Appunti Biochimica e fondamenti di Biochimica Umana primo semestre

SISTEMI NAVETTA PER NADH CITOPLASMATICO

La maggior parte dei processi ossidativi avvengono nel mitocondrio, c’è però un processo ossidativo che avviene nel

citoplasma e che può avvenire in condizioni indipendenti dall’attività mitocondriale. Quello stesso processo può, se

ci sono le condizioni, avvalersi anche del contributo dell’attività mitocondriale: stiamo parlando della glicolisi.

Questo processo di ossidazione dà la formazione di coenzimi ridotti nel citoplasma, si forma in particolare NADH H+.

La membrana mitocondriale interna non ha però sistema per scambiarlo, perché sarebbe una perdita di controllo

sui rapporti NADH ossidato/NADH ridotto all’interno del mitocondrio; quindi, perderemmo il vantaggio della

compartimentazione degli eventi.

Ma, se sono in condizioni di disponibilità di O , ci sono due sistemi per trasportare gli equivalenti riducenti, e quindi

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gli elettroni, ma non il NADH faccio ciò trasferendo il potenziale riducente su altre molecole.

Ciò funziona sfruttando la capacità del NADH di essere un coenzima di ossidoriduzione: nella glicolisi si forma NADH

H+ ridotto, ma ho un sistema che, non toccando i livelli di metaboliti citoplasmatici, permette il trasferimento degli

elettroni, cioè degli equivalenti riducenti.

Sono due i sistemi (sono diversi, hanno una diversa localizzazione tissutale) che permettono di effettuare questo

processo e vengono chiamato sistemi shuttle.

1. Vediamo nell’immagine il più semplice:

a livello citoplasmatico se ho una grade quantità di NADH

generato può essere utilizzato per ridurre diidrossiacetone

fosfato (forma carbonilica) in glicerolo 3-fosfato (alcol).

La trasformazione avviene mediante il glicerolo-3-fosfato

deidrogenasi che è localizzata all’interno del citoplasma.

Il diidrossiacetone fosfato e il glicerolo-3-fosfato hanno un

trasportatore (carier mitocondriale) a livello della membrana

mitocondriale interna, che è un antiporto delle due molecole,

per cui entra il glicerolo3-fosfato ed esce il diidrossiacetone

fosfato.

Quindi nella matrice ho NADH che mi permette di trasformare diidrossiacetone fosfato in glicerolo 3 -fosfato. G3P

entra nel mitocondrio. Nella matrice incontra un enzima FADH dipendente è uno di quei tre enzimi che sono

flavoproteine e che abbiamo visto nella catena respiratoria come approvvigionatori di equivalenti riducenti derivanti

da FAD su coenzima Q) che scarica sul coenzima Q e converte il glicerolo-3-fosfato deidrogenasi in diidrossiacetone

fosfato.

Quindi i due equivalenti riducenti, che nel citoplasma sono stati generati come NADH nel mitocondrio, vengono

rigenerati come FADH e vengono quindi scaricati dal citoplasma al mitocondrio, in particolare al coenzima Q

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attraverso il FAD.

Il diidrossiacetone fosfato che si forma esce in antiporto con il glicerolo-3-fosfato. Per cui ho di fatto trasporto netto

soltanto di potenziale riducente, perché la molecola a tre atomi di carbonio scambia, il loro consumo netto è 0.

Ma dal punto di vista energetico ho perso un po’ di energia, perché un NADH è diventato un FADH (da NADH ho un

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recupero di 2,5 molecole di ATP, da FAD ne recupero solo 1,5)

2. sistema più complesso ma che segue lo stesso principio.

Ho un NAD ridotto che viene convertito in NAD ossidato usando

come accettore un ossalacetato (CO-COCH2CO-) che viene

convertito in malato (OHCH2CO-): ho una riduzione da gruppo

carbonile ad alcolico.

Il malato entra con il suo sistema di trasporto, e nel mitocondrio

viene riossidato (viene riconvertito ad ossalacetato),

a spese di un enzima mitocondriale che genera NADH, quindi

recupero esattamente tutto quello che ho prodotto nel citoplasma, perché o che gli equivalenti riducenti di un NADH

sono stati trasferiti su un NAD mitocondriale, quindi genero NADH mitocondriale. Non perdo in termini di scheletri

carboniosi in questo passaggio, i quattro atomi di C che entrano li recupero.

Ma ora ho un problema perché l’ossalacetato non è in grado di scambiare perché non ha un trasportatore (è una

molecola troppo cruciale per poter essere scambiata), per poter portare fuori quell’ossalacetato bisognerà usare un

sistema più complesso.

Devo convertire l’ossalacetato in aspartato che ha un suo trasportatore

CONTROLLO RESPIRATORIO

La catena respiratoria, cioè il flusso degli elettroni, governa la sintesi di ATP. Le prime osservazioni sull’associazione

del processo respiratorio alla sintesi di ATP sono ben precedenti alla definizione del meccanismo molecolare e anche

alla definizione del modello della teoria chemiosmotica.

Queste osservazioni sono state fatte su un omogenato di fegato, quindi su mitocondri isolati da fegato.

Perché su questi è possibile quantificare il loro consumo di O e il quantitativo di ATP sintetizzato. La quantificazione è

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possibile grazie alla valutazione di quanto Pi viene consumato.

Quindi voglio vedere come il consumo di O varia in quella preparazione (essendo che il consumo è indice di

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respirazione e di trasporto di elettroni), al variare dei substrati forniti.

Ho i mitocondri separati da un omogenato di fegato, la mia preparazione al tempo 0.

Aggiungo succinato (è come dire aggiungo FADH , abbiamo

o 2

visto che il complesso II è la succinico-deidrogenasi): mi

aspetto di vedere un grosso consumo di O , sto dando

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l’attivazione di un processo che innesca la produzione di

FADH . Invece vedo che il consumo di O è basso: la

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pendenza della curva è bassa.

Aggiungo ADP allo stesso sistema: vedo un rapido aumento

o del consumo di O , la pendenza della retta cambia. L’ADP

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non ha un significato dal punto di vista ox-red, il substrato

utile è succinato/FADH . Vedo che il consumo di O

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continua con quella velocità finché torna quasi piatto.

Dopodiché non devo ridare succinato (non cambierebbe niente), do ADP; dunque, torna ad aumentare la

o velocità di consumo dell’O . Poi torno in uno stato piatto e arrivo a un punto in cui anche se do ADP non

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succede niente perché ho finito l’O .

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Quindi l’ADP esercita un controllo sul consumo di equivalenti riducenti, di coenzimi ridotti = controllo respiratorio.

Quindi il consumo di O , ovvero la capacità di ossidare coenzimi ridotti, è strettamente legata alla possibilità di

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sintetizzare ATP: se non ce l’ho non consumo più coenzimi ridotti; infatti, quando ho trasformato tutto ADP in ATP il

processo si ferma.

Dal punto di vista del meccanismo posso spiegare ciò se accetto la teoria chemiosmotica, che dice che devo avere un

gradiente protonico da dissipare per generare la sintesi di ATP.

Quando non ho la possibilità di sintetizzare ATP perché ho una dissipazione del gradiente protonico, a un certo punto,

se non ho ADP disponibile, il gradiente protonico non ha modo di essere riequilibrato: ho un gradiente protonico,

un’energia libera associata ad esso, che diventa uguale o maggiore all’energia libera associata al trasferimento di

elettroni.

Quindi raggiungo un equilibrio, il sistema si blocca, in quanto quando sono all’equilibrio vado in due direzio ni ma sto

fermo dal punto di vista del processo.

Allora la teoria chemiosmotica permette di dare una spiegazione di ciò che è stato visto sperimentalmente in un

momento che era molto lontano dalla definizione dei meccanismi molecolari, ovvero sia dell’id entificazione del

gradiente protonico come alla base della sintesi di ATP sia di tutto il movimento rotatorio dell’ATP sintasi etc.

Quindi se non ho la possibilità, grazie all’ATP sintasi, di dissipare il gradiente protonico, a un certo punto il sistema d i

trasferimento degli elettroni si blocca, perché dal punto di vista energetico l’energia libera associata al gradiente

protonico è identica a quella associata al trasferimento di elettroni.

Dal punto di vista funzionale e della strategia energetica della cellula questo è un elemento fondamentale per definire

un principio di risparmio energetico, sostenibilità dal punto di vista energetico operativo nella cellula ma anche

nell’organismo.

I nostri sistemi di approvvigionamento e utilizzo di energia nelle nostre cellule e

tessuti sono rigorosi dal punto di vista del non sprecare le risorse. Per le cellule

e per un organismo, in senso più generale, l’ossidazione di un substrato, che è

strettamente associata alla sintesi di ATP, è accoppiato a un processo che

genera da ATP. E quindi approvvigionano gli ADP che vengono sintetizzati

attraverso la catena respiratoria.

Quei coenzimi ridotti che vanno nella catena respiratoria sono generati

dall’ossidazione di glucosio, acidi grassi e di tutti i nostri substrati energetici.

Quindi se non ho bisogno di ATP non ossido!

Gli ADP, quindi, sono associati a un processo ATP-dipendente. Perché se ho ATP

(e quindi ho un rapporto ATP-ADP alto) la catena respiratoria si ferma perché

non ho più coenzimi ossidati da poter utilizzare. Infatti, abbiamo un ciclo dei coenzimi che non vengono sintetizzati

ex-novo.

Questo permette la minimizzazione del consumo di substrati ossidabili in base al bisogno di ATP: se non ne ho

bisogno non consumo, in caso contrario sì. Questa è la ragione per cui possiamo accumulare peso mangiando la

stessa quota e facendo meno attività fisica.

****Se ragiono in termini di quoziente respiratorio associato alla sintesi di ATP, posso calcolare sulla base di quanto

fosfato consumo per O consumato la resa energetica in ATP dell’ossidazione dei due coenzimi, che sono collettori di

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equivalenti riducenti = NADH/H+ e FADH . Se riesco a calcolare dalla riossidazione del NADH l’O che consumo quanto

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Pi mi fa consumare, ovvero quanto ATP è sintetizzato (per una mole di Pi ottengo una mole di ATP, quindi il rapporto

stechiometrico è 1) riesco a capire quanta ATP genero dalla riossidazione del NADH e del FADH . Inizialmente questo

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rapporto era dato sulla base dei tre salti energetici determinati in termini di energia libera a livello della sequenza di

eventi nella catena respiratoria. Per cui si credeva che il NADH generasse due molecole di ATP, perché ci sono tre salti

energetici che lo rendono possibile, mentre il FADH due. In realtà si è calcolato, sulla base del rapporto Pi

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consumato/O consumato, che la resa energetica per la riossidazione del NADH è uguale a 2,5 molecole di ATP, un

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numero non intero che dipende dal gradiente protonico generato: 10 H+ nel caso del NADH e circa 6 H+ nel caso del

FADH . Il rapporto è di 1,5 nel caso del FADH . ****

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Si possono disaccoppiare i due sistemi?

La catena respiratoria è accoppiata