Biochimica

ATP.Un altro sistema di trasporto a navetta è quello del malato/aspartato.

In questo sistema la malatodeidrogenasi citoplasmatica ossida il NADH e riduce l'ossalacetato a malato. Il malato entra nella matrice mitocondriale dove viene poi riossidato dalla malato deidrogenasi del ciclo di Krebs, che utilizza anch'essa il NAD+. Poiché l'ossalacetato non può attraversare la membrana interna, esso viene trasnamminato ad asparato e quindi trasportato all'esterno per essere riconvertito in ossalacetato e ricominciare di nuovo il ciclo.

Resa energetica del metabolismo ossidativo

Calcoliamo quanta energia si ottiene sotto forma di ATP dal catabolismo ossidativo completo del glucosio.

Glicolisi: Glucosio + 2 ADP + 2 P + 2 NAD+ → 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 4 H+ + 2 H2O

Un glucosio viene convertito in 2 molecole di piruvato con produzione di 2 ATP e 2 NADH (circa 7 ATP).

Complesso della piruvato deidrogenasi: 2 Piruvato + 2 NAD+ + 2 CoA-SH → 2 Acetil-CoA

2 NADH + 2 CO₂ 22 molecole di piruvato vengono convertite in 2 molecole di acetil-CoA con produzione di 2 NADH (circa 5 ATP).

Ciclo dell'acido citrico (compresa la conversione di GTP ad ATP):

+ → 2 Acetil-CoA + 6 H₂O + 6 NAD⁺ + 2 FAD + 2 ADP + 2 P → 4 CO₂ + 6 NADH + 2 FADH₂ + 2 ATP^2-

Per ogni ciclo si generano circa 10 ATP (due giri del ciclo, uno per gruppo acetile, producono 20 ATP).

Reazione complessiva: + + → Glucosio + 10 NAD⁺ + 2 FAD + 4 H₂O + 4 ADP + 4 P → 6 CO₂ + 10 NADH + 4 H⁺ + 2 FADH₂ + 4 ATP^2-

In condizioni aerobiche una molecola di glucosio può potenzialmente promuovere la sintesi di 32 molecole di ATP (solo 2 ATP in condizioni di anaerobiosi).

Consideriamo che le cellule che utilizzano il sistema di trasporto a navetta del glicerolo fosfato pagano un costo energetico. Infatti, gli elettroni del NAD ridotto citoplasmatico entrano nella catena respiratoria sotto forma di FADH₂ dando luogo quindi a 1,5 molecole di ATP e non a 2,5. Questo diminuisce la resa totale in

ATP.2 Sapendo che il ΔG° per l'ossidazione completa del glucosio è -685,6 kcal/mole e quello per l'idrolisi dell'ATP è -7,3 kcal/mole, possiamo calcolare l'efficienza di funzionamento di questa macchina biochimica: (32ATP x 7,3 = 233,6)/685,8 risulta pari a circa il 34% in condizioni standard. Tuttavia, l'efficienza in vivo è più alta, considerando un ΔG° per l'idrolisi dell'ATP pari a circa -12 kcal/mole: (32ATP x 12 = 384)/685,8 = 56%.

GLICOGENOLISI Il glicogeno costituisce la principale fonte energetica per la contrazione del muscolo scheletrico mentre il fegato ricava la maggior parte della sua energia metabolica dall'ossidazione degli acidi grassi. Il glicogeno epatico ha quindi una funzione completamente diversa agendo principalmente come regolatore del livello di glucosio ematico, regola la glicemia. Assicura una concentrazione costante di glucosio al cervello. Il fegato contiene

Scorte di glicogeno relativamente abbondanti, dal 2 all'8% del peso dell'organo. Sebbene levie biosintetiche e cataboliche del glicogeno siano simili nel fegato e nel muscolo, il controllo endocrino è deltutto differente.

La mobilizzazione del glicogeno richiede il distacco successivo di singole unità di glucosio dall'estremità non riducente mediante scissione fosforolitica che avviene in seguito all'addizione al legame di un residuo di acido fosforico. L'enzima che catalizza la fosforolisi è una fosforilasi. Il vantaggio del meccanismo fosforolitico consiste nel fatto che la mobilizzazione del glicogeno fornisce la maggior parte delle unità di monosaccaridiche in forma di zuccheri già fosforilati, che possono essere convertite direttamente in intermedi glicolitici senza l'investimento di ulteriore ATP.

Glicogeno fosforilasi: La degradazione del glicogeno richiede la scissione fosforolitica sequenziale dei legami.

α(1->4) catalizzata dalla glicogeno fosforilasi che rilascia glucosio-1-fosfato dalle estremità non riducenti del polimero di glucosio (parte sinistra, senza C1 libero). La reazione è termodinamicamente reversibile (ΔG°’= +0,7 kcal/mole). La fosforilasi non può tuttavia agire quando raggiunge i punti di ramificazione α(1→6) e la rottura dei legami si ferma quattro residui di glucosio prima del punto di ramificazione. Il processo di deramificazione comporta l'azione di un secondo enzima, detto “enzima deramificante”, una glucantransferasi, che catalizza due reazioni. L'enzima rimuove dapprima tre dei residui di glucosio restanti e trasferisce l'intero trisaccaride all'estremità di qualche altra ramificazione esterna. Successivamente il residuo di glucosio restante, che è ancora attaccato alla catena con un legame α(1→6), viene rimosso per effetto dell'attività

α(1→6)-glicosidasica dello stessoenzima. Viene prodotta una molecola di glucosio libero e una ramificazione di tre residui di glucosio conlegami α(1→4). L'immagazzinamento dell'energia sotto forma di polimero altamente ramificato è spiegato dalla necessità di generare energia molto rapidamente. La glicogeno fosforilasi attacca legami esoglicosidicirimuovendo un'unità alla volta a partire dalle estremità non riducenti. Più estremità esistono in un polimero, più veloce sarà la degradazione del polimero stesso. Il glucosio-1-fosfato entra nella glicolisi, a livello dellamuscolatura scheletrica, a seguito della sua isomerizzazione a glucosio-6-fosfato ad opera dellafosfoglucomutasi, oppure, a livello epatico, viene convertito a glucosio libero per l'azione della glucosio-6-fosfatasi, che idrolizza il glucosio-6-fosfato a glucosio e fosfato.La glicogeno fosforilasi muscolare esiste in due forme

interconvertibili: la fosforilasi a, relativamente attiva e la fosforilasi b, relativamente inattiva. Un residuo di serina è fosforilato nella forma attiva, la fosforilasi a, mentre i residui di serina sono presenti in forma non modificata nella fosforilasi b, meno attiva. Il principale ormone che promuove la glicogenolisi nel muscolo è l'adrenalina, mentre la mobilizzazione del glicogeno epatico è stimolata in gran parte dal glucagone. L'insulina regola e stimola l'entrata del glucosio nelle cellule per essere accumulato in forma di glicogeno.

La regolazione della degradazione del glicogeno (e la sua sintesi) è un esempio di meccanismo di regolazione a cascata, un processo in cui l'intensità del segnale regolatorio iniziale è amplificato parecchie volte mediante una serie di processi di attivazione enzimatica. Il glicogeno è la fonte di energia metabolica più immediatamente disponibile ed è quindi importante.

che gli animali siano in grado di attivare la mobilizzazione del glicogeno in maniera molto rapida.

GLICOGENOSINTESI

Le principali forme di conservazione del glucosio sono il glicogeno e l'amido. Gli zuccheri legati a nucleotidi sono i substrati di reazioni di polimerizzazione che formano disaccaridi, glicogeno, altri polisaccaridi, anche quelli complessi. Il glicogeno è la principale fonte di riserva dei carboidrati. Viene accumulato nel fegato e nel muscolo scheletrico.

La prima tappa della glicogenosintesi è la fosforilazione del glucosio a formare glucosio-1-fosfato. Successivamente viene formato l'UDP-glucosio, il substrato della sintesi del glicogeno. La catena viene allungata da parte della glicogeno sintasi e le ramificazioni sono formate dalla glicosil transferasi. La glicogeno sintasi e la glicogeno fosforilasi sono regolate in modo complementare.

GLUCONEOGENESI

La gran parte degli organi degli animali è in grado di metabolizzare diversi substrati per

ottenere l'energia necessaria. Il cervello e il sistema nervoso centrale richiedono glucosio come unica o prevalente fonte di carbonio; questo è vero anche per alcuni altri organi. Di conseguenza i tessuti animali devono sintetizzare glucosio a partire da altri precursori e mantenere il tasso di glucosio (glicemia) nel sangue entro limiti alquanto ristretti: questo è necessario per un buon funzionamento del cervello e del sistema nervoso centrale, ma anche per produrre i precursori necessari per l'immagazzinamento del glicogeno in altri tessuti. (es il ciclo di Cori usa acido lattico, che si può ricavare anche dalla glicolisi. Questo può riessere trasformato in glucosio). Il cervello umano richiede circa 120 grammi di glucosio al giorno (70/80%) su un totale di circa 160 grammi richiesti da tutto l'organismo. Durante periodi di digiuno di durata superiore a un giorno il glucosio deve essere sintetizzato a partire da altri precursori. Questo siverifica anche nel caso di un'intensa attività fisica, quando le riserve di glucosio vengono rapidamente esaurite. Il processo di sintesi del glucosio viene chiamato gluconeogenesi. La gluconeogenesi è definita la biosintesi di carboidrati a partire da precursori a tre o a quattro atomi di carbonio, cioè da composti carboniosi di natura generalmente non saccaridica. I principali substrati della gluconeogenesi sono: - Il lattato, prodotto dalla glicolisi nel muscolo scheletrico e negli eritrociti; - Gli amminoacidi, ottenuti dalle proteine introdotte con l'alimentazione o dalla demolizione delle proteine muscolari durante il digiuno; - Uno specifico amminoacido, l'alanina, prodotto nel muscolo attraverso il ciclo del piruvato-alanina; - Il glicerolo, che deriva dal catabolismo dei grassi. La gluconeogenesi avviene principalmente nel citosol e l'organo dove avviene la maggior parte della gluconeogenesi è il fegato. Il glucosio sintetizzato

Nella gluconeogenesi sarà utilizzato:

• Dal tessuto nervoso per produrre energia;
• Dal muscolo scheletrico per generare ATP o per accumulare glicogeno (se avviene il ciclo di Cori trafegato e tessuto muscolare);
• Oltre che, nel fegato, per biosintetizzare altri carboidrati, amminozuccheri, polisaccaridi complessi e icarboidrati che costituiscono le glicoproteine e i glicolipidi.

I processi biosintetici non sono mai semplicemente l'inverso delle corrispondenti vie cataboliche. La gluconeogenesi assomiglia a una glicolisi che procede in senso inverso ma, tuttavia, nei punti cruciali di regolazione costituiti da reazioni fortemente esoergoniche vengono utilizzate reazioni enzimatiche differenti. Questi siti vengono regolati in maniera reciproca in modo che le condizioni fisiologiche che attivano la glicolisi inibiscano la gluconeogenesi e viceversa. La glicolisi è altamente esoergonica: tre delle sue reazioni sono così altamente esoergoniche da essere irreversibili.

le reazioni catalizzate dalla esochinasi, dalla fosfofruttochinasie e dalla piruvato chinasi. Ovviamente, per aggirare reazioni f