Biochimica - Riassunti completi

L’ATP:

L’ATP è una molecola ad alto contenuto energetico utilizzata per il trasferimento di energia nelle

rezioni metaboliche. Nel corpo ne è presente meno di 1g ma il consumo giornaliero è di 45 kg; c’è

un alto rapporto ATP-ADP; oltre l’ATP vengono usate altre molecole per il trasferimento di

energia; nei batteri la riserva di ATP dura 1 secondo.

L’energia che porta l’ATP è data dall’idrolisi del legame fosfoanidridico in γ: se tale energia non è

sufficiente allora si può formare AMP più pirofosfato che viene scisso in due ioni fosfato (Pi) dalla

pirofosfatasi. Stabilizzazione per risonanza quindi il contenuto

energetico è minore rispetto all’ATP

10

il ΔG di idrolisi dell’ATP in ADP+Pi è di -30,5 Kg/mol

10

perciò la reazione inversa deve avere un ΔG uguale

o maggiore. Nelle cellule aerobie l’ATP viene

risintetizzato in fosforilazione ossidativa. E nelle

cellule anaerobie l’energia necessaria è fornita da

molecole con un contenuto energetico più elevato

rispetto all’ATP. Tali molecole sono il

10

fosfoenolpiruvato (PEP ΔG = -61,9 Kg/mol) l’1,3-

10

bisfosfoglicerato (1,3 BPG ΔG = -45 Kg/mol) e la

10

fosfocreatina (PC ΔG = -40 Kg/mol). Il

fosfoenolpiruvato e l’1,3-bisfosfoglicerato sono

prodotti in glicolisi mentre la fosfocreatina è una riserva di fosfato nei muscoli.

NB: queste molecole stanno in tutte le cellule e solo nel citosol.

L’ATP è il substrato più comune (glucosio-6-fosfato; glutamina sintetasi-o-AMP; 5-fosforibosil-1-

pirofosfato; 5-adenosil-metronina).

Esempi di reazioni in cui è coinvolto l’ATP:

Il gruppo fosfato dopo l’idrolisi si lega all’enzima e lo attiva. L’energia è usata come potenziale di

trasferimento del gruppo fosfato.

Grazie all’idrolisi di ATP in AMP+PPi gli acidi grassi si attivano legandosi al CoA. Gli acidi grassi che

devono essere degradati sono riconosciuti dalla cellula (grazie al legame col CoA) affinchè non

vengano degradati i lipidi di membrana.

10

ΔG = +31,4 Kg/mol è fortemente endoenergonica: perciò è vero che la reazione inversa per

formare l’acetil CoA ha energia di almeno -31,4 Kg/mol

10

Il ΔG di idrolisi del legame tioestere è maggiore rispetto a quella di un legame estere, ma

entrambi per risonanza.

La formazione di un legame covalente tra un gruppo fosforico (ATP→ADP+Pi) ad un substrato

porta la fosforilazione del substrato ad alta energia. ECCEZIONE! Le proteine per il trasporto attivo

vengono fosforilate per cambiare la conformazione e quindi l’affinità per la molecola da

+ +

trasportare (es. Na /K ATPasi)

Come avviene la sintesi di ATP? → →

- Fosforilazione a livello di substrato; anaerobiosi citosol

- Fosforilazione ossidativa nel mitocondrio al termine del catabolismo (in condizioni di

anaerobiosi)→aerobiosi→mitocondrio

Cosa ci dice che la cellula ha bisogno di energia?

- Se c’è poco ATP sono molto attive le vie cataboliche

- Se c’è molto ATP sono molto attive le vie anaboliche

Tali vie si regolano attraverso l’azione degli enzimi.

Il Metabolismo

- Reazioni anaboliche: sono reazioni di riduzione e di biosintesi di molecole complesse;

- Reazioni cataboliche: sono reazioni di ossidazione e di degradazione di molecole grandi a

piccole molecole fino a che si ottiene CO2 anche da aminoacidi, monosaccaridi, acidi grassi

(prima zuccheri, poi acidi grassi, poi proteine).

Nelle reazioni del metabolismo c’è sempre almeno una reazione di ossidoriduzione: per ossidare il

substrato è necessario avere enzimi e coenzimi in forma ossidata che verranno ridotti e che si

riossideranno grazie alla catena di trasporto degli elettroni presente nella membrana interna del

mitocondrio accoppiata al complesso F0/F1 per la fosforilazione ossidativa. I gruppi proteici, come

il FAD, sono presenti anche nella catena di trasporto degli elettroni e non possono rimanere ridotti

-

perciò gli elettroni servono per ridurre l’ossigeno ad acqua; quindi la catena di trasporto degli e

funziona solo se c’è l’ossigeno che è portato dall’emoglobina.

L’energia liberata dalle redox (che sono tutte esoergoniche) è utilizzata in parte per tenere

costante la temperatura corporea e in parte per fare ATP.

La Glicolisi

La glicolisi è una via metabolica in cui avviene la degradazione degli zuccheri. Il glucosio entra nella

cellula in maniera favorita mediante trasportatori proteici Biosintesi: solo se la carica energetica

è alta (maggiore di 1)

ossidazione:

Ossidazione→ glicolisi

Le 10 reazioni che separano il glucosio dal piruvato possono essere distinte in due fasi:

- Le prime 5 reazioni costituiscono una fase di investimento energetico in cui gli zuccheri

fosfati vengono sintetizzati a pese di 2 moli di ATP che vengono convertite in ADP e il

substrato a 6 atomi di carbonio viene scisso in due zuccheri fosfati a tre atomi di carbonio;

- Le ultime 5 reazioni rappresentano una fase di produzione energetica, in cui i trioso fosfati

sono convertiti in composti ad alta energia. Questi composti trasferiscono 4 moli di fosfato

all’ADP sintetizzando 4 moli di ATP.

La resa netta è pari a 2 moli di ATP, 2 moli di piruvato per mole di glucosio metabolizzato.

N.B. sono prodotti due equivalenti di riduzione sotto forma di NADH.

Reazione 1: il primo investimento di ATP

Lo ione magnesio è necessario dal momento che la forma reattiva dell’ATP è il suo complesso

++

chelato con Mg . L’esochinasi è caratterizzata dalla bassa specificità per gli zuccheri e dalla bassa

Km per questi substrati (0,1mM): la bassa specificità permette la fosforilazione di vai zuccherri

esosi permettendo la loro utilizzazione attraverso la glicolisi. L’esochinasi è inibita

retroattivamente dal suo prodotto, il glucosio-6-fosfato (meccanismo che controlla l’ingresso dei

substrati nella via licolitica). Una forma di esochinasi con la Km elevata permette al fegato, in

condizioni di glicemia elevata, di regolare l’utilizzazione del glucosio in funzione della sua

disponibilità.

Reazione 2: isomerizzazione del glucosio-6-fosfato

Questa reazione procede mediante un intermedio enediolico. Il trasferimento dell’ossigeno dal

carbonio 1 al carbonio 2 fa si che il gruppo ossidrilico creato al livello del carbonio 1 possa essere

fosforilato nella reazione successiva.

Reazione 3: il secondo investimento di ATP

La fosfofruttochinasi 1 (PFK) rappresenta il sito primario di regolazione di flusso del carbonio

attraverso la glicolisi. La PFK è un enzima allosterico a cui attività è estremamente sensibile allo

stato energetico della cellula come ai livelli di altri intermedi come gli acidi grassi. Le interazioni

con gli effettori allosterici attivano la PFK: tale attivazione aumenta il flusso di carbonio attraverso

la glicolisi quando è necessario generare più ATP, mentre lo inibisce quando la cellula dispone di

grosse riserve di ATP o substrati ossidabili. - ATP: modulatore allosterico negativo

- AMP: modulatore allosterico positivo

Modulatore negativo: minor affinità per il substrato

e maggior Kos

Modulatore positivo: maggior affinità per il

substrato e minor Kos.

Reazione 4: scissione dei due triosi fosfati

Nelle condizioni presenti nella cellula, l’aldolasi scinde il fruttosio 1,6 bisfosfato, anche se si può

prevedere che agisca in senso opposto nelle condizioni standard.

Reazione 5: isomerizzazione del diidrossiacetonefosfato

Il diidrossiacetonfosfato deve essere isomerizzato a gliceraldeide-3-fosfato in modo che vengano

utilizzati tutti e 6 gli atomi di carbonio. L’isomerizzazione del diidrossiacetonfosfato procede

attraverso un intermedio enediolico. Entrambe le molecole di gliceraldeide-3-fosfato verranno

metabolizzate a dare composti ad alto contenuto energetico.

Se c’è troppo ATP il diidrossiacetonfosfato non isomerizza a gliceraldeide, ma si forma gliceolo.

Reazione 6: produzione del primo composto ad alta energia

La reazione è debolmente endoergonica in quanto l’enzima utilizza la maggior parte dell’energia

rilasciata per sintetizzare l’1,3-BPG, che contiene un acil-fosfato in posizione 1: è un gruppo

10 +

funzionale con un ΔG di idrolisi di -49,4 Kj/mol. Questo enzima richiede un coenzima, il NAD che

riceve elettroni dal substrato da ossidare. Poiché il gruppo acil-fosfato è molto più ricco di energia

dei legami anidridici tra i residui di fosfato dell’ATP, l’1,3-BPG può promuovere la sintesi di ATP a

partire dall’ADP. +

N.B. la gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi è l’unico enzima della glicolisi NAD dipendente!!

Reazione 7: la prima fosforilazione a livello di substrato

A questo punto il bilancio netto di ATP è zero in quanto tale reazione genera 1 mole di ATP per

mole di trioso fosfato, ossia 2 moli di ATP per mole di glucosio. È una delle poche reazioni della

glicolisi fortemente esoergoniche.

Reazione 8: preparazione alla sintesi del successivo composto ad alta

energia

L’enzima (che è una trasferasi)contiene un residuo di fosfoistidina nel sito attivo: nel primo

passaggio della reazione il guppo fosfato è trasferito al substrato a dare un intermedio, il 2,3-BPG;

la demolizione dell’intermedio legato all’enzima rigenera l’enzima fosforilato e dà luogo alla

formazione del prodotto che viene rilasciato.

Enzima-P + 3-P-glicerato→ enzima 2,3-BPG→ enzima-P + 2-P-glicerato

Reazione 9: sintesi del secondo composto ad alta energia

La reazione prevede una semplice disidratazione (α, β eliminazione) con una modesta variazione di

energia. Tuttavia l’effetto è di aumentare enormemente l’energia libera di idrolisi del legame

fosfato da -15,6 Kj/mol per il 2-fosfoglicerato a -61,9 Kj/mol per il fosfoenolpiruvato. Il carbonio 2

del PEP è ‘’bloccato’’ nella configurazione enolica sfavoita e, la grande instabilità termodinamica

dell’enolpiruvato è la principiale responsabile del valore estremamente negativo dell’energia

libera di idrolisi del fosfoenolpiruvato.

Reazione 10: la seconda fosforilazione a livello di substrato

La piruvato chinasi catalizza la seconda reazione glicolitica che comporta produzione di ATP.

+ +

L’enzima richiede K e Mg . Sebbene la reazione includa la sintesi endoergonica di ATP il processo

è fortemente esoergonico [-61,9 + 30,5= -31,4 Kj/mol].

I carboidrati introdotti con la dieta inducono l’espressione della piruvato chinasi e aumentano la

capacità del corpo di otte