Biochimica

FADH

prenderà il nome di (radicale semichinonico). Se all'anello ci sono legati due atomi di

FADH

idrogeno, allora prenderà il nome di . Questo secondo atomo di idrogeno sarà legato

2

all'azoto in posizione para sull'anello terminale del gruppo isoallosazinico, ed il doppio

legame presente nell'anello terminale scompare, formandosi invece un doppio legame tra

l'anello centrale e quello terminale affinché le valenze dell'atomo di carbonio vengano

rispettate. La carenza della vitamina B2 o riblofavina si manifesta soprattutto sulla pelle e

sulla membrana mucosa.

NAD: nicotinammide adenina dinucleotide ha il ruolo biologico di trasferire gli elettroni e

nicotinamìde

permettere le ossido-riduzioni. La è anche conosciuta come niacina (o

vitamina PP, vitamina B3)

Pellagra-Preventing, o e derivata dalla piridina. È proprio

questa struttura che svolge il ruolo biologico generale della molecola, potendo essa donare/

accettare atomi di idrogeno. Il NADP (nicotinammide adenina dinucleotide fosfato) ha la

stessa struttura di base del NAD, con l'aggiunta di un gruppo fosfato esterificato al gruppo

ossidrilico del carbonio 2' dell'adenosina.

Il ciclo di krebs conta otto passaggi che negli eucarioti avvengono interamente nei

mitocondri; quattro di questi passaggi sono ossidazioni in cui l’energia è conservata sotto

forma di coenzimi ridotti NADH e FADH2. In totale ad ogni giro del ciclo entra un gruppo

1 reazione

acetile come acetil-CoA ed escono due molecole di CO2. La del ciclo è la

a citrato,

condensazione dell’acetil-CoA e dell’ossaloacetato a formare sotto catalisi

dell’enzima citrato sintetasi. La reazione passa per l’intermedio citroil-CoA che rapida-

mente idrolizza a CoA libero e citrato con rilascio dal sito attivo. A seguito del primo step

del ciclo il CoA viene riciclato per partecipare alla carbossilazione ossidativa di una

2 reazione

seconda molecola di piruvato grazie al complesso PDH. Nella l’enzima acnitasi

a

catalizza la reversibile conversione del citrato ad isocitrato attraverso la formazione

dell’intermedio cisaconitato, un acido tricarbossilico. La reazione prevede prima la

rimozione di una molecola d’acqua, con formazione di un doppio legame, e successivamente

l’aggiunta dell’acqua rimossa con formazione dell’isocitrato e quindi scambio di posizione

tra gruppo -OH e idrogeno. Nella cellula la reazione è spinta verso destra perchè l’isocitrato

viene rapidamente consumato nel passo successivo del ciclo e dunque la sua

concentrazione per lo stato stazionario risulta sempre abbassata. L’enzima isocitrato

3 reazione,

deidrogenasi catalizza, nella la decarbossilazione ossidativa dell’isocitrato a

a

formare α-ketoglutarato. Esistono due diverse forme di questo enzima nelle cellule, una che

richiede NAD+come accettore di elettroni e una che per lo stesso scopo richiede NADP +: è

questa l’unica differenza in due reazioni altrimenti identiche. Probabilmente l’esistenza

della forma NADP + dipendente è legata alla produzione di NADPH, essenziale nelle vie

anaboliche riduttive della cellula. Entrambe le forme dell’en zima sono Mg dipendenti in

2+

quanto questo ione stabilizza gli intermedi che vengono creati (principalmente

l’ossalosuccinato, che viene a crearsi dopo la rimozione dei due idrogeni ma prima della

4 reazione

rimozione dell’anidride carbonica). Nella si ha una decarbossilazione

a

ossidativa in cui l’α-ketoglutarato viene convertito a succinil-CoA da parte del complessoα-

ketoglutarato deidrogenasi. L’accettore di elettroni in questa reazione è NAD+ mentre CoA è

il carrier del gruppo succinile. L’energia di ossidazione del reagente è conservata nella

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formazione del legame tioestere del succinil-CoA. In analogia all’acetil-CoA, nella a

reazione, il succinil-CoA ha un grande potenziale di idrolisi del legame tioestere: in questo

step l’energia liberata dalla rottura del legame è usata per formare un legame

fosfoanidridico su GTP o ATP con la parallela formazione di succinato. L’enzima che

catalizza questa reversibile reazione è la succinil-CoA sintetasi e durante la reazione viene

esso stesso fosforilato prima di cedere il gruppo fosfato ad ADP o GDP. Le cellule animali

possiedono due diverse succinil-CoA sintetasi, una specifica per ADP e una specifica per

GDP. Nel caso di formazione di GTP il risultato ultimo è comunque l’accumulo di energia

sotto forma di ATP in quanto l’enzima nucleoside difosfato chinasi catalizza la reazione GTP

⇋

+ ADP ATP + GDP. Questa reazione non comporta variazioni nell’energia libera: GTP e ATP

sono energeticamente identici. Il succinato formato a partire dal succinil-CoA viene

6 reazione,

ossidato, a fumarato dalla flavoproteina succinato deidrogenasi. L’accettore di

a

idrogeno è dunque il FAD e negli eucarioti è da notare come questa proteina sia saldamente

alla membrana interna del mitocondrio. Il malonato, un analogo del succinato normalmente

non presente nelle cellule, è un forte inibitore competitivo dell’enzima e la sua presenza nel

mitocondrio è sufficiente a bloccare il ciclo di Krebs. L’idratazione reversibile del fumarato

7 reazione

a L-malato, della è catalizzata dalla fumarasi che è un enzima altamente

a

stereospecifico: catalizza l’idratazione del doppio legame trans del fumarato ma non quella

del doppio legame cis del maleato (l’isomero cis del fumarato). La stereospecificità è valida

anche nela reazione inversa: il D-Malato non è substrato per l’azione della fumarasi. Nell’8 a

reazione

del ciclo di Krebs la L-malato deidrogenasi catalizza l’ossidazione dell’L-malato a

ossaloacetato, che viene continuamente rimosso dalla reazione promossa dalla citrato

sintetasi: è questo il motivo per cui l’equilibrio viene continuamente spostato verso la

formazione del prodotto.

Per ogni acetilCoA che entra nel ciclo di Krebs si producono 12 ATP.

Regolazione del ciclo di Krebs: la prima regolazione del ciclo si ha a livello di PDH, che è

fortemente inibita dal suo prodotto diretto e dai prodotti del ciclo: ATP, acetil-CoA e NADH;

AMP, CoA e NAD+, che invece vengono accumulati quando vi è scarsità di acetato, sono tutti

attivatori allosterici del complesso della piruvato deidrogenasi. Una volta iniziato il ciclo di

Krebs vero e proprio si hanno regolazioni ai tre step esoergonici; in tutti i casi l’inibizione è

data dai prodotti del ciclo, mentre l’attivazione è data da ADP e da Ca2+che segnala

contrazione muscolare e prevista richiesta di ATP.

Reazioni anaplerotiche: sono quell'insieme di reazioni che servono per rifornire il Ciclo di

Krebs degli intermedi sottratti per la sintesi di vari composti (glucosio da Acido

Ossalacetico, acidi grassi e steroli da Acido Citrico, etc.) senza passare attraverso la

formazione di Acetil-CoA. Esse richiedono la fissazione dell'anidride carbonica.

Catena respiratoria e fosforilazione ossidativa

Nel terzo stadio della respirazione cellulare l'ossigeno molecolare O2 ossida i coenzimi

ridotti NADH e FADH2 che sono stati generati dalla glicolisi, dalla decarbossilazione

ossidativa e dal ciclo di Krebs. Le reazioni sono le seguenti: NADH + 1/2 O2 + H+ NAD+ +

H2O e FADH2 + 1/2 O2 FAD + H2O, sono fortemente esoergoniche. L'energia libera DG°' non

viene dispersa come calore, ma è utilizzata per produrre una differenza di pH tra la matrice

e lo spazio intermembrana, che a sua volta provoca una reazione di fosforilazione che

genera ATP da ADP e fosfato inorganico. La reazione complessiva è quindi chiamata

fosforilazione ossidativa. Gli elettroni che vengono ceduti dal NADH e dal FADH2

molecole trasportatrici di elettroni

giungono all'ossigeno attraverso una serie di chiamate

nel loro insieme catena respiratoria e organizzate in quattro complessi proteici chiamati

complesso 1, 2, 3 e 4. Sia la catena respiratoria che la fosforilazione ossidativa sono

localizzate nella membrana interna dei mitocondri. La decarbossilazione ossidativa, il

ciclo di Krebs e la beta ossidazione degli acidi grassi, che producono la maggior parte del

NADH e del FADH2, sono localizzate nella matrice mitocondriale a ridosso della catena

respiratoria. Il flusso di elettroni lungo la catena respiratoria provoca uno spostamento di

ioni H+ dalla matrice verso lo spazio intermembrana in corrispondenza dei complessi 1, 3 e

4 che, per questo, sono chiamati pompe protoniche (il complesso, invece, 2 è inattivo). Si

genera così nello spazio intermembrana un ambiente acido, mentre nella matrice un

ambiente basico. A questo punto entra in azione il complesso enzimatico ATP sintasi che

produce ATP, a partire da ADP e fosfato inorganico, sfruttando la tendenza degli ioni H+ a

reagire con gli ioni OH- per formare H2O. L'ossidazione di una molecola di NADH fa scorrere

2 elettroni nella catena respiratoria attraverso i complessi 1, 3 e 4 e quindi spinge 10 H+

(4+4+2) nello spazio intermembrana e produce 2,5 molecole di ATP. L’ossidazione di un

FADH2, invece, fa scorrere 2 elettroni nella catena respiratoria attraverso i complessi 2, 3 e

4 e quindi spinge solo 6 H+ (4+2) nello spazio intermembrana e produce solo 1,5 molecole di

ATP. Per concludere, l'ossidazione e la fosforilazione sono processi accoppiati per mezzo di

una differenza di concentrazione di ioni H+ creata a cavallo della membrana interna

mitocondriale.

catena respiratoria

La infatti utilizza l'energia liberata dall’ossidazione di NADH e FADH2

ad opera di O2 per produrre un flusso di elettroni che a sua volta produce un lavoro, lo

spostamento di ioni H+ dalla matrice allo spazio intermembrana. Nei mitocondri NADH e O2

non reagiscono direttamente tra loro, ma le due semi-reazioni avvengono in posti diversi e

gli elettroni vengono trasferiti dalla semi-reazione di ossidazione del NADH a quella di

riduzione di O2 attraverso una serie di molecole trasportatrici di elettroni, la catena

respiratoria, che si comporta come un filo elettrico. Il flusso di elettroni compie un lavoro

chimico inducendo alcuni complessi proteici di membrana a trasferire ioni H+ da un lato

all'altro della membrana interna dei mitocondri. La catena respiratoria è costituita da

quattro complessi proteici che contengono dei coenzimi redox saldamente legati. Gli

elettroni vengono trasferiti da un gruppo redox al successivo attraverso potenziali

progressivamente crescenti compresi tra -0,32 V della coppia NAD+/NADH e +0,82 V della

coppia O2/H2O. Solo i complessi 1, 3 e 4 sono in grado spostare gli ioni H+ e per questo sono

chiamati pompe protoniche. Gli elettroni vengono trasferiti dai complessi 1 e 2 fino al

complesso 3 per mezzo del coenzi