BIOCHIMICA GENERALE

8/3/2019 BIOCHIMICA GENERALE

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BIOENERGETICA

Gli organismi viventi hanno la necessità e la peculiarità di conservare le proprie strutturealtamente organizzate e mantenere un preciso ordine interno attivando processi che possanocontrastare l’inesorabile degrado della materia. Le cellule hanno sviluppato meccanismi moltoefficaci per catturare l'energia dalla luce del sole (organismi fotosintetici) o per estrarla dasostanze ossidabili e accoppiarla ai processi che questa energia consumano . Inquest’ultimo caso esse prelevano molecole dall’ambiente, i nutrienti, dai quali, tramite iprocessi degradativi, (catabolici) trasferiscono l'energia all'ATP. Sono le reazioni esoergonichedi demolizione che rendono disponibile l’energia da usare per fare avvenire i processi checonsumano energia come il lavoro meccanico, il lavoro osmotico ed elettrico, il trasferimentodell'informazione genetica, il mantenimento dell'omeostasi termica e i numerosi processibiosintetici, riduttivi, quelli delle reazioni endoergoniche che oltre a produrre molecoleimportanti per la funzionalità della cellula, concorrono al mantenimento delle strutture ordinatedegli organuli cellulari.

Tutte le trasformazioni energetiche che avvengono in natura seguono le leggi dellatermodinamica e gli esseri viventi non sfuggono a questi principi.Le cellulesono trasduttori (trasformatori) di energia efficacissimi e sono sistemi termodinamici che

operano a temperatura costante.Il primo principio della termodinamica è il principio della conservazione dell’energia, quelloche ci ricorda che l’energia non si può né creare né distruggere ma solo trasformare e quindiche l’energia totale sistema-ambiente è costante. Un'altro modo di enunciare il primoprincipio è "l'energia totale scambiata in un sistema termodinamico è indipendente dalpercorso che si compie nelle trasformazioni ma dipende dal punto iniziale e da quello finale.Così la quantità di energia liberata dall’ossidazione del glucosio in una bomba calorimetria, cheavviene in una frazione di secondo e in un'unica tappa, è la stessa liberata dalla cellula nellungo e complesso percorso catabolico.

Il secondo principio della termodinamica introduce il concetto di entropia (S), che èl’equivalente matematico del disordine molecolare

Il secondo principio dice che in ogni trasformazione energetica la somma delle variazioni dientropia del sistema-universo aumenta. Come dire che in tutte le reazioni con scambid’energia il disordine molecolare dell’universo aumenta.

Se consideriamo una cellula il sistema e l’ambiente intorno l’universo avremo che: .

∆S universo + ∆S sistema > 0

L’ energia libera di Gibbs ( G) è l’energia in grado di produrre lavoro utile durante unareazione a temperatura e pressione costanti. Nelle reazioni esoergoniche il sistema perdeenergia libera e i prodotti si trovano ad un livello energetico più basso e quindi ∆ G sarà < 0.

In quelle endoergoniche, quelle “in salita” i prodotti si trovano ad un livello energeticosuperiore e quindi “guadagnano” energia libera per cui sarà ∆ G > 0.

L’ entalpia H è il contenuto termico di un sistema ed esprime il numero e la qualità dei legamidei reagenti e dei prodotti. Nelle reazioni che rilasciano calore (esotermiche) ∆H sarà < 0. Inquelle che assorbono calore (endotermiche) sarà ∆H > 0.

A temperatura e pressione costanti, le condizioni esistenti nei sistemi biologici, S,H,G sonocorrelate dalla seguente equazione:

∆G = ∆H - T∆S

Poiché nei processi spontanei ∆ H < 0 e ∆S > 0 si avrà ∆G < 0 (vedi anche le relazioni tra∆G, ∆H e ∆S)

Apparentemente gli esseri viventi sfuggono al secondo principio della termodinamica ma ciò,

oltre a essere impossibile, non è vero. Essi riescono a mantenere l’ordine interno e quindientropia negativa, rilasciando nell’ambiente fattori antropici che compensano ampiamentel’ordine interno ed in modo che l’entropia ambiente-sistema cellula sia maggiore di 0.

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Nello studio del metabolismo energetico incontreremo vie degradative esoergoniche (quindicon ∆G < 0) che sono reazioni spontanee, in senso termodinamico, che avvengono nei tempi enei modi fisiologici solo se ogni tappa viene catalizzata da uno specifico enzima. Questereazioni che fanno parte, nel loro insieme, del catabolismo, sono ossidazioni biologiche.

Le ossido-riduzioni biologiche

Rimandandovi al corso di chimica per una completa trattazione delle ossido-riduzioni, a noiinteressa, in questa sede capire quali sono le strategie degli esseri viventi per estrarre energiadalle ossidazioni e come poi utilizzano questa energia per "spingere" le numerosissime reazioniendoergoniche di biosintesi che le consentano, oltre a produrre molecole fondamentali, dimantenere il peculiare ordine interno.

L'atomo che dobbiamo mettere al centro delle nostre osservazioni è l'atomo di Carbonio che,negli organismi viventi, si trova in cinque diversi stati d'ossidazione.

La figura mostra i cinque stati d'ossidazione del C partendo dal piùridotto (nell'alcano, nella tabella) a quello più ossidato: il diossido diC.

L'etano è un idrocarburo ed il C si trova a condividere i doppiettielettronici con un atomo meno elettronegativo. Il risultato è che ilC, negli idrocarburi, è ad un alto stato di riduzione e questocomporta che la sua ossidazione libera una elevata quantitàd'energia. Ecco perché gli idrocarburi sono combustibili largamenteusati per produrre energia. Passando da un idrocarburo adun alcol si ha una ossidazione purché si introduce un legame C-O. E' intuitivo capire che, nel suo insieme l'alcol mantienecomunque un alto grado di riduzione: ecco perché le bevandealcoliche sono alimenti energetici.

L'aldeide presenta uno stato d'ossidazione superiore a quello dell'alcol perché un atomo di Ccondivide due doppietti elettronici con l'O, l'atomo più elettronegativo tra gli elementi (F

escluso). Gli acidi organici hanno un C ancora più ossidato.Ma anche dagli acidi e, a maggior ragione dalle aldeidi, è ancora possibile estrarre energiaossidandoli ad anidride carbonica (diossido di C) che è la forma più ossidata del carbonio.

Una ossidazione (combustione) è completa quando i prodotti finali sono CO 2 e H 2O

Possiamo scrivere così una reazione generale e semplificata:

Combustibile + comburente ———→ nCO 2 + nH 2 O + Energia

(Idrocarburi/alcol/aldeide/acido) + n O2 ———→ nCO 2 + nH 2O + Energia

Alcune considerazioni:E' evidente una "scala" di ossidazione del carbonio che in senso

crescente è :Idrocarburi →Alcol →Aldeide →Acido →Anidride carbonica .

Passare, in questo ordine, dall'uno all'altro è una ossidazione. Nell'ordine inverso è unariduzione. Le sostanze ossidabili contengono una certa quantità di energia di legame che vienegradatamente liberata da sistemi multienzimatici che formano le vie o i cicli metabolici. Unaparte di questa energia sarà energia utile capace di essere sfruttata per compiere un lavoro eduna parte si disperderà nell'ambiente sotto forma di fattori entropici.

Una reazione di ossidoriduzione è un trasferimento di elettroni e nella cellula vi sono tre modiprincipali di farlo

Un substrato ridotto lo possiamo rappresentare legato a due atomi di H ed è il donatore di

protoni ed elettroni

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Gli enzimi che operano i trasferimenti di elettroni tramite trasferimenti diidrogeno Si chiamano deidrogenasi e saranno fondamentali nelmetabolismo energetico (e non solo). I loro coenzimi FAD e NAD + sarannoin grado di accettare rispettivamente 2 atomi di H,E uno ione idruro.

Le reazioni accoppiate Consideriamo una reazione di una ipotetica via metabolica in cuiA si trasforma in C, e ammettiamo che la reazione globale avvenga in due passaggi, come nelseguente esempio:

1) A→ B con ∆G1°'> 0. Questa reazione non avviene se non si fornisce energia alsistema.

2) B→ C con ∆G2°'<< 0 Questa reazione è esoergonica (un ossidazione) e libera piùenergia di quanto ne occorra per fare avvenire la prima

Dato che A si trasforma in B che a sua volta si trasforma in C, possiamo scrivere lareazione globale considerando B un intermedio e quindi possiamo trascurarlo. Lareazione nel suo insieme sarà: A ———→ C

I valori di ∆G°'nelle reazioni sequenziali sono addittivi e quindi il valore dellavariazione d'energia libera nella reazione A →C è dato dalla somma algebrica delledue reazioni separate.

Essendo il ∆G di B →C maggiore in valore assoluto di quello sfavorevole di A →B, lareazione globale A →C ha un ∆G <0 e quindi avviene, nonostante che la prima partesia endoergonica.

Questo principio spiega perché una reazione termodinamicamente sfavorita puòavvenire se accoppiata e guidata da una reazione esoergonica attraverso unintermedio comune.

In biochimica molte reazioni biosintetiche endoergoniche sono guidate e accoppiate

a reazioni esoergoniche.Ad esempio la fosforilazione del glucosio a glu-6-P è la prima tappa della utilizzazione delglucosio nelle cellule. Essa è una reazione endoergonica che avviene perchécontemporaneamente si ha l'idrolisi dell'ATP in ADP + Pi.

La tabella seguente è molto chiara!

(i valori dell'energia libera sono espressi in KJ. Ricordiamo che dividendo per 4.18 otteniamo leKcal.)

Glucosio + Pi ———→ Glucosio 6-Pi ∆G = + 14 KJ/mole

ATP + H2O ———→ ADP + Pi ∆G = -30 KJ/mole

avendo comuni gli intermedi Pi le reazioni sono sequenziali e quindiaddittive

ATP+ Glucosio ———→ ADP+ Glucosio-6P

∆Gtotale= -17KJ/mole(7.3Kcal/mole)

Il metabolismo: una visione d'insiemeL'insieme delle trasformazioni che avvengono in un organismo vivente si chiama

metabolismo . Il metabolismo si divide in catabolismo che comprende tutte le reazioni

degradative che trasformano composti complessi, con una certa quota di energia di legame, insostanze sempre più semplici estraendo intermedi importanti o, nel catabolismo energetico,l'energia necessaria per le varie attività biologiche quali il movimento, il trasferimento

dell'informazione genetica, il passaggio selettivo attraverso le membrane, il mantenimento

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dell'omeostasi termica, l'eliminazione di sostanze tossiche (come l'NH 3). Una parte importantedella trasduzione dell'energia chimica di legame in energia libera, e che è fondamentale nello

nostro studio successivo, sarà destinata a rendere possibili tutte le sintesi di molecoleindispensabili per un corretto funzionamento delle cellule che nel loro insieme sono l'altra parte

del metabolismo: l'anabolismo . L'anabolismo è costituito da tutte le reazioni endoergonicheche partendo da relativamente pochi composti semplici, attraverso reazioni riduttive, permettealle cellule di sintetizzare numerose e complesse biologiche di fondamentale interesse. Si pensi

alla sintesi delle proteine e della loro importanza biologica.

Nelle cellule le reazioni cataboliche e quelle anaboliche non sono accoppiate temporalmenteper cui esse devono disporre di un “serbatoio di raccolta” dell’energia: un compostointermedio secondo lo schema:

AH2 + I —redox ————→ A + IH2 A viene ossidato da un composto che assume

elettroni e protoni (H+) e che quindi si riduce.

Questo intermedio deve essere comune ad altre reazioni e cioè entrare in altre redox e, col suopotere riducente acquisito, riossidarsi per ridurre un nuovo composto B sul quale verràtrasferita l'energia (potere riducente).

IH2 + B —redox ————→ I + BH 2.

Osservare che l'intermedio in una classica ossidoriduzione funziona da deidrogenasi. In questareazione l’intermedio si riduce ossidando A. Ma il suo “potere riducente” deve essereripristinato e questo avviene permettendo una reazione riduttiva “accoppiata” a quellaossidativa. Alla fine delle due reazioni I esce inalterato. Gli enzimi che contengono coenzimiche operano le deidrogenazioni sono accettori di H 2 . L’ossidazione di AH 2 ha liberatoenergia che si è trasferita nell’intermedio che porta il potere di ridurre altre molecole e quindidi innescare le vie biosintetiche. Vedremo la struttura e il meccanismo d'azione di due coenzimidelle deidrogenasi, il FAD e il NAD + , fondamentali nel metabolismo come intermedi capace diaccettare elettroni e quindi di ridursi e di cederli in altre reazioni, riossidandosi, perricominciare di nuovo. E' naturale che il metabolismo energetico sarà alimentato e dipenderàda questi coenzimi ossidati . Vedremo anche che, alla fine della glicolisi, Il NAD si riduce aNADH....ma non viene ripristinato dalla via metabolica. La cellula dovrà trovare una soluzione,pena il blocco della glicolisi e quindi di tutto il catabolismo del glucosio.

Una cellula ha bisogno di una riserva di energia autonoma e capace di essere ceduta in unamolteplicità di reazioni. Una specie di accumulatore che immagazzina energia, capace diessere sintetizzato in molte reazioni esoergoniche e utilizzabile in molte reazioniendoergoniche.

La molecola, non la sola, ma la più importante, che svolge queste funzioni è l’ATP.

L'ATP è un nucleotide in cui l'adenina, una base azotatapresente anche nel DNA si lega ad una molecola diribosio, con un legame

N-glicosidico, il quale a sua volta lega, con legame estereforte, un fosfato. I legami del primo fosfato col secondo equello del secondo col terzo sono legami fosfoanidridici,abbastanza forti, ma idrolizzabili enzimaticamente.

Come si vede in figura l'ATP, in acqua, presenta quattrocariche elettriche negative che rendono instabile la molecola. L'acqua si addiziona al legamefosfoanidridico terminale provocandone la rottura. Questa rottura è catalizzatadall'enzima ATPasi che nel sito attivo espone uno ione bivalente positivo Mg +2 che

destabilizza, avvicinandole tra loro, le cariche negative. L'allontanamento successivo degli ioniMg provoca una violenta repulsione elettrostatica che determina la rottura del legamefosfoanidridico.

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ATP + H 2 O ——→ ADP + Pi La reazione ha un ∆G°' di -7.3 Kcal/mole (-30.5 KJ/mole)

ed è quindi fortemente esoergonica.

L'idrolisi dell'ATP è spostata a destra perché i prodotti presentano una maggiore stabilitàcomplessiva dovuta sia allo ione fosfato, stabilizzato per risonanza, che all'ADP che si ionizzaliberando H + in ambiente pressoché neutro.

La funzione dell'ATP è quella di mettere a disposizione energia libera immediatamente e nonquella di conservarla.

Il turnover dell'ATP è elevatissimo. Un uomo a riposo consuma circa 40 Kg di ATP in 24 ore.Durante uno sforzo considerevole la velocità di utilizzazione dell'ATP è di circa 1/2 Kg alminuto! E' del tutto evidente che questo è possibile solo se la cellula è in grado di rigenerareATP dall'ADP secondo la reazione: ADP + Pi ——→ ATP .

Come vedremo sarà, per i chemiotrofi, l'ossidazione dei nutrienti la strada che porterà allaproduzione di ATP.

Come abbiamo visto, l'ATP cede Pi (fosfato inorganico) all'acqua con una certa facilità e alloradefiniamo il suo potenziale di trasferimento di gruppi fosfato uguale all'energia liberata daquesto processo: ∆G°' = -7.3 Kcal/mole.

Nella cellula ci sono composti estremamente importanti, con un potenziale ditrasferimento di fosfato superiore a quello dell'ATP e li incontreremo nel corso di studio. Unodi questi è la fosfocreatina.

Questi composti possono trasferireun gruppo fosfato all'ADP perrigenerare ATP. Nel muscolo laquantità di ATP presente puòsostenere l'attività contrattile permeno di un secondo.

L'abbondanza di fosfocreatina, conil suo elevato potenziale ditrasferimento di fosfato, permetteuna generazione immediata di ATPsecondo la reazione:

Fosfocreatina + ADP —→ ATP +Creatina.

Quindi durante l'eserciziomuscolare è la fosfocreatina che

mantiene elevata la concentrazionedi ATP.

L'ATP è un ottimo trasportatore di gruppi fosfato anche per il fatto che ha un potenziale ditrasferimento intermedio rispetto ai principali composti fosforilati che ci sono nella cellula.

Abbiamo capito così perché l'esochinasi può trasferire un Pi dall'ATP al glucosio. Infatti ilglucosio-6-P ha un potenziale di trasferimento inferiore a quello dell'ATP.

Vedremo, nella glicolisi, che si genererà ATP per un trasferimento di Pi dal fosfoenolpiruvatoall'ADP. Si tratta di sintesi di ATP a livello del substrato

I coenzimi delle deidrogenasi: NADH e FADH 2

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Generare ATP è quindi lo scopo principale di tutto il metabolismo energetico. Abbiamo vistocome questo avvenga alla fine di un lungo processo di demolizione dei nutrienti che ècaratterizzato da una serie di ossidoriduzioni in cui, partendo da un substrato ridotto (uncarboidrato, un acido grasso e anche un aminoacido) con una determinata energia potenziale

di legame, gli elettroni e i protoni vengono trasferiti da intermedi specifici. Questi trasportatoridi "potere riducente" sono i coenzimi delle deidrogenasi: il flavin-adenin-dinucleotide(FAD) e il nicotinammide-adenin-dinucleotide (NAD+).

Sarà bene abituarsi, e lo capiremo presto, a distinguere i quattro modi in cui questi coenzimi sitrovano scritti che sono le seguenti:

NAD + che si legge NAD ossidato, NADH che si legge NAD ridotto; FAD che si legge FADossidato e FADH 2 che si legge FAD ridotto.

Incontreremo anche il NADP + che si legge NAD fosfato ossidato e il NADPH , NAD fosfatoridotto.Questi coenzimi sono complessi molecolari che, per la loro struttura, possonoaddizionare protoni ed elettroni di atomi di idrogeno rimossi dalle deidrogenasi. Eprecisamente:Il NAD+ è in grado di accettare uno ione idruro e quindi un protone e due elettroni : H:(ione

idruro) ——→ H+ + un doppietto elettronico.

Il FAD è in grado di accettare due atomi di H e cioè due protoni (2 H + ) + un doppiettoelettronico.

Evidentemente il NAD ossidato che addiziona due elettroni e un protone si riduce e passa nellaforma NADH (ridotto).

Il FAD passa da FAD a FADH 2. Ma vediamo meglio le loro strutture.

Il nicotinammide-adenin-dinucleotide (NAD+; NADH)

La figura ci mostra la sua forma ossidata (NAD + ).

Come si può vedere all'anello eterociclico dell'adenina èlegato un ribosio. Il ribosio lega due gruppi fosfato che,tramite un nuovo ribosio, legano l'anello nicotinammidico(parte grigia chiara) che è la parte reattiva della molecola,

cioè quella che accetta il doppietto elettronico e un protone.(ricordate: lo ione idruro)

La nicotinammide è la vit. PP.

Poiché le deidrogenasi rimuovono nel complesso due atomidi idrogeno, la reazione globale libererà un protone H +

NAD+ + H 2 ——→ NADH + H +

Come si vede nel dettaglio protoni ed elettroniattaccano il sito reattivo. Un idrogeno si addizionaal sito reattivo mentre l'arrivo del doppiettoelettronico, attratto dall'azoto positivo genera un

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riarrangiamento della distribuzione, nell'anello, che porta all'annullamento della caricasull'azoto che passa da valenza 4 alla valenza 3.

Nota importante: osservando la struttura del NAD, sul ribosio legato all'adenina, in posizione 2'troviamo il gruppo OH. Se al posto di H sostituiamo un gruppo fosfato, allora si parla di

NADP+ che, come detto si chiama NAD fosfato ossidato. La presenza di un gruppo fosfato, ad

alta energia, conferisce al NADP + , nello stato ridotto, NADPH, la proprietà di essere ilprincipale donatore di elettroni nelle biosintesi riduttive. Il meccanismo di trasferimento deglielettroni è lo stesso sia nel NADH che nel NADPH. E' importante comunque saperli distinguereperché se studiamo una reazione in cui è presente il NADPH allora siamo all'interno di riduzionianaboliche mentre se è presente il NADH allora ci troviamo in tappe cataboliche per laproduzione di ATP. Il NADPH viene generato nella via del pentoso fosfato, che vedremo inseguito.

Il flavin-adenin-dinucleotide (FAD FADH2)

Nella struttura del FAD troviamo ancora un adenina che si lega ad un ribosio che a sua voltalega due gruppi fosfato. La parte centrale è il derivato da una vitamina idrosolubile la

riboflavina, la vit.. B 12 . Laparte reattiva stanell'anello isoallossazinicoche può accettare dueprotoni e due elettronisugli atomi di N, come sivede in figura.

Mentre i coenzimi NAD possono essere legati a diversedeidrogenasi e sono mobili, i FAD sono legati covalentementealle loro proteine enzimatiche che per questo prendono il nomedi flavoproteine.

Come si può facilmente osservare, sia ATP che NAD che FADsono derivati da nucleotidi (l'ATP è un nucleotide).

Schema generale del metabolismo energeticoGli organismi chemiotrofi prelevano dall'ambiente materiali ricchi di energia potenziale di

legame e attraverso una

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complessa serie di reazioni estraggono l'energia libera necessaria per le molteplicifunzioni fisiologiche e per permettere le sintesi di numerose molecole indispensabileper la vita.Attraverso l'apparato digerente introduciamo con la dieta oltre all'acqua, ai saliminerali e alle vitamine , tre classi di nutrienti contenuti negli alimenti. vediProtidi : sono le proteine alimentari che, nel caso dei batteri, possono essereaggiunti al terreno di coltura sottoforma di polipeptidi o peptoni, e cherappresentano la fonte di aminoacidi. Attraverso l'apparato digerente esse vengonoprima idrolizzate tramite l'azione di enzimi proteolitici gastrici ed intestinaliliberando i 20 aminoacidi che saranno poi assorbiti nell'intestino tenue e riversatinel sangue dal quale possono raggiungere tutte le cellule. vedi Glucidi : sono principalmente i carboidrati complessi come l'amido ma anche idisaccaridi come il saccarosio, il lattosio ed il maltosio.I monosaccaridi sono scarsamente presenti negli alimenti ma sono il prodotto dellalunga idrolisi che, cominciando nella bocca si interrompe temporaneamente nellostomaco e continua vigorosamente nel duodeno per l'azione dei succhi pancreatici etermina nell'intestino tenue le cui cellule producono gli enzimi della digestionefinale. Il fruttosio e il galattosio vengono convertiti in glucosio che quindi è l'unicomonosaccaride presente nel sangue periferico e l'unico ad essere utilizzabile dallecellule. Il glucosio è il primo e fondamentale composto di trasformazione biologica

dell'energia radiante in energiachimica. vedi Lipidi: rappresentano una classe dicomposti per nulla o scarsamentesolubili in acqua. i principali costituentidelle molecole lipidiche, a seconda deicasi sono: glicerolo, acidi grassi,colesterolo, acido fosforico basiazotate, sfingosina, inositolo ecc. Neglialimenti gli acidi grassi, molecoleprincipalmente dirette al metabolismoenergetico, sono esterificate alle treposizioni OH del glicerolo e prendono ilnome di trigliceridi. Anche essisubiranno una complessa idrolisi neltubo digerente che richiede l'interventodi sostanze tensioattive come la bile,prodotta dal fegato, col compito diemulsionare i lipidi per renderliattaccabili dalle lipasi pancreatiche edenteriche idrosolubili. vedi

Le tre fasi del metabolismoenergetico

La figura mostra in manieraschematica le tre fasi del metabolismoenergetico a partire dai prodotti deiprocessi digestivi: glucosio. acidi grassie aminoacidi.Come si vede le vie cataboliche sonoconvergenti ed individuano lo ioneacetato come un gruppo chimicocomune alle tre classi di principinutritivi Con vie metaboliche separate,molti aminoacidi, gli acidi grassi e il

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http://www.webalice.it/r.taddei/vitamine.htm

http://www.webalice.it/r.taddei/protidi1.htm

http://www.webalice.it/r.taddei/glucidi1.htm

http://www.webalice.it/r.taddei/lipidi.htm

http://www.webalice.it/r.taddei/vitamine.htm

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glucosio vengono trasformati in acetato caratterizzato dalla presenza di un gruppoacilico: CH 3-COOH

Nella prima fase , attraverso percorsi diversi, i prodotti delledigestione vengono degradati ad acetato. L' acetato verràaddizionato ad un coenzima, il CoA, specifico per i gruppi acilici (C=O)contenente una vitamina del gruppo B . <vedi in seguito>Il coenzima, oltre al annullare l'acidità dello ione acetato, funge datrasportatore dell'acetato all'interno dei mitocondri, compartimentocellulare nel quale avvengono le fasi intermedie e finali delmetabolismo energetico.

La seconda fase corrisponde al ciclo di Krebs nel quale si ha l'ossidazione definitivadei due atomi di C dell'acetato a CO 2(entrano nel ciclo, come vedremo, due acetatiper ogni glucosio) e quindi tramite il ciclo di Krebs, chiamato anche ciclo degli acidi

tricarbossilici o ciclo dell'acido citrico, si ha l'ossidazione dei rimanenti quattro atomidi C a CO 2 Il glucosio, come vedremo, subirà l'ossidazione dei primi due C nel

passaggio da piruvato ad acetato.

Durante il ciclo di Krebs vedremo in azione le deidrogenasi NAD+

e FAD dipendentiche assumeranno elettroni con il meccanismo già studiato e li porteranno nellaterza fase, quella che corrisponde al metabolismo finale: la catena respiratoria in

cui tramite una serie di ossidoriduzioni gli elettroni e l'idrogeno saranno portatiall'ossigeno per formare H 2O.

Questo flusso elettronico e protonico genererà una tensione di membranamitocondriale che determinerà la produzione di ATP tramite una fosforilazione

dell'ADP spinta dell'energia accumulata durante tutto il processo ossidativo . Questafase si chiama Fosforilazione ossidativa.

Anche il CoA, come i dinucleotidi delle deidrogenasi è composto da adenina, ribosio e duegruppi fosfato.

Al secondo fosfato è legato il nucleo di una vitamina che è l'acido pantotenico (vit.B5 ).

La parte reattiva del CoA, cioè quella che addiziona l'acetato è il gruppo sulfridilicoterminale. HS in figura.

Questo gruppo forma un legame tioestere con col carbonio carbonilicodell'acetato, come si può vedere.

Il CoA deve però avere la proprietà di rilasciare l'acetatonel ciclo dell'acido citrico.

Calcolando il ∆G°'della reazione di idrolisi mitocondriale:

Acetil-CoA + H 2 O ←—→ acetato + CoA + H +

si ottiene ∆G°' = - 7.5 Kcal/mole . Da ciò si deduce chel'idrolisi del tioestere è una reazione termodinamicamente

favorevole e si può concludere che il CoA ha un elevatopotere di trasferimento di ioni acetato.

Il CoA è in grado di attivare, trasportare e liberare un numero elevato di gruppimolecole contenenti gruppi acile ed è interessante, a questo punto, osservare comeil disegno metabolico selezionatosi nell'evoluzione biochimica nella strategiecellulare per lo scambio di gruppi attivi è estremamente efficiente perché èeffettuata da un gruppo relativamente piccolo di trasportatori, alcuni deiquali troveremo in questo corso.

La glicolisi e il destino del piruvato La glicolisi è una via metabolica, presente in tutti gli organismi viventi, che converte il glucosio

in due molecole di piruvato generando energia metabolica sottoforma di ATP. Negli

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organismi aerobi essa prelude al ciclo di Krebs e alla catena di trasporto degli elettroni, concui si ottiene l'ossidazione completa del glucosio a H 2O e CO 2.

Negli organismi anaerobi il piruvato viene ridotto in vari composti in assenza di ossigeno . Adesempio l'etanolo è il prodotto della conversione del piruvato in alcuni lieviti. Anche negliaerobi però, se la fibrocellula muscolare è impegnata improvvisamente in uno contrazione

intensa e non è sufficientemente rifornita di ossigeno, il piruvato viene ridotto a lattato. Sial'etanolo che il lattato sono esempi di fermentazione che è una via strategica, come vedremo,di ricavare energia immediata riossidando il NADH citoplasmatico formatosi in una tappa dellaglicolisi.

Il glucosio, entrato nella cellulasotto stimolo ormonale, vieneimmediatamente fosforilato inposizione '6. Questo passaggiocatalizzato dalla glucochinasi nelfegato e dalla esochinasi nelmuscolo e nel cervello, attiva ilglucosio e lo incanala verso il suodestino metabolico (che non èsolo la glicolisi). Si haquindi consumo di una mole diATPperché le chinasi trasferisconoun gruppo fosfato dall'ATP alsubstrato (esse necessitano della

presenza di ioni Mg +2 necessariall'idrolisi dell'ATP). Se la cellulaha bisogno di ricavare energia ilglucosio-6-P subisce unaisomerizzazione a fruttosio-6-P.Con ciò l'anello piranosico delglucosio viene convertito in quellofuranosico, più instabile. Unanuova chinasi,la fosfofruttochinasi (PFK)trasferisce un secondo gruppofosfato in posizione '1 formando ilfruttosio 1,6 difosfato.Si consuma così un'altra mole diATP e si crea una molecolaparticolarmente instabile. Ilpassaggio della PFK è irreversibilee il suo prodotto, il fru-1,6difosfato, è destinato allasuccessiva rottura e quindi"obbligato" a continuare nella viaglicolitica . Ma questa tappa ècruciale perché la PFK èun enzima allosterico modulatoa feedback dall'ATP e dall'acidocitrico, primo intermedio del ciclodi Krebs. Osservare che nellaglicolisi intervengono tre chinasi etutte controllano tappeirreversibili. La esochinasi, la

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fosfofruttochinasi e la piruvatochinasi, sono presidi allosterici per il controllo enzimatico dellaproduzione di energia.

La rottura del fruttosio 1,6 difosfato produce il chetotrioso diidrossiacetone fosfato el'aldotrioso gliceraldeide 3-fosfato.

Il diidrossiacetone viene convertito in gliceraldeide-3-fosfato che continua la via metabolica.

Fino a questo punto la glicolisi è in rimessa energetica, avendo consumato due moli di ATP(con le fosforilazioni operate dalle chinasi) ed ha trasformato il glucosio in due molecole digliceraldeide-3-P.

D'ora in poi dovremo moltiplicare per due!

Comincia così una fase di recupero che oltre ad ATP produrrà coenzimi ridotti.

La gli-3-P viene ossidata a difosfoglicerato ad opera di una deidrogenasi NAD + dipendente.Sommando un fosfato in posizione '1 si ha la rimozione di uno ione idruro che con il suodoppietto elettronico riduce il NAD in NADH , trasferendo l'energia di legame dal substrato alcoenzima ridotto . Il NADH citoplasmatico così formato dovrà essere riossidato. Potrà entrarenei mitocondri ed inserirsi nella catena di trasporto di elettroni alla fine della quale per ogniNADH riossidato si sintetizzano 3 moli di ATP. Ricordando che i NADH formati in questa tappasono 2, potenzialmente potrebbero, da soli, produrre 6 moli di ATP!

La tappa successiva mette in pareggio il bilancio di ATP prodotto e consumato. Infatti, unanuova chinasi trasferisce il gruppo fosfato in posizione 1 del difosfoglicerato all'ADP generandouna mole di ATP ( moltiplicato x 2 = 2 moli di ATP). Dopo una tappa di riarrangiamento, il 2-fosfoglicerato viene deidratato. La deidratazione provoca la formazione di un doppio legame trai carboni e si forma il fosfoenolpiruvato (PEP), già visto per il suo alto potenziale ditrasferimento di fosfato. Infatti nella ultima tappa la piruvato chinasi trasferisce un fosfato dalPEP all'ADP con formazione di nuovo ATP (2 moli) a livello del substrato. Si forma il piruvato ,un importante chetoacido centrale nel metabolismo, non solo energetico.

Termina così la glicolisi che ha prodotto 2 moli nette di ATP e 2 moli di NADH (che, seriossidato nella catena respiratoria, produrrà ulteriori 6 moli di ATP).

Reazione complessiva:

Glucosio + 2Pi + 2ADP + 2NAD + ———→ 2 piruvato + 2ATP +2NADH + 2 H + + 2 H 2O

Osservazioni importanti:

- Da quanto detto si capisce che ci sono due modi per produrre ATP. A livello del substratoquando una chinasi trasferisce un fosfato da una molecola (substrato) ad alto potenziale ditrasferimento all'ADP e a livello della catena respiratoria nella riossidazione dei coenzimi ridotti.

- Nella tappa n° 6 si ha una deidrogenazione NAD dipendente. Dal substrato, la gli-3-P, vienerimosso uno ione idruro che si addiziona all'anello nicotinammidico del NAD + riducendolo aNADH. (Ricordate? SH 2 + I → IH2 + S: ma perché SH 2 possa essere nuovamente ossidatooccorre che IH2 venga riossidato in I [in questo caso NADH] in una diversa reazione). Alloraquesto passaggio può andare avanti solo in presenza, appunto, di NAD ossidato. Nelle restantitappe della glicolisi, non ce n'è una che "si occupi" di riossidare il NADH! Allora? Quando tutto

il NAD+ sarà consumato, la glicolisi non può andare avanti e si blocca! Ma è possibile bloccarela principale via metabolica del catabolismo energetico? No, allora cosa succede?

La glicolisi, come detto, è una via universale, presente cioè in tutti gli organismi viventi e intutti i tipi di cellule. Questa è un ottima dimostrazione di come, nel corso dell'avventurabiologica del pianeta essa abbia "vinto" la pressione selettiva e si sia affermata come la viamigliore per estrarre ATP dal glucosio.

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Il piruvato invece ha un destino diverso che dipende da tipo di organismo e anche, all'internodel medesimo organismo, dal tipo di cellula (in certe condizioni). Vediamo alcuni esempi:

1.In alcuni microrganismi e nei lieviti il piruvato viene ridotto ad etanolo in duepassaggi: una decarbossilazione ed una deidrogenazione.

La prima tappa, la decarbossilazione, è operata daun enzima contenente, come coenzima, unavitamina idrosolubile, la tiamina pirofosfato untrasportatore di CO 2 . La seconda tappa è unariduzione operata da una deidrogenasi NAD

dipendente. Si ha così, in questi organismi la riossidazione del NADH citoplasmatico! Nelcomplesso questa via metabolica si chiama fermentazione alcolica.

In moltissimi microrganismi e anche nelle cellule muscolari degli organismi superiori, quando ladisponibilità d'ossigeno è insufficiente, il piruvato viene ridotto a lattato (acido lattico). Questariduzione è il passaggio che permette di riossidare il NADH citoplasmatico.

Il piruvato viene ridotto a lattato nelle fibrocellulemuscolari quando, per una insufficienteossigenazione esso non può proseguire nelcatabolismo aerobico che, come vedremo,

proseguirà nei mitocondri.

Quando la cellula muscolare è chiamata ad uno sforzo molto intenso e/o improvviso, essa habisogno di contrarsi indipendentemente dalla ossigenazione. Tale contrazione, in condizionianaerobiche, non può durare per molto tempo perché l'acido lattico che viene prodotto ètossico e non può essere accumulato, pena il blocco dell'attività muscolare. La conversione delglucosio in lattato si chiama fermentazione lattica . Si ha così la rigenerazione del

NAD+ che mantiene costante il flusso della glicolisi in condizioni anaerobiche. Osservare chela riduzione del piruvato e la contemporanea riossidazione del NADH sottrae alla cellula icoenzimi che, in condizione aerobica entreranno nei mitocondri dove la loro riossidazioneprodurrà 3 moli di ATP per ogni coenzima. Quindi la riduzione a lattato è una reazione "insalita" necessaria però in condizioni anaerobiche permettendo alla glicolisi di continuare alivello della gli-3-P.

3.La via aerobica del piruvato : in condizioni di sufficiente ossigenazione il piruvatoviene decarbossilato, ossidato e addizionato al CoA da un complesso enzimaticomitocondriale chiamato, nel suo insieme, complesso della piruvatodeidrogenasi. Sarà l'innesco che porterà l'acetato alla completa ossidazionemitocondriale nel ciclo di Krebs.

Il ciclo di Krebs(chiamato anche ciclo dell'acido citrico o ciclo degli acidi tricarbossilici)

Quando l'ossigenazione della cellula è sufficiente e il fabbisogno di un surplus di energiaimmediata non è un emergenza, il piruvato citosolico viene trasportato nei mitocondri e, inquella sede, subisce l'azione della piruvato deidrogenasi (PDH), un complesso enzimatico

estremamente raffinato. L'azione della PDH produce acetil-CoA. Vediamo meglio.In Escherichia Coli la PDH è costituita da numerose copie di tre diversi enzimi (unasessantina di catene polipeptidiche).Un enzima l'E 1 , che è l'enzima deidrogenante NAD + dipendente contiene la tiaminapirofosfato (TPP) che è un trasportatore di unità monocarboniose (CO

2) e che

quindi opera la decarbossilazione ossidativa del piruvato. Un enzima E 2 , contiene

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l'acido lipoico che provvede al trasferimento dell'acile al CoA e l'ultimo enzima E 3 ,che rigenera l'acido lipoico.Il risultato dell'azione della PDH è quindi:

piruvato + CoA + NAD+ ————→ acetil-CoA + Co2 + NADH

In questo passaggio due dei sei atomi di carbonio del glucosio sono staticompletamente ossidati a CO 2 . (entrano due moli di piruvato ed entrambivengono decarbossilati con produzione di CO 2.)Ricordando la reazione globale dell'ossidazione completa del glucosio...

...scopriremo che nel ciclo di Krebs vengono ossidati gli altri quattro atomi di C,producendo le altre quattro molecole di CO 2 ed in seguito si formerà l'acquametabolica.Negli animali il passaggio da piruvato ad acetil-CoA è un passaggio irreversibile efondamentale nel metabolismo poiché gli eterotrofi non sono in grado di convertirel'acetil-CoA in glucosio per cui questa conversione dirige gli atomi di C del glucosio o

verso il ciclo di Krebs per ricavarne energia oppure nella sintesi di lipidi.Quando i livelli di ATP nella cellula sono elevati, la conversione del piruvatoin acetil-CoA non deve avvenire perché il piruvato viene utilizzatoprevalentemente per la gluconeogenesi .L'attività della PDH, enzima allosterico in un punto d'incrocio fondamentale, ècontrollata in modo estremamente rigoroso. L'aumento del NADH, dell'acetil-CoA,dell'ATP inattiva il complesso. In sintesi la deidrogenasi viene inibita quando l'ATP oi suoi intermedi biosintetici sono abbondanti.I due acetati formati dalla conversione del piruvato e addizionati al CoA contengonoi restanti 4 atomi di carbonio del glucosio.Il ciclo dell'acido citrico consiste in una serie di reazioni catalizzate da enzimilocalizzati nella matrice mitocondriale, tranne uno, la succinico deidrogenasi che è

una proteina della membrana interna del mitocondrio.In queste reazioni ciascun acetato sarà completamente ossidato a CO 2 eprodurranno tre molecole di NADH e una di FADH 2.Su questi coenzimi sarà così trasferita l'energia contenuta nei legami che hannogenerato glucosio durante la biosintesi diretta dall'energia elettromagnetica dellaluce del sole. Come dire:

Energia radiante ————→ Glucosio ————→ coenzimi ridotti.....Questi coenzimi saranno poi riossidati in una catena di trasporto di elettroni, lacatena respiratoria, e per ogni NADH ossidato si otterranno 3ATP, mentre per ogniFADH2 se ne formeranno 2 in un processo chiamato fosforilazione ossidativa.Inoltre il ciclo di Krebs produce un GTP, analogo dell'ATP, a livello di substrato ,per ogni acetato. Vediamo tra i nove, i passaggi cruciali del ciclo di Krebs, seguendo lo schema. 1) Nel primo passaggio si ha l'addizione dell'acetato all' ossalacetato , unchetoacido fondamentale non solo nel metabolismo energetico. Un composto aquattro atomi di carbonio condensa con l'unità acetile formando un composto a seiatomi di carbonio.Si forma il primo acido tricarbossilico: il citrato. Il CoA si libera pronto per un nuovoacetato... se ce n'è bisogno.2) i passaggi due e tre sono isomerizzazioni che portano all'isocitrato. Si hadapprima una deidratazione con formazione di un doppio legame e la successiva

addizione di acqua sposta il gruppo OH del citrato in posizione '2. E' lapreparazione alla successiva decarbossilazione ossidativa.3) Nel passaggio quattro l'isocitrato viene decarbossilato e ossidato da unadeidrogenasi NAD dipendente (isocitrato deidrogenasi). Si ha l'ossidazione

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completa di un atomo di C dell'acetato a CO 2 e liberazione di NADH . Siforma un nuovo chetoacido (5 atomi di carbonio) l' a-chetoglutarato che, insieme alpiruvato e all'ossalacetato avranno ruoli importanti in altri metabolismi. Segue nella4) tappa cinque una nuova decarbossilazione ossidativa con gli stessiprodotti della tappa precedente. A questo punto si completa l'ossidazione di

tutti gli atomi di carbonio del glucosio . Questo passaggio è catalizzato dalcomplesso della a-chetoglutarato deidrogenasi con meccanismo molto simile aquello della PDH: infatti si addiziona anche CoA e si forma il succinil-CoA, con 4atomi di C. Nel successivo passaggio , (6) l'idrolisi del legame tioestere, che ha un ∆G°' = -35KJ, libera l'energia necessaria per favorire la sintesi del legame fosfoanidridico delGTP, analogo dell'ATP. Si ha così produzione di energia a livello delsubstrato . Il succinato che ne deriva sarà ossidato due volte, nel passaggio 7 , incui operano le flavoproteine formando FADH 2 , e 9 (produzione di nuovoNADH ) per rigenerare l'ossalacetato che è l'importante chetoacido che finisce ilciclo e lo ricomincia accettando l'acetato, come si vede nel dettaglio in figura:

Alcuni bilanci

Considerando un giro completo del ciclo dell'acido citrico è facile capire che nella prima metà idue atomi di carbonio dell'acetato che entra e che si somma all'ossalacetato, vengonocompletamente ossidati entrambi a CO 2 . Nell'altra metà il ciclo si "occupa" di rigenerare

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l'ossalacetato necessario per la ripresa del ciclo. Nelle quattro ossidazioni i coenzimi NAD + eFAD raccolgono molti elettroni che trasferiranno nella catena respiratoria portando alla sintesidi molte molecole di ATP. Alla fine del ciclo tutti e sei gli atomi di carbonio del glucosio hannoperso gli elettroni e quindi l'energia di legame, trasferita momentaneamente ai coenziminucleotidici. Le sei molecole di diossido di carbonio si sono formate nei seguenti passaggi:

Piruvato ————→ acetato 2 CO2 (una per ognipiruvato)

isocitrato ————→ a-chetoglutarato2 CO2 (una per ogniisocitrato)

a-chetoglutarato ————→ succinil-CoA 2 CO2 (una per ogni a-chetoglutarato)

Sappiamo che alla bomba calorimetrica la combustione completa del glucosio libera circa 680Kcal/mole. Per fare un bilancio della "resa" energetica del processo d'ossidazione cellulare, se ilglucosio viene ossidato completamente attraverso il ciclo di Krebs e gli elettroni trasferiti all'

ossigeno dalla catena respiratoria, occorre calcolare quante moli di ATP vengono prodotte nelprocesso.La seguente tabella schematizza il numero di moli di ATP prodotte nelle varie fasi:

moli di ATP tappe di produzione

2 2x3= 6 6 2

3x2x3= 18 2x2= 4 TOTALE =38moli

a livello di substrato nella glicolisidalla riossidazione del NADH citoplasmaticodalla riossidazione dei 2 NADH prodotti nelladeidrogenazione del piruvatoa livello di substrato nel ciclo di Krebsdalla riossidazione dei 3x2 NADH prodotti nel ciclo di Krebsdalla riossidazione dei 2 FADH 2 prodotti nel ciclo di Krebs

Quindi nella ossidazione completa del glucosio si ottengono 38 moli di ATP e cioè una quantitàdi energia libera, espressa in calorie, di:

38 x 7.3 Kcal/mole = 277, 4 Kcal

che rappresenta circa il 40% della quantità totale dell'energia (liberata in ambiente

fisico: bomba calorimetrica) contenuta nei legami del glucosio. Alcune importanti considerazioni

Il ciclo dell'acido citrico oltre adessere centrale nel metabolismoenergetico è anche una fonte diprecursori fondamentali per alcunebiosintesi.

Questo significa che alcuni intermedi possonoessere sottratti al ciclo per essere utilizzati comeprecursori per alimentare vie metabolichebiosintetiche fondamentali. Si dice perciò che ilciclo dell'acido citrico è una via anfibolica , che

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vuol dire che è collocata sia nelle via cataboliche che in quelle anaboliche e quindi la suafunzione è essenziale anche senza considerare il ruolo nel metabolismo energetico.Ilcitrato può uscire dai mitocondri e fungere da precursore per la sintesi di acidi grassi.Anche l'ossalacetato e l' α-chetoglutarato possono essere sottratti dal ciclo per la sintesi diaminoacidi. L'ossalacetato , può anche convertire in fosfoenolpiruvato, PEP, tramite laPEPcarbossichinasi. Il PEP, già visto nella glicolisi, può servire per la sintesi di glucosio(gluconeogenesi ).

Come sappiamo i livelli d'ossalacetato però devono rimanere costanti perpermettere il normale flusso del ciclo, essendo l'accettore degli acetati. Perricostituire la normale concentrazione di ossalacetato esistono altre vie,dette anapletoriche , utili per rimpiazzare l'ossalacetato sottratto. Una delle piùimportanti è la carbossilazione del piruvato con CO 2 per formare ossalacetato

catalizzata dall'enzima piruvato carbossilasi . In condizioni normali deve esistereun equilibrio perfetto tra le reazioni che rimuovono intermedi e quelle,anapletoriche, che lo riforniscono di tali intermedi.

L'ossidazione degli acidi grassi Gli acidi grassi sono componenti essenziali dei fosfolipidi di membrana, sono una

potenzialmente enorme riserva energetica e alcuni derivati degli acidi grassi fungono daormoni e messaggeri intracellulari.

I trigliceridi, triacilgliceroli, sono le principali molecole portatrici di acidi grassi nella dieta deivertebrati ed anche la forma di accumulo lipidico nei tessuti adiposi. Inoltre il fegato dei

vertebrati riesce a convertire i carboidrati in eccesso in acidi grassi da esportare negli altritessuti.

I triacilgliceroli sono la principale fonte di energia per il muscolo a riposo o in contrazionemodesta, per il fegato e il cuore. Ricordiamo che un triacilglicerolo è formato da una molecoladi glicerolo esterificato nei suoi tre ossidrili da tre acidi grassi. [ vedi ]

I trigliceridi ingeriti, costituiti da macroscopiche particelle insolubili in acqua, vengonoconvertiti in micelle finemente disperse, dall'azione dei sali biliari in modo d'aumentarenotevolmente la superficie d'esposizione alle lipasi solubili in acqua. I prodotti dell'azione dellelipasi, acidi grassi, mono-di-trigliceridi e glicerolo passano nelle cellule parietali intestinali nellequali avviene la riesterificazione degli acidi grassi e la successiva incorporazione in specialiproteine allo scopo di evitare la formazione di grossi aggregati insolubili in acqua. Si formanocosì complessi lipoproteici, i chilomicroni , in cui la componente lipidica è all'interno e quellaproteica, idrofila, all'esterno. I chilomicroni vengono trasferiti dalla mucosa intestinale alsistema linfatico dal quale passano nel sangue che li trasporta al tessuto adiposo e a quellomuscolare.Gli acidi grassi si trovano in uno stato di riduzione più elevato dei glucidi per cui la lorocompleta ossidazione richiede un processo più energico e da essi si ricava una quantità dienergia superiore a quella fornita dai glucidi.L'utilizzazione degli acidi grassi dei trigliceridi, nel tessuto muscolare, avviene dopo idrolisidiretta da una lipasi regolata dall'attività di ormoni come l'adrenalina e il glucagone chel'attivano e come l'insulina che, al contrario, inibisce la lipasi. Mentre il glicerolo venendo convertito in diidrossiacetone e quindi in gliceraldeide prende la viaglicolitica, gli acidi grassi vengono degradati mediante rimozioni sequenziali di unità acetato.Questo processo, mitocondriale, prende il nome di β-ossidazione degli acidi grassi.Il passaggio degli acidi grassi dal citosol al mitocondrio prevede operazioni preliminaricome l'attivazione degli acidi grassi che avviene a livello della membrana mitocondrialeesterna ad opera di una acil-CoA sintetasi secondo lo schema:

Acido grasso + CoA + ATP ←—→ acil-CoA + AMP + PPi.Il passaggio attraverso la membrana interna avviene dopo che l'acil-CoA si è legato

reversibilmente alla carnitina, per l'azione di un trasportatore specifico (translocasi). Unavolte nella matrice mitocondriale l'acido grasso è pronto per l'ossidazione da parte di enzimispecifici.La β-ossidazioNE

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I quattro passaggi della β ossidazione:

Lo schema a sinistra mostra i quattro passaggi in cui un acido grasso a 16 atomi di carbonio,l'acido palmitico, attivato col legame al CoA entra, tramite la carnitina, nella matricemitocondriale ed è soggettoall'azione sequenziale di quattro enzimi che ossidano l'atomo di C in ß che dal -CH 2-

iniziale lega, alla fine un gruppo acido esterificato dal gruppo tiolico del CoA. Ne risultaun acil-CoA con due atomi di carbonio in meno. L'atomo adiacente al gruppo carbossilicoè l'atomo in α, al quale si lega l'atomo in ß. Questo atomo sarà soggetto ai quattropassaggi alla fine del quali sarà ossidato fino al punto di rompersi in quella posizione eliberare un acetil-CoA e un acido grasso con due atomi di carbonio in meno.Le reazioni ricominciano nello stesso modo (schema a destra) fino a frantumare l'acido grassoin tanti gruppi acetato pari alla metà degli atomi di Carbonio della catena. Come si vede nellafigura, (FASE 1) un acido grasso a 16 atomi di C libererà 8 acetil-CoA. Ciascuno entra nel ciclodi Krebs (FASE 2) per l'ossidazione completa a CO 2 . Gli elettroni sottratti entrano nella catenarespiratoria (FASE 3) per il trasferimento definitivo all'ossigeno e la contemporaneafosforilazione dell'ADP.Resa energetica dell'ossidazione degli acidi grassi a CO 2 e H 2Prendiamo come esempio un acido a 16 atomi di carbonio, come nei due schemi in questapagina. Procediamo in sequenza. L'acido grasso entra nei mitocondri e in questa sede comincial'attacco all'atomo di carbonio in ß che dapprima viene deidrogenato dalla acil-CoAdeidrogenasi. Si forma un doppio legame tra gli atomi inα e quello in β al quale verràaddizionata acqua ed in β si addizione l'ossidrile. Una nuova deidrogenasi termina l'ossidazionee la tiolasi, addizionerà un CoA provocando la rottura e la liberazione del primo acetil-CoA cheentrerà nel ciclo di Krebs. Resta un acido grasso con due atomi di carbonio in meno chericomincia la spirale con un nuovo attacco della acil-CoA deidrogenasi. E così via fino allaproduzione di 8 acetil-CoA che entreranno tutti nel ciclo di Krebs. In questi cinque passaggi siliberano un NADH ed un FADH 2 per ogni giro della "spirale". In totale, da un acido grasso a 16acidi di carbonio, si libereranno 7 NADH e 7 FADH 2. (l'ultimo passaggio libera direttamente due

acetati)Considerando che otto acetati entrano nel ciclo di Krebs per la totale ossidazione aCO2 seguiamo il solito schema

Poiché durante l'attivazione dell'acido grasso vengono consumate 2 moli di ATP, la resa netta è

di 129 ATP. Considerando che l'ossidazione completa alla bomba calorimetrica fornisce, per unacido grasso a sedici atomi, un ∆G°' di circa 2344 Kcal/mole, calcolando avremo unaliberazione di energia libera fisiologica pari a 129 x - 7.3 = 941 Kcal/mole. Anche in questocaso la resa, altissima, è di circa il 40%. del massimo teorico.

I corpi chetoniciNel fegato dei mammiferi non tutto l'acetil-CoA derivato dall'ossidazione degli acidi grassi entra

nel ciclo di Krebs ma, quando la degradazione lipidica è eccessiva, una certa parte di acetil-CoA viene convertito in " corpi chetonici" . Il perché lo si capisce facilmente ricordando che

l'acetato utilizzabile nel ciclo dell'acido citrico dipende dalla concentrazione di ossalacetato chea sua volta è legato al catabolismo dei glucidi. L'ossalacetato infatti si forma, con reazione

anapletorica, dal piruvato. ( vedi ) E' interessante osservare come durante il digiuno

l'ossalacetato viene sottratto e utilizzato in una via metabolica (che vedremo) per formareglucosio (gluconeogenesi): così l'acetil-CoA in eccesso viene trasformato in corpi chetonici, utili

combustibili alternativi per molti tessuti "nobili" come il cuore e i reni, ma anche, in caso dinecessità, per il cervello. I corpi chetonici sono composti solubili sia nel sangue che nelle

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urine. A parte l'acetone, che viene eliminato con la respirazione, i due corpi chetonici piùimportanti sono l'acetoacetato e il βidrossibutirrato , che, prodotti nei mitocondri epatici, da

questi diffondono nel sangue e vanno ai tessuti che li ossidano.IN DEFINITIVA:Quando, come nel caso di digiuno, si determina un aumento della biosintesi di glucosio, nellacellula epatica si si ha la sintesi e l'esportazione dei corpi chetonici.

L'ossidazione degli aminoacidiIl pool plasmatico di aminoacidi deriva, oltre che dalla dieta, dalla degradazione delle proteineintracellulari (proteine tissutali).

A differenza dei lipidi chepossono essere conservati inquantità notevoli nel tessutoadiposo e dei glucidi che, se ineccesso, possono essereconservati solo nei pochi mg diglicogeno contenuti nel muscoloe nel fegato oppure eliminaticon le urine, gli aminoacidi cheeccedono il fabbisogno dellesintesi di proteine o di altrebiomolecolecole non possonoessere né conservati néescreti.Il destino degli aminoacidi ineccesso è quindi quello diessere indirizzati verso il

metabolismo energetico previa rimozione dei gruppiα-

amminici. Lo scheletro carbonioso che rimane ,un α- chetoacido, entra, in qualche modo, nei cicli ossidativi che abbiamo studiato. (ciclo di Krebs)L'utilizzazione degli aminoacidi nel catabolismo avviene ovviamente anche se le necessità energetica nonè soddisfatta da altri nutrienti ed in questo caso sono le proteine tissutali ad essere degradate perfornire aminoacidi. Lo schema mostra gli aspetti generali del metabolismo degli aminoacidi. E'interessante sapere che il catabolismo degli aminoacidi contribuisce al fabbisogno energetico per oltreil 15% del totale.

La prima tappa delcatabolismo aminoacidicoè dunque la rimozione delgruppo α-amminicotramite enzimi altamentespecializzati chiamatiaminotransferasi o, più

comunemente, transaminasi. Le transaminasi non operano una vera e propria perdita dei gruppiamminici, ma un trasferimento su un chetoacido, generando un nuovo aminoacido.Nella maggior parte degli aminoacidi il gruppo amminico viene trasferito all'atomo di carbonio in αdell'a-chetoglutarato con formazione dell'a-chetoacido corrispondente all'aminoacido chetrasferisce il gruppo amminico.

Come si vede nell'esempio di transaminazione in figura, il gruppo amminico viene trasferito dall' alanina,un aminoacido, all' a-chetoglutarato , un chetoacido che diviene così glutammato (acido glutammico, unimportante aminoacido). L'alanina, a sua volta, perdendo il gruppo amminico, forma il chetoacidopiruvato . Sia il piruvato che l'a-chetoglutarato li abbiamo già incontrati nel metabolismo energetico.

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Questa reazione è catalizzata da una transferasi, e precisamente l ' alanina aminotrasferasi , ALAT ,chiamata anche glutammico piruvico transaminasi (GPT). il distacco del gruppo amminico avviene perchéle transaminasi contengono, come coenzima, il piridossalfosfato (PLP), derivato dalla piridossina, lavitamina B6. Il meccanismo di catalisi delle transaminasi si chiama meccanismo a ping-pong. L'aminoacidosi lega all'enzima, cede al PLP il gruppo amminico e si allontana come chetoacido. Il sito attivo del PLP

può così legare il chetoacido e cedere il gruppo amminico rimosso precedentemente.Molti aminoacidi vengono transaminati cedendo il gruppo amminico all'a-chetoglutarato. E' evidente

quindi che il glutammato che siforma è un aminoacidoimportante nel metabolismodei gruppi amminici (-NH2,NH3, NH4

+) raccogliendoli, pertransaminazione sull'a-chetoglutarato, da moltiaminoacidi. Il glutammato,citosolico, entrerà neimitocondri epatici dove cederà

il gruppo amminico sotto forma di ione ammonio NH 4+ che entrerà nel ciclo di produzione dell'urea ed

eliminato con le urine. La rimozione mitocondriale dei gruppi amminici del glutammato è operata, tramiteuna deaminazione ossidativa , da un enzima che si chiama glutammato deidrogenasi (GDH), come sivede nella figura. Come si vede la GDH è un enzima allosterico, modulato positivamente dall'ADP edinibito dalla GTP.L'azione combinata delle transaminazione e della deaminazione ossidativa, convoglia, nel citosol , i

gruppi amminici nel glutammato dal quale verranno in sede mitocondriale definitivamente rimossi.Nei tessuti extraepatici, oltre alla transaminazione, sono attivi meccanismi ossidativi di rimozione cheliberano un gruppo amminico netto che si converte in ammoniaca, NH 3, molecola estremamente

neurotossica alterando, probabilmente, il pH intracellulare.L'organo deputato alla eliminazione dell'NH 3 è il fegato. Non potendo essere esportata nel sangue, perla sua tossicità, l'ammoniaca viene, nei tessuti extraepatici, cervello compreso, convertita in un

composto non tossico, la glutammina .Come si vede in figura, la glutammina, si forma per addizioneenzimatica, catalizzata dalla glutammina sintetasi , di ungruppo amminico al glutammato preventivamente esterificatocon un gruppo fosfato su un gruppo acido.Si ha così la trasformazione del glutammato, polare, inglutammina che, essendo neutra, può facilmente attraversarele membrane cellulari e, passata nel sangue, viene trasportataal fegato. Il suo azoto ammidico verrà rilasciato sotto formadi ammoniaca solo nei mitocondri epatici ad opera di un enzimachiamato glutamminasi, ed entrerà nel ciclo di produzionedell'urea , molecola solubile che sarà escreta con le urine. Sirealizza così l'eliminazione dell'N amminico degli aminoacidi. Illoro scheletro carbonioso, un a-chetoacido, entrerà nelmetabolismo energetico . [vedi destino degli scheletricarboniosi]

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L'alanina è un aminoacido chiave nel trasporto di gruppi amminici al fegato in forma non tossica. Nelmuscolo si ha la transaminazione del glutammato sul piruvato. L'alanina passa nel sangue per raggiungereil fegato nel quale subirà una nuova transaminazione sull'a-chetoglutarato (reazione inversa dellaprecedente) cedendo così il gruppo NH2 e riproducendo glutammato che lo convoglierà tramite la GDH,nel ciclo dell'urea. il piruvato può, tramite la gluconeogenesi produrreglucosio da immettere in circolo ed esportare nel tessuto muscolare, che tramite la glicolisi, loriconverte in piruvato. ( ciclo del glucosio-alanina ) L'ammoniaca liberata dalla deaminazione delglutammato (GDH) e dalla glutamminasi converge nel ciclo dell'urea .L'ossidazione degli aminoacidi

destino degli scheletri carbonios I

Il pool plasmatico di aminoacidi deriva, oltre che dalla dieta, dalla degradazione delle proteineintracellulari (proteine tissutali).

A differenza dei lipidi che possono essere conservati in quantità notevoli nel tessuto adiposo e deiglucidi che, se in eccesso, possono essere conservati solo nei pochi mg di glicogeno contenuti nelmuscolo e nel fegato oppure eliminati con le urine, gli aminoacidi che eccedono il fabbisogno dellesintesi di proteine o di altre biomolecolecole non possono essere né conservati né escreti.

Il destino degli aminoacidi ineccesso è quindi quello diessere indirizzati verso ilmetabolismo energetico previa

rimozione dei gruppi α-amminici. Lo scheletrocarbonioso che rimane , un α-

chetoacido, entra, in qualchemodo, nei cicli ossidativi cheabbiamo studiato. (ciclo diKrebs)

L'utilizzazione degli aminoacidinel catabolismo avvieneovviamente anche se le

necessità energetica non èsoddisfatta da altri nutrientied in questo caso sono le

proteine tissutali ad essere degradate per fornire aminoacidi. Lo schema mostra gli aspetti generali delmetabolismo degli aminoacidi. E' interessante sapere che il catabolismo degli aminoacidi contribuisce alfabbisogno energetico per oltre il 15% del totale.

La prima tappa del catabolismo aminoacidico è dunque la rimozione del gruppo α-amminico tramiteenzimi altamente specializzati chiamati aminotransferasi o, più comunemente, transaminasi. Letransaminasi non operano una vera e propria perdita dei gruppi amminici, ma un trasferimento su un

chetoacido, generando un nuovo aminoacido.

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Nella maggior parte degliaminoacidi il gruppo amminico viene trasferito all'atomo di carbonio in αdell'a-chetoglutarato conformazione dell'a-chetoacido corrispondente all'aminoacido che trasferisceil gruppo amminico.

Come si vede nell'esempio di transaminazione in figura, il gruppo amminico viene trasferitodall' alanina ,un aminoacido, all' a-chetoglutarato , un chetoacido che diviene così glutammato (acidoglutammico, un importante aminoacido). L'alanina, a sua volta, perdendo il gruppo amminico, formail chetoacidopiruvato . Sia il piruvato che l'a-chetoglutarato li abbiamo già incontrati nel metabolismoenergetico. Questa reazione è catalizzata da una transferasi, e precisamente l ' alaninaaminotrasferasi , ALAT , chiamata anche glutammico piruvico transaminasi (GPT). il distacco del gruppoamminico avviene perché le transaminasi contengono, come coenzima, il piridossalfosfato (PLP),derivato dalla piridossina, la vitamina B 6. Il meccanismo di catalisi delle transaminasi si chiama

meccanismo a ping-pong. L'aminoacido si lega all'enzima, cede al PLP il gruppo amminico e si allontanacome chetoacido. Il sito attivo del PLP può così legare il chetoacido e cedere il gruppo amminico rimossoprecedentemente.

Molti aminoacidi vengono transaminati cedendo il gruppo amminico all'a-chetoglutarato. E' evidentequindi che il glutammato che si forma è un aminoacido importante nel metabolismo dei gruppi

amminici (-NH2, NH3, NH4+) raccogliendoli, per transaminazione sull'a-chetoglutarato, da molti

aminoacidi. Il glutammato, citosolico, entrerà nei mitocondri epatici dove cederà il gruppo amminico

sotto forma di ione ammonio NH 4+ che entrerà nel ciclo di produzione dell'urea ed eliminato con le

urine. Larimozione mitocondriale dei gruppi amminici del glutammato è operata, tramiteunadeaminazione ossidativa , da un enzima che si chiama glutammato deidrogenasi (GDH), come si vedenella figura. Come si vede la GDH è un enzima allosterico, modulato positivamente dall'ADP ed inibito

dalla GTP.L'azione combinata delle transaminazione e della deaminazione ossidativa, convoglia, nel citosol , i gruppiamminici nel glutammato dal quale verranno in sede mitocondriale definitivamente rimossi.

Nei tessuti extraepatici, oltre alla transaminazione, sono attivi meccanismi ossidativi di rimozione cheliberano un gruppo amminico netto che si converte in ammoniaca, NH 3, molecola estremamente

neurotossica alterando, probabilmente, il pH intracellulare.

L'organo deputato alla eliminazione dell'NH 3 è il fegato. Non potendo essere esportata nel sangue, per

la sua tossicità, l'ammoniaca viene, nei tessuti extraepatici, cervello compreso, convertita in uncomposto non tossico, la glutammina.

Come si vede in figura, la glutammina, si forma per addizione enzimatica, catalizzata dalla glutamminasintetasi , di un gruppo amminico al glutammato preventivamente esterificato con un gruppo fosfato suun gruppo acido.

Si ha così la trasformazione del glutammato, polare, in glutammina che, essendo neutra, può facilmenteattraversare le membrane cellulari e, passata nel sangue, viene trasportata al fegato. Il suo azotoammidico verrà rilasciato sotto forma di ammoniaca solo nei mitocondri epatici ad opera di un enzimachiamato glutamminasi, ed entrerà nel ciclo di produzione dell'urea , molecola solubile che saràescreta con le urine. Si realizza così l'eliminazione dell'N amminico degli aminoacidi. Il loro scheletrocarbonioso, un a-chetoacido, entrerà nel metabolismo energetico . [vedi destino degli scheletri carboniosi]

L'alanina è un aminoacido chiave nel trasporto di gruppi amminici al fegato in forma non tossica. Nelmuscolo si ha la transaminazione del glutammato sul piruvato. L'alanina passa nel sangue per raggiungere

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il fegato nel quale subirà una nuova transaminazione sull'a-chetoglutarato (reazione inversa dellaprecedente) cedendo così il gruppo NH2 e riproducendo glutammato che lo convoglierà tramite la GDH,nel ciclo dell'urea. il piruvato può, tramite la gluconeogenesi produrre glucosio da immettere in circoloed esportare nel tessuto muscolare, che tramite la glicolisi, lo riconverte in piruvato. ( ciclo delglucosio-alanina )

L'ammoniaca liberata dalla deaminazione del glutammato (GDH) e dalla glutamminasi converge nel ciclo dell'urea .

Il ciclo dell'urEA

Come abbiamo visto i gruppi amminici di molti aminoacidi vengono, nel citosol epatico,trasferiti all'a-chetoglutarato formando glutammato che rappresenta quindi il centro diraccolta dei gruppi amminici. Nel muscolo l'aminoacido raccoglitore dei gruppi amminici è l'alanina, che passando nel sangue viene trasportata al fegato dove avviene la transaminazionesull'a-chetoglutarato catalizzata dalla GPT, glutammico piruvico transaminasi (oggi più notacome ALAT, alanina amminotrasferasi). [vedi ciclo glucosio alanina]. Nei tessuti extraepaticiinoltre si ha, come detto, la sintesi di glutammina che raggiunge il fegato trasportando"ammoniaca temporaneamente inattivata nella sua tossicità".

Glutammato e glutammina vengono trasportati nei mitocondri epatici, nella matricedei quali comincia il ciclo dell'urea , in parte mitocondriale ed in partecitosolico . In sintesi il ciclo dell'urea provoca l'addizione di due gruppi amminici

allo ione bicarbonato HCO 3- per produrre una molecola di urea (NH 2)2-C=O ed è

particolarmente dispendioso: circa il 15% dell'energia ricavata dall'ossidazione degliaminoacidi. Ma eliminare ammoniaca è troppo importante per badare a spese!

E' interessante osservare che il ciclo dell'urea entra in connessione colciclo di Krebs a livello del fumarato che, prodotto nel citosol nel ciclodell'urea, entra nei mitocondri per alimentare il ciclo di Krebs ed essereconvertito in ossalacetato. A sua volta l'ossalacetato accetta un gruppoamminico dal glutammato con una transaminazione catalizzata dallaGOT, glutammato ossalacetato transaminasi (ASAT, aspartatoaminotransferasi) e l'aspartato che ne deriva lascia il mitocondrio e donail suo gruppo amminico al ciclo dell'urea.

La catena respiratoria La catena respiratoria è costituita da una serie di trasportatori,molti dei quali sono proteine integrali di membrana (interna), i cui gruppi prostetici sonoin grado di accettare e cedere uno o due elettroni. L'accettore finale è l'ossigeno.Il complesso I è una NADH deidrogenasi su cui vengono incanalati tutti i NADH prodotti nelleossidazioni compreso quello glicolitico dello shuttle malato-aspartato. Gli ioni idruro vengonotrasferiti all' ubichinone (UQ)detto anche coenzima Q secondo la reazione:

NADH + H + + UQ (ubichinone) ———→ NAD + + UQH 2 (ubichinolo)

Il flusso di elettroni attraverso il complesso I è accompagnato da spostamento di protoni dalla matrice allo spazio intermembrana.

Il complesso II è la succinato deidrogenasi, enzima del ciclo di Krebs ed è la sede sellariossidazione del FADH 2. Anch'esso, come il complesso I trasferisce gli elettroni all'ubichinone,riducendolo ad ubichinolo. Anche la glicerolo 3-P deidrogenasi, enzima di membrana rivoltoverso lo spazio intermembrana (non presente in figura) che riossida il NADH citosolicotrasportato dalla shuttle del glicerolo 3-P, trasferisce gli elettroni all'ubichinone.

L'ubichinone, in figura CoQ, è una molecola idrofobica , completamente immerso nellamembrana mitocondriale nella quale diffonde liberamente spostandosi nel doppio stratolipidico. La sua forma ossidata contiene due gruppi carbonilici che possono accettare dueelettroni e due protoni riducendosi completamente a ubichinolo avente due gruppi alcolici.

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L'UQH2 diffonde dal complesso I al complesso III, dove viene riossidato.

Il complesso III è il complesso che riossida l'ubichinolo ed è costituito da citocromi b e c.Il citocromo c è una proteina solubile che, come tutti i citocromi, ha come gruppo prosteticol'eme, contenente Fe che accetta elettroni passando da ferro ferrico a ferro ferroso eviceversa. Esso può spostarsi nella parte polare della membrana per la sua possibilità di farelegami elettrostatici. E' di notevole interesse osservare come il citocromo c sia una proteinapresente in tutti gli organismi aerobi con una sequenza aminoacidica che è cambiata di poconella scala evoluzionistica, segno di una elevata efficienza nel trasportare elettroni che si èselezionata tra tutte quelle possibili.

La riossidazione dell'ubichinolo è accompagnata da un s econdo spostamento di protoni dalla matrice allo spazio intermembrana. Si incrementa così il gradiente diconcentrazione protonica, iniziato a livello del complesso I, tra le facce della membrana cherealizza una differenza di potenziale elettrico e un gradiente di pH.

Il complesso IV , chiamato citocromo ossidasi, contiene ioni rame che partecipano altrasferimento degli elettroni all'ossigeno. Il flusso di elettroni dal citocromo c all'ossigenodetermina un nuovo ed ultimo spostamento di proton i

dalla matrice verso lo spazio

intermembrana.

In conclusione, nei mitocondri, l'azione dei complessi I, III e IV porta elettroni dal NADHall'ossigeno e quello dei complessi II, III e IV, dal succinato (FADH 2) all'ossigeno.

La reazione complessiva NADH + H + + 1/2 0 2 ———→ H2O + NAD + ha un ΔG 0 ≈ - 52Kcal/mole

Quella che parte dal succinato invece ha un ΔG 0 ≈ - 36 Kcal/mole (si salta un sito dispostamento protonico)

Quindi il trasferimento esoergonico di elettroni lungo la catena respiratoria produce energiapiù che sufficiente per "spingere" la reazione endoergonica che porta alla sintesi di ATP:

ADP + Pi ———→ ATP

Come tale energia viene incanalata nella sintesi dell'ATP è un processo che prende il nome difosforilazione ossidativa

La fosforilazione ossidativa Abbiamo visto che il flusso di elettroni attraverso la catenarespiratoria produce una notevole quantità d'energia. Resta ora da capire come questaenergia, liberata dalle ossidazioni biologiche operate dalle deidrogenasi possa rendersidisponibile per la fosforilazione dell'ADP.

Per capire come avvenga l'accoppiamento dell'ossidazione con la fosforilazione dobbiamoconoscere un'altra proteina integrale di membrana: l' ATPsintasi.

L'ATPsintasi è un complesso di membrana formato da due subunità principali, F o e F 1. Come sivede in figura F 1 si protende nella matrice ed è il complesso che lega ATP e ADP in diversisiti . Il complesso F o contiene un canale protonico asimmetrico e proteso verso la matricemitocondriale.

Esiste una teoria che accoppia l'ossidazione dei substrati alla fosforilazione ed è la teoriachemiosmotica proposta da P. Mitchell nel 1960 e che è alla base dell'attuale ricerca nelcampo della trasduzione energetica.

Il flusso elettronico attraverso la membrana interna dei mitocondri è accompagnato da un

pompaggio di protoni dalla matrice allo spazio intermembrana. Ciò genera una differenza dipotenziale elettrico e una differenza di pH tra i due lati della membrana rendendoquello che guarda la matrice più alcalino.

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Questa concentrazione protonica e queste separazione di cariche determinano una energiaelettrochimica che prende il nome di forza motrice protonica cherappresenta la formadi conservazione dell' energia prodotta e liberata nelle ossidazioni biologiche.

Il pompaggio contro gradiente protonico avviene con consumo d'energia e quindi avrà un ΔG >0.

La membrana mitocondriale è impermeabile ai protoni che non possono così rientrare perannullare il gradiente elettrochimico.

Ma quando questi potranno fluire attraverso i canali protonici specifici posti nel complessoFo dell'ATPsintasi in direzione del gradiente elettrochimico, si renderà disponibile una quantitàdi energia pari al ΔG consumato per il trasporto in senso contrario (reso possibile dal flussoelettronico).

Il complesso F1 condenserà un fosfato all'ADP per generare ATP.

In definitiva quindi la generazione di ATP dai nutrienti, ed in particolare dal glucosio seguirà leseguenti tappe:

Energia radiante —→ Glucosio —→ coenzimi ridotti —→ energia elettrochimica dimembrana —→ ATP

Per ogni NADH riossidato si ha un flusso protonico in tre siti e si otterranno 3 moli di ATP.

Per ogni FADH2 riossidato si avranno solo 2 ATP perché viene bypassato il complesso I.

Lo stesso vale per il NADH citosolico trasportato dal glicerolo 3-P.

L'ATP prodotto nella matrice mitocondriale deve essere esportato fuori dai mitocondri masappiamo che la membrana interna è impermeabile a quasi tutte le sostanze a meno che nonabbiamo sistemi di trasporto proteici specifici.

Vi sono importanti sistemi di trasporto nella membrana mitocondriale interna che operano iltrasporto di ADP e P i nella matrice e consentono l'uscita dell'ATP neo formato.

L'enzima fondamentale è l' ATP-ADP traslocasi che funziona come un antiporto.

Il fosfato entra nella matrice con un simporto favorito dal rientro degli ioni idrogeno a favore digradiente.

Quindi la forza motrice protonica fornisce l'energia necessaria alla sintesi di ATP e nelcontempo favorisce il trasporto dei substrato (ADP e Pi) nella matrice e i prodotti della reazione(ATP).

Le biosintesi riduttive

I processi biosintetici sono rappresentati dalle vie anaboliche endoergoniche che possono

avvenire sfruttando l'ATP e il NADH (meglio NADPH) prodotti nelle vie cataboliche ossidativeche abbiamo visto. Catabolismo ed anabolismo procedono contemporaneamente nelle cellule inmodo che le vie degradative, producendo energia, consentano, in un equilibrio dinamico, dispingere le vie sintetiche che mantengono un alto grado di ordine intracellulare.

La gluconeogenesi E' la via universale per la sintesi di glucosio da molecolenon glucidiche. Il glucosio in eccesso sarà poi la base per la sintesi delglicogeno negli animali e dell' amido e del saccarosio nelle piante. Considerando che ilcervello dell'uomo consuma circa 120 g. di glucosio al giorno e rappresenta la principalefonte d'energia per i tessuti embrionali, per gli spermatozoi, per la midollare del surrenee per i globuli rossi, si capisce quanto sia importante, nei tessuti animali, la biosintesi diglucosio.

La gluconeogenesi avviene principalmente nel fegato dei mammiferi ed è citosolica,come la glicolisi, dalla quale differisce per tre deviazioni nelle reazioni irreversibili.[ved iglicolisi ].

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Se la glicolisi converte il glucosio in piruvato, la gluconeogenesi converte il piruvatoin glucosio e le due vie sono ovviamente soggette ad una regolazione coordinata ereciproca. La figura mostra le tre deviazioni della gluconeogenesi che sono le tapecatalizzate dalle chinasi. Ovviamente poiché la direzione è quella della glicolisi, lagluconeogenesi va seguita cominciando dal basso.Nella prima deviazione , la conversione del piruvato in P.E.P. è parzialmentemitocondriale e parzialmente citosolica.Il piruvato può provenire anche dalla alanina per transaminazione (GPT). Esso, neimitocondri, viene carbossilato dalla piruvico carbossilasi in ossalacetato (enzimagià visto nelle vie anapletorica nel ciclo di Krebs ). Tale enzima è il primo enzimaregolatore della gluconeogenesi essendo attivato dall'acetil-CoA.Attraverso il malato viene riprodotto ossalacetato citosolico che subisce l'azionedella PEP carbossichinasi, con il GTP donatore di fosfato. Si forma cosìfosfoenolpiruvato che prosegue la via glicolitica al contrario fino al fruttosio 1,6difosfato che, prodotto nella glicolisi in una reazione irreversibile, dovrà esseredefosforilato con una seconda deviazione che consiste nell'idrolisi del gruppofosfato in C1 ad opera della fruttosio 1,6 difosfatasi. [il fosfato non vienetrasferito, ma staccato per idrolisi]

La terza deviazione è al conversione del glucosio-6-P in glucosio libero con unanuova idrolisi operata dalla glucosio 6-fosfatasi.La glicolisi e la gluconeogenesi, come detto saranno controllate reciprocamente perchèovviamente non si può demolire glucosio (glicolisi) se si ha bisogno di sintetizzarlo. Sel'acetil-CoA è abbondante esso bloccherà la glicolisi a livello della PFK e della PDH, eattiverà la conversione del piruvato in ossalacetato funzionando da effettore positivo sullapiruvato carbossilasi.Biosintesi del glicogenoIl glicogeno è un polimero del glucosio sintetizzato dalle cellule dei mammiferi e utilizzato

come riserva energetica nel fegato e nei muscoli. Durante brevi digiuni, quando laconcentrazione del glucosio nel sangue decresce, il glicogeno epatico viene degradato,

tramite la glicogenolisi, fornendo glucosio libero da immettere nel sangue per ripristinare

i normali livelli di glicemia (omeostasi glucidica). Il glicogeno muscolare, con laglicogenolisi, ha la funzione di mettere a disposizione delle fibrocellule muscolari, glucosioda ossidare per produrre energia.

Il glicogeno ( vedi ) è un omopolisaccaride molto ramificato in cui le molecole diglucosio sono legate da legamiα1 →4 glicosidici nelle parti lineari e da legami α1 →6 glicosidici nei punti diramificazione.Il punto di partenza della sintesi di glicogeno è il glucosio-6-P, rapidamenteconvertito in glucosio-1-P dall'enzima glucofosfomutasi . La glicogenosintesi ha unfondamentale passaggio iniziale, quello dell'attivazione del glucosio-1-Pad opera dell' UDP-glucosio pirofosfatasi. L'UDP è un nucleotide difosfato chefunziona da donatore di glucosio nella reazione di sintesi eseguita dalla glicogeno

sintasi. [il glucosio attivato dall'UDP e aggiunto alla catena è in grigio chiaro]La biosintesi degli acidi grassiCome per il glucosio, la biosintesi e la degradazione degli acidi grassi sono catalizzate daenzimi diverse ed in più sono localizzate in compartimenti cellulari diversi. Mentrel'ossidazione è una via metabolica mitocondriale, la biosintesi si svolge nel citosol.La sintesi degli acidi grassi parte dall' acetil-CoA che subisce una conversione in malonil-CoAad opera di un enzima, l' acetil-CoA carbossilasi contenente biotina che è lavitamina trasportatrice di CO 2 [contenuta anche dalla piruvico carbossilasi]. Come sivede in figura all'acetato viene sostituito un idrogeno metilico con una CO 2Tutte le reazioni che portano alla sintesi degli acidi grassi che partono dal malonil-CoA,sono catalizzate da una proteina enzimatica chiamata acido grasso sintasi che lega in

un sito un acetato e nell'altro il malonil-CoA che verrà dapprima decarbossilato[riproducendo acetato] e condensato all'acetato. Alla fine del processo riduttivo, cheimpegna come riducente il NADPH, si ha l'allungamento di due atoni di carboniodell'acetato proveniente dal gruppo de malonil-CoA iniziale.

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La biosintesi degli aminoacidi

Tutti gli aminoacidi derivano da

intermedi del catabolismo che dalglucosio porta al ciclo di Krebs. L'Nviene portato in queste vie dalglutammato o dalla glutammina.E' utile tener presente che la capacità diprodurre tutti e venti gli aminoacidi èuna caratteristica della maggior partedelle piante e dei batteri, mentre imammiferi, ad esempio, non riescono asintetizzarne almeno otto che sono perquesto chiamati aminoacidiessenziali, nel senso che è essenziale

introdurli con la dieta.Lo schema organizza le vie biosintetichedegli aminoacidi studiate nei batteri mache non saranno dettagliate in questocorso, raggruppandole nelle "famiglie"che derivano da precursori comuni .Così si vede che l'istidina viene prodottapartendo dal ribosio-5-fosfato,intermedio della via del pentoso fosfato[vedi].La serina viene sintetizzata con una viametabolica che parte dal 3-

fosfoglicerato. La serina è poil'aminoacido di partenza per la sintesidella glicina e della cisteina .Il piruvato è il precursore di altri treaminoacidi: l'alanina , la valina ela leucina , mentre l'α-chetoglutarato,essendone il chetoacido, è il precursoredel glutammato dal quale derivanoanche la glutammina [vedi glutammina

sintetasi], la prolina , che è un suo derivato ciclico e l'arginina [vedi ciclo dell'urea]Mediante transaminazione con il glutammato, l'ossalacetato produce aspartato cheè il precursore dell' asparagina , metionina , lisina e treonina la quale ha una viametabolica nei batteri che la converte in isoleucina [vedi enzimi allosterici ]Dal fosfoenolpiruvato derivano con una serie di complesse vie metaboliche,il triptofano , la tirosina e la fenilalanina .

LA VIA DEL PENTOSO-FOSATOLa glicogenolisi

Prima di dare uno sguardo alle integrazioni del metabolismo in generale occorre impararedue vie: quella del pentosio fosfato non solo perchè mette a disposizione della cellula il

NADPH e il ribosio, ma anche perchè il ribosio 5-P è il precursore dell' istidina , unimportante aminoacido [ vedi ]. La glicogenolisi occorre conoscerla perchè molti controlli

ormonali agiscono su un enzima chiave di questa via, la glicogeno fosforilasi , che ha èun enzima particolarmente interessante.

sintesi di NADPH e di ribosio-5-fosfato

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http://www.webalice.it/r.taddei/biosintesi2.htm

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Il NADPH è il trasportatore universale di energia sottoforma di potere riducente(elettroni) per le reazioni anaboliche. Oltre al NADPH la via del pentosio fosfato produceribosio usato per la biosintesi degli acidi nucleici.

La via del pentosio fosfato inizia dal glucosio-6-fosfato e tramite quattro reazioni, di

cui due ossidative che utilizzano deidrogenasi NADP + dipendenti, ed una in cui si hal'eliminazione di un atomo di carbonio sottoforma di CO

2, si ottiene una molecola

di ribosio 5P e 2 molecole di NADPH

La glicogenolisI nel muscolo...E' la via di demolizione del glicogeno alla fine del quale si ottiene glucosio libero perrifornire, nel muscolo, la via glicolitica. Nelle fibrocellule la fosforilasi, che quando ilmuscolo è a riposo si trova prevalentemente nella forma inattivachiamata fosforilasi b , viene, durante uno sforzo intenso, attivata dalla azionedell'ormone adrenalina che fosforilando un residuo diserina la trasforma nella formaattiva, fosforilasi a .La fosforilasi a catalizza la rottura del legame α1 →4 glicosidici, cioè quelli linearifino a quattro postazioni precedenti al punto di ramificazione.E' interessante osservare come l'idrolisi del legameα1 →4 avvenga per addizione difosfato inorganico producendo molecole di glucosio 1P. A questo punto intervienel'enzima deramificante prima con l'attività transferasica e poi con quella α1 →6glicosidasica . [vedi figura]La figura schematizza una piccola porzione di una molecola di glicogeno, con unaramificazione. la glicogeno fosforilasi stacca, partendo dall'estremità libera asinistra, le prime cinque molecole di glucosio. Si ferma a quattro monomeri primadel punto di ramificazione. Interviene allora l'enzima deramificante che primatrasferisce tre molecole sul polimero lineare e poi stacca il glucosio del punto diramificazione. L'ultima figura mostra un polimero completamente lineare sul qualepuò ricominciare l'azione della fosforilasi a.

nel fegato...la glicogeno fosforilasi è attivata dall'ormone glucagone Quando i livelli di glucosioematici (glicemia) sono troppo bassi, il glucagone attiva un enzima (la fosforilasi bchinasi) che converte la fosforilasi b in fosforilasi a, rendendo disponibile glucosioda immettere nel sangue. L'insulina agisce in senso inverso, favorendo la defosforilazione degli enzimi cheattivano la fosforilasi b.

Metabolismi specifici: il fegato, il tessuto adiposo e il muscolo scheletricoNegli organismi pluricellulari e quindi anche nell'uomo, al quale faremo riferimento, ognitessuto svolge le vie metaboliche studiate in maniera specifica. Vi è quindi una "divisione del

lavoro metabolico" che sarà poi integrato e coordinato dall'azione degli ormoni adrenalina,glucagone ed insulina, che tratteremo a parte. [vedi controllo ormonale].

Il fegato Il fegato è l'organo centrale del metabolismo in quanto gli epatociti, dopol'assorbimento intestinale, assumono la quasi totalità degli zuccheri e degli aminoacidi. Solouna piccola quota dei trigliceridi viene utilizzata dagli epatociti mentre la gran parte, dopol'assorbimento, entra nel tessuto linfatico e poi nel tessuto adiposo. IL fegato elabora inutrienti e li ridistribuisce ai tessuti, attraverso il flusso sanguigno, in una miscela,"calcolata" per i fabbisogni extraepatici a seconda dell'intervallo di tempo tra un pasto e l'altro,dell'attività dell'intero organismo e dal fabbisogno energetico.

Vediamo in dettaglio ora l' azione del fegato sugli zuccheri e sugli aminoacidi. [seguire loschema]

Il glucosio entrato nell'epatocita viene fosforilato dalla glucochinasi, enzima con una Km moltoelevata ma non inibito dal suo prodotto, come l'esochinasi.

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Il glucosio 6-P, come si vede in figura può avere cinque destini metabolici che dipendono dallenecessità dell'organismo.

1) In caso di glicemia bassa, il glucosio 6-P viene defosforilato dalla fosfatasi per esportareglucosio libero nel flusso sanguigno.

2) Nel caso di bassa attività fisica e di normale concentrazione ematica di glucosio, se leriserve epatiche di glicogeno lo consentono, il glucosio 6-P viene immagazzinato comeglicogeno attraverso la glicogenosintesi.

3) In caso di richiesta energetica il glucosio-6-P prende la via glicolitica e le successivedeidrogenazioni per produrre ATP nella catena respiratoria.

4) Se l'acetil-CoA è in eccesso esso servirà come precursore per la sintesi di acidi grassi chesaranno poi incorporati nei fosfolipidi o nei trigliceridi.

5) Se si devono produrre coenzimi ridotti (NADPH) per qualche sintesi oppure la cellulanecessita di ribosio per la biosintesi degli acidi nucleici, il glucosio 6-P è il precursore della viadel pentosio-fosfato.

Passiamo ora all' azione del fegato sugli aminoacidi [seguire lo schema]

Gli aminoacidi che entrano nelle cellule epatiche hanno diversi destini. Vediamoli.

1) sono i precursori per la sintesi delle proteine epatiche o 2) per quelle tissutali.

3) alcuni aminoacidi sono i precursori di nucleotidi, ormoni, neurotrasmettitori.

4) Gli aminoacidi in eccedenza per le biosintesi dei punti precedenti vengono deaminati edegradati ad acetil-CoA ed intermedi del ciclo di Krebs che 4a) in caso di sufficiente energiae/o di lavoro muscolare basso, possono essere convertiti in glucosio attraverso lagluconeogenesi.

L'acetil-CoA oltre a seguire la via del metabolismo energetico, può essere utilizzato, se ineccesso, 4c) per la sintesi degli acidi grassi.

4d) L'ammoniaca rilasciata nella deaminazione viene convertita in urea nel ciclo dell'urea.

5) Durante un digiuno prolungato, il livello di glucosio ematico tende a scendere sotto i livellinormali. Allora alcune proteine del tessuto muscolare vengono degradate per liberareaminoacidi liberi. Questi aminoacidi per transaminazione cedono il gruppo amminico al piruvatoformando alanina che viene trasportata al fegato che, a sua volta, la deamina a piruvato.

Il piruvato, come sappiamo può percorrere la via gluconeogenetica e produrre glucosio daimmettere nel sangue per ripristinare l'omeostasi glucidica. Questo ciclo, chiamato glucosio-alanina , è quello che regola la glicemia tra un pasto e l'altro.

Per ultimo vediamo l' utilizzazione degli acidi grassi da parte del fegato.

Gli acidi grassi, nell'epatociti possono essere convertiti in lipidi, fosfolipidi e triacilgliceroli che,legati alle lipoproteine plasmatiche, vengono esportati al tessuto adiposo.

Nella maggior parte dei casi gli acidi grassi sono il combustibile principale per il fegato e quindiattraverso l'attivazione e la β-ossidazione vengono convertiti in acetil-CoA e NADH che poiprodurrà ATP nella catena respiratoria tramite la fosforilazione ossidativa. L'eccesso di acetil-CoA prodotto viene convertito in corpi chetonici che rilasciati nel sangue vengono utilizzati daitessuti extraepatici per essere ossidati e produrre energia.

Il tessuto adiposoE' il tessuto di deposito dei grassi provenienti dall'intestino, dopo l'assorbimento e quellisintetizzati, per la maggior parte, nel fegato ed esportati al tessuto adiposo tramite le VLDL.Quando l'organismo avverte la necessità di energia e lo zucchero ematico è in bassaconcentrazione, l'azione dell'ormone adrenalina attiva la lipasi contenuta nel tessuto adiposoche idrolizza i triacilgliceroli in acidi grassi e glicerolo. Gli acidi grassi così liberati vengonotrasportati nei tessuti muscolo scheletrici e al cuore che li ossidano per estrarre ATP.

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I muscoli scheletriciI muscoli scheletrici, deputati a compiere un lavoro meccanico, sono la sede del maggiorconsumo d'energia. Essi possono utilizzare acidi grassi, corpi chetonici o glucosio a seconda delgrado di attività muscolare. Nel muscolo a riposo i principali nutriente sono gli acidi grassiforniti dal tessuto adiposo. In caso di moderata attività il muscolo può utilizzare

invariabilmente corpi chetonici epatici, acidi grassi o glucosio. Quando il muscolo esegueun'attività massima, l'apporto di ossigeno e di sostanze nutrienti provenienti dal sangue, èinsufficiente ai bisogni immediati. In tal caso il muscolo dopo aver demolito glicogenoendogeno, demolisce il glucosio a lattato nella via anaerobica. Questo sforzo massimo puòcontinuare, dipendendo dall'allenamento, solo per poco tempo provocando accumulo di acidolattico che deve essere smaltito. Dopo lo sforzo, il soggetto deve continuare in unarespirazione accelerata per un po' di tempo. La maggior parte dell'ossigeno così assunto vieneutilizzato principalmente dal fegato per produrre ATP da destinare alla sintesi conversione dellattato, giunto dal muscolo, in glucosio. (ciclo di Cori).

Durante il periodo di intensa attività il muscolo scheletrico, che contiene fosfocreatina, puòprodurre ATP nella reazione catalizzata dalla creatina chinasi:

fosfocreatina + ADP —→ creatina + ATPma durante la fase di recupero la fosfocreatina viene rigenerata tramite la reazione inversa:

creatina + ATP —→ fosfocreatina + ADP

Il cervelloIl cervello dell'adulto usa solo glucosio proveniente dal flusso sanguigno. La esochinasi, conuna bassa Km può utilizzarlo anche in concentrazioni basse che però non devono scenderesotto livelli critici che comporterebbero gravi danni funzionali profondi ed irreversibili.

Durante i periodi di digiuno, il cervello può utilizzare anche il β-idrossibutirrato, un corpochetonico proveniente dal fegato.

L'energia dell'ATP è necessaria per creare e mantenere il potenziale d'azione generatodall'antiporto della pompa sodio-potassio, ATPasi dipendente.

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