Biochimica - Programma completo

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

Il NADH e il FADH formati nella glicolisi, nell’ossidazione degli acidi grassi e nel ciclo di Krebs sono molecole

ricche di energia poichè contengono una coppia di elettroni che hanno un alto potenziale di trasferimento.

Quando questi elettroni sono utilizzati per ridurre l’ossigeno molecolare ad acqua, si libera una grande quantità

di energia che può essere usata per produrre ATP. La

fosforilazione ossidativa è costituita da una serie

(catena) di reazioni in sequenza in cui gli elettroni

vengono trasferiti da una molecola all’altra fino ad

arrivare all’ossigeno che si riduce ad acqua. Viene detta

anche catena di trasporto degli elettroni o catena

respiratoria. Il ciclo di Krebs avviene a livello della matrice

mitocondriale mentre la fosforilazione si svolge a livello

della membrana interna del mitocondrio. Questo è dovuto 23/10/2018

al fatto che il sistema è costituito da una serie di complessi multienzimatici (I ,II, III, IV, V), che hanno

dimensioni molto elevate e sono localizzati come strutture transmembrana. In particolare il processo I, III, IV, V

attraversano l’intero doppio strato della membrana fosfolipidica interna del mitocondrio, mentre il processo II

sporge solo nella porzione interna nella matrice del mitocondrio. Sono processi multienzimatici, ossia sono

costituiti dall’associazione di più catene polipeptidiche (proteine legate a gruppi prostetici). La parte proteica

di questi complessi è quella che catalizza la reazione, mentre i gruppi prostetici sono coinvolti nelle reazioni di

scambio di elettroni all’interno della catena respiratoria. Il trasferimento degli elettroni si realizza a cascata dal

processo primo fino al quinto.

- Complesso I: localizzato al livello della membrana, è il

primo complesso. Il NADH cede i suoi due elettroni al

complesso primo e si trasforma in NAD ossidato. Gli

elettroni passano a cascata attraverso una serie di

gruppi chimici, ossia mediante un trasferimento verso

potenziali di riduzioni sempre più bassi in cui si ha

quindi una perdita di energia del sistema che viene

accumulata. Il gruppo chimico del complesso primo

che acquisiscono gli elettroni sono FNM (flavina

mononucleotide) che si riduce a FNM ridotto il quale a

sua volta si riduce trasferendo gli elettroni che

tramite il meccanismo a cascata ad altri gruppi

prostetici delle proteine, detti centri ferro-zolfo.

Questi si formano perchè il residuo laterale della

cisteina (gruppo laterale -SH) forma legami chimici con

il ferro. Il ferro accetta o cede gli elettroni oscillando tra due stati di ossidazione Fe+2 e Fe+3. In seguito gli

elettroni vengono ceduti ad un trasportatore mobile di elettroni, che è una piccola molecola idrofobica

associata non covalentemente al complesso I. Quando questa molecola riceve gli elettroni dall’ultimo

centro ferro-zolfo si riduce. Questo composto si chiama

coenzimaQ, e riducendosi passa da ubichinone a ubichinolo.

Il coenzima Q è un forte antiossidante in quanto ha una

forte tendenza ad accettare elettroni. Successivamente si

stacca dal complesso I ed essendo lipofilo è in grado di

diffondere attraverso la membrana plasmatica e portare gli

elettroni al complesso III. Gli elettroni scendono attraverso

un gradiente di energia sempre più basso, questa energia

liberata viene utilizzata da una subunità del complesso primo per spostare attivamente protoni dalla

matrice mitocondriale allo spazio intermembrana. Necessito di energia perchè è uno spostamento contro

gradiente. Per ogni coppia di elettroni ceduta dal NAD, vengono pompati nello spazio intermembrana 4

protoni.

- Complesso II: non riceve elettroni dal processo primo. Ha il compito di

accogliere gli elettroni provenienti dal FADH e dall’acido succinico o

succinato, che viene in parte prodotto dal ciclo di Krebs ma è prodotto

anche da altri processi metabolici. Il succinato e il FADH entrando nel

complesso II cedono gli elettroni. Struttura molto complessa in quanto

costituito da diverse proteine associate tra loro che contengono delle

molecole coniugate che hanno il compito di trasferire elettroni. A

differenza del complesso I, il II non è una pompa protonica. Il suo unico

compito è quello di raccogliere gli elettroni, trasferirli a cascata ai centri

ferro-zolfo delle proteine che contiene, fino a quando vengono trasferiti

al coenzimaQ. L’ubichinolo si stacca quindi dal complesso II e migra verso

il processo III.

- Complesso III: costituito da proteine che contengono gruppi prostetici. In

questo caso le proteine hanno i gruppi eme. Un gruppo eme è il gruppo

prostetico che nell’emoglobina permette il legame con l’ossigeno. La

struttura è quella di anelli di atomi di carbonio con l’azoto che forma un

legame di coordinazione con il ferro. Anche in questo caso, come nei

centri ferro-zolfo, il ferro che cede e acquista elettroni passando dal Fe+2 a Fe+3 e viceversa. Le proteine

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coniugate al gruppo eme prendono il nome di citocromi e

hanno un nome diverso a seconda della natura chimica

del gruppo eme ad esse legato. Nel complesso terzo il

coenzima Q che deriva dal I e dal II cede gli elettroni al

citocromo. Dal citocromo c1, gli elettroni sono trasferiti al

citocromo c che è una piccola cromoproteina che può

funzionare da trasportatore di elettroni, analogamente al

coenzimaQ. Questa si stacca dal processo

multienzimatico si diffonde nel doppio strato fosfolipidico e arriva al complesso IV. Anche il processo terzo è

una pompa protonica, ossia l’energia ottenuta dalla caduta di potenziale degli elettroni nelle reazioni redox

viene usata per pompare attivamente protoni dalla matrice allo spazio intermembrana. In questo modo si

ha un progressivo accumulo di carica negativa nella matrice e un progressivo accumulo di carica positiva

nello spazio intermembrana.

- Complesso IV: i gruppi prostetici di questo

complesso sono i centri rame-zolfo. Il citocromo c

trasferisce gli elettroni al centro rame-zolfo, poi al

citocromo a, al citocromo a3, nuovamente ad un

centro rame-zolfo e infine all’ossigeno. L’ossigeno

è l’accettore finale di elettroni della fosforilazione

ossidativa, che si riduce ad acqua. Anche nel

complesso IV, l’ingresso di elettroni comporta la

fuoriuscita dei protoni dalla matrice.

- Complesso V- ATPsinteasi: necessario per la

formazione di ATP. Il trasferimento dei protoni nello spazio intermembrana ha creato un gradiente

elettrochimico: ambiente negativo nella matrice e ambiente positivo nello spazio intermembrana. Questa

situazione non è stabile in quanto il sistema tenderà a spostare le cariche attraverso la membrana per

bilanciarle. Il processo V, attraverso la sua subunità detta F0, costituisce un canale tra spazio

intermembrana e matrice attraverso il quale spontaneamente i protoni possono fluire verso la matrice.

Questo processo essendo spontaneo provoca un rilascio energetico. Il complesso V con la sua subunità F1

sintetizza ATP usando l’energia dovuta al flusso di protoni. Per ogni molecola di NADH entrato nella catena

di trasporto di elettroni si ottengono 3 molecole di ATP. A questo punto del glucosio di partenza rimane solo

acqua, anidride carbonica e ATP.

Complessivamente tramite glicolisi, ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa ottengo 38 molecole di ATP da una

molecola di glucosio. 24/10/2018

Il metabolismo dei grassi

Tralasciando il tessuto nervoso, le altre cellule del nostro organismo sono in grado di sintetizzare ATP anche a

partire dagli acidi grassi. Gli acidi grassi che possono essere usati per produrre energia sono quelli derivanti

dalla dieta o quelli liberati dal tessuto adiposo in cui erano stati immagazzinati sotto forma di trigliceridi. Il

processo di degradazione degli acidi grassi è un processo necessariamente aerobico e si svolge nei mitocondri.

β-OSSIDAZIONE

E’ il processo di degradazione degli acidi grassi e si svolge all’interno dei mitocondri. Il suo nome deriva dal fatto

che viene ossidato il carbonio beta a gruppo carbossilico. Questa

ossidazione permette il progressivo distacco di frammenti

dell’acido grasso sotto forma di acetilCoA. Una volta assorbiti, gli

acidi grassi devono passare dal citosol all’interno del mitocondrio

passando attraverso la sua doppia membrana. Gli acidi grassi a

catena corta (3-4-5 atomi di C), che sono i meno abbondanti,

entrano per diffusione. Quelli a lunga catena devono essere

trasportati perchè pur essendo lipofili sono molto grandi e hanno

un elevato peso molecolare. Subiscono quindi un processo di

trasporto attivo attraverso la membrana. Per effettuare questo

passaggio devo essere attivati, ossia si legano (usando energia)

al coenzimaA mediante il gruppo carbossilico formando una traslocasi

molecola di acilcoenzimaA. Questo complesso viene poi portato

all’interno del mitocondrio mediante una proteina di trasporto

detta traslocasi. Una volta all’interno l’acilcoenzimaA può essere degradato.

La beta-ossidazione è un processo catabolico in cui la catena di acido grasso viene accorciata di due atomi di

carbonio progressivamente, e ad ogni passaggio di accorciamento della catena viene rilasciata una molecola

di acetilcoenzimaA. Questa molecola può quindi entrare all’interno del ciclo di Krebs. Ogni riduzione della

catena avviene a seguito di quattro reazioni enzimatiche che avvengono in sequenza. Nel caso in cui l’acido

grasso sia un acido a numero pari di atomi di

carbonio, ottengo un numero di C/2 molecole di

acetilcoenzimaA. Nel caso di acido a numero

dispari di atomi di C, si hanno molecole di

acetilcoenzimaA e una molecola a tre atomi di

C di proprionilcoenzimaA. In questo caso agisce

un enzima che riporta quella molecola ad acido

grasso a quattro atomi di C che viene scisso in

due molecole di acetilcoenzimaA. In ogni

ripetizione delle reazioni enzimatiche che

avvengono prima del taglio dell’acido grasso, si

ha la formazione di una molecola di FADH e una

di NADH, perchè due di queste reazioni sono

reazioni redox. Questi, assieme all’acetilcoenzimaA possono entrare nella catena respiratoria, il NADH a

formare 3 ATP e il FADH a 2 formare 2 ATP. In questo modo posso calcolarmi il quantitativo di ATP che io posso

produrre a partire da un acido grasso a n atomi di carbonio. L’acido grasso viene quindi trasformato in anidride

carbonica, acqua e ATP.

LIPOGENESI

Processo in cui vengono sintetizzati acidi grassi a partire da

carboidrati e proteine. Questo avviene perchè se noi

ingeriamo più nutrienti di quanto sia l’esigenza energetica del

momento, il nostro corpo cerca un modo per immagazzinare questa energia in eccesso. I carboidrati e le

24/10/2018

proteine sono trasformati in acidi grassi e sono accumulati nel tess