LA BIOENERGETICA A CURA DI MICHELE MONCELLI

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1 LA BIOENERGETICA A CURA DI MICHELE MONCELLI

2 Labioenergeticaèla branca dellabiochimicache studia tutti i processi attraverso cui lecelluleutilizzano, immagazzinano e scambianoenergia. Èun'area di ricerca biologica che prevede lo studio di processi cellulari quali ad esempio larespirazione cellulare, e di molti altri processimetaboliciche possono portare alla produzione e utilizzazione di energia sotto forma di molecole ATP.

3 METABOLISMO CELLULARE: Insieme delle reazioni di trasformazione della materia e dell energia all interno della cellula. CATABOLISMO: Insieme delle reazioni di degradazione delle molecole complesse in sostanze più semplici. Si tratta di reazioni esoergoergoniche. ANABOLISMO: Insieme delle reazioni di sintesi dei costituenti a partire dacomposti semplici. Si tratta di reazioni endoergoniche.

4 ATP Èla «MONETA»di scambio energetico cellulare che permette il collegamento tra le reazioni cataboliche e quelle anaboliche. L ATP (adenosin trifosfato) èun nucleotide costituito da un nucleoside (adenosina) e tre gruppi fosfato. Ogni giorno consumiamo ca 1 quintale di ATP che rappresenta un evidente segnale del benessere energetico cellulare.

5 COME SI PRODUCE ATP? L a reazione di sintesi dell ATP è1 reazione endoergonica (7,3 kcal/mole) e si realizza mediante un processo di CONDENSAZIONE: ADP + Pi ATP + H2O Quando l ATP viene idrolizzato ad ADP + Pi viene liberata la stessa quantità di energia necessaria per la sua sintesi. L IDROLISI dell ATP è una reazione esoergonica la cui energia èsfruttata per realizzare tutte le attività cellulari. COME VIENE UTILIZZATO L ATP? Scissione fosforica : ATP+ X X-Pi + ADP Scissione pirofosforica : ATP + X X-P-Pi + AMP Scissione pirofosforica : ATP + X X-AMP + P-Pi

6 COFATTORI NAD FAD

7 COFATTORI: composti di natura in/organica fondamentali per l attività catalitica. NAD (NICOTINAMMIDE ADENIN DINUCLEOTIDE ). Interviene nelle reazioni redox trasportando equivalenti di riduzione * da un substrato DONATORE ad 1 altro ACCETTORE. Deriva dalla vit PP. *Possono essere: - elettroni liberi -atomi di H -ioni idruro H-

8 COSA SI INTENDE PER IONE IDRURO? È1 atomo di H che porta 2 elettroni e che deriva da una scissione ASIMMETRICA di una molecola biatomica di idrogeno (H2). NORMALMENTE una molecola H2 si dissocia in 2H ciascuno con un protone e 1 elettrone. In questo caso invece avremo una scissione ASIMMETRICA con liberazione di un H+ e uno ione idruro (H-) quindi 1 atomo di idrogeno con 2 elettroni. Nel ciclo di questa reazione si passa dalla forma ossidata ( NAD+) alla forma ridotta (NADH) attraverso l addizione di uno ione idruro: Uno dei 2 elettroni viene captato dall atomo di N con ridistribuzione dei suoi elettroni; Il secondo elettrone viene utilizzato per contrarre un legame C-H utilizzando il protone derivato dalla scissione asimmetrica di H2. si passa quindi alla forma ridotta. NAD+ NADH + H+ ( fosforilazione ossidativa ) Esiste inoltre la forma fosforilata del coenzima ( NADP) che si differenzia solo per la presenza di un radicale fosforico esterificato in posizione 3 primo della struttura del NAD. La fx resta la stessa solo che la forma non fosforilata prende parte soprattutto a reazioni di ossidazione mentre la forma fosforilata interviene nelle reazioni di riduzione. NADP+ + 2 ELETTRONI + 2 H+ NADPH + H+ ( fotosintesi )

9 FAD (FLANIN ADENININ DINUCLEOTIDE) È1 altro cofattore coinvolto nelle reazioni redox (deriva dalla vit B2) che trasporta equivalenti di riduzione sottoforma di atomi di H in quanto lega sequenzialmente un elettrone e un protone.

10 Contrariamente al NAD ( trasportatore obbligato di 2 equiv di riduzione per volta) un coenzima flavinico può trasportare elettroni uno per volta oppure a coppie in quanto dallla forma ossidata ( FAD) attraverso l ingresso di 1 elettrone si passa ad un intermedio radicalico (cioècon 1 elettrone spaiato) detto SEMICHINONE. Successivamente si avràuna protonazione dell intermedio accettando anche un secondo elettrone. Dunque un coenzima flavinico può trasportare 2 oppure un solo equivalente. FAD + 2 e-+ 2 H+ FADH2 ( Glicolisi e Ciclo di KREBS)

11 LA GLICOLISI

12 La principale fonte di energia per le cellule èla demolizione del glucosio ( C6H12O6) che coinvolge diverse fasi e può procedere fino all ossidazione completa con produzione di CO2 oppure arrestarsi a livello di composti intermedi. La GLICOLISI èla prima fase dell ossidazione e rappresenta una serie di reazioni attraverso cui il glucosio èdemolito ad acido piruvico. Èpraticamente presente in tutte le cellule. Avviene in condizioni di ANAEROBIOSI nel CITOPLASMA di tutte le cellule. Comprende 9 reazioni biochimiche ciascuna catalizzata da uno specifico enzima. Nel corso di questa via metabolica 1 molecola di glucosio a 6C viene gradualmente trasformata in 2 molecole di Acido Piruvico (C3H403) liberando energia. L energia liberata durante la glicolisi viene sfruttata per produrre 2 molecole di ATP e 2 molecole di NADH. L EQUAZIONE GLOBALE DELLA GLICOLISI E : C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD+ 2C3H4O3 + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+

13 Glicolisi èsinonimo di fermentazionecioèun fenomeno di utilizzo anaerobio di glucosio mediante il quale il glucosio può fornire energia a prescindere dalle ossidazioni della catena respiratoria. Essa infatti può realizzarsi anche laddove non ci sono mitocondri ( per es negli eritrociti privi di MT) oppure a livello del tessuto muscolare laddove l O2 diventa limitante. GLICOLISI NELLE FIBRE MUSCOLARI BIANCHE ( VELOCI) Durante l attivitàmuscolare si ha 1 adeguato metabolismo: 1.Aumenta la ventilazione polmonare 2.Aumenta la frequenza cardiaca 3.Si ha vasodilatazione. Tutti questi processi favoriscono un maggiore afflusso di sanguee quindi di ossigeno al tessuto muscolare nel frattempo si riduce la po2 a livello tissutale pereffetto del consumo e l O2 diventa limitante. Questo è particolarmente vero a livello delle fibre veloci o bianche. Esse sono definite velociperchésono destinate a sostenere attivitàfisiche rapide e intense ( corsa veloce, sollevamento pesi ). In queste fibre il n di enzimi glicolitici èelevatissimo ed esse hanno questo tipo di metabolismo perché sono limitate dalla riossidazione del NADH

14 RIOSSIDAZIONE DEL NADH Per quanto riguarda la disponibilitàdi NAD+, la riossidazione del NADH nelle fibre veloci bianche non può avvenire a livello MT perchéi MT sono presenti ( se lo sono) in bassissimo n. Per questo motivo sono definite fibre bianche: i MT hanno pigmenti colorati ( citocromi) che qui scarseggiano inoltre il loro contenuto in Mioglobina è basso. In queste condizioni la riossidazione del NADH avviene sempre nel citosol per opera dell enzima lattico deidrogenasi (LDH) che è NAD-dipendente. La forma OX del coenzima viene riciclata perché rientra nella reazione globale della glicolisi. L acido lattico formato invece non viene più riciclato e si accumula determinando una condiz di ACIDOSI LATTICA. La fermentazione in questo caso sarà definita appunto FERMENTAZIONE LATTICA.

15 FERMENTAZIONE ALCOLICA

16 L altra reazione a cui può andare incontro l acido piruvico è la seguente: I lieviti ( appartenenti al regno dei funghi) convertono il glucosio in alcol etilico. Saccaromyces cerevisiae è il lievito utilizzato per la panificazione. Saccaromyces elipsoideus e apiculatus sono usati invece per la produzione del vino.

17 RESPIRAZIONE CELLULARE

18 Nel caso in cui si ha a che fare con un tessuto AEROBIO che NON tollera alcuna forma di acidosi ( cuore e cervello) alla glicolisi p.d. fa seguito il metabolismo ossidativo terminale. Per ossidativo si intende un metabolismo che determina consumo di O2 a livello MT attraverso una serie di enzimi che viene detto CATENA RESPIRATORIA a cui èassociato un processo di sintesi di ATP MT detto fosforilazione ossidativa. FOSFORILAZIONE perchéavviene per addizione di un radicale fosforico ad una molecola di ADP. OSSIDATIVA perchéla sintesi di ATP èassociata a reazioni di ossidazione soprattutto dell NADH ad opera dell O2 molecolare. Dunque in presenza di O2 il piruvato viene ossidato e demolito totalmente con produzione di H2O e CO2 nel processo definito RESPIRAZIONE CELLULARE. Tale processo ha luogo nei MT e viene diviso in 3 fasi principali: 1.DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA DELL AC.PIRUVICO 2.CICLO DI KREBS ( O DELL AC. CITRICO) 3.CATENA RESPIRATORIA

19 DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA L acido piruvico ( C3H4O3) appena formato nel citosol passa attraverso la MMI per il tramite di un carrier specifico ( che può fx come simport con nh+ o come 1 antiport con un OH-). Sfruttando la differenza transmembrana esso fa il suo ingresso eva incontro alla reazione di DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA catalizzata dalla PDH. Si perde CO2, si forma acetato legato al CoA e si libera coenzima sottoforma di NADH. La PDH è 1 COMPLESSO MULTIENZIMATICO costituito da 3 enzimi: E1: Decarbossilasi E2: Transacetilasi E3: Deidrogenasi

20 CICLO DI KREBS ( O dell Ac. Citrico) Èun crocevia metabolico, un ciclo di natura anfibolica cioèha sia carattere catabolico che anabolico ( in condizioni di biosintesi). Tale ciclo è costituito da reazioni cicliche che coinvolgono enzimi indipendenti tra loro. Nella prima reazione il gruppo acetile ( a 2C) si lega all acido ossalacetico ( a 4c), formando l ac.citrico ( a 6C). Successivamente l ac. Citrico subisce una serie di ossidazioni che portano alla formazione di : -2 molecole di CO2-3 molecole di NADH -1 molecola di GTP a livello della sesta reazione che non potendo esser utilizzato trasferisce un Pi sull ADP per formare ATP. -1 molecola di FADH2.

21 L ultima reazione del ciclo rigenera l acido ossalacetico che può così iniziare un nuovo ciclo. L equazione di un ciclo completo del ciclo di krebs èla seguente: Ac.Ossalacetico+ Acetil-CoA+ ADP+ Pi +3 NAD+ + FAD Ac.ossalacetico + 2CO2+ CoA+ ATP +3NADH+ 3H+ +FADH2. Le reazioni di ossidazione della glicolisi e del ciclo di krebs NON richiedono O2. RENDIMENTO ENERGETICO DELL OSSIDAZIONE DEL GLUCOSIO La glicolisi ( fermentativa e citosolica) ci dà: 2ATP glicolitici 6 ATP dovuti al NADH citosolico perchéper ogni mole di NADH si producono 3 moli di ATP. 6 ATP dovuti al NADH prodotto dalla decarbossilazione ox dell ac. Piruvico ( ovviam x2) L acoa prosegue il suo cammino nel ciclo dell acido citrico e per ogni mole di acoa che viene ossidata si formano 12 moli di ATP 3NADH danno 9 ATP 1 FADH2 danno 2 ATP 1 GTP viene convertito in ATP moli di ATP x 2= 24 moli di ATP

22 CATENA RESPIRATORIA E FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA Attraverso il ciclo di krebs si producono ampie quantitàdi coenzimi ridotti ( sottoforma di NADH) che alimentano la catena respiratoria essendo DONATORI DI ELETTRONI ALL O2, attraverso reazioni complesse. La catena respiratoria ècostituita da una serie di proteine enzimaticooligomeriche integrali di membrana localizzate nella MMI. A tale livello sono localizzati anche i trasportatori di membrana. La MMI èassolutamente IMPERMEABILE a qualsiasi molecola tranne che all O2, H2O e alcune molecole liposolubili.

23 La C.R. ècostituita da una serie di enzimi oligomerici detti COMPLESSI (ce ne sono 5) disposti in serie e che si passano gli elettroni che i substraticedono, quando si ossidano, ai coenzimi che poi li cedono ai trasportatori intermedi di elettroni dai coenzimi all O2. Perché non è costituita da un singolo enzima? Perchése cosi fosse NON si potrebbe generare l intero gradiente di protoni richiesto per la sintesi dell ATP. I complessi sono collegati tra loro da enzimi: Il complesso 1 è collegato al complesso 3 tramite l UBICHINONE. Il complesso 3 ècollegato al complesso 4 tramite il CITOCROMO C * Il complesso 4 trasferisce elettroni sull O2. OGNI VOLTA CHE GLI ELETRONI PASSANO ATTRAVERSO I COMPLESSI (1-3-4) VENGONO POMPATI ALL ESTERNO H+. Si crea un gradiente elettrochimico di H+. Il complesso 5 o ATP SINTETASI sfrutta tale gradiente per produrre ATP facendo rientrare H+. CITOCROMI: sono delle emoproteine con diverso gruppo eme. A differenza delle emoproteine respiratorie che fx fin quando il Fe èridotto, i citocromi invece basano il loro fx sulla Transizione dello ione Fe da ossidato a ridotto. FX DA TRASPORTATORI DI e-. L ultimo trasportatore della catena cede e- all O2 ( accettore finale) trasformandolo in H20.

24 COMPLESSO I Lega la forma ridotta del NAD. Èun complesso transmembrana costitito da circa 43 subunità: di queste solo 8 sono coinvolte nel trasferimento di e- 1 flavoproteina 7 Fe-S proteine. Il NADH si lega, viene ossidato e si ha poi il trasferimento di e-attraverso i singoli centri redox fino all ACCETTORE che è l UBICHINONE. QUINDI IL C.1 èdetto NADH UBICHINONE * OSSIDOREDUTTASI. Quando gli e-passano attraverso il complesso vengono traslocati 4H+. *SI TRATTA DI 1 ENZIMA UBIQUITARIO DISPOSTO NEL CORE LIPIDICO DELLE MEMBRANE. La forma ox può accettare 2 elettroni ma sempre uno per volta per cui si forma prima un intermedio radicalico detto SEMICHINONE. POI ACCETTA 1 ALTRO e-e 2 H+ E PASSA NELLA FORMA RIDOTTA. Èanche 1 accettore di altre DH come la SUCCINATO DH ( COMPLESSO II)

25 COMPLESSO III L Ubichinone che viene ridotto e passa a UQH2 viene poi ossidato dal complesso III detto anche UQH2- cyt C- REDUTTASI. Il passaggio di e-attraverso il complesso genera la traslocazione di 2H+. Tale complesso ècostituito da una serie di componenti che fx da trasportatori di e-dal DONATORE ( UQH2) all ACCETTORE ( Cyt-C)

26 COMPLESSO IV Si chiama Cyt-C OSSIDASI perchéil citocromo C fornisce gli e-, gli H+ vengono prelevati dall esterno e si forma H2O utilizzando l O2. ANCHE IN QUESTO CASO SI AVRA PROTRUSIONE ALL ESTERNO DI 4H+. IN TOTALE DUNQUE IL n DI PROTONI ESTRUSI èpari A 10. TALE FENOMENO èdetto DI ACCOPPIAMENTO CHEMIO-OSMOTICO.

27 COMPLESSO V Èdetto anche ATP SINTETASI ed ècostituito da: -1 porzione idrofobica ( F0) -1 collo -1 porzione idrofilica (F1) che sporge nella matrice mitocondriale. il settore F0 costituisce il canale per il passaggio degli H+ ( CANALE PROTONICO) Il settore F1 fx da elemento catalitico cioè abbiamo qui la sintesi di ATP. Esso ècostituito da 3 dimeri αβche si trovano in 3 stati conformazionali diversi: -STATO O ( OPEN) non lega nulla -STATO L ( LOOSE) lega debolmente ADP -STATO T ( TIGHT) lega saldamente ATP. l immissione di energia altera la conformazione determinando una ROTAZIONE. IL FLUSSO DI e-che RIENTRANO NELLA MATRICE SECONDO GRADIENTE FORNISCE L ENERGIA NECESSARIA PER SINTETIZZARE ATP a partire da ADP+ Pi.

28 CONCLUSIONI Dall ossidazione completa di 1 molecola di glucosio si ottengono 38 molecole di ATP. Di queste solo 2 dalla glicolisi mentre le altre 36 dalla respirazione cellulare che è dunque la via metabolica più efficace per liberare l energia presente nel glucosio. Il bilancio totale della demolizione AEROBICA del glucosio è: C6H12O6 + 6 O2 6CO2 + 6 H2O Kcal/mole Delle 686 Kcal/mole 266 sono usate per sintetizzare ATP mentre le restanti sono disperse nell ambiente sottoforma dia CALORE. IL RENDIMENTO ENERGETICO DELL INTERO PROCESSO E PERCIO DI CA IL 40%.

29 Una gran parte di quello che i medici sanno, èinsegnata loro dai malati. Marcel Proust,I Guermantes, 1920