Domande esame Biochimica

RESPIRAZIONE CELLULARE

La prima parte è la glicolisi, che avviene nel citoplasma, poi abbiamo il ciclo di krebs e la fosforilazione ossidativa che avvengono nei mitocondri.

FORMAZIONE DI ATP

STRATEGIE PER PRODURRE ATP:

1. Fosforilazione diretta dell'ADP → reazioni di fosforilazione a livello del substrato.

In condizioni di riposo le richieste di ATP sono modeste ma, nel momento in cui le fibre vengono stimolate a contrarsi, questa richiesta aumenta immediatamente.

All'interno di una cellula muscolare, in condizioni di riposo, sono immagazzinate modeste quantità di ATP, ma essa non può farvi affidamento a lungo, una volta che ha cominciato a contrarsi. Quindi per evitare la diminuzione del rifornimento di ATP, la cellula muscolare deve incrementarne il tasso di produzione per poter tenere il passo con l'aumento della velocità di utilizzazione. L'ATP che fornisce l'energia necessaria per la contrazione è prodotta nelle cellule.

muscolari dalla fosforilazione a livello del substrato e dalla fosforilazione ossidativa. Quando in una cellula aumenta il consumo energetico, si ha una riduzione della concentrazione di ATP e un aumento di quella dell'ADP. Queste variazioni inducono un aumento dell'attività degli enzimi responsabili della formazione dell'ATP, con la conseguenza che l'ATP viene prodotta a un tasso più elevato. Anche se questo avviene non appena la cellula inizia a contrarsi, queste reazioni richiedono alcuni secondi per arrivare alla velocità necessaria. Quindi per assicurare la disponibilità dell'ATP necessaria nel frattempo, i muscoli fanno affidamento su una riserva di fosfati ad alta energia ed immediatamente disponibile, il creatinfosfato (CP), che cede il suo gruppo fosfato all'ADP (che è sempre presente) per formare ATP. La cellula a riposo contiene una quantità di creatinfosfato sufficiente a fornire una quantità di ATP pari

a 4-5 volte quella presente normalmente, che consente alla cellula di mantenere la sua attività, fino a quando non entrano in gioco le altre reazioni in grado di produrre l'ATP.

La reazione del creatinfosfato con l'ADP è catalizzata dall'enzima creatinchinasi ed è reversibile:

CREATINFOSFATO + ADP → CREATINA + ATP

Il creatinfosfato è una riserva di gruppi fosfato ad alta energia nel muscolo, è quindi una riserva a cui il fosfato è stato prestato dall'ATP. Non rappresenta una vera sintesi di ATP, che avviene solo nella glicolisi.

2) FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA E CATENA RESPIRATORIA.

La fosforilazione ossidativa è un processo biochimico cellulare per la produzione di ATP nei mitocondri. Si tratta della fase finale della respirazione cellulare, dopo glicolisi e ciclo di Krebs.

La fosforilazione ossidativa è composta da due parti:

- Catena di trasporto degli elettroni: In questo processo gli elettroni trasportati da NADH e FADH2

mitocondrio rispetto alla matrice mitocondriale. Questo gradiente protonico viene sfruttato dall'enzima ATP sintasi per sintetizzare ATP. L'ATP sintasi utilizza l'energia del gradiente protonico per convertire l'ADP in ATP tramite fosforilazione. La fosforilazione ossidativa avviene dopo il ciclo di Krebs, che è una serie di reazioni chimiche che avviene nel mitocondrio e produce NADH e FADH2 come prodotti finali. Questi composti devono essere riossidati a NAD+ e FAD per poter essere riutilizzati nel ciclo di Krebs. Questa riossidazione avviene attraverso una serie di complessi proteici presenti nella membrana mitocondriale interna, che formano la catena di trasporto degli elettroni. Durante il passaggio degli elettroni attraverso questi complessi, viene liberata energia che viene utilizzata per pompare protoni dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana del mitocondrio. Questo crea un gradiente protonico, ovvero una maggiore concentrazione di protoni nello spazio intermembrana rispetto alla matrice mitocondriale. L'enzima ATP sintasi sfrutta l'energia del gradiente protonico per sintetizzare ATP. L'ATP sintasi converte l'ADP in ATP tramite fosforilazione, utilizzando l'energia fornita dal gradiente protonico. In questo modo, la fosforilazione ossidativa genera ATP, che è la principale fonte di energia utilizzata dalle cellule.

Il mitocondrio è coinvolto nella produzione di energia cellulare attraverso la sintesi di ATP a partire da ADP. Questo processo avviene grazie alla differenza di concentrazione di protoni tra la matrice del mitocondrio e lo spazio intermembrana. L'energia potenziale generata viene utilizzata dall'ATP sintasi per sintetizzare ATP.

Per il trasporto degli elettroni, sono presenti 4 complessi proteici: il complesso I, il complesso II, il complesso III e il complesso IV. Questi complessi agiscono come trasportatori, accettando elettroni dai coenzimi NADH e FADH2. Gli elettroni provenienti da NADH seguono la seguente via: complesso I → CoQ → complesso III → citocromo C → complesso IV. Gli elettroni provenienti da FADH2 seguono invece questa via: complesso II → CoQ → complesso III → citocromo C → complesso IV.

Inoltre, sono presenti due trasportatori liberi, il CoQ e il citocromo C, che trasferiscono gli elettroni ricevuti dai coenzimi in modo sequenziale ed ordinato fino all'accettore finale, che è l'ossigeno.

L'affinità per gli elettroni aumenta dal complesso I fino all'ossigeno. COMPLESSO I: catalizza il trasporto di elettroni da NAD ridotto (NADH) al coenzima Q. Il complesso I è formato da diverse proteine ferro-zolfo che accettano gli elettroni rilasciati dal NADH in modo da ossidarlo nella forma NAD+; ma è formato anche da una flavoproteina (FMN). Il NADH, quando si ossida a NAD+, libera due elettroni che entrano nel complesso I e vengono accettati dalla flavina mononucleotide (FMN). Il percorso degli elettroni all'interno di questo complesso è: NADH → flavoproteina → proteine Fe-S → coenzima Q. Al coenzima Q arrivano anche, contemporaneamente, due protoni. Il trasferimento di elettroni comporta anche la fuoriuscita di protoni verso lo spazio intermembrana. CoQ: ha un ruolo fondamentale all'interno della catena degli elettroni perché tutti gli equivalenti riducenti convergono su di lui, esso poi trasferirà gli elettroni verso ilcomplesso III. Il coenzima Qè un lipide contenente nell'uomo 10 unità isoprenoidi e può accettare due elettroni. Il coenzima Q,nel processo di ossidazione del NADH, cede gli elettroni al complesso III, che li passa al citocromo C, che li trasferisce al complesso IV, il quale li cede all'ossigeno che si riduce ad acqua.

COMPLESSO III: riceve gli elettroni dal coenzima Q e li trasferisce al citocromo C; all'interno di questo complesso gli elettroni passano per le proteine ferro-zolfo che costituiscono il complesso III. Il complesso III è un altro sito dove i protoni fuoriescono dalla matrice e si vanno a depositare nello spazio intermembrana.

CITOCROMO C: fa da tramite tra il complesso III e il complesso IV.

COMPLESSO IV: riceve gli elettroni dal citocromo C e li passa all'ossigeno che si riduce ad acqua. Anche qui, al trasferimento di elettroni si associa la fuoriuscita di protoni dalla matrice. +Flusso di protoni: per ogni coppia di elettroni

trasferita all'ossigeno fuoriescono protoni (H⁺) dalla matrice verso lo spazio intermembrana.

Poiché la membrana mitocondriale interna è impermeabile ai protoni, questi fuoriescono attraverso i complessi multiproteici I, III e IV.

Vengono trasferiti 4 protoni dal complesso I, 4 dal complesso III e 2 dal complesso IV.

In totale, per ogni coppia di elettroni fuoriescono 10 protoni.

Si genera in questo modo un gradiente di concentrazione protonica tra i due lati della membrana mitocondriale interna, con una concentrazione di protoni più alta nello spazio intermembrana che nella matrice.

La membrana mitocondriale interna è impermeabile ai protoni e questi rientrano nella matrice attraverso i canali ionici dell'ATP sintasi.

Quando i protoni rientrano nella matrice, il flusso di H⁺ determina un cambio conformazionale dell'ATP-sintasi che rende l'enzima attivo, capace di fosforilare l'ADP ad ATP.

Quindi, l'energia elettrochimica del

gradiente protonico fornisce l'energia per la sintesi di ATP da ADP e P. il numero di molecole di ATP prodotte dipende dai protoni che fuoriescono dalla matrice verso lo spazio intermembrana. I protoni che fuoriescono sono:

• 4 dal complesso I;
• 4 dal complesso III;
• 2 dal complesso IV.

Per ogni coppia di elettroni trasferita dal NADH alla catena di trasporto degli elettroni (complessi I, III, IV) fuoriescono 10 H. Per ogni coppia di elettroni trasferita dal FADH alla catena di trasporto degli elettroni (complessi III, IV) fuoriescono 6 H. 4 protoni che rientrano attraverso l'ATP-sintasi producono l'energia per la sintesi di 1 molecola di ATP. Se il donatore di elettroni è il NADH si producono circa 3 molecole di ATP. Se il donatore di elettroni è il FADH si producono circa 2 molecole di ATP.

GLICOLISI

La glicolisi rappresenta la prima via di demolizione del glucosio ed è un processo anaerobico mediante cui una molecola di glucosio viene

La glicolisi è il processo mediante il quale una molecola di glucosio viene scissa in due molecole di piruvato al fine di generare molecole a più alta energia come 2 molecole di ATP e 2 molecole di NADH per ogni molecola di glucosio utilizzata. La glicolisi avviene nel citosol, ovvero nel citoplasma.

La glicolisi è schematizzabile in 10 reazioni che avvengono una dopo l'altra in ordine preciso e che portano alla formazione di cofattori ridotti (NADH), ATP e piruvato. La glicolisi alla fine porta un guadagno netto di due molecole di ATP e due molecole di NADH per ciascuna molecola di glucosio.

I 10 passaggi sono i seguenti:

1. Il glucosio viene fosforilato a glucosio-6-fosfato (G6P) dall'enzima esochinasi, che utilizza ATP come donatore di fosfato, idrolizzandolo ad ADP.
2. G6P viene convertito nel suo isomero fruttosio-6-fosfato (F6P) dall'enzima fosfoglucosioisomerasi.
3. F6P viene fosforilato a fruttosio-1.6-bisfosfato (FBP) dall'enzima fosfofruttochinasi-1 che idrolizza ATP ad ADP.
4. FBP viene scisso in due molecole,

diidrossiaceton fosfato (DHAP) e la gliceraldeide-3-fosfato (G3P) dall'enzima aldolasi.

DHAP viene convertito nel suo isomero G3P dall'enzima trioso fosfato isomerasi.

Ogni G3P viene fosforilato e poi ossidato a 1,3 bifosfoglicerato (1-3BPG) dall'enzima gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi, che non consuma ATP per la fosforilazione, ma usa direttamente fosfato inorganico presente nella cellula. L'altro cofattore usato dell'enzima è il NAD che viene qui ridotto a NADH.

1-3BPG cede uno dei due gruppi fosfato (quello legato al carbonio 1, C1) all'ADP, ottenendo ATP e 3-fosfoglicerato (3PG). Questo tipo di aggiunta di un gruppo fosfato viene chiamato fosforilazione a livello del substrato.

3PG viene convertito nell'isomero 2-fosfoglicerato (2PG) dall'enzima fosfoglicerato mutasi.

2PG viene disidratato dall'enzima elolasi e si generano fosfoenolpiruvato e acqua. Il fosfoenolpiruvato è una molecola in grado di cedere

facilmente il proprio gruppo fosf