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Biochimica

Appunti di biochimica. Concetti generali sul metabolismo (regolazione della glicolisi, metabolismo del fegato, catena respiratoria e fosforilazione ossidativa, citocromi, tessuto adiposo, termo regolazione, ossidazione mitocondriale, ciclo dell'urea....)

Esame di Biochimica docente Prof. R. Gennaro

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GLUT. I trasportatori per gli epatociti (GLUT1 e GLUT2) e per i neuroni (GLUT3) sono

sempre presenti nelle membrane plasmatiche mentre il trasportatore per la muscolatura

scheletrica e cardiaca e per il tessuto adiposo (GLUT4) è sequestrato in vescicole e viene diretto

alla membrana plasmatica solo in risposta al segnale mediato dall’insulina. Le differenze tra i vari

trasportatori sono legate soprattutto alla velocità con cui questi si saturano: il trasportatore per il

tessuto nervoso ad esempio non è mai saturo e quindi continua a garantire un apporto costante di

glucosio al cervello, mentre il trasportatore per gli epatociti è in grado di rispondere in modi

diversi a seconda delle quantità intra ed extracellulari di glucosio.

1 reazione il carbonio 6 del

La nella glicolisi si chiama fosforilazione del glucosio, in cui

a

glucosio viene fosforilato (aggiunto un gruppo PO ) per generare glucosio 6-fosfato,

43-

così da impedire che il glucosio sia ritrasportato al di fuori della cellula dai vari GLUT, che

esochinasi

sono specifici per il glucosio semplice. La reazione è catalizzata dall’enzima che

fa parte della famiglia delle chinasi cioè degli enzimi catalizzanti il trasferimento di un

ATP

gruppo fosfato da ad un accettore nucleofilo. Oltre alla necessità di ATP questa

ione Mg

reazione necessita dello che scherma le cariche negative dei fosforili dell’ATP in

2+

modo da rendere il fosforo terminale più facilmente attaccabile dall’-OH del glucosio.

Regolazione della prima reazione: ione Mg

senza la presenza dello questa reazione

2+

viene sfavorita perché l’ATP è un potente inibitore competitivo dell’esochinasi. Nel muscolo

la reazione è inibita quando è presente un eccesso di glucosio 6-fosfato, mentre nel fegato è

presente l’isoenzima glucochinasi che viene regolato dai livelli di glucosio nel sangue e

viene inibita dal fruttosio 6-fosfato la cui attività è mediata dalla proteina regolatrice della

glucochinasi.

2 reazione glucosio 6 fosfato, fruttosio 6 fosfato,

La converte il un aldoso, in un chetoso,

a fosfoesosoisomerasi

grazie all’enzima che catalizza questa reazione reversibile che

ione Mg enediolo. 3

richiede lo formando l’intermedio Successivamente, nella

2+ a

reazione, fosfofruttochinasi-1,

l’enzima o PFK-1, catalizza il trasferimento di un gruppo

al fruttosio 6-fosfato, fruttosio 1-6-bisfosfato,

fosfato dall’ATP dando come prodotto il il

primo intermedio ad essere specificatamente destinato alla glicolisi.

Regolazione della terza reazione: l’enzima tetramerico pfk-1 è caratterizzato da due stati

conformazionali, R e T in equilibrio tra loro. L’ATP si comporta sia da substrato che da

inibitore allosterico, potendosi legare in due in due siti diversi, ma il sito di legame per

l’inibitore lega quasi esclusivamente se l’enzima è nella conformazione T, quindi un’alta

concentrazione di ATP agisce da inibitore allosterico portando alla diminuzione dell’affinità

dell’enzima verso il fruttosio 6-fosfato. Al contrario SDP, AMP e fruttosio 2,6-bifosfato,

rimuovono gli effetti inibitori dell’ATP e vengono quindi considerati attivatori.

4 reazione rompe fruttosio 1,6-bisfosfato fruttosio

Nella si l’anello del grazie all’enzima

a

1,6-bisfosfato aldolasi, che catalizza la reazione reversibile di condensazione aldolica in

gliceraldeide 3-fosfato,

cui l’anello del fruttosio viene spezzato per dare due triosi fosfati:

diidrossiaceton fosfato,

un aldoso, e un chetoso. La reazione promossa dall’aldolasi è

spinta dalla variazione di energia libera di legame verso la rottura, ma alle basse

concentrazioni dei reagenti normalmente presenti in una cellula la reazione non è

irreversibile come si potrebbe pensare. I due triosi fosfati sono isomeri chetosio-aldosio, per

5 reazione trioso fosfato isomerasi

questo nella l’enzima l’enzima preleva un H

a +

riposizionandolo per trasformare un chetoso in un aldoso rendendo possibile il

proseguimento per entrambe le molecole a 3 atomi di carbonio (gliceraldeide 3-fosfato)

nella glicolisi. La velocità di reazione biomolecolare tra questo enzima e il substrato è

controllata dalla diffusione, ovvero la formazione del prodotto avviene con la stessa

6 reazione

velocità con cui l’enzima e il substrato possono collidere in soluzione. Nella le

a

NAD+ Pi

molecole della gliceraldeide 3-fosfato viene ossidata e fosforilata ad opera del e del

gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi 1,3-bifosfoglicerato.

catalizzato della per produrre

formazione di ATP.

Questa reazione porta alla Il gruppo aldeidico della gliceraldeide è

ossidato a un’anidride di acido carbossilico e acido fosforico definita acil fosfato che

possiede una grande energia libera standard di idrolisi. Questa produzione di ATP non

7

implica l’utilizzo di O ed è un esempio di fosforilazione a livello del substrato. Nella a

2

reazione fosfoglicerato chinasi

l’enzima catalizza il trasferimento del gruppo fosfato dal

ATP 3-

carbossile dell’1,3-bisfosfoglicerato all’ADP e dunque porta la formazione di e

fosfoglicerato. La reazione 6 e 7 fanno parte di un processo accoppiato fortemente

esoergonico riassunto in una reazione: ⇋

Gliceraldeide 3−fosfato + ADP + Pi + NAD+ 3 − Fosfoglicerato + ATP + NADH + H+. Nell’8 a

reazione 3-fosfoglicerato 2-fosfoglicerato

della glicolisi il (3PG) viene convertito in

fosfoglicerato mutasi

dall’enzima che trasferisce reversibilmente un gruppo fosfato da C-2

a C-3 grazie alla formazione di un intermedio bifosforilato (2,3-bisfosfoglicerato) che

successivamente rifosforila l’enzima per ottenere il prodotto e rigenera il fosfoenzima

Mg 9 reazione 2-fosfoglicerato

attivo. Questa reazione è dipendente. Nella Nella il viene

2+ a

fosfoenolpiruvato enolasi,

deidratato a catalizzato dall’enzima che rimuove una molecola

Mg

d’acqua dal 2PG. Questo enzima forma un complesso con un catione bivalente come il 2+

prima che si leghi al substrato. Gli ioni fluoruro inibiscono la glicolisi bloccando l’attività

dell’enolasi. In presenza di P , gli ioni F bloccano il legame del substrato all’enolasi

-

i

formando un complesso con il Mg che si lega al sito attivo dell’enzima. Il substrato

2+

dell’enolasi, il 2-fosfoglicerato, si accumula a causa dell’attività dell’enzima fosfoglicerato

10

mutasi si accumula anche il 3-fosfoglicerato. Nell’ultima reazione della glicolisi, la a

reazione piruvato chinasi,

l’enzima enzima che richiede la presenza di ione K e di un

+

secondo ione tra Mg , fosforilizza il fosfoenolpiruvato in piruvato. In questa fosforilazione a

2+

livello del substrato il prodotto piruvato appare prima nella sua forma enolica che per via

non enzimatica rapidamente tautomerizza nella sua forma chetonica che a pH7 è quella

dominante. In questa reazione viene prodotta una molecola di ATP, concentrazioni alte di

ATP inibiscono allostericamente l’enzima diminuendo l’affinità per il substrato (PEP)

fosfoenolpiruvato.

Regolazione della glicolisi: regolazione ormonale tramite insulina e glucagone. L'insulina

è prodotto dalle cellule beta del pancreas endocrino in risposta ad alti livello di

concentrazione di glucosio ematico. Per questa ragione è un ormone ipoglicemizzante.

Provoca l’aumento della permeabilità dei trasportatori GLUT-4; l’aumento del rate della

glicolisi mediante una modulazioni sull'enzimi fosfofruttochinasi-2 e piruvato chinasi;

l’aumento del rate della glicogenosintesi, mediante una modulazione positiva sull'enzima

glicogeno sintasi; l’aumento della biosintesi degli acidi grassi attraverso una modulazione

positiva sull'enzima acetil-CoA-carbossilasi; l’inibizione della glicogenolisi mediante una

inattivazione dell'enzima glicogeno fosforilasi; l’inibizione della gluconeogenesi mediante

glucagone,

fosforilazione dell'enzima fosfofruttochinasi 2. Il a differenza dell'insulina ha un

ruolo iperglicemizzante. È secreto dalle cellula alfa del pancreas, che rispondono a bassi

livelli di glucosio ematico. Provoca:

l’aumento della glicogenolisi mediante attivazione dell'enzima glicogeno fosforilasi;

l’umento della lipolisi con azione diretta sulla lipasi ormone sensibile; l’nibizione della

glicolisi, mediante una fosforilazione della fosfofruttochinasi-2, attivando dunque la

capacità fosforilasica nei confronti del fruttosio-2,6-bisfosfato, e sull'enzima piruvato

chinasi; l’nibizione della sintesi degli acidi grassi con azione sull'enzima acetil-CoA-

carbossilasi; linibizione della sintesi del glicogeno, mediante azione sull'enzima glicogeno

fosfofruttochinasi-1, PFK-1,

sintasi. La o è un enzima che catalizza la reazione di

fosforilazione del fruttosio-6-fosfato, in fruttosio-1,6-bisfosfato. In condizioni di scarsa

presenza di ATP, e elevata concentrazione di AMP, la PFK-1 catalizza alla massima velocità

il trasferimento di un radicale fosforico dall'ATP al gruppo ossidrilico del chetopentoso.

L'ATP è un modulatore allosterico della PFK-1 che agisce secondo uno schema a feedback

negativo: se la cellula non ha bisogno di energia allora ci sarà un eccesso di ATP che bloccal

PFK-1. Un altro modulatore allosterico della PFK-1 è il citrato, che è un intermedio del ciclo

di Krebs. Quando il citrato è presente in quantità elevate modula negativamente l'attività

della PFK-1. Anche in questo caso, l'eccesso di citrato, è indice di una sovraproduzione di

energia. La reazione operata dalla PFK-1 è irreversibile, per questa ragione se avviene la

fosforilazione del fruttosio la glicolisi procede, non potendo più "tornare indietro".

Fosfofruttochinasi-2 e fruttosio-2,6-bisfosfato

fruttosio-2,6-bisfosfato F2,6BP

Il o è uno zucchero che modula la fosfofruttochinasi-1 in

modo allosterico. Pur essendo prodotto a partire dal fruttosio-6-fosfato, non è un

intermedio della glicolisi. L'enzima che catalizza la reazione F6P in F2,6BP è la

fosfofruttochinasi-2 che è una proteina dalla doppia funzionalità.

La PFK-2 è una proteina dall'attività chinasica e fosfatasica. La prima funzionalità

permette la biosintesi del fruttosio-2,6-bisfosfato, mediante l'addizione di un radicale

fosforico sul C2 del fruttosio-6-fosfato. Lo stesso fosfato è rimosso dall'attività fosfatasica

dell'enzima.

La regolazione dell'attività dell'enzima riguarda una modifica covalente individuata in una

fosforilazione. Se l'enzima è fosforilato, generalmente identificato con la sigla P-PFK-2,

l'attività sarà di tipo fosfatasica, mediante la quale il fruttosio-2-6-bisfosfato è defosforilato

a fruttosio-6-fosfato. La defosforilazione della proteina determina una marcata attività

chinasica, che aumenta la produzione di fruttosio-2,6-bisfosfato.

La regolazione di attività chinasica e fosfatasica, e di conseguenza la fosforilazione o la

defosforilazione della PFK-2, avviene mediante un meccanismo di traduzione del segnale

ormonale, in risposta alla concentrazione di glucosio ematico. In presenza di eleveta

concentrazione di glucosio, l'ormone insulina agisce sulla PFK-2, mediante un sistema che

la defosforila. Il glucagone, viceversa, è presente quando la concentrazione di glucosio

ematico è relativamente bassa, per questa ragione l'ormone opera una fosforilazione sulla

PFK-2.

Regolazione della piruvato chinasi

piruvato chinasi,

La o PK, è l'enzima che, nella via glicolitica catalizza il trasferimento di

un radicale fosforico dal fosfoenolpiruvato, all'ADP, che determina la biosintesi di un

equivalente di ATP e un equivalente di piruvato. La piruvato chinasi possiede una

modulazione da substrato ed una modulazione covalente.

Le molecole che interagiscono con la PK possono modulare un effetto positivo o negativo. Il

fruttosio-1,6-bisfosfato è un promotore della reazione catalizzata dal PK, mentre l'ATP e

l'alanina, biosintetizzata a partire dal piruvato, sono modulatori negativi.

La regolazione covalente avviene in base allo stato di fosforilazione della PK. Elevati livelli

di glucagone, mediante un meccanismo di traduzione del segnale ormonale, determinano la

fosforilazione della proteina e una conseguente inattivazione. La PK defosforilata, invece, è

attiva.

Sintesi del 2,3 bifosfoglicerato: nella sesta reazione della glicolisi le molecole della

gliceraldeide 3-fosfato viene ossidata e fosforilata ad opera del NAD+ e del Pi catalizzato

della gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi per produrre 1,3-bifosfoglicerato, con la

produzione di ATP. Successivamente l’enzima bifosfoglicerato mutasi forma il 2,3

fosfoglicerato. L’enzima bifosfoglicerato mutasi.

Quando i tessuti animali si trovano in condizioni di carenza di ossigeno l’ossidazione

aerobica del piruvato e del NADH non possono procedere e il NAD+ viene rigenerato dalla

riduzuine del piruvato ad acido lattico. Il lattato formato nei muscoli scheletrici o dagli

eritrociti può essere riciclato, viene trasportato per via ematica al fegato dove viene

riconvertito in glucosio. La glicolisi ha bisogno di essere accoppiata con una reazione che

ossidi il NADH a NAD+, reazioni che rappresentano i diversi destini metabolici dell’acido

1)

piruvico. Negli organismi aerobi la glicolisi costituisce solo il primo passo della

respirazione cellulare, cioè l’ossidazione del glucosio a CO ad opera di O . L’acido piruvico

2 2

prodotto dalla glicolisi viene ossidato fino a CO , nei mitocontri, attraverdo la

2

decarbossilazione ossidativa e il ciclo di Krebs. Queste reazioni producono grandi quantità

di NADH che deve essere subito ossidato per rigenerare NAD+. Questa ossidazione finale è

2)

compiuta dall’ossigeno molecolare O che si riduce ad H O nella catena respiratoria. In

2 2

condizioni anaerobiche, cioè in carenza di ossigeno, serve un ossidante alternativo

rispetto a O . Questo ruolo viene svolto dall’acido piruvico che viene ridotto ad acido lattico

2 fermentazione lattica.

per consentire l’ossidazione del NADH a NAD+, in un processo detto

Quando questa via metabolica si realizza nel muscolo scheletrico che si contrae

violentemente, si parla di fermentazione omolattica. Alcuni batteri anaerobi trasformano il

glucosio in acido piruvico e poi questo in acido lattico, in questo caso si chiama

3)

fermentazione lattica, responsabile dell’inacidimento del latte nello yogurt. In

condizioni anaerobiche, cioè in carenza di ossigeno, alcuni microrganismi anaerobi, come

il lievito di birra, decarbossilano l’acido piruvico ead acetaldeide e poi riducono

quest’ultima ad etanolo. In questo modo ossidano il NADH a NAD+ e possono continuare a

fermentazione alcolica.

ricavare energia dalla glicolisi. NAD+. Questo processo si chiama

respirazione cellulare

Nella l'acido piruvico subisce una decarbossilazione ossidativa che

lo trasforma in acetil-CoA, un tioestere dell’acido acetico legato al coenzima A, un processo

che richiede quattro reazioni che devono avvenire in sequenza senza che siano rilasciati

prodotti intermedi, per questo i tre enzimi che le conducono sono associati tra loro in un

piruvato deidrogenasi.

unico grande complesso multienzimatico chiamato L'acido

piruvico, invece, è un α-chetoacido, e non decarbossila facilmente, ma la reazione è

possibile grazie all’intervento della tiaminapirofosfato (TPP) o vitamina B1 una molecola in

grado di promuovere la decarbossilazione degli α-chetoacidi. Il punto reattivo della

vitamina B1 è l'anello tiazolico aromatico a cinque atomi. A causa della carica positiva

sull'azoto, l'atomo di carbonio compreso tra azoto e zolfo è leggermente acido e può perdere

l'H+. La forma anionica della TPP è nucleofila e può reagire attaccando il carbonile sul C-2

dell'acido piruvico.

Il nuovo acido che si ottiene è ancora insaturo, ma ha il doppio legame spostato più indietro

di un posto, è diventato quindi b-g insaturo (due legami singoli tra carbossile e doppio

legame). Questa è la situazione ideale per la decarbossilazione che permette agli elettroni,

lasciati sulla molecola dalla CO2 che si stacca, di essere stabilizzati giungendo fino all'atomo

di azoto positivo. Si è formata idrossietil-TPP che è descritta dalle due forme limite di

risonanza mostrate qui sopra a destra. Questa molecola deve essere ossidata per produrre

acido acetico, ma non si può usare NAD+ o FAD perché non ci sono atomi di H sul carbonio

che deve essere ossidato. L’enzima piruvato deidrogenasi utilizza quindi un altro sistema

redox, il ponte disolfuro -S-S- della lipoammide che viene ridotto alla forma tiolica SH. Il

tioestere intermedio acetil-lipoammide subisce una reazione di transesterificazione

reagendo col tiolo del coenzima A (CoA-SH). Si forma il tioestere acetil-CoA e il ditiolo

diidrolipoammide. A differenza della idrossietil-TPP, la diidrolipoammide possiede, sui

gruppi SH, gli atomi di idrogeno necessari per ridurre il FAD. Il FADH2 così prodotto viene

subito dopo riossidato dal NAD+ che si riduce a NADH.

Carenza e tossicità della vitamina B1: la deficienza di tiamina è associata ad alterazioni

nel metabolismo dei carboidrati. Poichè ci sono scarse possibilità di immagazzinamento

della tiamina, i primi disturbi metabolici appaiono dopo pochi giorni di assunzione di una

dieta carente in vitamina B1. Dalla deficienza cronica grave di vitamina B1 deriva una

sindrome caratterizzata da alterazioni a carico del sistema nervoso, del sistema

cardiovascolare e dell’apparato gastroenterico, nota come "beri-beri". Tale sindrome è

ancora diffusa in alcune regioni dell’Estremo Oriente nelle quali il riso brillato rappresenta

l’alimento basilare della dieta.

Deficienze acute, spesso legate ad alcoolismo o uso di droghe, provocano invece lesioni del

sistema nervoso centrale con una sindrome nota come encefalopatia di Wernicke. In caso di

apporti elevati, una volta saturata l’albumina, l’eccesso di tiamina libera in circolo viene

rapidamente escreto nelle urine principalmente sotto forma di tiocromo.

fermentazione alcolica

Nella l'acido piruvico viene decarbossilato attraverso una serie di

reazioni che ricalcano lo stesso schema appena visto per la decarbossilazione ossidativa

fino alla formazione della idrossietil-TPP. A questo punto la idrossietil-TPP, invece di subire

un’ossidazione con la lipoammide, si protona sul carbonio che aveva subito la

decarbossilazione, poi si scinde liberando acetaldeide e TPP che è un buon gruppo uscente

dato che può uscire come carbanione stabile. La reazione col NADH, infine, produce etanolo

e NAD+ che consente di continuare la glicolisi.

Cosa avviene tra muscolo e fegato: il ciclo di Cori o ciclo dell’acido lattico è lo scambio

ciclico di glucosio e acido lattico tra fegato ed eritrociti è un ciclo continuo. Quando la

richiesta di ATP è superiore al flusso ossidativo, come nei casi di sforzo muscolare, le fibre

muscolari ricorrono alla produzione di lattato. Nel ciclo il glucosio, dopo essere stato

trasformato nel prodotto finale della glicolisi, l’acido piruvico viene ridotto ad acido lattico

utilizzando il NADH + H + prodotto nella glicolisi e riversato in circolo dalle cellule

muscolari o dagli eritrociti; una volta giunto al fegato e, in misura minore, al rene l’acido

lattico viene utilizzato come molecola di partenza per la sintesi di glucosio attraverso la

gluconeogenesi. Fegato e rene possono utilizzare come molecola di partenza per la sintesi di

glucosio nella gluconeogenesi anche il glicerolo liberato dal metabolismo dei trigliceridi nel

tessuto adiposo e quindi riversato in circolo. Tuttavia la gluconeogenesi da acido lattico e da

glicerolo, non porta alla produzione netta di glucosioda fonti non glicidiche; infatti glicerolo

e acido lattico vengono prodotti metabolizzando molecole di glucosio. Quindi in caso di

digiuno la gluconeogenesi da acido lattico non risolve il problema del cessato apporto

alimentare di zuccheri, mentre quella da glicerolo prodotto attraverso la lipolisi nel tessuto

adiposo fornisce di per sé una frazione significativa ma largamente insufficiente del

glucosio necessario. La produzione netta di glucosio a partire da molecole non glicidiche

attraverso la gluconeogenesi epatica richiede l’utilizzo delle catene carboniose di

amminoacidi provenienti soprattutto dalla degradazione delle proteine del tessuto

muscolare. Tra questi amminoacidi predomina l’alanina, per la quale è stata dimostrata

l’esistenza di un ciclo glucosio–alanina, o ciclo dell’alanina. Grazie a questo ciclo, l’acido

piruvico proveniente dal metabolismo muscolare dei carboidrati sarebbe transaminato ad

alanina; questa, una volta immessa in circolo, sarebbe captata dal fegato e transaminata

sull’acido chetoglutarico con formazione di acido glutammico e acido piruvico. Quindi

quest’ultimo prenderebbe la via della gluconeogenesi mentre il gruppo amminico dell’acido

glutammico procederebbe verso la sintesi dell’urea attraverso l’azione della glutammico

deidrogenasi. Il glucosio così sintetizzato e immesso in circolo sarebbe utilizzato anche

dalle cellule muscolari per le loro esigenze energetiche con nuova produzione di acido

piruvico che alimenterebbe il ciclo stesso

Vie alternative della glicolisi: i primi quattro passaggi della glicolisi sono sede di raccordo

con le vie di degradazione dei carboidrati inseriti nella dieta. I principali zuccheri della

D-

dieta che finiscono nel ciclo glicolitico sono il mannosio, il fruttosio, il galattosio. Il

fruttosio, presente in molti tipi di frutta e formato dall’idrolisi del saccarosio nell’intestino,

viene fosforilato dall’esochinasi in una reazione che richiede ATP, producendo fruttosio 6-

fosfato + ADP, questa è la via principale di ingresso nella glicolisi a livello muscolare e

renale. Nel fegato il fruttosio sfrutta una via diversa dove l’enzima fosfofruttochinasi

catalizza la fosforilazione a C-1 anziché C-6 che richiede ATP producendo fruttosio 1-fosfato

+ ADP. Il fruttosio 1-fosfato viene poi spezzato in gliceraldeide e diidrossiacetone fosfato

dall’enzima fruttosio 1-fosfato aldolasi; i successivi due passaggi creano metaboliti del ciclo

D-Mannosio,

della glicolisi (gliceraldeide 3-fosfato). Il prodotto dalla digestione di parecchi

polisaccaridi, viene fosforilato in C-6 dall’esochinasi e il mannosio 6-fosfato prodotto viene

isomerizzato dall’enzima fosfomannoso isomerasi a dare fruttosio 6-fosfato che entra

D-Galattosio

direttamente nella glicolisi Il è un prodotto dell’idrolisi del lattosio e viene

fosforilato in C-1 dall’enzima galattochinasi, reazione che richiede ATP. Il glucosio 1-fosfato

viene poi convertito nel suo epimero glucosio 1-fosfato da una serie di reazioni in cui

l’uridina difosfato funziona come coenzima carrier di gruppi esosi. Tre sono gli enzimi che

vengono coinvolti nella trasformazione da galattosio a glucosio e un qualsiasi difetto nella

loro funzione porta a galattosemia nell’uomo.

Il problema del NADH citosolico formatosi nella glicolisi: se il NADH citoplasmatico

prodotto nella glicolisi non venisse riossidato, questa fondamentale via metabolica si

bloccherebbe a livello della gliceraldeide 3-P. E' necessario quindi che gli elettroni del

coenzima ridotto possano raggiungere i complessi della catena respiratoria e quindi

superare "l'ostacolo" dell'impermeabilità della membrana interna dei mitocondri. La cellula

ha risolto egregiamente il problema con sistemi di trasporto chiamati shuttle o "sistemi

navetta". Nel fegato, nel rene e nel cuore è attivo il sistema di trasporto bidirenzionale

shuttle dell'aspartato-malato

chiamato in cui gli elettroni sono trasferiti dal NADH

all'ossalacetato citosolico rigenerando NAD e fornisce 3ATP. Nel citosol la malato

+

deidrogenasi reagisce con l’ossalaceto e con il NADH producendo malato e NAD+,

l’ossalaceto infatti lega un protone e lo ione idruro liberato dal NADH riducendosi a malato.

Il trasportatore malato-chetoglutarato importa il malato nel citosol e contemporaneamente

esporta una molecola di chetoglutarato dal mitocondrio al citosol. Nella matrice

mitocondriale il malato viene convertito dalla malato deidrogenasi mitocondriale in

ossalaceto, un processo che rilascia H e il NAD converito in NADH. L'ossalacetato viene

quindi trasformato ad aspartato dall'aspartato aminotrasferasi per essere trasportato nel

citosol. Il gruppo amminico viene fornito dal glutammato che diventa alfa-chetoglutarato.

L'enzima necessario alla reazione è sempre l'aspartato aminotrasferasi mitocondriale.

In seguito il trasportatore del glutammato-aspartato importa una molecola di glutammato

dal citosol alla matrice ed esporta l'aspartato dalla matrice al citosol. Infine nel citosol

l'aspartato viene convertito in ossalacetato dall'aspartato aminotrasferasi citosolica. Nel

shuttle del glicerolo 3-P

muscolo scheletrico opera un'altro sistema navetta chiamato che

è unidirezionale, in questo sistema l’enzima glicerolo3fosfato deidrogenasi converte il

diidrossiacetone fosfato in glicerolo3fosfato ossidando una molecola di NADH a NAD, il

glicerolo3fosfato viene riconvertito a diidrossiacetone fosfato con la riduzione di una

molecola di FAD a FADH2. Il FADH riduce il coenzima Q nella catena respiratoria, come

2

sappiamo produrrà due sole moli di ATP.

Gluconeogenesi: risponde all’enorme esigenza di glucosio da parte dell’organismo, dato che

il cervello da solo richiede almeno 120g di glucosio al giorno. Sintesi biologica del glucosio a

partire da sostanze diverse dai carboidrati, il cui scopo è quello di contribuire a mantenere

pressoché costante la concentrazione ematica di glucosio. I principali precursori non

carboidrati sono l’acido lattico, gli amminoacidi e il glicerolo, derivati rispettivamente dal

catabolismo del glucosio, delle proteine e dei fosfolipidi La gluconeogenesi è la conversione

del piruvato e di altri composti a tre e quattro atomi di carbonio a glucosio e avviene nel

fegato.

2Piruvato + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H+ + 4H O Glucosio + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 2NAD+

2

1 reazione piruvato fosfoenolpiruvato

La converte il a in una reazione esoergonica

a

catalizzata dalla piruvato chinasi, che avviene nel mitocondrio. La piruvato carbossilasi,

che ha come gruppo prostetico la biotina, catalizza la formazione (ATP-dipendente) di

ossalacetato a partire da piruvato e HCO . La reazione catalizzata da questo enzima

3-

avviene in due fasi, nella prima fase la scissione dell’ATP in ADP agisce in modo da

deidratare il bicarbonato mediante la formazione di un intermedio carbossifosfato ad alta

energia. La CO che si è formata possiede energia libera sufficiente per carbossilare la

2

biotina. Quindi il gruppo carbossilico legato alla biotina è attivato e può essere trasferito ad

un’altra molecola senza richiedere altra energia libera. Nella seconda fase il gruppo

carbossilico attivato viene trasferito dalla carbossibiotina al piruvato con la formazione di

ossalaceto mediante una reazione che avviene in tre tappe. Infine la fosfoenolpiruvato

carbossichinasi converte l’ossalaceto in PEP mediante una reazione che utilizza GTP come

donatore di un gruppo fosforico. Con la formazione del fosfoenolpiruvato viene eliminata la

CO che carbossila il piruvato per ottenere ossalaceto. L’ossalaceto quindi può essere

2

considerato come piruvato attivato, con la CO e la biotina che facilitano l’attivazione a

2

spese dell’ATP. La formazione di ossalaceto avviene solo nei mitocondri, mentre gli enzimi

che convertono il fosfoenolpiruvato in glucosio sono citosolici. L’ossalaceto deve essere

quindi trasformato in L-malato grazie a una reazione catalizzata dall’enzima malato

deidrogenasi, che riduce l’ossaloacetato a spese del NADH: Ossaloacetato + NADH + H+ L −

Malato + NAD+. Il malato abbandona il mitocondrio grazie a un trasportatore dedicato e una

volta nel citosol viene riossidato ad ossaloacetato con produzione citosolica di NADH:

citosol

Malato + NAD+ Ossaloacetato + NADH + H+. L’ossaloacetato ora contenuto nel è

converito a PEP dall’enzima fosfoenolpiruvato carbossichinasi, che richiede GTP come

donatore del gruppo fosfato: Ossaloacetato + GTP PEP + CO2 + GDP.

Quando è il lattato ad essere il precursore gluconeogenetico la via gluconeogenetica è

diversa: la conversione di questo a piruvato nel citosol degli epatociti produce già NADH e

dunque l’esportazione di equivalenti riducenti come il malato dal mitocondrio è inutile. La

via dunque procede con una con- versione a ossaloacetato del piruvato da parte della

piruvato carbossilasi come negli step precedenti, ma questo ossaloacetato viene convertito

poi direttamente a PEP da un isozima mitocondriale e trasportato al di fuori del

mitocondrio per continuare la gluconeogenesi.

2 reazione, fosfoenolpiruvato 2-fosfoglicerato

La che avviene nel citosol, converte il in

a fosfopiruvatoidratasi, 3 reazione 2-fosoglicerato 3-

catalizzato da la converte il in

a

fosfoglicerato fosfoglicerato mutasi. 4 reazione 3-fosfoglicerato

catalizzato da Nella il

a

1,2-bisfosfoglicerato fosfoglicerato chinasi

viene trasformato catalizzato da con

5 reazione,

l’aggiunta di un gruppo fosfato dall’ATP che diventa ADP. Nella avviene la

a

gliceraldeire 3-fosfato

deidrogenazione del 1,3-bifosfoglicerato che catalizzato dalla

deidrogenasi gliceraldeide-3-fosfato,

porta alla formazione della una reazione che

gliceraldeide 3-fosfato, 6 reazione,

consuma NADH+ + H+ e da NAD+ + Pi. La nella viene

a

triosofosfato isomerasi,

isomerizzata, per mezzo dell'enzima nello zucchero

diidrossiacetone fosfato, un altro zucchero a tre atomi di carbonio. Successivamente, nella

7 reazione, gliceraldeide 3-fosfato,

la proveniente da un secondo ciclo, e il

a

diisrossiacetone fosfato vengono condensati portando alla formazione dello zucchero

fruttosio-1,6-bisfosfato, triosofosfato isomerasi.

una reazione catalizzata dal Il

8

successivo passaggio, non reversibile, è l’idrolisi del fruttosio-1,6-bisfosfato. Nell’ a

reazione, fruttosio-1,6-

l’idrolisi del gruppo fosforico legato al carbonio numero 1 del

bisfosfato, che viene rilasciato sotto forma di fosfato inorganico, porta alla formazione di

fruttosio-6-fosfato, fruttosio 1,6

una reazione Mg dipendente catalizzata dalla

2+

bifosfatasi, Regolazione 8 reazione:

che richiede acqua e rilascia Pi. sull’enzima fruttosio

a

1,6 bifosfatasi agiscono diversi modulatori che possono essere raggruppati in modulatori

enzimatici del fruttosio-1,6-bisfosfatasi e, in via più specifica, modulatori ormonali della

glicolisi/gluconeogenesi, come il ruttosio-2,6-bisfosfato è un potente modulatore allosterico

della glicolisi, sintetizzato a partire dal fruttosio-6-fosfato che, amplifica l'azione dell'AMP e

dell' ADP ed induce una maggiore velocità della fosfofruttochinasi-1. Anche il fruttosio-2,6-

bisfosfato è soggetto ad una azione modulatrice allosterica in quanto il glucagone, che è

l'ormone che segnala bassi livelli di glucosio, blocca l'attività della fosfofruttochinasi-2 e di

9

conseguenza blocca la sintesi del fruttosio-2,6-bisfosfato. L’idroli che avviene nella a

reazione fruttosio 1,6-bisfosfato fruttosio 6-fosfato

trasforma il in in una reazione Mg

2+

fruttosio-1,6-bisfosfatasi. 10 reazione

dipendente catalizzata da Nella il fruttosio-6-

a

fosfato viene isomerizzato, per mezzo dell'enzima fosfoglucoisomerasi, a glucosio-6-fosfato.

11 reazione glucosio 6-fosfato glucosio-6-

Infine nella il viene idrolizzato dall'enzima

a

fosfatasi, glucosio.

Mg dipendente che richiede acqua, a Il fosfato inorganico presente nel

2+

carbonio numero 6 viene ceduto all'ambiente endocellulare.

Regolazione della gluconeogenesi: nella gluconeogenesi la piruvato carbossilasi è

stimolata allostericamente da acetil coenzima A: un accumulo di acetil CoA stimola la

produzione di ossalaceto che ne aiuta lo smaltimento nel ciclo di Krebs (la piruvato

carbossilasi è mitocondriale). La piruvato carbossilasi è anche stimolata con meccanismo

covalente da una cinasi stimolata dal glucagone. Anche fruttosio difosfato fosfatasi e

glucosio 6-fosfato fosfatasi sono stimolate dal glucagone.

Controllo della glicolisi e della gluconeogenesi: nei mammiferi la gluconeogenesi avviene

principalmente nel fegato. Ad ognuno dei tre punti in cui la gluconeogenesi e la glicolisi

divergono, la simultanea apertura di entrambe le vie sarebbe uno spreco di ATP senza

Controllo delle esochinasi

produzione di lavoro chimico o biologico. L’esochinasi, che

catalizza l’ingresso del glucosio nel ciclo glicolitico, è un enzima regolatore. L’uomo

possiede quattro isozimi codificati da quattro geni diversi, ciascuno con ruoli diversi.

L’esochinasi II, predominante nella muscolatura, ha un’altissima affinità per il glucosio e

opera quasi sempre alla velocità massima possibile. L’inibizione di esochinasi I e II avviene

allostericamente ad opera del loro prodotto, il glucosio 6-fosfato: quando quest’ultimo si

accumula a causa di un blocco nella glicolisi l’uptake del glucosio viene dunque rallentato

enormemente. L’isozima

del fegato, l’esochinasi IV, differisce dai primi tre per almeno tre motivi, ovvero si satura del

50% ad una concentrazione di glucosio più alta di quella normale, quindi alte

concentrazioni di glucosio nel sangue vengono bilanciate da un maggiore uptake a livello

degli epatociti, quando il livello di glucosio nel sangue è basso l’azione dell’esochinasi IV è di

far si che il glucosio possa uscire dall’epatocita prima di essere intrappolato dalla

fosforilazione. Inoltre non si ha inibizione da parte del glucosio 6-fosfato, dunque l’uptake

continua nel fegato anche quando tutti gli altri isozimi sono stati inibiti. Infine si ha il

controllo reversibile da parte di una proteina specifica del fegato con un legame che è molto

più stabile in presenza del fruttosio 6-fosfato. Un secondo controllo su esochinasi IV è posto

a livello della sintesi proteica. Circostanze che richiedono una maggior produzione di

energia da parte della cellula causano un aumento della trascrizione del gene di esochinasi

IV.

Controllo di PFK-1 e FBPasi-1 Lo step che destina un metabolita alla glicolisi è la reazione

catalizzata da fosfofruttochinasi-1 (step 3 della glicolisi) e pertanto questo è un altro punto

di stretto controllo: l’enzima possiede infatti parecchi siti regolatori dove si legano inibitori

e attivatori allosterici. L’ATP non è solamente un substrato per PFK-1 ma è anche il

prodotto finale della glicolisi: quando questa molecola viene prodotta più velocemente di

quanto non venga demolita essa va ad inibire l’enzima legandosi ad un sito allosterico e

abbassando l’affinità di questo per il fruttosio 6-fosfato; ADP ed AMP, soprattutto il secondo,

segnalano invece un aumentato con-sumo di ATP e dunque svolgono l’azione opposta:

rimuovono l’inibizione posta dall’ATP a PFK. Un’altra molecola regolatrice dell’attività della

fosfofrutto chinasi è il citrato, un intermedio del ciclo di Krebs, la cui alta concentrazione

potenzia l’effetto inibitore di ATP riducendo ulteriormente il flusso di glucosio alla glicolisi.

Il passo corrispondente all’azione di PFK-1 nella gluconeogenesi è la reazione promossa

dalla FBPasi-1 che subisce regolazione opposta: ADP ed AMP la inibiscono fortemente

poichè la sintesi di glucosio richiede ATP e non è conveniente quando quest’ultimo è scarso.

La regolazione ormonale di glicolisi e gluconeogenesi, quindi quella legata ad insulina e

glucagone, è mediata dal fruttosio 2,6-bisfosfato, un regolatore allosterico di entrambi gli

enzimi. Quando il fruttosio 2,6-bisfosfato si lega a PFK-1 aumenta la sua affinità al fruttosio

6-fosfato: la sua azione è talmente po- tente che in condizioni fisiologiche di fatto PFK-1 è

inattivo in assenza di questo regolatore. L’effetto del fruttosio 2,6-bisfosfato su FBPasi è

ovviamente opposto e rallenta la gluconeogenesi. Le concentrazioni intracellulari di

fruttosio 2,6-bisfosfato sono regolate dalla formazione e dal breakdown dello stesso,

reazioni catalizzate da fosfofruttochinasi-2 (PFK-2) e fruttosio 2,6-bisfosfatasi (FBPasi-2):

il bilancio delle azioni di questi due enzimi nel fegato è regolato da insulina e glucagone; il

glucagone abbassa il livello di fruttosio 2,6-bisfosfato inibendo quindi la glicolisi e

promuovendo la gluconeogenesi, mentre l’insulina ha effetti opposti. Un secondo controllo

sui livelli di fruttosio 2,6-bisfosfato è portato avanti dallo xiluloso 5-fosfato; questo

composto, intermedio della via dei pentosi fosfati, media l’aumento della glicolisi a seguito

di un pasto abbondante in carboidrati. La sua azione è l’attivazione della fosfopro-teina

fosfatasi 2A (PP2A) che defosforila l’enzima bifunzionale PFK-2/FBPasi-2 inibendo la

FBPasi e aumentando dunque la concentrazione di fruttosio 2,6-bisfosfato stimolando la

glicolisi e rallentando la gluconeogenesi.

Biotina, vitamina H, carenza: vitamina idrosolubile presente nella formazione di acidi

grassi, nella sintesi dell’acido nucleico e nell’ossidazione di acidi grassi e carboidrati,

sintetizzata dai batteri intestinali, immagazzinata principalmente nel fegato, nei reni, nel

cervello e nelle ghiandole surrenali. Una carenza di biotina provoca calvizie, depressione,

deterioramento del metabolismo del grasso organico, aumento del colesterolo, disturbi del

sistema nervoso.

Molecole glucogeniche, perché? -idrossibutirrato, forma un acetoacetato con una

reazione catalizzata da -idrossibutirrato deidrogenasi in una reazione irreversibile (entra

Palmitoil-CoA

NAD + esce NADH+ +H+), non è glucogenica. è un acido grasso che, dopo

l’attivazione entra nel mitocondrio dove viene degrasato. Essendo un acido a 16C la sua

degradazione comporta 7 cicli di -ossidazione dalla quale vengono generati 7FADH, 7NADH,

Asp + -chetogluterato

8AcetilCoA, non è glucogenetica. che si trasforma in glucosio +

ossalaceto, poi in pep e infine in glicogeno, il che lo rende glucogenico. L’isocitrato, diventa

citrato e poi -chetoglutano- succinato – fumerato – malato – ossalaceto e entrare nella

gluconeogenesi.

Ciclo di Krebs: detto anche acido citrico con vie degradative in ingresso e vie anaboliche in

mitocondri,

uscita, consiste in una serie di reazioni che avvengono all'interno dei nello

spazio della matrice. Queste reazioni sono realizzate attraverso otto tappe enzimatiche e

hanno lo scopo di ossidare completamente i due carboni del gruppo acetilico dell'acetil-CoA

formando due molecole di CO2 in modo però da conservare l'energia libera per la

produzione di ATP. Gli scheletri carboniosi di zuccheri e acidi grassi prima di entrare nel

ciclo devono essere degradati a gruppo acetile dell’acetil-CoA. Il piruvato derivante dalla

complesso piruvato deidrogenasi

glicolisi è ossidato ad acetil-CoA e CO2 dal (PDH), un

agglomerato di copie di tre enzimi posto nel mitocondrio delle cellule degli eucarioti e nel

citosol di quelle dei batteri che necessita di cinque cofattori. Il complesso piruvato

deidrogenasi contiene tre diversi enzimi: E1 - Piruvato deidrogenasi, E2 - Diidrolipoil

transacetilasi, E3 - Diidrolipoil deidrogenasi. E2 è la porzione più complessa in quanto

punto di inserzione del gruppo prostetico lipoato ed è dotata di tre distinti domini

funzionali: il dominio lipoile, il dominio aciltrasferasi e il dominio legante E1 ed E3. Gli altri

due enzimi legano TPP (E1) e FAD (E3) e fanno parte del complesso anche due proteine

regolatrici, una chinasi e una fosfatasi. La reazione catalizzata dalla prima attività

enzimatica del complesso multienzimatico consiste nella decarbossilazione dell’acido

piruvico, il cui frammento bicarbonioso residuo resta legato al TPP, tiamina pirofosfato

(TPP). Tale complesso viene quindi trasferito dalla seconda attività enzimatica su una

molecola di acido lipoico ossidato (contenente un legame S-S) che, a sua volta, lo trasferisce

su una molecola di CoA formando acetil CoA e la forma ridotta dell’acido lipoico. La terza

attività enzimatica rigenera la forma ossidata dell’acido lipoico trasferendo i due atomi di

idrogeno della forma ridotta di questo su una molecola di FAD formando FADH2, a sua volta

utilizzato per ridurre una molecola di NAD (questa reazione è anomala perché solitamente

è il NADH H a ridurre il FAD). Durante tutte queste reazioni i vari intermedi e cofattori

restano sempre legati al complesso enzimatico e al termine di un ciclo di reazione i cofattori

acido lipoico, TPP e FAD vengono rigenerati in modo da poter partecipare a un nuovo ciclo.

Vitamina B1: coenzima che facilita le reazioni chimiche senza esserne mutata. La carenza

di vitamina B si manifesta con patologie caratteristiche (beri-beri o sindrome di Wernicke-

1

Korsakoff). Il beri-beri colpisce il sistema cardiovascolare, ma è reversibile con una pronta

somministrazione di tale vitamina. La carenza di tiamina può bloccare il metabolismo del

collagene, direttamente collegato al processo di cicatrizzazione. Una carenza di tiamina può

portare disturbi del coordinamento e del tempo di reazione del corpo, del coordinamento

tra gli occhi e le mani, della velocità motoria e della fermezza delle mani. La carenza di

tiamina può ostacolare il funzionamento della tiroide in modo irreversibile. Possono

verificarsi anche anoressia (perdita dell’appetito) e atonia gastrica (perdita del tono

muscolare dello stomaco). acido lipoico,

L’acido alfa lipoico, anche chiamato è un acido grasso anfipatico di piccole

dimensioni, formato da otto atomi di carbonio, due di ossigeno nel gruppo carbossilico e due

di zolfoi. L’acido alfa lipoico è coinvolto nella trasformazione del glucosio (zucchero

semplice che circola nel sangue) e dei grassi in energia.

Coenzima A: C21H36N7OP3S, è una molecola per la cui sintesi sono necessari vitamina B5,

cisteina e ATP, deriva da β-mercaptoetilamina, pantotenato e ATP e usato nella

decarbossilazione ossidativa del piruvato (piruvato+CoA-SH+NAD+-complesso della

nella decarbossilazione ossidativa

piruvico deidrogenasi Acetil-CoA+CO2+NADH),

dell’alfachetoglutarato (α-Chetoglutarato+ CoA-SH+ NAD - complesso dell’ α-

+

nell’attivazione degli acidi

Chetoglutarato deidrogenasi Succinil-CoA+ CO + NADH)

2

grassi (Acido grasso+ ATP - acido grasso-CoA sintasi Acido grasso adenilato+ Acido

pirofosforico

Acido grasso adenilato+ CoA-SH ---acido grasso-CoA sintasi---> Acil-CoA+ AMP), nella

formazione di un acetil-coA dall’ossidazione dei grassi (b-Chetoacil-CoA+ CoA-SH - acil-CoA

acetil transferasi o tiolasiì Acil-CoA+ Acetil-CoA) e nel catabolismo dell’acetato di origine

alcolica negli epatociti (Acetato+ ATP+ CoA-SH -acetato tiochinasi AcetilCoA+ AMP+ 2P).

FAD: flavina adenina dinucleotide, coenzima ossidoriduttivo, costituito da 3 anelli

condensati che formano il gruppo isoallosazinico della flavina, legato al ribitolo tramite

l’atomo di azoto dell’anello centrale. Se all'anello c'è legato un solo atomo di idrogeno, allora

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

5

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 coenzima Q (che si muove liberamente all’interno della

membrana), e sono trasferiti dal complesso 3 fino al complesso 4 per mezzo del citocromo c

(una piccola proteina esterna alla membrana).

Citocromi: pigmenti rossi presenti nelle cellule degli organismi aerobi, nelle quali

partecipano alla funzione respiratoria, contenenti i gruppi prostetici EME legate al ferro.

Sono proteine ferroporfiriniche, deputate al trasporto di elettroni per mezzo di una

variazione reversibile di valenza del ferro. Sono divisi in vari gruppi (a, b, c ecc.) che si

differenziano per alcune caratteristiche del gruppo prostetico e si distinguono per

differenze di solubilità e di spettro di assorbimento. Con i piridinnucleotidi e i nucleotidi

flavinici, i citocromi costituiscono il più importante sistema di trasferimento di elettroni dai

substrati all’ossigeno atmosferico, permettono cioè l’ossidazione dei substrati con

simultanea produzione di energia (fosforilazione) I citocromi rivestono un importante ruolo

nei processi di detossificazione cellulare, infatti il fegato, che riceve parte del sangue

dall’intestino tramite la vena porta, è esposto alle variazioni di livello delle sostanze

nutritizie e alla presenza di sostanze tossiche, determinando un aumento nella sintesi

citocromo c,

enzimatica. Il contenuto nei mitocondri, solubile associata per via

elettrostatica alla superficie esterna della membrana interna.; esso è una proteina antica,

in quanto la sua sequenza amminoacidica presenta analogie in tutti gli organismi animali,

nelle piante e nei microrganismi aerobici. È deputato al trasporto degli elettroni

soprattutto nel processo di fosforilazione ossidativa che porta alla produzione di diverse

molecole di ATP. Esistono quattro classi di citocromo c, caratterizzate da strutture

leggermente diverse. Il citocromo c sembra essere implicato anche nei meccanismi alla base

della cosiddetta fotobiomodulazione, una terapia che impiega la luce emessa da un laser per

agire sui tessuti, stimolando il metabolismo cellulare così da accelerarne i processi

rigenerativi. Un ruolo importante del citocromo c, venuto alla luce solo recentemente, è nel

processo di apoptosi (morte cellulare programmata). In seguito a un segnale apoptotico, il

citocromo c fuoriesce dal mitocondrio e consente la formazione dell’apoptosoma, grazie al

legame con la proteina Apaf, un complesso molecolare fondamentale per l’apoptosi della

cellula. Nelle proteine ferro-zolfo il ferro è presente non in un gruppo EME ma in

associazione ad atomi di zolfo inorganico o a zolfo legato a residui di cisteina (o entrambe le

tipologie). I centri ferro-zolfo possono essere della tipologia più semplice cioè un atomo di

ferro legato a quattro di zolfo, oppure strutture più complesse come la “2Fe-2S” o la

“4Fe-4S”.

L’ubiquinone è un composto liposolubile, detto anche coenzima Q (CoQ), derivato del

benzochinone; è un componente fondamentale della catena di trasporto degli elettroni del

mitocondrio, presente in tutti gli organismi animali e anche nel lievito. Questo coenzima è

caratterizzato da una coda idrofobica laterale molto lunga, da 10 unità isopreniche a 5

atomi di carbonio, che lo rende solubile nel doppio strato lipidico della membrana interna

mitocondriale, dove esso può trovarsi sia nella forma legata a proteine di membrana sia in

quella non legata. Nel la sua forma ossidata l’ubiquinone accetta gli elettroni sia da NADH

sia dal FADH2 in reazioni catalizzate rispettivamente dagli enzimi NADH-CoQ-reduttasi e

succinatodeidrogenasi. L’ubiquinone, come i coenzimi flavinici, è in grado di assumere una

forma radicalica stabile a stato di ossidazione intermedia tra quella ossidata e quella ridotta

(radicale semichinonico), che viene sfruttata nel trasferimento degli elettroni all’accettore

monoelettrico citocromo c. Il radicale semichinonico dell’ubiquinone può essere ossidato

direttamente dall’ossigeno molecolare, dando luogo alla formazione di ioni superossido

(radicale libero) che sono prodotti fisiologicamente in piccola quantità dalla respirazione

mitocondriale.

I carrier di elettroni della catena respiratoria sono organizzati in complessi incastonati

nella membrana; esistono quattro complessi principali: i complessi I e II che catalizzano il

trasferimento elettronico all’ubiquinone da NADH o succinato, il complesso III che li

trasferisce dall’ubiquinone al citocromo “c”, e il complesso IV che completa il tutto

trasferendoli dal citocromo “c” a O2.

Complesso I: NADH + 5H+ + Q NAD+ + QH2 + 4H+ detto anche NADH: ubiquinone

ossidoreduttasi o NADH deidrogenasi, è un enzima complesso contenente una flavoproteina

a FMN (flavin mononucleotide) e almeno sei proteine ferro-zolfo. Questo complesso

catalizza due reazioni simultanee e accoppiate: il trasferimento dello ione idruro da NADH a

ubiquinone e il trasferimento di quattro protoni dalla matrice allo spazio intermembrana; in

base alla sua azione è dunque possibile definire il complesso I come una pompa protonica

alimentata dall’energia del trasferimento di elettroni. La reazione promossa dal complesso I

sposta dunque delle cariche in modo netto: la matrice diventa carica negativamente mentre

lo spazio intermembrana diventa carico positivamente. Questo passaggio è il target di

antibiotici ma anche di barbiturici e insetticidi. L’ubiquinolo prodotto diffonde a questo

punto nella membrana mitocondriale interna passando al complesso III dove viene

riossidato a Q in un processo che coinvolge anch’esso movimenti di H+.

Complesso II: è la succinato deidrogenasi (ciclo di Krebs), comprende cinque gruppi

prostetici e quattro subunità proteiche e contiene un gruppo EME e un sito di legame per

l’ubiquinone. Le subunità A e B si estendono nella matrice e contengono tre centri ferro

zolfo, un FAD e un sito di legame per il succinato.

Il gruppo EME del complesso II serve a ricatturare gli elettroni che potenzialmente possono

sfuggire spostandosi dal succinato a ossigeno molecolare producendo perossido di idrogeno.

Il passaggio degli elettroni lungo il complesso II è il seguente: da succinato a FAD; poi da

FAD a pro- teine ferro-zolfo le quali riducono l’ubiquinone a ubiquinolo che poi prende la

stessa via del complesso I.

Complesso III: detto anche complesso citocromo bc1 o ubiquinone citocromo c

ossidoreduttasi, accoppia il trasferimento di elettroni dall’ubiquinolo al citocromo “c” con il

trasporto di protoni dalla matrice allo spazio intermembrana. L’unità funzionale del

complesso è un dimero i cui due monomeri sono citocromi “b” posti a circondare una cavità

della membrana in cui l’ubiquinone è libero di muoversi dal lato della matrice a quello

shuttle

intermembrana facendo da per gli elettroni e i protoni. Il passaggio degli elettroni e

dei protoni attraverso il complesso III è stato definito ciclo Q, la cui reazione redox netta è

QH2 + 2cytc1(ox) + 2H+ Q + 2cytc1(red) + 4H+. Quindi un ubiquinolo viene ossidato a

ubiquinone e due molecole di citocromo c vengono invece ridotte. Quando il citocromo c

viene ridotto si sposta verso il complesso IV per donare il suo unico elettrone.

Complesso IV: detto anche citocromo ossidasi, porta gli elettroni dal citocromo c

all’ossigeno molecolare riducendolo ad acqua. Il complesso contiene tredici subunità negli

eucarioti e solamente tre nei batteri; nella subunità II degli eucarioti sono contenuti due

ioni rame accoppiati con i gruppi sulfidrilici di due residui di cisteina in un centro

binucleare CuA non lontano dalla struttura 2Fe-2S delle proteine ferro zolfo. La subunità I

contiene invece due gruppi EME, a e a3, e un altro ione rame a formare un secondo centro

binucleare CuB che accetta elettroni dall’EME a e li trasferisce all’ossigeno legato all’EME

a3. I passaggi compiuti dagli elettroni grazie al complesso IV sono dunque: citocromo

c→centro CuA→EME a Eme a3−CuB Ad ogni ciclo il complesso sfrutta

→centro →O2.

quattro H+della matrice per ridurre l’ossigeno e pompa un protone verso lo spazio

intermembrana alimentando il gradiente elettrochimico; la reazione complessiva

catalizzata è dunque: 4cytc(red) + 8H+ + O2 4cytc(ox) + 4H+ + 2H2O.

modello chemiosmotico

Il spiega in quale forma si conserva l’energia derivante dalle

ossidazioni biologiche in modo da essere utilizzabile per la sintesi di ATP. Secondo la teoria

chemiosmotica il flusso di equivalenti di riduzione lungo la catena respiratoria fino

all’ossigeno e la sintesi di ATP sono processi accoppiati, essendo il gradiente protonico

elettrochimico transmembrana (Δμ ) il fattore che conserva l’energia derivante dalle

H+

ossidazioni biologiche. Il transporto degli equivalenti di riduzione lungo la catena

respiratoria avviene con simultanea espulsione di protoni, a opera di complessi respiratori,

dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrane. Tra lo spazio intermembrane e la

matrice si crea una differenza nella concentrazione di protoni (ΔpH) (matrice più alcalina)

e nella distribuzione di carica elettrica (ΔΨ) (matrice più negativa): il Δμ . Questo

H+

gradiente è una forma di energia potenziale che può essere usata per compiere lavoro

quando avvenga flusso di protoni e/o di carica verso la matrice. L’ATP sintasi, inserita nella

membrana mitocondriale interna, possiede un canale selettivamente permeabile ai protoni

che, attraversandolo secondo gradiente, rendono possibile la sintesi di ATP a partire da

ADP e fosfato inorganico con simultanea utilizzazione del gradiente protonico. Questo è

ripristinato continuamente dall’attività della catena respiratoria. Il complesso dell’ATP

sintetasi conta due proteine, Foe F1.

Fo crea fondamentalmente il poro attraverso il quale i protoni accumulati dal lato della

matrice ritor- nano nello spazio intermembrana secondo gradiente. Una sua piccola

porzione composta dalle due subunità b, è associata alla proteina F1 (in particolare alla

porzione δ) e la tiene saldamente ancorata alla membrana.

F1 è una struttura complessa composta da nove subunità di cinque tipi diversi secondo la

composizione α3β3γδǫ; Le subunità ǫ e γ rappresentano il raccordo di F1 con Fo e formano

un cilindro attorno al quale le subunità α e β si associano alternandosi: quando il flusso di

protoni attraversa Fo questa ruota insieme al cilindro che vi è associato e causa

cambiamenti conformazionali a livello di α e β , che si presentano dunque in due forme, una

catalitica e una rilasciante le neomolecole di ATP.

Regolazione della fosforilazione ossidativa: il tasso di consumo di O2 nel mitocondrio è

strettamente regolato e limitato in genere dalla disponibilità di ADP. Quando una cellula è in

condizioni di ipossia il trasferimento di elettroni all’ossigeno e quindi il movimento dei

protoni cala e la forza da esso derivante collassa dopo poco: in queste condizioni l’ATP

sintasi si troverebbe a catalizzare la reazione inversa demolendo ATP e causandone

carestia in un attimo. Il ribaltamento dell’azione dell’ATP sintasi è prevenuto da una piccola

proteina inibitoria detta IF1 che lega simultaneamente due ATP sintasi bloccandone

l’attività. Questa proteina è inibitoria solo nella sua forma dimerica, che è favorita per pH <

6.5 quindi in situazioni di ipossia.

Tessuto adiposo e termo regolazione

Il tessuto adiposo è il tessuto meno ricco di acqua (8-10%), più ricco di trigliceridi (85-90%)

e tra i più diffusi (15-20% sul peso totale) dell’organismo, che gli fornisce funzione di

protezione meccanica degli organi interni e di isolamento termico dell’interno organismo.

Inoltre potendo accumulare e degradare trigliceridi ha poi il ruolo fondamentale di riserva

di metaboliti energetici. È in grado poi di generare calore (termogenesi) contribuendo al

mantenimento della temperatura corporea e infine è in grado di secernere sostanze di

natura ormonale o ormono-simile. tessuto adiposo bianco,

Esistono 2 tipi di tessuto adiposo: il caratterizzato da un colore

giallognolo per la presenza di sostanze pigmentate quali carotenoidi e pigmenti biliari;

tessuto adiposo bruno,di

mentre il colore scuro per l’abbondanza di mitocondri; nell’adulto

è presente in tracce e svolge esclusivamente la funzione termogenica.

adipociti

Le cell del tessuto adiposo o sono una delle forme di differenziazione dei

fibroblasti, che in condizioni normali hanno una forma rotondeggiante con nucleo e i pochi

mitocondri sono “schiacciati” contro la membrana plasmatica. In condizione di digiuno la

cellula diventa molto più piccola con numerose goccioline lipidiche e molte

microinvaginazioni della membrana plasmatica; la morfologia degli adipociti nel digiuno è

molto simile a quella dei pre-adipociti. Gli adipociti sono raccolti in lobuli tenuti insieme da

una trama di tessuto connettivale.

Termoregolazione: la degradazione ossidativa completa dei substrati energetici ha una

resa in energia libera, in termini di ATP prodotto, non superiore al 40%; la restante, più

rilevante, quota è liberata come calore. La normale produzione di calore che vede implicati

soprattutto i tessuti muscolare ed epatico, ma anche il tessuto adiposo bianco è più che

sufficiente per mantenere costante la temperatura corporea. Pertanto il tessuto adiposo

bruno rimane limitato a piccole isole collocate a livello addominale, del tronco e delle zone

sottoscapolare, interscapolare ed ascellare. Al contrario nella prima infanzia dove il

suddetto rapporto è più a favore della superficie di dissipazione del calore, e quindi più

calore spontaneamente si dissipa, il tessuto adiposo bruno è molto più sviluppato e svolge

un ruolo non trascurabile nel contribuire a mantenere costante la temperatura corporea.

Gli adipociti bruni sono più piccoli di quelli bianchi, molto ricchi di mitocondri, con nucleo

non schiacciato sotto la membrana plasmatica e con più gocce lipidiche.

La loro peculiarità metabolica consiste nell’esprimere una proteina che disaccoppia la

fosforilazione ossidativa dal flusso elettronico della catena respiratoria. Questa proteina

UCP termogenina

detta anche o è un canale protonico inserito nella membrana

mitocondriale interna. Con canale aperto i protoni, che nella catena respiratoria

funzionante vengono continuamente spostati dalla matrice mitocondriale allo spazio

intermembrana, rientrano nella membrana spinti dal gradiente escludendo il passaggio

mediato dalla ATP sintetasi. Si realizza il disaccoppiamento e tutta l’energia del potenziale

di ossidoriduzione si libera come calore. L’UCP è tenuta nella forma aperta da elevate

concentrazioni di acidi grassi liberi, condizione che si realizza quando nella cell è in corso

intensa lipolisi. Allorché il flusso lipolitico si sospende e il substrato ossidabile diventa il

glucosio, il canale tende a chiudersi, i protoni si impegnano con l’ATP sintetasi e si produce

ATP: l’ATP a sua volta mantiene il canale nella forma saldamente chiusa. Di UCP ne esistono

2 isoforme: una espressa prevalentemente nel grasso bruno e l’altra espressa in modo più

ubiquitario. L’ancoraggio funzionale del tessuto adiposo bruno alla termogenesi è operato

dalle catecolamine, adrenalina e noradrenalina, per le quali gli adipociti bruni dispongono

di recettori di tipo β.

Via dei pentosi fosfati: la glicolisi in buona parte dei tessuti animali non è l’unica via per il

glucosio 6-fosfato: questa molecola segue anche altre vie per essere trasformata in prodotti

specializzati per la cellula. Tra le vie alternative alla glicolisi è di particolare importanza la

via dei pentosi fosfati in cui NADP + è l’accettore di elettroni e si ottiene NADPH; alcune

cellule usano i prodotti della via per produrre RNA, DNA, ATP, NADH, FADH2 e coenzima A,

altre semplicemente hanno bisogno di NADPH per evitare il danneggiamento dai radicali

liberi dell’ossigeno (in particolare la carenza di NADPH negli eritrociti è a rischio medico).

fase ossidativa

La via si divide in due porzioni, una che produce pentosi fosfati e NADPH e

fase non ossidativa

una che ricicla i pentosi fosfati a glucosio 6-fosfato. La prima reazione

fase ossidativa

della è l’ossidazione del glucosio 6-fosfato ad opera della glucosio 6-fosfato

deidrogenasi a formare un estere intramolecolare detto 6-fosfoglucono−δ−latton : NADP + è

l’accettore di elettroni e l’equilibrio è fortemente spostato verso la formazione di NADPH. Il

lattone viene prontamente idrolizzato da una

lattonasi specifica a acido 6-fosfogluconato che subisce poi ossidazione e decarbossilazione

dalla 6-fosfogluconato deidrogenasi a dare ribuloso 5-fosfato, un chetopentoso, generando

un secondo NAPDH. L’enzima fosfopentoso isomerasi converte il ribuloso 5-fosfato nel suo

isomero aldoso riboso 5-fosfato e in alcuni tessuti questo rappresenta la fine della via, con

un’equazione netta: G6P + 2NADP + + H2O Ribosio5 − fosfato + CO2 + 2NADPH + 2H+. Il

risultato della fase ossidativa è dunque la produzione di NADPH, riducente nelle reazioni di

biosintesi, e ribosio 5-fosfato, un precursore nella sintesi dei nucleotidi.

Nelle cellule che primariamente necessitano di NADPH e il cui bisogno di ribosio 5-fosfato è

fase non ossidativa

minimo la della via risintetizza glucosio 6-fosfato a partire dal ribuloso

5-fosfato. Nella prima reazione della fase non ossidativa il ribuloso viene epimerizzato a

xiluloso 5-fosfato grazie all’azione dell’enzima ribosio 5-fosfato epimerasi. A partire da

questi due composti una serie di riarrangiamenti dello scheletro carbonioso produce la

conversione di sei zuccheri a cinque atomi di carbonio in cinque zuccheri a sei atomi di

carbonio: tutte queste reazioni sono sotto controllo di due tipologie di enzimi, definiti

transchetolasi e transaldolasi. L’enzima transchetolasi necessita il cofattore tiamina

pirofosfato (TPP) per funzionare. La discriminazione per una molecola di glucosio

all’entrare nei vari cicli dipende dalle necessità cellulari del momento e dalle

concentrazioni di NADP +nel citosol: quando una cellula sta rapidamente convertendo

NADPH in NADP +la concentrazione di quest’ultimo aumenta stimolando allostericamente il

primo enzima della via dei pentosi aumentando dunque il flusso lungo questa strada.

Il bilancio complessivo della via del pentoso fosfato è il seguente:

6 G6P + 12 NADP 6CO + 4F6P + 2 GAP +12 NADPH + 12 H . Ogni sei molecole di glucosio,

+ +

2

una venisse completamente ossidata ed eliminata sotto forma di CO2; per questa ragione la

via viene indicata anche come via dell’ossidazione diretta del glucosio. Nei globuli rossi la

via del Nei globuli rossi la via del pentoso fosfato è l’unica fonte del NADPH + H necessario

+

per mantenere in forma ridotta lo ione ferroso dell’emoglobina che, a causa della presenza

dell’ossigeno, tende a ossidarsi spontaneamente a Fe3 , trasformando l’emoglobina in

+

metemoglobina, inattiva in quanto incapace di legare l’ossigeno. La presenza del NADPH +

H impedisce anche l’ossidazione dei doppi legami presenti nei lipidi insaturi della

+

membrana cellulare, che causerebbe una maggiore suscettibilità di questa alla lisi.

Favismo: sindrome emolitica acuta provocata da ingestione di fave o a causa dell’inalazione

di polline di pianta di fava. Questa enzimopatia è il deficit congenito di glucosio 6-fosfato

deidrogenasi (G6PDH) causato da un’alterazione genetica legata al sesso, essa infatti si

trasmette tramite il cromosoma X e colpisce in maniera grave i maschi, mentre le femmine

possono essere portatrici sane o ammalarsi in forma lieve. La G6PD protegge i globuli rossi

ricchi di ossigeno (GR) da certe sostanze chimiche, chiamate radicali liberi dell'ossigeno,

che si accumulano nel corpo durante episodi febbrili, infezioni, o in seguito all'assunzione di

certi farmaci. In mancanza di una quantità sufficiente di G6PD, i globuli rossi non sono

protetti contro queste sostanze chimiche e vengono distrutte, risultando in anemia. La

carenza di glucosio-6-fosfato-deidrogenasi, che catalizza la prima tappa del ciclo ossidativo

del glucosio, noto come ciclo dei pentoso-fosfati, implica una marcata diminuzione delle

concentrazioni eritrocitarie di nicotinadenindinucleotide fosfato ridotto (NADPH), il quale

viene utilizzato come coenzima per mantenere allo stato ridotto sia il ferro emoglobinico sia

il glutatione. In tal modo vengono preservati la capacità dell’emoglobina di legare

l’ossigeno, il mantenimento allo stato ridotto dei gruppi sulfidrilici delle proteine e la

sintomi

trasformazione di perossidi organici e inorganici in composti meno tossici. I

principali del favismo sono: Improvvisa insorgenza di febbre e di ittero della cute e delle

mucose, Urine ipercolorate, giallo-arancione, Pallore, debolezza, compromissione delle

condizioni generali, Respiro frequente, difficoltoso, Polso rapido, debole, poco apprezzabile.

Nelle crisi dovute al favismo vi è un aumento della metemoglobina (forma ossidata

dell’emoglobina) e dello stato di ossidazione delle proteine, donde il danneggiamento dei

globuli rossi, a livello della membrana cellulare e del citoplasma, con conseguente emolisi. Il

favismo, che clinicamente si manifesta con malessere, brividi, febbre ed emoglobinuria (di

entità variabile a seconda dei casi), è più o meno diffuso nelle zone che sono o sono state per

lungo tempo malariche e quindi anche nell’area mediterranea.

Ruolo metabolico della glucosio6fosfato deidrogenasi: catalizza la prima reazione del

ciclo dei pentosofosfati nella quale il glucosio6-fosfato (G6P) è ossidato a

fosfogluconolattone; contemporaneamente il nicotinadeniùdinucleotide fosfato (NADP)

viene trasformato m

nicotinadenindinucleotide fosfato ridotto (NADPH). La G6PD è un enzimacitoplasmatico

ubiquitario ma è d'importanza fondamentale nei globuli rossi, dove il ciclo dei pentosofosfati

è l'unica fonte di produzione del NADPH. Questo metabolita è essenziale nella catena di

reazioni che proteggono i globuli rossi dagli ossidanti, poiché agisce come substrato della

glutatione reduttasi (GSSGR) e come attivatore della catalasi. Mediante la GSSGR, il

NADPH è utilizzato per la rigeneraziione del glutatione ridotto (GSH) e dei gruppi

sulfidrilici (-SH) deile proteine; il GSH viene a sua volta utilizzato coime substrato della

glutatione perossidasi (GSHPx) per eliminare il perossido di idrogeno (H202). Nei globuli

rossi è presente anche unanotevole quantità di catalasi che lega il NADPH come attivatore,

ma la sua azione detossificante si esplica solo a concentrazioni elevate di H202. Il glucosio

che attraversa la membrana cellulare è metabolizzato, alternativamente, mediante il ciclo

Glutatione: GSH

glicolitico ed il ciclo dei pentoso fosfati. è un tripeptide fomato da cisteina

e glicina, uniti da un normale legame peptidico e glutammato che, invece, è legato mediante

la funzionalità carbossilica della catena laterale. Per questa particolarità il legame prende il

gamma-peptidico.

nome di Il glutatione è una molecola importante, ad effetto

antiossidante, poiché interviene in modo attivo nella neutralizzazione dei radicali liberi,

infatti mediante la cessione di equivalenti di riduzione può neutralizzare alcuni radicali

liberi tra cui l’ossigeno singoletto. Con la cessione di un equivalente di riduzione, in altre

parole un protone e un elettrone, il glutatione diventa instabile e reagisce, grazie

all'abbondante quantità nel plasma, con un altra molecola di glutatione formando il

glutatione disolfide. L'enzima glutatione reduttasi può rompere il ponte -S-S- e riformare

due molecole di glutatione ridotto.

In medicina, il GSH viene usato come antidoto diretto e "veloce" nell'avvelenamento da

paracetamolo (conosciuto anche come acetaminofene). Questa molecola è un analgesico ed

anti-febbrile il cui principale metabolismo avviene a livello del fegato. Quando in eccesso, il

paracetamolo ossida il glutatione secondo la reazione: paracetamolo + 2GSH = para-

acetamido-chinone + GSSG.

biosintesi

La del glutatione prevede due fasi: la formazione della gamma-glutamilcisteina

(sintetizzata a partire da L-glutammato e cisteina in una reazione catalizzara dalla gamma-

glutamicilsteina sintasi) e la formazione del glutatione, partendo dalla gamma-

glutamilcisteina e glicina, catalizzata da glutatione sintasi.

Presente nell'organismo in forma ubiquitaria, il glutatione è particolarmente concentrato a

livello epatico, dove protegge gli epatociti da molecole particolarmente tossiche di origine

esogena o endogena (generatesi durante il metabolismo di determinate sostanze, come

alcuni farmaci, ad es. il paracetamolo). In questo caso, il glutatione, una volta coniugatosi ai

metaboliti tossici in maniera enzimatica o non enzimatica, non può rigenerarsi con

altrettanta facilità (in parte viene eliminato, principalmente per via biliare, ed in parte

subisce ulteriori metabolizzazioni). Un'eccessiva concentrazione di sostanze tossiche può

quindi depletare i livelli tissutali di glutatione, determinando grave danno epatico.

Metabolismo degli acidi grassi

Accumulo e mobilitazione

Nei vertebrati prima che i trigliceridi ingeriti possano essere assorbiti è necessaria una

conversione da grassi insolubili a micelle finemente disperse, questo aumenta il numero di

molecole accessibili alle lipasi intestinali in modo da convertire i trigliceridi a mono e

digliceridi, acidi grassi liberi e glicerolo. Una volta assorbite dalle cellule queste molecole

vengono riconvertite a trigliceridi, confezionate insieme al colesterolo e a specifiche

chilomicroni.

proteine e conservati sotto forma di aggregati lipoproteici detti

La classe delle apolipoproteine è quella delle proteine in grado di legare i lipidi e

responsabile del trasporto ematico di trigliceridi, fosfolipidi e colesterolo tra gli organi. Le

apolipoproteine si combinano ai lipidi a formare parecchie classi di lipoproteine le cui

densità variano da valori molto bassi (VLDL) a valori molto alti (VHDL). La consegna dei

lipidi ai tessuti avviene secondo questo schema: l’enzima extracellulare lipoprotein-lipasi

idrolizza i trigliceridi a acidi grassi e glicerolo che possono essere assorbiti dalle cellule

bersaglio. I lipidi neutri vengono conservati negli adipociti sotto forma di goccioline

lipidiche circondate da perilipine, una classe di proteine con la funzione di restringere

l’accesso alle goccioline in modo da evitare mobilitazioni lipidiche incontrollate. Quando si

ha stimolazione ormonale i trigliceridi accumulati nell’adipe vengono invece mobilitati e

trasportati ai tessuti. La via di mobilitazione dei lipidi è la seguente:

L’adrenalina o il glucagone attivano l’enzima adenilato ciclasi, che produce il secondo

messaggero intracellulare cAMP. La protein kinasi cAMP-dipendente (PKA) si porta a

fosforilare la perilipina A.

La perilipina A fosforilata porta la lipasi ormone-dipendente del citosol a muoversi sulla

superficie della goccia lipidica dove inizia l’idrolisi dei trigliceridi a acidi grassi e glicerolo.

Al termine della cascata di mobilitazione lipidica gli acidi grassi liberati passano dagli

adipociti al sangue dove si legano all’albumina (fino a dieci acidi si legano ad ogni

monomero di albumina) e vengono trasportati ai tessuti bersaglio per essere utilizzati come

carburante. Il destino del glicerolo liberato è la fosforilazione da parte dell’enzima glicerol

chinasi a glicerolo 3-fosfato, il quale a sua volta viene ossidato a diidrossiaceton fosfato che

infine segue la consueta via di ingresso nella glicolisi attraverso la conversione a

gliceralideide 3-fosfato.

Ossidazione: l'ossidazione degli acidi grassi consuma sostanze nutrienti importanti, questo

processo è sottoposto a regolazione in modo che si possa attivare solo quando la cellula

richiede energia. Nel fegato, gli acil-CoA sintetizzati a livello citosolico possono andare

incontro a due destini: (1) la β ossidazione da parte di enzimi presenti nei mitocondri,

oppure (2) la conversione a triacilgliceroli o fosfolipidi da parte di enzimi presenti nel

citosol. La via metabolica scelta dipende dalla velocità di trasferimento degli acil-CoA a

della carnitina)

catena lunga nei mitocondri. Il processo a tre tappe (shuttle che

trasferisca gli acili dal citosol nella matrice mitocondriale limita la velocità di ossidazione

degli acidi grassi e rappresenta un importante punto di regolazione. Una volta entrato nella

matrice mitocondriale l'acido grasso è ormai destinato all'ossidazione ad acetil-CoA. Il set di

enzimi per l’ossidazione degli acidi grassi è collocato nella matrice mitocondriale. Gli acidi

grassi con meno di dodici atomi di carbonio possono attraversare la membrana

mitocondriale senza aiuti ma quelli con più di quattordici atomi devono prima passare

prima reazione

attraverso le tre reazioni dello shuttle della carnitina. La è catalizzata da

una famiglia di isozimi presente sulla membrana mitocondriale, le acil-CoA sintetasi, che

promuovono la generica reazione AcidoGrasso + CoA + ATP Acil − CoA + AMP + Ppi. Gli

acil-CoA di derivazione lipidica sono, come l’acetil-CoA, composti ad alta energia.

Gli acidi grassi sono provvisoriamente attaccati al gruppi idrossile della carinitina a

formare acil-carinitina nella seconda reazione dello shuttle; questa transesterificazione è

promossa dall’enzima carnitina aciltrasferasi I. L’estere così formato entra nella matrice

terza

per diffusione facilitata attraverso il trasportatore acetil-carnitina/carnitina. Nella

reazione dello shuttle il gruppo acile lipidico viene trasferito per via enzimatica dalla

carnitina al CoA mitocondriale in una reazione promossa dalla carnitina aciltrasferasi II.

La carnitina ora liberata ritorna nello spazio intermembrana attraverso il trasportatore

per ricominciare il ciclo. Questo sistema a tre step connette due pool separati di CoA: quello

citosolico e quello mitocondriale.


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DETTAGLI
Esame: Biochimica
Corso di laurea: Corso di laurea in Scienze e tecnologie biologiche
SSD:
Università: Trieste - Units
A.A.: 2017-2018

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher francescavpegorer 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 Trieste - Units o del prof Gennaro Renato.

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