2 BIOENERGETICAGli organismi viventi hanno la necessità e la peculiarità di conservare le proprie strutture altamente organizzate e mantenere un preciso ordine interno attivando processi che possano contrastare l’inesorabile degrado della materia. Le cellule hanno sviluppato meccanismi molto efficaci per catturare l'energia dalla luce del sole (organismi fotosintetici) o per estrarla da sostanze ossidabili e accoppiarla ai processi che questa energia consumano. In quest’ultimo caso esse prelevano molecole dall’ambiente, i nutrienti, dai quali, tramite i processi degradativi, (catabolici) trasferiscono l'energia all'ATP. Sono le reazioni esoergoniche di demolizione che rendono disponibile l’energia da usare per fare avvenire i processi che consumano energia come il lavoro meccanico, il lavoro osmotico ed elettrico, il trasferimento dell'informazione genetica, il mantenimento dell'omeostasi termica e i numerosi processi biosintetici, riduttivi, quelli delle reazioni endoergoniche che oltre a produrre molecole importanti per la funzionalità della cellula, concorrono al mantenimento delle strutture ordinate degli organuli cellulari. Tutte le trasformazioni energetiche che avvengono in natura seguono le leggi della termodinamica e gli esseri viventi non sfuggono a questi principi.Le cellule sono trasduttori (trasformatori) di energia efficacissimi e sono sistemi termodinamici che operano a temperatura costante. Il primo principio della termodinamica è il principio della conservazione dell’energia, quello che ci ricorda che l’energia non si può né creare né distruggere ma solo trasformare e quindi che l’energia totale sistema-ambiente è costante. Un'altro modo di enunciare il primo principio è "l'energia totale scambiata in un sistema termodinamico è indipendente dal percorso che si compie nelle trasformazioni ma dipende dal punto iniziale e da quello finale. Così la quantità di energia liberata dall’ossidazione del glucosio in una bomba calorimetria, che avviene in una frazione di secondo e in un'unica tappa, è la stessa liberata dalla cellula nel lungo e complesso percorso catabolico. Il secondo principio della termodinamica introduce il concetto di entropia (S), che è l’equivalente matematico del disordine molecolare Il secondo principio dice che in ogni trasformazione energetica la somma delle variazioni di entropia del sistema-universo aumenta. Come dire che in tutte le reazioni con scambi d’energia il disordine molecolare dell’universo aumenta. Se consideriamo una cellula il sistema e l’ambiente intorno l’universo avremo che: . ∆S universo + ∆S sistema > 0 L’energia libera di Gibbs (G) è l’energia in grado di produrre lavoro utile durante una reazione a temperatura e pressione costanti. Nelle reazioni esoergoniche il sistema perde energia libera e i prodotti si trovano ad un livello energetico più basso e quindi ∆G sarà < 0. In quelle endoergoniche, quelle “in salita” i prodotti si trovano ad un livello energetico superiore e quindi “guadagnano” energia libera per cui sarà ∆G > 0. L’entalpia H è il contenuto termico di un sistema ed esprime il numero e la qualità dei legami dei reagenti e dei prodotti. Nelle reazioni che rilasciano calore (esotermiche) ∆H sarà < 0. In quelle che assorbono calore (endotermiche) sarà ∆H > 0. A temperatura e pressione costanti, le condizioni esistenti nei sistemi biologici, S,H,G sono correlate dalla seguente equazione: ∆G = ∆H - T∆S Poiché nei processi spontanei ∆H < 0 e ∆S > 0 si avrà ∆G < 0 (vedi anche le relazioni tra ∆G, ∆H e ∆S) Apparentemente gli esseri viventi sfuggono al secondo principio della termodinamica ma ciò, oltre a essere impossibile, non è vero. Essi riescono a mantenere l’ordine interno e quindi entropia negativa, rilasciando nell’ambiente fattori antropici che compensano ampiamente l’ordine interno ed in modo che l’entropia ambiente-sistema cellula sia maggiore di 0. 2 Nello studio del metabolismo energetico incontreremo vie degradative esoergoniche (quindi con ∆G < 0) che sono reazioni spontanee, in senso termodinamico, che avvengono nei tempi e nei modi fisiologici solo se ogni tappa viene catalizzata da uno specifico enzima. Queste reazioni che fanno parte, nel loro insieme, del catabolismo, sono ossidazioni biologiche. Le ossido-riduzioni biologiche Rimandandovi al corso di chimica per una completa trattazione delle ossido-riduzioni, a noi interessa, in questa sede capire quali sono le strategie degli esseri viventi per estrarre energia dalle ossidazioni e come poi utilizzano questa energia per "spingere" le numerosissime reazioni endoergoniche di biosintesi che le consentano, oltre a produrre molecole fondamentali, di mantenere il peculiare ordine interno. L'atomo che dobbiamo mettere al centro delle nostre osservazioni è l'atomo di Carbonio che, negli organismi viventi, si trova in cinque diversi stati d'ossidazione. La figura mostra i cinque stati d'ossidazione del C partendo dal più ridotto (nell'alcano, nella tabella) a quello più ossidato: il diossido di C. L'etano è un idrocarburo ed il C si trova a condividere i doppietti elettronici con un atomo meno elettronegativo. Il risultato è che il C, negli idrocarburi, è ad un alto stato di riduzione e questo comporta che la sua ossidazione libera una elevata quantità d'energia. Ecco perché gli idrocarburi sono combustibili largamente usati per produrre energia. Passando da un idrocarburo ad un alcol si ha una ossidazione purché si introduce un legame CO. E' intuitivo capire che, nel suo insieme l'alcol mantiene comunque un alto grado di riduzione: ecco perché le bevande alcoliche sono alimenti energetici. L'aldeide presenta uno stato d'ossidazione superiore a quello dell'alcol perché un atomo di C condivide due doppietti elettronici con l'O, l'atomo più elettronegativo tra gli elementi (F escluso). Gli acidi organici hanno un C ancora più ossidato. Ma anche dagli acidi e, a maggior ragione dalle aldeidi, è ancora possibile estrarre energia ossidandoli ad anidride carbonica (diossido di C) che è la forma più ossidata del carbonio. Una ossidazione (combustione) è completa quando i prodotti finali sono CO2 e H2O Possiamo scrivere così una reazione generale e semplificata: Combustibile + comburente + nO2 ———→ ———→ nCO2 + nH2O + Energia nCO2 + nH2O + Energia (Idrocarburi/alcol/aldeide/acido) Alcune considerazioni:E' evidente una "scala" di ossidazione del carbonio che in senso crescente è : Idrocarburi →Alcol →Aldeide →Acido →Anidride carbonica. Passare, in questo ordine, dall'uno all'altro è una ossidazione. Nell'ordine inverso è una riduzione.Le sostanze ossidabili contengono una certa quantità di energia di legame che viene gradatamente liberata da sistemi multienzimatici che formano le vie o i cicli metabolici. Una parte di questa energia sarà energia utile capace di essere sfruttata per compiere un lavoro ed una parte si disperderà nell'ambiente sotto forma di fattori entropici. Una reazione di ossidoriduzione è un trasferimento di elettroni e nella cellula vi sono tre modi principali di farlo Un substrato ridotto lo possiamo rappresentare legato a due atomi di H ed è il donatore di protoni ed elettroni Questo principio spiega perché una reazione termodinamicamente sfavorita può avvenire se accoppiata e guidata da una reazione esoergonica attraverso un intermedio comune. Ad esempio la fosforilazione del glucosio a glu-6-P è la prima tappa della utilizzazione del glucosio nelle cellule. la reazione globale A→C ha un ∆G <0 e quindi avviene. Essa è una reazione endoergonica che avviene perché contemporaneamente si ha l'idrolisi dell'ATP in ADP + Pi.∆Gtotale= -17 KJ/mole(7. La reazione nel suo insieme sarà:A ———→ C I valori di ∆G°'nelle reazioni sequenziali sono addittivi e quindi il valore della variazione d'energia libera nella reazione A→C è dato dalla somma algebrica delle due reazioni separate. l'energia necessaria per le varie attività biologiche quali il movimento.) Glucosio + Pi ATP + H2O ———→ Glucosio 6-Pi ———→ ADP + Pi ∆G = + 14 KJ/mole ∆G = -30 KJ/mole avendo comuni gli intermedi Pi le reazioni sono sequenziali e quindi addittive ATP+ Glucosio 6P ———→ ADP+ Glucosio.2 Gli enzimi che operano i trasferimenti di elettroni tramite trasferimenti di idrogeno Si chiamano deidrogenasi e saranno fondamentali nel metabolismo energetico (e non solo). Ricordiamo che dividendo per 4. il mantenimento .18 otteniamo le Kcal. I loro coenzimi FAD e NAD+ saranno in grado di accettare rispettivamente 2 atomi di H. Essendo il ∆G di B→C maggiore in valore assoluto di quello sfavorevole di A→B. possiamo scrivere la reazione globale considerando B un intermedio e quindi possiamo trascurarlo. In biochimica molte reazioni biosintetiche endoergoniche sono guidate e accoppiate a reazioni esoergoniche. con una certa quota di energia di legame. Le reazioni accoppiateConsideriamo una reazione di una ipotetica via metabolica in cui A si trasforma in C. nonostante che la prima parte sia endoergonica. e ammettiamo che la reazione globale avvenga in due passaggi.3Kcal/mole) Il metabolismo: una visione d'insieme L'insieme delle trasformazioni che avvengono in un organismo vivente si chiama metabolismo. nel catabolismo energetico.E uno ione idruro. Questa reazione non avviene se non si fornisce energia al sistema. Il metabolismo si divide in catabolismo che comprende tutte le reazioni degradative che trasformano composti complessi. La tabella seguente è molto chiara! (i valori dell'energia libera sono espressi in KJ. come nel seguente esempio: 1) A→B con ∆G1°'> 0. 2) B→C con ∆G2°'<< 0 Questa reazione è esoergonica (un ossidazione) e libera più energia di quanto ne occorra per fare avvenire la prima Dato che A si trasforma in B che a sua volta si trasforma in C. il trasferimento dell'informazione genetica. il passaggio selettivo attraverso le membrane. in sostanze sempre più semplici estraendo intermedi importanti o. Una specie di accumulatore che immagazzina energia. una base azotata presente anche nel DNA si lega ad una molecola di ribosio. Questo intermedio deve essere comune ad altre reazioni e cioè entrare in altre redox e. avvicinandole tra loro. L’ossidazione di AH2 ha liberato energia che si è trasferita nell’intermedio che porta il potere di ridurre altre molecole e quindi di innescare le vie biosintetiche. Gli enzimi che contengono coenzimi che operano le deidrogenazioni sono accettori di H2. sarà destinata a rendere possibili tutte le sintesi di molecole indispensabili per un corretto funzionamento delle cellule che nel loro insieme sono l'altra parte del metabolismo: l'anabolismo. L'ATP è un nucleotide in cui l'adenina. Ma il suo “potere riducente” deve essere ripristinato e questo avviene permettendo una reazione riduttiva “accoppiata” a quella ossidativa. e che è fondamentale nello nostro studio successivo. Una cellula ha bisogno di una riserva di energia autonoma e capace di essere ceduta in una molteplicità di reazioni. Alla fine delle due reazioni I esce inalterato.2 dell'omeostasi termica. che svolge queste funzioni è l’ATP. pena il blocco della glicolisi e quindi di tutto il catabolismo del glucosio. L'anabolismo è costituito da tutte le reazioni endoergoniche che partendo da relativamente pochi composti semplici. Questa rottura è catalizzata dall'enzima ATPasiche nel sito attivo espone uno ione bivalente positivo Mg+2 che destabilizza. . fondamentali nel metabolismo come intermedi capace di accettare elettroni e quindi di ridursi e di cederli in altre reazioni. Vedremo anche che. La cellula dovrà trovare una soluzione. abbastanza forti.. le cariche negative. con legame estere forte. per ricominciare di nuovo. col suo potere riducente acquisito. Una parte importante della trasduzione dell'energia chimica di legame in energia libera.. Il NAD si riduce a NADH. riossidandosi. Come si vede in figura l'ATP. il FAD e il NAD+ . presenta quattro cariche elettriche negative che rendono instabile la molecola. IH2 + B —redox————→ I + BH2.ma non viene ripristinato dalla via metabolica. in acqua. Osservare che l'intermedio in una classica ossidoriduzione funziona da deidrogenasi. il quale a sua volta lega. un fosfato. alla fine della glicolisi. ma la più importante. ma idrolizzabili enzimaticamente. l'eliminazione di sostanze tossiche (come l'NH3). Nelle cellule le reazioni cataboliche e quelle anaboliche non sono accoppiate temporalmente per cui esse devono disporre di un “serbatoio di raccolta” dell’energia: un composto intermedio secondo lo schema: AH2 + I —redox————→ A + IH2 A viene ossidato da un composto che assume + elettroni e protoni (H ) e che quindi si riduce. con un legame N-glicosidico. permette alle cellule di sintetizzare numerose e complesse biologiche di fondamentale interesse.. capace di essere sintetizzato in molte reazioni esoergoniche e utilizzabile in molte reazioni endoergoniche. La molecola. L'allontanamento successivo degli ioni Mg provoca una violenta repulsione elettrostatica che determina la rottura del legame fosfoanidridico. Vedremo la struttura e il meccanismo d'azione di due coenzimi delle deidrogenasi. attraverso reazioni riduttive. E' naturale che il metabolismo energetico sarà alimentato e dipenderà da questi coenzimi ossidati. L'acqua si addiziona al legame fosfoanidridico terminale provocandone la rottura. non la sola. I legami del primo fosfato col secondo e quello del secondo col terzo sono legami fosfoanidridici. In questa reazione l’intermedio si riduce ossidando A. riossidarsi per ridurre un nuovo composto B sul quale verrà trasferita l'energia (potere riducente). Si pensi alla sintesi delle proteine e della loro importanza biologica. 3 ATP + H2O ——→ ADP + Pi La reazione ha un ∆G°' di -7. L'ATP è un ottimo trasportatore di gruppi fosfato anche per il fatto che ha un potenziale di trasferimento intermedio rispetto ai principali composti fosforilati che ci sono nella cellula. Come abbiamo visto. Questi composti possono trasferire un gruppo fosfato all'ADP per rigenerare ATP. Il turnover dell'ATP è elevatissimo. Durante uno sforzo considerevole la velocità di utilizzazione dell'ATP è di circa 1/2 Kg al minuto! E' del tutto evidente che questo è possibile solo se la cellula è in grado di rigenerare ATP dall'ADP secondo la reazione: ADP + Pi ——→ ATP. Quindi durante l'esercizio muscolare è la fosfocreatina che mantiene elevata la concentrazione di ATP. con il suo elevato potenziale di trasferimento di fosfato. La funzione dell'ATP è quella di mettere a disposizione energia libera immediatamente e non quella di conservarla. Abbiamo capito così perché l'esochinasi può trasferire un Pi dall'ATP al glucosio. Uno di questi è la fosfocreatina. Come vedremo sarà. Un uomo a riposo consuma circa 40 Kg di ATP in 24 ore. per i chemiotrofi. l'ATP cede Pi (fosfato inorganico) all'acqua con una certa facilità e allora definiamo il suo potenziale di trasferimento di gruppi fosfato uguale all'energia liberata da questo processo: ∆G°' = -7. permette una generazione immediata di ATP secondo la reazione: Fosfocreatina + ADP—→ ATP + Creatina. l'ossidazione dei nutrienti la strada che porterà alla produzione di ATP. Vedremo.3 Kcal/mole (-30.5 KJ/mole) ed è quindi fortemente esoergonica.3 Kcal/mole. L'idrolisi dell'ATP è spostata a destra perché i prodotti presentano una maggiore stabilità complessiva dovuta sia allo ione fosfato. che si genererà ATP per un trasferimento di Pi dal fosfoenolpiruvato all'ADP. Nella cellula ci sono composti estremamente importanti. Infatti il glucosio-6-P ha un potenziale di trasferimento inferiore a quello dell'ATP. nella glicolisi. stabilizzato per risonanza. Nel muscolo la quantità di ATP presente può sostenere l'attività contrattile per meno di un secondo. Si tratta di sintesi di ATP a livello del substrato I coenzimi delle deidrogenasi: NADH e FADH2 . che all'ADP che si ionizza liberando H+ in ambiente pressoché neutro. L'abbondanza di fosfocreatina. con un potenziale di trasferimento di fosfato superiore a quello dell'ATP e li incontreremo nel corso di studio. a distinguere i quattro modi in cui questi coenzimi si trovano scritti che sono le seguenti: NAD+ che si legge NAD ossidato. Evidentemente il NAD ossidato che addiziona due elettroni e un protone si riduce e passa nella forma NADH (ridotto). per la loro struttura. Il ribosio lega due gruppi fosfato che. Il FAD è in grado di accettare due atomi di H e cioè due protoni (2 H+) + un doppietto elettronico. (ricordate: lo ione idruro) La nicotinammide è la vit. NADH che si legge NAD ridotto.Questi coenzimi sono complessi molecolari che. Ma vediamo meglio le loro strutture. Poiché le deidrogenasi rimuovono nel complesso due atomi di idrogeno. Un idrogeno si addiziona al sito reattivo mentre l'arrivo del doppietto elettronico. NAD fosfato ridotto. Come si può vedere all'anello eterociclico dell'adenina è legato un ribosio. legano l'anello nicotinammidico (parte grigia chiara) che è la parte reattiva della molecola. Questi trasportatori di "potere riducente" sono i coenzimi delle deidrogenasi: il flavin-adenin-dinucleotide (FAD) e ilnicotinammide-adenin-dinucleotide (NAD+). partendo da un substrato ridotto (un carboidrato. possono addizionare protoni ed elettroni di atomi di idrogeno rimossi dalle deidrogenasi. E precisamente: Il NAD+ è in grado di accettare uno ione idruro e quindi un protone e due elettroni : H:(ione idruro) ——→ H+ + un doppietto elettronico. cioè quella che accetta il doppietto elettronico e un protone. attratto dall'azoto positivo genera un . e lo capiremo presto. Incontreremo anche il NADP+ che si legge NAD fosfato ossidato e il NADPH. FAD che si legge FAD ossidato e FADH2 che si legge FAD ridotto. NADH) La figura ci mostra la sua forma ossidata (NAD+). un acido grasso e anche un aminoacido) con una determinata energia potenziale di legame. gli elettroni e i protoni vengono trasferiti da intermedi specifici. Sarà bene abituarsi. Il FAD passa da FAD a FADH2. Il nicotinammide-adenin-dinucleotide (NAD+. tramite un nuovo ribosio.3 Generare ATP è quindi lo scopo principale di tutto il metabolismo energetico. Abbiamo visto come questo avvenga alla fine di un lungo processo di demolizione dei nutrienti che è caratterizzato da una serie di ossidoriduzioni in cui. la reazione globale libererà un protone H+ NAD+ + H2 ——→ NADH + H+ Come si vede nel dettaglio protoni ed elettroni attaccano il sito reattivo. PP. come detto si chiama NAD fosfato ossidato. NADPH. Gli organismi chemiotrofi prelevano dall'ambiente materiali ricchi di energia potenziale di legame e attraverso una Schema generale del metabolismo energetico . E' importante comunque saperli distinguere perché se studiamo una reazione in cui è presente il NADPH allora siamo all'interno di riduzioni anaboliche mentre se è presente il NADH allora ci troviamo in tappe cataboliche per la produzione di ATP. Il meccanismo di trasferimento degli elettroni è lo stesso sia nel NADH che nel NADPH. La parte reattiva sta nell'anello isoallossazinico che può accettare due protoni e due elettroni sugli atomi di N. La presenza di un gruppo fosfato. ad alta energia. Nota importante: osservando la struttura del NAD. allora si parla di NADP+ che.3 riarrangiamento della distribuzione. i FAD sono legati covalentemente alle loro proteine enzimatiche che per questo prendono il nome di flavoproteine. nello stato ridotto. la vit. conferisce al NADP+. come si vede in figura. Mentre i coenzimi NAD possono essere legati a diverse deidrogenasi e sono mobili. Se al posto di H sostituiamo un gruppo fosfato. sia ATP che NAD che FAD sono derivati da nucleotidi (l'ATP è un nucleotide). che vedremo in seguito. che porta all'annullamento della carica sull'azoto che passa da valenza 4 alla valenza 3. la proprietà di essere il principale donatore di elettroni nelle biosintesi riduttive.. in posizione 2' troviamo il gruppo OH. B12. Il NADPH viene generato nella via del pentoso fosfato. sul ribosio legato all'adenina. Il flavin-adenin-dinucleotide (FAD FADH2) Nella struttura del FAD troviamo ancora un adenina che si lega ad un ribosio che a sua volta lega due gruppi fosfato. La parte centrale è il derivato da una vitamina idrosolubile la riboflavina. nell'anello. Come si può facilmente osservare. e che rappresentano la fonte di aminoacidi.3 complessa serie di reazioni estraggono l'energia libera necessaria per le molteplici funzioni fisiologiche e per permettere le sintesi di numerose molecole indispensabile per la vita. gli acidi grassi e il . colesterolo. ai sali minerali e alle vitamine. vedi Glucidi: sono principalmente i carboidrati complessi come l'amido ma anche i disaccaridi come il saccarosio. inositolo ecc.vedi Protidi: sono le proteine alimentari che. Attraverso l'apparato digerente introduciamo con la dieta oltre all'acqua. vedi Le tre fasi del metabolismo energetico La figura mostra in maniera schematica le tre fasi del metabolismo energetico a partire dai prodotti dei processi digestivi: glucosio. Come si vede le vie cataboliche sono convergenti ed individuano loione acetato come un gruppo chimico comune alle tre classi di principi nutritivi Con vie metaboliche separate. possono essere aggiunti al terreno di coltura sottoforma di polipeptidi o peptoni. vedi Lipidi:rappresentano una classe di composti per nulla o scarsamente solubili in acqua. Anche essi subiranno una complessa idrolisi nel tubo digerente che richiede l'intervento di sostanze tensioattive come la bile. sfingosina. cominciando nella bocca si interrompe temporaneamente nello stomaco e continua vigorosamente nel duodeno per l'azione dei succhi pancreatici e termina nell'intestino tenue le cui cellule producono gli enzimi della digestione finale. molti aminoacidi. molecole principalmente dirette al metabolismo energetico. Il glucosio è il primo e fondamentale composto di trasformazione biologica dell'energia radiante in energia chimica. Negli alimenti gli acidi grassi. acidi grassi. nel caso dei batteri. a seconda dei casi sono: glicerolo. I monosaccaridi sono scarsamente presenti negli alimenti ma sono il prodotto della lunga idrolisi che. Il fruttosio e il galattosio vengono convertiti in glucosio che quindi è l'unico monosaccaride presente nel sangue periferico e l'unico ad essere utilizzabile dalle cellule. acidi grassi e aminoacidi. i principali costituenti delle molecole lipidiche. il lattosio ed il maltosio. col compito di emulsionare i lipidi per renderli attaccabili dalle lipasi pancreatiche ed enteriche idrosolubili. prodotta dal fegato. Attraverso l'apparato digerente esse vengono prima idrolizzate tramite l'azione di enzimi proteolitici gastrici ed intestinali liberando i 20 aminoacidi che saranno poi assorbiti nell'intestino tenue e riversati nel sangue dal quale possono raggiungere tutte le cellule. sono esterificate alle tre posizioni OH del glicerolo e prendono il nome di trigliceridi. acido fosforico basi azotate. tre classi di nutrienti contenuti negli alimenti. subirà l'ossidazione dei primi due C nel passaggio da piruvato ad acetato. B5). Al secondo fosfato è legato il nucleo di una vitamina che è l'acido pantotenico (vit. come i dinucleotidi delle deidrogenasi è composto da adenina. La parte reattiva del CoA. a questo punto. Negli . Anche il CoA. L' acetato verrà addizionato ad un coenzima. che converte il glucosio in due molecole di piruvato generando energia metabolica sottoforma di ATP. due acetati Il CoA deve però avere la proprietà di rilasciare l'acetato nel ciclo dell'acido citrico. La seconda fase corrisponde al ciclo di Krebs nel quale si ha l'ossidazione definitiva dei due atomi di C dell'acetato a CO2(entrano nel ciclo. Calcolando il ∆G°'della reazione di idrolisi mitocondriale: Acetil-CoA + H2O ←—→ acetato + CoA + H+ si ottiene ∆G°' = . i prodotti delle digestione vengono degradati ad acetato. alcuni dei quali troveremo in questo corso. Questo gruppo forma un legame tioestere con col carbonio carbonilico dell'acetato. attraverso percorsi diversi. si ha l'ossidazione dei rimanenti quattro atomi di C a CO2 Il glucosio. come vedremo. oltre al annullare l'acidità dello ione acetato.5 Kcal/mole. come si può vedere. Questa fase si chiama Fosforilazione ossidativa. cioè quella che addiziona l'acetato è il gruppo sulfridilico terminale.7. ribosio e due gruppi fosfato. <vedi in seguito> Il coenzima. trasportare e liberare un numero elevato di gruppi molecole contenenti gruppi acile ed è interessante.3 glucosio vengono trasformati in acetato caratterizzato dalla presenza di un gruppo acilico: CH3-COOH per ogni glucosio) e quindi tramite il ciclo di Krebs. Durante il ciclo di Krebs vedremo in azione le deidrogenasi NAD+ e FAD dipendenti che assumeranno elettroni con il meccanismo già studiato e li porteranno nella terza fase. La glicolisi e il destino del piruvato La glicolisi è una via metabolica. presente in tutti gli organismi viventi. Questo flusso elettronico e protonico genererà una tensione di membrana mitocondriale che determinerà la produzione di ATP tramite una fosforilazione dell'ADP spinta dell'energia accumulata durante tutto il processo ossidativo. Nella prima fase. osservare come il disegno metabolico selezionatosi nell'evoluzione biochimica nella strategie cellulare per lo scambio di gruppi attivi è estremamente efficiente perché è effettuata da un gruppo relativamente piccolo di trasportatori. Il CoA è in grado di attivare. quella che corrisponde al metabolismo finale: la catena respiratoria in cui tramite una serie di ossidoriduzioni gli elettroni e l'idrogeno saranno portati all'ossigeno per formare H2O. come vedremo. Da ciò si deduce che l'idrolisi del tioestere è una reazione termodinamicamente favorevole e si può concludere che il CoA ha un elevato potere di trasferimento di ioni acetato. specifico per i gruppi acilici (C=O) contenente una vitamina del gruppo B . ilCoA. compartimento cellulare nel quale avvengono le fasi intermedie e finali del metabolismo energetico. funge da trasportatore dell'acetato all'interno dei mitocondri. HS in figura. chiamato anche ciclo degli acidi tricarbossilici o ciclo dell'acido citrico. di ricavare energia immediata riossidando il NADH citoplasmatico formatosi in una tappa della glicolisi. Sia l'etanolo che il lattato sono esempi di fermentazione che è una via strategica. Ad esempio l'etanolo è il prodotto della conversione del piruvato in alcuni lieviti. Si consuma così un'altra mole di ATP e si crea una molecola particolarmente instabile. Si ha quindi consumo di una mole di ATPperché le chinasi trasferiscono un gruppo fosfato dall'ATP al substrato (esse necessitano della presenza di ioni Mg+2 necessari all'idrolisi dell'ATP). Se la cellula ha bisogno di ricavare energia il glucosio-6-P subisce una isomerizzazione a fruttosio-6-P. Con ciò l'anello piranosico del glucosio viene convertito in quello furanosico. viene immediatamente fosforilato in posizione '6. più instabile. il fru1. Negli organismi anaerobi il piruvato viene ridotto in vari composti in assenza di ossigeno. primo intermedio del ciclo di Krebs. è destinato alla successiva rottura e quindi "obbligato" a continuare nella via glicolitica. Anche negli aerobi però.6difosfato. come vedremo. Ma questa tappa è cruciale perché la PFK è un enzima allostericomodulato a feedback dall'ATP e dall'acido citrico. Osservare che nella glicolisi intervengono tre chinasi e tutte controllano tappe irreversibili.6 difosfato. lafosfofruttochinasi(PFK) trasferisce un secondo gruppo fosfato in posizione '1 formando il fruttosio 1. la . Il passaggio della PFK è irreversibile e il suo prodotto. attiva il glucosio e lo incanala verso il suo destino metabolico (che non è solo la glicolisi). La esochinasi. Il glucosio. con cui si ottiene l'ossidazione completa del glucosio a H2O e CO2. il piruvato viene ridotto a lattato. Una nuova chinasi.3 organismi aerobi essa prelude al ciclo di Krebs e alla catena di trasporto degli elettroni. Questo passaggio catalizzato dalla glucochinasinel fegato e dallaesochinasi nel muscolo e nel cervello. se la fibrocellula muscolare è impegnata improvvisamente in uno contrazione intensa e non è sufficientemente rifornita di ossigeno. entrato nella cellula sotto stimolo ormonale. Potrà entrare nei mitocondri ed inserirsi nella catena di trasporto di elettroni alla fine della quale per ogni NADH riossidato si sintetizzano 3 moli di ATP. Allora questo passaggio può andare avanti solo in presenza. allora cosa succede? La glicolisi. già visto per il suo alto potenziale di trasferimento di fosfato.Nella tappa n° 6 si ha una deidrogenazione NAD dipendente. come detto. Si forma ilpiruvato. una nuova chinasi trasferisce il gruppo fosfato in posizione 1 del difosfoglicerato all'ADP generando una mole di ATP ( moltiplicato x 2 = 2 moli di ATP). Infatti nella ultima tappa la piruvato chinasi trasferisce un fosfato dal PEP all'ADP con formazione di nuovo ATP (2 moli) a livello del substrato. Infatti. se riossidato nella catena respiratoria. non solo energetico. Il diidrossiacetone viene convertito in gliceraldeide-3-fosfato che continua la via metabolica. . il 2fosfoglicerato viene deidratato. Dal substrato. Fino a questo punto la glicolisi è in rimessa energetica. la glicolisi non può andare avanti e si blocca! Ma è possibile bloccare la principale via metabolica del catabolismo energetico? No. da soli. trasferendo l'energia di legame dal substrato al coenzima ridotto. Questa è un ottima dimostrazione di come. Il NADH citoplasmatico così formato dovrà essere riossidato. produrre 6 moli di ATP! La tappa successiva mette in pareggio il bilancio di ATP prodotto e consumato. Termina così la glicolisi che ha prodotto 2 moli nette di ATP e 2 moli di NADH (che. Reazione complessiva: Glucosio + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ e ———→ 2 piruvato + 2ATP +2NADH + 2 H+ + 2 H2O Osservazioni importanti: . non ce n'è una che "si occupi" di riossidare il NADH! Allora? Quando tutto il NAD+ sarà consumato. D'ora in poi dovremo moltiplicare per due! Comincia così una fase di recupero che oltre ad ATP produrrà coenzimi ridotti. nel corso dell'avventura biologica del pianeta essa abbia "vinto" la pressione selettiva e si sia affermata come la via migliore per estrarre ATP dal glucosio. (Ricordate? SH2 + I → IH2 + S: ma perché SH2 possa essere nuovamente ossidato occorre che IH2 venga riossidato in I [in questo caso NADH] in una diversa reazione).Da quanto detto si capisce che ci sono due modi per produrre ATP. è una via universale. La gli-3-P viene ossidata a difosfoglicerato ad opera di una deidrogenasi NAD+dipendente. produrrà ulteriori 6 moli di ATP). un importante chetoacido centrale nel metabolismo. di NAD ossidato. la gli-3-P. Ricordando che i NADH formati in questa tappa sono 2.3 fosfofruttochinasi e la piruvatochinasi. La rottura del fruttosio 1. La deidratazione provoca la formazione di un doppio legame tra i carboni e si forma ilfosfoenolpiruvato (PEP). potenzialmente potrebbero.6 difosfato produce il chetotrioso diidrossiacetone fosfato l'aldotrioso gliceraldeide 3-fosfato. Nelle restanti tappe della glicolisi. Dopo una tappa di riarrangiamento. viene rimosso uno ione idruro che si addiziona all'anello nicotinammidico del NAD + riducendolo a NADH. avendo consumato due moli di ATP (con le fosforilazioni operate dalle chinasi) ed ha trasformato il glucosio in due molecole di gliceraldeide-3-P. . presente cioè in tutti gli organismi viventi e in tutti i tipi di cellule. A livello del substrato quando una chinasi trasferisce un fosfato da una molecola (substrato) ad alto potenziale di trasferimento all'ADP e a livello della catena respiratoria nella riossidazione dei coenzimi ridotti. sono presidi allosterici per il controllo enzimatico della produzione di energia. appunto. Sommando un fosfato in posizione '1 si ha la rimozione di uno ione idruro che con il suo doppietto elettronico riduce il NAD in NADH. Vediamo alcuni esempi: 1. il piruvato viene ridotto a lattato (acido lattico). Si ha così la rigenerazione del NAD+ che mantiene costante il flusso della glicolisi in condizioni anaerobiche. ossidato e addizionato al CoA da un complesso enzimatico mitocondriale chiamato. in questi organismi la riossidazione del NADH citoplasmatico! Nel complesso questa via metabolica si chiama fermentazione alcolica. pena il blocco dell'attività muscolare. come coenzima. in condizioni anaerobiche. Il ciclo di Krebs (chiamato anche ciclo dell'acido citrico o ciclo degli acidi tricarbossilici) Quando l'ossigenazione della cellula è sufficiente e il fabbisogno di un surplus di energia immediata non è un emergenza. Questa riduzione è il passaggio che permette di riossidare il NADH citoplasmatico. In moltissimi microrganismi e anche nelle cellule muscolari degli organismi superiori. La conversione del glucosio in lattato si chiamafermentazione lattica. essa ha bisogno di contrarsi indipendentemente dalla ossigenazione. Tale contrazione. la tiamina pirofosfato un trasportatore di CO2. Quindi la riduzione a lattato è una reazione "in salita" necessaria però in condizioni anaerobiche permettendo alla glicolisi di continuare a livello della gli-3-P. che è l'enzima deidrogenante NAD+ dipendente contiene latiamina pirofosfato (TPP) che è un trasportatore di unità monocarboniose (CO2) e che quindi opera la decarbossilazione ossidativa del piruvato. subisce l'azione della piruvato deidrogenasi (PDH). contiene . Un enzima l'E1. 3.3 Il piruvato invece ha un destino diverso che dipende da tipo di organismo e anche. dal tipo di cellula (in certe condizioni). proseguirà nei mitocondri. il piruvato citosolico viene trasportato nei mitocondri e. Sarà l'innesco che porterà l'acetato alla completa ossidazione mitocondriale nel ciclo di Krebs. per una insufficiente ossigenazione esso non può proseguire nel catabolismo aerobico che. In Escherichia Coli la PDH è costituita da numerose copie di tre diversi enzimi (una sessantina di catene polipeptidiche). una vitamina idrosolubile. Si ha così. Un enzima E2. La seconda tappa è una riduzione operata da una deidrogenasi NAD dipendente. un complesso enzimatico estremamente raffinato. è operata da un enzima contenente. Quando la cellula muscolare è chiamata ad uno sforzo molto intenso e/o improvviso.La via aerobica del piruvato: in condizioni di sufficiente ossigenazione il piruvato viene decarbossilato. quando la disponibilità d'ossigeno è insufficiente. in quella sede. la decarbossilazione. come vedremo. complesso della piruvato deidrogenasi. Vediamo meglio.In alcuni microrganismi e nei lieviti il piruvato viene ridotto ad etanolo in due passaggi: una decarbossilazione ed una deidrogenazione. Osservare che la riduzione del piruvato e la contemporanea riossidazione del NADH sottrae alla cellula i coenzimi che. in condizione aerobica entreranno nei mitocondri dove la loro riossidazione produrrà 3 moli di ATP per ogni coenzima. all'interno del medesimo organismo. L'azione della PDH produce acetil-CoA. Il piruvato viene ridotto a lattato nelle fibrocellule muscolari quando. non può durare per molto tempo perché l'acido lattico che viene prodotto è tossico e non può essere accumulato. La prima tappa. nel suo insieme. è controllata in modo estremamente rigoroso. L'attività della PDH. 2) i passaggi due e tre sono isomerizzazioni che portano all'isocitrato. Il CoA si libera pronto per un nuovo acetato. enzima allosterico in un punto d'incrocio fondamentale. che rigenera l'acido lipoico. Su questi coenzimi sarà così trasferita l'energia contenuta nei legami che hanno generato glucosio durante la biosintesi diretta dall'energia elettromagnetica della luce del sole. Si ha dapprima una deidratazione con formazione di un doppio legame e la successiva addizione di acqua sposta il gruppo OH del citrato in posizione '2. Si ha l'ossidazione . Il risultato dell'azione della PDH è quindi: piruvato + CoA + NAD+ ————→ acetil-CoA + Co2 + NADH vengono decarbossilati con produzione di CO2. la conversione del piruvato in acetil-CoA non deve avvenire perché il piruvato viene utilizzato prevalentemente per la gluconeogenesi.. 3) Nel passaggio quattro l'isocitrato viene decarbossilato e ossidato da una deidrogenasi NAD dipendente (isocitrato deidrogenasi). analogo dell'ATP... Quando i livelli di ATP nella cellula sono elevati. E' la preparazione alla successiva decarbossilazione ossidativa. se ce n'è bisogno. mentre per ogni FADH2 se ne formeranno 2 in un processo chiamato fosforilazione ossidativa. i passaggi cruciali del ciclo di Krebs. un chetoacido fondamentale non solo nel metabolismo energetico.. In sintesi la deidrogenasi viene inibita quando l'ATP o i suoi intermedi biosintetici sono abbondanti.. e per ogni NADH ossidato si otterranno 3ATP. la catena respiratoria. Inoltre il ciclo di Krebs produce un GTP. seguendo lo schema.. Come dire: Energia radiante ————→ Glucosio ————→ coenzimi ridotti.3 l'acido lipoico che provvede al trasferimento dell'acile al CoA e l'ultimo enzima E3. per ogni acetato. In queste reazioni ciascun acetato sarà completamente ossidato a CO 2 e produrranno tre molecole di NADH e una di FADH2. tranne uno. Vediamo tra i nove.) Ricordando la reazione globale dell'ossidazione completa del glucosio. 1) Nel primo passaggio si ha l'addizione dell'acetato all'ossalacetato. Un composto a quattro atomi di carbonio condensa con l'unità acetile formando un composto a sei atomi di carbonio. . dell'acetil-CoA. I due acetati formati dalla conversione del piruvato e addizionati al CoA contengono i restanti 4 atomi di carbonio del glucosio.scopriremo che nel ciclo di Krebs vengono ossidati gli altri quattro atomi di C.. dell'ATP inattiva il complesso.. (entrano due moli di piruvato ed entrambi metabolica. a livello di substrato. la succinico deidrogenasi che è una proteina della membrana interna del mitocondrio. L'aumento del NADH. producendo le altre quattro molecole di CO2 ed in seguito si formerà l'acqua In questo passaggio due dei sei atomi di carbonio del glucosio sono stati completamente ossidati a CO2.. Negli animali il passaggio da piruvato ad acetil-CoA è un passaggio irreversibile e fondamentale nel metabolismo poiché gli eterotrofi non sono in grado di convertire l'acetil-CoA in glucosio per cui questa conversione dirige gli atomi di C del glucosio o verso il ciclo di Krebs per ricavarne energia oppure nella sintesi di lipidi. Il ciclo dell'acido citrico consiste in una serie di reazioni catalizzate da enzimi localizzati nella matrice mitocondriale. Questi coenzimi saranno poi riossidati in una catena di trasporto di elettroni. Si forma il primo acido tricarbossilico: il citrato.. A questo punto si completa l'ossidazione di tutti gli atomi di carbonio del glucosio. che ha un ∆G°' = -35 KJ. insieme al piruvato e all'ossalacetato avranno ruoli importanti in altri metabolismi. analogo dell'ATP.3 completa di un atomo di C dell'acetato a CO 2 e liberazione di NADH. Nell'altra metà il ciclo si "occupa" di rigenerare . e 9(produzione di nuovo NADH) per rigenerare l'ossalacetato che è l'importante chetoacido che finisce il ciclo e lo ricomincia accettando l'acetato. vengono completamente ossidati entrambi a CO2. nelpassaggio 7. Segue nella 4) tappa cinque una nuova decarbossilazione ossidativa con gli stessi prodotti della tappa precedente. come si vede nel dettaglio in figura: Alcuni bilanci Considerando un giro completo del ciclo dell'acido citrico è facile capire che nella prima metà i due atomi di carbonio dell'acetato che entra e che si somma all'ossalacetato. (6) l'idrolisi del legame tioestere. con 4 atomi di C. in cui operano le flavoproteine formando FADH2 . Questo passaggio è catalizzato dal complesso della a-chetoglutarato deidrogenasi con meccanismo molto simile a quello della PDH: infatti si addiziona anche CoA e si forma il succinil-CoA. Nel successivo passaggio. Il succinato che ne deriva sarà ossidato due volte. Si forma un nuovo chetoacido (5 atomi di carbonio) l' a-chetoglutarato che. Si ha così produzione di energia a livello del substrato. libera l'energia necessaria per favorire la sintesi del legame fosfoanidridico del GTP. Alla fine del ciclo tutti e sei gli atomi di carbonio del glucosio hanno perso gli elettroni e quindi l'energia di legame. Per fare un bilancio della "resa" energetica del processo d'ossidazione cellulare. trasferita momentaneamente ai coenzimi nucleotidici. se il glucosio viene ossidato completamente attraverso il ciclo di Krebs e gli elettroni trasferiti all' ossigeno dalla catena respiratoria. di: 38 x 7. Nelle quattro ossidazioni i coenzimi NAD+ e FAD raccolgono molti elettroni che trasferiranno nella catena respiratoria portando alla sintesi di molte molecole di ATP. espressa in calorie. 4 Kcal che rappresenta circa il 40% della quantità totale dell'energia (liberata in ambiente fisico: bomba calorimetrica) contenuta nei legami del glucosio.4 l'ossalacetato necessario per la ripresa del ciclo. Alcune importanti considerazioni Il ciclo dell'acido citrico oltre ad essere centrale nel metabolismo energetico è anche una fonte di precursori fondamentali per alcune biosintesi. La seguente tabella schematizza il numero di moli di ATP prodotte nelle varie fasi: moli di ATP 2 6 6 2 3x2x3=18 2x2= 4 2x3= TOTALE =38moli tappe di produzione a livello di substrato nella glicolisi dalla riossidazione del NADH citoplasmatico dalla riossidazione dei 2 NADH prodotti nella deidrogenazione del piruvato a livello di substrato nel ciclo di Krebs dalla riossidazione dei 3x2 NADH prodotti nel ciclo di Krebs dalla riossidazione dei 2 FADH2 prodotti nel ciclo di Krebs Quindi nella ossidazione completa del glucosio si ottengono 38 moli di ATP e cioè una quantità di energia libera. che . Questo significa che alcuni intermedi possono essere sottratti al ciclo per essere utilizzati come precursori per alimentare vie metaboliche biosintetiche fondamentali.3 Kcal/mole = 277. Si dice perciò che il ciclo dell'acido citrico è una via anfibolica. occorre calcolare quante moli di ATP vengono prodotte nel processo. Le sei molecole di diossido di carbonio si sono formate nei seguenti passaggi: Piruvato isocitrato a-chetoglutarato ————→ acetato ————→ 2 CO2 (una per ogni piruvato) 2 CO2 (una per ogni a-chetoglutarato isocitrato) 2 CO2 (una per ogni achetoglutarato) ————→ succinil-CoA Sappiamo che alla bomba calorimetrica la combustione completa del glucosio libera circa 680 Kcal/mole. mono-di-trigliceridi e glicerolo passano nelle cellule parietali intestinali nelle quali avviene la riesterificazione degli acidi grassi e la successiva incorporazione in speciali proteine allo scopo di evitare la formazione di grossi aggregati insolubili in acqua. anapletoriche. I prodotti dell'azione delle lipasi. prende il nome di β-ossidazione degli acidi grassi. Il PEP. può anche convertire in fosfoenolpiruvato. Il passaggio attraverso la membrana interna avviene dopo che l'acil-CoA si è legato reversibilmente alla carnitina. Ilcitrato può uscire dai mitocondri e fungere da precursore per la sintesi di acidi grassi. al contrario. sono le principali molecole portatrici di acidi grassi nella dieta dei vertebrati ed anche la forma di accumulo lipidico nei tessuti adiposi. inibisce la lipasi. L'ossalacetato. In condizioni normali deve esistere un equilibrio perfetto tra le reazioni che rimuovono intermedi e quelle. Si formano così complessi lipoproteici. triacilgliceroli. vengono convertiti in micelle finemente disperse. Anche l'ossalacetato e l'α-chetoglutarato possono essere sottratti dal ciclo per la sintesi di aminoacidi. nel tessuto muscolare. L'utilizzazione degli acidi grassi dei trigliceridi. detteanapletoriche. PEP. per il fegato e il cuore. per l'azione di un trasportatore specifico (translocasi). i chilomicroni. mitocondriale. acidi grassi. tramite la PEPcarbossichinasi. Una delle più importanti è la carbossilazione del piruvato con CO2 per formare ossalacetato catalizzata dall'enzima piruvato carbossilasi. L'ossidazione degli acidi grassi Gli acidi grassi sono componenti essenziali dei fosfolipidi di membrana. avviene dopo idrolisi diretta da una lipasi regolata dall'attività di ormoni come l'adrenalina e il glucagone che l'attivano e come l'insulina che. idrofila. in cui la componente lipidica è all'interno e quella proteica. utili per rimpiazzare l'ossalacetato sottratto. Per ricostituire la normale concentrazione di ossalacetato esistono altre vie. I triacilgliceroli sono la principale fonte di energia per il muscolo a riposo o in contrazione modesta. Inoltre il fegato dei vertebrati riesce a convertire i carboidrati in eccesso in acidi grassi da esportare negli altri tessuti. costituiti da macroscopiche particelle insolubili in acqua.4 vuol dire che è collocata sia nelle via cataboliche che in quelle anaboliche e quindi la sua funzione è essenziale anche senza considerare il ruolo nel metabolismo energetico. sono una potenzialmente enorme riserva energetica e alcuni derivati degli acidi grassi fungono da ormoni e messaggeri intracellulari. Questo processo. può servire per la sintesi di glucosio (gluconeogenesi). [vedi] I trigliceridi ingeriti. Una volte nella matrice mitocondriale l'acido grasso è pronto per l'ossidazione da parte di enzimi specifici. Il passaggio degli acidi grassi dal citosol al mitocondrio prevede operazioni preliminari comel'attivazione degli acidi grassi che avviene a livello della membrana mitocondriale esterna ad opera di una acil-CoA sintetasi secondo lo schema: Acido grasso + CoA + ATP ←—→ acil-CoA + AMP + PPi. I trigliceridi. all'esterno. I chilomicroni vengono trasferiti dalla mucosa intestinale al sistema linfatico dal quale passano nel sangue che li trasporta al tessuto adiposo e a quello muscolare. gli acidi grassi vengono degradati mediante rimozioni sequenziali di unità acetato. Mentre il glicerolo venendo convertito in diidrossiacetone e quindi in gliceraldeide prende la via glicolitica. già visto nella glicolisi. che lo riforniscono di tali intermedi. La β-ossidazioNE . Gli acidi grassi si trovano in uno stato di riduzione più elevato dei glucidi per cui la loro completa ossidazione richiede un processo più energico e da essi si ricava una quantità di energia superiore a quella fornita dai glucidi. Ricordiamo che un triacilglicerolo è formato da una molecola di glicerolo esterificato nei suoi tre ossidrili da tre acidi grassi. essendo l'accettore degli acetati. dall'azione dei sali biliari in modo d'aumentare notevolmente la superficie d'esposizione alle lipasi solubili in acqua. Come sappiamo i livelli d'ossalacetato però devono rimanere costanti per permettere il normale flusso del ciclo. Resa energetica dell'ossidazione degli acidi grassi a CO2 e H2 Prendiamo come esempio un acido a 16 atomi di carbonio. I corpi chetonici Nel fegato dei mammiferi non tutto l'acetil-CoA derivato dall'ossidazione degli acidi grassi entra nel ciclo di Krebs ma. Si forma un doppio legame tra gli atomi inα e quello in β al quale verrà addizionata acqua ed in β si addizione l'ossidrile. Ne risulta un acil-CoA con due atomi di carbonio in meno. E così via fino alla produzione di 8 acetil-CoA che entreranno tutti nel ciclo di Krebs. al quale si lega l'atomo in ß. Anche in questo caso la resa. per un acido grasso a sedici atomi. calcolando avremo una liberazione di energia libera fisiologica pari a 129 x . si libereranno 7 NADH e 7 FADH 2. dal piruvato. da un acido grasso a 16 acidi di carbonio. (vedi) E' interessante osservare come durante il digiuno l'ossalacetato viene sottratto e utilizzato in una via metabolica (che vedremo) per formare glucosio (gluconeogenesi): così l'acetil-CoA in eccesso viene trasformato in corpi chetonici. alla fine un gruppo acido esterificato dal gruppo tiolico del CoA. Come si vede nella figura. in caso di necessità. Resta un acido grasso con due atomi di carbonio in meno che ricomincia la spirale con un nuovo attacco della acil-CoA deidrogenasi. L'atomo adiacente al gruppo carbossilico è l'atomo in α. una certa parte di acetilCoA viene convertito in " corpi chetonici". Procediamo in sequenza. Il perché lo si capisce facilmente ricordando che l'acetato utilizzabile nel ciclo dell'acido citrico dipende dalla concentrazione di ossalacetato che a sua volta è legato al catabolismo dei glucidi.7. utili combustibili alternativi per molti tessuti "nobili" come il cuore e i reni. I corpi chetonici sono composti solubili sia nel sangue che nelle . per il cervello. la resa netta è di 129 ATP. con reazione anapletorica. un ∆G°' di circa 2344 Kcal/mole. Le reazioni ricominciano nello stesso modo (schema a destra) fino a frantumare l'acido grasso in tanti gruppi acetato pari alla metà degli atomi di Carbonio della catena. l'acido palmitico. L'ossalacetato infatti si forma. altissima. addizionerà un CoA provocando la rottura e la liberazione del primo acetil-CoA che entrerà nel ciclo di Krebs. nella matrice mitocondriale ed è soggetto all'azione sequenziale di quattro enzimi che ossidano l'atomo di C in ß che dal -CH2iniziale lega. ma anche. Una nuova deidrogenasi termina l'ossidazione e la tiolasi. L'acido grasso entra nei mitocondri e in questa sede comincia l'attacco all'atomo di carbonio in ß che dapprima viene deidrogenato dalla acil-CoA deidrogenasi. In questi cinque passaggi si liberano un NADH ed un FADH2 per ogni giro della "spirale".4 I quattro passaggi della β ossidazione: Lo schema a sinistra mostra i quattro passaggi in cui un acido grasso a 16 atomi di carbonio. (FASE 1) un acido grasso a 16 atomi di C libererà 8 acetil-CoA. Questo atomo sarà soggetto aiquattro passaggi alla fine del quali sarà ossidato fino al punto di rompersi in quella posizione e liberare un acetil-CoA e un acido grasso con due atomi di carbonio in meno. Ciascuno entra nel ciclo di Krebs (FASE 2) per l'ossidazione completa a CO2. è di circa il 40%. (l'ultimo passaggio libera direttamente due acetati) Considerando che otto acetati entrano nel ciclo di Krebs per la totale ossidazione a CO2 seguiamo il solito schema Poiché durante l'attivazione dell'acido grasso vengono consumate 2 moli di ATP. In totale. Gli elettroni sottratti entrano nella catena respiratoria (FASE 3) per il trasferimento definitivo all'ossigeno e la contemporanea fosforilazione dell'ADP.3 = 941 Kcal/mole. del massimo teorico. come nei due schemi in questa pagina. attivato col legame al CoA entra. Considerando che l'ossidazione completa alla bomba calorimetrica fornisce. tramite la carnitina. quando la degradazione lipidica è eccessiva. entra. i due corpi chetonici più importanti sono l'acetoacetato e il βidrossibutirrato. che. Sia il piruvato che l'a-chetoglutarato li abbiamo già incontrati nel metabolismo energetico. oltre che dalla dieta. il gruppo amminico viene trasferito dall'alanina. dalla degradazione delle proteine intracellulari (proteine tissutali). IN DEFINITIVA: Quando. Lo schema mostra gli aspetti generali del metabolismo degli aminoacidi. un α-chetoacido. un importante aminoacido). prodotti nei mitocondri epatici. un aminoacido. ma un trasferimento su un chetoacido. Il destino degli aminoacidi in eccesso è quindi quello di essere indirizzati verso il metabolismo energetico previa rimozione dei gruppi α-amminici. generando un nuovo aminoacido.4 urine. Lo scheletro carbonioso che rimane. forma il chetoacido piruvato. in qualche modo. L'ossidazione degli aminoacidi Il pool plasmatico di aminoacidi deriva. si determina un aumento della biosintesi di glucosio. a sua volta. transaminasi. Le transaminasi non operano una vera e propria perdita dei gruppi amminici. più comunemente. E' interessante sapere che il catabolismo degli aminoacidi contribuisce al fabbisogno energetico per oltre il 15% del totale. come nel caso di digiuno. La prima tappa del catabolismo aminoacidico è dunque la rimozione del gruppo α-amminico tramite enzimi altamente specializzati chiamati aminotransferasi o. A parte l'acetone. (ciclo di Krebs) L'utilizzazione degli aminoacidi nel catabolismo avviene ovviamente anche se le necessità energetica non è soddisfatta da altri nutrienti ed in questo caso sono le proteine tissutali ad essere degradate per fornire aminoacidi. da questi diffondono nel sangue e vanno ai tessuti che li ossidano. A differenza dei lipidi che possono essere conservati in quantità notevoli nel tessuto adiposo e dei glucidi che. possono essere conservati solo nei pochi mg di glicogeno contenuti nel muscolo e nel fegato oppure eliminati con le urine. un chetoacido che diviene così glutammato (acido glutammico. Come si vede nell'esempio di transaminazione in figura. nella cellula epatica si si ha la sintesi e l'esportazione dei corpi chetonici. nei cicli ossidativi che abbiamo studiato. se in eccesso. perdendo il gruppo amminico. . Nella maggior parte degli aminoacidi il gruppo amminico viene trasferito all'atomo di carbonio in α dell'a-chetoglutarato con formazione dell'a-chetoacido corrispondente all'aminoacido che trasferisce il gruppo amminico. che viene eliminato con la respirazione. all'a-chetoglutarato. gli aminoacidi che eccedono il fabbisogno delle sintesi di proteine o di altre biomolecolecole non possono essere né conservati né escreti. L'alanina. come coenzima. Il sito attivo del PLP può così legare il chetoacido e cedere il gruppo amminico rimosso precedentemente. convoglia. derivato dalla piridossina. la glutammina. e precisamente l'alanina aminotrasferasi. i gruppi amminici nel glutammato dal quale verranno in sede mitocondriale definitivamente rimossi. Non potendo essere esportata nel sangue. ed entrerà nel ciclo di produzione dell'urea. l'ammoniaca viene. in glutammina che. il distacco del gruppo amminico avviene perché le transaminasi contengono. un a-chetoacido. NH3. per transaminazione sull'achetoglutarato. Molti aminoacidi vengono transaminati cedendo il gruppo amminico all'a-chetoglutarato. come si vede nella figura. catalizzata dalla glutammina sintetasi. modulato positivamente dall'ADP ed inibito dalla GTP. entrerà nei mitocondri epatici dove cederà il gruppo amminico sotto forma di ione ammonio NH4+ che entrerà nel ciclo di produzione dell'urea ed eliminato con le urine. L'organo deputato alla eliminazione dell'NH3 è il fegato. cede al PLP il gruppo amminico e si allontana come chetoacido. da molti aminoacidi. L'azione combinata delle transaminazione e della deaminazione ossidativa. Si realizza così l'eliminazione dell'N amminico degli aminoacidi. passata nel sangue. cervello compreso. Il glutammato. polare. si forma per addizione enzimatica. Il suo azoto ammidico verrà rilasciato sotto forma di ammoniaca solo nei mitocondri epatici ad opera di un enzima chiamato glutamminasi. Come si vede la GDH è un enzima allosterico. nei tessuti extraepatici. Il loro scheletro carbonioso. [vedi destino degli scheletri carboniosi] .4 Questa reazione è catalizzata da una transferasi. essendo neutra. sono attivi meccanismi ossidativi di rimozione che liberano un gruppo amminico netto che si converte in ammoniaca. da un enzima che si chiama glutammato deidrogenasi (GDH). oltre alla transaminazione. la vitamina B6. la glutammina. Si ha così la trasformazione del glutammato. Il meccanismo di catalisi delle transaminasi si chiama meccanismo a ping-pong. La rimozione mitocondriale dei gruppi amminici del glutammato è operata. Nei tessuti extraepatici. Come si vede in figura. può facilmente attraversare le membrane cellulari e. tramite una deaminazione ossidativa. il piridossalfosfato (PLP). per la sua tossicità. convertita in un composto non tossico. di un gruppo amminico al glutammato preventivamente esterificato con un gruppo fosfato su un gruppo acido. il pH intracellulare. molecola estremamente neurotossica alterando. NH4+) raccogliendoli. E' evidente quindi che il glutammato che si forma è un aminoacido importante nel metabolismo dei gruppi amminici (-NH2. ALAT. entrerà nel metabolismo energetico. citosolico. probabilmente. NH3. L'aminoacido si lega all'enzima. nel citosol. molecola solubile che sarà escreta con le urine. chiamata anche glutammico piruvico transaminasi (GPT). viene trasportata al fegato. generando un nuovo aminoacido. nel ciclo dell'urea. unαchetoacido. Lo schema mostra gli aspetti generali del metabolismo degli aminoacidi. (ciclo di Krebs) L'utilizzazione degli aminoacidi nel catabolismo avviene ovviamente anche se le necessità energetica non è soddisfatta da altri nutrienti ed in questo caso sono le proteine tissutali ad essere degradate per fornire aminoacidi.4 L'alanina è un aminoacido chiave nel trasporto di gruppi amminici al fegato in forma non tossica. L'alanina passa nel sangue per raggiungere il fegato nel quale subirà una nuova transaminazione sull'a-chetoglutarato (reazione inversa della precedente) cedendo così il gruppo NH2 e riproducendo glutammato che lo convoglierà tramite la GDH. possono essere conservati solo nei pochi mg di glicogeno contenuti nel muscolo e nel fegato oppure eliminati con le urine. se in eccesso. (ciclo del glucosio-alanina) L'ammoniaca liberata dalla deaminazione del glutammato (GDH) e dalla glutamminasi converge nel ciclo dell'urea. . ma un trasferimento su un chetoacido. lo riconverte in piruvato. più comunemente. nei cicli ossidativi che abbiamo studiato. Nel muscolo si ha la transaminazione del glutammato sul piruvato. che tramite la glicolisi. Le transaminasi non operano una vera e propria perdita dei gruppi amminici. Il destino degli aminoacidi in eccesso è quindi quello di essere indirizzati verso il metabolismo energetico previa rimozione dei gruppiαamminici. entra. Lo scheletro carbonioso che rimane. E' interessante sapere che il catabolismo degli aminoacidi contribuisce al fabbisogno energetico per oltre il 15% del totale. La prima tappa del catabolismo aminoacidico è dunque la rimozione del gruppo α-amminico tramite enzimi altamente specializzati chiamati aminotransferasi o. dalla degradazione delle proteine intracellulari (proteine tissutali). oltre che dalla dieta. A differenza dei lipidi che possono essere conservati in quantità notevoli nel tessuto adiposo e dei glucidi che. il piruvato può. transaminasi. L'ossidazione degli aminoacidi destino degli scheletri carboniosI Il pool plasmatico di aminoacidi deriva. in qualche modo. tramite la gluconeogenesi produrre glucosio da immettere in circolo ed esportare nel tessuto muscolare. gli aminoacidi che eccedono il fabbisogno delle sintesi di proteine o di altre biomolecolecole non possono essere né conservati né escreti. Il loro scheletro carbonioso. NH3. e precisamente l'alanina aminotrasferasi. sono attivi meccanismi ossidativi di rimozione che liberano un gruppo amminico netto che si converte in ammoniaca. L'azione combinata delle transaminazione e della deaminazione ossidativa.un aminoacido. nel citosol. Il suo azoto ammidico verrà rilasciato sotto forma di ammoniaca solo nei mitocondri epatici ad opera di un enzima chiamato glutamminasi. Larimozione mitocondriale dei gruppi amminici del glutammato è operata. il distacco del gruppo amminico avviene perché le transaminasi contengono. Nei tessuti extraepatici. come coenzima. da un enzima che si chiamaglutammato deidrogenasi(GDH). nei tessuti extraepatici. all'a-chetoglutarato. Il sito attivo del PLP può così legare il chetoacido e cedere il gruppo amminico rimosso precedentemente. Molti aminoacidi vengono transaminati cedendo il gruppo amminico all'a-chetoglutarato. il piridossalfosfato (PLP). in glutammina che. cede al PLP il gruppo amminico e si allontana come chetoacido. il gruppo amminico viene trasferito dall'alanina. NH4 ) raccogliendoli. entrerà nel metabolismo energetico. la glutammina. modulato positivamente dall'ADP ed inibito dalla GTP. essendo neutra. viene trasportata al fegato. per la sua tossicità. Come si vede la GDH è un enzima allosterico. catalizzata dalla glutammina sintetasi. forma il chetoacidopiruvato. Il glutammato. Come si vede nell'esempio di transaminazione in figura. molecola solubile che sarà escreta con le urine. chiamata anche glutammico piruvico transaminasi (GPT). la glutammina. entrerà nei mitocondri epatici dove cederà il gruppo amminico + sotto forma di ione ammonio NH4 che entrerà nel ciclo di produzione dell'urea ed eliminato con le urine. citosolico. può facilmente attraversare le membrane cellulari e. di un gruppo amminico al glutammato preventivamente esterificato con un gruppo fosfato su un gruppo acido. L'alanina passa nel sangue per raggiungere . a sua volta. [vedi destino degli scheletri carboniosi] L'alanina è un aminoacido chiave nel trasporto di gruppi amminici al fegato in forma non tossica. Non potendo essere esportata nel sangue. si forma per addizione enzimatica. la vitamina B6. Si realizza così l'eliminazione dell'N amminico degli aminoacidi. tramite unadeaminazione ossidativa. passata nel sangue. cervello compreso. L'aminoacido si lega all'enzima. da molti aminoacidi. Come si vede in figura. come si vede nella figura. Nel muscolo si ha la transaminazione del glutammato sul piruvato. convertita in un composto non tossico. convoglia. il pH intracellulare. ed entrerà nel ciclo di produzione dell'urea. molecola estremamente neurotossica alterando. per transaminazione sull'a-chetoglutarato.4 Nella maggior parte degliaminoacidi il gruppo amminico viene trasferito all'atomo di carbonio in α dell'a-chetoglutarato conformazione dell'a-chetoacido corrispondente all'aminoacido che trasferisce il gruppo amminico. oltre alla transaminazione. Sia il piruvato che l'a-chetoglutarato li abbiamo già incontrati nel metabolismo energetico. Questa reazione è catalizzata da una transferasi. polare. L'alanina. derivato dalla piridossina. ALAT. L'organo deputato alla eliminazione dell'NH3 è il fegato. un chetoacido che diviene così glutammato (acido glutammico. l'ammoniaca viene. probabilmente. i gruppi amminici nel glutammato dal quale verranno in sede mitocondriale definitivamente rimossi. un a-chetoacido. un importante aminoacido). NH3. Si ha così la trasformazione del glutammato. E' evidente quindi che il glutammato che si forma è un aminoacido importante nel metabolismo dei gruppi + amminici (-NH2. perdendo il gruppo amminico. Il meccanismo di catalisi delle transaminasi si chiama meccanismo a ping-pong. alanina amminotrasferasi). Il complesso I è una NADH deidrogenasi su cui vengono incanalati tutti i NADH prodotti nelle ossidazioni compreso quello glicolitico dello shuttle malato-aspartato. completamente immerso nella membrana mitocondriale nella quale diffonde liberamente spostandosi nel doppio strato lipidico. In sintesi il ciclo dell'urea provoca l'addizione di due gruppi amminici allo ione bicarbonato HCO3. L'accettore finale è l'ossigeno. trasferiti all'a-chetoglutarato formando glutammato che rappresenta quindi il centro di raccolta dei gruppi amminici. Anch'esso. Glutammato e glutammina vengono trasportati nei mitocondri epatici. A sua volta l'ossalacetato accetta un gruppo amminico dal glutammato con una transaminazione catalizzata dalla GOT. trasferisce gli elettroni all'ubichinone. in figura CoQ. Anche la glicerolo 3-P deidrogenasi. enzima di membrana rivolto verso lo spazio intermembrana (non presente in figura) che riossida il NADH citosolico trasportato dalla shuttle del glicerolo 3-P. (ciclo del glucosio-alanina) L'ammoniaca liberata dalla deaminazione del glutammato (GDH) e dalla glutamminasi converge nel ciclo dell'urea. che passando nel sangue viene trasportata al fegato dove avviene la transaminazione sull'a-chetoglutarato catalizzata dalla GPT. tramite la gluconeogenesi produrre glucosio da immettere in circolo ed esportare nel tessuto muscolare. i cui gruppi prostetici sono in grado di accettare e cedere uno o due elettroni. in parte mitocondriale ed in parte citosolico. Gli ioni idruro vengono trasferiti all'ubichinone (UQ)detto anche coenzima Qsecondo la reazione: NADH + H+ + UQ (ubichinone) ———→ NAD+ + UQH2 (ubichinolo) Il flusso di elettroni attraverso il complesso I è accompagnato da spostamento di protoni dalla matrice allo spazio intermembrana. è una molecola idrofobica. il piruvato può. glutammato ossalacetato transaminasi (ASAT. glutammico piruvico transaminasi (oggi più nota come ALAT. . entra nei mitocondri per alimentare il ciclo di Krebs ed essere convertito in ossalacetato. la sintesi di glutammina che raggiunge il fegato trasportando "ammoniaca temporaneamente inattivata nella sua tossicità". La sua forma ossidata contiene due gruppi carbonilici che possono accettare due elettroni e due protoni riducendosi completamente a ubichinolo avente due gruppi alcolici. nel ciclo dell'urea. Nei tessuti extraepatici inoltre si ha. La catena respiratoriaLa catena respiratoria è costituita da una serie di trasportatori. L'ubichinone. prodotto nel citosol nel ciclo dell'urea.4 il fegato nel quale subirà una nuova transaminazione sull'a-chetoglutarato (reazione inversa della precedente) cedendo così il gruppo NH2 e riproducendo glutammato che lo convoglierà tramite la GDH. lo riconverte in piruvato. molti dei quali sono proteine integrali di membrana (interna). Nel muscolo l'aminoacido raccoglitore dei gruppi amminici è l' alanina. [vedi ciclo glucosio alanina]. enzima del ciclo di Krebs ed è la sede sella riossidazione del FADH2.per produrre una molecola di urea (NH2)2-C=O ed è particolarmente dispendioso: circa il 15% dell'energia ricavata dall'ossidazione degli aminoacidi. aspartato aminotransferasi) e l'aspartato che ne deriva lascia il mitocondrio e dona il suo gruppo amminico al ciclo dell'urea. come detto. che tramite la glicolisi. nel citosol epatico. Il complesso II è la succinato deidrogenasi. come il complesso I trasferisce gli elettroni all'ubichinone. nella matrice dei quali comincia il ciclo dell'urea. Ma eliminare ammoniaca è troppo importante per badare a spese! E' interessante osservare che il ciclo dell'urea entra in connessione col ciclo di Krebs a livello del fumarato che. Il ciclo dell'urEA Come abbiamo visto i gruppi amminici di molti aminoacidi vengono. riducendolo ad ubichinolo. Si incrementa così il gradiente di concentrazione protonica. contenente Fe che accetta elettroni passando da ferro ferrico a ferro ferroso e viceversa. Il complesso IV.4 L'UQH2 diffonde dal complesso I al complesso III. dal succinato (FADH2) all'ossigeno. Come si vede in figura F1 si protende nella matrice ed è il complesso che lega ATP e ADP in diversi siti . Resta ora da capire come questa energia. Esiste una teoria che accoppia l'ossidazione dei substrati alla fosforilazione ed è lateoria chemiosmotica proposta da P. come tutti i citocromi. l'azione dei complessi I. ha come gruppo prostetico l'eme. III e IV. . III e IV porta elettroni dal NADH all'ossigeno e quello dei complessi II. Esso può spostarsi nella parte polare della membrana per la sua possibilità di fare legami elettrostatici. Mitchell nel 1960 e che è alla base dell'attuale ricerca nel campo della trasduzione energetica. Fo e F1. segno di una elevata efficienza nel trasportare elettroni che si è selezionata tra tutte quelle possibili. L'ATPsintasi è un complesso di membrana formato da due subunità principali. In conclusione. contiene ioni rame che partecipano al trasferimento degli elettroni all'ossigeno. nei mitocondri. Il complesso III è il complesso che riossida l'ubichinolo ed è costituito da citocromi b e c. Ciò genera una differenza di potenziale elettrico e una differenza di pH tra i due lati della membrana rendendo quello che guarda la matrice più alcalino.36 Kcal/mole (si salta un sito di spostamento protonico) NADH + H+ + 1/2 02 ———→ H2O + NAD+ ha un ΔG0 Quindi il trasferimento esoergonico di elettroni lungo la catena respiratoria produce energia più che sufficiente per "spingere" la reazione endoergonica che porta alla sintesi di ATP: ADP + Pi ———→ ATP Come tale energia viene incanalata nella sintesi dell'ATP è un processo che prende il nome di fosforilazione ossidativa La fosforilazione ossidativaAbbiamo visto che il flusso di elettroni attraverso la catena respiratoria produce una notevole quantità d'energia. iniziato a livello del complesso I. Il flusso elettronico attraverso la membrana interna dei mitocondri è accompagnato da un pompaggio di protoni dalla matrice allo spazio intermembrana. E' di notevole interesse osservare come il citocromo c sia una proteina presente in tutti gli organismi aerobi con una sequenza aminoacidica che è cambiata di poco nella scala evoluzionistica. La riossidazione dell'ubichinolo è accompagnata da un secondo spostamento di protoni dalla matrice allo spazio intermembrana. dove viene riossidato. Il citocromo c è una proteina solubile che. Il complesso Fo contiene un canale protonico asimmetrico e proteso verso la matrice mitocondriale. tra le facce della membrana che realizza una differenza di potenziale elettrico e un gradiente di pH. Il flusso di elettroni dal citocromo c all'ossigeno determina un nuovo ed ultimo spostamento di protoni dalla matrice verso lo spazio intermembrana. La reazione complessiva ≈ . liberata dalle ossidazioni biologiche operate dalle deidrogenasi possa rendersi disponibile per la fosforilazione dell'ADP. chiamato citocromo ossidasi.52Kcal/mole Quella che parte dal succinato invece ha un ΔG0 ≈ . Per capire come avvenga l'accoppiamento dell'ossidazione con la fosforilazione dobbiamo conoscere un'altra proteina integrale di membrana: l'ATPsintasi. Ma quando questi potranno fluire attraverso i canali protonici specifici posti nel complesso Fo dell'ATPsintasi in direzione del gradiente elettrochimico. Catabolismo ed anabolismo procedono contemporaneamente nelle cellule in modo che le vie degradative. Le biosintesi riduttive I processi biosintetici sono rappresentati dalle vie anaboliche endoergoniche che possono avvenire sfruttando l'ATP e il NADH (meglio NADPH) prodotti nelle vie cataboliche ossidative che abbiamo visto. Il pompaggio contro gradiente protonico avviene con consumo d'energia e quindi avrà un ΔG > 0. L'ATP prodotto nella matrice mitocondriale deve essere esportato fuori dai mitocondri ma sappiamo che la membrana interna è impermeabile a quasi tutte le sostanze a meno che non abbiamo sistemi di trasporto proteici specifici. Il fosfato entra nella matrice con un simporto favorito dal rientro degli ioni idrogeno a favore di gradiente. consentano. di glucosio al giorno e rappresenta la principale fonte d'energia per i tessuti embrionali. si capisce quanto sia importante. Il glucosio in eccesso sarà poi la base per la sintesi del glicogeno negli animali e dell'amido e del saccarosio nelle piante. La gluconeogenesi avviene principalmente nel fegato dei mammiferi ed è citosolica. producendo energia. ed in particolare dal glucosio seguirà le seguenti tappe: Energia radiante—→ Glucosio—→ coenzimi ridotti membrana—→ATP —→ energia elettrochimica di Per ogni NADH riossidato si ha un flusso protonico in tre siti e si otterranno 3 moli di ATP. Considerando che il cervello dell'uomo consuma circa 120 g. Il complesso F1 condenserà un fosfato all'ADP per generare ATP. [vediglicolisi]. come la glicolisi. . Per ogni FADH2 riossidato si avranno solo 2 ATP perché viene bypassato il complesso I. la biosintesi di glucosio. Vi sono importanti sistemi di trasporto nella membrana mitocondriale interna che operano il trasporto di ADP e Pi nella matrice e consentono l'uscita dell'ATP neo formato. La gluconeogenesi E' la via universale per la sintesi di glucosio da molecole non glucidiche. di spingere le vie sintetiche che mantengono un alto grado di ordine intracellulare. si renderà disponibile una quantità di energia pari al ΔG consumato per il trasporto in senso contrario (reso possibile dal flusso elettronico). per la midollare del surrene e per i globuli rossi. in un equilibrio dinamico. La membrana mitocondriale è impermeabile ai protoni che non possono così rientrare per annullare il gradiente elettrochimico. nei tessuti animali. In definitiva quindi la generazione di ATP dai nutrienti. L'enzima fondamentale è l'ATP-ADP traslocasi che funziona come un antiporto. dalla quale differisce per tre deviazioni nelle reazioni irreversibili. Lo stesso vale per il NADH citosolico trasportato dal glicerolo 3-P. Quindi la forza motrice protonica fornisce l'energia necessaria alla sintesi di ATP e nel contempo favorisce il trasporto dei substrato (ADP e Pi) nella matrice e i prodotti della reazione (ATP). per gli spermatozoi.4 Questa concentrazione protonica e queste separazione di cariche determinano unaenergia elettrochimica che prende il nome di forza motrice protonica cherappresenta la forma di conservazione dell' energia prodotta e liberata nelle ossidazioni biologiche. E. L'UDP è un nucleotide difosfato che funziona da donatore di glucosio nella reazione di sintesi eseguita dalla glicogeno sintasi. la biosintesi si svolge nel citosol. La glicolisi e la gluconeogenesi. Alla fine del processo riduttivo. si ha l'allungamento di due atoni di carbonio dell'acetato proveniente dal gruppo de malonil-CoA iniziale. Il piruvato può provenire anche dalla alanina per transaminazione (GPT). l'acetil-CoA carbossilasi contenente biotina che è la vitamina trasportatrice di CO2 [contenuta anche dalla piruvico carbossilasi]. rapidamente convertito in glucosio-1-P dall'enzima glucofosfomutasi. Attraverso il malato viene riprodotto ossalacetato citosolico che subisce l'azione della PEP carbossichinasi. Tale enzima è il primo enzima regolatore della gluconeogenesi essendo attivato dall'acetil-CoA. quando la concentrazione del glucosio nel sangue decresce. ma staccato per idrolisi] La terza deviazione è al conversione del glucosio-6-P in glucosio libero con una nuova idrolisi operata dalla glucosio 6-fosfatasi. [il glucosio attivato dall'UDP e aggiunto alla catena è in grigio chiaro] La biosintesi degli acidi grassi Come per il glucosio. Ovviamente poiché la direzione è quella della glicolisi.5 Se la glicolisi converte il glucosio in piruvato. Il glicogeno (vedi) è un omopolisaccaride molto ramificato in cui le molecole di glucosio sono legate da legami α1→4 glicosidici nelle parti lineari e da legami α1→6 glicosidici nei punti di ramificazione.6 difosfato che.6 difosfatasi.P. è parzialmente mitocondriale e parzialmente citosolica. il glicogeno epatico viene degradato. che impegna come riducente il NADPH. la conversione del piruvato in P. [il fosfato non viene trasferito. con la glicogenolisi. Se l'acetil-CoA è abbondante esso bloccherà la glicolisi a livello della PFK e della PDH. Come si vede in figura all'acetato viene sostituito un idrogeno metilico con una CO2 Tutte le reazioni che portano alla sintesi degli acidi grassi che partono dal malonil-CoA. Esso. nei mitocondri. sono catalizzate da una proteina enzimatica chiamata acido grasso sintasi che lega in un sito un acetato e nell'altro il malonil-CoA che verrà dapprima decarbossilato [riproducendo acetato] e condensato all'acetato. tramite la glicogenolisi. la biosintesi e la degradazione degli acidi grassi sono catalizzate da enzimi diverse ed in più sono localizzate in compartimenti cellulari diversi. come detto saranno controllate reciprocamente perchè ovviamente non si può demolire glucosio (glicolisi) se si ha bisogno di sintetizzarlo. prodotto nella glicolisi in una reazione irreversibile. La figura mostra le tre deviazioni della gluconeogenesi che sono le tape catalizzate dalle chinasi. Il punto di partenza della sintesi di glicogeno è il glucosio-6-P. Il glicogeno muscolare. quello dell'attivazione del glucosio-1-P ad opera dell'UDP-glucosio pirofosfatasi. Si forma così fosfoenolpiruvato che prosegue la via glicolitica al contrario fino al fruttosio 1. Durante brevi digiuni. Biosintesi del glicogeno Il glicogeno è un polimero del glucosio sintetizzato dalle cellule dei mammiferi e utilizzato come riserva energetica nel fegato e nei muscoli. Nella prima deviazione. . la gluconeogenesi va seguita cominciando dal basso. la gluconeogenesi converte il piruvato in glucosio e le due vie sono ovviamente soggette ad una regolazione coordinata e reciproca. Mentre l'ossidazione è una via metabolica mitocondriale. La glicogenosintesi ha un fondamentale passaggio iniziale. dovrà essere defosforilato con una seconda deviazione che consiste nell'idrolisi del gruppo fosfato in C1 ad opera della fruttosio 1. ha la funzione di mettere a disposizione delle fibrocellule muscolari. glucosio da ossidare per produrre energia. fornendo glucosio libero da immettere nel sangue per ripristinare i normali livelli di glicemia (omeostasi glucidica).con il GTP donatore di fosfato. e attiverà la conversione del piruvato in ossalacetato funzionando da effettore positivo sulla piruvato carbossilasi. viene carbossilato dallapiruvico carbossilasi in ossalacetato (enzima già visto nelle vie anapletorica nelciclo di Krebs). La sintesi degli acidi grassi parte dall' acetil-CoA che subisce una conversione in malonilCoAad opera di un enzima. nel senso che è essenziale introdurli con la dieta. metionina.5 La biosintesi degli aminoacidi Tutti gli aminoacidi derivano da intermedi del catabolismo che dal glucosio porta al ciclo di Krebs. lisina e treonina la quale ha una via metabolica nei batteri che la converte inisoleucina [vedi enzimi allosterici] Dal fosfoenolpiruvato derivano con una serie di complesse vie metaboliche. Lo schema organizza le vie biosintetiche degli aminoacidi studiate nei batteri ma che non saranno dettagliate in questo corso. laglicogeno fosforilasi. E' utile tener presente che la capacità di produrre tutti e venti gli aminoacidi è una caratteristica della maggior parte delle piante e dei batteri. intermedio della via del pentoso fosfato [vedi]. Il piruvato è il precursore di altri tre aminoacidi:l'alanina. che ha è un enzima particolarmente interessante. mentre i mammiferi. essendone il chetoacido. La serina viene sintetizzata con una via metabolica che parte dal 3fosfoglicerato. la prolina. ad esempio. non riescono a sintetizzarne almeno otto che sono per questo chiamatiaminoacidi essenziali. ma anche perchè il ribosio 5-P è il precursore dell'istidina. mentre l'α-chetoglutarato. un importante aminoacido [vedi]. L'N viene portato in queste vie dal glutammato o dalla glutammina. è il precursore del glutammato dal quale derivano anche la glutammina [vedi glutammina sintetasi]. LA VIA DEL PENTOSO-FOSATO La glicogenolisi Prima di dare uno sguardo alle integrazioni del metabolismo in generale occorre imparare due vie: quella del pentosio fosfato non solo perchè mette a disposizione della cellula il NADPH e il ribosio. sintesi di NADPH e di ribosio-5-fosfato . La glicogenolisi occorre conoscerla perchè molti controlli ormonali agiscono su un enzima chiave di questa via. raggruppandole nelle "famiglie" che derivano da precursori comuni. il triptofano. Così si vede che l'istidina viene prodotta partendo dal ribosio-5-fosfato. La serina è poi l'aminoacido di partenza per la sintesi della glicina e della cisteina. l'ossalacetato produce aspartato che è il precursore dell'asparagina. che è un suo derivato ciclico e l'arginina [vedi ciclo dell'urea] Mediante transaminazione con il glutammato. la valina e la leucina. la tirosina e la fenilalanina. al quale faremo riferimento. Vi è quindi una "divisione del lavoro metabolico" che sarà poi integrato e coordinato dall'azione degli ormoni adrenalina. L'ultima figura mostra un polimero completamente lineare sul quale può ricominciare l'azione della fosforilasi a. L'insulina agisce in senso inverso. Metabolismi specifici: il fegato. Oltre al NADPH la via del pentosio fosfato produce ribosio usato per la biosintesi degli acidi nucleici. la glicogeno fosforilasi è attivata dall'ormone glucagone Quando i livelli di glucosio ematici (glicemia) sono troppo bassi. che quando il muscolo è a riposo si trova prevalentemente nella forma inattiva chiamata fosforilasi b. Il fegatoIl fegato è l'organo centrale del metabolismo in quanto gli epatociti. La fosforilasi a catalizza la rottura del legame α1 →4 glicosidici. A questo punto interviene l'enzima deramificante prima conl'attività transferasica e poi con quella α1→6 glicosidasica. [vedi figura] La figura schematizza una piccola porzione di una molecola di glicogeno. glucagone ed insulina. nel muscolo.. le prime cinque molecole di glucosio. attivata dalla azione dell'ormone adrenalina che fosforilando un residuo diserina la trasforma nella forma attiva. IL fegato elaborai nutrienti e li ridistribuisce ai tessuti.. come l'esochinasi. La via del pentosio fosfato inizia dal glucosio-6-fosfato e tramite quattro reazioni. "calcolata" per i fabbisogni extraepatici a seconda dell'intervallo di tempo tra un pasto e l'altro. di cui due ossidative che utilizzano deidrogenasi NADP+ dipendenti. dell'attività dell'intero organismo e dal fabbisogno energetico. attraverso il flusso sanguigno. rendendo disponibile glucosio da immettere nel sangue. nel fegato. durante uno sforzo intenso. Si ferma a quattro monomeri prima del punto di ramificazione. il glucagone attiva un enzima (la fosforilasi b chinasi) che converte la fosforilasi b in fosforilasi a. [vedi controllo ormonale]. partendo dall'estremità libera a sinistra. Vediamo in dettaglio ora l'azione del fegato sugli zuccheri e sugli aminoacidi. enzima con una Km molto elevata ma non inibito dal suo prodotto. E' interessante osservare come l'idrolisi del legameα1→4 avvenga per addizione di fosfato inorganico producendo molecole di glucosio 1P. Interviene allora l'enzima deramificante che prima trasferisce tre molecole sul polimero lineare e poi stacca il glucosio del punto di ramificazione... fosforilasi a. viene. Solo una piccola quota dei trigliceridi viene utilizzata dagli epatociti mentre la gran parte. E' la via di demolizione del glicogeno alla fine del quale si ottiene glucosio libero per rifornire. in una miscela. che tratteremo a parte. il tessuto adiposo e il muscolo scheletrico Negli organismi pluricellulari e quindi anche nell'uomo. . favorendo la defosforilazione degli enzimi che attivano la fosforilasi b. cioè quelli lineari fino a quattro postazioni precedenti al punto di ramificazione. la glicogeno fosforilasi stacca. la via glicolitica. dopo l'assorbimento intestinale.5 Il NADPH è il trasportatore universale di energia sottoforma di potere riducente (elettroni) per le reazioni anaboliche. ogni tessuto svolge le vie metaboliche studiate in maniera specifica. si ottiene una molecola di ribosio 5P e 2 molecole di NADPH La glicogenolisI nel muscolo. entra nel tessuto linfatico e poi nel tessuto adiposo. con una ramificazione. dopo l'assorbimento. Nelle fibrocellule la fosforilasi. assumono la quasi totalità degli zuccheri e degli aminoacidi. [seguire lo schema] Il glucosio entrato nell'epatocita viene fosforilato dalla glucochinasi. ed una in cui si ha l'eliminazione di un atomo di carbonio sottoforma di CO2. nel fegato ed esportati al tessuto adiposo tramite le VLDL. la deamina a piruvato. Gli acidi grassi così liberati vengono trasportati nei tessuti muscolo scheletrici e al cuore che li ossidano per estrarre ATP. 4) Se l'acetil-CoA è in eccesso esso servirà come precursore per la sintesi di acidi grassi che saranno poi incorporati nei fosfolipidi o nei trigliceridi.5 Il glucosio 6-P. Il piruvato. è quello che regola la glicemia tra un pasto e l'altro. 5) Se si devono produrre coenzimi ridotti (NADPH) per qualche sintesi oppure la cellula necessita di ribosio per la biosintesi degli acidi nucleici. legati alle lipoproteine plasmatiche. il glucosio 6-P viene immagazzinato come glicogeno attraverso la glicogenosintesi. Per ultimo vediamo l'utilizzazione degli acidi grassi da parte del fegato. Il tessuto adiposo E' il tessuto di deposito dei grassi provenienti dall'intestino. ormoni. 4c)per la sintesi degli acidi grassi. 5) Durante un digiuno prolungato. il glucosio 6-P viene defosforilato dalla fosfatasi per esportare glucosio libero nel flusso sanguigno. fosfolipidi e triacilgliceroli che. Allora alcune proteine del tessuto muscolare vengono degradate per liberare aminoacidi liberi. 3) In caso di richiesta energetica il glucosio-6-P prende la via glicolitica e le successive deidrogenazioni per produrre ATP nella catena respiratoria. neurotrasmettitori. Questi aminoacidi per transaminazione cedono il gruppo amminico al piruvato formando alanina che viene trasportata al fegato che. L'acetil-CoA oltre a seguire la via del metabolismo energetico. L'eccesso di acetilCoA prodotto viene convertito in corpi chetonici che rilasciati nel sangue vengono utilizzati dai tessuti extraepatici per essere ossidati e produrre energia. vengono esportati al tessuto adiposo. nell'epatociti possono essere convertiti in lipidi. Questo ciclo. il glucosio 6-P è il precursore della via del pentosio-fosfato. 2) Nel caso di bassa attività fisica e di normale concentrazione ematica di glucosio. chiamato glucosioalanina. può essere utilizzato. come si vede in figura può avere cinque destini metabolici che dipendono dalle necessità dell'organismo. il livello di glucosio ematico tende a scendere sotto i livelli normali. Gli acidi grassi. dopo l'assorbimento e quelli sintetizzati. Quando l'organismo avverte la necessità di energia e lo zucchero ematico è in bassa concentrazione. Nella maggior parte dei casi gli acidi grassi sono il combustibile principale per il fegato e quindi attraverso l'attivazione e la β-ossidazione vengono convertiti in acetil-CoA e NADH che poi produrrà ATP nella catena respiratoria tramite la fosforilazione ossidativa. 4) Gli aminoacidi in eccedenza per le biosintesi dei punti precedenti vengono deaminati e degradati ad acetil-CoA ed intermedi del ciclo di Krebs che 4a) in caso di sufficiente energia e/o di lavoro muscolare basso. 4d) L'ammoniaca rilasciata nella deaminazione viene convertita in urea nel ciclo dell'urea. possono essere convertiti in glucosio attraverso la gluconeogenesi. come sappiamo può percorrere la via gluconeogenetica e produrre glucosio da immettere nel sangue per ripristinare l'omeostasi glucidica. a sua volta. per la maggior parte. 1) sono i precursori per la sintesi delle proteine epatiche o 2) per quelle tissutali. . l'azione dell'ormone adrenalina attiva la lipasi contenuta nel tessuto adiposo che idrolizza i triacilgliceroli in acidi grassi e glicerolo. Passiamo ora all'azione del fegato sugli aminoacidi [seguire lo schema] Gli aminoacidi che entrano nelle cellule epatiche hanno diversi destini. se in eccesso. se le riserve epatiche di glicogeno lo consentono. 3) alcuni aminoacidi sono i precursori di nucleotidi. 1) In caso di glicemia bassa. Vediamoli. demolisce il glucosio a lattato nella via anaerobica. solo per poco tempo provocando accumulo di acido lattico che deve essere smaltito. ATPasi dipendente. il cervello può utilizzare anche il β-idrossibutirrato. può produrre ATP nella reazione catalizzata dalla creatina chinasi: fosfocreatina + ADP —→ creatina + ATP creatina + ATP ma durante la fase di recupero la fosfocreatina viene rigenerata tramite la reazione inversa: —→ fosfocreatina + ADP Il cervello Il cervello dell'adulto usa solo glucosio proveniente dal flusso sanguigno. Quando il muscolo esegue un'attività massima. Durante i periodi di digiuno. In tal caso il muscolo dopo aver demolito glicogeno endogeno.5 I muscoli scheletrici I muscoli scheletrici. che contiene fosfocreatina. In caso di moderata attività il muscolo può utilizzare invariabilmente corpi chetonici epatici. corpi chetonici o glucosio a seconda del grado di attività muscolare. l'apporto di ossigeno e di sostanze nutrienti provenienti dal sangue. . Questo sforzo massimo può continuare. Essi possono utilizzare acidi grassi. in glucosio. Durante il periodo di intensa attività il muscolo scheletrico. giunto dal muscolo. acidi grassi o glucosio. il soggetto deve continuare in una respirazione accelerata per un po' di tempo. dipendendo dall'allenamento. Nel muscolo a riposo i principali nutriente sono gli acidi grassi forniti dal tessuto adiposo. sono la sede del maggior consumo d'energia. con una bassa Km può utilizzarlo anche in concentrazioni basse che però non devono scendere sotto livelli critici che comporterebbero gravi danni funzionali profondi ed irreversibili. La maggior parte dell'ossigeno così assunto viene utilizzato principalmente dal fegato per produrre ATP da destinare alla sintesi conversione del lattato. L'energia dell'ATP è necessaria per creare e mantenere il potenziale d'azione generato dall'antiporto della pompa sodio-potassio. Dopo lo sforzo. è insufficiente ai bisogni immediati. deputati a compiere un lavoro meccanico. La esochinasi. un corpo chetonico proveniente dal fegato. (ciclo di Cori).