Metabolismo, secondo modulo Biochimica

MEMO

Quando abbiamo parlato delle transaminasi abbiamo visto che questi enzimi sono in grado di trasferire il gruppo amminico da un amminoacido ad un alfa chetoacido. Il piruvato, in particolare, lo abbiamo visto quando abbiamo parlato della GPT o ALT, che ricordiamo essere prettamente citoplasmatica.

La GPT è in grado di trasferire il gruppo amminico dal glutammato al piruvato portando alla formazione di alanina e alfa chetoglutarato.

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Differenza fra piruvato e acido piruvico?

L'acido piruvico reagisce con una base opportuna, cioè H2O, dando una reazione acido-base debole che dà origine al piruvato e ad uno ione idronio. Il piruvato è la base coniugata dell'acido piruvico.

Il piruvato si forma quando l'acido piruvico perde un atomo di idrogeno. Possiamo quindi dire che acido piruvico e piruvato sono la stessa molecola ma in forme di dissociazione diverse: protonata e deprotonata. In quale delle due forme prevale dipende dal pH in cui ci troviamo.

Nella cellula il pH è pari a 7.2 (al di fuori dalla cellula il pH è pari a 7.4) e la maggior parte delle molecole si trovano in forma dissociata (piruvato). Il pH è definito come il logaritmo decimale negativo della concentrazione di ioni H+ in soluzione: L'acido piruvico è un acido debole, con Ka<1. - Un acido è una molecola in grado di donare protoni. - Una base è una molecola in grado di accettare protoni. Maggiore è il valore della costante, maggiore è la tendenza dell'acido a dissociarsi, maggiore è la sua forza. Il logaritmo negativo della costante di dissociazione acida ci dà il pKa: Equazione di henderson-hasselbalch: 17 Nella glicolisi compaiono 2 composti ad alto potenziale di trasferimento del gruppo fosforico o fosfato: - fosfoenolpiruvato o PEP, che presenta un potenziale di trasferimento del fosfato pari a - 61,9; - 1,3 bifosfoglicerato o 1,3BPG, che presenta un potenziale di trasferimento pari a - 49,4.

Il potenziale di trasferimento di queste due molecole è più alto di quello dell'ATP, che è pari a -30,5.

Il valore del ΔG indica il potenziale di trasferimento del gruppo fosfato: maggiore (ossia più negativo) è il valore del ΔG e maggiore è la capacità della molecola di trasferire il fosfato.

I composti che nella lista si trovano più in alto, ossia quelli con un ΔG maggiore, sono in grado di fosforilare i composti che nella lista si trovano più in basso, ossia quelli con un ΔG minore.

Queste molecole presentano tutte un fosfato inorganico.

1. Fosfoenolpiruvato contiene al suo interno un legame chimico molto energetico; è il composto che presenta il potenziale di trasferimento più elevato, per cui quando si dissocia in presenza di acqua libera energia sufficiente a fosforilare qualsiasi altro composto si trovi in basso.

2. 1,3 bifosfoglicerato contiene al suo interno un legame chimico molto energetico; è il composto che presenta il potenziale di trasferimento più elevato, per cui quando si dissocia in presenza di acqua libera energia sufficiente a fosforilare qualsiasi altro composto si trovi in basso.

fosfoanidridico; presenta un potenziale ditrasferimento elevato grazie alla presenza di cariche che si respingono nella struttura molecolare.

3. Fosfocreatina viene prodotta dall'enzima creatina chinasi (CK); è una molecola carica di energia che serve a tamponare l'ATP in quelle cellule e tessuti che la utilizzano in modo continuativo e hanno bisogno di ripristinarne la quantità di ATP in tempi brevissimi, anche in condizioni anaerobiche (es. tessuto muscolare e tessuto nervoso).

PEP, 1,3 BPG e fosfocreatina possono essere utilizzati per fosforilare ATP.

4. ATP possiede un legame fosfoanidridico ad alto potenziale energetico; è una molecola in grado di fornire fosfato a composti con un potenziale minore e di ricevere fosfato da composti che hanno un potenziale maggiore.

5. Fruttosio 6 fosfato e glucosio 6 fosfato possiedono al loro interno un legame fosfoestere, con potenziale di trasferimento inferiore a quello dei legami anidridici.

6.

Glicerolo 3 fosfato ha un potenziale di trasferimento inferiore, ma presenta lo stesso tipo dilegame che troviamo nel glucosio 6 fosfato.

Glicolisi aerobica e anaerobica

Reazione netta glicolisi:

+D-glucosio + 2 NAD + 2 ADP + 2 Pi → 2 NADH + 2 piruvato + 2 ATP + 2 H2O + 2 H-

Aerobica

In presenza di ossigeno il piruvato prodotto dalla glicolisi viene trasportato all’interno del mitocondrio, dove avvengono decarbossilazione del piruvato, ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa.

La fosforilazione ossidativa è composta da due fasi:

- Catena di trasporto degli elettroni: processo attraverso il quale il NADH e il FADH2 vengono ossidati (l’ossigeno è l’accettore finale degli elettroni trasportati dai coenzimi redox).

- Sintesi di ATP tramite fosforilazione di ADP da parte dell'enzima ATP sintasi.

Per ogni molecola di NADH ossidata vengono prodotti in totale 2,5 molecole di ATP.

Per ogni molecola di FADH2 sono invece prodotte 1,5 molecole di ATP.

Glicolisi

+ decarbossilazione del piruvato + ciclo di Krebs + fosforilazione ossidativa = respirazione cellulare. Non è la glicolisi che richiede ossigeno, ma è la riossidazione del NADH che avviene nei mitocondri:
2 NADH/H + O2 + 5 ADP + 5 P → 2 NAD + 2H2O + 5 ATP2
Reazione netta glicolisi aerobia:
D-Glucosio + 7 ATP + 7 Pi + O2 → 2 piruvato + 7 ATP + 2 H2O2

- Anaerobica
La glicolisi anaerobica avviene nelle cellule prive di mitocondri o quando la quantità di ossigeno è scarsa.
In questo caso il NADH viene riossidato grazie all'enzima lattato deidrogenasi attraverso un processo chiamato fermentazione omolattica:
Piruvato + NADH + H+ → lattato + NAD
Il piruvato tramite reazione redox reagisce con una molecola di NADH per dare lattato e NAD+.
L'NADH si ossida, il piruvato si riduce.
Reazione netta glicolisi anaerobia:
D-Glucosio + 2 ADP + 2 Pi → 2 L- lattato + 2 ATP + 2H+

Come la glicolisi aerobia, questo è un processo che produce acidi.

non avendo mitocondri e quindi non potendo svolgere la respirazione cellulare, utilizza esclusivamente la glicolisi anaerobica per produrre energia. Il lattato, prodotto durante la glicolisi anaerobica, è un acido debole che può accumularsi nelle cellule e causare un abbassamento del pH. Questo fenomeno può essere problematico per l'omeostasi del pH interno alla cellula. È importante sottolineare che la glicolisi anaerobica non produce CO2 e non consuma ossigeno, a differenza della glicolisi aerobica che avviene nei mitocondri e produce CO2 come prodotto finale. La glicolisi aerobica è più efficiente della glicolisi anaerobica in termini di produzione di energia. In condizioni ottimali, la glicolisi aerobica produce 7 molecole di ATP, mentre la glicolisi anaerobica produce solo 2 molecole di ATP. È quindi evidente che la presenza di ossigeno favorisce una maggiore produzione di energia attraverso la glicolisi aerobica. Tuttavia, il globulo rosso, che non ha mitocondri, è costretto a svolgere solo la glicolisi anaerobica per produrre energia.privodi mitocondri, utilizza più glucosio di quanto ne consumi una qualsiasi altra cellula del corpo che può sfruttare la fosforilazione ossidativa come mezzo per ottenere un maggior numero di molecole di ATP per molecola di glucosio catabolizzata. ²⁰Le reazioni Redox o reazioni di ossidoriduzione Le reazioni di ossidoriduzione, dette anche reazioni Redox, sono quelle reazioni chimiche in cui si ha il trasferimento di uno o più elettroni da una specie che dona elettroni ad una specie che li accetta. Il processo di cessione dell'elettrone da parte della specie donatrice a quella accettrice si dice riduzione, mentre la perdita di elettrone da parte del donatore si dice ossidazione. La sostanza che dona elettroni è l'agente riducente, mentre la sostanza che accetta elettroni è detta agente ossidante. - Il trasferimento di elettroni è evidente quando è completo, ad esempio quando due elementi nel loro stato elementare si combinano per2Na + Cl₂ → ²Na⁺ + ²Cl^-

Da 2 molecole di sodio metallico otteniamo 2 cationi sodio e dal cloro biatomico otteniamo 2 anioni cloruro. In questa reazione il sodio perde un elettrone a favore del cloro perché la differenza di elettronegatività tra sodio e cloro è molto elevata. In questo caso il sodio è l'agente riducente, mentre il cloro è l'agente ossidante.

Quando si rompono e si formano legami covalenti l'ossidazione è meno evidente. In tal caso per vedere se la reazione è redox occorre aggiungere i numeri di ossidazione degli atomi delle molecole. Esempio: 2H₂ + O₂ → 2H₂O

Se facciamo reagire l'idrogeno molecolare con l'ossigeno molecolare otteniamo due molecole d'acqua. In questo caso, non si formano dei composti ionici, ma delle sostanze covalenti. Anche se non vediamo un spostamento netto di elettroni, questa è una reazione redox. Gli elettroni condivisi nella

specie chimica che si è venuta a formare non sono condivisi in modo equo, ma sono spostati sull'elemento più elettronegativo. È come se l'elemento più elettronegativo avesse acquisito questi elettroni, quindi c'è uno spostamento (anche se non netto) di elettroni da una specie chimica all'altra. Il trasferimento di elettroni non è netto quando gli elementi che reagiscono non hanno una differenza di elettronegatività così elevata. Numero di ossidazione Il numero di ossidazione rappresenta la carica che l'atomo di un certo composto assumerebbe nell'ipotesi in cui tutti gli elettroni di legame fossero assegnati all'atomo più elettronegativo. L'elettronegatività ci dice qual è la tendenza di un atomo ad attrarre verso di sé elettroni di legame. Dobbiamo conoscere la scala dell'elettronegatività di Pauling (H