Il termine metabolismo si riferisce all’insieme delle

reazioni chimiche che avvengono nell’organismo.

Le reazioni biochimiche avvengono con formazione o

rottura di legami nel corso di processi catalizzati dagli

enzimi con l’intervento talvolta di coenzimi.

Definizione di metabolismo

L’ anabolismo è l’insieme delle reazioni chimiche di

sintesi che assemblano sostanze semplici in

molecole più complesse, utilizzando più energia di

quella che producono.

Il catabolismo è l’insieme delle reazioni chimiche di

degradazione che demoliscono composti organici

complessi in molecole più semplici, liberando più

energia di quella che consumano.

Definizione di metabolismo

L’appaiamento di reazioni che rilasciano energia e che

richiedono energia è raggiunto attraverso l’ATP.

Definizione di metabolismo

Durante la digestione i polisaccaridi e i disaccaridi

sono scissi in monosaccaridi che vengono assorbiti

nell’intestino tenue. Poiché il glucosio è la fonte

prescelta dell’organismo per la sintesi dell’ATP, il

destino del glucosio assorbito con gli alimenti dipende

dalle necessità cellulari.

Il metabolismo dei carboidrati

Il catabolismo del glucosio, conosciuto anche come

respirazione cellulare, avviene in quattro fasi

1.glicolisi;

2.formazione di acetilcoenzima A;

3.ciclo di Krebs;

4.catena di trasporto degli elettroni.

Possono essere riassunte nella reazione:

C6H12O6 + 6O2 → 38ATP + 6CO2 + 6H2O

Il metabolismo dei carboidrati

Il metabolismo dei carboidrati

La maggior parte del glucosio introdotto nell’organismo

viene utilizzato per la sintesi di ATP.

Quello in eccesso può essere impiegato per la sintesi

•di glicogeno;

•di nuove molecole di glucosio a partire da proteine e

lipidi.

Il metabolismo dei carboidrati

La gluconeogenesi è una serie di reazioni svolte

all’interno delle cellule epatiche in cui la componente di

glicerolo dei trigliceridi, l’acido lattico e certi

amminoacidi vengono convertiti in glucosio.

Il metabolismo dei carboidrati

Il metabolismo dei carboidrati

I lipidi, come i carboidrati, possono essere utilizzati

per produrre ATP a partire dai trigliceridi.

I lipidi vengono utilizzati come molecole strutturali. Gli

acidi grassi essenziali sono l’acido linoleico e l’acido

linolenico.

Il metabolismo dei lipidi

Il catabolismo dei lipidi, o lipolisi, è il processo che si

svolge in muscoli, fegato e cellule adipose durante il

quale i trigliceridi vengono scissi in glicerolo e acidi

grassi. In questo processo il fegato può convertire

alcune molecole di acetil-CoA in corpi chetonici.

Il metabolismo dei lipidi

Il metabolismo dei lipidi

Durante l’anabolismo dei lipidi l’ormone insulina

stimola le cellule epatiche e adipose a sintetizzare

trigliceridi a partire non solo dai grassi, ma anche da

carboidrati e proteine.

Il metabolismo dei lipidi

La maggior parte dei lipidi non è idrosolubile. Per poter

essere trasportati nel sangue devono essere legati a

proteine per essere idrosolubili.

Le lipoproteine sono particelle sferiche dotate di un

rivestimento esterno di proteine, fosfolipidi e

colesterolo, che racchiude un nucleo interno di

trigliceridi e altri lipidi.

Il metabolismo dei lipidi

Nel corso della digestione le proteine vengono

degradate in amminoacidi.

Contrariamente ai carboidrati, gli amminoacidi non

vengono immagazzinati, ma vengono ossidati per

produrre ATP oppure utilizzati per la sintesi di nuove

proteine.

Gli amminoacidi in eccesso vengono convertiti in

trigliceridi o in glucosio (gluconeogenesi).

Il metabolismo delle proteine

Con il processo di deaminazione nelle cellule

epatiche si verifica la rimozione dei gruppi amminici

dagli amminoacidi con produzione di ammoniaca che

viene accumulata e successivamente convertita in

urea da smaltire tramite le urine.

Il metabolismo delle proteine

La biosintesi della proteine si svolge nei ribosomi

sotto la direzione di DNA e RNA.

Dei 20 amminoacidi presenti nel corpo umano, 10 sono

amminoacidi essenziali perché non prodotti

dall’organismo in quantità adeguata e quindi devono

essere introdotti con l’alimentazione.

Gli altri 10 sono definiti amminoacidi non essenziali e

sono sintetizzati dall’organismo.

Il metabolismo delle proteine

Respirazione cellulare

• La principale molecola organica complessa che viene

demolita in molecole semplici dalle cellule per ottenere

energia è il glucosio

L’energia liberata durante la demolizione del glucosio viene temporaneamente immagazzinata nella molecola di ATP

• La demolizione del glucosio prevede

due fasi: la prima è la glicolisi che, in

presenza di ossigeno, è seguita dalla

respirazione cellulare; in assenza di

ossigeno, invece, la glicolisi è seguita

dalla fermentazione

• La demolizione del glucosio si realizza

attraverso reazioni di ossido-riduzione

catalizzate da enzimi che utilizzano

degli accettori di atomi di idrogeno

(elettroni + H+), come il NAD+ e il FAD

Demolizione del glucosio

Demolizione del glucosio (schema riassuntivo)

La glicolisi è un processo:

• che avviene nel citoplasma di

tutte le cellule, sia procariote che

eucariote

• che non ha bisogno di ossigeno

• mediante cui una molecola di

glucosio (6C) viene spezzata in

due molecole di acido piruvico

(3C), ossia in un composto più

ossidato e contenente meno

energia

Glicolisi

• La glicolisi avviene in nove tappe suddivise in due fasi:

una fase preparatoria, in cui sono consumate due

molecole di ATP, e una fase di recupero energetico,

che produce 4 ATP e 2 NADH + 2H+

• Il guadagno energetico effettivo è di 2 ATP e 2 NADH

Tappe della glicolisi

• In assenza o in carenza di ossigeno, l’acido piruvico non può

essere ulteriormente demolito

• In questo caso, nel citoplasma avviene la fermentazione

• Lo scopo della fermentazione è quello di rigenerare il NAD+,

necessario per poter svolgere nuovamente la glicolisi

• Vi sono diversi tipi di fermentazione, ciascuno dei quali produce

sostanze diverse

• Le più importanti sono: fermentazione lattica e fermentazione

alcolica

La fermentazione

La fermentazione lattica

avviene:

La fermentazione lattica

in alcuni microrganismi anaerobici ed è utilizzata per la produzione di yogurt

nelle cellule muscolari sottoposte a un intenso esercizio fisico anaerobico

La fermentazione lattica determina:

• la formazione di acido lattico (tossico per le cellule), che è la causa

dei dolori muscolari e viene ritrasformato in glucosio dal fegato

• la formazione di NAD+, fondamentale per lo svolgimento della

glicolisi; senza NAD+ il processo si bloccherebbe

Fermentazione lattica: i prodotti finali

La fermentazione alcolica avviene:

• nei lieviti, ed è utilizzata per la

produzione di vino e birra e per

la panificazione

La fermentazione alcolica

La fermentazione alcolica determina:

• la formazione di alcol etilico con liberazione di CO2

• la formazione di NAD+, che è riutilizzato durante la

glicolisi

Fermentazione alcolica: i prodotti finali

In presenza di ossigeno,

l’acido piruvico può essere

ulteriormente ossidato

Respirazione aerobica

Nei mitocondri si verifica il processo di respirazione cellulare suddiviso in due momenti fondamentali:il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni

Lo scopo è fornire alla cellula grandi quantità di energia

L’acido piruvico entra nei mitocondri, si ossida riducendo

un NAD+ e si trasforma in acetil-coenzima A (acetil-CoA)

liberando una molecola di CO2

Dalla glicolisi al ciclo di Krebs

• Il ciclo di Krebs avviene nella matrice mitocondriale

• L’acetil-CoA avvia il ciclo di Krebs legando il gruppo acetile (2 atomi di carbonio) all’acido ossalacetico (4C) con formazione di acido citrico (6C)

• Nel corso del processo, 2 dei 6 atomi di carbonio sono ossidati ad anidride carbonica e si rigenera acido ossalacetico, rendendo questa serie di reazioni un vero e proprio ciclo

• A ogni giro completo il ciclo consuma un gruppo acetile e rigenera una molecola di acido ossalacetico, pronta per essere riutilizzata

Il ciclo di Krebs (1)

Nel corso del ciclo di Krebs parte dell’energia liberata dall’ossidazione degli atomi di carbonio è utilizzata per trasformare ADP in ATP (una molecola per ciclo), parte è utilizzata per produrre NADH e H+ a partire dal NAD+ (3 molecole per ciclo) e parte ancora dell’energia viene utilizzata per produrre FADH2 a partire dal FAD (una

molecola per ciclo)

Ciclo di Krebs (2)

Ciclo di Krebs (schema)

• Gli elettroni catturati dal NADH o dal FADH2 sono ceduti alla catena di trasporto degli elettroni

• Questo processo a “cascata” avviene sulle creste mitocondiali

• Attraverso una serie di reazioni di ossido-riduzione gli elettroni passano da un trasportatore ad alto livello energetico a un altro con energia minore, liberando energia

• L’accettore ultimo di elettroni è l’ossigeno che si lega ad atomi di idrogeno per formare una molecola di acqua

Catena di trasporto di elettroni

Catena di trasporto di elettroni (schema)

• Il flusso di elettroni lungo la catena di trasporto è accompagnato da una

migrazione di protoni attraverso la membrana mitocondriale interna che

crea un gradiente elettrochimico

• La membrana mitocondriale interna è impermeabile agli ioni H+

Gradiente elettrochimico

Disposizione delle componenti della catena di trasporto degli elettroni.

• Per tornare nella matrice, i protoni si incanalano attraverso un enzima, l’ATP-

sintetasi, che utilizza l’energia ricavata dalla dissipazione del gradiente

protonico per la sintesi di ATP

• Tale meccanismo di sintesi dell’ATP è detto accoppiamento chemiosmotico

Sintesi di ATP

L’ATP-sintetasi è costituita da due unità: F0 e F1

Bilancio energetico totale

* In alcune cellule il costo energetico del trasporto di elettroni dal NADH formatosi nella glicolisi, attraverso la membrana mitocondriale interna, abbassa la produzione netta di queste due NADH a 4 ATP; così, la produzione totale massima in queste cellule è di 36 ATP

• Gli organismi possono ottenere energia, oltre che dal glucosio, anche dai trigliceridi e dalle proteine

• I trigliceridi sono scomposti in glicerolo e acidi grassi. Gli acidi grassi sono demoliti in frammenti a due atomi di carbonio ed entrano nel ciclo di Krebs come acetil-CoA

• Le proteine sono scomposte nei loro amminoacidi, dai quali vengono rimossi i gruppi amminici e lo scheletro carbonioso entra nel ciclo di Krebs

Strategie metaboliche

Degradazione di carboidrati, proteine e lipidi per ottenere energia

Strategie metaboliche (schema)

ATP

• L’ATP (adenosin trifosfato) è una speciale molecola capace di

immagazzinare energia ed è formato da un nucleotide che presenta 3

gruppi fosfato

• Sono proprio i legami tra i gruppi fosfato a trattenere una certa quantità

di energia

NAD+ e FAD

• Il NAD (nicotinamide adenin-dinucleotide) e il FAD (flavin-adenin

dinucleotide) sono coenzimi: trasportano gli elettroni durante le reazioni

redox

Analogamente, acquistando due protoni e due elettroni il FAD si riduce a FADH2. Le molecole di NADH e di FADH2 sono ricche di energia

Il NAD esiste in due forme chimicamente distinte: la forma ossidata (NAD+) e quella ridotta (NADH + H+)