Appunti integrati del corso di Biochimica

G

Otteniamo l’L-malato, il è - 0,9 kcal/mole.

8. Rigenerazione dell’ossalacetato

Siamo molto vicini per riciclare l’ossalacetato.

La malato deidrogenasi (MDH) catalizza la reazione reversibile del

gruppo ossidrilico a gruppo chetonico. Questa deidrogenasi piridinica

(utilizza NAD+) esiste in due forme: una citosolica e una mitocondriale.

Quindi possiamo realizzare questa reazione sia nel citosol che nel

mitocondrio. G

Ho quindi ottenuto nuovamente l’ossalacetato, il è + 7,1 kcal/mole.

L’ossalacetato è il prodotto dell’ultima reazione e il reagente della prima a dimostrazione che è una via ciclica.

Le ossidazioni vengono divise in tanti passaggi e abbiamo diversi intermedi, dividere una reazione in tante reazioni ci

consente di recuperare energia e di avere diversi intermedi, che hanno funzione biologica fondamentale per la vita

della cellula.

L’ossalacetato è il catalizzatore e accettore delle unità acetiliche. 48

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Se facciamo il conto che la succinato deidrogenasi direttamente essendo a contatto

con la catena respiratoria porta il FADH2 a FAD e alla produzione di 2 ATP. I NADH

finiscono subito sul complesso I della catena respiratoria, tornano a NAD+ e

producono 3 ATP.

Quindi, in totale ottengo 12 molecole di ATP (9 dal NADH, 2 dal FADH2 e 1

direttamente dal TCA) per ogni acetil-CoA che viene ossidato a CO .

2

Prendo l’acetato e in presenza di ossigeno lo ossido e vedo quanta energia può

sprigionare. La resa energetica è circa il 41,91%, il resto dell’energia è stata

rilasciata sottoforma di calore.

Come viene regolato il TCA? La velocità dipende dalla catena respiratoria e fosforilazione ossidativa, se tutti i NADH e

FADH2 non si riossidano il ciclo si interrompe, quindi la velocità dipende dalla disponibilità di ADP, fosfato inorganico

e ossigeno. Abbiamo bisogno dell’acetil-CoA e di intermedi.

Il TCA adatta la sua velocità alle necessità energetica della cellula che viene misurata come rapporti tra molecole

energetiche e le loro controparti meno energetiche:

Se il rapporto è elevato il TCA si ferma, se è basso il TCA procede.

• cellule a riposo: richiedono ed utilizzano poca energia. Hanno rapporti elevati, il TCA è rallentato.

• cellule in attività: richiedono ed usano tanta energia. Hanno rapporti bassi, il TCA è potenziato.

La regolazione avviene soprattutto sulle reazioni reversibili quindi la sintasi e le due deidrogenasi. Sono enzimi inibiti

dalle molecole (meccanismi allosterici o inibizione da prodotto). Le molecole che indicano fabbisogno energetico

come il NAD+ e l’ADP saranno attivatori degli stessi enzimi.

A queste molecole, soprattutto nelle cellule muscolari, si sovrappone lo ione calcio come

modulatore metabolico. Il calcio attiva sempre il catabolismo nel muscolo ed è mediatore

delle contrazione, quindi, è attivatore di tutti gli enzimi del TCA (soprattutto le due DH) e

anche della fase terminale del piruvato in acetil-CoA.

L’ossidazione dell’acetato forma intermedi a quattro, cinque, sei atomi di carbonio perché ci consente di ottenere

energia ma anche intermedi, indispensabili per la cellula. Il TCA ha funzione catabolica (ottenere energia) e funzione

anabolica (ottenere precursori). Più precisamente è definito un ciclo anfibolico.

La funzione catabolica porta all’ossidazione dell’acetil-CoA

e poi altri scheletri carboniosi, soprattutto degli aa che

possono entrare a diversi livelli.

La funziona anabolica è assolta da diversi intermedi.

Il citrato è una delle molecole più importanti dal punto di

vista anabolico, infatti si può trovare anche nel citosol dove

serve per sintetizzati i lipidi e steroli (acidi grassi e

colesterolo).

L’alfa-chetoglutarato può servire a sintetizzare

glutammato, glutammina, prolina, arginina e basi azotate,

sia purine che pirimidine, e può essere precursore di

neurotrasmettitori (GABA). La gluttamina è l’aa donatore di

N in tantissimi composti azotati.

Dalla succinil-CoA si ottengono anelli porfirinici, anche

l’eme.

Dall’ossalacetato si possono sintetizzare pirimidine ma soprattutto si può ottenere il glucosio (gluconeogenesi).

Negli organismi aerobici il ciclo di Krebs è la principale fonte di energia: la funzione catabolica non può essere

interrotta, la concentrazione degli intermedi è costante, ed è sempre possibile recuperare intermedi dell’ossalacetato

per compiere il TCA se è necessario compiere molti cicli. Poi, gli intermedi che sono stati prelevati devono essere

sostituiti.

Le reazioni di rifornimento o anaplerotiche rifornisco il TCA o di intermedi o direttamente di ossalacetato. E sono: 49

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La reazione 1 aggiunge CO2 a un piruvato, è la via principale in fegato e rene per la

produzione di ossalacetato.

Per la reazione 2 l’enzima malico può essere sia mitocondriale che citosolico.

La reazione 3 è attiva nel muscolo durante l’esercizio fisico.

La piruvato carbossilasi è un enzima mitocondriale (classe VI, richiede ATP). Il piruvato è il prodotto della glicolisi che

viene utilizzato per fare l’ossalacetato. Questo enzima utilizza un coenzima di natura vitaminica, la biotina (classe B).

Questo enzima sintetizza ossalacetato in base a quanto acetil-CoA entra nel ciclo, se entra più acetil-CoA devo

sintetizzarne di più. L’acetil-CoA diventa un attivatore allosterico della reazione (feedback positivo).

Le carbossilasi sono fatte da due siti catalitici, uno comune a tutte, che attiva la CO e la rende energeticamente

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attiva, c’è poi un secondo sito specifico che serve per aggiungere la CO al substrato.

2

La CO2 quando la utilizzo per le carbossilazioni agisce sempre nelle forma idratata, è una reazione reversibile. Agisce

nella forma di bicarbonato ed è attivata dall’ATP. Tra bicarbonato e ATP può esserci una reazione di fosforilazione.

Si forma un intermedio con un legame anidridico altamente energetico, il carbossil-P. Adesso la CO2 energizzata deve

avvicinarsi al substrato. Il carbossil-P dal sito viene trasferito sulla biocitina, poi il braccio mobile della biotina si

sposta sul sito catalitico con la CO2, quest’ultima si sposta sul substrato liberando la biotina per una nuova reazione.

→ →

L’enzima malico anch’esso aggiunge CO , ne esistono due forme:

2

mitocondriale (biotina dipendente), che portando al malato aggiunge anche

protoni; e citoplasmatica, che stacca CO2 dal malato e produce piruvato.

Posso sfruttare i punti di accesso del ciclo di Krebs in cui posso inserire intermedi a 4 o più atomi di C (non meno!!!),

ad esempio prendo Asp lo trasformo in ossalacetato e ho riempito il ciclo di Krebs. L’acetil-CoA non contribuisce ad

arricchire il TCA.

Queste forme di rifornimento, soprattutto lo scheletro carbonioso di aa, servono quando l’ossalacetato del TCA non

ha funzione di produrre energia ma di trasformare l’intermedio in glucosio. È un metabolismo di emergenza, non ci

interessa l’energia perché ci serve fare glucosio.

I glucidi

Il glucosio è il carboidrato principale che noi sappiamo metabolizzare, sia per gli aerobi che per anaerobi.

I glucidi sono le biomolecole più abbondanti e più semplici formate da 3 elementi: C, H, O.

La struttura dei glucidi può essere monomerica (monosaccaridi), dimerica (disaccaridi), formata fino a 10 unità

(oligosaccaridi), > di 10 (polisaccaridi o glicani). Sono abbondanti nel regno vegetale, non essenziale per l’uomo.

La funzione è prevalentemente ma non esclusivamente energetica. Hanno anche una funzione strutturale

importante, in quanto sono componenti delle pareti cellulari sia vegetali (cellulosa) sia batteriche, della membrana

plasmatica di animali, e nell’uomo son componenti di glicoproteine, proteoglicani (lunga catena saccaridica) e

glicolipidi.

I monosaccaridi sono zuccheri semplici, solubili in acqua, con un rapporto tra gli atomi di C e di O pari a 1:1. Sono

derivati aldeidici o chetonici di alcoli poliossidrilici (quasi tutti gli atomi di C hanno un gruppo -OH) a catena lineare,

caratteristica della struttura è la presenza di un gruppo carbonilico –C=O. 50

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Sono classificati in base al gruppo funzionale presente se il carbonile è primario ho un aldeide = aldosi, se carbonile è

secondario ho un chetone = chetosi. Oppure li classifico in base al numero di atomi di C (triosi, tetrosi…).

Lo zucchero più semplice è la gliceraldeide, è un aldoso, e il C2 è un centro di

asimmetria e può essere presente in 2 forme enantiomeriche, L (gruppo

funzionale sopra) e D (gruppi OH verso dx). Il chetoso più semplice è il

diidrossiacetone, il quale non ha centri chirali.

→I glucidi naturali appartengono tutti alla serie D.

Aldosi e chetosi possono essere interconvertiti spontaneamente tramite una reazione di tautomeria cheto-enolica. Si

formano due zuccheri diversi, sono isomeri perché hanno la stessa formula bruta ma proprietà diverse. Sono meglio

chiamati tautomeri.

Per tautomero intendo uno zucchero con gli stessi centri di simmetria ma che cambia tra aldoso e chetoso, ossia

differisce nella localizzazione degli atomi di H e dei doppi legami, un epimero è un isomero ma cambia solo un centro

di simmetria.

I principali zuccheri che ci interessano sono: D-ribosio (OH tutti dalla stessa parte), D-glucosio (solo OH in 3 è a sx),

D-mannosio (epimeri del C2 del glucosio), D-galattosio (epimero al C4 del glucosio), D-fruttosio (unico chetone,

tautomero del glucosio).

Se ho almeno 5 C e sono in soluzione acquosa può esserci una reazione

intramolecolare semiacetalica, condensazione tra alcol e aldeide, in cui un C

carbonilico forma un legame covalente con un atomo di O di un gruppo ossidrilico

posto lungo la catena. Anche il chetone può farlo e forma un semichetale.

Per il D-glucosio è possibile un solo tipo di ripiegamento per

motivi di ingombro sterico e di repulsione elettronica: O

dell’OH in C5 promuove un attacco nucleofilo su C

carbonilico C1, formando un semiacetale interno con

struttura simile al pirano. Il C1 è un C sempre aldeidico che

ha fatto un legame semiacetalico.

La ciclizzazione trasforma il C1 in asimmetrico, con

formazione di due isomeri (anomeri) denominati alfa e

beta. Il C1 è un carbonio anomerico o riducente . È

presente circa il 90% di alfa-D, e il 10% di beta-D.

Tra alfa e beta il potere redox è differente, è il C anomerico

libero che è soggetto a riduzioni.

Il C4 in bioc