Appunti di Biochimica completi

Riassunto generale del catabolismo ossidativo

Considerando di partire dal glucosio ematico, esso entra nelle cellule e viene fosforilato a Glu6P. Infatti, è la prima cosa che fa una cellula quando entra il glucosio. Questo perché il glucosio non fosforilato può più facilmente entrare ed uscire dalla plasmamembrana, mentre staccandogli un gruppo fosfato, la cellula è sicura che il glucosio rimane intrappolato all'interno. Quando il glucosio è dentro la cellula, può essere utilizzato in tanti modi diversi in base a:

• In che organo siamo;
• In che momento metabolico siamo.

Un possibile destino del Glu6P è la sua degradazione attraverso la via della glicolisi (=degradazione del glucosio) che avviene in tutte le cellule. Il glucosio in questa via viene degradato per trarne energia. Durante la glicolisi otteniamo:

• ATP;
• NADH → potrà andare al processo della fosforilazione ossidativa per generare ATP.

La fosforilazione ossidativa ha però bisogno dei mitocondri e dell'ossigeno. Se manca una delle due cose, il NADH non può andare alla fosforilazione ossidativa e quindi scaricherà i suoi elettroni in un'altra via, la glicolisi anaerobia (=in assenza di ossigeno). In questo caso si produce lattato al posto che piruvato.

Il ciclo di Krebs

La molecola a 3 atomi di carbonio è piruvato, prodotto finale della glicolisi, viene trasformata in Acetil Coenzima A che è il primo substrato del ciclo di Krebs. Il ciclo di Krebs è una serie di 8 reazioni, è una via ciclica in quanto l'ultima reazione produce il primo intermedio necessario nella prima tappa. Quindi, Acetil Coenzima A e ossalacetato reagiscono e durante il ciclo di Krebs vengono prodotti:

• 3 NADH,
• 1 FADH₂,
• 1 GTP (=è energeticamente uguale all'ATP ma la base azotata non è l'adenina ma la guanina).

Il ciclo di Krebs parte a valle del catabolismo glucidico, però la molecola che attiva il ciclo, l'Acetil Coenzima A, si può anche generare dalla degradazione dei lipidi e delle proteine. L'Acetil Coenzima A ha come destino l'ingresso nel ciclo di Krebs, ma può anche avviarsi verso la sintesi di acidi grassi che poi sono accumulati nei trigliceridi. Gli acidi grassi li accumuliamo nel tessuto adiposo non come tali ma sotto forma di trigliceridi. Gli acidi grassi sono leggermente polari (=possono reagire con l'acqua e con altre molecole).

Il glucosio e le sue vie metaboliche

Come è fatto un trigliceride? Il trigliceride è un glicerolo esterificato con 3 acidi grassi. L'Acetil Coenzima A ha quindi molte possibilità e la scelta di una di queste dipende dallo stato della cellula e dallo stato metabolico in cui siamo. Glucosio → C₆H₁₂O₆ → formato da 3 tipi atomi: carbonio idrogeno e ossigeno; Acido grasso → formato da 3 tipi di atomi: carbonio, idrogeno e ossigeno. Proteine → le proteine sono composte da amminoacidi e abbiamo: carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto (=è ciò che differenzia le proteine).

Cosa può accadere soltanto nel fegato e nel muscolo al glucosio? Un altro destino del Glu6P è quello di poter essere convertito a glicogeno. Il glicogeno è un polimero di glucosio (=sono tanti glucosio legati insieme). Il glicogeno viene accumulato nel fegato e nel muscolo. Quando abbiamo bisogno di glucosio lo sintetizziamo e lo degradiamo solo nel fegato e nel muscolo.

Quindi, il glucosio ha diverse vie, partendo dal glucosio ematico esso entra nelle cellule diventando Glu6P: nel fegato e nel muscolo può essere convertito a glicogeno che quando c'è bisogno viene degradato; il Glu6P può essere degradato in tutte le cellule nella glicolisi a dare piruvato/lattato, a partire da essi possiamo tornare indietro ad avere glucosio; un altro possibile destino del Glu6P è la via dell'esoso monofosfato che avviene in tutte le cellule per produrre il coenzima ridotto NADPH.

La concentrazione di glucosio nel sangue

La concentrazione di glucosio nel sangue è la glicemia. La glicemia in un soggetto in assenza di patologie a digiuno deve essere tra i 60 e 110 mg/dl. Il nostro organismo compie notevoli sforzi per far sì che la glicemia sia sempre mantenuta tra i 60 e i 110 mg/dl. Gli organi che sono fondamentali perché si mantenga nel sangue questa concentrazione di glucosio e quindi per l'omeostasi glicemica sono: fegato e pancreas (=produce insulina e glucagone).

Se andiamo in ipoglicemia (ad esempio 40 mg/dl) si va in coma ipoglicemico. Nel nostro organismo quindi vengono attivati dei meccanismi perché la glicemia rimanga all'interno di questo range. Quando si mangia si va in iperglicemia, ma se siamo sani in tempi relativamente rapidi (circa 2 ore) tutto rientra sotto i 110. Se la glicemia rimane alta non ci sono sintomi, ma i problemi si vedono a lungo termine perché alcuni organi vengono danneggiati.

Introduzione all'energia

Noi traiamo energia da ciò che mangiamo: zuccheri, proteine, grassi. Dobbiamo però trarre l'energia contenuta all'interno di questi nutrienti e trasformarla in un'energia chimica che possiamo utilizzare all'interno delle nostre cellule. La molecola dell'energia che possiamo utilizzare nelle cellule e che sintetizziamo a partire è l'ATP (=adenosina trifosfato). Per arrivare a sintetizzare ATP a volte è un meccanismo diretto altre volte lo è meno. ATP → è la molecola energetica prodotta dalla degradazione delle molecole. Può essere definita come “energia pronta” in quanto possiamo spenderla per far avvenire reazioni.

Nucleoside e nucleotide

Nucleoside → adenosina:

• Adenina → è una base azotata (Ade)
• Ribosio → zucchero legato all'adenina

Nucleotide → adenosina monofosfato: quando c'è 1 solo fosfato (P) → AMP

• Adenosina difosfato: quando ci sono 2 fosfati (P) → ADP
• Adenosina trifosfato: quando ci sono 3 fosfati (P) → ATP

Adenina → base azotata (Ade); Ribosio P (deve esserci almeno 1 fosfato)

I coenzimi ridotti

I coenzimi ridotti li otteniamo dalla degradazione delle sostanze di cui ci nutriamo, e dai coenzimi ridotti sintetizziamo ATP. I coenzimi possono essere in forma ossidata o in forma ridotta (=si ottiene quando i coenzimi in forma ossidata prendono su di sé degli elettroni):

Viene trasformato in 2.5/3 molecole di ATP. Quando mangiamo e degradiamo proteine, lipidi e zuccheri produciamo una grande quantità di coenzimi ridotti in particolare NADH e FADH₂ che ci servono per produrre ATP.

Forma ossidata: NADP → NICOTINAMMIDE ADENINA DINUCLEOTIDE

Forma ridotta: NADPH → NICOTINAMMIDE ADENINA DINUCLEOTIDE RIDOTTO

Anche il NADPH deriva dalla degradazione degli zuccheri, ma si distingue dal NADH e dal FADH₂ perché nelle cellule ha un utilizzo differente in quanto non serve per produrre ATP, ma per la biosintesi di nuove molecole e per la protezione dai radicali dell'ossigeno. Quindi, i coenzimi ridotti ottenuti dalla degradazione di zuccheri, lipidi e proteine li utilizziamo dentro al mitocondrio per avere l'energia necessaria per produrre ATP. I coenzimi ridotti possono essere definiti come “energia potenziale”, cioè un'energia che abbiamo a disposizione per produrre ATP.

Il metabolismo

Il metabolismo indica qualsiasi reazione che avviene dentro le cellule. Queste reazioni possono essere divise in due famiglie:

• Reazioni cataboliche → sono reazioni che degradano/ossidano molecole/proteine/lipidi. Noi degradiamo proteine/lipidi/zuccheri per trarne energia sotto forma di ATP e coenzimi ridotti. Questa energia serve per i lavori che devono svolgere le cellule ma anche per la sintesi di nuove molecole (=reazioni anaboliche).
• Reazioni anaboliche → sono le reazioni che sintetizzano nuove molecole/proteine/lipidi.

Sintesi dell'ATP

Per sintetizzare l'ATP nelle nostre cellule ci sono due meccanismi principali:

1° Meccanismo - Reazione di fosforilazione a livello del substrato

Ho l'ADP e quindi per riportarla ad essere una molecola energetica devo ricaricarla attaccandogli un terzo fosfato (=ATP). Una strategia per compiere ciò è avere una molecola X che riesce a donare il gruppo fosfato all'ADP facendola diventare ATP. Esistono tre composti che riescono a cedere il gruppo fosfato.

Ade - rib - P - P (=ADP) ↓ (molecola X - P) Ade - rib - P - P - P (=ATP)

Questo è il meccanismo più semplice ma anche quello meno efficiente, anche se ha il vantaggio che può avvenire in tutte le cellule. Questo meccanismo è quello che utilizzano i globuli rossi, i quali vivono solo grazie all'energia che ottengono in questo modo in quanto non possiedono i mitocondri. Anche il tessuto muscolare nei momenti di sforzo in cui non riesce ad avere abbastanza ossigeno deve utilizzare questo meccanismo.

2° Meccanismo - La fosforilazione ossidativa o respirazione cellulare

Questo meccanismo è più complesso, infatti noi prima generiamo i coenzimi ridotti NADH e FADH₂ e poi li trasformiamo in ATP. Le caratteristiche di questo meccanismo sono:

• Rende molti più ATP rispetto alla fosforilazione a livello del substrato;
• Avviene negli organismi più evoluti;
• Avviene solo nelle cellule che hanno il mitocondrio e ossigeno.

Fasi della fosforilazione ossidativa

Fase 1 → produzione di coenzimi ridotti NADH e FADH₂;

Fase 2 → sintesi dell'ATP → riusciamo ad avere l'energia necessaria per attaccare un fosfato sull'ADP che ne aveva 2 e a produrre l'ATP che ha 3 fosfati. Perché possa avvenire la fosforilazione ossidativa sono necessari i mitocondri, in quanto in essi nella parte centrale c'è la matrice mitocondriale, che è circondata da due membrane, una interna e una esterna, e tra le quali c'è lo spazio transmembrana. La membrana mitocondriale interna è dove si trovano tutte le proteine necessarie per compiere la fosforilazione ossidativa. Dopo aver degradato zuccheri, proteine e lipidi, sintetizziamo i coenzimi ridotti NADH e FADH₂ (=hanno su di sé degli elettroni in più) essi cedono i loro elettroni in più ai complessi sulla membrana mitocondriale interna che se li trasferiscono l'un l'altro finché l'ultimo complesso li trasferisce sull'ossigeno, che viene ridotto ad acqua.

NADH → da ogni NADH sintetizziamo 3 ATP

Il complesso 1 che ha preso gli elettroni dal NADH li cede al coenzima Q il quale li cede al complesso 3 che li cede al citocromo C, che a sua volta li cede al complesso 4 il quale li dona all'ossigeno che li trasforma in acqua ed il NADH torna nella sua forma ossidata NAD. Il passaggio che avviene per il trasferimento degli elettroni dal coenzima ridotto NADH all'ossigeno non è quindi diretto.

Complesso 1 → coenzima Q → complesso 3 → citocromo C → complesso 4 → ossigeno

A partire dal NADH si attivano 3 pompe e generiamo il gradiente.

FADH₂ → da ogni FADH₂ sintetizziamo 2 ATP

Il FADH₂ fa come il NADH ma inizia dal complesso 2, quindi:

Complesso 2 → coenzima Q → complesso 3 → citocromo C → complesso 4 → ossigeno

Alla fine l'ossigeno si trasforma in acqua ed il coenzima ridotto FADH₂ torna nella sua forma ossidata FAD. Il processo di trasferimento degli elettroni all'ossigeno genera l'energia necessaria perché un fosfato possa attaccarsi sull'ADP riuscendo ad ottenere ATP. A partire dal FADH₂ attiviamo 2 pompe.

Nel mitocondrio in presenza di ossigeno avviene:

• NAD/FADH₂ + O₂ → NAD/FAD + H₂O
• ADP + Pi → ATP + H₂O

Quindi, il NADH attiva 3 pompe ed il FADH₂ ne attiva 2, è questo il motivo per cui il FADH₂ in proporzione ci rende energeticamente un po' meno e genera quindi un gradiente protonico un po' inferiore. Gli elettroni vengono trasferiti da un complesso all'altro in senso parallelo rispetto alla membrana, nel frattempo si ha anche il trasferimento di protoni al di là della membrana mitocondriale interna (nello spazio intermembrana). Questo crea un gradiente che fa in modo che i protoni vengano accumulati al di là della membrana mitocondriale interna e che possano rientrare all'interno del mitocondrio soltanto attraverso l'enzima ATP sintetasi. Questa caduta di protoni verso l'interno del mitocondrio (=avviene grazie al gradiente) cede energia perché un fosfato venga agganciato sull'ADP e ricaricato ad ATP. Questo è il meccanismo di produzione di ATP più efficace (anche rispetto alla fosforilazione a livello del substrato) che però si ha solo nelle cellule che hanno il mitocondrio.

Alla fine del processo della fosforilazione ossidativa otteniamo:

• ATP: è per questo che la natura ha dato vita a questo sistema;
• Acqua: perché l'ossigeno prende su di sé gli elettroni e si trasforma in acqua;
• Coenzimi ossidati NAD e FAD: i coenzimi ridotti vengono trasformati in coenzimi ossidati;
• Calore: serve a mantenere la temperatura corporea. La termogenina (=proteina) è espressa nel mitocondrio e attraverso essa gli elettroni possono rientrare. Attraverso questa via l'energia viene dissipata sotto forma di calore.

Come tutte le vie metaboliche, anche questa deve essere regolata perché non sempre c'è bisogno che questo processo proceda al massimo in quanto in alcuni momenti la cellula ha già tanta ATP e non è necessario crearne altra. Quindi la regolazione di questo processo si basa sulla necessità della cellula: se c'è tanto ATP rallenta; se c'è tanto ADP accelera. Nelle trasformazioni di energia la resa non è mai quella del 100%, in questo caso riusc