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Programma:
Stuttura, composizione, organizzazione.
La logica biochimica della materia vivente
Basi cellulari, chimiche, fisiche, genetiche ed evolutive.
Acqua e interazioni deboli nei sistemi acquosi
Le proteine. Struttura e funzione.
Elementi strutturali e organizzazione tridimensionale delle proteine.
Proteine fibrose: proteine... Vedi di più

Esame di Biochimica docente Prof. P. Viani

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La membrana cellulare

La membrana cellulare è composta principalmente da lipidi e proteine e in piccola parte da

oligosaccaridi presenti sotto forma di glicolipidi o glicoproteine.

Membrane diverse hanno composizioni percentuali (in peso) diverse in base alla funzione che

svolgono: ad esempio nella membrana di mielina la componente principale è assolutamente quella

lipidica (79%) in concordanza alla funzione isolante che questa svolge per la propagazione

dell'impulso, nella membrana dell'eritrocita c'è quasi un equilibrio tra lipidi e proteine, mentre a

livello del mitocondrio le proteine superano i lipidi infatti l'elevata specificità della membrana

stessa richiede diverse proteine per svolgere la sua funzione.

I lipidi della membrana

La famiglia numericamente più abbondante di lipidi sono i glicerofosfolipidi (o fosfogliceridi) i

quali presentano due acidi grassi legati al primo e al secondo atomo di C del glicerolo e un gruppo

fosfato legato al terzo atomo di C del glicerolo, a cui a sua volta si lega una testa polare X che varia

tra i diversi tipi di lipidi.

Tutti i fosfogliceridi derivano quindi dall'acido fosfatico che presenta un solo atomo di idrogeno

attaccato al gruppo fosfato (X=H); altri esempi di glicerofosfolipidi sono: fosfatidiletanolammina,

fosfatidilcolina, fosfatidilserina, fosfatidilinositolo..

Questi lipidi sono molecole anfipatiche poiché presentano una testa fortemente polare ed una coda

fortemente apolare.

Altri lipidi presenti sono gli sfingolipidi, meno abbondanti ma anch'essi costituiti da una testa

polare e due code non polari.

Gli sfingolipidi non contengono glicerolo: sono formati a partire da una molecola di sfingosina, un

amminoalcol a catena lunga, che si lega ad una lunga catena di acido grasso e ad una testa polare.

Quando un'ulteriore molecola di acido grasso si lega si ha la formazione di ceramide che

rappresenta l'unità fondamentale comune ai diversi sfingolipidi.

Al ceramide possono poi legarsi diverse molecole polari: ad esempio il legame con la fosfocolina

porta alla formazione di sfingomielina.

Se a legarsi alla sfingosina è una molecola di zucchero (glucosio o galattosio) si ha la formazione

glicosfingolipidi (glicolipidi) costituiti da uno o più zuccheri. Se ai glicolipidi viene associata anche

una molecola di acido sialico si formano dei glicosfingolipidi complessi detti gangliosidi, molecole

coinvolte soprattuto a livello dei segnali cellulari.

Nella membrana si trova anche il colesterolo, un lipide che non è formato da due code idrofobiche

e una testa polare bensì da un nucleo di tre anelli a 6 atomi di C e un quarto anello a 5 atomi di C

fusi tra loro. Questo nucleo steroideo costituisce una struttura non polare, planare e rigida che non

consente ampi gradi di movimento; ad esso è legata una catena laterale non polare in

corrispondenza dell'atomo C17 ed un gruppo ossidrile sull'atomo C3 che costituisce l'unica

porzione polare.

Disposizione strutturale dei lipidi

Quando i lipidi anfipatici vengono immersi in una soluzione acquosa tendono a disporsi in modo da

esporre le teste polari verso la soluzione e raggruppare le code idrofobiche in modo da tenerle a

contatto tra di loro. Questo comportamento può dare origine a tre tipi di strutture:

- micelle → sono strutture sferiche che si formano a partire da lipidi a forma “di cono”, con la

testa polare più larga della coda apolare; presentano assenza di acqua al loro interno

- doppio strato lipidico → si forma a partire da lipidi che presentano una sezione simile della

testa polare e della coda apolare, ma presentano comunque le code idrofobiche esposte

all'acqua ai margini laterali 15

- liposoma → si forma dal ripiegamento del doppio strato e consente la formazione di un

compartimento interno acquoso che ben si adatta alla presenza del citosol.

Gli acidi grassi che costituiscono i lipidi possono essere di due tipi:

saturi → presentano una catena dritta ma mantengono una possibilità di mobilità dei

• legami;

insaturi → presentano uno o più doppi legami che causano distorsioni della catena e hanno

• un ingombro maggiore.

In base alla composizione di acidi grassi saturi e insaturi i lipidi possono formare strutture

differenti: nella struttura a gel i diversi lipidi contenenti acidi grassi saturi si dispongono

ordinatamente ed impaccati tra loro in uno strato semi-solido, la presenza di acidi grassi insaturi

permette invece la formazione di un liquido cristallino, molto meno impaccato; in realtà a livello

delle membrane è presente una via di mezzo tra le due strutture.

La presenza del colesterolo inoltre, che si posiziona tra le code idrofobiche, determina o un

aumento o una diminuzione della fluidità a seconda del tipo di membrana in cui viene inserito: una

molecola di colesterolo inserita in un liquido cristallino determina una maggiore rigidità della

membrana, al contrario sin una struttura a gel porta ad un aumento della fluidità della membrana

poiché ne destabilizza la struttura. L'effetto varia in base alla quantità di colesterolo presente.

Il colesterolo quindi permette una regolazione della fluidità e dello spessore della membrana ma

soprattutto quando è presente ad alte concentrazioni consente la formazione di zone molto rigide.

Movimento dei lipidi di membrana

I lipidi che vanno a comporre la membrana hanno la capacità e la necessità di muoversi all'interno

della membrana stessa: i foglietti interno ed esterno infatti presentano composizioni lipidiche

differenti che vanno mantenute e ad esempio i lipidi prodotti all'interno della cellula devono essere

trasportati sul foglietto esterno della membrana cellulare.

Il movimento dei lipidi può avvenire per diffusione laterale se due lipidi nello stesso strato della

membrana si scambiano di posizione in maniera rapida e senza bisogno di catalisi, oppure può

avvenire per diffusione trasversale se passaggio del lipide avviene da uno strato lipidico all'altro. La

diffusione trasversale è un processo molto lento e faticoso in assenza di un catalizzatore poiché la

testa polare del lipide deve attraversare l'ambiente idrofobico costituito dalle code apolari.

Le proteine che catalizzano la diffusione trasversale sono tre:

1. flippasi → trasferisce fosfatidilserina e fosfatidiltanloammina dal foglietto esterno a quello

interno utilizzando ATP;

2. floppasi → trasporta i fosfolipidi dal lato citosolico a quello esterno consumando ATP;

3. scramblasi → trasporta i lipidi in entrambe le direzioni secondo gradiente di

concentrazione e non dipende dall'ATP.

Il movimento dei lipidi è stato determinato mediante l'aggiunta di sonde fluorescenti ai lipidi stessi

e utilizzando un raggio laser è stata poi fatta decadere la fluorescenza in un punto della membrana.

Con il passare del tempo si è visto che i lipidi si spostavano andando a coprire la zona “nuda”.

La composizione in lipidi delle membrane biologiche è molto diversa a seconda della loro

funzionalità; le membrane inoltre presentano un'asimmetria tra i due foglietti del doppio strato

lipidico anche se meno marcata rispetto a quella delle proteine.

16

Le proteine di membrana

Le proteine associate alle membrane biologiche sono di due tipi:

proteine integrali → attraversano la membrana da un lato all'altro della membrana una o

• più volte

proteine periferiche → si trovano ancorate ad un solo foglietto lipidico mediante

• interazioni elettrostatiche e legami idrogeno alle teste polari dei lipidi e alle catene

idrofiliche delle proteine integrali

Le proteine integrali di membrana sporgono sia dal lato citosolico che da quello extracellulare con

catene amminoacidiche idrofiliche disposte in una direzione specifica, mentre gli amminoacidi

apolari che attraversano la membrana interagiscono con le code idrofobiche dei lipidi.

Le porzioni interne allo strato lipidico formano α-eliche; le proteine che possiedono una sola α-

elica sono proteine transmembrana mentre tra le proteine in grado di attraversare lo strato lipidico

più di una volta sono comuni le proteine a 7 domini transmembrana costituite da 7 α-eliche

collegate da residui di amminoacidi idrofilici che sporgono dalla membrana.

Per predire la struttura secondaria di una proteina che attraversa il doppio strato lipidico sono

state studiate le variazioni di energia libera associate al passaggio degli amminoacidi da un

solvente apolare all'acqua; l'idrofobicità complessiva della catena di amminoacidi che costituisce la

proteine rappresenta l'indice idropatico della proteina.

Considerando l'idrofobicità di diversi gruppi amminoacidici di una proteina si può dire che gruppi

con un indice idropatico elevato sono potenzialmente segmenti transmembrana; quindi una

proteina che in un grafico residui amminoacidici – idrofobicità presenta n picchi positivi avrà n

porzioni transmembrana.

Non tutte le proteine integrali di membrana sono costituite da α-eliche transmembrana, anche le

strutture a barile β sono frequenti: queste sono composte da 20 o più elementi transmembrana che

si dispongono a foglietti β in modo da formare un cilindro che attraversa la membrana da un lato

all'altro; una proteina che presenta questa conformazione è la batteriorodopsina.

Le proteine periferiche di membrana sono invece ancorate covalentemente a più lipidi diversi che

si comportano come àncore idrofobiche e mantengono la proteina esposta sulla superficie della

membrana. Ad esempio alcune proteine si possono legare mediante residui di residui di Cys o Ser

all'acido palmitico, altre legano il gruppo mieristilico mediante residui di Gly oppure il gruppo

farnesilico mediante residui di Cys; queste tre tipologie di legame avvengono a livello del foglietto

interno della membrana.

A livello del foglietto esterno invece le proteine possono legarsi alla membrana mediante le àncore

GPI: questi lipidi (glicosilfosfatidilinositolici) si comportano da àncore inserendosi nel doppio

strato lipidico e mantenendo la proteina esposta su un lato della membrana.

Alcune proteine periferiche inoltre permettono di mantenere il corretto orientamento delle

proteine a 7 domini transmembrana.

All'interno della membrana possono esistere zone molto compatte, dette rafts, arricchite in

colesterolo e sfingolipidi (ceramide e glicosfingolipidi complessi); i rafts sono compatti poiché gli

acidi grassi degli sfingolipidi sono tutti saturi.

Queste zone si trovano spesso associate alle proteine di membrana e alle àncore lipidiche,

presumibilmente poiché queste formano interazioni più stabili con il colesterolo piuttosto che con i

fosfolipidi circostanti.

Inoltre vi è anche la presenza di proteine, come la caveolina, costituite da una subunità che si lega

a tre molecole di acido palmitico, in modo da facilitare l'interazione con il colesterolo.

Un dimero di caveolina si lega al colesterolo e forza la membrana a curvarsi verso l'interno

17

andando a formare una caveola (arricchita in colesterolo e sfingolipidi), struttura coinvolta in varie

funzioni cellulari come la trasduzione di segnali o il traffico di membrane.

Trasporto attraverso le membrane

Le membrane costituiscono una barriera tra ambiente extracellulare e intracellulare ma anche tra

organelli e citosol, quindi la maggior parte delle molecole necessarie alla cellula o molecole di

scarto non sono in grado muoversi liberamente attraversando le membrane.

Le poche molecole in grado di attraversare per diffusione passiva la membrana cellulare sono:

acqua, O , CO e molecole particolarmente idrofobiche; le molecole idrofiliche e gli ioni

2 2

attraversano la membrana mediante un trasporto facilitato mediato da specifiche strutture che ne

permettono il passaggio da un lato all'altro.

Trasporto facilitato

Il trasporto facilitato può essere di tre tipi in base alla direzione ed al numero delle molecole

trasportate:

- uniporto → trasporto di un singolo tipo di molecola da un lato all'altro della membrana.

- simporto → trasporto di due tipi di molecole diverse nella stessa direzione

- antiporto → trasporto di due molecole diverse in direzioni opposte.

La variazione di energia libera ∆G di molecole trasportate mediante trasporto facilitato è molto più

piccola rispetto a quella che si avrebbe mediante diffusione semplice.

Infatti se molecole idrofiliche non in grado di attraversare liberamente la membrana vengono

contornate da molte molecole d'acqua, per poterla attraversare devono perdere tutte le molecole

di acqua, con un meccanismo energeticamente sfavorito poiché presenta un'energia di attivazione

∆G talmente alta che il processo non avviene mai spontaneamente.

In presenza di un trasportatore le molecole d'acqua vengono comunque allontanate ma l'ambiente

del trasportatore stesso facilita il passaggio della molecola idrofilica attraverso doppio strato

lipidico.

Esistono due grandi famiglie di trasportatori che si occupano del trasporto facilitato:

canali → sono strutture proteiche che formano un poro selettivo nella membrana ed

• esistono in uno stato aperto e in uno stato chiuso.; sono costituiti da una porzione esterna

idrofobica a contatto con la membrana e da una porzione interna idrofilica che permette il

passaggio delle molecole idrofiliche in maniera selettiva e specifica

trasportatori → non attraversano completamente la membrana ma sono in grado di legare

• gli ioni da un lato della membrana, di trasportarli sul lato opposto e rilasciarli. Possono

anche trasportare molecole contro gradiente di concentrazione sfruttando l'energia fornita

da una reazione chimica o accoppiando il trasporto contro gradiente a quello secondo

gradiente di un altro substrato.

La diffusione facilitata mediante canali presenta una velocità di trasporto molto elevata che si

avvicina ai valori della diffusione semplice e aumenta all'aumentare della concentrazione del

substrato. La velocità di trasporto mediante trasportatori invece è più lenta ed è saturabile: esiste

una concentrazione di substrato oltre la quale la velocità di trasporto non aumenta più perché tutti

i trasportatori sono saturati. 18

+

Canale per K

Il canale per il potassio è costituito da due subunità ciascuna delle quali comprende 3 α-eliche: due

sono lunghe e attraversano la membrana, una invece è più corta e crea la selettività del canale.

Le diverse subunità si posizionano a creare una sorta di cono con la base rivolta verso l'esterno; gli

ioni potassio con le loro molecole d'acqua di idratazione entrano nell'ambiente pieno di acqua

(rivolto verso il citosol) del canale.

Il progressivo restringimento del filtro di selettività causa la perdita delle molecole d'acqua, grazie

alla presenza di amminoacidi idrofilici, e la formazione di legami con lo scheletro proteico del

canale; il sodio non può quindi legarsi per dimensioni e affinità.

All'interno del filtro di selettività sono presenti 4 siti di legame per lo ione potassio che non

possono essere occupati contemporaneamente a causa dell'ingombro sterico; due ioni potassio

occupano quindi prima i siti 1 e 3 poi “saltano” ai siti 2 e 4, intervallati da molecole di acqua.

Dalla posizione 4 uno ione può essere rilasciato all'esterno della cellula dove viene reidratato e un

nuovo ione può essere legato.

Questo canale è in grado di aprirsi e chiudersi molto velocemente.

+

Canale per Na

Il canale per il sodio è costituito da un singolo polipeptide composto da 4 subunità diverse;

ciascuna subunità contiene a sua volta 6 eliche transmembrana.

Le eliche che compongono il canale hanno diverse funzioni:

- struttura del canale (eliche 1,2,3 e 5)

- interazione con lo ione sodio grazie al cancello di attivazione (elica 6)

- comando del canale di apertura/chiusura in base alla variazione di voltaggio (elica 4)

- filtro di selettività in grado di riconoscere lo ione sodio (catena amminoacidica tra le eliche

5 e 6).

È presente anche una sequenza amminoacidi che collega la III e la IV subunità e va a formare il

cancello di inattivazione del canale.

Il sensore di voltaggio di ogni subunità è formato da un'elica (elica 4) in grado di muoversi in

seguito alla rilevazione di una variazione del potenziale di membrana. In presenza del potenziale di

riposo, avendo carica positiva le eliche sono attratte verso l'interno della cellula e impediscono

l'apertura dei cancelli di attivazione (eliche 6); non appena la membrana si depolarizza i sensori di

voltaggio si spostano verso l'esterno attratte dalle cariche negative e permettono l'apertura dei

cancelli di attivazione.

Dopo un tempo brevissimo il cancello di inattivazione si sposta e chiude il canale; avviene poi un

cambiamento conformazionale che fa ritornare il canale alla posizione iniziale.

Recettore per l'acetilcolina

Il recettore per l'acetilcolina è un canale ionico formato da 5 subunità (due α, β, γ e δ) ciascuna

delle quali è costituita da 4 diverse α-eliche (da M1 a M4).

Le 5 subunità si posizionano in modo da creare un canale rivestito dalle eliche anfipatiche M2; non

appena due molecole di acetilcolina si legano ai siti di legame specifici sulle subunità, le eliche M2

subiscono una rotazione che permette lo spostamento dei residui amminoacidici apolari verso

l'esterno e di quelli fortemente polari verso l'interno: il canale si apre e permette il passaggio di

+ 2+ +

Na , Ca e K .

Il canale si richiude nel giro di pochi millisecondi ruotando nuovamente le eliche M2 in modo da

nascondere i residui polari. 19

Trasportatori per il glucosio (famiglia GLUT)

I trasportatori per il glucosio della famiglia GLUT permettono il passaggio del glucosio da un lato

all'altro della membrana secondo gradiente. Presentano una struttura simile con piccole differenze

di affinità per il glucosio a seconda della sede in cui si trovano.

1. GLUT1 (Km 5-7 mM) → è ubiquitario ma abbondante nei globuli rossi e nell'endotelio

vascolare

2. GLUT 2 (Km 7-20 mM) → si trova in: mucosa intestinale, epatociti, cellule β del pancreas e

tubulo renale

3. GLUT3 (Km 1,6 mM) → si trova nel cervello, è il più affine di tutti

4. GLUT4 (Km 3-5 mM) → si trova in muscolo scheletrico e cardiaco e tessuto adiposo

I trasportatori GLUT sono costituiti da proteine integrali con 12 domini transmembrana: gli

amminoacidi a livello del doppio strato lipidico sono prevalentemente polari mentre quelli che

collegano le diverse catene transmembrana possono essere apolari o carichi e facilitano il

l'interazione del glucosio e il suo legame con il trasportatore stesso. L'associazione lato contro lato

di molecole anfipatiche permette la formazione di un canale transmembrana rivestito da catene

laterali di amminoacidi idrofilici che formano legami idrogeno con le molecole di glucosio.

Il trasportatore può avere due conformazioni T1 e T2: quando la concentrazione di glucosio è più

alta all'esterno il trasportatore si trova nella configurazione T1 ed è in grado di legarlo; il legame

determina la conversione nella conformazione T2 che permette l'apertura verso il lato citosolico

della membrana. In questa conformazione l'affinità del trasportatore per il glucosio diminuisce ed

esso viene rilasciato all'interno della cellula. Il trasportatore ritorna quindi nella conformazione T1.

- 3-

Scambiatore Cl /HCO

Lo scambiatore cloruro-bicarbonato è costituito da diversi domini transmembrana e permette di

scambiare bicarbonato e cloruro a livello della membrana degli eritrociti.

La maggior parte della CO viene infatti trasportata dai tessuti periferici ai polmoni sotto forma di

2

bicarbonato, molto più solubile nel plasma: la CO entra nell'eritrocita, viene trasformata in

2

bicarbonato il quale viene rilasciato nel sangue per essere trasportato a livello dei polmoni dove

viene nuovamente convertito in CO .

2

Il trasporto è un antiporto: per ogni ione bicarbonato che si sposta in una direzione uno ione

cloruro si sposta nella direzione opposta, in modo che non ci sia un trasferimento netto di cariche.

Trasporto attivo

Il trasporto attivo è un tipo di trasporto che permette il movimento contro gradiente di

concentrazione sfruttando l'idrolisi di ATP, in modo da poter mantenere i diversi gradienti

caratteristici della cellula.

+ +

Na /K ATPasi

Gli ioni sodio e potassio sono presenti a concentrazioni molto diverse tra l'interno e l'esterno della

+ +

cellula grazie alla presenza del trasportatore Na /K ATPasi.

Questa pompa è in grado di trasportare 3 ioni sodio e 2 ioni potassio per ogni molecola di ATP

consumata e permette di mantenere i gradienti di concentrazione dei due ioni producendo quindi

un potenziale di membrana negativo (tra -50 e -70mV).

Il trasportatore è costituito da due catene α che attraversano lo strato lipidico e possiedono i siti di

legame per l'ATP e due catene β.

+

Quando tre ioni Na si legano dall'interno della cellula, il trasportatore viene fosforilato e cambia

+

conformazione in modo da poter rilasciare gli ioni all'esterno; in questa conformazione due ioni K

possono legarsi, il trasportatore viene defosforilato e si ha un cambio di conformazione che

permette il rilascio dei due ioni all'interno. 20

Questo trasportatore è il bersaglio di alcuni farmaci che ne causano l'inibizione, in questo modo a

2+

livello del reticolo sarcoplasmatico viene attivata un'altra ATPasi che pompa Ca all'interno del

reticolo e stimola la contrazione cardiaca.

2+

Ca ATPasi

Questa pompa è presente a livello della membrana plasmatica ma soprattutto a livello della

membrana del reticolo sarcoplasmatico ed endoplasmatico.

Due ioni calcio si legano alla subunità transmembrana del trasportatore dal lato citosolico, una

molecola di ATP permette il trasferimento di un gruppo fosforico alla subunità P del trasportatore:

la fosforilazione induce cambiamenti conformazionali che permettono il rilascio degli ioni calcio

nel lume. La subunità A si sposta permettendo il rilascio dell'ADP e la defosforilazione della

subunità P e si ha il ritorno allo stato iniziale.

+

H ATPasi della membrana dell'osteoclasta

+

Questa ATPasi trasporta ioni H è costituita da una subunità transmembrana che trasporta gli ioni e

da una seconda subunità con attività ATPasica o di sintesi di ATP.

+

Se il movimento di H avviene contro gradiente, la pompa protonica permette il trasporto degli ioni

associato al consumo di una molecola di ATP, senza la fosforilazione del trasportatore; se invece gli

ioni vengono trasportati secondo gradiente l'ATP può essere sintetizzato a partire da ADP e P .

i

MDR (glicoproteina P)

I trasportatori MDR (Multi Drug Resistance) sono proteine in grado di trasportare numerose

molecole diverse (specialmente farmaci) dall'interno della cellula verso l'esterno mediante

consumo di ATP.

Trasportatori del glucosio SGLTs

Questi trasportatori sono un esempio di trasporto attivo secondario: infatti non consumano

direttamente ATP ma possono svolgere la loro funzione solo se associati a un trasportatore che

consuma ATP. +

Un esempio è il simporto Na /Glu che permette il trasporto di glucosio dal lume intestinale

all'interno degli enterociti sfruttando il gradiente di concentrazione degli ioni sodio.

Il trasportatore lega due ioni sodio dal lato apicale della membrana, questo legame permette il

legame del glucosio che provoca un cambiamento conformazionale della proteina; si ha il rilascio di

+ +

sodio e glucosio all'interno della cellula. Il sodio viene poi ributatto fuori mediante la Na /K

ATPasi e il glucosio viene immesso in circolo mediante trasporto passivo con GLUT2.

Antibiotici ionofori

Poichè i gradienti ionici hanno una funzione essenziale nel trasporto delle molecole da un lato

all'altro della membrana la loro alterazione può risultare letale; farmaci o sostanze in grado di

alterare questi gradienti possono essere utilizzati come antibiotici in grado di uccidere le cellule

batteriche. Questi antibiotici vengono definiti ionofori poiché aprono un canale nella membrana e

permettono il movimento degli verso l'equilibrio, annullando quindi i vari gradienti fondamentali

alla vita della cellula. 21

Trasduzione del segnale

Le variazioni di stato dell'ambiente extracellulare possono modificare gli eventi che avvengono

all'interno della cellula: un segnale esterno è in grado di indurre una risposta a livello cellulare,

spesso associata ad una modificazione delle attività metaboliche, anche senza entrare nella cellula

stessa.

Alcuni segnali sono in grado di attraversare la membrana e inducono modificazioni nella cellula:

questo tipo di meccanismo è associato a molecole in grado di poter attraversare la membrana;

queste molecole interagiscono con specifici recettori citoplasmatici.

Le molecole che non possono entrare nella cellula invece interagiscono con proteine di membrana

in modo da indurre una risposta citoplasmatica (o nucleare) che non dipende quindi dalla presenza

della molecola stessa nel citoplasma.

Tutti questi meccanismi possono essere associati a:

- proteine con 7 domini transmembrana

- proteine con 1 dominio transmembrana

- canali ionici.

Le molecole in grado di interagire sono di natura varia (ormoni, antigeni, fattori di crescita..) ma

possono essere anche stimoli (tatto, luce, nutrienti, odori, sapori...).

La scoperta di questi meccanismi è stata possibile poiché si è notato che le molecole effettrici

(ormoni) erano in grado di indurre una modifica dell'attività enzimatica solo in presenza di una

membrana e che dunque questi ormoni interagivano con proteine associate alla membrana stessa.

L'interazione tra l'ormone e le proteine di membrana non è sufficiente per attivare un enzima nel

citoplasma: è necessaria l'attivazione di specifici segnali che a loro volta attivano l'enzima, ad

esempio il cAMP.

Poiché la risposta cellulare avviene a concentrazioni molto basse della molecola induttrice, quindi è

necessario che il recettore abbia un'elevata affinità per la molecola induttrice; inoltre poiché

l'interazione deve avvenire con un limitato numero di proteine di membrana i due elementi

devono avere una complementarietà conformazionale.

Solitamente le proteine coinvolte in questo tipo di meccanismi si modificano in seguito al legame

con il ligando e attivano a loro volta meccanismi o segnali specifici; poiché non è presente una

-10

relazione diretta tra recettore ed enzima (in rapporto 1:1) è possibile che poche molecole (10 ) a

livello extracellulare attivino un grande numero di enzimi a livello intracellulare grazie

all'amplificazione della risposta.

Questo tipo di meccanismi devono essere regolati: la risposta poi deve anche essere spenta,

altrimenti si avrebbe una desensibilizzazione dovuta ad un adattamento permanente alla

variazione di ambiente e la cellula non risponderebbe più allo stimolo.

La risposta cellulare inoltre è una risposta integrata del segnale, ovvero deriva da diversi segnali

che possono agire contemporaneamente.

Inoltre ogni cellula utilizza un proprio recettore che si lega a molecole diverse e anche se produce il

medesimo secondo messaggero (es. cAMP) è in grado di indurre risposte intracellulari diverse e

specifiche per quella cellula.

Proteine G

Le proteine G (proteine che legano i nucleotidi guanosilici) sono una grande famiglia di proteine

che possono essere monomeriche o eterotrimeriche, costituite da tre subunità diverse: α, β e γ.

La trasduzione del segnale mediante queste proteine prevede l'intervento di tre componenti:

- un recettore localizzato sulla membrana plasmatica a 7 eliche transmembrana,

- una proteina G

- un enzima effettore che deve essere regolato.

22

Il ligando che interagisce con il recettore è il primo messaggero, l'enzima effettore è il secondo

messaggero (ad esempio cAMP).

Un esempio è la trasduzione del segnale dell'adrenalina mediante via adrenergica: in condizioni di

riposo la proteina G associata al recettore β-adrenergico presenta la subunità α legata al GDP; non

appena il ligando si lega al recettore ne induce un cambio di conformazione tale per cui la subunità

α scambia il GDP con GTP, perde affinità per il dimero β-γ e si stacca dal complesso. Nella forma

GTP-legata la subunità α si dirige verso l'adenilato ciclasi, una proteina integrale di membrana in

grado di convertire ATP nel secondo messaggero cAMP.

La subunità α della proteina G ha una funzione stimolatoria, e la proteina G viene quindi indicata

con G .

s

La subunità α è una proteina periferica che necessita di un buon grado di mobilità: è infatti

costituita da una porzione liposolubile a 14 atomi di C che formano un'àncora lipidica semplice con

un elevato grado di mobilità all'interno della membrana.

La subunità α possiede anche un'intrinseca attività GTPasica che inattiva se stessa convertendo il

GTP in GDP in modo da riassociarsi al dimero β-γ. Le subunità β e γ non sono specifiche come le α,

ma agiscono da supporto per più tipi di subunità α diverse.

Un segnale extracellulare è in grado di indurre effetti diversi a seconda del tipo di recettore

presente sulla membrana, del tipo di proteina G con cui il recettore si accoppia (G o G ) e degli

s i

enzimi bersaglio della PKA nella cellula. Dalla sommazione dei fattori che aumentano o

diminuiscono la concentrazione di cAMP le cellule realizzano un'integrazione dei segnali.

Il meccanismo di inibizione dell'adenilato ciclasi in realtà può anche essere dovuto ad un eccesso di

dimeri β-γ liberi che sequestrano grandi quantità di subunità α .

s

Esempi di meccanismi di inattivazione di proteine G sono:

- tossina colerica → inibisce l'attività GTPasica delle subunità α , mediante un meccanismo di

s

ADP ribosilazione, rendendo la subunità α perennemente attivata

- tossina della pertosse → inibisce lo scambio GDP/GTP, mediante un meccanismo di ADP

ribosilazione, iperattivando l'adenilato ciclasi

Il cAMP prodotto attiva la protein chinasi A (PKA), una proteina in grado di fosforilare specifici

residui di Ser o Thr sulle proteine bersaglio, di solito implicate nel metabolismo.

La PKA è costituita da due subunità catalitiche e due regolatorie: quando la concentrazione di

cAMP aumenta, quattro molecole di cAMP si legano alle subunità regolatorie che cambiano

conformazione e portano al distacco delle due subunità catalitiche che si attivano.

Il processo di fosforilazione delle proteine da parte di PKA è un processo reversibile grazie

dell'enzima fosfatasi che catalizza la rimozione di gruppi fosfato; la reazione però non è reversibile

perché prevede il consumo di ATP. L'attività dell'enzima dipende quindi dall'equilibrio fra i

processi di fosforilazione e defosforilazione.

Per essere utili i meccanismi di trasduzione del segnale devono essere in grado di spegnersi

quando lo stimolo è terminato; diversi meccanismi determinano la terminazione della risposta da

parte del recettore:

1. un diminuzione della concentrazione di ligando induce il distacco del ligando dal recettore il

quale assume la conformazione inattiva e diventa incapace di attivare la proteina G s

2. la subunità α presenta un'attività GTPasica che favorisce il suo ritorno verso il dimero β-γ

3. la rimozione del secondo messaggero: l'idrolisi del cAMP a 5'-AMP per opera della

fosfodiesterasi.

Questi meccanismi entrano in azione quando lo stimolo viene a mancare, la desensibilizzazione

23

invece agisce quando lo stimolo perdura nel tempo: il dimero β-γ presenta infatti un fattore di

reclutamento per una proteina chinasi (βARK) in grado di fosforilare il recettore nel dominio che

interagisce con G . La fosforilazione produce un sito di legame per la β-arrestina che impedisce

s

l'interazione tra il recettore e la proteina G .

s

Il legame inoltre facilita la formazione di vescicole endocitotiche contenenti il recettore in modo da

diminuirne temporaneamente il numero sulla membrana.

Esistono proteine scaffold che hanno la capacità di organizzare l'assemblamento delle proteine.

Ad esempio AKAP5 ancorata alla membrana favorisce le interazioni fra diversi elementi: può

interagire con il recettore β-adrenergico, con l'adenilato ciclasi ed il suo prodotto (PKA). In questo

modo AKAP5 rende compartimentato il sistema che va dal recettore al secondo messaggero, alle

chinasi bersaglio del secondo messaggero ma è anche in grado di interagire con il sistema che

rimuove i gruppi fosfato della proteina segnale e di spegnere quindi il segnale.

Altre proteine scaffold analoghe possono connettono le PKA con l'enzima che arresta la sua attività

ovvero la fosfodiesterasi.

Una proteina scaffold è quindi una proteina che senza avere un ruolo specifico può organizzare

altre proteine grazie alla presenza di domini transmembrana; il reclutamento di proteine scaffold

alla membrana (ad esempio mediante PIP3) permette un'organizzazione in zone discrete della

membrana che rende specializzato il processo.

Secondi messaggeri di origine lipidica

I secondi messaggeri di origine lipidica derivano da un lipide di membrana; sono quindi presenti

meccanismi che attivano enzimi in grado di rompere in modo selettivo legami presenti nei

fosfolipidi di membrana.

Le proteine che rompono questi legami sono di tipo idrolitico e possono agire sui legami all'interno

dei lipidi a diversi livelli:

- la fosfolipasi A (PLA ) idrolizza il legame in 2 presente a livello dell'acido grasso e libera

2 2

acido arachidonico. Questo acido grasso è importante nella catena dei secondi messaggeri

perché può essere successivamente metabolizzato e convertito in una molecola

biologicamente attiva facente parte della classe delle prostaglandine che agisce come

mediatore nella comunicazione cellulare a breve distanza

- la fosfolipasi C (PLC) invece è in grado di idrolizzare il legame fra il gruppo fosfato e il

diacilglicerolo; tra le varie PLC quelle che lavorano su due substrati riescono a generare

prodotti biologicamente attivi:

- fosfatidilinositolo → genera DAG e inositolo fosfati

- fosfatidilcolina → genera DAG.

Fosfolipasi C specifiche per fosfatidilinositoli

Le PLC specifiche per il fosfatidilinositolo esistono come isoenzimi β, γ e delta; questi tre isoenzimi

sono accoppiati a sistemi di trasduzione diversi e quindi a recettori diversi.

La PLC-β è associata a un recettore a 7 domini transmembrana associato a proteine G: la subunità

α della proteina G è diversa da α o α e viene definita α .

S I Q/0

In seguito all'interazione recettore-ligando, la subunità α si stacca dal dimero β-γ e collide con la

PLC-β la quale idrolizza PIP (fosfatidilinositolo-4,5-bisfosfato) in:

2

- IP → idrosolubile, è la testa polare e durante l'idrolisi acquista un gruppo fosfato

3

- DAG → liposolubile, a sua volta in grado di modulare le attività cellulari

In questo meccanismo di trasduzione vengono quindi prodotti due secondi messaggeri.

La PLC-γ è associata a diversi recettori a 1 dominio transmembrana con attività tirosin-chinasica.

24

Il legame del ligando induce a livello del dominio citoplasmatico del recettore un'attivazione

dell'attività tirosin-chinasica: si crea una regione ricca di tirosine fosforilate che agisce da punto di

reclutamento per una proteina produttrice di risposta.

Questa regione ricca di fosfotirosine modifica la superficie della proteina-recettore cambiando la

sua capacità di interazione con particolari proteine ricche di domini SH2 complementari ai domini

ricchi in fosfotirosina. La PLC-γ presenta un dominio SH2 che si lega al recettore con fosfotirosine e

provoca l'attivazione stessa della PLC; una volta attiva anch'essa idrolizza il PIP in IP e DAG.

2 3

*Il PIP2 viene generato a partire da PI secondo la catena PI → PI-4-P → PI-4,5-P

2

Stimoli diversi e meccanismi diversi possono quindi evocare la stessa risposta, ovvero la

produzione di IP e DAG a partire da PIP ; questi due secondi messaggeri producono a loro volta

3 2

diverse risposte.

- DAG rimane associato alla membrana e favorisce l'interazione di proteine con la

membrana;

- IP invece è idrosolubile ed rappresenta un secondo messaggero di transizione: si lega a

3

canali per il calcio IP -dipendenti presenti a livello del RE in modo da indurre un aumento

3

della concentrazione di calcio intracellulare. L'aumento della concentrazione di calcio

determina l'attivazione di tutte le proteine sensibili allo ione calcio: ad esempio

2+

proteinchinasi Ca /CaM dipendenti o PKC la cui attivazione prevede la cooperatività di

calcio e DAG (è quindi una proteina più specifica per la via di interesse).

Struttura e attivazione di PKC

La PKC è un enzima citosolubile e presenta una struttura in cui un dominio funge da

pseudosubstrato ed è associato al sito catalitico. Quando DAG e calcio aumentano, i domini C1A, C1B

e C2 agiscono da fattori di reclutamento alla membrana: questo favorisce l'interazione tra il calcio e

il dominio C2 che si lega alla membrana attraverso un fosfolipide acido, la fosfatidilserina (il calcio

fa da ponte). La PKC si ancora quindi alla membrana in 3 punti e assume una conformazione che

induce la rimozione dello psudosubstrato dal sito catalitico che diventa quindi attivo.

La PLC non è l'unica via che induce l'aumento di calcio, esistono anche canali sulla membrana,

canali diversi a livello del RE..

Recettori a un dominio transmembrana

I recettori con 1 dominio transmembrana hanno un'attività catalitica tirosin-chinasica, ovvero

2+

fosforilano in tirosina a differenza di PKA, PKC e Ca /CaM chinasi che fosforilano in serina e

treonina.

Questi recettori possono essere classificati in base al meccanismo con cui avviene l'effetto di

dimerizzazione: il legame del recettore con il ligando infatti induce sempre la dimerizzazione dei

domini tirosin-chinasici presenti all'interno della cellula come risposta.

Nel recettore per EGF in cui sono presenti due proteine che presentano due siti di legame per il

ligando, il legame dei due ligandi induce una modificazione connformazionale a livello del dominio

extracellulare che si ripercuote in una dimerizzazione del recettore anche a livello del dominio

citoplasmatico. La dimerizzazione dei recettori tirosin-chinasici determina l'attivazione dell'attività

tirosin-chinasica in grado di fosforilare in modo reciproco i due domini citoplasmatici.

Nel caso del recettore per l'insulina le due porzioni del recettore tenute insieme da ponti disolfuro,

la proteina è già dimerica e contiene quindi due domini citoplasmatici tirosin-chinasici; il legame

del ligando modifica l'assetto a livello extracellulare dei ponti disolfuro e porta alla dimerizzazione

intracellulare.

Nel caso del recettore per FGF è il ligando ad essere dimerico: il recettore è costituito da due catene

25

e la dimerizzazione avviene poichè il ligando si lega sia con la cavità A che con la cavità B.

La dimerizzazione si ripercuote sul dominio tirosin-chinasico: quando il dominio è inattivato l'ansa

di attivazione blocca i residui in tirosina, quando il ligando si lega al recettore l'ansa cambia di

conformazione smascherando le tirosine che diventano disponibili all'attivazione; a questo punto A

fosforila le tirosine di B e B fosforila le tirosine di A (il sistema, preso come dimero, è

autofosforilante).

Insulina

L'insulina induce due tipi di risposta:

- citoplasmatica

- nucleare → controllo dell'espressione genica

Regolazione dell'espressione genica

Il ligando si lega e il recettore attiva l'attività tirosin-chinasica: il dominio catalitico oltre a sé stesso

fosforila anche una proteina IRS1 (elemento responsivo all'insulina) che si stacca e viene

riconosciuta da proteine con un dominio SH2, in particolare da Grb2.

Il legame del dominio SH2 di Grb2 a IRS1 determina l'esposizione del dominio funzionale SH3 che

riconosce residui di prolina presenti sulle proteine: Grb2 ha solo la funzione di adattatore

molecolare, interviene nell'organizzazione di un supercomplesso proteico e lega la regione ricca in

Pro della proteina Sos che fa parte della famiglia delle proteine GEF (GTP Exchange Factor) e agisce

da fattore di scambio GDP/GTP sulla proteina Ras, attivandola.

La proteina Ras è una proteina G monomerica: le proteine G sono circa 200, quelle monomeriche

ricalcano le proprietà della subunità α di quelle eterotrimeriche e dipendono quindi dal GDP/GTP.

Le proteine G monomeriche possono entrare in gioco nel controllo di diverse funzioni cellulari,

compreso il controllo del movimento e del trasporto (in particolare di ciò che arriva al nucleo);

come le subunità α delle proteine G eterotrimeriche, anch'esse sono inattive quando sono legate a

GDP e attive legate a GTP.

La proteina G monomerica Ras interagisce con Raf, una proteina serina-treonina chinasi che a sua

volta attiva una cascata di eventi chinasici in cui ogni enzima fosforila il successivo (ad opera di

proteine MAPK) fino ad arrivare alla proteina ERK che una volta fosforilata cambia conformazione,

attraversa la membrana nucleare dove agisce sui fattori di trascrizione che vengono quindi

fosforilati e attivati.

La subunità Ras ha una sua attività GTPasica debole e ha bisogno di essere aiutata: la proteina GAP

(GTPase Activating Proteine) una volta reclutata permette di spegnere il segnale.

Risposta citoplasmatica

La proteina IRS1 è a monte di entrambe le vie: dopo essere stata attivata è ricca in fosfotirosine e,

nella risposta citoplasmatica, recluta e attiva una PI -chinasi (PI K) che trasforma PIP in PIP .

3 3 2 3

L'addensamento di PIP che viene a crearsi rappresenta una zona con numerose cariche negative

3

che funge da sito di aggancio per una protein chinasi fosfolipide-dipendente (PIP -dipendente) la

3

quale fosforila la proteina chinasi PKB (o Akt).

PKB fosforila dei suoi bersagli intracellulari tra cui GSK3 (glicogeno sintasi chinasi 3) che diventa

inattiva; il risultato è la stimolazione della sintesi di glicogeno quindi una regolazione metabolica.

Tutte le strutture coinvolte nella trasduzione de segnale sono costituite “a blocchi”; i blocchi sono

domini che a loro volta svolgono funzioni diverse. Uno stesso dominio può essere presente su

proteine diverse e ogni proteina può avere più domini diversi.

I residui di Ser, Thr e Tyr che rappresentano gli amminoacidi fosforilati dalle proteine chinasi sono

26

localizzati all'interno di sequenze consenso ovvero sequenze amminoacidiche che vengono

riconosciute dalle chinasi; questo implica che non tutti i residui sono fosforilabili o comunque che

esiste una gerarchia di fosforilazione.

Alcuni recettori non possiedono attività tirosin-chinasica interagiscono con Tyr chinasi citosoliche.

Un esempio è il recettore per l'eritropoietina: quando EPO si lega al recettore, questo dimerizza e si

lega alla proteina JAK che viene attivata e fosforila i residui di tirosina presenti sul recettore.

Essendo JAK una proteina indipendente dal recettore può essere associata a recettori diversi.

La fosforilazione del recettore indotta da JAK fa da fattore di reclutamento per una famiglia di

fattori trascrizione STAT che vengono a loro volta fosforilati da JAK.

La fosforilazione induce il distacco da JAK e lo smascheramento del sito SH2: questo sito libero

induce la dimerizzazione di STAT che sotto forma di dimero espone una segnale di trasporto nel

nucleo dove determina l'espressione di specifici geni necessari per la maturazione degli eritrociti.

La proteina JAK può anche reclutare Grb2, la quale attiva la cascata delle MAPK; quindi la via delle

MAPK è attivabile attraverso un sistema JAK-dipendente qualunque sia il recettore cui JAK è

associata!

cGMP come secondo messaggero

Un altro esempio di recettori a cui è associata un'attività enzimatica sono i recettori in grado di

convertire i GTP in cGMP, un secondo messaggero di natura idrosolubile che induce una risposta

attraverso le proteine cGMP-dipendenti.

I recettori sono omodimeri in cui ogni monomero è a 1 dominio transmembrana e il cui dominio

citoplasmatico ha un'attività enzimatica guanilato-ciclasica.

Il cGMP può anche essere prodotto da guanilato-ciclasi citosolubili, che vengono attivati da NO

(ossido di azoto), un messaggero in grado di attraversare liberamente la membrana.

27

Metabolismo

Il metabolismo è l'insieme delle reazioni chimiche che avviene all'interno della cellula: molecole

che si trasformano e possono essere degradate, convertite a molecole più piccole (o ad altre specie

molecolari) mentre altre molecole vengono sintetizzate.

Il metabolismo comprende quindi tutti i processi di degradazione, biosintesi e interconversione

delle molecole; i processi di degradazione sono associati alla produzione di energia, quelli di

biosintesi sono in genere associati al consumo di energia.

Esistono due tipi di vie metaboliche:

catabolismo → comprende tutti quei processi che coinvolgono nutrienti ricchi di energia

• potenziale, ovvero nutrienti dalla cui trasformazione è possibile ottenere molta energia

(carboidrati, lipidi e proteine), che vengono convertiti a molecole più semplici (CO , H O,

2 2

4+

NH ) mediante processi ossidativi esoergonici che permettono quindi di recuperare energia

sotto forma di ATP e NADP.

anabolismo → comprende tutti i processi biosintetici che portano alla sintesi di

• macromolecole (polisaccaridi, lipidi, proteine) a partire da precursori (acidi grassi,

amminoacidi, zuccheri) ed è un processo riduttivo, necessita quindi un potenziale riducente

che possa ossidarsi, in genere il NADPH, un coenzima specifico. Non tutto l'ATP prodotto

mediante catabolismo viene utilizzato nei processi anabolici, gran parte infatti viene

utilizzato nel lavoro della cellula (movimento, trasporto, termogenesi).

Questi processi sono organizzati in livelli superiori alla via di degradazione con vie metaboliche in

cui il prodotto di una reazione è il substrato della seconda. All'interno di una stessa via alcune

tappe vengono svolte da complessi enzimatici che permettono trasformazioni intermedie di un

certo processo avvengano associate a una proteina senza mai distaccarsene: in questo modo non

c'è possibilità di perdita (vantaggio della struttura quaternaria di una proteina).

Ad esempio in una via metabolica costituita da 5 enzimi: un accumulo del metabolita A e la

necessità dei metaboliti B,C e D per la via indica che A è il primo metabolita!

Bioenergetica

Dal punto di vista energetico una reazione deve per forza avere un ∆G negativo, anche se presenta

un ∆G° positivo: il rapporto substrato-prodotto è un elemento di controllo della via. Le reazioni

metaboliche infatti operano di solito vicino all'equilibrio (∆G ≃ 0), quindi la direzione della

reazione dipende dal rapporto substrato-prodotto.

Per ciascuna via metabolica però alcune reazioni presentano un ∆G fortemente negativo, sono

quindi reazioni irreversibili lontane dall'equilibrio e rappresentano la sede di regolazione

dell'intera via metabolica: queste reazioni irreversibili sono le più efficienti dal punto di vista

termodinamico ma non cinetico, infatti il tempo necessario per raggiungere la concentrazione

affinché avvenga la reazione dipende dalla barriera energetica da superare.

Se la barriera energetica controlla la cinetica di reazione e la cinetica controlla la significatività

della reazione allora la reazione in assenza di catalisi è ininfluente: anche se ha un ∆G negativo in

assenza di enzima quella reazione è ininfluente dal punto di vista della formazione di prodotti

mentre in presenza di enzimi diventa una reazione irreversibile fondamentale.

Nel processo metabolico inverso la reazione irreversibile che fa da punto di controllo viene

percorsa da un'altra reazione catalizzata da un altro enzima; quindi substrati e prodotti sono

elementi comuni mentre l'enzima e la reazione sono diversi. Le due reazioni infatti sono

reciprocamente regolate poiché entrambe sono irreversibili (in genere una reazione è regolata

positivamente dal fattore che regola negativamente la sua controparte).

28

I processi catabolici convergono tutti verso l'intermedio comune acetil-CoA; questa convergenza

rende necessario un unico processo per recuperare energia (ciclo di Krebs) oltre a rendere

possibile una coordinazione dei processi che permette di esercitare un buon controllo sul

dispendio energetico a monte: se ciascun processo degradativo andasse per vie parallele il sistema

di controllo sulle diverse risorse energetiche sarebbe più complicato.

Un altro vantaggio della convergenza dei processi catabolici è la possibilità di risparmiare substrati

“nobili” utilizzando substrati più abbondanti.

La produzione di potenziali riducenti si ha già prima della produzione di acetil-coA nella catena di

+ +

degradazione di zuccheri e lipidi: gli agenti riducenti prodotti sono i coenzimi FAD e NAD i quali

possono comunque essere ossidati e convertiti in ATP.

La reazione di ossidazione del glucosio che avviene all'interno della cellula nei processi catabolici

può avvenire anche al di fuori della cellula ed è un processo fortemente esoergonico che necessita

di ossigeno C H O + 6O → 6CO + 6H O ∆G= -2870KJ/mol

6 12 6 2 2 2

poiché il ∆G della reazione è una funzione di stato, non cambia qualunque sia il percorso della

reazione; la resa energetica della reazione però cambia: in un sistema in cui l'ossidazione del

glucosio è mediata dall'attività di enzimi, l'ATP prodotto corrisponde ad un recupero energetico di

circa il 40% (∆G= -1281KJ/mol).

La resa di reazione è bassa perché il processo viene parcellizzato; se il processo avvenisse in

un'unica tappa la resa sarebbe del 100%, ma quell'energia prodotta non sarebbe manipolabile o

immagazzinabile: frazionando il processo in una serie di reazioni è possibile ottenere ∆G parziali

che corrispondono a pacchetti di energia più manipolabili e convertibili in ATP.

Equivalente di riduzione

Sapendo che minore è lo stato di ossidazione del metabolita maggiore è il guadagno energetico è

possibile dedurre il guadagno energetico derivante da due substrati diversi in base allo stato di

ossidazione del substrato.

Sapendo inoltre che il quoziente respiratorio è il rapporto tra la quantità di CO prodotta e l'O

2 2

consumato: per ossidare il glucosio quindi consumo meno ossigeno a confronto di un acido grasso.

Quindi dai lipidi è possibile ricavare 9kcal/gr mentre dagli zuccheri 4kcal/gr.

Composti ad alta energia

Il processo di ossidazione in diverse forme è in grado di convertire l'energia libera generata in

un'energia utile per formare i legami ad alta energia presenti nell'ATP.

Un legame ad alta energia è un legame che ha un ∆G di idrolisi estremamente negativo: affinché

venga generato è necessaria una quantità di energia libera disponibile maggiore di quella presente

nel legame.

Nell'ATP sono presenti 2 legami ad alta energia: i legami fosfoanidridici tra i due gruppi fosfati.

I prodotti derivanti dall'idrolisi di questi legami sono più stabili rispetto alla molecola di partenza: i

due gruppi fosfato quando sono legati tra di loro presentano una densità di carica negativa elevata,

i prodotti dell'idrolisi sono invece più stabili perché diminuiscono le repulsioni di carica; il singolo

prodotto fosfato inoltre è stabilizzato per risonanza, quando invece si trova legato ad un altro

gruppo i gradi di delocalizzazione di carica diminuiscono.

Affinché l'ATP sia una reale moneta di scambio deve essere caratterizzata da un'energia di idrolisi

intermedia rispetto a quella di altre molecole poiché deve comunque poter essere sintetizzata.

La sintesi di ATP è infatti basata sulla centralità della molecola in una scala di valori relativi

all'energia di idrolisi: il trasferimento di un gruppo fosfato parte da molecole come il

29

fosfoenolpiruvato all'ADP; in questo modo la fosforilazione a livello di substrato è indipendente dal

meccanismo di sintesi di ATP.

Considerando l'energia liberata da una molecola di ATP (∆G= 7,4Kcal/mol) per soddisfare la

richiesta giornaliera di ATP sarebbero necessarie 110moli di ATP che corrispondono in peso a

65Kg. In realtà il contenuto di ATP all'interno di un individuo è di circa 50gr, questo indica un

effettivo turnover continuo ADP/ATP di circa 1300 cicli al giorno!!

Reazioni accoppiate

Per far avvenire una reazione fortemente endoergonica affinché avvenga poi quella esoergonica

vengono utilizzate reazioni accoppiate

A+B ⇌ C+D ∆G >0

1

D+E ⇌ F+G ∆G <0

2

∆G <0!

tot

La prima reazione endoergonica è la fosforilazione del glucosio

P + Glu ⇌ Glu-6-P + H O ∆G= +13,8KJ/mol

i 2

la reazione accoppiata è l'idrolisi di ATP

ATP + H O ⇌ ADP + P ∆G= -30,5KJ/mol

2 i ∆G = -16.7KJ/mol

tot

la reazione totale è esoergonica, in questo modo il fosfato presente sull'ATP può essere trasferito

sul glucosio!

Lo stesso vale per la reazione di trasferimento di un gruppo fosfato dal fosfoenolpiruvato all'ADP:

ADP + P ⇌ ATP + H O ∆G= +30,5;

i 2

fosfoenolpiruvato + ADP ⇌ piruvato + ATP ∆G= - 61,9 KJ/mol

∆G = -31,4KJ/mol <0

tot

quindi la reazione è esoergonica e può avvenire.

Rottura pirofosforica

Esistono reazioni di attivazione degli amminoacidi che utilizzano l'ATP come fonte di energia:

entra in gioco la coppia ATP/AMP mediante un trasferimento del gruppo AMP sul residuo

amminoacidico.

La reazione di idrolisi di ATP in AMP e pirofosfato (P-P) produce un prodotto fortemente instabile:

il pirofosfato ha un ∆G di idrolisi molto negativo e va quindi incontro ad idrolisi spontanea

generando due molecole di P . L'energia liberata da questa reazione permette la conduzione

i

dell'intero processo.

Anche i legami tioesterici del coenzima A sono legami ad alta energia (gli acidi sono attivati come

coA-derivati).

Collettori di equivalenti riducenti

La fonte principale di ATP nella cellula proviene dal quel potenziale energetico che deriva

dall'ossidazione di molecole. Affinché avvenga una reazione di ossidazione è però necessaria la

presenza di molecole che vengono ridotte; queste sono principalmente due coenzimi:

+

NAD e NADP→ sono citosolubili e si muovono rapidamente tra un enzima e l'altro

• intervenendo quando l'ossidazione riguarda una funzione che contiene un legame C-O; nella

+ -

forma ossidata NAD (o NADP) è in grado di accettare uno ione idruro H (due elettroni e un

+

protone) riducendosi a NADH mentre il secondo H rimosso dal substrato viene rilasciato in

soluzione secondo la reazione + + - +

NAD + 2H + 2e → NADH + H

+ - +

NADP + 2H + 2e → NADPH + H

30

Nelle cellule in genere il NAD+ è presente in maggiore quantità rispetto a NADH ad indicare

che è favorita la reazione di trasferimento di ioni idruro al NAD+ che è quindi coinvolto nelle

reazioni cataboliche; al contrario NADPH è presente in maggiori quantità rispetto a NADP ad

indicare che lo ione idruro viene trasferito al NADP che è quindi coinvolto nelle reazioni

anaboliche.

FAD e FMN→ sono nucleotidi flavinici legati saldamente a flavoproteine nelle quali agiscono

• come gruppi prostetici; il FAD consiste in FMN a cui è legato AMP.

Introducono legami O=O indipendentemente dalle vie metaboliche e si riducono a FADH e

2

FMNH accettando due atomi di H secondo la reazione

2 FAD + 2H → FADH 2

FMN + 2H → FMNH 2

La sintesi di ATP è quindi associata alla riossidazione di questi coenzimi nei mitocondri e utilizza

O come accettore di equivalenti riducenti (l'ossigeno funge da agente ossidante).

2

Trasporto e immagazzinamento dell'ossigeno

Le proteine deputate al trasporto e all'immagazzinamento dell'ossigeno sono diverse: l'emoglobina

si occupa del trasporto dell'ossigeno, mentre la mioglobina è in grado di mantenerlo depositato a

livello dei muscoli.

Hanno una struttura proteica molto simile anche se la mioglobina è costituita da una sola catena

amminoacidica, detta catena globinica, mentre l'emoglobina ne presenta quattro.

Poiché l'ossigeno non è solubile a livello del plasma sanguigno l'emoglobina ne facilita il trasporto

perché lo rende più solubile e ne mantiene lo stato di ossidazione prevenendo la formazione di

radicali: O è infatti molto reattivo ed è in grado di ossidare diverse molecole.

2

Il legame dell'ossigeno è transiente, ovvero ne permette il rilascio; questo legame non avviene

direttamente con gli amminoacidi delle catene globiniche.

La mioglobina è costituta da una catena globinica di 153 aminoacidi che possono essere di diverso

tipo, mentre l'emoglobina è formata da quattro catene globiniche uguali a due a due.

Le diverse catene globiniche hanno una struttura molto simile fra loro anche in numero di

amminoacidi; l'emoglobina adulta è costituita da due catene α (141 amminoacidi) e due catene β

(146 amminoacidi), le altre catene globiniche invece si trovano nei diversi stadi di sviluppo

dell'individuo. Le diverse tipologie di emoglobina contengono sempre due catene α e variano nella

presenza della seconda catena:

- HbA → α β

2 2

- HbA2 → α δ

2 2

- HbF → α γ

2 2

- HbE → α ε

2 2

Tutte le catene globiniche di mioglobina ed emoglobina presentano 8 segmenti ad α-elica

(denominati da A ad H): questa struttura facilita e ottimizza le interazioni idrofobiche fra le diverse

catene.

La disposizione delle α-eliche infatti permette la formazione di diverse cavità, in particolare quella

a cui può legarsi il gruppo prostetico dell'emoglobina: il gruppo eme, è quell'elemento in grado di

legare direttamente l'ossigeno e contiene un atomo di ferro.

31

Le catene α e β dell'emoglobina e la catena della mioglobina presentano delle sequenze

amminoacidiche comuni; queste sequenze altamente conservate sono probabilmente fondamentali

per il corretto ripiegamento delle proteine (E7 ed F8). Mutazioni a livello delle sequenze di queste

catene possono risultare patologiche se interessano amminoacidi in regioni critiche, possono

invece risultare conservative se interessano regioni ininfluenti o se l'amminoacido sostituto ha

caratteristiche simili a quello originario.

Il gruppo eme è un gruppo non proteico contenuto all'interno di una tasca idrofobica; la

mioglobina ne contiene uno, l'emoglobina essendo formata da quattro catene globiniche ne

contiene quattro e può quindi legare quattro molecole di ossigeno.

Questo gruppo prostetico è una protoporfirina costituita da quattro anelli pirrolici con quattro

atomi di azoto in grado di formare legami planari con il ferro allo stato 2+.

Poichè il ferro è in grado di formare sei legami, i due rimanenti avvengono sul piano

perpendicolare: da un lato può legarsi alla molecola di ossigeno, dal lato opposto si lega ad

un'istidina di una delle catene globiniche mediante un legame di tipo covalente.

2+

Il ferro del gruppo eme è mantenuto allo stato di Fe poiché l'ambiente idrofobico che si forma

3+

intorno ad esso impedisce all'ossigeno legato di ossidarlo a Fe .

2+ 3+

Allo stati di Fe infatti è in grado di rilasciare l'ossigeno, mentre il Fe non è in grado di legare

l'ossigeno.

Il residuo di istidina cui si lega è quello in posizione F8, mentre quello in E7 si posiziona in modo da

2+

creare un ingombro in grado di stabilizzare il legame O -Fe e soprattutto sfavorisce il legame del

2

monossido di carbonio.

Ossigeno e monossido di carbonio infatti si legano al gruppo eme con due angoli diversi: l'ossigeno

presenta un angolo di legame, il monossido di carbonio si lega perfettamente dritto.

L'emoglobina con l'ossigeno legato si muove attraverso il circolo sanguigno per arrivare ai tessuti

periferici dove rilascia l'ossigeno, si carica della CO prodotta dai tessuti e si porta ai polmoni.

2

La mioglobina invece si trova in quantità abbondante a livello dei muscoli ed avendo una maggiore

affinità per l'ossigeno, è in grado di legare l'ossigeno rilasciato dall'emoglobina (se così non fosse

l'emoglobina libera legherebbe nuovamente l'ossigeno).

Su un grafico concentrazione di O - % di saturazione (concentrazione di mioglobina legata

2

all'ossigeno) si nota come all'aumentare di minime concentrazione di ossigeno la quantità di

mioglobina legata all'ossigeno aumenta drasticamente; questo meccanismo permette di

immagazzinare ossigeno a livello dei tessuti periferici.

L'emoglobina invece, essendo una proteina che deve essere in grado sia di legare che di rilasciare

l'ossigeno con efficienza, è caratterizzata da una curva sigmoidale: a basse concentrazioni di

ossigeno la quantità di emoglobina legata ad esso è molto bassa e quindi in queste condizioni (nei

tessuti) è in grado di rilasciare l'ossigeno; solo circa il 30% di emoglobina resta legata all'ossigeno

mentre la mioglobina raggiunge il 90%.

Inoltre il legame della prima molecola di ossigeno è molto più difficile rispetto al legame della

quarta molecola, poiché la prima che determina quei cambiamenti conformazionali che facilitano il

legame delle altre molecole di ossigeno.

La saturazione di entrambe le proteine si ha a livello polmonare dove la concentrazione di ossigeno

è massima.

Il legame dell'ossigeno all'emoglobina può essere descritto mediante due modelli:

- modello sequenziale → le quattro subunità coesistono in due stati: lo stato T, non affine

all'ossigeno, e lo stato R, più affine all'ossigeno. In assenza di ossigeno le subunità sono

prevalentemente nello stato T e alcune nello stato R, man mano che l'ossigeno si lega alle

32

subunità nello stato R si ha il passaggio dallo stato T allo stato R fino a che tutta l'emoglobina

si trova nello stato R.

- modello concertato → l'emoglobina si trova solo o allo stato T o solo allo stato R: il legame

dell'ossigeno avviene preferenzialmente con le molecole di emoglobina allo stato R ma se

una molecola di ossigeno si lega a un'emoglobina allo stato T determina la trasformazione di

tutte le subunità allo stato R.

In realtà a bassa concentrazione di ossigeno si ha prevalentemente uno stato T dell'emoglobina e il

legame dell'ossigeno favorisce il passaggio allo stato R.

2+

Legame O -Fe

2

Quando l'ossigeno si lega al ferro, gli anelli porfirinici del gruppo eme si orientano in modo planare

rispetto al ferro (in assenza di ossigeno presentano un angolo rispetto al ferro); il legame infatti

trascina il ferro il quale induce uno spostamento anche a livello degli anelli porfirinici.

Lo spostamento del ferro inoltre trascina l'istidina in posizione F8 che è a sua volta legata alla

catena amminoacidica che forma la catena globinica; l'effetto finale è uno spostamento di tutta la

catena globinica. Poiché l'emoglobina ha anche una struttura terziaria e quaternaria, lo

spostamento della catena globinica si riflette sulla struttura quaternaria determinando movimenti

a livello delle interfacce delle catene dell'emoglobina α1β2 e α2β1.

Nella forma deossi infatti l'amminoacido G1 della catena β1 si trova a livello dell'amminoacido C6

(41) mentre l'amminoacido FG4 (97) si trova al di sotto di questi; nella forma ossi invece

l'amminoacido 97 viene a trovarsi in mezzo a G1 e C6 (41).

Queste spostamenti determinano cambiamenti nelle tasche idrofobiche in cui si trovano i gruppi

eme e quindi favoriscono il legame dell'ossigeno.

Il legame ossigeno-emoglobina determina uno shift ad un teorico asse che divide a metà la

proteina: l'asse si sposta di circa 15° a seguito di una rotazione.

Analizzando la posizione degli amminoacidi all'interno della proteina è evidente come questi

cambiano in seguito al legame con l'ossigeno: nella forma deossi la catena β2 termina a sinistra

dell'amminoacido 38 della catena α1, mentre nella conformazione ossi la terminazione della catena

β2 si trova a destra dell'amminoacido.

Inoltre nella forma deossigenata l'amminoacido 97 della catena β2 si trova tra il 41 e il 44 della

catena α1, mentre nella forma ossigenata si trova tra il 41 e il 38.

Il legame con la prima molecola di ossigeno quindi determina dei cambiamenti che portano ad una

maggiore probabilità di legame delle molecole seguenti.

Nello stato T l'atomo di ferro si trova tra gli anelli porfirinici del gruppo eme ed è collegato

all'istidina in posizione F8 che lo collega a tutta la catena globinica con un angolo di 8° rispetto

all'asse della proteina. Non appena l'ossigeno si lega, il gruppo eme diventa planare e il

trascinamento crea sia una tensione con l'istidina F8, sia con un altro amminoacido posizionata su

un'altra subunità della catena globinica; la struttura formatasi però non è stabile ma costituisce

uno stato di transizione che termina con un raddrizzamento dell'asse affinché l'istidina F8 non crei

più tensione con il gruppo eme e contemporaneamente l'altra porzione della catena globinica si

sposta in modo da eliminare lo stato di tensione. Viene quindi raggiunto lo stato R.

Effetto Bohr

Della CO presente nel sangue il 10% è in grado di legarsi all'emoglobina, il 5% viene trasportata

2

disciolta nel sangue mentre il restante 85% viene trasportata sotto forma di bicarbonato

(altrimenti la CO in soluzione potrebbe formare un embolo).

2

L'anidride carbonica viene trasformata dall'enzima anidrasi carbonica, abbondante negli eritrociti,

33

3- +

in HCO e H ; a livello dei polmoni invece il bicarbonato viene internalizzato nuovamente

+

nell'eritrocita e trasformato in CO utilizzando ioni H .

2

Questa reazione quindi modifica il pH sanguigno che a sua volta influenza l'affinità di legame tra

ossigeno ed emoglobina. +

Nei tessuti in condizioni di elevate concentrazioni di CO e H (a bassi pH) l'affinità dell'emoglobina

2 +

per l'ossigeno diminuisce a mano a mano che questa lega CO e H ; al contrario nei capillari dove

2

l'ossigeno è presente in abbondanza, l'emoglobina è indotta a legare ossigeno rilasciando

+

bicarbonato (che viene trasformato di nuovo in CO2) e H . Questo effetto del pH sul legame

ossigeno-emoglobina è definito effetto Bohr.

Legame del 2,3-bifosfoglicerato (BPG)

Il secondo fattore che regola il legame dell'ossigeno all'emoglobina è il 2,3-bisfosfoglicerato

(BPG) un intermedio che regola il processo di glicolisi: il BPG diminuisce l'affinità dell'emoglobina

per l'ossigeno.

Il BPG si lega solo alle catene β dell'emoglobina e interviene nella regolazione della capacità di

legame e di rilascio dell'ossigeno da parte dell'emoglobina in condizioni particolari: se individuo si

sposta a 4500m di altitudine la quantità di ossigeno diminuisce ed il trasferimento di ossigeno ai

tessuti diminuisce; affinché l'emoglobina sia in grado di rilasciare la stessa quantità di ossigeno a

livello dei tessuti l'organismo aumenta la produzione di BPG.

La curva di legame emoglobina-ossigeno in assenza di BPG presenta un andamento iperbolico;

un'aggiunta di CO o di BPG determinano uno spostamento della curva verso destra (diminuisce

2

l'affinità). Aggiungendo i due fattori insieme si ottiene la curva reale che rappresenta l'affinità di

legame ossigeno-emoglobina.

Diversi tipi di emoglobina

L'emoglobina non è costituita dalle stesse catene globiniche nei diversi stadi della vita: mentre la

catena α è sempre presente, la seconda catena globinica varia.

La catena γ presente nel feto inizia a scomparire nei mesi precedenti la nascita mentre

contemporaneamente aumenta la concentrazione di catena β.

Durante la gestazione l'ossigeno trasportato dall'emoglobina materna deve essere trasferito al feto:

affinché questo avvenga l'emoglobina fetale deve avere un'affinità per l'ossigeno più alta rispetto a

quella adulta, altrimenti l'ossigeno non verrebbe ceduto; la curva è infatti sempre sigmoidale ma

esprime un'affinità maggiore.

Quest'affinità maggiore è dovuta al fatto che il BPG non è in grado di legarsi all'emoglobina fetale

perchè non presenta le catene β.

Anemia falciforme

L'anemia falciforme è una malattia dovuta alla variazione di un amminoacido sulla catena β

dell'emoglobina: un glutammato viene sostituto da una valina.

A causa di questa mutazione l'emoglobina S deossigenata diventa insolubile e forma polimeri che si

aggregano in strutture filamentose; l'emoglobina A invece anche se deossigenata rimane solubile in

soluzione.

La forma a falce inoltre diminuisce la capacità di legare l'ossigeno e causa una circolazione

difficoltosa. 34

Fosforilazione ossidativa

La fosforilazione ossidativa ha inizio con l'ingresso di elettroni in una catena di trasporto chiamata

catena respiratoria. Questi elettroni derivano dalle deidrogenasi che nei processi catabolici li

hanno generati ed incanalati verso i collettori di equivalenti riducenti:

+

NAD è un coenzima non associato a proteine e permette il trasferimento di un elettrone

• - +

sotto forma di ione idruro (H ) con il rilascio di uno ione idrogeno H

FAD è il gruppo prostetico associato alle flavoproteine e permette il trasferimento

• contemporaneo di due elettroni

La catena respiratoria prevede la riossidazione dei collettori di equivalenti riducenti a scapito di

una riduzione dell'ossigeno molecolare che viene trasformato in acqua, secondo la reazione

+ +

NADH + H +½O ⇋ NAD + H O

2 2

La variazione di energia libera standard di questa reazione è data da

∆E'= E' (accettore) - E' (donatore)

o o

ed essendo una reazione redox la variazione di energia libera ∆G dipende dai potenziali ox e red

delle molecole accettrici e donatrici di elettroni secondo la relazione

∆G= -nF∆E' o

-

con n= 2 (numero di e )

F=23,6 costante di Faraday

∆E'=0,815 - (-0,315)

ovvero ∆G= -52,6Kcal/mole

Il processo è quindi un processo esoergonico che libera energia, la quale deve essere convertita in

una forma di energia spendibile.

Questo processo avviene in diverse tappe di ossido-riduzione in modo che l'energia libera

disponibile venga frazionata in piccole quantità per evitare un'eccessiva perdita di energia sotto

forma di calore; questa energia libera viene poi accoppiata al processo di sintesi chimica di

molecole di ATP.

In linea teorica dalla liberazione di questa quantità di energia sarebbe possibile recuperare 7

molecole di ATP poiché la formazione di una molecola di ATP richiede circa 7Kcal/mol, nella realtà

la resa non è del 100%.

La riossidazione del NADH permette la sintesi di solo 2,5 molecole di ATP, la riossidazione del

FADH invece permette la sintesi di 1,5 moli di ATP poiché presenta un salto energetico in meno

2

(complesso I). -

Il trasporto di e coinvolge trasportatori organizzati in strutture proteiche estremamente

complesse ciascuna delle quali presenta una porzione di ossido-riduzione del sistema di trasporto

ox-red; i trasportatori attraverso cui fluiscono gli elettroni nella catena respiratoria sono quattro:

1. NADH

2. coenzima Q

3. citocromo c

4. ossigeno molecolare O 2

Rappresentano i veri substrati di reazione e lavorano in serie anche mediante l'intervento di altre

specie.

Il frazionamento della reazione in diverse tappe permette di individuare tre principali salti

energetici: tra NADH e coenzima Q, tra coenzima Q e citocromo c, tra citocromo c e O . In queste tre

2

tappe il valore di ∆G associato è superiore a quello necessario per sintetizzare un legame ad alta

energia; le altre tappe che costituiscono il processo sono invece degradative.

35

Lungo la catena respiratoria, gli elementi ox-red sono organizzati in ordine crescente secondo il

loro potenziale di riduzione che rappresenta una misura quantitativa della capacità di accettare

elettroni in una reazione di ossidoriduzione.

L'ordine di sequenza dei trasportatori è stato definito utilizzando degli inibitori specifici per

ciascuna tappa: in presenza di un inibitore infatti solo i trasportatori di elettroni prima del blocco

si riducono, gli altri vengono ossidati.

I trasportatori della catena respiratoria sono organizzati in quattro complessi sopramolecolari

intermembrana (sono quindi proteine integrali di membrana) che possono essere separati

mediante centrifugazione della membrana mitocondriale interna (previa rottura osmotica e

solubilizzazione con detergenti): -

- complesso I → trasferisce e dal NADH al coenzima Q

-

- complesso II → trasferisce e dal succinato al coenzima Q

-

- complesso III → trasferisce e dal coenzima Q al citocromo c

-

- complesso IV → trasferisce e dal citocromo c a O .

2

Il complesso I viene chiamato anche NADH deidrogenasi, è formato da 146 subunità quasi tutte

+

codificate da DNA nucleare e si occupa di riossidare il NADH a NAD .

Presenta al suo interno una flavoproteina contenente un gruppo FMN (flavinmononucleotide) e

almeno sei centri ferro-zolfo in grado di andare incontro a reazioni redox.

+

La reazione di ossidazione di NADH implica i trasferimento di 4H dalla matrice mitocondriale allo

spazio intermembrana, secondo la reazione

+ + +

NADH + 5H + coQ → NAD + 4H + QH

2

Il complesso II è detto succinato deidrogenasi (è l'unico enzima coinvolto nel ciclo dell'acido

citrico ad essere associato alla membrana mitocondriale interna) e permette la conversione di

succinato in fumarato e il trasferimento di elettroni al coenzima Q.

Al suo interno presenta un FAD legato covalentemente come accettore di elettroni ma anche un

centro ferro-zolfo.

Mentre il NADH è un coenzima libero e viene accettato indipendentemente dalla sua provenienza, il

FADH è il gruppo prostetico di una proteina quindi deve essere associato a proteine specifiche.

2

È il centro ferro-zolfo si occupa di ridurre il coenzima Q indipendentemente che esso si trovi nel

complesso I o nel complesso II (e indipendentemente che gli elettroni derivino dall'ossidazione del

glucosio, dalla degradazione degli acidi grassi o dalla respirazione cellulare): il ferro infatti è in

3+ 2+

grado di accettare elettroni passando dalla forma ossidata Fe alla forma ridotta Fe .

Il complesso III è una coenzima Q‒citocromo c ossidoriduttasi e catalizza il trasferimento di

+

elettroni dal coenzima Q al citocromo c con un trasferimento di ioni H nello spazio intermembrana.

Questo complesso è costituito da due citocromi associati (b e c) e da centri ferro-zolfo che

costituiscono l'elemento di trasferimento. -

Il complesso IV è una citocromo ossidasi e catalizza il trasferimento degli e dal citocromo c a O 2

riducendolo ad H O. Il trasferimento non è diretto ma coinvolge citocromi e centri rameici.

2

Quindi a livello della catena respiratoria i discreti salti energetici sono 3 ma ogni salto è possibile

grazie a un succedersi di trasferimento di elettroni all'interno di strutture in grado di andare

incontro a ox-red. 36

Il trasporto degli elettroni è inoltre associato ad una movimentazione di protoni: la reazione totale

+

di ossidazione dell'ossigeno prevede il trasferimento di 10H nello spazio intermembrana; questo

trasferimento crea un gradiente tra la matrice mitocondriale e lo spazio intermembrana che

esprime quindi una forza motrice protonica dovuta all'energia potenziale elettrochimica che

viene resa disponibile per produrre lavoro.

Centri ferro-zolfo

I centri ferro-zolfo possono avere strutture molto semplici o più complesse ma prevedono

comunque un atomo di ferro associato a zolfo inorganico o ad atomi di zolfo di residui di cisteina; il

ferro dei centri ferro-zolfo inoltre non necessita del gruppo eme per coordinarsi.

3+

Nel trasferimento di elettroni da FADH al coenzima Q, il Fe riceve un elettrone dal FADH e si

2 2

2+

riduce a Fe ; il ferro ridotto si riossida trasferendo l'elettrone a coQ che si riduce a coQH .

2

-

Questo ciclo però prevede il passaggio di due e da FADH a coenzima Q ma il centro ferro-zolfo ne

2

trasporta uno solo; la complessità del sistema deriva anche dalla necessità di conciliare

trasferimenti monoelettronici e bielettronici in diversi step.

Coenzima Q

Il coenzima Q è un trasportatore mobile di elettroni ed è una molecola di natura lipidica in grado di

attraversare liberamente la membrana mitocondriale interna in modo da poter agire da ponte tra i

trasportatori di elettroni associati alla membrana stessa.

L'ancora lipidica permette l'associazione della molecola alla membrana e le conferisce mobilità,

mentre la testa aromatica è invece il centro ox-red della molecola: nella forma ossidata di

- • -

ubichinone (Q) è in grado di accettare un e trasformandosi in un radicale semichinonico ( Q )

-

oppure può accettare due e e trasformarsi nella forma ridotta di ubichinolo (QH ).

2

Citocromi

I citocromi sono gli altri trasportatori mobili di elettroni; presentano nella loro molecola un

gruppo prostetico eme contenente ferro.

In tutti i citocromi il ferro non è bloccato nella capacità di andare incontro a ossidoriduzione ma è

bloccato nel legare ossigeno, al contrario dell'emoglobina; questo avviene poiché nei citocromi il

ferro presenta tutti i legami di coordinazione occupati: anche il sesto che nell'emoglobina è libero,

nei citocromi è occupato dalla metionina.

Esistono tre diversi tipi di citocromi: a, b e c. il gruppo eme dei citocromi a e b è legato alle proteine

associate senza legami covalenti, mentre il gruppo eme del citocromo c è legato covalentemente

attraverso residui di cisteina.

Il citocromo c dei mitocondri è una proteina solubile che si lega alla superficie esterna della

membrana mitocondriale interna mediante interazioni elettrostatiche.

- -

Poiché il complesso III trasferisce e dal coenzima Q al citocromo c e il complesso IV trasferisce e

dal citocromo c all'ossigeno molecolare, il citocromo c permette un discreto grado di motilità per il

trasferimento di elettroni dal complesso III al complesso IV.

Il trasferimento di elettroni dal coenzima Q al citocromo c però presenta un problema: il coenzima

3+

Q può cedere due elettroni ma il citocromo c ha come accettore Fe e ne può acquistare uno solo.

Il trasferimento degli elettroni avviene dunque attraverso quello che viene definito ciclo Q, il quale

permette il passaggio da una condizione bielettronica ad una monoelettronica senza avere una

perdita di elettroni spaiati, in modo da evitare la formazione di specie radicaliche. -

① Q ridotto (QH ) entra nel primo monomero del complesso III e cede il primo e al centro ferro-

2 -

zolfo che lo trasferirà sul citocromo c, e il secondo e ad una molecola di Q (in forma ossidata) che

• -

quindi si trasforma nel radicale semichinonico Q , mentre i due protoni vengono trasportati nello

+

spazio intermembrana sotto forma di H 37 • -

② una seconda molecola di QH che cede un elettrone a Q che viene quindi ridotto a QH con

2 2

+ +

l'intervento di 2H ; il secondo elettrone di QH viene ceduto a un cytC e vengono rilasciati 2H nello

2

spazio intermembrana. +

Il passaggio dei due elettroni sulle due molecole di cytC avviene grazie all'intervento di due ioni H

+

che insieme a quelli persi di QH determinano il passaggio di 4H dalla matrice allo spazio

2

intermembrana. La reazione redox complessiva del ciclo è:

+ +

QH + 2cytC + 2H → Q + 2cytC + 4H

2 ox red

A questo punto cytC può operare secondo un trasferimento monoelettronico all'ossigeno

red

molecolare a livello del complesso IV con formazione di 2H O.

2

Il passaggio dell'ossigeno dallo stato di ossidazione 0 allo stato di ossidazione 2 determina lo

- +

spostamento 4e , oltre alla necessità di 4H che fungono da substrato.

Gli elettroni in movimento non devono abbandonare l'ambiente del complesso IV prima di essere

stati caricati su O: per minimizzare le perdite durante il trasferimento, il sistema prevede della

stazioni di posteggio nella quali O è legato a un gruppo eme e un complesso rameico che agisce

analogamente ai complessi ferro-zolfo permette il trasferimento degli elettroni dai 4citC .

red

-

I complessi rameici vengono quindi caricati di tutti i 4e necessari a convertire O in H O con

2 2

+ +

l'intervento di 4H substrato mentre altri 4H vengono trasferiti dalla matrice allo spazio

intermembrana + +

4cytc + 8H + O → 4cytc + 4H + 2H O

red 2 ox 2

Il meccanismo di trasferimento di elettroni da NADH a O con formazione di H O è quindi associato

2 2

al trasferimento di protoni dalla matrice allo spazio intermembrana; la reazione complessiva può

essere scritta come + +

NADH + H + ½O → NAD + H O

2 2

Il trasferimento di elettroni inoltre è in “stato solido” ovvero presenta pochi gradi di libertà.

Respirasomi

Nei mitocondri i complessi respiratori si associano in supercomplessi funzionali definiti

respirasomi; un respirasoma è costituito da un complesso III associato a due complessi IV

compattati insieme a cardiolipina.

La cardiolipina è un lipide della membrana interna dei mitocondri costituito da due molecole di

acido fosfatico tenute insieme da un ponte di glicerolo; questa struttura ingombrante rende la

membrana rigida e atta a compartimentare le proteine.

Teoria chemiosmotica

-

Il trasferimento di e nella catena respiratoria è associato alla formazione di un gradiente

protonico; a sua volta la sintesi di ATP è associata a questo gradiente protonico e supportata dalla

differenza di energia libera.

Il trasferimento di un protone secondo gradiente presenta una variazione di energia libera pari a

+ +

∆G= RT ln[H ] /[H ] + F∆Ψ ≃ 20KJ

est int

dove ∆Ψ è la differenza di potenziale elettrico transmembrana misurata in volt.

La variazione di ∆G° associata ad una mole di NADH vale

+ +

NADH + H + ½O → NAD + H O ∆G= -220 KJ/mol

2 2 +

Gran parte di questa energia viene utilizzata per pompare ioni H dalla matrice allo spazio

intermembrana in modo da generare un gradiente protonico; l'energia conservata in questo

gradiente è detta forza motrice protonica. 38

+

Poiché durante la respirazione gli ioni H pompati sono 10, il ∆G associato al movimento dei

protoni secondo gradiente è pari a +

∆G= 10H ⨯ 20 KJ = 200KJ

questo permette quindi la produzione di ATP con un recupero quasi totale dell'energia associata

alla riossidazione di NADH.

Questo sistema è stato ricostruito in una membrana modello dove è stata inserita la

batteriodospina, una proteina che genera flusso di protoni e una ATP sintasi; stimolando con luce

la batteriodopsina viene generato un gradiente protonico che rende possibile la sintesi di ATP.

Questo ha dimostrato che la sintesi di ATP è indipendente dalla catena respiratoria ma è invece

dipendente da un gradiente protonico (allo stesso modo l'idrolisi di ATP può generare un gradiente

protonico).

ATP sintasi

La ATP sintasi (o F F ATPasi) presenta due domini funzionali F ed F , i quali presentano una

0 1 0 1

differente struttura e localizzazione:

- F è la componente intramembrana ed è costituita da un anello C formato da 10-14

0

subunità in grado di ruotare e da una componente a che rappresenta il canale protonico

- F si affaccia dal lato della matrice ed ha una struttura globulare costituita da 3 subunità α

1

che non variano e 3 subunità β che vengono modificate in funzione della loro interazione

con γ e sono in grado di produrre ATP.

I due domini sono uniti mediante un braccio b che è collegato a F dal segmento δ, mentre ε e γ

2 1

permettono il contatto tra F ed F . Queste due componenti possono anche essere dissociate senza

0 1

perdere la loro funzionalità. La componente γ inoltre controlla il flusso di protoni ed è in grado di

ruotare.

Il passaggio di protoni attraverso la proteina può generare ATP grazie ad un meccanismo rotatorio.

La componente a presenta al suo interno due semicanali che mettono in contatto lo spazio

intermembrana con la matrice in maniera indiretta; questa subunità è solidale all'anello C che

presenta a metà altezza un residuo di acido aspartico per ogni subunità, il quale si trova nella forma

indissociata verso la membrana e nella forma dissociata come aspartato nelle subunità a contatto

con i semicanali protonici della componente a. +

① il flusso protonico determina una concentrazione di ioni H nel semicanale che converte

l'aspartato in acido aspartico

② l'acido aspartico è compatibile con la membrana e determina una rotazione della sua subunità

associata

③ la rotazione delle subunità dell'anello c permette che una subunità con un residuo di acido

aspartico si venga a trovare a contatto con il semicanale aperto verso la matrice

+

④ l'acido aspartico a contatto con il semicanale perde un H che fluisce quindi nella matrice.

La rotazione della subunità c impone una rotazione in γ che quindi ruota e induce una

modificazione conformazionale nelle tre subunità β per permettere la sintesi di ATP (α e β non

ruotano!)

Le tre subunità β presentano tre conformazioni diverse: O, T ed L.

① Una subunità nella forma L comincia il ciclo di catalisi legando ADP e P dall'ambiente

i

circostante

② La subunità passa alla conformazione T e lega saldamente ADP e P stabilizzando ATP

i

③ Il contatto con la subunità γ trasforma la subunità nella conformazione O che non possiede

affinità per ATP e ne determina il rilascio. 39

Con questo meccanismo per ogni ciclo di rotazione della subunità γ vengono sintetizzate e

rilasciate 3 molecole di ATP.

Il meccanismo rotatorio è stato dimostrato utilizzando l'ancoraggio di un lungo filamento di actina

fluorescente all'elemento ruotante.

Traslocasi

Poiché la membrana mitocondriale interna non è permeabile, i precursori ADP e Pi devono essere

trasportati all'interno della matrice, e allo stesso modo l'ATP sintetizzato dal lato della matrice

deve essere trasferito al lato citoplasmatico. I trasportatori che permettono questi trasferimenti

sono due proteine che consumano parte del gradiente protonico generato

traslocasi dei nucleotidi adeninici → è una struttura dimerica costituita da due monomeri

• identici a eccezione dell'orientamento del sito di legame tenuti insieme da cardiolipina.

3-

Questa traslocasi lega ADP nello spazio intermembrana e lo scambia con una molecola di

4-

ATP , che nel frattempo si è legata dal lato della matrice, mediante un meccanismo di

antiporto.

Lo spostamento di 4 cariche ⊝ all'esterno e solo 3 cariche ⊝ all'interno è favorito dal

gradiente elettrochimico transmembrana che conferisce alla matrice una carica netta

negativa; lo scambio ADP/ATP è favorito dal gradiente protonico.

4- +

fosfato traslocasi → trasferisce uno ione H PO nella matrice insieme ad uno ione H ; anche

• 2

questo processo è favorito dal gradiente protonico.

Controllo del consumo di equivalenti riducenti sulla base del consumo di ATP

Esiste un controllo reciproco tra la sintesi di ATP e la riossidazione dei coenzimi ridotti: la sintesi

di ATP è infatti necessaria per riossidare i coenzimi ridotti così come l'ossidazione dei coenzimi

ridotti è necessaria per sintetizzare ATP.

Di conseguenza il consumo di ossigeno è legato alla funzionalità dell'ATP sintasi, infatti utilizzando

-

una molecola che disaccoppia il trasporto di e dalla sintesi di ATP non si ha più il controllo

metabolico della sintesi del processo.

Se processi ATP-dipendenti consumano ATP allora si crea la condizione che permette aI coenzimi

ridotti di trasferire equivalenti riducenti sull'ossigeno molecolare; se non invece c'è necessità di

ATP non si ha la riossidazione dei coenzimi ridotti nella catena respiratoria. Non esiste infatti un

altro sistema per riossidare i coenzimi ridotti, quindi non potendo riossidarli viene inviato un

segnale che blocchi la riduzione di altri coenzimi.

Disaccoppiare il sistema significa far si che il trasporto degli elettroni non sia accoppiato alla

sintesi di ATP. Questo è ciò che avviene a livello dei mitocondri delle cellule del tessuto adiposo

bruno che possiedono una proteina nella loro membrana interna detta termogenina o proteina

disaccoppiante 1 (UCP1) che permette ai protoni di fluire dallo spazio intermembrana alla

matrice senza passare attraverso la ATP sintasi. Questo flusso permette quindi di dissipare il

gradiente protonico sotto forma di calore e costituisce il meccanismo di termogenesi.

Sulla membrana mitocondriale interna di tutte le cellule sono inoltre presenti quattro sistemi di

trasporto fortemente controllati per quattro molecole diverse:

- citrato

- piruvato

- fosfato

- ATP 40

Non tutte le molecole generate nel citoplasma/matrice possono infatti essere trasportate

attraverso la membrana mitocondriale interna, ma sono quelle che possiedono un trasportatore

specifico.

Sistemi navetta per NADH citoplasmatico

I coenzimi mitocondriali e citoplasmatici devono essere mantenuti separati ma allo stesso tempo

deve essere possibile trasferire i collettori equivalenti riducenti dal citoplasma al mitocondrio in

+

modo da permetterne la riossidazione. NAD e NADH non possiedono però dei trasportatori sulla

membrana mitocondriale interna, quindi la cellula utilizza due metodi per il trasporto degli

equivalenti riducenti all'interno della matrice mitocondriale:

shuttle glicerolo-3-fosfato → la riossidazione di NADH può avvenire poiché gli equivalenti

• riducenti vengono trasferiti dal NADH al diidrossiacetone fosfato dalla glicerolo-3-fosfato

deidrogenasi che converte il gruppo carbonilico in gruppo ossidrilico con formazione di

+

NAD e di glicerolo-3-fosfato

+ +

NADH + H + diidrossiacetone fosfato → NAD + glicerolo-3-fosfato

Il glicerolo-3-fosfato può essere trasportato attraverso la membrana mitocondriale interna

ed entra nella matrice dove un'altra glicerolo-3-fosfato deidrogenasi catalizza la reazione

inversa trasferendo gli equivalenti riducenti al FAD che si riduce FADH , determinando

2

quindi una resa minore in ATP

glicerolo-3-fosfato + FAD → diidrossiaceton fosfato + FADH 2

Il diidrossiacetone viene poi ritrasportato nel citoplasma mitocondriale.

shuttle malato-aspartato → gli equivalenti del NADH citosolico vengono trasferiti dalla

• malato deidrogenasi su una molecola di ossalacetato che si trasforma in malato, il quale

attraversa la membrana mitocondriale interna grazie al suo specifico trasportatore

+

NADH + ossalacetato → NAD + malato

All'interno della matrice mitocondriale il malato viene riconvertito in ossalacetato e gli

+

equivalenti riducenti vengono trasportati su una molecola di NAD che viene ridotta a NADH

con una resa del 100% sulla sintesi di ATP.

L'ossalacetato non possiede un trasportatore sulla membrana interna del mitocondrio, viene

quindi ritrasferito nel citoplasma sotto forma di aspartato e lì ritrasformato in ossalacetato.

41

Glucidi

I carboidrati prevalenti nella dieta sono rappresentati dalle due specie presenti nell'amido:

- amilosio → costituito da molecole di glucosio legate mediante legami α-1,4 glicosidici (tra

un OH di tipo emiacetalico e un OH alcolico)

- amilopectina → è costituita da catene α-1,4 con punti di ramificazione α-1,6

Queste due specie costituiscono la forma di deposito del glucosio presente nei vegetali; anche la

cellulosa è una forma di deposito di carboidrati che differisce dall'amilosio nel legame glicosidico

che nella cellulosa è β-1,4.

Le altre forme di carboidrati che introduciamo con la dieta sono disaccaridi:

- lattosio → dimero di galattosio e glucosio, legame monoglicosidico β

- maltosio → dimero di glucosio, legame monoglicosidico α

- saccarosio → dimero tra glucosio e fruttosio, legame diglicosidico α,β poiché entrambi i

gruppi emiacetalici entrano in gioco nel legame

Quindi il monosaccaride più rappresentato nella dieta è il glucosio, le due altre specie importanti

sono galattosio e fruttosio.

Digestione dei carboidrati

La digestione dei carboidrati inizia a livello della bocca mediante l'intervento dalla α-amilasi

salivare un enzima in grado di scindere i legami α-1,4 glicosidici presenti nell'amido (non idrolizza

quindi la cellulosa), riducendo di dimensioni la molecola di amido.

L'amilasi salivare lavora a un pH ottimale di 7, viene infatti inattivata dal pH acido dello stomaco.

Il processo di idrolisi dei carboidrati riparte a livello dell'intestino dove l'enzima α-amilasi

pancreatica esercita lo stesso tipo di catalisi producendo oligosaccaridi.

Le amilasi agiscono sempre sui legami interni, generando destrine (polimeri più o meno ramificati

con n circa 5), trisaccaridi o disaccaridi ma mai a unità monomeriche.

Poiché l'assorbimento degli zuccheri avviene solo sotto forma di monomeri la scissione degli

oligosaccaridi a monomeri avviene ad opera di enzimi associati all'orletto a spazzola dell'intestino,

le disaccaridasi.

Questi enzimi sono molto più specifici e ne esistono diversi a seconda della molecola che deve

essere tagliata:

- (iso)maltasi → idrolizza l'isomaltosio (prodotto della degradazione formato da due

molecole di glucosio con un legame α 1,6) a due molecole di glucosio

- lattasi → idrolizza il lattosio formando glucosio e galattosio

- saccarasi → idrolizza il saccarosio a glucosio e fruttosio

- oligosaccaridasi → idrolizzano strutture a tre molecole di glucosio dando origine a

monomeri di glucosio.

Trasporto di glucosio negli eneterociti

Alla fine della digestione vengono quindi prodotti glucosio, galattosio e fruttosio i quali devono

essere assorbiti e trasportati nell'organismo.

La quantità di glucosio nel lume intestinale è molto alta ma il volume nel quale esso si trova è

altrettanto grande, quindi l'assorbimento risulta essere un processo attivo contro gradiente poiché

la concentrazione di glucosio è più alta all'interno della cellula.

A livello della superficie apicale degli enterociti è presente un trasportatore attivo secondario

+ +

Glu/Na che opera in cotrasporto con Na sfruttando il suo gradiente di concentrazione creato dalla

+ +

pompa Na /K a livello della membrana basale. 42

A livello della membrana basale è invece presente il trasportatore capacitativo GLUT2 che

permette il flusso di glucosio verso il capillare; esso è caratterizzato da un'elevata Km poiché non

deve saturarsi in fretta.

Una volta in circolo il glucosio deve essere reso disponibile in tutti i tessuti dove però non viene

assorbito allo stesso modo; esistono diversi trasportatori di tipo GLUT per il glucosio: GLUT2 si

trova nel fegato, GLUT4 invece si trova nel muscolo e nel tessuto adiposo ed è in grado di

aumentare l'ingresso di glucosio nelle cellule in base alla concentrazione di glucosio (il processo è

modulabile in funzione della necessità).

Galattosio e fruttosio invece vengono trasportati attraverso un trasporto passivo poiché la loro

concentrazione è bassa nel lume intestinale.

Quando da neonati l'alimentazione è costituita solo da latte l'approvvigionamento di glucosio e

galattosio è in rapporto 1:1, in questo caso quindi anche il sistema di assorbimento del galattosio è

attivo; questo indica che il livello delle proteine di trasporto può variare nelle singole cellule anche

in funzione dello sviluppo.

Glicolisi

Il glucosio è il substrato energetico universale: tutte le cellule sono in grado di utilizzare glucosio

per generare energia, anche se possono essere indotte a non usarlo, e da esso è possibile

sintetizzare tutte le molecole possibili (con l'aggiunta di azoto e altri atomi).

Il processo di degradazione del glucosio è detto glicolisi e avviene nel citoplasma, questo significa

che in una cellula priva di mitocondri il glucosio può comunque essere utilizzato come fonte di

energia.

La glicolisi è una via metabolica costituita da 10 reazioni (di cui la prima è la fosforilazione del

glucosio) e rappresenta un processo citoplasmatico di ossidazione del glucosio che porta alla

formazione di due molecole di piruvato.

È un processo ossidativo perché prevede la trasformazione da una molecola di C H O in due

6 12 6

molecole a 3 atomi di carbonio (CH -CO-COOH).

3

Dopo la glicolisi il piruvato può procedere in condizioni anaerobiche ed essere convertito in lattato

o in etanolo, oppure può procedere in condizioni aerobiche ed essere ossidato a CO .

2

La conversione del piruvato a lattato (o etanolo) è un evento citoplasmatico, per questo il glucosio

può essere utilizzato anche da organismi senza mitocondri; l'ossidazione a CO invece si svolge solo

2

ed esclusivamente nei mitocondri ed è ossigeno-dipendente poiché l'ossigeno è necessario per

riossidare i coenzimi ridotti durante la glicolisi.

La fase di preparazione del glucosio al suo ingresso nella glicolisi è ATP-dipendente, consta di tre

tappe e comporta l'attivazione della molecola al successivo riarrangiamento.

Una volta entrato nella cellula il glucosio deve essere attivato all'utilizzo e viene quindi fosforilato

2+

① dall'enzima esochinasi (o glucochinasi) Mg -dipendente che introduce un gruppo fosfato sulla

funzione alcolica primaria in posizione 6. Questa fosforilazione permette l'attivazione della

molecola di glucosio a substrato dei processi catabolici e inoltre sottrae una molecola di glucosio

all'equilibrio di trasporto: nessun trasportatore del glucosio è affine alla molecola fosforilata che

quindi rimane “intrappolata” nella cellula.

Questa tappa attiva tutti i processi metabolici dipendenti dal glucosio poiché il glucosio-6-fosfato

è il substrato di tutte le vie che prevedono l'utilizzo di glucosio (glicolisi, via dei pentosi, sintesi del

glicogeno, sintesi dei glicoconiugati). 43

La reazione di fosforilazione è irreversibile poiché ha un ∆G molto negativo (∆G= -16,7KJ/mol) ed è

quindi una tappa di controllo: l'enzima esochinasi può infatti essere inibito solo da un'alta

concentrazione di glucosio-6-fosfato nella cellula, quindi questa reazione è a sé stante.

La glucochinasi invece è un enzima specifico che si trova nel fegato e lavora solo in presenza di

alte concentrazioni di glucosio in circolo, infatti è molto meno affine. La minor affinità della

glucochinasi è associata ad una maggiore attività enzimatica: la velocità massima dell'esochinasi

infatti viene raggiunta a concentrazioni di glucosio normalmente presenti in circolo (5mmol/L) e

quindi è sempre saturata, la glucochinasi invece necessita di concentrazioni di glucosio molto più

elevate per saturarsi!

La glucochinasi quindi è un enzima che resta disponibile anche a elevate concentrazioni di glucosio

e questo è fondamentale per le cellule del fegato dove avviene l'internalizzazione e

l'immagazzinamento del glucosio.

La glucochinasi inoltre si attiva solo in queste condizioni: è quindi un enzima inducibile (è sotto

controllo trascrizionale) ed il suo controllo è esercitato dall'insulina che rappresenta il segnale di

una grande disponibilità di glucosio; in condizioni di bassa concentrazione di glucosio l'enzima è

sequestrato nel nucleo: l'aumento di glucosio all'interno della cellula diventa un segnale per

permettere il trasferimento dell'enzima dal nucleo al citosol.

La seconda reazione ② della fase preparatoria è catalizzata dall'enzima fosfoglucoisomerasi il

quale converte il glucosio-6-fosfato in fruttosio-6-fosfato, ovvero converte una forma aldolica in

una forma chetonica. La reazione ha un ∆G ∽ 0 è quindi reversibile e la sua direzione dipende dal

rapporto substrato-prodotto.

La conversione in fruttosio crea il presupposto per una seconda fosforilazione sulla nuova funzione

alcolica primaria: il fruttosio infatti presenta due funzioni alcoliche primarie che permettono

l'introduzione di un gruppo fosfato.

La terza reazione ③ quindi prevede la fosforilazione del fruttosio-6-fosfato su C1 ad opera

2+

dell'enzima fosfofruttochinasi I (anch'esso Mg -dipendente) con consumo di una seconda

molecola di ATP a formare fruttosio-1,6-bisfosfato. Il ∆G della reazione è fortemente negativo

(∆G=-14,2KJ/mol) e la reazione è quindi irreversibile e costituisce il punto di controllo

fondamentale: è la tappa che indirizza il glucosio esclusivamente nella glicolisi; tutto quello che sta a

monte di questa tappa infatti o non è esclusivo della glicolisi o è irreversibile.

Alla fine della fase preparatoria ④ l'enzima aldolasi rompe il fruttosio-1,6-bisfosfato mediante

una scissione di tipo aldolico a livello del legame C3-C4; questa reazione in condizioni standard

avrebbe un ∆G molto elevato: nella cellula invece grazie al rapporto substrato-prodotto il ∆G

diventa prossimo allo zero, la reazione può avvenire ed è reversibile.

La presenza dei gruppi fosfato agli estremi del fruttosio-1,6-bisfosfato inoltre favorisce la rottura

del legame covalente C3-C4.

L'aldolasi quindi catalizza la formazione di due molecole fosforilate a 3 atomi di carbonio che

presentano le caratteristiche di un glucide (possiedono un gruppo carbonilico e gli altri due

carboni impegnati con un legame ossidrilico):

- diidrossiacetonfosfato formato dai carboni C1,C2 e C3

- gliceraldeide-3-fosfato formata dai carboni C4,C5 e C6

Questi due prodotti sono in equilibrio tra loro e possono essere interconvertiti ⑤ dall'enzima

trioso fosfato isomerasi: in teoria in provetta la reazione sarebbe spostata verso la formazione di

diidrossiacetonfosfato, ma essendo la gliceraldeide-3-fosfato il prodotto della reazione successiva,

nella cellula la reazione è spostata verso la formazione di gliceraldeide che viene subito

44

“consumata”.

La prima reazione di ossidazione è catalizzata dall'enzima gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi

che ossida ⑥ la gliceraldeide-3-fosfato e la converte in 1,3-bisfosfoglicerato (1,3-BPG) con

+ +

riduzione di una molecola di NAD a NADH con rilascio di H .

In questa reazione la funzione aldeidica viene ossidata e contemporaneamente convertita in

fosfoderivato: l'associazione della gliceraldeide-3-fosfato al sito catalitico dell'enzima porta alla

formazione di un legame con un residuo -SH di una cisteina presente nel sito catalitico, si forma

quindi un tioemiacetale che va incontro all'ossidazione mediante la formazione di un legame

transitorio tio-estereo.

Il distacco della molecola dall'enzima avviene attraverso un meccanismo di sostituzione del legame

tio-estereo con il gruppo fosfato: il gruppo fosfato (ione) sostituisce SH e forma il legame

fosfoanidridico, poiché riguarda un gruppo fosfato e un gruppo carbossilico. Questa molecola

possiede un'energia di idrolisi maggiore a quella dell'ATP, il legame fosfoanidridico è infatti un

legame ad alta energia.

L'1,3-bisfosfoglicerato si trova in equilibrio con il 2,3-bisfosfoglicerato che rappresenta il substrato

dell'enzima fosfoglicerato chinasi che catalizza la reazione ⑦ di trasferimento di un gruppo

fosfato dal 2,3-BPG all'ADP con formazione di ATP e 3-fosfoglicerato. Questa reazione avviene con

un meccanismo di fosforilazione a livello del substrato ovvero permette la produzione di ATP

senza il consumo di O .

2

Il bilancio fino a questo momento è di + +

glucosio + 2ATP + 2NAD → 2ATP + 2NADH + 2H

La molecola di 3-fosfoglicerato viene poi rimaneggiata affinché si creino le condizioni per

un'ulteriore reazione di fosforilazione a livello del substrato: l'enzima fosfogliceromutasi ⑧

sposta il gruppo fosfato dalla posizione 3 alla posizione 2 e senza cambiare lo stato di ossidazione

genera un molecola di 2-fosfoglicerato.

Questa reazione però per essere innescata ha bisogno di quantità catalitiche di 2,3-BPG!!

Il 2,3-bisfosfoglicerato è necessario poiché l'enzima fosfogliceromutasi deve essere fosforilato: la

fosforilazione avviene a scapito del 2,3-bisfosfoglicerato che si trasforma in 2-fosfoglicerato.

L'enzima fosforilato interagisce con il 3-fosfoglicerato e lo fosforila formando nuovamente

l'intermedio 2,3-bisfosfoglicerato (e l'enzima libero) che cede poi il gruppo fosfato al

2-fosfoglicerato con formazione di 3-fosfoglicerato,

L'enzima fosforilato ha un buon potenziale di trasferimento del gruppo fosfato sulla posizione C2 e

il 2,3-bisfosfoglicerato ha un buon potenziale di trasferimento del gruppo fosfato dalla posizione

C3 all'isitidina dell'enzima.

Il 2,3-bisfosfoglicerato è presente a bassi livelli nelle cellule; negli eritrociti però è presente in

grandi quantità e ha bisogno di essere rigenerato altrimenti non svolgerebbe la sua funzione di

regolatore, quindi la reazione viene indirizzata verso la formazione di 2,3-bisfosfoglicerato.

L'enzima ⑨ enolato rimuove una molecola di H O dal 2-fosfoglicerato con formazione di

2

fosfoenolpiruvato: la reazione avviene mediante l'eliminazione della funzione ossidrilica sul C3 e

di un H su C2 che vengono eliminati sotto forma di acqua e si ha la formazione di un doppio legame

C2=C3. Questa reazione è reversibile.

Il fosfoenolpiruvato mediante un rimaneggiamento dello scheletro carbonioso trasforma il legame

tra C2 e fosfato (legame fosfo-estereo, ha un'energia di idrolisi bassa) in un legame fosfo-enolico

45

che ha un'energia di idrolisi estremamente elevata.

Questo legame permette di ottenere una molecola per rimaneggiamento chimico con un'energia di

idrolisi molto maggiore dell'ATP che in una reazione accoppiata può permettere il trasferimento di

un gruppo fosfato dal fosfoenolpiruvato all'ADP con formazione di ATP e di piruvato: questa

reazione ⑩ catalizzata dall'enzima piruvico chinasi è la seconda fosforilazione a livello del

substrato operata nella glicolisi ed ha un ∆G fortemente negativo (∆G=-31KJ/mol) che la rende

irreversibile.

Con la formazione di piruvato si conclude la glicolisi, il cui bilancio finale è

+ +

glucosio + 2NAD + 2ATP + 2ADP + 2P → 2piruvato + 2NADH + 4ATP + 2H + 2H O

i 2

Destino di piruvato e NADH in condizioni di anaerobiosi

La glicolisi è l'unico processo ossidativo in una cellula che può essere condotto in assenza di

+

ossigeno. La produzione di NAD o FAD non riinizia di nuovo dalla sintesi dei coenzimi poiché in

realtà avviene un continuo turnover tra la molecola ossidata e quella ridotta.

La dipendenza da ossigeno di una via metabolica è solo legata alla modalità di riossidazione dei

coenzimi ridotti: la glicolisi è l'unico processo che può avvenire anche in assenza di O perché

presenta una via citoplasmatica che permette la riossidazione del coenzima NADH catalizzata

dall'enzima lattico deidrogenasi.

Il piruvato viene convertito in lattato mediante una riduzione del gruppo carbonilico del piruvato

a funzione alcolica; questa reazione è NADH-dipendente e permette quindi la riossidazione del

+

NADH a NAD in quantità sufficienti per permettere la conversione della gliceraldeide-3-fosfato in

1,3-bisfosfoglicerato.

Il glucosio è il substrato energetico universale indipendentemente dalla disponibilità di ossigeno e

mitocondri poiché l'ossidazione del glucosio può procedere anche in assenza di ossigeno grazie ad

una via di ossidazione del NAD a livello citoplasmatico.

La glicolisi in condizione di anaerobiosi prevede la produzione di lattato come terminazione del

processo; la conversione di glucosio a lattato ha un ∆G= -183KJ/mol!!

Il guadagno netto della glicolisi in condizioni di anaerobiosi è di 2 molecole di ATP (il NADH è

stato riciclato quindi in termini di resa energetica è ininfluente).

Destino di piruvato e NADH in condizioni di aerobiosi

In presenza di ossigeno e del sistema mitocondriale il destino di NADH e piruvato è diverso.

Poiché il NADH è un potenziale energetico, in presenza di ossigeno la cellula riossida il coenzima a

livello del mitocondrio; la membrana mitocondriale interna però non ha sistemi di trasporto per i

coenzimi ridotti, questo garantisce una loro compartimentazione che quindi non crea un conflitto

tra i due processi: le concentrazioni dei coenzimi ridotti a livello mitocondriale e citoplasmatico

sono regolati in modo diverso.

Gli equivalenti riducenti associati al coenzima vengono trasportati mediante i due sistemi navetta:

2-didrossiacetonfosfato (un intermedio della glicolisi) → si carica degli equivalenti riducenti

1. del NADH ed entra nel mitocondrio come glicerolo-3-fosfato. Nel mitocondrio viene

riconvertito in diidrossiacetonfosfato (con produzione di FADH ) che torna a livello

2

citoplasmatico; il trasportatore trasporta secondo gradiente glicerolo-3-fosfato e

diidrossiacetonfosfato mediante cotrasporto.

Il FADH riossidato nella catena respiratoria può generare 1,5molecole di ATP per molecola,

2

quindi la produzione totale è di 3ATP per molecola di glucosio.

La resa della glicolisi totale in condizioni di aerobiosi è di 5 molecole di ATP.

malato-aspartato → permette il trasferimento degli equivalenti riducenti dan NADH

2. citoplasmatico a NADH mitocondriale che nella sua riossidazione genera 2,5 molecole di

46

ATP: la resa totale della glicolisi è di 7 molecole di ATP.

*La scelta del sistema di trasporto dipende dalle condizioni ox-red che si determinano nel

citoplasma.

In tutte le tappe della glicolisi è possibile valutare un ∆G della reazione: in condizioni standard le

variazioni di energia libera sono diverse da quelle che si verificano nelle condizioni cellulari.

Nella cellula quasi tutte le tappe hanno un ∆G prossimo allo zero e possono quindi essere condotte

in entrambi i sensi in base ai rapporti substrato-prodotto, solo 3 tappe hanno un ∆G negativo:

① esochinasi → formazione del glucosio-6-fosfato

③ fosfofruttochinasi → indirizza lo scheletro carbonioso verso la glicolisi e costituisce il principale

punto di controllo del processo

⑩ piruvico chinasi

L'azione della fosfofruttochinasi costituisce il principale punto di controllo della glicolisi.

Per comprendere i meccanismi che entrano in gioco nella regolazione della fosfofruttochinasi è

necessario valutare cosa avviene a valle della produzione di piruvato nel processo di ossidazione.

In condizioni di aerobiosi il piruvato può passare dal citoplasma al mitocondrio, attraverso un

sistema di trasporto specifico, dove può essere convertito ad acetil-coA il quale (sempre nel

mitocondrio) può essere indirizzato nel ciclo di Krebs. L'acetil-coA viene rimaneggiato lungo le

tappe del ciclo di Krebs in modo da ossidare completamente il glucosio con produzione di CO .

2

Esiste tuttavia la possibilità che la conversione del piruvato (e quindi del glucosio in acetil-coA)

non avvenga solo a scopo energetico per produrre acetil-coA ma può anche essere un modo per

immagazzinare energia sotto forma di molecole che potranno essere poi utilizzate in caso di

carenze energetiche utilizzando una reazione specifica del ciclo di Krebs: esiste quindi la possibilità

di generare un substrato spendibile in tempi successivi sotto forma di acido grasso.

Il controllo avviene usando la prima tappa del ciclo di Krebs, l'acetil-coA generato dal glucosio non

viene indirizzato verso la resa energetica ma verso la sintesi di acidi grassi utilizzando la prima

tappa del ciclo di Krebs e una molecola di citrato che trasporta l'acetil-coA al di fuori del

mitocondrio (per il quale non esiste un sistema di trasporto mitocondriale).

Un segnale di stop al processo di conversione di glucosio in acetil-coA può derivare da un eccesso

di acetil-coA che passa nel citoplasma come citrato.

Regolazione della fosfofruttochinasi 1 (PFK-1)

L'enzima fosfofruttochinasi 1 (PFK-1) catalizza la conversione del fruttosio-6-fosfato in fruttosio-

1,6-bisfosfato; il controllo sull'utilizzo dei metaboliti avviene quando le vie a valle o i prodotti di

quella reazione sono saturi, quindi non è necessario continuare a procedere nella reazione.

In caso di “saturazione” infatti l'energia acquisita dalla cellula è sufficiente e la cellula non deve

procedere nei meccanismi di ossidazione del glucosio.

La PFK-1 è soggetta al controllo di alcune molecole che possono stimolarla o inibirla.

Le molecole coinvolte nell'inibizione della fosfofruttochinasi I sono:

citrato → rappresenta un intermedio della via di ossidazione di glucosio, acidi grassi e

1. amminoacidi; l'aumento della sua concentrazione nel citoplasma indica che nella cellula le

richieste energetiche sono soddisfatte dalla degradazione di amminoacidi e acidi grassi e

quindi non è necessaria la produzione di ATP a partire dal glucosio;

ATP → è la carica energetica, se aumenta la sua concentrazione allora il rapporto ATP/ADP

2. (il rapporto fra i processi che producono ATP e quelli che lo consumano) è a favore della

47

produzione quindi la carica energetica raggiunta è sufficiente per le necessità della cellula.

L'ATP esercita un ruolo di controllo negativo anche se è un substrato per l'enzima,

sull'enzima infatti sono presenti siti diversi: un sito catalitico ed un sito regolatore a cui

l'ATP si lega con affinità diverse; il sito regolatore ha una K più alta (è meno affine) quindi

m

ad esso l'ATP si lega solo quando aumenta la concentrazione.

Quando esso si lega al sito regolatore la curva di velocità di reazione in funzione della

quantità di substrato diventa sigmoidale, tipica degli enzimi allosterici, mentre in assenza di

questa regolazione (a basse concentrazioni di ATP) la curva è una normale iperbole;

+ +

H → la concentrazione di ioni H aumenta all'aumentare della concentrazione di piruvato e

3. lattato, i quali possono modificare il pH dell'ambiente citoplasmatico; queste due molecole

indicano che la richiesta energetica è soddisfatta.

Gli effettori allosterici positivi sono invece:

1. ADP/AMP → un aumento della concentrazione di queste due molecole indica che il consumo

energetico è più elevato della produzione di ATP e quindi la cellula necessita di produrre

energia;

P

2. i

fruttosio-2,6-bisfosfato → è il più potente regolatore allosterico positivo della PFK-1 nelle

3. cellule del fegato e rappresenta un meccanismo di controllo di tipo allosterico, ma la

concentrazione di fruttosio-2,6-bisfosfato è a sua volta regolata da fattori ormonali, quindi il

controllo della glicolisi è di tipo ormonale.

Questi meccanismi possono operare sia in modo complementare che in modo specifico per la cellula

considerata

Regolazione dei livelli di fruttosio-2,6-bisfosfato

Il fruttosio-2,6-bisfosfato stimola l'attività della PFK-1 e quindi la glicolisi, viceversa inibisce

l'attività della FBPasi-1 inibendo la gluconeogenesi.

La concentrazione di il fruttosio-2,6-bisfosfato è regolata dall'azione di una proteina bifunzionale

che possiede due attività enzimatiche:

1. fosfofruttochinasi 2 (PFK-2) → ne catalizza la formazione a partire da fruttosio-6-fosfato

mediante una fosforilazione in posizione 2

fruttosio-2,6-bisfosfatasi (FBPasi-2) → idrolizzare la molecola a fruttosio-6-fosfato e P .

2. i

Lo switch tra l'attività fosfatasica o chinasica di questa proteina bifunzionale è indotto da

variazioni delle concentrazioni di due ormoni:

insulina → segnala grande disponibilità di substrati energetici e stimola la defosforilazione

• della proteina bifunzionale. Nello stato defosforilato l'attività fosfatasica viene inibita e

quella chinasica viene stimolata: la concentrazione di fruttosio-2,6-bisfosfato aumenta

quindi la glicolisi viene indotta e la gluconeogenesi inibita.

glucagone o adrenalina (in caso di stress) → indicano una scarsa disponibilità di substrati

• energetici e stimolano la fosforilazione della proteina e quindi la sua attività fosfatasica; in

queste condizione il fruttosio-2,6-bisfosfato viene degradato e la sua concentrazione nella

cellula diminuisce con conseguente stimolazione della gluconeogenesi ed inibizione della

glicolisi.

Il vantaggio deriva dal controllo di un'unica proteina la cui fosforilazione/defosforilazione ne

regola l'attività fosfatasica/chinasica.

Il glucagone che indica una scarsa presenza di substrati energetici, blocca l'utilizzo di uno stesso

substrato energetico poiché il metabolismo del fegato è settato verso la produzione di glucosio e

48

non verso il suo consumo, in modo tale da poter fornire substrato ai tessuti in condizioni di carenza

di glucosio.

Quando invece la concentrazione di glucosio è alta, la glicolisi procede perché il glucosio viene

indirizzato verso la sintesi sia di ATP che di acidi grassi.

Effetto Pasteur

Se in provetta ad una data concentrazione di glucosio aumento la concentrazione di ossigeno

l'ossidazione del glucosio aumenta rispetto a basse concentrazioni di ossigeno, fino ad esaurimento

di glucosio.

Nelle cellule di fegato invece il consumo di glucosio non aumenta all'aumentare della

concentrazione di ossigeno ma anzi avviene il contrario: più è alta la concentrazione di ossigeno

minore è l'ossidazione del glucosio.

Se a parità di glucosio in condizioni di aerobiosi viene prodotto più ATP (rispetto all'anaerobiosi) e

il controllo di tutte le vie metaboliche è dato dalla produzione di ATP, una maggiore produzione di

ATP blocca prima il processo; questo è possibile perché l'ATP controlla l'attività della

fosfofruttochinasi. La necessità di ATP fa da controllo sulla reazione di riossidazione dei coenzimi,

quindi il controllo specifico dell'ATP sulla fosfofruttochinasi è l'elemento molecolare che spiega

l'effetto Pasteaur.

Regolazione della piruvicochinasi

L'altro enzima regolato della glicolisi è la piruvicochinasi, anch'esso sotto controllo ormonale:

- insulina e fruttosio-1,6-bisfosfato inducono l'enzima

- glucagone e fosforilazione PKA-dipendente inibiscono l'enzima.

Altri substrati alternativi, sono in grado di inibire l'attività dell'enzima: acetilCoA, acidi

grassi, alanina e citrato inibiscono l'enzima perché rappresentano un accumulo dei prodotti

anabolici del piruvato.

Metabolismo del piruvato nel mitocondrio

Per arrivare all'ossidazione completa di glucosio nella cellula, il piruvato deve entrare nel ciclo di

Krebs: il punto di incontro tra i due processi è la conversione di piruvato in acetilCoA; questa

reazione avviene solo a livello mitocondriale così come tutte le reazioni che producono acetilCoA.

L'acetilCoA può poi essere ossidato a CO nel ciclo di Krebs.

2

Il piruvato può entrare nel mitocondrio poiché possiede un trasportatore sulla membrana

mitocondriale interna che lo trasporta nella matrice dove la piruvico deidrogenasi lo converte in

acetilCoA, il quale verrà completamente ossidato a CO con produzione di coenzimi ridotti.

2

Nel mitocondrio il piruvato può anche essere substrato per la formazione di ossalacetato, una

molecola a 4C che ha lo stesso scheletro carbonioso del piruvato con un gruppo carbossilico in più.

Sintesi dell'acetilCoA

L'enzima piruvico deidrogenasi è un complesso multienzimatico che catalizza le reazione

+

1 piruvato + NAD + 1CoA-SH → 1acetilCoA + NADH + CO 2

a questi substrati di reazione è però necessario aggiungere dei coenzimi: tiamina pirofosfato (TPP),

lipoato e FAD; il sistema infatti dipende dal rifornimento di questi coenzimi che vengono utilizzati

come substrati e cofattori per la reazione ma non vengono consumati poiché vengono rigenerati

nel corso della reazione.

La reazione è una decarbossilazione ossidativa: un gruppo carbossilico viene perso e il residuo

viene trasformato in un residuo acilico (queste reazioni avvengono sempre allo stesso modo grazie

ad una famiglia di deidrogenasi che lavorano con il medesimo meccanismo e hanno bisogno degli

stessi cofattori). 49

Anche la piruvico deidrogenasi è complesso multienzimatico con una struttura quaternaria; la sua

attività è organizzata poiché presenta 3 tipi di subunità enzimatiche con attività diverse

assemblate con una numerosità e molteplicità variabile. Le tre subunità sono organizzate nello

spazio in modo da favorire il processo di conversione:

1. piruvico deidrogenasi (E1) → in superficie

2. diidrolipoliltransacetilasi (E2) → si trova all'interno

3. diidrolipolildeidrogenasi (E3) → in superficie

Nella prima reazione catalizzata dalla piruvico deidrogenasi ① prevede che il piruvato venga

caricato su un residuo di TPP mediante il residuo a 2 atomi di C (CH -CO) a formare idrossietil-TPP

3

con distacco del gruppo carbossilico, quindi produzione di CO . Il residuo che poi genererà

2

acetilCoA è legato alla TPP che è legata all'enzima.

Si ha il trasferimento ② di questa unità a 2 atomi di C su un residuo di lipoil derivato legato alla

lisina presente nella sua forma ossidata. Lo scheletro carbonioso va incontro ad ossidazione (da

-OH a C=O) mentre uno dei due ponti S si riduce a -SH; quindi l'idrossietile viene convertito in

acetile.

Il lipoato è una struttura lunga che fa da braccio mobile, il gruppo CO-CH legato al lipoato nella

3

forma ridotta viene trasferito sul coenzima A con formazione di acetilCoA: il gruppo CO-CH viene

3

trasferito dal gruppo -S del lipoato al gruppo -SH del coenzima A, senza variazione del punto di

vista energetico (poiché uno stesso legame tioestereo viene trasferito in una posizione diversa),

A questo punto del processo sono stati prodotti CO e acetilCoA con produzione di un residuo di

2

lipoil-lisina allo stato ridotto (da -S passa a -SH) che deve quindi ritornare nella forma ossidata.

Il residuo di lipoil-lisina viene riossidato dalla diidrolipoildeidrogenasi ③ che riossida la lipoil-

lisina in lisina ossidata; questo enzima è una flavoproteina, quindi gli equivalenti riducenti associati

al residuo -SH vengono scaricati su FAD che viene ridotto a FADH .

2

FADH per poter continuare a ciclare deve consumare equivalenti riducenti, quindi consuma NAD

2

che è appunto un reale substrato di reazione che viene consumato, a differenza di TPP, FAD e

lipoato; tutte le cheatoacido deidrogenasi (il piruvato è un chetoacido) lavorano in questo modo.

+ +

Quindi FADH viene riossidato consumando NAD che viene ridotto e si trasforma in NADH e H .

2

Regolazione della piruvico deidrogenasi

Il complesso della piruvico deidrogenasi catalizza una reazione reversibile che opera sia nel

processo che da glucosio produce CO sia nel processo che da glucosio produce acidi grassi.

2

Il complesso è regolato mediante la carica energetica: quando è alta l'enzima è spento, quando è

bassa l'enzima si attiva.

La carica energetica esercita la sua capacità regolatoria attraverso un meccanismo di regolazione

non legato a un controllo ormonale (poiché avviene nel mitocondrio): l'ATP attiva la piruvico

deidrogenasi chinasi la quale fosforila l'enzima e lo inattiva, l'ADP invece inibisce l'attività della

PDH chinasi e quindi induce l'attivazione dell'enzima PDH. Calcio e insulina invece attivano la PDH

fosfatasi che defosforila la PDH e la attiva.

Anche il NADH, che si trova solo nei mitocondri, può regolare negativamente il complesso.

Ciclo di Krebs

Il ciclo di Krebs è una via ciclica che permette l'ossidazione dei due atomi di C dell'acetil-CoA a CO ;

2

50

questo ciclo avviene indipendentemente dall'origine dell'acetil-CoA e inoltre la complessità del

numero di trasformazioni è legata ad una funzione di snodo di vie metaboliche.

Il processo ossidativo avviene attraverso una serie di reazioni che permettono il recupero di

equivalenti riducenti in tre tappe; il processo inoltre è strettamente aerobico: le vie che lo

costituiscono sono identificabili in strutture compatibili con una vita anaerobica (prima della

possibilità dell'utilizzo di ossigeno), il passaggio alla vita aerobica ha messo insieme due grossi

comparti di vie metaboliche che sommandosi in questo processo ciclico ha permesso l'utilizzo dal

punto di vista energetico di questo substrato senza perdere il vantaggio di costituire una via

metabolica.

Il vantaggio dell'essere una via ciclica deriva dal fatto che il substrato iniziale che interagisce con

Acetil-CoA viene rigenerato nella via stessa: si ha infatti la condensazione di una molecola a 2C con

una a 4C (ossalacetato) per formare una a 6C e in seguito a una serie di passaggi di tipo ossidativo

che porta all'ossidazione dei 2C formalmente associati all'acetil-CoA in CO e il riciclo di

2

ossalacetato. Questo ultimo processo può anche andare in direzione inversa verso la sintesi di

succinato.

Nel ciclo di Krebs quindi per una molecola di acetil-CoA ossidata viene rigenerata una molecola di

ossalacetato: la stechiometria però non è 1:1 poiché di ossalacetato bastano poche molecole

proprio grazie alla ciclicità del processo.

La prima reazione ① è la condensazione di acetil-CoA con ossalcetato (un α-chetoacido) ad opera

della citrato sintasi; la funzione carbonilica in α dell'ossalacetato è reattiva: si ha un'apertura del

legame carbonilico con formazione di una struttura intermedia che sposta l'equilibrio della

reazione verso la formazione di CoA libero e citrato.

Il coA diventa quindi disponibile per le reazioni a livello mitocondriale.

La molecola di citrato (acido tricarbossilico) che viene convertita ② nel suo isomero: il citrato è

infatti un alcol terziario e quindi la sua funzione ossidrilica in C3 non è maneggiabile; l'enzima

aconitasi sposta la funzione ossidrilica in posizione C2 a formare isocitrato.

Nonostante la molecola di citrato sia simmetrica, il riposizionamento di -OH avviene sempre in

un'unica posizione poiché il citrato si àncora all'enzima di reazione in modo rigido e induce

-

stereoselettività, affinché che solo uno dei due gruppi (CH -COO ) del citrato vada incontro alla

2

reazione.

L'intermedio di reazione è il cis aconitato che non abbandona mai il sito catalitico.

L'isocitrato è la prima molecola che va incontro ad ossidazione decarbossilativa ③: l'enzima

isocitrato deidrogenasi catalizza l'introduzione del doppio legame C=O in posizione C2 che rende

il legame C-OOH estremamente labile e si ha quindi la perdita di CO ; la reazione è possibile grazie

2

+ +

alla riduzione di una molecola di NAD a NADH e H .

La decarbossilazione porta alla formazione di α-chetoglutarato (ossalsuccinato come intermedio).

La seconda reazione di decarbossilazione ④ è catalizzata dall'α-chetoglutarato deidrogenasi e

permette la rimozione del secondo C dell'acetil-CoA: l'α-chetoglutarato perde una molecola di CO e

2

lega una molecola di CoA-SH a formare succinil-CoA con riduzione di una seconda molecola di

+ +

NAD a NADH e H .

Il meccanismo è identico alla formazione di acetil-CoA a partire da piruvato: l'enzima infatti

appartiene alla stessa famiglia della piruvico deidrogenasi, quindi necessita degli stessi cofattori

(TPP, lipoato e FAD).

Nel corso di queste prime 4 fasi l'equivalente dell'acetil-CoA viene ossidato completamente a CO e

2

contemporaneamente viene ripristinata una molecola a 4 atomi di carbonio; da qui in poi la

51

funzione del ciclo di Krebs è quella di rigenerare ossalcetato: è necessario quindi passare da un

carbonio alchilico a un carbonio carbonilico attraverso 3 stadi di ossidazione.

Durante il ciclo è anche stato introdotto un legame ad alta energia nel succinil-CoA che viene

recuperato in termini energetici: il succinil-CoA viene convertito in succinato ⑤ dalla succinil-

CoA sintasi (che catalizza anche la reazione inversa), permettendo il recupero dell'energia

associata al legame tioestereo mediante una fosforilazione a livello del substrato. Questa reazione

utilizza GDP come accettore del gruppo fosfato a formare una molecola di GTP e CoA libero.

Il meccanismo di reazione prevede un gruppo fosfato P che si sostituisce al CoA con formazione di

i

CoA libero; il succinil-fosfato ha un buon potenziale di trasferimento del gruppo fosfato su un

residuo di istidina dell'enzima succinil-CoA sintasi; l'enzima fosforilato ha a sua volta un buon

potenziale di trasferimento del gruppo fosfato sul GDP che viene quindi convertito in GTP.

In questo modo è permesso il recupero dell'energia contenuta nel legame tioestereo; il gruppo

fosfato può poi essere trasferito da GTP ad ADP per formare ATP.

Un'altra tappa ossidativa ⑥ permette l'ossidazione del succinato ad opera dell'enzima succinico

deidrogenasi con formazione di fumarato; questa reazione avviene grazie alla riduzione di FAD a

FADH . La succinico deidrogenasi è anche il complesso II della catena respiratoria ed è quindi

2

associato alla membrana mitocondriale interna!!

Il fumarato viene deidrogenato a malato ⑦ dall'enzima fumarasi che introduce un gruppo -OH.

Il malato viene quindi convertito ⑧ in ossalacetato dall'enzima malato deidrogenasi

+ +

mitocondriale che inserisce un doppio legame C=O e riduce una molecola di NAD a NADH e H .

Energetica

La stechiometria della reazione è data da: + +

acetil-CoA + GDP + P + FAD + 3NAD + H O → 2CO + GTP + FADH + 3NADH + 3H + CoA

i 2 2 2

La quantità di ATP prodotta è quindi quella generata dalla riossidazione dei due coenzimi che sono

stati ridotti nel corso del ciclo:

+

- 3 NADH e H producono 7,5 molecole di ATP

- 1 FADH produce 1,5 molecole di ATP

2

- 1 GTP produce 1 molecola di ATP

Per un totale di 10 molecole di ATP prodotte.

Quindi l'ossidazione del glucosio produce due rese energetiche diverse a seconda delle condizioni

in cui viene effettuata:

anaerobiosi → vengono prodotte 2 molecole di ATP che in termini energetici valgono circa

• 60KJ/mol, mentre l'energia libera recuperabile sarebbe di 220KI/mol; in queste condizioni

la resa è quindi del 27%:

aerobiosi → la produzione di ATP avviene in diversi step:

• - formazione di piruvato → 2 molecole di ATP + 3-5 molecole di ATP a seconda del

sistema navetta utilizzato

- formazione di 2 molecole di acetil-CoA → 5 molecole di ATP

- ossidazione di 2 molecole di acetil-CoA → 20 molecole di ATP

In totale si ha quindi la produzione di 32-34 molecole di ATP; in termini assoluti quindi la

produzione di ATP è molto più elevata, in termini di resa energetica però è necessario tener

52

conto dei prodotti di reazione: 1 molecola di glucosio produce 6 molecole di CO liberando

2

un'energia di 2870KJ/mol mentre l'energia realmente prodotta è di 1054KJ/mol. La resa

energetica vale 36-38%!

In termini di efficienza quindi una glicolisi anaerobia è meno inefficiente, infatti l'ossidazione del

glucosio a lattato forma un prodotto che può essere riutilizzato dalla cellula, mentre l'ossidazione a

CO forma un prodotto di scarto.

2

Regolazione del ciclo di Krebs

Il ciclo di Krebs viene regolato dai suoi stessi substrati e prodotti; le tappe e i relativi enzimi

regolati del ciclo sono:

① citrato sintasi → viene attivata da ADP e acetil-CoA e inibita da ATP, acil-coA e NADH

2+

③ isocitrato deidrogenasi → viene attivata da ADP e Ca e inibita da ATP

2+

④ α-chetoglutarato deidrogenasi → viene attivata da Ca e inibita da GTP, NADH e succinilcoA.

Il calcio agisce da stimolo quando il ciclo di Krebs è contestualizzato in un contesto di grande

richiesta energetica.

Vie anaplerotiche

Il ciclo di Krebs consiste in numerose tappe intermedie necessarie perché costituisce un punto di

snodo tra processi diversi: gli intermedi del ciclo possono infatti essere un punto di entrata o di

uscita per altre vie metaboliche, ad esempio α-chetoglutarato e ossalacetato rappresentano gli α-

chetoacidi substrato per la sintesi di amminoacidi o prodotto del metabolismo degli amminoacidi;

l'ossalacetato inoltre può essere generato dal piruvato per carbossilazione.

Il succinil-CoA invece può essere generato dal catabolismo di diversi amminoacidi, dal catabolismo

di acidi grassi ed è il substrato fondamentale per la formazione dell'anello porfirinico, l'anello

fondamentale dell'emoglobina. Il citrato invece viene utilizzato per la sintesi di acidi grassi.

Le reazioni di approvvigionamento dei substrati del ciclo di Krebs sono reazioni anaplerotiche,

ovvero quando al ciclo vengono sottratti intermedi di reazione da utilizzare come precursori di

altre vie, questi intermedi vengono riformati senza passare dalla formazione di acetil-CoA.

La reazione anaplerotica per eccellenza è quella che porta alla formazione dell'ossalacetato da

piruvato ad opera della piruvato carbossilasi: questa conversione può essere funzionale ad

aumentare la capacità di Krebs ma è anche il primo punto della conversione del piruvato in

glucosio nel processo di gluconeogenesi.

Sintesi dell'ossalacetato

Piruvato e ossalacetato differiscono per la presenza di un gruppo carbossilico in più

nell'ossalacetato; la reazione che permette la formazione di ossalacetato a partire da piruvato è

catalizzata dall'enzima piruvato carbossilasi.

Questa reazione è ATP-dipendente poiché la formazione di un legame covalente C-C richiede

energia, inoltre l'enzima è biotina-dipendente ovvero necessita del cofattore biotina che come tale

non viene consumata durante la reazione.

La biotina è legata con una catena a 5 atomi di carbonio ad un residuo di lisina dell'enzima e

presenta nella sua struttura un gruppo -NH il quale è un buon accettore di un gruppo carbossilico;

l'enzima ha una struttura tetramerica ed è costituito da 2 domini con due attività distinte:

carbossilasica e transcarbossilasica.

La biotina agisce da trasportatore del gruppo carbossilico ad essa legato con un meccanismo a

pendolo: al sito carbossilasico viene carbossilata (carbossibiotina) e acquisisce affinità per il sito

transcarbossilasico dove scarica il gruppo carbossilico che viene trasferito al piruvato con

formazione di ossalacetato e ripristino della biotina libera.

Questo meccanismo è tipico di tutte le carbossilasi, le quali vengono regolate in base alla

53

polimerizzazione dell'enzima: allo stato monomerico l'enzima è inattivo, allo stato polimerico

invece è attivo.

In questo caso il fattore obbligato per la conversione monomero-polimero è acetil-CoA, un potente

attivatore della piruvico carbossilasi e un potente inibitore della piruvico deidrogenasi.

L'aumento di acetil-CoA rappresenta uno stimolo per la sintesi di ossalacetato, la quale può

aumentare la portata del ciclo di Krebs oppure può indurre la sintesi di glucosio attraverso la

gluconeogenesi.

Glicogeno

Il glicogeno è un fondamentale deposito di glucidi: permette di immagazzinare il glucosio a livello

epatico e muscolare; circa il 10% del peso del fegato infatti può essere costituito da glicogeno

mentre nel muscolo l'1-2%. A livello epatico e muscolare presenta la stessa struttura ma svolge due

funzioni diverse.

Nel fegato oltre ad essere una fonte di energia per l'organo stesso, così come nei muscoli, il

glicogeno funge da fonte di glucosio per tutto l'organismo.

Il glicogeno è una molecola altamente ramificata costituita da migliaia di molecole di glucosio unite

da legami α 1-4 nelle catene lineari e da legami α 1-6 nei punti di ramificazione.

L'elevato grado di ramificazione implica un minore ingombro sterico in modo che possa essere

compattato maggiormente, inoltre maggiore è il numero di ramificazioni maggiore è il numero di

estremità dalle quali è possibile staccare molecole di glucosio al momento del bisogno.

Le estremità delle catene da cui è possibile rimuovere/aggiungere singole molecole sono estremità

non riducenti; il punto di partenza della sintesi invece avviene a livello di un'estremità riducente.

Le catene di glicogeno tendono a formare dei granuli definiti particelle β che si aggregano a

formare delle strutture α; questa compattazione è vantaggiosa poiché tutti gli enzimi necessari alla

sintesi e alla degradazione del glicogeno si trovano all'interno del complesso.

La sintesi del glicogeno e la sua degradazione coinvolgono singole molecole di glucosio-1-fosfato: il

glucosio prima di essere aggiunto a una catena (o dopo esserne stato rimosso) deve essere

convertito da glucosio-6-fosfato a glucosio-1-fosfato (e viceversa) dall'enzima fosfoglucomutasi;

questo enzima è fosforilato su un residuo di serina, cede il gruppo fosforico al carbonio 1 (o 6) e

strappa l'altro gruppo fosforico dal carbonio 6, “trasferendo” quindi un gruppo fosforico.

Affinché avvenga l'allungamento di una catena di glicogeno preesistente non basta la disponibilità

di glucosio-1-fosfato ma questo deve essere attivato: l'attivazione prevede una reazione tra

catalizzata dall'enzima pirofosforilasi che a partire da glucosio e UTP forma UDP-glucosio il

quale è in grado di cedere il glucosio alla catena di glicogeno preformata.

La degradazione del glicogeno genera glucosio-1-fosfato che può essere convertito in glucosio-6-

fosfato; non appena la cellula internalizza il glucosio, questo viene per prima cosa fosforilato e

trasformato in glucosio-6-fosfato affinché non possa attraversare la membrana.

Ma come può allora il fegato mettere a disposizione il glucosio mediante la degradazione di

glicogeno se questa produce glucosio-6-fosfato? Negli epatociti esiste l'enzima glucosio-6-fosfato

fosfatasi che è in grado di defosforilare il glucosio affinché possa essere messo in circolo; per

questo il fegato è un deposito per tutto l'organismo (nel muscolo non esiste questo enzima!).

Questo meccanismo comunque non compromette la glicolisi: l'enzima infatti non si trova a livello

54

citoplasmatico (dove invece avviene la glicolisi) bensì a livello del RE: quando dalla degradazione

di glicogeno si forma glucosio-6-fosfato (da rimettere in circolo per l'organismo), questo viene

trasportato all'interno del RE dove si trova il sito catalitico della glucosio-6-fosfato fosfatasi, il

glucosio-6-fosfato viene defosfoforilato e genera glucosio e ortofosfato, che vengono trasportati nel

citoplasma; il glucosio può quindi essere immesso nel circolo sanguigno.

Attivazione del glucosio

La reazione di formazione di UDP-glucosio non ha un ∆G elevato e in teoria sarebbe una reazione

reversibile. Questa reazione porta alla formazione di pirofosfato che in presenza della

pirofosfatasi inorganica viene idrolizzato a due molecole di acido fosforico affinché non sia più

disponibile per la reazione inversa; in questa modo la reazione avviene solo verso la formazione di

UDP-glucosio e quindi in direzione della sintesi di glicogeno.

Glicogenosintesi

Durante il processo di sintesi del glicogeno, l'aggiunta di una molecola di glucosio sotto forma di

l'UDP-glucosio è catalizzata dall'enzima glicogeno sintasi che addiziona una molecola di glucosio

con formazione di uno ione ossonio intermedio e rilascio di UDP. La molecola di glucosio viene

aggiunta con la formazione di un legame α 1-4.

La ramificazione del glicogeno avviene poi grazie all'enzima (1,4)(1,6)transglicosilasi, o enzima

ramificante, che catalizza l'aggiunta di una catena lineare di glucosio lunga 6-7 residui e la lega

mediante un legame α 1,6 a una delle molecole di glucosio già presente nella catena del glicogeno.

Le catena di glicogeno preformata da cui l'enzima ramificante stacca 6-7 residui deve essere lunga

almeno 12-15 molecole di glucosio; dalla ramificazione poi la glicogeno sintasi può allungare la

catena di glicogeno.

La sintesi del glicogeno a partire da zero necessita però di un primer poiché la glicogeno sintasi

può allungare la catena solo quando sono presenti già 6-7 molecole di glucosio; questo primer è la

glicogenina, una molecola che catalizza la formazione di una prima catena di 8 molecole di

glucosio.

La sintesi di glicogeno inizia con il trasferimento di un residuo di glucosio da una molecola di UDP-

glucosio al gruppo ossidrile di un residuo di tirosina della glicogenina; la reazione è catalizzata

dalla stessa glicogenina che possiede un'attività glicosil-transferasica.

La glicogenina catalizza l'aggiunta di altre 7 molecole di glucosio, da cui poi la glicogeno sintasi può

allungare la catena.

La molecola di glicogenina rimane poi inglobata nella particella β legata all'estremità riducente

della molecola di glicogeno.

Glicogenolisi

L'enzima responsabile del distacco delle diverse unità di glucosio è la glicogeno fosforilasi che

rimuove una singola molecola di glucosio da ogni estremità non riducente.

La glicogeno fosforilasi scinde un legame α 1-4 e libera molecole di glucosio-1-fosfato grazie

all'azione del cofattore piridossalfosfato che funge da donatore di ortofosfato promuovendo

l'attacco del Pi sul legame glicosidico.

Questo reazione di fosforolisi è diversa da quella di idrolisi perchè permette la fosforilazione di

una molecola senza il consumo di molecole di ATP.

La glicogeno fosforilasi agisce sulle catene lineari di glicogeno fino a che non raggiunge un punto

che dista 4 residui da una ramificazione; l'ulteriore degradazione del glicogeno avviene ad opera

dell'enzima deramificante, una (α1-6)(α1-4) glucanotransferasi, che agisce in due modi:

- trasferisce tre dei quattro residui della ramificazione rimasta su una catena lineare,

55

rendendoli disponibili per il processo di fosforolisi

- scinde la molecola di glucosio rimasta per idrolisi e libera glucosio non fosforilato.

Regolazione del metabolismo del glicogeno

Degli enzimi che agiscono sul metabolismo del glucosio, glicogeno sintasi e glicogeno fosforilasi

vengono regolati da due tipi di regolazione diversa: attraverso effettori allosterici e attraverso

modificazioni covalenti.

effettori allosterici

Gli effettori allosterici che regolano questi due enzimi sono:

- ATP → effettore negativo della glicogeno fosforilasi

- AMP → effettore positivo della glicogeno fosforilasi

- glucosio-6-fosfato → effettore positivo della glicogeno sintasi

- glicogeno → effettore negativo per la glicogeno fosforilasi

Entrambi gli enzimi esistono in due forme: la forma attiva A e la forma meno attiva B; quando la

glicogeno sintasi è nella forma A, la glicogeno fosforilasi deve essere nella forma B altrimenti i due

processi avverrebbero contemporaneamente sprecando inutilmente energia.

Il glucosio-6-fosfato trasforma la glicogeno sintasi nella sua forma A, affinché questa possa

utilizzare la quantità di glucosio-6-fosfato in eccesso nella cellula per sintetizzare glicogeno.

Il glucosio e l'ATP sono invece effettori negativi per la glicogeno fosforilasi A poiché indicano già un

sufficiente disponibilità di energia nella cellula, quindi la glicogenolisi viene bloccata.

L'AMP al contrario funge da effettore allosterico positivo per la glicogeno fosforilasi che viene

infatti trasformata nella forma A affinché possa liberare glucosio e produrre energia.

modificazioni covalenti di fosforilazione

Gli enzimi vengono anche regolati da modificazioni covalenti che prevedono fosforilazioni con

consumo di ATP e defosforilazioni con rilascio di ortofosfato; queste modificazioni sono soggette

ad un controllo ormonale.

La glicogeno fosforilasi è attiva quando è fosforilata (e si inattiva nella forma defosforilata), al

contrario la glicogeno sintasi è attiva in forma defosforilata.

La glicogeno fosforilasi B può essere fosforilata con consumo di una molecola di ATP ad opera di

una protein chinasi che rilascia una molecola di ADP e trasforma l'enzima nella forma A; l'enzima

viene poi defosforilato ad opera di una proteina fosfatasi che libera ortofosfato e trasforma la

glicogeno fosforilasi nella forma B.

Al contrario la glicogeno sintasi viene trasformata nella forma A da una proteina fosfatasi con

liberazione di ortofosfato, mentre una proteina chinasi la trasforma nella forma B con consumo di

ATP e liberazione di ADP.

Quindi se entrambi gli enzimi sono fosforilati la glicogeno fosforilasi è attiva e la glicogeno sintasi è

inattiva, quando invece entrambi sono defosforilati avviene il contrario.

Gli ormoni in grado di regolare i processi di glicogenosintesi e glicogenolisi sono:

- glucagone → agisce principalmente nel fegato e attiva la glicogenolisi

- adrenalina → agisce a livello muscolare e attiva la glicogenolisi

- insulina → attiva la glicogenosintesi

Glucagone e adrenalina sono molecole che segnalano la necessità di glucosio nell'organismo e

infatti attivano la glicogenolisi e inattivano la glicogenosintesi; al contrario l'insulina, che viene

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DESCRIZIONE APPUNTO

Appunti completi e chiari di biochimica.
Programma:
Stuttura, composizione, organizzazione.
La logica biochimica della materia vivente
Basi cellulari, chimiche, fisiche, genetiche ed evolutive.
Acqua e interazioni deboli nei sistemi acquosi
Le proteine. Struttura e funzione.
Elementi strutturali e organizzazione tridimensionale delle proteine.
Proteine fibrose: proteine strutturali. Collagene, cheratina.
Proteine globulari.
Cinetica e termodinamica del ripiegamento delle proteine, ripiegamento assistito: disolfuro isomerasi, chaperonine.
Le proteine che legano l’ossigeno: mioglobina ed emoglobina.
Trasporto dell’ossigeno nel sangue
Immunoglobuline: Interazione antigene-anticorpo.
Gli enzimi:come lavorano gli enzimi; coenzimi e vitamine idrosolubili; fattori che influenzano l’attività enzimatica; cinetica enzimatica; regolazione dell’attività enzimatica.
Compartimentazione e comunicazione nei processi biochimici
Membrane biologiche, composizione, organizzazione e dinamica delle membrane.
Sistemi di trasporto di molecole e ioni attraverso la membrana.
Biosegnalazione: meccanismi di traduzione del segnale.
Recettori di membrana accoppiati a proteine G e secondi messaggeri; recettori con attività enzimatica, domini proteici e complessi multiproteici nella traduzione del segnale
Bioenergetica e metabolismo.
Introduzione al metabolismo.
Organizzazione del metabolismo: catabolismo e anabolismo.
Principi di bioenergetica.
Composti ad alto contenuto energetico; trasferimento di gruppi fosforici e ATP.
Ossidoriduzioni biologiche.
Fosforilazione ossidativa
trasporto degli elettroni nei mitocondri; sintesi di ATP; ATP-ADP traslocasi.
Regolazione della fosforilazione ossidativa.
Carboidrati
Mono- e disaccaridi; polisaccaridi.
Digestione e assorbimento dei carboidrati.
Glicolisi: destino del piruvato in anaerobiosi e aerobiosi.
Regolazione della glicolisi.
Acetil-CoA intermedio comune dei processi ossidativi.
Ciclo degli acidi tricarbossilici e sua regolazione.
Sintesi e degradazione del glicogeno.
Regolazione di glicogenolisi e glicogenosintesi.
Shunt dell’esoso monofosfato, interconversione dei saccaridi e loro regolazione.
Glicoconiugati.
Proteoglicani, glicoproteine glicolipidi.
Le catene oligosaccaridiche nei meccanismi di informazione cellulare.
Lipidi
Lipidi semplici e lipidi complessi.
Lipidi essenziali.
Digestione e assorbimento dei lipidi
Trasporto dei lipidi: le lipoproteine.
Lipolisi, ossidazione degli acidi grassi e loro regolazione.
Formazione dei corpi chetonici.
Biosintesi degli acidi grassi e dei trigliceridi e loro regolazione.
Metabolismo del colesterolo e sua regolazione.
Derivati del colesterolo:acidi biliari, ormoni steroidei
Fosfolipidi e glicolipidi: metabolismo e funzione
Lipidi come molecole segnale: eicosanoidi, mediatori sfingolipidici
Proteine e composti azotati*
Digestione e assorbimento delle proteine.
Valore biologico delle proteine.
Aminoacidi essenziali.
Bilancio azotato.
Turnover e degradazione intracellulare delle proteine.
Sintesi e degradazione degli amminoacidi.
Aminoacidi gluco e chetogenici.
Metabolismo dell’ammoniaca.
Ciclo dell’urea.
Gluconeogenesi; regolazione coordinata di gluconeogenesi e glicolisi.
Chetogenesi.
Molecole che derivano dagli aminoacidi.
Creatina, amine biogene, ossido di azoto.
Sintesi e degradazione del gruppo eme.
Sintesi e degradazione dei nucleotidi purinici e pirimidinici.
Acido urico.
Basi molecolari del controllo delle attività cellulari.
Regolazione della trascrizione: fattori di crescita e ormoni steroidei.
Via di signaling di PI3K/Akt
Regolazione del ciclo cellulare: cicline e protein chinasi ciclina-dipendenti


Esame superato con 29/30.


DETTAGLI
Esame: Biochimica
Corso di laurea: Corso di laurea in biotecnologie mediche
SSD:
Docente: Viani Paola
Università: Milano - Unimi
A.A.: 2017-2018

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher _ariiel di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Biochimica e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Milano - Unimi o del prof Viani Paola.

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