Riassunto esame aiuto compiti, prof. Pedone, libro consigliato I principi di biochimica, Lehninger, David,. Nelson, Cox

∆G,

energia libera, ha un valore negativo e la reazione viene detta esoergonica. Nelle reazioni endoergoniche il

∆ ∆

sistema guadagna energia libera e il G è positivo. G può essere calcolato tramite la formula:

[ ] [ ]

C D

DG = DG +

o' o’

∆G

, dove è la variazione di energia libera standard a ph 7. La variazione di energia

RT log [ ] [ ]

A B

libera complessiva di una serie di reazioni accoppiate è uguale alla somma delle variazioni di energia libera delle

singole reazioni. Una reazione termodinamicamente non favorevole può essere trascinata da una reazione

termodinamicamente favorevole ad essa accoppiata.

Gli esseri viventi richiedono un continuo rifornimento di energia

libera, per il lavoro meccanico, il trasporto attivo di molecole o la

sintesi di macromolecole. I chemiotrofi ottengono questa energia

dall’ossidazione delle sostanze nutrienti. I fototrofi utilizzano,

invece, l’energia della luce solare. Entrambi immagazzinano energia

sotto forma di Adenosina trifosfato, ossia ATP. In tutti i sistemi

biologici l’ATP è il trasportatore universale di energia libera.

L’ATP è una molecola ricca di energia, in quanto la sua unità

trifosfato contiene due legami fosfoanidrinici.

Nei sistemi biologici l’ATP ha la funzione di donatore immediato

di energia libera per favorire reazioni che richiedono un

apporto di energia. Il turnover dell’ATP è molto rapido: l’ATP

viene continuamente rigenerato dall’ADP.

L’idrolisi è accompagnata da una grande variazione di energia libera standard di

segno negativo. Le basi chimiche che spiegano ciò si riassumono in:

1. La repulsione elettrostatica tra le quattro cariche negative dell'ATP, la quale

diminuisce a seguito della separazione delle cariche che si ha dopo l’idrolisi;

2. La stabilizzazione per risonanza, in cui il fosfato Inorganico (P ) rilasciato

i

dall'idrolisi viene stabilizzato dalla formazione di un ibrido di risonanza in

cui ciascuno dei quattro legami P - 0 ha lo stesso grado di doppio legame, e

lo ione idrogeno non è sempre legato allo stesso atomo di ossigeno. Un

terzo fattore che favorisce l’idrollsl dell'ATP è rappresentato dal maggior

grado di solvatazione (o idratazione) che presentano i prodotti rispetto

all'ATP, fenomeno che stabilizza ulteriormente i prodotti della reazione

rispetto al reagenti.

L’ATP fornisce energia mediante trasferimento di gruppo, e non per semplice

idrolisi. Il gruppo fosforico o l’adenilato vengono prima trasferiti a una molecola

di substrato o a un residuo amminoacidico dell’enzima. L’ATP partecipa alla

reazione a cui deve fornire energia libera.

L’energia libera necessaria viene ottenuta dagli organismi chemiotrofi dall’ossidazione delle molecole delle

sostanze nutrienti. Negli organismi aerobici l’accettore finale degli elettroni è l’O . Gli elettroni non vengono

2

trasferiti direttamente dalle sostanze nutrienti all’O . Gli elettroni non vengono trasferiti direttamente dalle

2

sostanze nutrienti all’O . Da questi nucleotidi gli elettroni vengono trasferiti all’O attraverso la catena di

2 2

trasporto degli elettroni, localizzata nella membrana interna dei mitocondri (fosforilazione ossidativa).

Esistono varie molecole che contribuiscono alla sintesi dei fosfati dell’ATP:

 Equivalenti riducenti, ossia i coenzimi NAD (vitamina B ) e FAD (vitamina B ). Essi si caricano di ioni

3 2

idrogeno ed elettroni persi dalle reazioni redox che avvengono nella cellula e diventano NADH e FADH .

2

Essi poi donano questi elettroni acquisiti ai complessi respiratori che li useranno per produrre ATP: da una

molecola di NADH si formano 3 molecole di ATP, mentre da una molecola di FADH se ne formano 2;

2

 Gli intermedi della glicolisi (il processo in cui appunto si degrada il glucosio per ricavare energia), che sono

il fosfoenolpiruvato o PEP, e l’1,3-bifosfoglicerato o 1,3-BPG;

 I tioesteri, tra i quali il più importante è il coenzima A.

Tutte e tre queste categorie comprendono composti con energia maggiore di quella dell’ATP, e deve essere così,

poiché per convertire l’ADP in ATP è necessaria una quantità di energia maggiore ed apposita.

+

Il NAD (nicotinamide adenin dinucleotide) è il principale accettore di elettroni nelle ossidazioni di molecole

nutrienti. La parte reattiva del NAD+ è l’anello nicotinamidico. Nell’ossidazione del substrato l’anello

nicotinamidico accetta 1 protone (H+) e 2 elettroni (e-), cioè 1 ione idruro (H-). La forma ridotta è detta NADH.

Nella maggior parte delle biosintesi i precursori sono più ossidati dei prodotti. Le biosintesi richiedono potere

riducente oltre all’ATP. Il donatore di elettroni in molte delle biosintesi riduttive è il NADPH. Il NAPDH viene usato

quasi esclusivamente per le biosintesi riduttive, mentre il NADH viene usato principalmente per produrre ATP. Il

gruppo fosforico in più nella molecola di NADPH indirizza questo trasportatore verso specifici enzimi biosintetici.

Alcuni enzimi (le

flavoproteine) catalizzano

reazioni di ossido-riduzione

usando come cofattori i

nucleotidi flavinici, ossia sia

il flavin mononucleotide

(FMN) che il flavin adenin

dinucleotide (FAD). Essi

derivano dalla vitamina

riboflavina, e la loro

struttura è definita ad

anello isoallossazinico.

L’ossidazione delle sostanze organiche è un fonte importante di energia cellulare. Nell’ossidazione aerobica del

carbonio l’accettore ultimo di elettroni è O , e il prodotto di ossidazione è CO . Quanto più ridotto è all’inizio un

2 2

atomo di carbonio, tanto più esoergonica è la sua ossidazione. Quando una molecola organica complessa viene

ossidata la reazione di ossidazione coinvolge un atomo di carbonio alla volta. Lo stato di ossidazione del carbonio

segue questo schema: alcano < alcol < aldeide < acido carbossilico < anidride carbonica.

14 – Glicolisi, gluconeogenesi e via del pentoso fosfato

Il glucosio occupa una posizione centrale nel metabolismo. Esso è ricco di energia potenziale e quindi è un ottimo

combustibile. Il glucosio non è solo una sostanza nutriente impiegata nel metabolismo, ma può seguire anche

differenti vie:

 Tramite la glicolisi, si ossida in piruvato;

 Tramite la via del pentosio fosfato, si ossida in ribosio 5-fosfato;

 Cura la sintesi di polimeri strutturali, come componenti della matrice extracellulare e polisaccaridi della

parete cellulare;

 Funge da deposito di glicogeno, amido e saccarosio.

Nella glicolisi una molecola di glucosio viene degradata, nel citoplasma, mediante una serie di reazioni catalizzate

da enzimi che producono due molecole di un composto a tre atomi di carbonio, il piruvato. Durante le reazioni in

sequenza della glicolisi parte dell'energia rilasciata dal glucosio viene recuperata sotto forma di ATP e di NADH.

Lo sviluppo di metodi di purificazione degli enzimi, la scoperta e il riconoscimento dell'importanza di coenzimi

come il NAD e l'identificazione del ruolo primario dell'ATP e di altri composti fosforilati sono informazioni

derivate dalle ricerche sulla glicolisi. La glicolisi è la via centrale per il catabolismo del glucosio, attraverso la quale

passa la quantità più consistente di atomi di carbonio nella maggior parte

delle cellule.

La demolizione del glucosio, uno zucchero a sei atomi di carbonio, in due

molecole di piruvato, composto a tre atomi di carbonio, avviene in dieci

tappe.

Le prime cinque delle quali costituiscono la fase preparatoria, e sono così

articolate:

1. Prima reazione d’innesco: Il glucosio viene fosforilato a livello del

gruppo ossidrilico sul C-6;

2. Il D-glucosio 6-fosfato così formato viene convertito in D-fruttosio

6-fosfato;

3. Seconda reazione d’innesco: Il D-fruttosio 6-fosfato viene a sua

volta ancora fosforilato sul C-1, generando D-fruttosio 1,6-

bifosfato;

In entrambe le prime due tappe di fosforilazione, il donatore dei gruppi

fosforici è l’ATP.

4. Il D-fruttosio 1,6-bifosfato viene scisso in due molecole a tre atomi

di carbonio: il diidrossiacetone fosfato e la gliceraldeide 3-fosfato;

5. Fase litica: Il diidrossiacetone fosfato viene isomerizzato in una

seconda molecola di gliceraldeide 3-fosfato.

Si completa così la prima fase della glicolisi, in cui sono state consumate

due molecole di ATP per scindere il glucosio in due elementi a tre atomi

di carbonio, ed aumentare quindi l’energia libera, e tutti gli zuccheri esosi

sono stati convertiti in un prodotto comune, la gliceraldeide 3-fosfato.

Le restanti cinque costituiscono la fase di recupero energetico, e sono

così articolate:

6. Ogni molecola di gliceraldeide 3-fosfato viene ossidata e

fosforilata dal fosfato inorganico, formando 1,3-bisfosfoglicerato;

7-10. L’ energia viene rilasciata quando le due molecole di 1,3-

bisfosfoglicerato sono convertite in due molecole di piruvato.

La maggior parte di questa energia viene conservata mediante la

fosforilazione di quattro molecole di ADP ad ATP. L’energia è conservata

nella fase di recupero energetico mediante la formazione di due molecole

di NADH per molecola di glucosio.

La resa netta è di due molecole di ATP e due molecole di NADH per molecola di glucosio entrata nella via

metabolica, in quanto due molecole di ATP sono state utilizzate nella fase preparatoria della glicolisi.

Il piruvato che si forma dalla glicolisi viene metabolizzato

ulteriormente attraverso una di tre vie cataboliche:

 Nei tessuti e organismi aerobici, la glicolisi è soltanto la prima

fase della completa degradazione del glucosio. Il piruvato viene

ossidato, con perdita del suo gruppo carbossilico sotto forma di CO e

2

con formazione del gruppo acetilico dell’acetil-coenzima A. Il gruppo

acetilico viene quindi completamente ossidato a C0 nel ciclo

2

dell'acido citrico. Gli elettroni sottratti in queste reazioni di

ossidazione vengono trasferiti all'ossigeno attraverso una catena di

trasportatori mitocondriali, formando alla fine H 0. L’energia delle

2

reazioni di trasferimento degli elettroni permette la sintesi di ATP nel

mitocondrio;

 La seconda via del metabolismo del piruvato è la sua riduzione

a lattato attraverso la fermentazione lattica. Quando il muscolo

scheletrico si contrae vigorosamente in condizioni di insufficiente

apporto di ossigeno (condizione che viene definita ipossia), il NADH

+

non può essere riossidato a NAD , ma quest’ultimo è necessario come accettore di elettroni per l'ulteriore

ossidazione del piruvato. In queste condizioni il piruvato viene ridotto a lattato, accettando gli