Effetto delle condizioni locali sull'attività di un enzima

L'efficienza con cui un enzima agisce è influenzata da fattori ambientali come temperatura e pH. Fino a un certo punto, la velocità di una reazione enzimatica aumenta all'aumentare della temperatura. Tuttavia, a temperature superiori, la velocità di reazione enzimatica cala nettamente. Infatti, l'agitazione termica delle molecole distrugge i legami a idrogeno, i legami ionici e le altre interazioni deboli che stabilizzano la conformazione attiva, causandone la denaturazione. Ogni enzima presenta una temperatura ottimale a cui catalizza la reazione alla massima velocità.

I valori pH ottimali di molti enzimi cadono nell'intervallo 6-8, a parte alcune eccezioni. Ad esempio, la pepsina, enzima digestivo presente nel nostro stomaco, funziona al meglio a pH 2. Molti enzimi richiedono la presenza di molecole non proteiche che partecipano alla loro attività catalitica.

Dette cofattori. Se il cofattore è una molecola organica viene dettocoenzima. Molte vitamine agiscono come coenzimi o precursori di coenzimi. Certe sostanze inibiscono selettivamente l'azione di particolari enzimi. Si dividono in due tipi: inibitori competitivi, che riducono l'efficienza catalitica degli enzimi impedendo alle molecole di substrato di legarsi al sito; e inibitori non competitivi, che non competono direttamente col substrato per il legame col sito attivo ma impediscono il decorso di una reazione enzimatica legandosi a un'altra zona dell'enzima.

REGOLAZIONE ALLOSTERICA DEGLI ENZIMI

Molti enzimi sono regolati allostericamente: molecole regolatrici, attivatori o inibitori, si legano a siti specifici regolatori modificando la forma e la funzione dell'enzima. Nella cooperatività, il legame di una molecola di substrato può stimolare il legame o l'attività a livello degli altri siti. Nell'inibizione per retroazione

(feedback) il prodotto terminale di unavia metabolica inibisce allostericamente uno dei primi enzimi di questa.

CAPITOLO 9- LA RESPIRAZIONE CELLULARE

Le cellule degradano il glucosio e altri combustibili organici per generare energia chimica sotto forma di ATP. La fermentazione è un processo che da origine alla degradazione parziale del glucosio senza l'utilizzo dell'ossigeno. La respirazione cellulare consiste in una demolizione più complessa del glucosio; nella respirazione aerobia l'ossigeno è utilizzato come reagente. La cellula preleva l'energia depositata nelle molecole degli alimenti per mezzo di reazioni redox, in cui una sostanza sposta in parte o completamente i propri elettroni su un'altra. L'ossidazione è la perdita di elettroni da parte di una sostanza, mentre la riduzione consiste nell'aggiunta di elettroni all'altra.

Durante la respirazione aerobia, il glucosio viene ossidato a CO2 e l'ossigeno

Viene ridotto aH2O. Gli elettroni perdono energia potenziale durante il loro trasferimento dal glucosio o da altri composti organici all'ossigeno. Gli elettroni vengono trasferiti inizialmente a NAD+ (nicotin ammide adenin dinucleotide) che viene così ridotto a NADH, e poi da quest'ultimo a una catena di trasporto degli elettroni che li trasferisce sull'O2 attraverso una serie di tappe che liberano energia. L'energia è utilizzata per sintetizzare ATP.

La respirazione aerobia si svolge in 3 stadi: glicolisi, ossidazione del piruvato e ciclo dell'acido citrico, e fosforilazione ossidativa.

LA GLICOLISI

La glicolisi consiste in una serie di reazioni che degradano il glucosio in due molecole di piruvato, che entrano poi nel ciclo dell'acido citrico, e 2 ATP e 2 NADH netti per ogni molecola di glucosio. Il piruvato, cioè il prodotto finale della glicolisi, è una molecola che funziona da "innesco" per la via metabolica successiva.

Se è disponibile ossigeno il piruvato entra nel mitocondrio e viene degradato completamente in CO2 e acqua attraverso la respirazione cellulare; altrimenti se non è disponibile ossigeno, il piruvato viene ulteriormente metabolizzato nel citoplasma per fermentazione, un processo anaerobico. La glicolisi si può dividere in 2 macro parti: 1. La fase di investimento energetico: all'inizio della glicolisi due ATP sono usati per attivare il glucosio, una molecola C6 che si separa in due molecole C3, indicate con la sigla G3P (gliceraldeide-3-fosfato). A partire da questo punto ciascuna molecola C3 va incontro alla stessa serie di reazioni. 2. La fase di produzione energetica: l'ossidazione del G3P avviene per rimozione di idrogeno (e + H+). Considerando una duplice reazione, gli elettroni sono prelevati dal coenzima NAD+ che si riduce a NADH: 2NAD+ + 4e- + 2H+ -> 2NADH. Ora ciascuna molecola di NADH convoglia due elettroni ad alta energia alla catena di trasporto.

degli elettroni, ridiventando NAD+. Con la successiva aggiunta di fosfato inorganico si ottengono due gruppi fosfato ad alta energia, che vengono usati per generare ATP. Questa particolare produzione è chiamata sintesi di ATP a livello del substrato, poiché è un enzima a trasferire un fosfato ad alta energia all'ADP per produrre ATP. Si tratta di un esempio di reazioni esoergonica/endoergonica accoppiate. L'ossidazione del glucosio procede, ma questa volta per rimozione di acqua. Nuovamente avviene la sintesi dell'ATP a livello del substrato, con la produzione finale di due molecole di piruvato.

Il guadagno netto di ATP: facendo un bilancio dell'ATP nella glicolisi, due molecole vengono usate per la fase di investimento, ma 2 + 2 molecole sono state prodotte nella fase di produzione. Perciò il guadagno netto è di 2 ATP.

- IL CICLO DELL'ACIDO CITRICO

Dopo essere entrato nel mitocondrio il piruvato viene trasformato in un composto

dettoacetil CoA. Il gruppo carbossilico del piruvato (COO-) viene rimosso e allontanato sottoforma di CO2; il restante frammento bicarbonioso viene ossidato a formare l’acetato(CH3COO-). Gli elettroni estratti vengono trasferiti al NAD+. Infine una molecola dicoenzima A, un composto contenente zolfo, è legato all’acetato mediante il proprio atomo dizolfo formando l’acetilCoA, che possiede un’elevata energia potenziale.

Il ciclo dell’acido citrico consiste di 8 tappe, ognuna catalizzata da uno specifico enzima.Il gruppo acetile dell’acetil CoA entra nel ciclo dopo essersi legato con l’ossalacetatoformando il citrato (tappa 1). Le sette tappe successive decompongono il citrato producendonuovamente ossalacetato. Per ogni molecola di acetato che entra nel ciclo, tre molecole diNAD+ vengono ridotte a NADH (tappe 3,4,8). Nella tappa 6 gli elettroni vengono trasferitisul FAD, che accetta due protoni e due elettroni divenendo FADH2. In molte

degli elettroni, il coenzima Q. Il complesso II (succinato-Q-reduttasi) riceve due elettroni dal coenzima FADH2 e li trasferisce anch'esso al coenzima Q. Il coenzima Q trasferisce gli elettroni al complesso III (Q-citocromo c-reduttasi), che a sua volta li trasferisce al citocromo c. Infine, il citocromo c trasferisce gli elettroni al complesso IV (citocromo c-ossidasi), che li cede all'ossigeno per formare acqua. Durante questo processo, l'energia degli elettroni viene utilizzata per pompare protoni attraverso la membrana mitocondriale interna, creando un gradiente elettrochimico che viene sfruttato dall'ATP-sintasi per produrre ATP.

degli elettroni, cioè il Coenzima Q. L'energia ricavata dal passaggio degli elettroni è utilizzata da questo complesso per trasportare 4 protoni nello spazio intermembrana. Il complesso II (succinato-deidrogenasi) come il complesso I catalizza il trasferimento di elettroni al coenzima Q. Il complesso II catalizza la sesta reazione del ciclo di Krebs trasformando il succinato in fumarato. Il complesso III (citocromo-c-reduttasi) riceve elettroni dal Coenzima Q e li cede al citocromo c; in seguito trasporta 4 protoni nello spazio intermembrana. Il complesso IV (citocromo-c-ossidasi) trasferisce gli elettroni direttamente all'ossigeno (proveniente dai polmoni) trasformandolo insieme agli ioni H+, in H2O. Questo trasporta solo 2 protoni nello spazio intermembrana. I complessi I, III e IV sono pompe protoniche. La catena di trasporto degli elettroni, spostando ioni H+ nello spazio intermembrana, stabilisce un forte gradiente elettrochimico. Nelle creste mitocondriali è

Presente un complesso dell'ATP-sintetasi attraverso il quale gli ioni H+ scorrono, secondo gradiente dallo spazio intermembrana alla matrice. Durante questo flusso, l'enzima ATP sintetasi produce ATP a partire da ADP + P (inorganico). Questo processo è chiamato chemiosmosi poiché la produzione di ATP sfrutta un gradiente di ioni idrogeno.

Il rendimento reale della respirazione cellulare è di 36 o 38 ATP: 2 dalla glicolisi (fosforilazione del substrato), 2 dal ciclo di Krebs (fosforilazione del substrato) e 32 o 34 dalla catena di trasporto degli elettroni.

LA FERMENTAZIONE

La fermentazione è una via metabolica che permette agli esseri viventi di ricavare energia da particolari molecole organiche (carboidrati o raramente amminoacidi) in assenza di ossigeno. Parte dell'energia liberata dalla trasformazione chimica viene immagazzinata in ATP (adenosina trifosfato); tuttavia la resa energetica delle fermentazioni, in cui il prodotto finale non viene

completamente ossidato, è molto inferiore rispetto all'ossidazione aerobica completa dello stesso substrato. Nelle fermentazioni conviene distinguere due parti: la glicolisi, comune alla maggior parte delle fermentazioni; la rigenerazione del NAD+, dal NADH + H+ che viene ossidato. Nella prima parte, la glicolisi, il glucosio viene trasformato in due molecole di acido piruvico (CH3COCOOH) con contemporanea produzione di due molecole di ATP e due molecole di NADH + H+. L'ATP è una molecola ad alto contenuto energetico subito disponibile per le varie necessità della cellula. Nella seconda parte, la cellula provvede alla rigenerazione del NAD+. Il NADH + H+, nella sua forma ridotta, rappresenta una grossa fonte d'energia, circa 2,5 ATP, che per essere utilizzata richiede la presenza d'ossigeno, ma in assenza d'ossigeno, il NADH + H+ ridotto deve essere liberato del suo pre