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Università degli Studi Kore di EnnaFacoltà di Scienze dell’Uomo e della Società

CdL in “Scienze delle attività motorie e sportive”

Biochimica

Domenico Ciavardelli - Ph.D.email: [email protected]

AA 2013-2014Biochimica-Lezione 4Domenico Ciavardelli

Introduzione al metabolismo.


Metabolismo: complesso di Trasformazioni Chimiche coordinate e integrate (interconnessione) che si verifica in ogni tipo di cellula.

Anabolismo:Insieme di reazioni di SINTESI di molecole necessarie alla cellula partendo da precursori semplici. Tali processi richiedono energia.

Catabolismo: Insieme di reazioni di DEGRADAZIONE mediante processi di solito OSSIDATIVI. Tali processi producono energia chimica utilizzabiledalla cellula.


La cellula è un sistema aperto capace di assumere sostanze chimiche dall’ambiente trasformandole espellendo prodotti di rifiuto

Reattore chimico

Strumento codificante

DNA

Replicazione Espressione genicaTrascrizioneRNA

TraduzioneProteine

1. Energia: ADP+PiATP2. Catabolismo e Anabolismo

RiproduzioneAA 2013-2014

Biochimica-Lezione 4Domenico Ciavardelli

Macronutrienti(elevato contenuto energetico):

CarboidratiLipidi

Proteine

Prodotti finali( ridotto contenuto

energetico):H2O, CO2, NH3

CatabolismoEnergia chimica

ATP,NADPH

Macromolecole(biomolecole cellulari):

Acidi nucleiciProteine

PolissacaridiLipidi

Anabolismo

Molecole di base:

Amminoacidi,Monosaccaridi,

Acidi grassiBasi azotate


NADPH: NICOTINAMMIDE ADENINA DINUCLEOTIDE FOSFATO, coenzima richiesto in diversi processi ANABOLICI.

Qual è il destino catabolico dei macronutrienti dopo l’ingestione?


bocca anoCibo

eacqua esofago

stomaco

saliva

Succo gastrico

duodenodigiuno ileo

Bile eSucco pancreatico

Secrezioniintestinali crasso

retto

chimo feci

AcquaAlcool

Caffeina

CaMgFe

VitamineMonosaccaridi

Acidi GrassiAmminoacidi

Vitamine BSali biliari

Acqua

Apparato cardiocircolatorio (Sangue)


Tessuti (Cellule)Ricordare che i MACRONUTRIENTI contenuti negli ALIMENTI devono essere scissi nelle unità costitutive mediante l’azione di ENZIMI DIGESTIVI che trasformano i polisaccaridi in di- e monosaccaridi, i trigliceridi e i fosfolipidi in acidi grassi e monoacilgliceroli o monoalciglicerolofosfato, le proteine in amminoacidi. Queste molecole, trasportate attraverso il sangue ai tessuti, possono superare la membrana citoplasmatica ed entrare nella cellula.

Proteine LipidiPolisaccaridi Macromolecole

AA GliceroloAcidi GrassiGlucosio

Piruvato

Acetil-CoA

Molecole di base

Prodotto di degradazione

comune

Ciclo di Krebs

NH3 H2O

CO2Prodotti finali

del catabolismoAA 2013-2014


Lipidi Protidi

Acidi grassi

Glucosio

Glucidi

Ac. Piruvico

GlucosioATP Pi

Glicogeno

AATrigliceridi

AA

AA

Glucosio-1-PGlicogenosintesi

Glicogenolisi

Ribulosio-5-P Pentoso Fosfato Glucosio-6-P

Glic

olisi

Glu

cone

ogen

esi

Ac. Ossalacetico

Ac. -Chetoglutarico

Ac. Fumarico

Succinil-CoA

Corpichetonici

Ciclodi

Krebs

Acetil-CoA

Acetoacetil-CoA

Acil-CoABiosintesi degli acidi grassi

-ossidazione

Acidi grassi

Ac. Lattico


Energia: unità di misuraCHILOCALORIA (kcal)

Quantità di calore necessaria per innalzare da 14,5 a 15,5° C 1 kg di acqua

L’unità di misura usata a livello internazionale è il jouleCHILOJOULE (KJ) Quantità di lavoro, ovvero la

forza costante che dà a 1 kg l’accelerazione di 1 m/s2 per lo spostamento di 1 metro nella direzione e nel senso della forza

1 kcal = 4.184 kj


DIVERSE FORME DI ENERGIA:•ENERGIA TERMICA.•ENERGIA MECCANICA.•ENERGIA CHIMICA

Come può essere definita l’energia chimica?

I processi metabolici conservano energia accoppiando processi anabolici e processi catabolici.

Le cellule conservano e utilizzano energia soprattutto sotto forma di ENERGIA CHIMICA in molecole di ADENOSINA 5’-TRIFOSFATO (ATP).

L’energia proveniente dall’OSSIDAZIONEtermodinamicamentefavorita di molecole ricche di elettroni o da radiazione elettromagnetica viene trasformata con rese variabili la resa è spesso non quantitativa (dispersione di calore).


Cosa si intende per resa di un processo?

adenosina 5'-trifosfato

MOLECOLA AD ALTA ENERGIA idrolisi dei legami FOSFOANIDRIDICI genera ENERGIA.

ATP ADP +Pi +30.5KJ/mol

O

H H

OH

H

OH

H

N

N

N

N

NH2

OPOPOPO

O O O

OOO

Legame fosfoestereo

Legamefosfoanidridico

Nucleoside: adenosina

Nucleotide: adenosina 5’ monofosfato (AMP)

Nucleotide: adenosina 5’ difosfato (ADP)

Nucleotide: adenosina 5’ trifosfato (ATP)

Pi=ortofosfato (PO32-)PPi=pirofosfato (P2O74-)

•Le cariche negative dei gruppi fosfato si respingonoinstabilità.•Stabilità idrolitica di ATP stabilitàcineticala reazione richiede enzimi.•Stabilizzazione delle cariche da parte di cationi (es.: Mg2+ stabilizza sia ATP che ADP).

Perché il fosfoestere di AMP non è soggetto a trasformazonichimiche?G per l’idrolisi del legame fosfoanidridico gamma varia in presenza o in assenza di ioni positivi?


•PIROFOSFATO: condensazione di due molecole di ACIDO FOSFORICO LEGAME FOSFOANIDRIDICO.•Può essere ottenuto mediante idrolisi del legame fosfoanidridico beta di ATP

ATP + H2O AMP+ PPi•Il pirofosfato così ottenuto viene rapidamente idrolizzato dall’enzima PIROFOSFATASI INORGANICA che ha un ruolo rilveante nei processi di glicogenosintesi, beta-ossidazione e ciclo dell’urea che saranno trattati in seguito. Il prodotto della lisi è l’ortofosfato (Pi)


•Il pirofosfato è una molecola ad alta o a bassa energia?•Perché a pH fisiologico è carico negativamente? Ricordare le proprietà dell’acido fosforico.•Che funzione hanno gli ioni sodio riportati in figura?Ricordare la repulsione tra cariche dello stesso segno.

Reazioni di trasferimento del Gruppo Fosfato trasferimento di energia chimica.

R1 O PO

OOH

R2 O H R1 O H R2 O PO

OOH

+ +

L’ACCOPPIAMENTO DI REAZIONI endorgoniche a reazioni esoergoniche rende possibile il processo complessivo

G° (KJ mol-1)Semireazione 1 (endoergonica)

Pi + Glucosio H2O + Glucosio-6-P +13.8

Semireazione 2 (esoergonica)

ATP + H2O ADP + Pi -30.5

Reazione complessiva ATP + Glucosio ADP + Glucosio-6-P -16.7

Semireazione 1 (esoergonica)

H2O+ Fosfoenolpiruvato Pi + Piruvato -61.9

Semireazione 2 (endoergonica)

ADP + Pi ATP + H2O +30.5

Reazione complessiva ADP + Fosfoenolpiruvato ATP + Piruvato -31.4

1

2CH2 C

C

O

OO

PO3

2- CH3 CC

O

OO


Definire l’accoppiamento di reazioni.

•Tioesteri del Coenzima A (CoA)

Es. Acil-CoA

R

O

SCH2

CH2

NH

O

CH2

CH2

NH

O

CH C

CH2

OP

OP

OCH2 O

H

O

H

OH

H

H

O O

OH OH

PO OH

O

N

N N

N

NH2

OH

CH3

CH3

ADP 3‘-fosfato

1’

2’3’

4’5’

Gruppo acilico

Gruppo tioestereo

Il gruppo tioestereo può essere idrolizzato in un processo esoergonico che fornisce energia sufficiente alla formazione di un legame fosfoanidridico:

Es:R=CH3 G°=-31KJ mol-1acetil-S-CoA+H2O+ADP+Pi acetato + HS-CoA+ATP+H+

Coenzima A


Qual è la differenza tra gruppo ACILICO e gruppo ACETILICO?

Cos’è un coenzima?

Tutte le molecole che possono essere utilizzate nella sintesi diATP possono essere considerate molecole ad alta energia.

Fosfocreatina Creatina

CreatinaChinasi

La Fosfocreatina è un “Tampone” per ATP

Prima dell’esercizio Durante l’esercizio

Creatina fosfato

ATP


Perché l’integrazione con creatina èmolto utilizzata dagli atleti?Ricordare il principio di Le Chatelier.

I segnali di ATP rimangono costanti

•Enzima: creatina chinasi (CHINASItrasferimento di gruppo fosfato con coinvolgimento di ATP).•Reazione reversibile.


Composto G° (KJ mol-1)a

Fosfoenolpiruvato -51.6Acetilfosfatob -43.1ATP -31.8Acetil-CoA -31

AMP -14.2Glucosio 6-fosfato -13.8

Conservazione dell’energiaProduzione di energia chimica sotto forma di ATP

•FERMENTAZIONE: ATP prodotta mediante fosforilazione a livello del substrato•RESPIRAZIONE: ATP prodotta mediante fosforilazione ossidativa

Molecole ad alta energia: idrolisi di legami ad alta energia.

aRelativa all’idrolisi di legami

Molecole adAlta Energia

Molecole aBassa Energia

bOss.: un esempio di acetilfosfato è 1,3-difosfoglicerato, intermedio della glicolisi.


1. Fosforilazione a livellodel substrato

A

B

C ~ Pi

D

Intermedio del processo catabolico

PiIntermedio fosforilato

ad alta energia

Gruppo fosfato

ADP

ATP

2. Fosforilazione ossidativa

+++ + +

+

++ + + + + + + + +

++

++------ - - - - - - - - --

- - -

ADP + Pi

ATP

+ + +

++

+ + ++ +

+++

---- - - - - -- -

Riduzione della forza proton motriceai livelli originari

L’energia ottenuta mediante i processi CATABOLICI viene immagazzinata in molecole di ATP ottenute mediante due differenti processi:

Prodotto dell’idrolisidell’intermedio ad alta

energia C~Pi

Idrolisi del legame ad alta energia e

produzionedi

energia chimica (ATP)

H+

+

Membrana polarizzata(forza proton motrice)

L’ossidazione di una molecolaricca di elettroni avviene

grazie ad una molecola ossidante (accettrice di elettroni) che si rigenera

trasferendo e- ad una molecola immersa nella

membrana che si riduce. viene di nuovo ossidata di

solito da O2 con espulsione di ioni H+ e aumento della forza proton motrice. Tale energia

vien usato nella sintesi di ATP da ADP

Trasporto deglielettroni

N.B.: la separazione di carica genera una differenza di potenziale E proporzionale alla separazione di carica stessa. E equivale alla possibiltà di lavoro elettrico (we) che è una forma di energia utilizzata nella sintesi di ATP.


(Tratto gastrointestinale)


MEMBRANA CITOPLASMATICA: regola il TRASPORTO dei nutrienti

dall’ambiente esterno e l’EFFLUSSO delle sostanze di scarto

PERMEABILITA’ della membrana.

La membrana può separare soluzioni a differente concentrazione (GRADIENTE

DI CONCENTRAZIONE) .

La membrana è inoltre POLARIZZATA l’eccesso di cariche positive

all’esterno della membrana e l’eccesso di cariche negative all’interno della

membrana generano un GRADIENTE ELETTRICHIMICO corrispondente ad

una differenza di potenziale E (potenziale di membrana) variabile tra 0.02 e 0.1V.

Il trasporto può essere PASSIVO (non richiede energia) o ATTIVO (richiede

energia).

Le molecole di base ottenute dai macronutrienti mediante la DIGESTIONE devono essere INTRODOTTE nella cellula


•Cosa si intende per CELLULE ECCITABILI e CELLULE NON ECCITABILI?

Trasporto PASSIVO: avviene per DIFFUSIONE SEMPLICE o per migrazione nei

canali di membrana. Tipico di PICCOLE MOLECOLE APOLARI O POLARI

NEUTRE.

Diffusione di un soluto neutro (carica = 0) dalla soluzione a concentrazione maggiore

(Es.: ambiente) alla soluzione a concentrazione minore (Es.: citoplasma)• Molecole polari a peso molecolare elevato non possono diffondere nella

membrana e richiedono trasportatori che sfruttano il gradiente di

concentrazione per internalizzare la molecola senza consumo di energia

chimica (trasporto ATTIVO).

• Diffusione di un soluto ionico (carica netta ≠0): l’ingresso di una specie

ionica si ripercuote sempre sul potenziale di membrana con consumo di

energia elettrica (diminuzione della forza proton motrice) Il loro

trasporto deve essere attivo.

• Eccezione: anche nel caso di alcuni ioni (Na+ e K+) esistono trasportatori

selettivi che sfruttano il gradiente di concentrazione mediando il trasporto

passivo di tali ioni positivi (ESEMPIO DI TRASPORTO PASSIVO

FACILITATO).

MolecoleIdrofobiche

Piccole molecole polari neutre

Molecole polari neutre a

massa elevata

Ioni

H2OUrea

Glicerolo

GlucosioSaccarosio

Perché O2 e CO2 sono molecole apolari?AA 2013-2014


PROTEINE DI MEMBRANA agevolano il trasporto passivo di GlucosioCome in tutti i processi di diffusione,la diffusione facilitata avviene solo

in presenza di un Gradiente di concentrazione

Dalla zona a concentrazione maggioreA quella a concentrazione minore

Trasportatoredi glucosio

(Glucose Transporter, GluT)

Glucosio

Il glucosio si lega al trasportatore

determinandone un’alterazione

della struttura che espone il glucosio

al citoplasma

Il glucosio viene rilasciatoed il trasportatore

riassume la struttura iniziale.La diffusione passiva

prosegue fino a quando c’è un gradiente di concentrazione

Trasportatori del glucosio (GluT) di classe 1•GluT1 eritrociti e cellule endoteliali della barriera emato-encefalica•GluT2cellule epiteliali intestinali, epatociti, cellule pancreatiche.•GluT3neuroni•GluT4adipociti, muscolo striato (muscolo cardiaco e muscolo scheletrico). Regolazione ormonale da insulina


•Qual è la differenza tra tessuti insulino-sensibili ed insulino-indipendenti?•Ricordare il meccanismo mediante il quale l’insulina induce l’espressione proteica.•La membrana citoplasmatica è permeabile all’insulina?

Esterno InternoTrasporto sempliceControllato dall’energia associata alla forza proton-motrice•Uniporter•Antiporter•Symporter

++

++

++ -

-

--

--

H+ H+

Traslocazione di gruppoModificazione chimica dellasostanza trasportata Pi~R

Pi

Sostanza Trasportata

Molecola ad alta energia

Trasporto Attivo.


Trasporto sempliece uniporter Es.: trasporto di K+ mediante LAVORO ELETTRICO e

CONSUMO DELLA FORZA PROTONMOTRICE.

Trasporto semplice symporter trasporto di anioni (es.: anioni inorganici come solfato e

fosfato) contemporaneo al trasporto di ioni H+

Trasporto semplice antiporter Es.: pompa Na+/K+ ATP dipendente: importa

K+ e esporta Na+ contro un gradiente di concentrazione (maggiore concentrazione di sodio all’esterno della

cellula/maggiore concentrazione di potassio all’interno della cellula la diffusione mediata dai canali ionici favorirebbe il

proocesso inverso!). Non essendo spontaneo richiede l’idrolisi di ATP.

Trasporto per TRASLOCAZIONE DI GRUPPO Es.: Sistema delle fosfotransferasi di E Coli:

il glucosio viene internalizzato e contemporaneamente fosforilato da fosfoenolpiruvato che

trasferisce il gruppo fosfato e si trasforma in piruvato. Il prodotto ottenuto (glucosio 6-fosfato)

è anche il prodotto della prima reazione della glicolisi.AA 2013-2014


Perché IL SISTEMA NERVOSO CENTRALE consuma quantità di glucosio così elevate? Qual è il ruolo della pompa Na+/K+ ATP-asica nella trasmissione sinaptica?

Trasporto attivo del glucosio: cotrasporto Glucosio-Na+

e trasporto intestinale del glucosio.

Glucosio

Cellu

la e

pite

liale

inte

stin

ale

Glucosio

GluT2 Pompa Na+/K+

Cotrasportatore Glu/Na+

Lume intestinale

Sangue

Il trasporto intestinale del glucosio si basa sul cotrasporto di glucosio e sodio possibile grazie alle elevate concentrazini di Na+

nel lume intestinale. GluT2 media il trasporto passivo nel sangue mentre la pompa Na+/K+ ATP-asica mantiene il gradiente di concentrazione tra lume intestinale e citoplasma della cellula epiteliale necessario al cotrasporto.

Superficie APICALE

Superficie BASALE

•Perché negli enterociti il trasporto del glucosio è attivo?•Gli enterociti sono insulino-dipendenti o indipendenti? AA 2013-2014


Catabolismo del Glucosio


Il glucosio è la principale fonte di energia per molti tipi di cellule e deveessere sempre disponibile.


•Gli eritrociti e le cellule del sistema nervoso centrale sono insulino-dipendenti o indipendenti?•Epatociti, miociti e adipociti?•Perché gli eritrociti usano prevalentemente glucosio e non possono degradare ossidativamente i lipidi?

Far riferimento anche alla diapositiva 19.

Assorbimento intestinaleAssorbimento intestinaleSaccarosio Lattosio Amido Cellulosa

GlucosioGalattosioFruttosio

maltosio + polisaccaridisaccarasi lattasi

ptialina

amilasi

X

GlucosioGalattosioFruttosio

diffusione Na+, ATP

Na+, ATP

GLICOLISI

Digestione

Assorbimento intestinale

Metabolismo(anabolismo e catabolismo)

GLICOGENOSINTESI


•Cosa sono AMILASI, SACCARASI, LATTASI?•Qual è la differenza tra il legame glicosidico presente in amido e saccarosio e il legame glicosidico nel lattosio?•Qual è la relazione strutturale tra saccarosio e lattosio?

O

H

H

OH

H

OH

OH

H

OH

H

OH

Glucosio

O

H

OH

H

H

OH

OH

O OP PO O

OH OH

OO

Fruttosio-1,6-bifosfato

2ADP+2Pi 2NAD+

2ATP 2NADH

2CH3

C

O

CO

O

Piruvato

Fermentazione anaerobica Omolattica

Ossidazione Aerobica

Fermentazione anaerobicaAlcolica

Glicolisi


I° fase della RESPIRAZIONE

CELLULARE.

Il piruvato può avere diversi

destini:AEROBICO o

ANAEROBICO.

•Qual è il nome IUPAC del piruvato?•E’ stato già trattato un esempio di catabolismo anaerobico alattacido? Ref.: diapositiva 16.

Glucosio

Glucosio-6-fosfato

Fruttosio-6fosfato

Fruttosio-1,6-difosfato

Diidrossiacetonefosfato Gliceraldeide-3-fosfato

1

2

3

4

5

Esochinasi

Fosfoglucosio isomerasi

Fosfofruttochinasi

Aldolasi

Trioso fosfatoIsomerasi

•FASE PREPARATORIA: consumo di due molecole di ATP•Una molecola di glucosio genera due molecole di gliceraldeide-3-fosfato

OCH2

HH

OH

H

OH

OH

H OH

H

OH

OCH2

HH

OH

H

OH

OH

H OH

H

O(2-)O3P

OCH2

H

OH

H

H

OHOH

CH2O(2-)O3P O H

OCH2

H

OH

H

H

OHOH

CH2O(2-)O3P O PO3(2-)

H O

CCH2

OHH

O

PO3(2-)

CH2

OH

C

CH2

O

OPO3(2-)


•Glucosio:gruppo aldeidico e gruppo alcolico. Glucosio 6-P: gruppo aldeidico, gruppo alcolico, gruppo fosfoestereo in posizione 6.•La formazione del legame FOSFOESTEREO èendoergonica idrolisi di ATP ACCOPPIAMENTO DI REAZIONI.•Reazione IRREVERSIBILE.•Stimare G di reazione.

•ISOMERIZZAZIONE: stessi gruppi funzionali in reagenti e prodotti..•Reazione REVERSIBILE.•Qual è il valore orientativo di G per tale reazione? Come potrà essere regolata? Ricordare il principio di Le Chatelier.•La reazione è cineticamente favorita?

•Perché la fosforilazione rende i prodotti carichi negativamente? Ricordare le proprietà dell’acido fosforico.•La permeabilità di tali prodotti cambia? La loro carica dipende dal pH?•Commentare in modo analogo a quanto fatto per le reazioni 1, 2, 3 le reazioni 4 e 5 E’ più reattivo un chetone rispetto ad un’aldeide o no? Definire gli ISOMERI.

•Foesterificazione del fruttosio-6P in posizione 1 reazione endoergonica che richiede l’accoppiamento con la lisi di ATP.•Reazione IRREVERSIBILE.•Stimare G di reazione.•Qual è il valore di G per l’idrolisi di un fosfoestere?•Il glucosio è più o meno reattivo del fruttosio 6P? Perché?

Glicolisi: fase preparatoria

Glicolisi: fase di conservazione dell’energia

1,3-difosfoglicerato

3-fosfoglicerato

2-fosfoglicerato

Fosfoenolpiruvato

6

7

8

9

10

Piruvato

Gliceraldeide-3-fosfatodeidrogenasi

Fosfoglicerato Chinasi

Fosfoglicerato Mutasi

Enolasi

Piruvato Chinasi

•Ossidazione di 2 molecole di gliceraldeide 3-fosfato ad acido -cheto propanoico•Produzione di 4 molecole di ATP ottenute per fosforilazione a livello del sustrato•Produzione di due molecole di nicotinammide adenina dinucleotide ridotta ( NADH)

O O

C

CH2

OHH

O

PO3(2-)

(2-)O3P

O O

CCH2

OHH

O

PO3(2-)

O O

C

CH2

OH

OH

PO3(2-)

Anidride mista

2H++

O O

C

CH 2

O PO 3(2-)

O O

C

CH 3

O


•Gliceraldeide 3-P: gruppo aldeidico, gruppo alcolico e gruppo fosfoestereo 1,3 DPG: gruppo carbossilico condensato con acido fosforico (ANIDRIDE MISTA), gruppo alcolico, gruppo fosfoestereo.•L’aldeide è ossidata a carbossile è richiesta la riduzione di NAD+ produzione di EQUIVALENTI RIDUCENTI.•Reazione debolmente endoergonica (G=6 Kj/mol).•Questa fase della respirazione ha un effetto sull’affinità di Hb per O2?

•1,3DPG:anidride mista, gruppo alcolico e gruppo fosfoestereo. 3-PG: gruppo carbossilico, gruppo alcolico e gruppo fosfoestereo.•Idrolisi dell’anidride mista accoppiata alla sintesi di ATP.•La reazione è REVERSIBILE.•Stimare G di reazione. (dati disponibili in diapositiva 17).•Tale reazione è più o meno esoergonica delle reazioni catalizzate da esochinasi, fosfofruttochinasi 1 e piruvato chinasi?

•2-PG: gruppo carbossilico, gruppo alcolico e gruppo fosfoestereo. PEP: gruppo carbossilico, gruppo fosfoestereo e INSATURAZIONE.•Formazione di un doppio legame per disidratazione.•Reazione REVERSIBILE.•Definire gli ENOLI.•Come vengono regolate le reazioni reversibili?

•PEP: gruppo carbossilico, gruppo fosfoestereo e insaturazione. Pyr: gruppo carbossilico, gruppo chetonico e gruppo metilico.•Tautomeria cheto-enolica•Il substrato della chinasi è ADP.•Reazione IRREVERSIBILE.•Come vengono definite le chinasi?•Stimare G di reazione dai dati in diapositiva 17.

•3-PG: gruppo carbossilico, gruppo alcolico e gruppo fosfoestereo. 2-PG: stessi gruppi funzionali ma diversa struttura ISOMERI.•Isomerizzazione reazione REVERSIBILE.•Come vengono regolate le reazioni reversibili?

•Nonostante G>0 la trasformazione di gliceraldeide 3-fosfato in 1,3-DPG procede. Perché?

Reazioni della glicolisi Enzima1. glucosio + ATP glucosio 6-P + ADP + H+ (Esochinasi)2. glucosio 6-P = fruttosio 6-P (Fosfoglucosio isomerasi)3. fruttosio 6-P + ATP fruttosio 1,6-diP+ADP+H+ (Fosfofruttochinasi)4. Fruttosio 1,6-diP = diidrossiacetone-P + gliceraldeide 3-P (Aldolasi)5. Diidrossiacetone-P = gliceraldeide 3-P (Trioso fosfato isomerasi)6. Gliceraldeide 3-P +Pi+NAD+ = 1,3-difosfoglicerato + NADH +H+ (GAP-deidrogenasi)7. 1,3-difosfoglicerato + ADP = 3-fosfoglicerato + ATP (fosfoglicerato chinasi)8. 3-fosfoglicerato = 2-fosfoglicerato (fosfoglicerato mutasi)9. 2-fosfoglicerato = fosfoenolpiruvato + H2O (Enolasi)10.Fosfoenolpiruvato + ADP+ H+ piruvato + ATP (Piruvato chinasi)

Tipo di reazione1. Trasferimento di gruppo fosforico (G in condizioni fisiologiche=-27.2)2. Isomerizzazione (G in condizioni fisiologiche=-1.4)3. Trasferimento di gruppo fosforico (G in condizioni fisiologiche=-25.9)4. Scissione aldolica (G in condizioni fisiologiche=-5.9)5. Isomerizzazione (G in condizioni fisiologiche=+4.4)6. Fosforilazione accoppiata a ossidazione7. Trasferimento di gruppo fosforico8. Isomerizzazione (G in condizioni fisiologiche=-0.6)9. Disidratazione (G in condizioni fisiologiche=-2.4)10. Trasferimento di gruppo fosforico (G in condizioni fisiologiche=-13.9)

(G in condizioni fisiologiche (reaz.6+7)=-1.1)


Reazione 1

Reazione 2: l’isomerizzazione del G6P a F6P è indispensabile alla fosfoesterificazionedel ossidrile in posizione C1 nella reazione successiva.

La fosforilazione del glucosio a glucosio 6-fosfato con idrolisi di ATP crea una molecolacarica negativamente che non è permeabile allamembrana cellulare

Esochinasi: allostericamente inibita da G6P.

Glucochinasi: localizzata nel fegato; Km maggiore (minore affinità per glucosio) siattiva solo ad elevate concentrazioni di glucosio enzima inducibile (ridotta attivitànel diabete)

•Disegnare i grafici delle velocità per i due isoenzimi.

OCH2

HH

OH

H

OH

OH

H OH

H

O(2-)O3P

OCH2

H

OH

H

H

OHOH

CH2O(2-)O3P O H

Minore INGOMBRO STERICO: fosforilazione favorita

Spazio extracellulare

Glucosio Glucosio

Citoplasma

Glucosio 6-fostato

ADP

ATP

Elevato INGOMBRO STERICO: fosforilazione sfavorita


Gliceraldeide 3-Fosfato

H O

C

C H 2

O HH

O

PO 3(2-)

+1


O O

C

C H 2

O HH

O

PO 3(2-)

(2-)O 3P +3

Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi

CH

CHN

+CH

CC

R

H

C

O

NH2 CH

CHN

CH

CC

R

H

C

O

NH2

H2H+ + 2e-

+ H+

R-COO- + 3H+ +2e- R-CHO, E°~-0.5VAcido carbossilico Aldeide

-1 -2

NAD+ + H+ +2e- NADH, E°=-0.32V

Potenziale normale di riduzione E° NAD+/NADH > E° Carbossilato/Aldeide NAD+ si riduce mentre l’aldeide si ossida

Reazione 6


•Stimare E per il processo.•Qual è la relazione tra E e G?

Reazione 7 produzione di ATP per fosforilazione a livello del substrato


O O

C

C H 2

O HH

O

PO 3(2-)

(2-)O 3P +3 Anidride mista(alta energia)

Reazioni 8-9 il 3 fosfoglicerato ottenuto contiene solo un legame fosfoestereola cui idrolisi non sarebbe sufficiente alla formazione di ATP ( G ≈ -10Kj/mol). Quindi la cellula “preferisce” trasformare (trasferimento di gruppo fosforico e disidratazione) il 3 fosfoglicerato in fosfoenolpiruvato la cui idrolisi rende possibile la produzione di ATP)


•Ricordare i valori di G° per l’idrolisi di un fosfoestere, di una fosfoanidride e di una anidride mista.•Qual è l’energia di formazione di tali composti?

Reazione 10 produzione di ATP per fosforilazione a livello del substratoTautomeria chetoenolica (tautomeri: isomeri ottenuti per SPOSTAMENTO INTRAMOLECOLARE DI IDROGENO)

Equilibrio spostato verso il chetone(G° ≈ -35-40 kJ/mol)

Piruvato

Enolo ChetoneFosfoenolpiruvato(PEP)


•La tautomeria è un processo ossidoriduttivo? Calcolare il numero di ossidazione medio del carbonio nei due tautomeri.

Complessivamente:

L’ossidazione del glucosio a piruvato libera elettroni e protoni processo ossidativo.

Dove vanno a finire gli elettroni del glucosio? (Chi si riduce?) NAD+

Ricordare che E° (NAD+/NADH) = -0.32V <0.82V= E° (1/2O2/O2-) NADH potrà essere nuovamente

ossidato da O2 rigenerando NAD+ coenzima della gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi e quindi

indispensabile alla prima fase della respirazione.

Gli elettroni liberati possono entrare nella catena di trasporto degli elettroni in condizioni di aerobiosi

(respirazione). Cosa succede in condizioni di anaerobiosi?L’idrolisi del legame fosfoanidridico dell’ 1,3-difosfoglicerato genera energia immagazzinata in una

molecola di ATP (2 molecole di ATP dalle due molecole di 1,3DPG ottenute da una molecola di glucosio)

L’idrolisi del legame fosfoestere del fosfoenolpiruvato e la successiva tautomeria a piruvato permettono di

ottenere una seconda molecola di ATP (2 molecole di ATP dalle due molecole di PEP ottenute da una

molecola di glucosio).

C6H12O6 + 2 ATP(3-) + 2 ADP(2-) + 2 H2PO4– + 2 NAD+

2 C3H4O3 + 4 ATP(3-) + 2 NADH + 2H+


Il destino aerobico del piruvato: respirazione.

Fase I: Produzione di Acetil-CoA

Fase II: Ossidazione di Acetil-CoA

Fase III: Trasferimento degli elettroni e fosforilazione ossidativa

NADH & FADH2(Coenzimi ridotti Trasportatori di elettroni)

e-e-

Catena Respiratoria

2H++1/2O2 H2O

ADP+Pi ATP

GlucosioGlicolisi

Piruvato

Acetil-CoA

Ammino acidiAcidi Grassi

Ossalacetato Citrato

2CO2

e-

e-

e-

e-

e-

e- Piruvato Deidrogenasi

Ciclo di Krebs


Piruvato

Acetil CoA

SHCH2

CH2

NH

O

CH2

CH2

NH

O

CH

CH2

OP

OP

OCH2 O

H

O

H

OH

H

H

O O

OH OH

PO OH

O

N

N N

N

NH2

OH

CH356

CH357

Piruvato deidrogenasi

SCH2

CH2

NH

O

CH2

CH2

NH

O

CH

CH2

OP

OP

OCH2 O

H

O

H

OH

H

H

O O

OH OH

PO OH

O

N

N N

N

NH2

OH

CH3

CH3C

O

CH3

Atomi di carbonio provenienti dal piruvato

Gruppo Tioestereo

Gruppo tiolico (R-SH)

•Il piruvato ottenuto dalla degradazione di carboidrati, viene convertito in Acetil CoA mediante DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA con riduzione di una molecola NAD+ e produzione di una molecola di anidride carbonica uno degli atomi di carbonio del piruvato (2 del glucosio) è stato ossidato al massimo stato d’ossidazione possibile per C (4+).•La decarbossilazione del piruvato è irreversibile possibile trasformazione di glucosio in lipidi ma non di acidi grassi, precursori di acetil-CoA in glucosio! Questo determina il ruolo chiave degli ammino acidi nella sintesi di glucosio in condizioni di digiuno

OC

O

C

CH3

O


HCO3-

ANIDRASICARBONICA

Fase II della respirazione•Definire tioli e tioesteri.•Perché i tioesteri sono molecole ad alta energia?

Matrice

Creste

Membrana esternaMembrana interna

Spazio Intermembrana

Negli eucarioti la decarbossilazione ossidativa del piruvato ed il ciclo di Krebs avvengono nella matrice del mitocondrio

Oss.: analogia con la struttura dei batteri Gram negativi.La membrana mitocondriale esterna è permeabile espressione di PORINE.La membrana mitocondriale interna è impermeabile necessità di trasportatori.

•Qual è la differenza tra cellule eucariotiche e cellule procariotiche?•Che tipo di sistema viene utilizzato per il trasporto dell’-cheto propanoato citosolico nella matrice?


Fase II della respirazione

ossalacetato citrato

isocitrato

-chetoglutarato

Succinil CoASuccinato

Fumarato

Malato

GTP GDP

Piruvato

CoAAcetil CoA

CoACiclo dell’acido citrico ( o ciclo di Krebs o ciclo degli acidi tricarbossilici).•Avviene nella matrice mitocondriale degli eucarioti•2 atomi di carbonio vengono ossidati al massimo stato di ossidazione di C (4+). Questo èpossibile grazie alla simultanea riduzione dei coenzimi NAD+ e FAD (trasportatori di elettroni) che devono essere rigenerati.•Qual è il destino dell’anidride carbonica?• Anche se considerando il meccanismo di reazione tali atomi di carbonio non sono quelli dell’originario gruppo acetile, il risultato è che tutti gli atomi di C dell’originaria molecola piruvato e quindi di glucosio sono stati ossidati a CO2

E°Ossalacetato/Malato>E°NAD+/NADH

E°Fumarato/Succinato>E°FAD/FADH2


Piruvato Deidrogenasi (decarbossilazione ossidativa)

CH2

COH

CO

OH

CO

OHCH2

CO

OH

CO

C

O

OH

CH2

CO

OH

CH3 C

O

S CoA

CH

CH2

C

O

OHOH

C

O

OH

CH

CH

C

O

OH

C

O

OH

CH2

CH2

C

O

OH

C

O

OH

CH2

CH2

C

O

OH

C

O

SCoA

CH2

CH2

C

O

OH

C

O

CO

OH

CH2

CH

CH

C

O

OH

C

O

OH

C

O

OH

OH

Citrato sintasiCondensazione

Ossalac

etato Citrato

Mala

toMala

to de

idrog

enas

i

Deidro

gena

zione

Fumarato

Fumar

asi

Idra

tazion

e

Succinato Succinil-CoA

-chetoglut

arato

Isoc

itra

to

Succinato deidrogenasi

Deidrogenazione Succinil-CoASintesasi

Fosforilazione aLivello del substrato

Aconitasi

Disidratazione-Idratazione

2 reazioni

-che

toglut

arato

deidrog

enasi

Decarb

ossilaz

ione

ossida

tiva

Isocitrato deidrogenasiDecarbossilazione

ossidativaH2O, CoA-SH

NA

DH

,CO

2

NADH, CO2GDP+Pi GTP

FADH2

NADH

1

2

3

4

5

6

7

8CH2

COH

CO

OH

CO

OHCH2

CO

OH

CO

C

O

OH

CH2

CO

OH

CH3 C

O

S CoA

CH

CH2

C

O

OHOH

C

O

OH

CH

CH

C

O

OH

C

O

OH

CH2

CH2

C

O

OH

C

O

OH

CH2

CH2

C

O

OH

C

O

SCoA

CH2

CH2

C

O

OH

C

O

CO

OH

CH2

CH

CH

C

O

OH

C

O

OH

C

O

OH

OH


Ossalac

etato Citrato

Mala

toMala

to de

idrog

enas

i

Deidro

gena

zione

Fumarato

Fumar

asi

Idra

tazion

e


-chetoglut

arato

Isoc

itra

to




Aconitasi


2 reazioni

-che

toglut

arato

deidrog

enasi

Decarb

ossilaz

ione

ossida

tiva



NA

DH

,CO

2

NADH, CO2GDP+Pi GTP

FADH2

NADH

CH2

COH

CO

OH

CO

OHCH2

CO

OH

CO

C

O

OH

CH2

CO

OH

CH3 C

O

S CoA

CH

CH2

C

O

OHOH

C

O

OH

CH

CH

C

O

OH

C

O

OH

CH2

CH2

C

O

OH

C

O

OH

CH2

CH2

C

O

OH

C

O

SCoA

CH2

CH2

C

O

OH

C

O

CO

OH

CH2

CH

CH

C

O

OH

C

O

OH

C

O

OH

OH


Ossalac

etato Citrato

Mala

toMala

to de

idrog

enas

i

Deidro

gena

zione

Fumarato

Fumar

asi

Idra

tazion

e


-chetoglut

arato

Isoc

itra

to




Aconitasi


2 reazioni

-che

toglut

arato

deidrog

enasi

Decarb

ossilaz

ione

ossida

tiva



NA

DH

,CO

2

NADH, CO2GDP+Pi GTP

FADH2

NADH

1

2

3

4

5

6

7

8

Una rappresentazione più complessa

•Denominare secondo la nomenclatura IUPAC gli intermedi del ciclo.


•Negli organismi aerobici il glucosio e gli altri zuccheri, gli acidi grassi, e la maggior parte degli AA sono ossidati a CO2 e H2O INTERCONNESSIONE•Il ciclo può essere definito ANFIBOLICO ciclo coinvolto sia in processi catabolici che anabolici ( in figura le frecce azzurre indicano processi catabolici dai quali è possibile ottenere intermedi del ciclo, i rosso i processi che dagli intermedi permettono di ottenere altre biomolecole).

1

2

34

5

6

7

8

AA 2013-2014Biochimica-Lezione 4Domenico Ciavardelli•Perché il ciclo ha una funzione che può essere definita catalitica? Definire un catalizzatore.

Ossalacetato, NADHOssidazioneMalato deidrogenasiL-Malato8L-MalatoIdratazioneFumarasiFumarato7

Fumarato, FADH2OssidazioneSuccinato deidrogenasiSuccinato6

Succinato, GTP, CoA-SH

Trasferimento di fosfato

Succinil-CoAsintetasiSuccinil-CoA5

Succinil-CoA, NADH, CO2

Decarbossilazione ossidativa

α-chetoglutaratodeidrogenasiα-Chetoglutarato4

α-chetoglutarato, CO2DecarbossilazioneOssalsuccinato3bOssalsuccinato, NADHOssidazioneIsocitrato

deidrogenasiIsocitrato3a

IsocitratoIdratazionecis-Aconitato2bcis-Aconitato, acquaDeidratazione

AconitasiCitrato2a

CitratoCondensazioneCitrato sintasiOssalacetato1ProdottiTipo di reazioneEnzimaSubstrato#

Reazioni del ciclo di Krebs




•Qual è la differenza tra G° e G?•Quali sono le reazioni del ciclo che possono essere soggette a regolazione? Perché?•Le reazioni reversibili come sono regolate? Ricordare il principio di Le Chatelier.•La conversione dell’acido -idrossi butandioico ad acido -cheto butandioico è endoergonica. Perché avviene senza l’accoppiamento con l’idrolisi di molecole ad alta energia? Ricordare che la conversione dell’ossalacetato a citrato è estremamente esoergonica.


•Reazioni 3-4: isocitrato (7C) ed -chetoglutarato (5C) sono decarbossilati con produzione di CO2 e riduzione di NAD+ a NADH

(3)+3

+3

+4

+4

(4)

AA 2013-2014Biochimica-Lezione 4Domenico Ciavardelli•Qual è il ruolo dell’ANIDRASI CARBONICA? L’anidride carbonica è solubile in acqua?



•L’energia ottenuta dall’idrolisi di Succinil CoA viene conservata mediante la sintesi di una molecola ad alta energia analoga all’ ATP GTPGTP viene ottenuta da GDP per fosforilazione a livello del substrato

•Reazione 5: Il Succinil CoA è una molecola ad elevata energia come tutti gli acilCoA in virtù del gruppo tioestere la cui idrolisi è esoergonica:

O

H H

OH

H

OH

H

N

NH

N

N

O

OPOPOPO

O O O

OOO

NH2

Legame fosfoestereo

Legami fosfoanidridico

Guanosina 5’–trifosfato (GTP)

Guanina (G)

Guanosina

SC

O

CH2

CH2

C

O

O CoAC

O

CH2

CH2

C

O

OO

Succinato

+ H-S-CoA

Coenzima A Succinil coenzima A

•GTP può essere utilizzata direttamente dalla cellula in specifici processi come la gluconeogenesio convertita in ATP.


•Qual è la differenza tra guanina e guanosina?•Qual è la differenza tra nucleotide e nucleoside?

•Reazione 5: La produzione di GTP è seguita da reazioni di riossidazionedel succinato ad ossalacetato a spese di FAD e NAD+ che vengono ridotte a FADH2 e NADH

•La continua rigenerazione dell’ossalacetato rendepossibile l’ossidazione dei gruppi acetilici.

O O

CH2

CH2

O O

O O

C

CH2

O O

O

Succinato Ossalacetato

-2 +2

NAD+FAD

NADH + H+

FADH2

N

N

N

N

O

OR

H

N

N

N

N

O

OR

H

H

H

2H+ + 2e-Flavina Adenina Dinucleotide

FAD FADH2


E°FAD/FADH2=-0.219V

AA 2013-2014Biochimica-Lezione 4Domenico Ciavardelli•Perché il ciclo ha una funzione che può essere definita catalitica? Definire un catalizzatore.

Reazioni anaplerotiche del ciclo di Krebs: reazioni cheripristinano le concentrazioni degli intermedi del ciclo e che permettono la sua prosecuzione la sintesi di ossalacetato da Pyr catalizzata dalla piruvato carbossilasine è un esempio

Reazioni anaplerotiche in rosso.Piruvato carbossilasi e fosfoenolpiruvato carbossichinasisono enzimi chiave della gluconeogenesi.


• Prodotti del catabolismo di una molecola di glucosio (2 molecole di piruvato 2Ac-CoA) nel processo nelle prime due fasi della respirazione aerobica


La prima e la seconda fase della respirazione aerobica portano:1. all’ ossidazione dei 6 atomi di carbonio dell’originaria molecola di glucosio a CO2,

molecola in cui il carbonio mostra il massimo stato di ossidazione possibile (+4).2. alla produzione dei coenzimi NAD+ e FAD ridotti che contengono ora gli elettroni

ottenuti dalla degradazione ossidativa del glucosio I coenzimi ridotti NADH e FADH2 devono essere nuovamente ossidati e riconvertiti

nella forma attiva.

2

2

0

0

FADH2prodotto

104Totale

6

2

2

NADH prodotto

2 come GTPCiclo di Krebs

0Piruvato Acetil CoA

2Glicolisi

ATP prodottaCiclo

Fase I

Fase II

Equazione complessiva del ciclo di Krebs:Acetil CoA+ 3NAD+ + FAD+ GDP+Pi+ H2O 2CO2+ 3NADH+3H++FADH2+GTP+CoA


Ricordare che la CO2 viene convertita in HCO3- mediante

l’ANIDRASI CARBONICA.

Fase III della respirazione•Gli elettroni contenuti nei coenzimi ridotti NADH e FADH2 (EQUIVALENTI

RIDUCENTI) ottenuti nelle fasi I e II della respirazione aerobica costituiscono una fonte di

energia.

•I coenzimi OSSIDATI sono necessari alla realizzazione delle fasi I e II della respirazione

aerobica e devono essere rigenerati nella forma ATTIVA.

•Nella respirazione aerobica O2 è sempre l’accettore finale di elettroni

•Gli elettroni contenuti in NADH e FADH2 devono essere trasferiti a O2. Il processo è

termodinamicamente favorito (E°NAD+/NADH=-0.32, E°FAD/FADH2=-0.219, E°1/2O2/O(2-)=0.81).

•Il trasferimento degli elettroni dai coenzimi ridotti all’ossigeno non viene realizzato

direttamente ma mediante trasportatori associati alla membrana mitocondriale interna negli

eucarioti (COMPLESSI) che rendono cineticamente favorita (catalisi) la CATENA di

TRASPORTO degli ELETTRONI.

•Questo meccanismo sfrutta la possibilità di trasferire elettroni in modo

termodinamicamente favorito a specie con potenziale normale di riduzione crescente. AA 2013-2014


Complesso I

Complesso II

Complesso III

Complesso IV

2H+

NADH + H

NAD

+

FADH2

FAD

Citoplasma (Procarioti)Matrice del mitocondrio

(Eucarioti)

Ambiente (Procarioti)Spazio intermembrana del mitocondrio

(Eucarioti)

4H+ + 1/2O2

H2O

2H+

2H+

2H++2OH- 2 H2O

E°(V) Substrati

NAD+/NADH

-0.5

-0.31

Complesso I(Flavoproteine eProteine Fe/S)

-0.20

0Complesso II (Chinone)

0.40

Complessi III e IV(Citocromi)

0.80 O2

Ciclo di Krebs

Fumarato

Succinato

Q

2e-

Cat

ena

di T

rasp

orto

deg

li E

lettr

oni

Coenzima Q10o Ubichinone


N.B. il complesso II non contribuisce alla generazione del gradiente protonico a livello della membrana mitocondriale interna.

Complesso I CATALIZZA il trasferimento di elettroni da NADH all’ubichinone (Q) (NADH:ubichinone ossidoreduttasi)

Complesso II catalizza il trasferimento di elettroni da succinato a ubichinone con formazione di fumarato(SUCCINATO DEIDROGENASI stesso enzima del ciclo di Krebs localizzato nella membrana mitocondriale interna)

Complesso III catalizza il trasferimento di elettroni da ubichinone a citocromo c(ubichinone:citocromo c ossidoreduttasi)

Complesso IV catalizza trasferimento di elettroni da citocromo c a O2 (citocromo ossidasi) AA 2013-2014


•Cosa sono dal punto di vista biochimico i COMPLESSI I, III e IV?•Come catalizzano reazioni di ossidoriduzione? Contengono CENTRI REDOX?

Il coenzima Q o ubichinone (indicato con Q in figura) accetta elettroni sia

1. da NADH nel processo catalizzato dal complesso I

NADH + H+ + Q NAD+ + QH2

2. che da FADH2 ottenuto per ossidazione del succinato a fumarato nel ciclo di Krebs mediata dalla succinato deidrogenasi che coincide con il complesso II

OH

OH

CH3

R

O

O

CH3

CH3

2e-

2H+O

O

CH3

R

O

O

CH3

CH3

Chinone (forma ossidata) Chinolo (forma ridotta)

•L’ubichinone è idro- o liposolubile? E’ vincolato o meno a zone specifiche della membrana mitocondriale interna?


Il Complesso III contiene i citocromi b e c contenenti gruppi EME, centro ossdoriduttivo

A differenza dell’ubichinone, capace di trasportare 2 elettroni, i citocromi possono accettare solo 1 elettrone

Complesso III:

QH2 + 2Cit c1 (ossidato) + 2H+matrice mitocondriale Q + 2Cit c1 (ridotto) + 4H+Spazio intermembrana

Il citocromo c1 è una proteina solubile nello spazio intermembrana (lipofila) che accetta un elettrone dall’ubichinone e lo dona all’ossigeno mediante il processo catalizzato dall complesso IV (riduzione di O2 ad acqua). L’ossigeno può quindi essere definito ACCETTORE FINALE degli elettroni generati dal catabolismo ossidativo del glucosio, degli ammino-acidi e degli acidi grassi.

•Il potenziale normale di riduzione E° (Q/QH2) è maggiore o minore del potenziale normale di riduzione E°(Fe(3+)/Fe(2+))?


•Da dove proviene l’ossigeno utilizzato nella ETC? E’ in qualche modo coinvolta l’emoglobina?

• L’energia generata daiprocessi di ossidoriduzionetermodinamicamentefavoriti può essere usataper produrre ATP Fosforilazione ossidativa(secondo stadio dellaterza fase dellarespirazione cellulare)

•Ogni ossidazione di NADH a NAD+ e di FADH2 a FAD portano rispettivamente alla sintesi di 3 e2 molecola di ATP rispettivamente.•L’energia contenuta nel GRADIENTE PROTONICO generato a livello della membrana mitocondriale interna dalla catena di trasporto degli elettroni viene utilizzata dall’ ATP sintasi nella sintesi di ATP da molecole di ADP.•L’ossidazione di FADH2 genera solo due molecole di ATP perché trasferisce i propri elettroni al coenzima Q tramite il Complesso II (omesso in figura) l’ossidazione è associata alla produzione di un gradiente protonico inferiore (estrusione di 4H+ anziché 6H+).•La stechiometria del processo di produzione di ATP non è del tutto chiara studi recenti mostrano che la sintesi di una molecola di ATP richiede il consumo di 4 H+ da parte dell’ATP-sintasi.

Complesso INAD Deidrogenasi

Complesso III Citocromo b c1

Complesso IV Citocromo ossidasi

ATPsintetasi

Matrice mitocondrialeinterna

Spaziointermembrana

Matrice


•Perché un potenziale elettrochimico è associato ad una forma di energia? In quali altri processi di rilevanza biochimica è coinvolto un potenziale elettrochimico di membrana?•Qual è la differenza tra fosforilazione ossidativa e fosforilazione a livello del substrato?

Complessivamente

Respirazione

Glucosio 6CO2Glicolisi e Ciclo di Krebs

NADH

NAD+

Forza Proton MotriceATP Catena di trasporto degli elettroni

O2 H2O


N.B.: anche il catabolismo OSSIDATIVO di amminoacidi e acidi grassi converge alla II e III fase della respirazione.Il catabolismo di tali substrati è, quindi, prevalentemente aerobico e richiede mitocondri.

Produzione Complessiva di ATP nelle tre fasi della respirazione

4304Totale

4

0

0

DaFADH

182 come GTPaCiclo di Krebs

6

6

Da NADH

Fosforilazioneossidativa

0PiruvatoAcetil-CoA

2Glicolisi

Fosforilazione a livello del substrato

Ciclometabolico

Vengono prodotte 38 molecole di ATP per molecola di glucosioaGTP può generare ATP. Infatti i nucleotidi possono essere interconvertiti mediante il processo GTP+ADPGDP+ATP


Membranacitoplasmatica

Membranamitocondriale

internaETC

Citoplasma

Citoplasma

Citoplasma

Procarioti

MatricemitocondrialeCiclo di Krebs

MitocondrioPiruvato Acetil-CoA

CitoplasmaGlicolisi

EucariotiCiclo metabolico

Dove avvengono i cicli descritti?Confronto tra il Catabolismo di Eucarioti e Procarioti



Stress ossidativo

DISMUTAZIONE del perossido d’idrogeno

2H2O22H2O+O2•Catalizzata dall’enzima

CATALASI (CAT)

Produzione del perossido d’idrogeno dall’anione superossidoO2

.-+2H+2H2O2+O2•Catalizzata dall’enzima

SUPEROSSIDO DISMUTASI (SOD)

Fino al 3% dell’ossigeno utilizzato dai mitocondri può dara prodotti di riduzionediversi dall’acqua come:l’anione SUPEROSSIDO, il PEROSSIDO D’IDROGENO, il RADICALE OSSIDRILICO che vengono definite SPECIE REATTIVE DELL’OSSIGENO (ROS).•I ROS sono tossici per le cellule poiché tendono a ridursi ad acqua ossidando alcune importanti biomolecole come proteine, acidi nucleici e lipidi. L’azione ossidante del radicale ossidrilico sui lipidi di membrana genera ACIDI GRASSI OSSIDATI la cui formazione destabilizza la membrana citoplasmatica.

Acido grasso insaturo

Acido grasso OSSIDATO

•Calcolare il numero di ossidazione dell’ossigeno nel perossido d’idrogeno. E’ uno stato di ossidazione più o meno ridotto di quello dell’ossigeno in acqua? Che cos’è una dismutazione?•La produzione di ROS è più elevata durante lo svolgimento di attività aerobica o anaerobica?•Definire un RADICALE.

Il destino anaerobico del piruvato: fermentazione

L’accettore finale di elettroni non è l’ossigeno (aerobiosi) né una sostanza

inorganica ma una MOLECOLA ORGANICA prodotto della

degradazione di molecole organiche più complesse NON RICHIEDE

O2 ANAEROBIOSI

Non richiede ciclo di Krebs e ETC

Energia ottenuta dall’ossidazione di altre molecole organiche che sono

fonte di carbonio (glucosio) microrganismi chemiorganotrofi e

eterotrofi. AA 2013-2014Biochimica-Lezione 4Domenico Ciavardelli

Fermentazione Glucosio

2NAD+

2ATP2NADH

2ADP

2 Piruvato2NADH + 2H+

2NAD+ 2CO2

O

OH

H

H

OH

OH

H

H

OH

CH2OH

H

OC

O

C

CH3

O

OC

O

C

CH3

OHH2 Acido lattico

Fase I della respirazione

HC

O

C

H

HH2 Acetaldeide

2NAD+

2NADH + 2H+

H C OH

C

H

HH

H

2 Etanolo

Fer

men

tazi

one

latti

caF

ermentazione alcolica

Piruvato decarbossilasi

Lattatodeidrogenasi

Alcoldeidrogenasi

•In entrambi i casi viene rigenerato NAD+

necessario alla gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi alla produzione di 1,3-difsfoglicerato nella reazione 6 della glicolisi.


•LDH è un enzima monomerico o multimerico? Può avere struttura quaternaria? •Cosa si intende per isoforme M e H di LDH? Sono codificate da geni uguali?•Per quale motivo la fermentazione omolattica in prodotti come lo yogurt si interrompe pur essendo ancora disponibile glucosio?

•Nonostante il metabolismo anaerobico del glucosio abbia una resa energetica inferiore, la fermentazione omolattica è il principale meccanismo di produzione di energia in condizionidi debito d’ossigeno. Tale processo è rilevante nel muscolo scheletrico.

•Ciclo di Cori: l’acido lattico prodotto nel muscolo viene inviato nel fegato dove viene convertito in piruvato dall’enzima lattato deidrogenasi. Il piruvato, in condizioni di bassilivelli glicemici, entra nella gluconeogenesi. Tale processo può rifornire di glucosio altri tessuti che dipendono da tale substrato.

Muscolo: ATP rapidamente prodotta dalla glicolisi anaerobica utilizzata per la rapida contrazione.

Lattato glucosio glicogeno

ATP

Lattato nel sangue

Fegato: ATP utilizzato nella gluconeogenesi durante la fase di recupero dall’esercizio fisico

Lattato glucosio

Glucosio nel sangue

ATPAA 2013-2014


•LDH converte il piruvato in lattato ma catalizza anche la reazione inversa. L’enzima coinvolto nei due processi è lo stesso o LDH muscolare è diversa da LDH epatica? •L’accumulo di lattato determina l’acidificazione del miocita. Perché?•Perché il piruvato, pur contenedo gruppi funzionali simili, non determina lo stesso abbassamento di pH?•Perché gli acidi carbossilici si dissociano e gli alcoli no?•Gli epatociti e i miociti sono insulino-dipendenti o no?


N.B.: l’etanolo è un precursore dell’acetil-CoA ed è, quindi precursore di acidi grassi e trigliceridi.

Le aldeidi sono molto reattive e l’acetaldeide prodotta può reagire con biomolecole alterandone la funzione azione tossica.

•Perché le aldeidi sono più reattive dei chetoni?•Quale proprietà chimica del gruppo funzionale determina la loro elevata reattività? Sono molecole NUCLEOFILE o ELETTROFILE?

Che composto viene ottenuto dall’acetaldeide? Come si chiama? E’ il prodotto di una ossidazione o di una riduzione?

Energetica della fermentazione

Fermentazione omolattica: complessivamenteGlucosio 2 lattato + 2H+, G°= -196KJ mol-1

Tale energia è associata alla produzione di 2 molecole di ATP, che richiede circa 61KJ mol-1

Efficienza=61/196*100=31%

Fermentazione alcolica: complessivamenteGlucosio 2 CO2 + 2CH3CH2OH, G°= -235KJ mol-1

Produzione di 2ATPEfficienza=61/235*100=26%

Respirazione aerobica: complessivamenteGlucosio + 6O2 6 CO2 + 6H2O, G°= -2823KJ mol-1

Produzione di 38ATP richiede 30.5*38=1159KJ mol-1

Efficienza=1159/2823*100=41%


•L’energia non si crea né si distrugge. Che destino hanno il 69, 74 e 59% dell’energia teoricamente ottenibile dai processi sopra citati?•La RESA energetica di un processo può essere QUANTITATIVA?

• I coenzimi ridotti NADH e FADH2 prodotti nella matrice mitocondriale durante il ciclo di Krebs possono essere nuovamente ossidati mediante la catena di trasporto degli elettroni ed alimentare il ciclo senza richiedere alcun trasporto o compartimentalizzazione cellulare.

• Al contrario, il coenzima ridotto NADH ottenuto nel citoplasma durante la prima fase della respirazione cellulare (glicolisi, reazione 6) non diffonde spontaneamente attraverso la membrana mitocondriale interna e deve essere trasporato nella matrice mitocondriale per poter essere riossidato.

• Esistono due SISTEMI NAVETTA (SHUTTLE) principali che permettono di trasferire in MODO INDIRETTO gli elettroni di NADH citosolico nella matrice mitocondriale e quindi alla catena di trasporto degli elettroni:

1. Sistema navetta del glicerolo 3-fosfato

2. Sistema navetta del malato aspartatoAA 2013-2014


Sistemi Navetta

Glicerolo 3-fosfato Deidrogenasi mitocondriale

O

CH2

CH2

OH

O P

O

O-

O-

Diffu

sion

e

O

CH2

CH2

OH

O P

O

O-

O-

Diidrossiacetonefosfato

(prodotto della reazione 4 della glicolisi)

Glicerolo 3-fosfato Deidrogenasi citosolica

NADH+H+ NAD+

OH CH

CH2

CH2

OH

O P

O

O-

O-

OH CH

CH2

CH2

OH

O P

O

O-

O-

Diffusione

QH2 Q

Glicerolo3-fosfato

Sistema navetta del glicerolo 3-fosfatocitoplasma

Spazio intemembrana

Matrice mitocondriale

Membrana mitocondriale

esterna

Membrana mitocondriale

interna


Sistema navetta del glicerolo 3-fosfato.

Il di-idrossiacetone fosfato ed il glicerolo 3-fosafto possono diffondere attraverso la membrana mitocondriale esterna ed essere trasportati nello spazio intermembrana.

Il sistema navetta si basa su due forme dell’enzima glicerolo 3-fosfato deidrogenasi: una citosolica ed una mitocondriale localizzata nella membrana mitocondriale interna.

Il di-idrossiacetone fosfato prodotto nella reazione 4 della glicolisi può essere convertito nel citoplasma in glicerolo 3-fosfato dalla glicerolo 3-fosfato deidrogenasi citosolica. Questa reazione avviene mediante l’ossidazione di NADH a NAD+ gli elettroni del coenzima ridotto sono trasferiti al glicerolo 3-fosfato (forma ridotta del diidrossiacetone fosfato)

Il glicerolo 3-fosfato prodotto può diffondere attraverso la membrana mitocondriale esterna ed essere nuovamente convertito in diidrossiacetone fosfato (ossidazione) dalla glicerolo 3-fosfato deidrogenasi mitocondriale (ossidazione). Gli elettroni provenienti dal glicerolo 3-fosfato (originariamente gli elettroni di NADH) vengono ceduti al coenzima Q che si riduce a QH2. Questa reazione permette di trasferire INDIRETTAMENTE gli elettroni di NADH citosolico alla catena di trasporto degli elettroni mitocondriale.


•Pur essendo carichi sia il di-idrossi-acetone fosfato che il glicerolo 3-fosfato sono permeabili alla membrana mitocondriale esterna. Perché?•Quali biomolecole sono costituite da glicerolo 3-fosfato? Quali sono i gruppi funzionali che caratterizzano tale molecola?•Qual è il precursore del di-idrossi-acetone fosfato?Cosa indica un aumento delle sue concentrazioni citosoliche?Ricordare la triosofosfato isomerasi.

Sistema navetta del malato-aspartato

TrasportatoreGlutam

mato/aspartato

TrasportatoreMalato/-chetoglutarato

Spazio intermembrana mitocondriale


Malato

Malato Ossalacetato Aspartato

AspartatoOssalacetato

NAD+ NADHGlutammato-chetoglutarato

-chetoglutaratoGlutammato

NAD+ NADH

CH

CH2

O

O-OH

O

O-

CH

CH2

O

O-OH

O

O-

C

CH2

O

O-O

O

O-

C

CH2

O

O-O

O

O-

CH

CH2

O

O-NH3

+

O

O-

CH

CH2

O

O-NH3+

O

O-

CH2

CH2

O

O-

O

O-

CH2

CH2

O

O-

O

O-

Mem

bran

a mitoc

ondr

iale

inte

rna

CH2

CH2

O

O-

CH

O

O-NH3

+

CH2

CH2

O

O-

CH

O

O-NH3

+

Malatodeidrogenasi

Malatodeidrogenasi

AspartatoAmminotransferasi


TrasportatoreGlutam

mato/aspartato




Malato





NAD+ NADH

CH

CH2

O

O-OH

O

O-

CH

CH2

O

O-OH

O

O-

C

CH2

O

O-O

O

O-

C

CH2

O

O-O

O

O-

CH

CH2

O

O-NH3

+

O

O-

CH

CH2

O

O-NH3+

O

O-

CH2

CH2

O

O-

O

O-

CH2

CH2

O

O-

O

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Mem

bran

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inte

rna

CH2

CH2

O

O-

CH

O

O-NH3

+

CH2

CH2

O

O-

CH

O

O-NH3

+

TrasportatoreGlutam

mato/aspartato




Malato





NAD+ NADH

CH

CH2

O

O-OH

O

O-

CH

CH2

O

O-OH

O

O-

C

CH2

O

O-O

O

O-

C

CH2

O

O-O

O

O-

CH

CH2

O

O-NH3

+

O

O-

CH

CH2

O

O-NH3+

O

O-

CH2

CH2

O

O-

O

O-

CH2

CH2

O

O-

O

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Mem

bran

a mitoc

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iale

inte

rna

CH2

CH2

O

O-

CH

O

O-NH3

+

CH2

CH2

O

O-

CH

O

O-NH3

+

Malatodeidrogenasi

Malatodeidrogenasi



CH2

O

OHO

CH2

O

OH

CH2

O

OHO

CH2

O

OH

TrasportatoreGlutam

mato/aspartato




Malato





NAD+ NADH

CH

CH2

O

O-OH

O

O-

CH

CH2

O

O-OH

O

O-

C

CH2

O

O-O

O

O-

C

CH2

O

O-O

O

O-

CH

CH2

O

O-NH3

+

O

O-

CH

CH2

O

O-NH3+

O

O-

CH2

CH2

O

O-

O

O-

CH2

CH2

O

O-

O

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Mem

bran

a mitoc

ondr

iale

inte

rna

CH2

CH2

O

O-

CH

O

O-NH3

+

CH2

CH2

O

O-

CH

O

O-NH3

+

Malatodeidrogenasi

Malatodeidrogenasi



TrasportatoreGlutam

mato/aspartato




Malato





NAD+ NADH

CH

CH2

O

O-OH

O

O-

CH

CH2

O

O-OH

O

O-

C

CH2

O

O-O

O

O-

C

CH2

O

O-O

O

O-

CH

CH2

O

O-NH3

+

O

O-

CH

CH2

O

O-NH3+

O

O-

CH2

CH2

O

O-

O

O-

CH2

CH2

O

O-

O

O-

Mem

bran

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iale

inte

rna

CH2

CH2

O

O-

CH

O

O-NH3

+

CH2

CH2

O

O-

CH

O

O-NH3

+

TrasportatoreGlutam

mato/aspartato




Malato





NAD+ NADH

CH

CH2

O

O-OH

O

O-

CH

CH2

O

O-OH

O

O-

C

CH2

O

O-O

O

O-

C

CH2

O

O-O

O

O-

CH

CH2

O

O-NH3

+

O

O-

CH

CH2

O

O-NH3+

O

O-

CH2

CH2

O

O-

O

O-

CH2

CH2

O

O-

O

O-

Mem

bran

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rna

CH2

CH2

O

O-

CH

O

O-NH3

+

CH2

CH2

O

O-

CH

O

O-NH3

+

Malatodeidrogenasi

Malatodeidrogenasi



CH2

O

OHO

CH2

O

OH

CH2

O

OHO

CH2

O

OH


Sistema navetta del malato-aspartato.

Questo sistema è più complesso rispetto al precedente: in tal caso gli elettroni di NADH citosolico prodotto nella glicolisi vengono ceduti all’ossalacetato che viene ridotto a malato. Per quanto la diffusione di ossalacetato e malato attraverso la membrana mitocondriale esterna sia possibile, l’ossalacetato non può diffondere attraverso la membrana mitocondriale interna mentre per il malato esiste un trasportatore antiporter. Ricordare che questi trasportatori permettono il reclutamento di una molecola mediante la contemporanea espulsione di un’altra molecola. Il trasporto del malato nella matrice mitocondriale avviene con il contemporaneo rilascio nello spazio intermembrana di -chetoglutarato.

OSS.: la reazione di riduzione dell’ossalacetato a malato mediata dalla malato deidrogenasi è la reazione inversa alla reazione 8 del ciclo di Krebs. La reazione 8 del ciclo di Krebs è estremamente endoergonica (la reazione inversa sarà quindi favorita) e avviene grazie al fatto che l’ossalacetato formato viene convertito in modo estremamente favorevole in citrato durante la reazione 1 che, al contrario, èestremamente favorita.

Nella matrice mitocondriale il malato è nuovamente ossidato a ossalacetato dalla malato deidrogenasi mitocondriale con riduzione di NAD+ a NADH (stessa reazione del ciclo di Krebs) il NADH citosolico è stato trasportato indirettamente nella matrice mitocondriale e può entrare nella catena di trasporto degli elettroni.


•Che tipo di trasporto è alla base dello shuttle malato/aspartato? Uniporto, sinporto oantiporto?

Come detto prima, l’ossalacetato non può diffondere spontaneamente attraverso la membrana mitocondriale interna poiché non esistono specifici trasportatori. Per limitare l’accumulo di ossalacetato e fare in modo che le concentrazioni di tale composto nello spazio intermembrana siano ripristinate, l’ossalacetato viene trasformato in aspartatodall’enzima aspartato amminotransferasi che trasferisce un gruppo amminico dal glutammato all’ossalacaetato (ricordare che aspartato e glutammato sono due AA). In tale reazione il glutammato è trasformato in -chetoglutarato.

L’-chetoglutarato prodotto è indispensabile al trasporto del malato citosolico nella matrice mitocondriale mediante il sistema antiporter precedentemente citato.

L’aspartato può essere trasportato nello spazio intermembrana mediante un secondo trasportatore antiporter, il trasportatore glutammato-aspartato che trasporta nel citosoll’aspartato con contemporaneo trasporto di glutammato nella matrice. Tale meccanismo rigenera il glutammato nella matrice mitocondriale.

L’aspartato trasferito nello spazio intermembrana e nel citosol viene nuovamente convertito in ossalacetato dall’aspartato amminotransferasi citosolica. Tale reazione èassociata alla contemporanea trasformazione dell’-chetoglutarato in glutammato. L’ossalacetato così prodotto può essere convertito in malato dando nuovamente inizio al ciclo.


•In condizioni aerobiche NAD+ necessario all’ossidazione dell’a gliceraldeide è prodotto nel mitocondrio. Mediante quale sistema tale molecola può passare da tale compartimento al citoplasma?

Un’eccellente descrizione dei sistemi di trasporto è disponibile al link : http://www.chembio.uoguelph.ca/educmat/chim425/lectur11.htm

Università degli Studi Kore di Enna - unikore.it · trasporto deve essere attivo. • Eccezione:...

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