Metabolismo degli zuccheri

In alcune cellule come eritrociti e alcune cellule muscolari con

attività fisica molto breve ma alquanto intensa, il piruvato non

continua attraverso il ciclo di Krebs. La produzione di energia si

ferma quindi alla glicolisi. In questi casi si ha la glicolisi anaerobica. Gli

eritrociti non continuano il metabolismo del glucosio in quanto sono

privi di organelli cellulari (come i mitocondri) che sono necessari per

la fosforilazione ossidativa o respirazione cellulare. Le cellule

muscolari in condizioni di sforzi intensi ma brevi necessitano di molta energia in poco tempo e poichè l’intero

processo metabolico è molto lungo, la via metabolica che produce energia in modo molto rapido è la glicolisi.

Il piruvato viene quindi trasformato in lattato (acido lattico) in una reazione che necessita NADH il quale viene

ossidato. Successivamente l’acido lattico viene portato al di fuori della cellula, in cui è stato prodotto, da

trasportatori di membrana specifici e vieni immesso nel circolo sanguigno. Tramite il trasporto sanguigno

raggiunge tessuti diversi e viene immesso nel ciclo di Krebs, oppure più frequentemente viene internalizzato

dagli epatociti (fegato), convertito in piruvato e usato per sintetizzare all’interno del fegato il glucosio. Il

processo attraverso cui viene generato nuovamente glucosio è detto gluconeogenesi. Questo glucosio

prodotto viene poi accumulato nel fegato come riserva energetica sotto forma di glicogeno, e può essere

sintetizzato nella gluconeogenesi anche da intermedi del catabolismo degli amminoacidi.

Nelle cellule che vivono in condizioni aerobiche la produzione di ATP non si ferma alla glicolisi ma continua nel

ciclo di Krebs fino alla fosforilazione ossidativa. Il piruvato viene quindi trasformato in acetilcoenzima A. La

sintesi dell’acetilcoenzima A, il ciclo di Krebs e la fosforilazione

ossidativa sono vie metaboliche che si realizzano all’interno

dei mitocondri. Il ciclo di Krebs avviene all’interno della

matrice mitocondriale. All’interno del mitocondrio c’è un

complesso multienzimatico, detto piruvato deidrogenasi,

ossia un insieme di diversi enzimi che trasforma il piruvato

in acetilcoenzima A. La reazione è detta decarbossilazione

ossidativa, ed è la prima tappa del ciclo del glucosio in cui

viene prodotta CO2. Il gruppo SH dell’acetilcoenzima A è

molto importante in quanto è molto reattivo e va a

formare legami con le molecole organiche. Nel caso del

piruvato SH si lega al gruppo carbossilico liberando una

molecola di CO2. Durante questa reazione si ha la

diminuzione della catena del carbonio da 3 a 2 atomi, passando dal piruvato all’acetato.

Acetilcoenzima A viene prodotto mediante una reazione di ossidoriduzione. Il processo enzimatico va a

rimuovere il carbonio sotto forma di CO2 e a catalizzare una reazione di ossidoriduzione.

CICLO DI KREBS

L’acetilcoenzima A può entrare nel ciclo di Krebs, detto anche ciclo degli acidi tricarbossilici o ciclo dell’acido

citrico. All’interno di questo ciclo si ha l’ossidazione finale dello scheletro carbonioso della molecola organica da

cui siamo partiti, che produce anidride carbonica. 24/10/2018

Nel ciclo di Krebs si possono trovare composti

intermedi che possono diventare substrati di

un’altra via metabolica. Il ciclo si compone di 8

reazioni enzimatiche in cui si parte da

ossalacetato e acetilcoenzima A a cui segue

una serie di reazioni che portano alla

forma z ione, al termine del circolo, di

ossalacetato. Durante questa via metabolica

viene quindi utilizzato l’acetilcoenzima A e il

carbonio presente nel composto viene rilasciato

sotto forma di CO2. Le reazioni più importanti

che avvengono nel circolo sono le

decarbossilazioni ossidative, perchè in queste

fase viene prodotto NADH.

L’acetilcoenzima A entrando nel ciclo di Krebs

perde il coenzima A, perchè il gruppo acetile

reagisce con l’ossalacetato per fornire citrato. Il

coenzima serve solamente ad attivare la

molecola organica, cioè renderla

particolarmente reattiva. La reazione in

questione è detta di condensazione, che

mediante l’introduzione di una molecola di

acqua forma una molecola a sei atomi di carbonio (4 derivanti dall’ossalacetato e due dall’acetile) detta

citrato (un acido tricarbossilico, ossia contenente tre gruppi carbossilici).

La reazione successiva è una reazione prettamente di modifica strutturale in quanto si ha un’isomerizzazione

del citrato in isocitrato. Questo permette la prima reazione di decarbossilazione dove, mediante il rilascio di

una molecola di CO2, si ha un accorciamento dello scheletro carbonioso. Contemporaneamente nella

decarbossilazione si ha una reazione di ossidazione del citrato e una di riduzione del NAD ossidato a NADH.

α-chetoglutarato

Successivamente si forma che subisce una nuova reazione di decarbossilazione ossidativa

con perdita di un’altra molecola di CO2 e riduzione di NAD. Contemporaneamente nella reazione interviene

nuovamente il coenzima A che si lega alla molecola di acido succinico a formare il succinilcoenzima A. Questo

viene poi trasformato in succinato con una reazione che è accoppiata alla sintesi di GTP (guonosintrifosfato)

a patire da GDP e fosfato. Questa è una molecola viene usata da alcune vie metaboliche al posto dell’ATP

poichè dal punto di vista funzionale sono identiche. Il succinato subisce una reazione di deidrogenazione

(redox) ossia un’ossidazione del succinato a fumarato e una riduzione di FAD (analogo del NADH)..

Successivamente il fumarato diventa malato che a sua volta viene ossidato ad ossalacetato mentre si ha la

riduzione di NAD. Il ciclo quindi si chiude con la riduzione dello scheletro carbonioso mediante la perdita di due

molecole di CO2, la formazione di una molecola di GTP e con quattro reazioni di ossidoriduzione che hanno

comportato l’ossidazione del substrato e la contemporanea riduzione del NAD o FAD. Tutta l’energia

accumulata durante la glicolisi si trova racchiusa all’interno delle molecole di NADH e FADH prodotte all’interno

del ciclo di Krebs, e verrà rilasciata durante la fosforilazione ossidativa.

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 24/10/2018

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 em