Il metabolismo di lipidi e proteine

Il ciclo di Krebs e le reazioni anaplerotiche

Inoltre anche la succinato deidrogenasi viene inibita da ossalacetato. I livelli di quest'ultimo determinano anche la velocità della prima reazione, essendo esso l'intermedio di partenza. Quindi, l'accumulo dei prodotti intermedi (segno che la catena respiratoria non sta rigenerando FAD e NAD+ alla giusta velocità), rallenta il ciclo di Krebs.

Il ciclo di Krebs è una via anfibolica. Come già visto, il ciclo di Krebs fornisce numerosi precursori per le vie biosintetiche: ossalacetato e α-chetoglutarato per la sintesi di amminoacidi, citrato come fonte di acetil-CoA per la biosintesi di acidi grassi, succinil-CoA per la sintesi dell'eme, per citarne alcuni.

Reazioni anaplerotiche:

Continuamente vengono sottratti intermedi dal ciclo di Krebs per la biosintesi. Questo potrebbe rallentare la respirazione se non venissero rimpiazzati. Le reazioni dedicate a fornire sempre sufficienti intermedi al ciclo sono dette anaplerotiche (di riempimento).

La principale è la carbossilazione del piruvato ad ossalacetato ad opera della piruvato carbossilasi mitocondriale: piruvato+CO2+ATP -> ossalacetato + ADP+Pi. La reazione di carbossilazione del piruvato ad ossalacetato è stimolata da acetil-CoA, l'accumulo di acetil-CoA quindi stimola la produzione di ossalacetato necessario alla sua ossidazione. Anche la transaminazione di acido glutamico e aspartico può essere anaplerotica in quanto, come visto, produce ossalacetato e α-chetoglutarato. Nel ciclo di Krebs non viene prodotto direttamente ATP. Un ATP è prodotto indirettamente a partire dal GTP (nella reazione 5). Il ciclo invece genera potere riducente (4 coppie di elettroni) sotto forma di 3 NADH e 1 FADH2. Questi potranno essere spesi per la sintesi di molte molecole di ATP. Quindi nel ciclo di Krebs i gruppi acetili si trasformeranno poi in un flusso di elettroni. La catena di trasporto degli elettroni Le coppie di elettroni conservate nel NADH e FADH2 devono

essere rese disponibili per la produzione di ATP. Questo rigenererà le forme ossidate (NAD+ e FAD) che potranno ricevere nuovi elettroni, mantenendo in moto il ciclo. Gli elettroni sono ceduti da NADH e FADH2 a un sistema di proteine presenti nella membrana interna del mitocondrio, esposte verso la matrice, dove si svolge il ciclo di Krebs e quindi facilmente accessibili. Queste proteine costituiscono la catena di trasporto degli elettroni o catena respiratoria.

Flusso degli elettroni nella catena

La catena respiratoria comprende quattro complessi proteici:

• Complesso I: NADH deidrogenasi
• Complesso II: succinato deidrogenasi
• Complesso III: Q-citocromo c ossidoreduttasi
• Complesso IV: citocromo c ossidasi

Questi complessi contengono proteine specializzate nell'accettare e donare elettroni (flavoproteine, proteine Fe-S, citocromi). La capacità di trasferire elettroni di queste proteine dipende dalla presenza di particolari coenzimi (ubichinone) o di gruppi prostetici.

ovvero strutture molecolari in grado di legare elettroni, quali il gruppo eme (nei citocromi), i gruppi ferro-zolfo (nelle corrispondenti proteine), il gruppo flavin mononucleotide (nella NADH deidrogenasi). Funzione della catena di trasporto La catena respiratoria è una sequenza di ossido-riduzioni, in cui le proteine dei vari gruppi (nella sequenza I-IV) accettano gli elettroni (riducendosi) e li cedono immediatamente al gruppo successivo (ossidandosi). Gli elettroni alla fine sono "eliminati" dall'ossigeno che funziona da accettore finale. Una molecola di O2 accetta 4 elettroni dal complesso IV, formando 2 molecole di acqua. Quindi gli elettroni generati in ogni ciclo di Krebs (8) necessitano di 2 molecole di ossigeno per essere smaltiti. La catena respiratoria non genera direttamente ATP, bensì energia, sotto forma di forza proton-motrice, che servirà per la fosforilazione ossidativa. Il gradiente elettrochimico protonico L'ossidazione del NADH+H+attraverso un canale presente nell'ATP sintasi. Questo flusso di protoni genera l'energia necessaria per la sintesi di ATP. La fosforilazione ossidativa è il processo in cui l'energia prodotta durante la respirazione cellulare viene utilizzata per sintetizzare ATP. Questo avviene grazie alla presenza di un gradiente elettrochimico di protoni attraverso la membrana interna del mitocondrio. Nel complesso I della catena di trasporto degli elettroni, vengono liberati due elettroni che vengono trasportati attraverso i complessi I-IV fino all'ossigeno. Durante questo processo, vengono generati altri protoni che vengono pompati attraverso la membrana interna nello spazio intermembrana. La presenza di una concentrazione elevata di protoni nello spazio intermembrana, rispetto alla matrice, crea un gradiente elettrochimico. Questo gradiente permette ai protoni di fluire attraverso l'ATP sintasi, che è un complesso transmembrana, generando l'energia necessaria per la sintesi di ATP. La teoria chemiosmotica spiega come avviene la sintesi di ATP a partire dalla forza proton-motrice del gradiente elettrochimico. Il flusso di protoni che ritorna verso la matrice attraverso l'ATP sintasi genera l'energia necessaria per la fosforilazione dell'ADP, sintetizzando così ATP.

attraverso un canale costituito dalle proteine della subunità F0 del complesso della ATP sintasi. Questo canale, in realtà è un rotore, le cui componenti vengono mosse dal flusso di H+.

Meccanismo della ATP sintasi: Questo movimento si trasmette alle proteine della testa (subunità F1) che sporge verso la matrice e dove ha sede la sintesi di ATP a partire da ADP e Pi, generando acqua. Gli elettroni ceduti da una molecola di NADH+H+ portano alla sintesi di 2 ATP, mentre quelli di un FADH2 a 1,5 ATP.

Considerazioni finali sulla produzione di ATP: La produzione di ATP (la moneta energetica della cellula) quindi procede attraverso complesse sequenze di reazioni connesse tra di loro:

1. Il catabolismo della macromolecole è connesso al ciclo di Krebs grazie all'acetil-CoA.
2. Il ciclo di Krebs è connesso alla catena respiratoria grazie ai trasportatori di elettroni ridotti FADH2 e NADH+H+.
3. La catena respiratoria è connessa all'ATP sintasi grazie alla

Forza proton motrice del gradiente elettrochimico. Emoglobina, O2, CO2 e respirazione.

È possibile ora capire il nesso tra la respirazione intesa come processo organo-meccanico di inspirazione ed espirazione e la respirazione come processo biochimico che porta alla sintesi di ATP. Inspirando immettiamo l’ossigeno che viene captato dall’emoglobina degli eritrociti e veicolato alle cellule, dove funge da accettore finale degli elettroni della fosforilazione ossidativa.

La quantità notevole di CO2 generata dalla decarbossilazione ossidativa nel ciclo di Krebs e nelle varie reazioni cellulari, viene ceduta all’emoglobina, riportata ai polmoni ed emessa con l’espirazione. La respirazione è quindi un bell’esempio di come nell’organismo, ogni aspetto macroscopico sia legato a precisi eventi molecolari.

Regolazione del metabolismo. Anabolismo e catabolismo sono tra loro interdipendenti. Attraverso il catabolismo, la cellula ricava energia e precursori.

Per le reazioni anaboliche. La co-regolazione di catabolismo ed anabolismo ha il compito di mantenere nell'organismo vivente la corretta disponibilità di precursori e la giusta quantità di prodotti di sintesi, in base ai suoi fabbisogni energetici. Questa situazione di equilibrio è detta omeostasi e serve a mantenere costanti le funzioni dell'organismo e le caratteristiche chimico-fisiche dell'ambiente interno.

La velocità del catabolismo e dell'anabolismo è determinata non dalla disponibilità dei substrati ma dalle effettive esigenze dell'organismo, attimo per attimo. Il catabolismo è sensibile alla necessità di energia (ATP), mentre l'anabolismo sintetizza le biomolecole in rapporto alla loro richiesta. Si parla di principio della massima economia, che evita sia l'eccessivo accumulo di sostanze che la loro carenza.

Regolazione delle vie metaboliche. Una singola via metabolica è regolata a tre

livelli:

• velocità delle reazioni enzimatiche (controllo del pH e dei substrati/cofattori);
• regolazione degli enzimi attraverso l'inibizione da feedback: il prodotto di reazione inibisce la reazione stessa;
• regolazione a livello genico della produzione degli enzimi (trascrizione/traduzione/degradazione). Infatti, la velocità di una via metabolica dipende dalla concentrazione degli enzimi necessari, che a sua volta è una funzione dell'equilibrio tra la velocità della loro sintesi e degradazione.

La regolazione dell'omeostasi

L'omeostasi implica la regolazione di più vie metaboliche contemporaneamente e il mantenimento dell'omeostasi anch'esso è condizionato dal:

• livello cellulare, attraverso la regolazione del metabolismo della singola cellula;
• livello di tessuto/organo, attraverso la regolazione coordinata del metabolismo di popolazioni cellulari;
• livello di organismo, attraverso la

regolazione del metabolismo dei diversi organi in risposta alle condizioni complessive dell'intero organismo. La regolazione del metabolismo, a qualsiasi livello, avviene attraverso circuiti di regolazione detti a feedback (o retroazione) che si compongono fondamentalmente di tre elementi: - un sensore in grado di rilevare la variazione di uno specifico parametro chimico-fisico; - un regolatore, in grado di ricevere lo stimolo dal sensore e modulare l'intensità della risposta; - un effettore, in grado di fare variare la grandezza del parametro rilevato. Ad esempio, il controllo della glicemia: le cellule α e β del pancreas endocrino sono i sensori delle variazioni glicemiche. Esse agiscono anche da regolatori liberando, rispettivamente, gli ormoni glucagone e insulina che esercitano la loro azione sull'effettore, il fegato. Quest'ultimo a sua volta risponde variando il proprio metabolismo in modo da ripristinare il corretto valore della glicemia.negative, che agiscono in modo coordinato per mantenere l'omeostasi del sistema. Questa struttura modulare dei circuiti è fondamentale per il corretto funzionamento degli organismi viventi, permettendo loro di adattarsi e rispondere in modo efficace ai cambiamenti dell'ambiente. La stessa struttura modulare si ritrova nei circuiti a livello cellulare (ad esempio nella risposta all'insulina mediata da recettori), o a livello d'organo (ad esempio regolazione glicemia o temperatura). Il vantaggio di questa organizzazione risiede nella ottimizzazione della sensibilità, flessibilità e velocità della risposta. Il sistema di sensori è in grado di percepire variazioni anche minime del parametro che controlla, garantendo elevata sensibilità. Il sistema di modulazione consente di calibrare la risposta in termini di ampiezza (ad esempio evitando di indurre una risposta eccessiva), garantendo così flessibilità. Il sistema effettore, invece, è caratterizzato da una elevata rapidità, garantendo così la velocità della risposta. La regolazione richiede molecole effettori sia positive che negative, che agiscono in modo coordinato per mantenere l'omeostasi del sistema. Questa struttura modulare dei circuiti è fondamentale per il corretto funzionamento degli organismi viventi, permettendo loro di adattarsi e rispondere in modo efficace ai cambiamenti dell'ambiente.