Biochimica

BIOENERGETICA E INTRODUZIONE AL METABOLISMO

Il metabolismo è la somma di tutte le trasformazioni che avvengono in una cellula e opera attraverso una serie di reazioni catalizzate da enzimi che costituiscono le vie metaboliche.

Catabolismo → è la fase degradativa del metabolismo, che avviene attraverso reazioni di ossidazione, in cui le molecole organiche (carboidrati, lipidi e proteine) vengono convertite in prodotti finali più semplici. Lo scopo è quello di estrarre energia, conservata sotto forma di ATP e di trasportatori di energia in forma ridotta (FADH2, NADH, NADPH).

Anabolismo → è la fase di sintesi di macromolecole che avviene attraverso reazioni di riduzione ed ha bisogno di energia che viene ricavata grazie al trasferimento di un gruppo fosfato dell'ATP e del potere riducente di NADH, NADPH e FADH2.

Le vie cataboliche sono convergenti, quelle anaboliche sono divergenti.

Se considero il catabolismo, esso può utilizzare glucosio, lipidi,

proteine: - Prima ipotesi errata → potrei immaginare che le vie metaboliche sono divise tra di loro, il glucosio non ha nulla a che fare con i lipidi o le proteine, ma se così fosse avremmo bisogno di un numero elevatissimo di enzimi che possano degradare le varie molecole, il che sarebbe impossibile; - Seconda ipotesi corretta → che si parta da proteine, zuccheri o lipidi, all'inizio ci saranno enzimi dedicati ad ognuno di loro ma dopo una prima fase tutta la via catabolica convergono all'interno del mitocondrio nel ciclo di Krebs. Per questo si dice che le vie cataboliche sono convergenti. Le vie metaboliche sono reazioni concatenate che possono essere lineari o cicliche da cui gli intermedi possono andare in varie direzioni. Ogni tappa ha velocità e spontaneità diverse, per questo le vie cataboliche e anaboliche usano spesso gli stessi enzimi ma hanno almeno un passaggio diverso catalizzato da un enzima diverso. Inoltre, la maggior parte dellereazioni, invece, sono irreversibili e richiedono enzimi specifici per essere completate.

3 hanno invece ΔG negativo, quindi sono irreversibili e vengono chiamate punti di regolazione. Lo scopo è quello di avere la possibilità di regolare una tappa modificando tutto il processo, poiché se si rallenta una di queste tappe, viene rallentato tutto il processo metabolico.

Compartimentalizzazione → le reazioni avvengono in compartimenti differenti, quindi è possibile regolare decidendo se quella molecola entra nel compartimento o meno.

Esempio: A seconda che ci sia o meno l'acido grasso nel mitocondrio, avviene la degradazione o no.

Le reazioni di ossidoriduzione → abbiamo detto che il catabolismo avviene attraverso reazioni di ossidazione, ma se si ossida qualcosa, vuol dire che vengono rimossi elettroni. Dunque, è necessario avere molecole che li accettino e che quindi si riducano, altrimenti avremmo radicali liberi che inducono all'invecchiamento. Nelle vie metaboliche ci sono accettori universali di elettroni. Essi sono i...

coenzimi ADP, NAD+, FAD e NADP+ che si riducono formando ATP, NADH e NADPH che a loro volta, se si ossidano portano all'anabolismo, generando un processo ciclico. Esempio processo ciclico: Dal ciclo di Krebs, quando necessario, escono intermedi che prendono la via anabolica per sintetizzare glucosio da mettere in circolo per aumentare la glicemia nei neuroni. Alcune reazioni possono essere accoppiate: Esempio: La reazione da A → B ha un ΔG positivo dunque non dovrebbe poter avvenire; per far sì che avvenga essa è accoppiata ad un'altra reazione con ΔG negativo. Se la somma dei ΔG è negativo, allora la reazione può avvenire. Il trasporto attivo primario della pompa sodio-potassio è favorito dall'idrolisi di ATP che si trasforma sotto forma di calore. Nel sito attivo l'ATP non viene idrolizzata poiché non c'è H2O. Quello che accade è un cambiamento conformazionale del Na2+ che passa.

dall'esterno della cellula all'interno attraverso il canale. Quello che fa cambiare forma alla pompa non è l'energia generata dall'ATP che viene idrolizzata. In realtà il cambio conformazionale avviene perché nel sito attivo della pompa c'è una asparagina e un ATP. - L'ATP riceve un attacco nucleofilo da parte dell'asparagina che ha un O. Da questa reazione, si libera ADP e un gruppo fosfato. L'idrolisi di ATP si porta dietro calore non trasferimento di energia. Un altro esempio di reazione accoppiata riguarda la prima reazione della glicolisi: Gluc + ATP → Gluc-6P + ADP. Si dice che la prima reazione è termodinamicamente irreversibile cioè idealmente non avverrebbe perché il ΔG è positivo. Questa reazione è come se fosse la somma di due reazioni: ATP + H2O → ADP + P1. icon ΔG molto negativo che ha come effetto liberazione di calore; Glucosio + P → Glucosio 6.

ifosfato + H2O con ΔG positivo quindi non avverrebbe mai! Idealmente la vera reazione deriva dalla somma di entrambe: l'acqua c'è all'inizio e alla fine quindi è come se non esistesse, la stessa cosa vale per il Pi. Quello che resta è la reazione scritta all'inizio. La reazione vera è che l'enzima con il sito attivo esclude l'acqua, perché altrimenti si idrolizza l'ATP cosa che non vogliamo. Dentro il sito attivo c'è il glucosio e l'ATP. Avviene un attacco nucleofilo dell'O del glucosio sull'ATP (nel fosfato gamma) che libera un Pi e si forma il glucosio 6 fosfato + ADP. Il primo effetto è quello di blindare il glucosio fosforilato così che essendo carico non può mai uscire dalla cellula (non esiste nessuna molecola che riesce a far uscire molecole fosforilate). Abbiamo speso ATP per destabilizzare il glucosio, ma nella seconda fase guadagnerà ATP.

fosfato ad una molecola di adenina) o di guanilinazione (attacco di un fosfato ad una molecola di guanina). Inoltre, l'ATP può essere utilizzato come donatore di gruppi fosfato per la fosforilazione di altre molecole, come ad esempio proteine, carboidrati e lipidi, svolgendo un ruolo fondamentale nel metabolismo cellulare. L'ATP è prodotto principalmente durante la respirazione cellulare, attraverso la fosforilazione ossidativa, ma può essere anche sintetizzato durante la fotosintesi clorofilliana nelle piante. La sua produzione avviene principalmente nel mitocondrio, ma anche nel cloroplasto nelle piante. L'ATP è una molecola essenziale per la vita delle cellule, in quanto fornisce l'energia necessaria per svolgere tutte le attività metaboliche, come la sintesi di proteine, il trasporto attivo delle molecole attraverso le membrane cellulari, la contrazione muscolare e molte altre funzioni cellulari. In conclusione, l'ATP è una molecola fondamentale per il funzionamento delle cellule, in quanto fornisce l'energia necessaria per svolgere tutte le attività metaboliche. La sua instabilità e la sua capacità di trasferire gruppi fosfato la rendono una molecola ad alto potenziale energetico, che può essere utilizzata per svolgere una vasta gamma di reazioni cellulari.gruppLa via dal glucosio al piruvato è ossidativa, quindi provoca la perdita di elettroni che vengono ceduti ad un accettore di elettroni che si riduce (NADH). Alla fine di tutto il percorso questo coenzima va dentro il mitocondrio per cedere elettroni nella catena di trasporto che sintetizza ATP. Ogni volta che c'è una ossidazione c'è anche una riduzione che ha il compito di accattare gli elettroni liberi per poi sintetizzare l'ATP. Alla fine, gli elettroni si legano all'ossigeno che si riduce ad H2O. Il muscolo va in anaerobiosi a causa di un affaticamento che determina ipossia. Così gli elettroni della catena respiratoria vengono accumulati senza potersi legare all'O. Questo provoca un accumulo di NADH e le vie metaboliche non possono più procedere. Per questo è importante che ci siano delle vie che producano ATP anche quando manca ossigeno. Queste vie sono chiamate punti di fosforilazione che formano ATP anche se in quelcaso l'ATP dovrebbe consumarsi dato che non ho un accettore di elettroni. Questo accade nella glicolisi grazie a due intermedi che perdendo il gruppo fosfato sono più stabili: - 1,3 bisfosfoglicerato; - Fosfoenolpiruvato (PEP). Avendo un P essi tendono a cederlo ed esso viene accettato dall'ADP che forma ATP. Questo processo è detto fosforilazione dell'ADP che rappresenta l'unica fonte di energia per i batteri che non avendo il mitocondrio non hanno l'accettore finale di elettroni, l'O. Più il ΔG è negativo più la molecola tende a perdere il fosfato. In conclusione, quando vedremo nelle reazioni l'ATP che si trasforma in ADP, non si tratta di altro che di un trasferimento del gruppo fosfato che non avviene grazie all'acqua e soprattutto è il risultato di reazioni accoppiate ed ha bisogno di determinati enzimi. Le reazioni diossidoriduzione AH → A (si è ossidato) B → BH (si è

Sarebbe drammatico se per ogni reazione di ossidoriduzione dovessimo avere un accettore diverso per reazione, perché i componenti della catena respiratoria, che poi prendono gli elettroni, non potrebbero ricevere un migliaio di molecole diverse che cedono elettroni. Per questo motivo ci siamo evoluti per avere solo pochi accettori di elettroni che sono i coenzimi. Quindi nelle vie cataboliche le uniche molecole che durante l'ossidoriduzione si riducono sono:

• NAD → NADH: nella maggior parte dei casi è questo che viene utilizzato dall'enzima;
• FAD → FADH: viene utilizzato in minoranza rispetto al precedente.

Famiglia delle deidrogenasi → ci sono questi enzimi tutte le volte che ci troviamo di fronte ad una reazione in cui una molecola si ossida e quindi un'altra molecola accetta i suoi elettroni.