi eucarioti e procarioti.
Il glucosio è un ottimo combustibile per il catabolismo grazie alla sua energia potenziale.
La combustione del glucosio (ossidazione) produce diossido di carbonio e acqua, rilasciando energia:
$C6H{12}O6 + 6O2 \rightarrow 6CO2 + 6H2O + energia\ libera$
Nelle cellule, l'ossidazione del glucosio è un processo controllato con molte reazioni intermedie, ognuna catalizzata da un enzima specifico.
Questo processo estrae l'energia dai legami del glucosio e la immagazzina in molecole di 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 la via che inizia il catabolismo del glucosio, convertendo il glucosio (sei atomi di carbonio) in piruvato (tre atomi di carbonio).
Durante il processo si libera una piccola quantità di energia accumulata come ATP e NADH.
La glicolisi è un processo anaerobico e costituisce l'unica fonte di energia in alcuni tipi di cellule (globuli rossi).

Respirazione Cellulare

In presenza di ossigeno, la respirazione cellulare ossida ulteriormente il piruvato formando acqua e diossido di carbonio (processo aerobico).
Durante la respirazione cellulare si libera una grande quantità di energia, impiegata per formare ATP.

Fermentazione

In assenza di ossigeno, alla glicolisi segue la fermentazione (processo anaerobico).
La fermentazione trasforma il piruvato in lattato o etanolo, composti ancora ricchi di energia.
L'ossidazione del glucosio è incompleta, quindi si libera meno energia rispetto alla glicolisi seguita dalla respirazione cellulare.
Catabolismo del glucosio:
- Glicolisi → Piruvato
 - In condizioni aerobiche → Respirazione cellulare (ossidazione completa, prodotti di scarto: $H2O$ , $CO2$ , energia netta catturata: 32 ATP)
 - In condizioni anaerobiche → Fermentazione (ossidazione incompleta, prodotti di scarto: acido lattico o etanolo e $CO_2$ , energia netta catturata: 2 ATP)
- La glicolisi è probabilmente il meccanismo biologico più antico sviluppato per ottenere energia dalle molecole organiche.