Biochimica medica

O.

� 2

L’ATP si forma facilmente nell’enzima dalla sintesi di ADP e � anche in assenza

�

della forza motrice protonica. In soluzione questa sintesi non avviene perché le

due molecole siano messe in posizione appropriata e questo non avviene. Tuttavia

l’ATP non può lasciare il sito catalitico della ATP sintasi se non in presenza del

flusso protonico attraverso l’enzima. Quindi il gradiente protonico non serve a

formare ATP ma a liberarlo dal sito catalitico.

La forza protonica fa sì che le tre subunità � con funzione catalitica, svolgano una

diversa attività nella reazione in ogni determinato istante a seconda del tipo di

contatto che hanno con la subunità �, infatti questa è asimmetrica. Quindi

modificherà in maniera diversa la struttura delle subunità � che quindi

svolgeranno funzioni diversi. La rotazione (circa 60°) della subunità � fa cambiare

conformazione alle subunità �. In particolare a seconda della posizione di � le

subunità � possono essere nella conformazione:

L, lassa che lega ADP e � .

 �

T, tesa che lega l’ATP e permette la conversione dell’ADP e � in ATP.

 O, aperta che rilascia ATP e lega ADP.



In particolare i tre siti � cambiano funzione in modo sequenziale in seguito al

flusso di protoni.

L’ATP sintasi possiede una parte mobile (anello c e stelo ��) ed una fissa o

stazionaria formata dalle altre parti della molecola. L’aggiunta e la successiva

idrolisi di ATP (l’ATP sintasi ha anche attività ATPasica) induce la rotazione che può

essere osservata con il microscopio a fluorescenza.

Il movimento del complesso c che poi permette alla subunità � di interagire con le

varie subunità �. In realtà il complesso c è caratterizzato dalla presenza al suo

interno di due semicanali idrofilici, uno che viene definito semicanale

citoplasmatico che comunica con lo spazio intermembrana ricco di protoni ma non

con la matrice, l’altro comunica con la matrice ma non con spazio intermembrana

ricco di protoni. Inoltre è presente un residuo di aspartico presente su ogni

subunità c.

Un protone entra nel semicanale esterno e arriva in corrispondenza della porzione

del complesso c in cui è presente l’acido aspartico. Questo protone va a protonare

il residuo di acido aspartico, annullando una carica negativa dell’aspartato.

Questo permette la rotazione di una posizione del complesso c.

Il processo si ripete fino a che il protone sull’aspartato raggiunge l’altro

semicanale aperto verso la matrice povera di protoni il che induce il suo distacco

e il passaggio alla matrice.

Ogni rotazione di 360° del complesso c e quindi della subunità � si generano tre

molecole di ATP. Quindi considerando 10 subunità nel complesso c, ogni molecola

di ATP richiede 10/3 � , cioè

+

33,33 � . Poiché un individuo maschio di 70 �� consuma circa 8,3 �� di ATP, sono

+

necessari 3,3 × 10 protoni al giorno.

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Il NADH e il FADH che vengono prodotti all’esterno della matrice mitocondriale

2

non possono attraversare la membrana mitocondriale, quindi devono essere

trasportati all’interno da un sistema navetta che viene chiamato sistema navetta

del glicerolo 3 – fosfato (G3P), ossia un trasporto di elettroni. In pratica si ha la

conversione del diidrossiacetone fosfato (DHAP) in G3P, ad opera della glicerolo 3

– fosfato deidrogenasi citoplasmatica che converte il diidrossiacetone e ossida il

NADH, quindi trasferisce gli elettroni al G3P. A questo punto il G3P viene

riconvertito in DHAP e trasferisce gli elettroni al FAD . A questo punto il FADH2 è

+

in grado di attraversare la succinato deidrogenasi e di trasferire gli elettroni al

complesso Q della catena respiratoria. Quindi gli elettroni del NADH diventano del

FADH2. Quindi il NADH citoplasmatico che utilizza questo trasporto si comporta

come FADH2, quindi il potere di questi elettroni è ridotto. Infatti quando il NADH

citoplasmatico è trasferito dalla navetta del G3P si formano 1,5 molecole di ATP

anziché 2,5. Il sistema navetta del G3P è particolarmente attivo nel muscolo.

Nel cuore e fegato funziona un sistema navetta più complesso e più efficace in

quanto il NADH citoplasmatico viene convertito in NADH mitocondriale. Questo

sistema è definito come sistema navetta malato – aspartato. In pratica

l’ossalacetato che si trova nel citosol viene convertito dall’enzima malato

deidrogenasi in malato. In quest’operazione si ha riduzione dell’ossalacetato e

ossidazione del NADH. Il malato può attraversare la membrana mitocondriale e

viene riconvertito in ossalacetato nuovamente dalla malato deidrogenasi la quale

questa volta ossida il malato a ossalacetato e riduce il NAD . A questo punto

+

l’ossalacetato può andare nel ciclo di Krebs, oppure si combina con il glutammato

e cede alcuni composti, formando l’� − chetoglutarato ed aspartato. L’� −

chetoglutarato è trasportato fuori in scambio con il malato. L’aspartato è

trasportato fuori in scambio con il glutammato. Questi scambi sono regolati da

delle proteine di trasporto specifiche.

Gli enzimi che convertono l’ossalacetato in � − chetoglutarato sono dette

transaminasi perché si ha un trasferimento di gruppi amminici.

La principale sede di degradazione degli amminoacidi è il fegato. La prima tappa è

la rimozione del gruppo � − amminico poiché i composti azotati non rientrano

nelle vie di distribuzione dell’energia. Gli enzimi che trasferiscono gruppi aminici

all’ � − chetoglutarato sono detti amminotransferasi o transaminasi.

Parallelamente avviene la degradazione dello scheletro carbonioso riemanante,

detto � − chetoacido.

L’ATP e l’ADP non diffondono liberamente attraverso la membrana mitocondriale

interna; quindi l’ingresso dell’ADP e l’uscita dell’ATP sono regolate dalla ATP – ADP

traslocasi. L’ADP esce solo se l’ATP entra e viceversa, cioè i due fenomeni sono

accoppiati. La traslocasi contiene un sito di legame per i nucleotidi che

alternativamente si affaccia sul versante citoplasmatico o della matrice.

La traslocasi contiene tre unità simili raggruppate in modo da formare un sito

attivo. La fosfato traslocasi opera in concerto con la ATP – ADP traslocasi e media

il trasporto di gruppi fosfati.La fosfato traslocasi agisce con un meccanismo di

simporto, mentre l’ATP – ADP traslocasi agisce con un meccanismo di antiporto.

I meccanismi di trasporto attraverso le membrane si dividono in:

Trasporto primario: richiede consumo di energia, normalmente sotto forma

 di idrolisi in genere di molecole di ATP, è accoppiato direttamente al

movimento della sostanza attraverso la membrana.

Trasporto secondario: non richiede direttamente ATP, ma viene sfruttata la

 differenza di potenziale elettrochimico creata dai trasportatori attivi che

pompano ioni al di fuori della cellula e consumano ATP. I tre tipi di trasporto

secondario:

Uniporto: vede il passaggio di un composto da una parte all’altra della

o membrana.

Simporto: vede il passaggio di due composti accoppiati che si

o spostano nella stessa direzione.

Antiporto: vede il passaggio di due composti che si dirigono in versi

o opposti.

La resa in ATP dalla completa ossidazione del glucosio è una stima e non si

possono fare conti esatti. In precedenza si dava come stima 36 ATP, tuttavia

adesso ammonta a circa 30 o 32 ATP; questo valore dipende dal sistema navetta

utilizzato (3 nel caso si utilizzi il sistema navetta G3P, mentre 5 nel caso si utilizzi

il sistema navetta malato – aspartato).

−

Gli � non fluiscono nella catena respiratoria se l’ADP non viene fosforilato ad ATP.

Quindi la concentrazione di ADP regola la velocità della fosforilazione ossidativa.

La velocità di consumo di � nei mitocondri aumenta aggiungendo ADP e rallenta

2

all’esaurimento dell’ADP. −

La sintesi di ATP da ADP e � controlla il flusso di � dal NADH e FADH . Quindi la

� 2

velocità della fosforilazione dipende anche dalla disponibilità di NAD e FAD ; di

+ +

conseguenza è controllata indirettamente anche dal ciclo di Krebs. Infatti se il

ciclo di Krebs rallenta, allora rallenta anche la sintesi di NAD e FAD ; di

+ +

conseguenza rallentano anche gli elettroni trasferiti e quindi c’è meno energia

potenziale per fosforilare l’ATP. Dal momento che il ciclo di Krebs è regolato dalla

concentrazione di acetil – CoA, per capire quanto veloce è il meccanismo di

fosforilazione ossidativa, bisogna osserva quanto è attiva la glicolisi e quanto è

attiva la degradazione degli acidi grassi, ossia le vie che portano alla sintesi di

acetil – CoA.

Quando si ha il disaccoppiamento tra la fosforilazione ossidativa e la sintesi di ATP

si ha una generazione di calore che viene utilizzata nei mammiferi adatti al freddo

e sembra anche nell’uomo. Il fenomeno si verifica nel grasso bruno che è ricco di

mitocondri. Il disaccoppiamento è possibile grazie ad una proteina disaccoppiante

(UCP – 1), o termogenina, che ha una struttura molto simile alla ATP – ADP

traslocasi e che attua un meccanismo di trasporto di tipo uniporto. L’UCP – 1

genera calore circuitando la batteria protonica mitocondriale, cioè l’energia del

gradiente protonico non viene usata per fare ATP ma per generare calore.

Il meccanismo si attiva quando la temperatura corporea comincia a scendere e

segue una risposta ormonale che induce la liberazione di acidi grassi dai

triacilgliceroli che a loro volta attivano la termogenina.

Recentemente, oltre alla proteina UCP – 1 è stata descritta la presenza di UCP – 2,

situato in molti tessuti, ed UCP – 3., situato soprattutto nel muscolo scheletrico e

nel tessuto adiposo bruno.I geni per le proteine UCP – 2 e UCP – 3 sono localizzati

in regioni del cromosoma umano che codifica per geni collegati all’obesità. È

quindi possibile che UCP – 2 e UCP – 3 siano implicati nella regolazione del peso

corporeo.

Il disaccoppiamento mediato da UCP – 1 determinala così detta termogenesi

senza brividi. Invece, la termogenesi da brivido è la contrazione ritmica

isometrica, cioè senza movimento, da parte del muscolo scheletrico. Dal punto di

vista sequenziale, prima avviene la termogenesi senza brivido e poi la

termogenesi da brivido.

Il brivido muscolare produce un calore che può innalzarsi anche di 6 – 8 volte

rispetto al