O <---> ADP + P i. ), ma anche dagli acidi grassi, cedendola poi all ADP che lega il P i

Biologia

Metabolismo: insieme delle reazioni chimiche che avvengono in tu gli organismi viven , che è descri o in questo poster. Le reazioni sono collegate le une alle altre. Questo è un cammino prima di organicazione del carbonio, poi di catabolismo energe co. Il metabolismo è cos tuito fondamentalmente da catabolismo e anabolismo .

Catabolismo : reazioni chimiche che portano alla produzione dei monomeri che poi serviranno all’anabolismo e alla produzione di energia (catabolismo energe co), portando alla riduzione da macromolecole a monomeri ma anche a dare energia. Glucosio e acidi grassi vengono rido a molecole più piccole, ma riescono anche a produrre energia, poi usata per rompere altri legami come quelli delle proteine. L’energia prodo a da questo processo serve

anche per i lavori cellulari, ovvero azioni della cellula senza prodo o. Sono lavori cellulari la contrazione muscolare e anche i traspor tra le membrane, su cui si basano mol ssimi processi nel corpo animale e vegetale (sia trasporto a vo che passivo tramite gradiente).

Anabolismo : reazioni chimiche che servono per costruire le biomolecole, e quindi le stru ure cellulari. Necessita di monomeri ed energia prodo dal catabolismo.

L’ATP

L’ATP è composto da adenina, ribosio (aldopentoso) e tre gruppi fosfato. Nelle reazioni biochimiche il PO ₄ ^3- è scri o come P _i . L’ul mo legame dei tre gruppi fosfato è un legame ad alta energia , ovvero che se idrolizzato libera un'energia maggiore di un normale legame covalente, è un legame fosfodiesterico . Ricordiamo che, quando il fosfato è legato, dà acidità.

Di solito il passaggio è ATP+H ₂ O <---> ADP + P _i + Energia, reazione esoergonica, mentre l’inversa è endoergonica. La parte iniziale, ovvero adenina e ribosio, diventano adenosina , per questo il nome è adenosin-trifosfato .

L’ATP funge da trasporto di energia interno , cioè non esce dalle cellule, quindi ogni cellula produce l’ATP necessario. Quello che si sposta da una cellula all’altra è il glucosio, assieme ad altri acidi grassi come i trigliceridi.

Quando poi questo entra nella cellula si produce l’ATP che rimane interno alla cellula. C’è quindi un sistema di controllo della produzione di ATP interno alla cellula, viene prodo o solo quello che serve. Questo viene prodo o durante e alla fine del catabolismo energe co, parte nel

citoplasma ma sopra u o nei mitocondri, per poi spostarsi a fornire energia all’anabolismo e alle funzioni cellulari. La (catalisi della) ro ura dell’ATP a dare energia è effe uata dallo stesso enzima che poi usa l’energia prodo a. Nel catabolismo energe co succede il contrario: questo recupera l’energia dal glucosio (C ₆ H ₁₂ O ₆ ), ma anche dagli acidi grassi, cedendola poi all’ADP che lega il P _i a dare H ₂ O e ATP. Questa è quindi una reazione endoergonica. Questa energia liberata dall’ATP può rimanere

chimica se è una reazione anabolica, oppure diventare energia meccanica, ele rica, potenziale/cine ca.

Enzimi

Gli enzimi sono i catalizzatori biologici , velocizzano le reazioni chimiche favorendo il corre o orientamento delle molecole durante gli ur , non la violenza degli stessi. Una reazione è più veloce quando l’energia di a vazione è minore, an cipando quindi lo stato di transizione.

Gli enzimi sono per la maggior parte forma da proteine, con una parte proteica che si chiama apoenzima e una parte chiamata coenzima .

I coenzimi sono le par non proteiche dell’enzima, che possono essere di due pi: se sono ioni metallici posi vi si

chiamano cofa ori , mentre i coenzimi veri e propri sono le piccole molecole organiche che derivano dalle vitamine. Ad esempio le vitamine del gruppo B, D e quasi tu e quelle idrofile sono cofa ori, mentre la A, la E e la K, che sono lipofile, collaborano con le proteine. La vitamina C ha altre funzioni.

La funzione dei coenzimi è aiutare l’enzima a legare i substra , ovvero i reagen della reazione catalizzata, e quindi a favorire il meccanismo della reazione, in quanto il legame con il substrato è fa o in modo da orientarlo corre amente. Se il legame che si forma tra enzima e coenzima è covalente si chiamano gruppi proste ci , ad esempio la bio na o il gruppo EME dell’emoglobina, anche se questa non è un

enzima; i legami non covalen lasciano il loro nome ai coenzimi.

La funzionalità dell’enzima, oltre alla corre ezza della stru ura primaria, secondaria e terziaria, è legata al sito a vo : questa è una tasca piu osto esterna dove lega i substra . Nel sito a vo ci saranno quindi n si di legame, uno per ogni substrato. I legami sono sempre polari, come il legame idrogeno, altrimen servirebbe troppa energia per rompere il legame covalente; questo spiega anche la presenza dei ca oni metallici.

Quando si legano i substra , grazie ad una affinità, il legame di ques con il sito a vo induce una modificazione dell’enzima, il quale, modificando la forma, avvicina ancora di più i substra tra loro che quindi possono reagire. I prodo poi, non essendo iden ci ai substra , non hanno legami con il sito a vo e quindi si staccano. L’enzima riesce a tornare alla forma iniziale, rimanendo invariato.

Gli enzimi possono essere specifici in maniera assoluta, legando solo e soltanto due/tre molecole come la saccarosio-sintetasi nelle piante che sinte zza solo il legame tra α e β glucosio, specifico anche a livello o co; la carbossipep dasi-A è invece specifico per il po di legame che rompe,

ovvero il legame pep dico, ma lo rompe in qualsiasi aminoacido perché usa uno stratagemma par colare, avendo come unico vincolo il par re dall’estremità carbossilica della proteina.

La carbossipep dasi-A (caso studio)

Questo è il caso migliore dell’interazione tra substrato e sito a vo. Il sito a vo , la tasca esterna dell’enzima, ha come specificità di legame la presenza di determina R degli amminoacidi. Se questo cambia per via di una mutazione, quindi, non viene permesso il legame rendendo inu le l’enzima. L’enzima è quindi costruito a orno a orno a ques aminoacidi e ai loro R. La tasca non è specificissima per ogni aminoacido, ma ad esempio questa, che è una tasca idrofobica, garan sce la preferenza per un certo po di molecole ma lega qualsiasi carbossi terminale, tagliando quindi vari pi di molecole.

L’enzima, in questo caso, rompe il legame

pep dico, con il sito a vo che collabora per far si che l’acqua entri in modo orientato così da rompere il legame, con la molecola d’acqua legata da un altro R. Tu o questo blocca il substrato, con il COO ^- che è legato al residuo dell’arginina, la rosina che lega l’N del legame pep dico e il cofa ore Zn ²⁺ , acido di Lewis, che è lì perché ci sono tre residui amminoacidici basici che lo tengono lì grazie ai doppie disponibili, sono quindi basi di Lewis. I legami pep dici sono tu ro in quanto questo è un enzima diges vo, presente nel pancreas ma anche nei lisosomi, così da o enere aminoacidi per la sintesi proteica. Lo Zn ²⁺ blocca e orienta il sistema, legando il C=O per tenere fermo il legame. E’

quindi l’enzima in toto che modifica la sua forma, non solo la parte del sito a vo.

L’acqua è tenuta ferma dal Glutammico-270, mantenendola nel sito a vo.

I fa ori

Esistono dei fa ori che influenzano l’a vità dell’enzima, i quali sono principalmente concentrazione dell’enzima e concentrazione del substrato . Esiste una legge, regolata dall’equazione di Michaelis-Menten che regola le interazioni tra ques due fa ori, sarebbe parte di un discorso lungo che noi abbreviamo molto volen eri. L’a vità enzima ca è infa fondamentale, quindi questa parte è molto importante. I due fa ori sono interdipenden : se ho 10 molecole di enzima non posso me ere 20 molecole di substrato, così come il contrario. Nelle cellule c’è quindi una regolazione molto fine della produzione degli enzimi, in quanto molto dispendiosi a livello energe co. E’ una regolazione a feedback , in cui viene variata la presenza del substrato.

Altri due fa ori importan sono pH e temperatura : abbassando il pH aumentano gli H ⁺ , rendendo più difficile il legame, mentre la temperatura può provocare variazioni nei legami intermolecolari, con la denaturazione degli enzimi e dei loro legami.

Regolazione/controllo dell’a vità enzima ca

Questa regolazione, u le anche al controllo del metabolismo, può essere a livello genico (a vazione del gene per produrre l’enzima) o a livello cellulare : ci sono un certo numero di enzimi cos tu vi ,

ovvero presen sempre; ma se, in un determinato periodo della cellula, ques enzimi non sono u lizza , la cellula li inibisce temporaneamente per a varli in caso di necessità.

Gli inibitori degli enzimi sono delle sostanze che, legandosi all’enzima, ne modificano la forma e ne bloccano l’a vità. Ques sono sempre reversibili all’interno della cellula: possono andare ad inibire l’enzima ma anche in seguito staccarsi così da ria varlo, fungendo da switch, non rendendo necessario l’arrivo dell’a vatore. In altri casi l’a vatore è necessario per far riprendere il corre o funzionamento della cellula. La reversibilità è dovuta al grande dispendio energe co nel produrli, anche se tossine e veleni possono inibire

irreversibilmente un enzima. Questo meccanismo è solitamente u lizzato nei farmaci e u lizza sostanze che non si trovano nella cellula, sono esogene , extra-cellulari. Altri due pi di inibitori sono gli inibitori compe vi e non compe vi/allosterici (agiscono in un altro sito). L’inibizione compe va si ha quando l’inibitore si lega al sito a vo al posto del substrato, usata anche nelle cellule, solo che alcuni metaboli sono molto simili al substrato e quindi si legano al suo posto, provocando il “blocco” dell’enzima. Gli inibitori non compe vi si legano nel sito allosterico , un’altra “tasca”

dell’enzima dove, quando si lega l’inibitore, viene indo a una modificazione del sito a vo in modo che questo non possa legare i substra .

Gli a vatori sono, prima di tu o, cofa ori e coenzimi, che vengono considera tali perché senza di loro non riesce a reagire il substrato. Non esistono a vatori

compe vi, in quanto i coenzimi, che comunque si legano al sito a vo, non bloccano il legame del substrato. Gli a vatori quindi, a parte i coenzimi, sono tu allosterici , legandosi quindi nel sito allosterico. L’ATP è spesso u lizzato come inibitore, in quanto se ve n’è tanto nella cellula viene bloccato l’enzima, mentre l’ADP indica la poca presenza di ATP, risultando un a vatore degli enzimi.

Cooperazione tra subunità degli enzimi con stru ura quaternaria

A causa della possibilità di avere modificazioni indo e, andando ad a vare una subunità enzima ca il legame con questa, e sopra u o quello con il substrato che fa da a vatore, favorisce il legame con una seconda subunità, che a sua volta può modificarsi per favorire il legame con una terza eccetera, abbassando la famosa K dell’equazione di Michaelis-Mendel e creando a vità di cooperazione tra le subunità stesse ( coopera vità posi va ).

Vie e cicli metabolici (p.11)

Una via metabolica è un insieme di reazioni chimiche collegate tra loro. Αvendo quindi un reagente iniziale (es. glucosio, chiamato A), che entra in una via metabolica chiamata glicolisi, il reagente, assieme ad altri, subisce una reazione chimica che lo trasforma in un prodo o B, grazie alla catalizzazione dell’enzima α; successivamente il prodo o B diventa reagente di una seconda reazione chimica a dare il prodo o C e così via, un insieme di reazioni chimiche concatenate , ognuna catalizzata da un enzima. La via metabolica termina quando si o ene un prodo o finale, ma questo può avere più des ni: i prodo possono essere reagen di altre vie metaboliche, quindi spesso

capita che alcuni prodo della via metabolica possano entrare in altre. Per la glicolisi la fine è considerata la produzione del piruvato , composto che poi va avan nel metabolismo, anche se la glicolisi produce degli intermedi che partecipano in altre vie metaboliche. Altro esempio è il metabolismo degli aminoacidi , una via metabolica sinte ca: tan aminoacidi partono dall’ acido aspar co per poi legare altri reagen (es. ace lcoenzima-A); questo intermedio però si può trovare anche nel metabolismo energe co, quindi ace lcoenzima-A si sposta da una via all’altra, dove è più richiesto.

Un ciclo metabolico è quando, dato un reagente che reagisce con una molecola di questo ciclo, il ciclo prosegue riformando la molecola in entrata, è una via metabolica ciclica e non lineare . Esempio possono essere il ciclo di Krebs o il ciclo di Calvin.

La regolazione delle vie metaboliche

Alcuni enzimi delle vie metaboliche sono regola , ovvero hanno degli a vatori e degli inibitori che serviranno a bloccare o far con nuare la produzione del prodo o di quella via metabolica. La regolazione è anche più fine, ad esempio il blocco degli enzimi della glicolisi quando si è in ipoglicemia, u le per le funzioni cerebrali che non possono u lizzare acidi grassi. Di solito si va a bloccare l’enzima chiave, che nella glicolisi, ad esempio, è il numero 4.

I traspor

Ci sono varie possibilità di trasporto tra le membrane cellulari, sia come trasporto di materiale che come trasporto energe co. Ricordiamo che la membrana è formata da un doppio strato di fosfolipidi, varie proteine che svolgono funzioni diverse, negli umani anche colesterolo. La barriera è permeabile per le sostanze idrofobe fino ad una certa dimensione, in quanto i trigliceridi vengono scissi per poter a raversare la membrana e poi riforma all’interno delle micelle. Gli ormoni steroidei e il colesterolo possono passare tranquillamente a raverso le membrane, così come i gas, senza bisogno di proteine.

Vi sono poi le molecole polari, come gli ioni, che non riescono a passare autonomamente, ma sono necessari alla cellula. Intervengono quindi le proteine-canale, le proteine- carrier ecc. L’acqua è talmente piccola che, pur essendo molto polare, riesce a passare tranquillamente nella membrana;

solo in alcuni organi dove è necessario uno scambio veloce di acqua, come nel rene, ci sono dei canali specifici per l’acqua chiama acquaporine . Percorso diverso ancora è quello dell’urea, piccola molecola polare escreta dal rene. Di grandi molecole polari ne passano poche, poi è necessaria endocitosi ed esocitosi .

Prima di vedere tu e le modalità di trasporto bisogna dis nguere dal punto di vista energe co:

infa vi sono traspor passivi e a vi .

- Trasporto passivo : un trasporto si dice passivo se avviene senza l’u lizzo dire a di energia so o forma di ATP, ovvero avviene senza bisogno che l’ATP ceda la sua energia alla proteina che effe ua il trasporto.

- Trasporto a vo : trasporto in cui le proteine di trasporto coinvolte hanno bisogno di ATP per funzionare.

Di soli i tes dicono che il trasporto passivo non ha bisogno di energia in generale, ma questo non è possibile: l’energia che usano è quindi quella caricata prima di effe uare il trasporto e non tramite l’ATP.

Fondamentale per capire i traspor è il gradiente di concentrazione : infa tu e le sostanze, per essere trasportare passivamente devono andare secondo gradiente di concentrazione; la sostanza si può muovere quindi da sola o mediata da proteine se e solo se c’è un gradiente di concentrazione

favorevole, ovvero se lo spostamento avviene da una zona di maggiore concentrazione ad una a minore concentrazione. La creazione di questo gradiente nel corpo umano avviene solitamente grazie a traspor a vi, come la pompa sodio-potassio nella trasmissione dell’impulso nervoso, funzionante ad ATP. Anche il trasporto passivo u lizza energia, ma non in maniera dire a e non so o forma di ATP. Le stesse sostanze possono essere trasportate sia a vamente che passivamente, ad esempio entrando per trasporto passivo e uscendo tramite trasporto a vo.

Traspor passivi

- Diffusione (libera) : Si ha un trasporto per diffusione libera quando le sostanze passano a raverso la membrana liberamente. Sono quindi sostanze piccole e idrofobe, ma anche l’acqua e i gas. Bisogna ricordarsi che l’acqua so ostà al fenomeno dell’ osmosi , muovendosi quindi dalla soluzione meno concentrata a quella più concentrata. La diffusione so ostà alla legge di Fick, che dice che “ la velocità di diffusione a raverso la membrana è dire amente proporzionale rispe o all’area della superficie di scambio e alla differenza di concentrazione, inversamente proporzionale rispe o alla resistenza della membrana e al suo spessore ”. La dipendenza rispe o alla superficie ha provocato nel corpo un processo evolu vo che gli ha fa o trovare degli escamotage per aumentare le superfici di scambio.

- Trasporto passivo facilitato : è un trasporto passivo (quindi secondo gradiente) che avviene con l’aiuto di proteine. Queste sono di due pi: proteine- canale e proteine- carrier . Le proteine canale solitamente formano una parete di stru ure che perme ono il passaggio delle sostanze, ed un solo canale è quindi formato da più proteine, più subunità proteiche . A raverso i canali passano principalmente ioni e acqua. Le proteine-carrier servono quando le molecole sono più grandi, come nel caso del glucosio, non potendo passare autonomamente. Queste proteine modificano la loro forma quando il materiale si lega nel sito a vo, perme endo il passaggio. Anche nel trasporto passivo c’è quindi in gioco dell’energia, anche se c’è gradiente. L’energia che usa il carrier per spostarsi e modificarsi gli è data quindi dalla molecola che vuole spostarsi secondo gradiente, trasformando la sua energia in energia cine ca che viene data al carrier.

- Le acquaporine : proteine-canale par colari sono le acquaporine , presen in cellule in cui il flusso d’acqua è tanto e costante, come nelle cellule renali. Ques canali possono essere forma sia da più subunità, ma le acquaporine sono formate da un’unica proteina suddivisa in vari dominii , ovvero ha delle par inserite nel doppio strato fosfolipidico che cos tuiscono il canale, con un’unica proteina che si sistema così da formare tu o il canale. Questo canale aiuta il passaggio per osmosi, ma così il passaggio sarebbe lento; si sono create quindi delle zone cariche all’interno del canale che velocizza il passaggio, a rando la molecola verso il centro e poi facendola “rimbalzare” dall’altra parte. Nel canale ci sono infa i soli residui amminoacidici , rivol verso il canale, che aiutano il passaggio delle molecole, con un amminoacido che ha effe o repulsivo sull’acqua, altri che la a rano e la orientano ecc, favorendone il passaggio nell’acquaporina. Questo meccanismo è simile in tu i canali che perme ono il passaggio di ioni e/o molecole polari.

Le proteine-carrier funzionano similmente ad un enzima, con un sito di legame per la sostanza da trasportare; questo provoca una modificazione della forma della proteina, modificazione indo a che perme e il trasporto all’interno o all’esterno della cellula. Sia per i traspor passivi facilita che per i traspor a vi, che u lizzano quindi carrier, vale questa divisione:

- Trasporto di una sola molecola dentro o fuori dalla cellula o trasporto tramite proteina-canale, de o uniporto ;

- Il trasporto di due specie di molecole o ioni contemporaneamente dentro o fuori da una cellula, de o simporto ;

- Il trasporto di due sostanze in verso opposto (una dentro e una fuori), de o an porto ;

Osmosi

Due compar men separa da una membrana semipermeabile perme ono alle due soluzioni nei compar men di equilibrare le loro soluzioni. Prendiamo ad esempio la cellula:

avendo una soluzione esterna alla cellula e una soluzione interna alla cellula, queste sono normalmente isoosmo che , alle stesse concentrazioni; quando però esce il nutrimento dalla cellula si crea una differenza di concentrazione, provocando il passaggio d’acqua per equilibrare le soluzioni, spostandosi dalla soluzione più diluita (acqua più concentrata) a quella più concentrata

(acqua più diluita). Le cellule reagiscono quindi alla presenza di concentrazioni diverse al loro esterno:

- Le cellule animali, quando richiamano troppa acqua perché sono più concentrate, tendono a scoppiare ( lisi cellulare ) per via della mancanza di pare cellulari;

- Nello stesso caso le cellule vegetali si inturgidiscono , gonfiandosi e dando sostegno alla pianta grazie alla parete cellulare e al sistema parete-vacuolo ;

- Entrambi i pi di cellule si afflosciano/seccano in caso di mancanza d’acqua.

L’osmosi può avvenire sia dire amente a raverso la membrana fosfolipidica che a raverso le acquaporine.

Traspor a vi

I traspor a vi sono tu quei traspor che u lizzano solo proteine- carrier , in quanto serve a vità enzima ca per u lizzare l’energia dell’ATP, oppure con u lizzo di un gradiente favorevole di una sostanza che aiuta l’altra a passare, facendola muovere contro gradiente . Tu i traspor a vi avvengono quando le sostanze devono andare contro gradiente. Le proteine-carrier, come i canali, possono sia a varsi per il legame con un ligando , che per una tensione di membrana che varia, come nel caso del canale potassio. Il glucosio, ad esempio, entra contro gradiente nelle cellule intes nali ma esce secondo gradiente, richiedendo l’u lizzo di un trasporto a vo secondario per entrare. Tu i carrier del trasporto a vo hanno anche a vità ATPasica, rompendo quindi l’ATP a dare ADP e P _i + energia.

Questo è un trasporto a vo primario , dove si consuma dire amente ATP per avere l’energia per far passare la sostanza contro gradiente, con proteine chiamate “pompe con a vità ATPasica”, potendo quindi scindere l’ATP in ADP + P _i + energia, risultando quindi enzimi in quanto rompono un legame, mediatori di una reazione chimica; il maggior esponente è la pompa sodio-potassio. Lo scopo

principale di queste molecole è di ricreare il gradiente di concentrazione quando questo viene dissipato.

Il trasporto a vo secondario è un trasporto mediato da carrier che non u lizzano dire amente ATP, ma non sono classificabili come traspor passivi perché il trasporto va contro gradiente; sfru ano invece il gradiente di un’altra sostanza, come la ruota del mulino che u lizza l’acqua per far muovere la macina, u lizzando l’energia del gradiente per a vare un trasporto opposto. Il glucosio, ad esempio, sfru a il sodio: il glucosio ha gradiente dall’interno all’esterno, quindi per entrare nelle cellule intes nali sfru a il gradiente del sodio, sempre più concentrato fuori dalle cellule e quindi con gradiente esterno-interno; esiste quindi un carrier che, sfru ando il gradiente di due ioni sodio, lega anche un glucosio per portarlo all’interno della cellula, un simporto. Esiste poi una pompa sodio-potassio che ripris na il gradiente del sodio fuori dalla cellula, un an porto che fa entrare potassio e uscire sodio.

Un altro an porto a vo secondario importante è quello dell’ Na ⁺ /Ca ²⁺ , presente in tu e le cellule come la pompa sodio-potassio. Qui il sodio, come al solito maggiormente presente fuori dalla cellula, è legato dalla proteina carrier in modo da portare fuori il calcio, la cui regolazione è importan ssima in quanto funge da mediatore di informazioni , come nella contrazione muscolare.

Esocitosi ed endocitosi

Ques sono pi di trasporto a sé stan , a vi ed intracellulari. E’ implicato ATP con un meccanismo molto complesso, le proteine aiutano il trasporto e hanno a vità atpasica.

L’ esocitosi è quell’evento di secrezione che accade sopra u o nelle ghiandole, in cui questo insieme di proteine vengono avvolte da una membrana (vescicola) dal re colo endoplasma co liscio o dall’apparato del Golgi, migrando poi verso la membrana. Le vescicole che contengono le proteine partono dal Golgi, mentre quelle che si devono fondere con la membrana partono dal re colo endoplasma co liscio. La vescicola è diverso dalla micella, in quanto la vescicola ha doppia membrana, la micella una sola e trasporta materiale lipidico.

L’ endocitosi è più complessa, la fanno vari pi di cellule per mo vi diversi, ed è il processo contrario dell’esocitosi: la membrana si invagina, si crea un cappio che poi libera la vescicola perme endo al materiale di entrare e di essere trasportato. Alcuni organismi unicellulari eucario , come le amebe, mangiano così, per fagocitosi nel caso di solidi e di pinocitosi nel caso di liquidi. E’ fondamentale nelle funzioni di alcune cellule del nostro organismo, come nel caso del sistema immunitario, come i granuloci neutrofili e i macrofagi, ovvero i globuli bianchi del sistema immunitario aspecifico. Ques sono ricchi di lisosomi che contengono enzimi per digerire i ba eri. I virus fanno una cosa simili, ma il Sars-CoV-2 viene riconosciuto grazie al rece ore AcE-2 con le proteine Spike, una endocitosi rece ore-mediata .

Le redox

Ricorda che una redox è un trasporto di ele roni tra una specie chimica che si ossida (riducente) e una che si riduce (ossidante). Le ossidazioni in chimica organica si vedono guardando se si aggiungono atomi di ossigeno e/o si tolgono quelli di idrogeno; contrariamente le riduzioni si vedono guardando se si riducono gli atomi di ossigeno e/o aumentano quelli di idrogeno. In biochimica queste

servono per le ossidazioni del glucosio, senza calcolare i numeri di ossidazione del carbonio ma guardando il variare degli atomi di idrogeno e ossigeno. I passaggi ossido-ridu vi sono la reazione chimica che va a trasportare energia per poi ridurre l’ATP. Le redox saranno quindi necessarie per trasferire l’energia dalle molecole rido e (glucosio (C ₆ H ₁₂ O ₆ ), acidi grassi e aminoacidi in ul ma istanza) a quelle ossidate. Più H ci sono, più le molecole sono energe che, con il massimo negli idrocarburi, in par colare alcani (C _n H _n+2 ). Il massimo stato di ossidazione del carbonio è la CO ₂ , una molecola inorganica. Gli acidi grassi contengono molta energia perché il loro R è una catena idrocarburica, con atomi completamente rido , fornendo più del doppio dell’energia del glucosio a parità di massa (un grammo di glucosio, fru osio o gala osio sono 4 kcal, un grammo di trigliceridi ne fornisce 9).

Le molecole nutri zie sopra menzionate, che sono i prodo ul mi energe ci, vengono trasforma in CO ₂ , espulsa poi tramite la respirazione, e H ₂ O, un prodo o di scarto, perme endo grazie alle redox di trasferire energia all’ATP.

La reazione della respirazione cellulare è C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂ ---> 6 CO ₂ + 6 H ₂ O + 36 ATP

I trasportatori di ele roni

La molecola che si ossida solitamente è il glucosio, mentre i trasportatori degli ele roni, ovvero le molecole che si riducono, sono tre: queste sono molecole che derivano dalle vitamine, ovvero coenzimi di enzimi . Andiamo per esempio ad analizzare il passaggio da 2 molecole di gliceraldeide 3-fosfato all’acido 1,3 diglicerico. In questo passaggio c’è l’enzima E-NAD ⁺ , enzima che deriva dalla vitamina PP, del gruppo B, chiamata anche “vitamina pellagra”. Questa è una mala a che ha origine nelle diete povere della vitamina PP,

come in Pianura Padana con l’alimentazione basata molto sul mais. Il NAD ⁺ , enzima associato alla deidrogenazione, entra e si trasforma in NADH + H ⁺ , in quanto ha una lacuna ele ronica di due ele roni; ha quindi possibilità sia di prendere un ele rone che di legare un atomo di idrogeno. Il composto cede quindi due ele roni e un H+, ossidandosi di conseguenza e diventando acido, mentre il NAD ⁺ si riduce. I trasportatori vengono poi ristorat

i, cedendo ele roni a formare ATP, riciclo che si ha nella terza fase della respirazione.

Processo simile lo fanno gli altri due trasportatori di ele roni:

- Il FAD si carica di tu e due gli atomi di idrogeno diventando FADH ₂ ; viene associato all’enzima succinato-deidrogenasi,

deriva dalla riboflavina, la vitamina B ₆ .

- Il NADP ⁺ è un coenzima simile al NAD ma con un fosforo in più che si associa a delle deidrogenasi, ma nell’anabolismo, nelle reazioni di sintesi, sopra u o nella fotosintesi.

La combus one del glucosio/respirazione cellulare La reazione della respirazione cellulare è C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂

→ 6CO ₂ + 6H ₂ O + 36 ATP, con il carbonio che si ossida e l’ossigeno si riduce. Qui si “brucia” glucosio con l’ossigeno a dare energia, anidride carbonica ed acqua, come una normale combus one. Questa però non avviene in una sola reazione, l’energia liberata brucerebbe la cellula (è circa 400 kcal per mole): viene quindi liberata a piccole dosi, così da non danneggiare la cellula. I passaggi “all’andata” danno la respirazione cellulare , “al ritorno” si ha invece la fotosintesi .

La glicolisi: primo passaggio della respirazione cellulare

Il primo passaggio u lizza come reagente

fondamentale il glucosio, anche se possono essere usa anche fru osio e gala osio che entrano successivamente nella reazione. Avvengono poi una serie di reazioni:

1. Il glucosio subisce una prima reazione irreversibile, in quanto viene usato ATP, chiamata fosforilazione: l’ATP, tramite l’ esochinasi , un ATPasi che può trasferire il gruppo fosfato, cede il suo fosfato e forma il glucosio-6-fosfato rimpiazzando l’idrogeno del gruppo OH. Il glucosio-6-fosfato è un intermedio importante anche per altre vie metaboliche. Questa è una reazione endoergonica, che carica il glucosio di energia dall’ATP “a vandolo”, legata ad una reazione esoergonica, ovvero il passaggio da ATP ad ADP.

2. Il secondo passaggio è reversibile, è un isomerizzazione con il glucosio-6-fosfato che diventa fru osio-6-fosfato. L’enzima glucosio-6-fosfato isomerasi ricava la sua energia dal gruppo fosfato.

3. Questa è la reazione fondamentale della glicolisi: è endoergonica e, tramite la fosfofru ochinasi, si a acca un ulteriore gruppo fosfato al fru osio-6-fosfato, facendolo diventare fru osio-1,6-difosfato. L’isomerizzazione da glucosio a fru osio serve quindi a creare un altro punto disponibile per a accare il gruppo fosfato.

4. La molecola costruita è quasi simmetrica, quindi, tramite l’aldolasi, viene diviso in due molecole, dando una molecola di diidrossiacetonefosfato e una di gliceraldeide-3-fosfato, due isomeri funzionali. L’aldolasi è un idrolasi, che scinde le molecole a metà tramite l’acqua.

5. Il diidrossiacetone fosfato non è molto u le al corpo se non per alcune vie metaboliche, quindi questo viene solitamente conver to in gliceraldeide-3-fosfato. E’ quindi assimilabile con il passaggio precedente.

6. Questa è la prima redox della glicolisi. La gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi e il coenzima NAD ⁺ , con il substrato che si ossida (viene tolto idrogeno) e il NAD ⁺ che viene rido o a dare NADH e H ⁺ . NAD, NADH e H ⁺ andrebbero raddoppia per bilanciamento stechiometrico. La reazione ha come prodo o due molecole di 1,3-difosfoglicerato. Il secondo dei due gruppi fosfato che si trovano nel prodo o viene da fosfato inorganico libero nel citoplasma (P _i = PO ₄ ^3- ). Questa è una redox, con il NAD+ che si riduce e la gliceraldeide che diventa acido, e quindi si ossida; il nome però finisce in -ato e non in -ico nonostante sia stata fa a una esterificazione.

7. Successivamente agisce la fosfoglicerato chinasi, enzima che a ua una defosforilazione sulle due molecole di 1,3-difosfoglicerato a dare, grazie a due molecole di ADP, due molecole di ATP, iniziando a scaricare energia. Si formano quindi due molecole di 3-fosfoglicerato.

8. Agisce quindi un enzima (bifosfoglicerato mutasi) che a ua un isomerizzazione, spostando il gruppo fosfato da 3 a 2, dando due molecole di 2-fosfoglicerato.

9. L’enolasi successivamente fa una reazione chimica che trasforma il carbonio ossidrilico in carbonio carbonilico ed elimina acqua a dare fosfoenolpiruvato.

10. Da queste due molecole di fosfoenolpiruvato (chiamato anche PEP), grazie all’ul ma reazione, irreversibile, della glicolisi, si cede l’ul mo gruppo fosfato a due molecole di ADP a dare ATP, con prodo o finale due molecole di piruvato.

L’equazione complessiva della glicolisi

Glucosio (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) + 2 NAD ⁺ + 2 ADP + 2 P _i → 2 NADH + 2 piruvato (C ₃ H ₃ O ₃ ) + 2 ATP + 2 H ₂ O + 2 H ⁺

L’equazione complessiva della glicolisi, anche de a resa della glicolisi , è una reazione che mostra i reagen iniziali e i prodo finali della glicolisi. Il reagente principale è il glucosio con l’ADP, ma entrano anche due ATP, in modo da produrne 4, con quindi una resa di 2 ATP. La glicolisi è però poco energe ca per l’organismo umano (si fermano alla glicolisi solo i ba eri anaerobi, quelli che fanno la fermentazione, che lo usano come metabolismo secondario), si deve quindi lavorare ulteriormente.

La regolazione della glicolisi

Nella glicolisi sono regola principalmente due enzimi. Il primo è l’ esochinasi , non il più importante;

questo è un enzima importante perché produce il glucosio-6-fosfato che è anche il punto di partenza per la sintesi dei pentoso-fosfa e quindi anche del NADPH, uno dei trasportatori di ele roni delle vie biosinte che, infa il ribosio riesce a legare un fosfato. E’ importante che questo sia il punto di partenza di un’altra via metabolica perché questa è sempre a va, ma la regolazione interviene a bloccare la produzione quando non serve e a ria varla nel caso diventasse di nuovo u le. Se non dovesse servire per inibirla sarebbe più sensato il blocco del primo passaggio, ma qui avviene al terzo proprio perché il glucosio-6-fosfato è reagente in altre vie metaboliche, e quindi non posso bloccarlo

prima. L’unico caso in cui l’esochinasi viene bloccata è quando si ha una sovrabbondanza di glucosio-6-fosfato, in quanto se ne ho mol ne ho per entrambe le vie. Questa viene quindi inibita solo quando si ha un’eccessiva quan tà di prodo o, chiamata inibizione a feedback nega vo , in cui il prodo o della reazione inibisce l’enzima. Nel momento in cui serve il prodo o non ce n'è abbastanza per inibire l’enzima e quindi la produzione riprende.

La fosfofru ochinasi è l’enzima proprio di regolazione della glicolisi in quanto il suo prodo o è proprio della glicolisi;

bloccare l’enzima significherà quindi bloccare soltanto quella via metabolica. Il suo inibitore è l’ATP, il prodo o finale della glicolisi: se ce n’è tanto la fosfofru ochinasi è inibita, mentre quando c’è poco ATP ma sopra u o tanto ADP questa viene ria vata, con l’ADP che prende quindi il ruolo di “a vatore”

della fosfofru ochinasi. Se questa è bloccata il

fru osio-6-fosfato viene accumulato come glicogeno. Quando questa è a va invece serve tanto ADP, che va ad indicare l’uso di ATP. Questa è una inibizione allosterica , come quella del glucosio-6-fosfato.

La decarbossilazione ossida va del piruvato (C ₃ H ₃ O ₃ ) La reazione successiva avviene nei mitocondri, con il piruvato che ci entra dentro. Questo è ancora molto ossidabile, con un CH ₃ molto rido o mentre il CO e il COO ^- sono ossida . Visto che si o ene energia dalle redox tramite la decarbossilazione ossida va del piruvato , de a comunemente ossidazione del piruvato, si va ad ossidare l’atomo di carbonio rimanente in una reazione irreversibile. Questa consiste nell’ossidazione del piruvato che si trasforma in ace lcoenzima-A.

L’enzima che catalizza questa reazione è la

piruvato-deidrogenasi , un enzima molto complesso formato da tre enzimi e cinque coenzimi con dimensioni superiori a quelle di un ribosoma. Avvengono due cose importan : inizialmente si stacca CO ₂ , prodo o qui per la prima volta, uno per ogni molecola di piruvato, e successivamente inizia un’ulteriore ossidazione del piruvato con la riduzione di due NAD ⁺ in due NADH e due H ⁺ . L’ace lcoenzima-A con ene una vitamina, l’acido pantotenico, una vitamina del gruppo B. Il gruppo ace le rimane dall’ossidazione del piruvato (CH ₃ COO-).

Il coenzima A con ene l’acido pantotenico, a cui sono a acca i due fosfa , l’adenina, il ribosio e il fosfato, gruppo già visto nel NAD ⁺ . A questo è a accato una β-mercaptoe llamina, ovvero un’e lammina con un gruppo SH. Il coenzima-A ha quindi questo gruppo SH fondamentale, visto anche negli enzimi, che fa i legami disolfuro, uno dei famosi legami intermolecolari responsabili della stru ura terziaria delle proteine, pica degli aminoacidi solfora come la cisteina.

Nella reazione assis amo all'ossidazione del piruvato e alla riduzione del NAD+, aiutato dal coenzima-A. Questo porta alla formazione di ace lcoenzima-A, composto che presenta un legame oestere tra un C dell'ace le e l'S del coenzima-A, diversamente da quello standard che interessa un C e un OH. Questa reazione libera anche CO2, in realtà so o forma di COO-, e H+

La resa ne a di questa reazione è: 2 piruvato + 2 NAD ⁺ + 2 coenzima-A → 2 ace lcoenzima-A + 2 NADH + 2 H ⁺ + 2 CO ₂

La piruvato deidrogenasi, l’enzima che catalizza questa reazione, è estremamente complesso. E’

formato da tre enzimi e cinque coenzimi che lavorano sul piruvato in entrata a dare ace l-CoA in uscita. Da reagente e prodo (infa si devono aggiungere NADH, H+ e CO ₂ ) servono 5 coenzimi:

- Tiamminapirufosfato : è la vitamina B ₁ , classico trasportatore dei gruppi carbossilici. Questo è il coenzima delle decarbossilasi, ossidando la molecola.

- Lipoillisina : coenzima che deriva dall’acido lipoico, aiuta alla nuova ossidazione del gruppo C=O.

- Il coenzima-A si riduce, cedendo i suoi ele roni.

- Successivamente si riduce il FAD che, grazie ai due H ⁺ , diventa FADH ₂ - Il FADH ₂ riesce poi a ridurre il NAD ⁺ a dare NADH e H ⁺ .

L’energia viene fornita dal coenzima-A, la reazione è però irreversibile anche se non c’è uso dire o di ATP.

Il ciclo di Krebs

E’ un ciclo fondamentale perché si riescono a produrre 6 NADH, andando a finire l’ossidazione dell’ace l-CoA e quindi del glucosio. Vi sono inoltre alcune molecole intermedie che sono u li nella produzione degli aminoacidi, risultando quindi un buon ciclo per produrre intermedi per altre vie metaboliche. L’ace lcoenzima-A è anche il prodo o della degradazione degli acidi grassi, che finiscono a produrre molte molecole di ace lcoenzima-A e viceversa. Questa molecola è quindi fondamentale in mol meccanismi. Una cosa simile la fanno gli aminoacidi, che possono dare energia se entrano nel ciclo di Krebs e viceversa.

Questo è un ciclo perché l’ace lcoenzima-A non è il punto di partenza di una via che va a formare un prodo o, ma si lega ad una molecola che, dopo varie reazioni, mi ridà la stessa molecola che si andrà a legare ad un altro ace lcoenzima-A. Questa molecola è un acido ossalace co o, come ione, un ossalacetato, formato da qua ro carbonio.

1. Il gruppo ace le si stacca e si lega all’acido ossalace co, dando una molecola formata da 6 atomi di carbonio, l’acido citrico, molto presente negli agrumi e nei pomodori. Per formarlo deve entrare anche una molecola d’acqua, una reazione mediata dalla citrato-sintasi. L’acido citrico è un acido tricarbossilico, ovvero con tre gruppi carbossilici (COOH). La citrato-sintetasi è l’enzima regolatore del ciclo di Krebs e inoltre questa reazione è irreversibile.

2. Il citrato successivamente subisce un isomerizzazione ad isocitrato per facilitare l'uscita di due molecole di CO ₂ .

3. Successivamente avvengono due decarbossilazioni ossida ve. Nella prima il citrato si trasforma in α-chetoglutarato, molecola a 5 atomi di carbonio, con l’isocitrato che si ossida e il NAD+ che si riduce a diventare NADH e H+.

4. Successivamente l’α-chetoglutarato subisce una seconda decarbossilazione ossida va così da caricarsi di energia tramite il legame con il coenzima-A, dando il succinil-coenzima-A. Questa reazione libera CO ₂ e reagisce con un NAD+ che diventa NADH e H+.

5. Successivamente il succinil-coenzima-A riesce a cedere energia al GDP con un gruppo P _i , facendola diventare GTP. Infa , oltre all’ATP, l’energia viene fornita alle vie metaboliche endoergoniche anche da altri nucleo di trifosfato. Inoltre si stacca il coenzima-A. Questa è una reazione esoergonica, con il rilascio di energia su GDP+P _i a dare GTP: esistono alcune proteine e alcuni enzimi GTP dipenden . Questo è l’unico passaggio in cui si usa GDP, negli altri si avrà la solita reazione ADP + P _i → ATP. Questa reazione è possibile anche qua, con il

passaggio di energia da GTP + ADP ---> ATP+GDP + P _i . Questa reazione è catalizzata dalla succinil-coenzima-A sintetasi, uno degli enzimi in grado sia di catalizzare le reazioni dire e che inverse (in questo caso catalizza sia da succinil-coA a succinato che viceversa).

6. Ormai il glucosio è completamente ossidato, con i due carbonio entra che sono usci come CO ₂ . Il succinato qui diventa fumarato, con la riduzione del FAD, uno dei trasportatori di ele roni, che diventa FADH ₂ prendendosi sia i due protoni che i due ele roni.

7. Il fumarato, tramite un enzima idratasi, si idrata, diventando malato (acido malico), acido che è possibile trovare anche in altre vie metaboliche.

8. Il malato si ossida ad ossalacetato e il NAD+ si riduce in NADH e H+.

La resa quindi è:

Ace l-CoA + 3 NAD ⁺ + FAD + GDP + P _i + 2 H ₂ O ---> 2 CO ₂ + 3 NADH + FADH ₂ + GTP + 3 H ⁺ + CoA, ma visto che da una molecola di glucosio si o engono due molecole di Ace l-CoA sarebbe da raddoppiare tu o per due.

Il ciclo di Krebs è la via finale per l’ossidazione di varie molecole organiche: l’Ace l-CoA può essere prodo o da acidi grassi e carboidra e anche gli aminoacidi possono entrare nel ciclo di Krebs, entrando in diversi pun della respirazione anaerobia e aerobia. Inoltre il ciclo di Krebs fornisce precursori per la sintesi degli amminoacidi. La velocità del ciclo varia a seconda delle necessità delle cellule, con l’Ace l-CoA che “non entra” nella cellula se c’è abbastanza ATP, con l’enzima citrato-sintasi che è inibito dall’ATP e l’Ace l-CoA che va a sinte zzare acidi grassi. In caso di necessità di ATP invece è l’ADP a ria vare l’enzima.

L’enzima succinato deidrogenasi

Questo enzima produce il FADH ₂ ed è un enzima inserito nella membrana interna dei mitocondri. Il ciclo di krebs avviene quindi quasi nella sua totalità nella matrice dei mitocondri , ovvero il citoplasma, tranne per il passaggio da succinato a fumarato, che avviene nella membrana.

Resa finale di glicolisi e ciclo di Krebs

Glucosio + 10 NAD ⁺ + 4 ADP + 4 P _i + 2 FAD (+ 2 H ₂ O) ---> 10 NADH + 10 H ⁺ + 4 ATP + 2 FADH ₂ + 6 CO ₂ La produzione degli H+ acidifica i mitocondri, ma poi ques verranno sposta e riu lizza .

Abbiamo, alla fine del ciclo di Krebs, 10 NADH e 2 FADH ₂ ricchissimi di energia, che assieme ai 4 ATP contengono l’energia del glucosio. L’energia dei trasportatori dovrà quindi essere trasferita dai trasportatori all’ADP a dare ATP, ul ma fase della respirazione aerobia, un processo chiamato fosforilazione ossida va .

Fosforilazione ossida va

Qui compare l’ossigeno con 6 di O ₂ . Questo rapporto è stechiometrico, andrebbe modificato a seconda del numero di ele roni. Alla fine di questo meccanismo l’ADP viene fosforilato a dare ATP, ossida va perché si ossidano i NADH ed i FADH ₂ . Ricordiamo che il ciclo di Krebs avviene nella matrice mitocondriale, perme endo ai trasportatori di muoversi liberamente.

Ricordiamo che le redox funzionano solo se ossidante e riducente sono accoppia in modo che uno si ossidi e uno si riduca, possibile solo quando il potenziale di quello che si ossida è maggiore di quello che si riduce. In questo caso il NADH ha potenziale maggiore rispe o ad una proteina nella membrana interna del mitocondrio. Infa in questa membrana ci sono varie proteine, con funzioni differen all’interno della reazione:

- Il primo gruppo di proteine è il sistema 1 , gruppo che ha potenziale ossidoridu vo minore del NADH, che quindi tende spontaneamente ad essere ossidato. Tu i NADH tenderanno quindi a cedere gli ele roni a questo gruppo proteico. Dopo di questo ci saranno altri tre sistemi, a acca l’uno all’altro così da perme ere il passaggio degli ele roni.

- Gli ele roni scendono dal NADH, che ha potenziale ossidoridu vo maggiore, verso stru ure con potenziale minore. Il NADH tende a cedere ele roni al sistema 1, che tende a cederli ad un sistema 2 e così via fino al sistema 4.

- Al sistema 4 si riduce l’ossigeno (ossidante più forte e riducente più debole), che si riduce ad acqua. La stechiometria corre a sarebbe O ₂ + 4 H ⁺ ( + 4 e ^- ) ---> 2 H ₂ O. L’ossigeno arriva nel mitocondrio per diffusione, dove poi viene consumato, creando un gradiente posi vo di ossigeno, ossigenando il mitocondrio. I NADH poi cederanno gli ele roni che ridurranno l’ossigeno a dare acqua.

La stechiometria corre a sarebbe 6 O ₂ ---> 12 O ---> 12 H ₂ O, necessitando quindi di 24 ele roni. La stechiometria quindi non torna, anche perché i 10 NADH ne danno 20, 2 a testa.

Questo perché ci sono delle perdite, quindi gli studiosi hanno fa o un conteggio sulla resa e hanno visto che una molecola di NADH produce circa 3 ATP, per altri solo 2,5. La stechiometria con il glucosio e i 6 O ₂ è quindi sì corre a chimicamente, ma non è quella reale, dovremmo rispe are la stechiometria delle masse. Non c’è corrispondenza dire a tra la stechiometria della reazione e il numero di ele roni in gioco.

Ricordiamo quindi che l’ossigeno è l’ acce ore finale degli ele roni, quindi senza ossigeno non funziona il processo, neanche il ciclo di Krebs in quanto non si può ridurre in NADH, con un sistema che non perme e neanche all’ace l-CoA di entrare nei mitocondri, fermando tu o al piruvato bloccato anche lui fuori dai mitocondri.

- I sistemi 1, 3 e 4 sono anche delle pompe protoniche , che oltre a contenere proteine che trasferiscono ele roni (sono delle proteine ferro-zolfo, citocromi ecc.) sono carrier del trasporto a vo, a vate dagli ele roni. L’energia che perme e l’a vazione dei carrier viene dal trasferimento di ele roni, che fanno passare gli H ⁺ dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana . Questo vorrà dire che gli H ⁺ sono meno concentra nella matrice che nello spazio intermembrana, devono essere pompa . Qui si concentrano e, data la differenza di concentrazione, l’H ⁺ fluisce spontaneamente nella matrice, ma solo a raverso l’ATP-sintasi.

La membrana mitocondriale interna è quindi impermeabile, non ha pun di passaggio se non l’ATP-sintasi.

- Il passaggio di queste molecole, e quindi l’energia cine ca delle par celle in movimento, mi perme e di catalizzare la reazione endoergonica che, da ADP e P _i mi produce ATP.

- Il sistema 2 è con ene la succinato-deidrogenasi, che perme e al FADH ₂ di liberarsi dei due H ⁺ , poi trasporta dall'ubichinone. Dal FADH ₂ si è visto che, saltando una pompa, si produce un ATP in meno del del NADH, quindi una produzione di 1,5-2 ATP.

Non si possono calcolare esa amente quan protoni passano, lasciando un’incertezza sulla quan tà di protoni che servono a formare un ATP. Recentemente si è calcolato che servono circa 10 H ⁺ passan a raverso l’ATP-sintasi per dare una molecola di ATP.

L’ATP sintasi ha una prima frazione F0 che è il canale, sta nella membrana. La frazione F1 è l’enzima vero e proprio, con a vità sinte ca.

Il processo dal punto di vista chimico si chiama chemio-osmosi , in quanto una reazione chimica è accoppiata ad un fenomeno di trasporto degli H ⁺ . C’è una trasformazione anche da energia ele rica che diventa cine ca per poi diventare chimica.

Questo sistema cos tuisce un blocco di enzimi, proteine e canali che si trovano nella membrana, con tu a la membrana mitocondriale interna che è costellata di ques blocchi ripetu uno accanto all’altro.

L’ubichinone e il citocromo C sono coenzimi, molecole rispe vamente non proteica e proteica che mediano le redox e si ossidano o si riducono acquistando o cedendo ele roni così da facilitare il passaggio. L’ossigeno, per avvicinarsi a ques sistemi, è a rato dal gruppo EME presente nei citocromi così da poter essere poi rido o.

Resa

La resa totale massima è di 34 ATP (30 dai NADH e 4 dal FADH ₂ ), da unire poi ai 4 già prodo a darne 38 totali. Due NADH però, per passare dal citoplasma al mitocondrio durante la glicolisi, necessitano di un ATP; e quindi la resa finale sarà di soli 36 ATP, in quanto due sono usa nel trasporto dei NADH.

Altri libri riportano 32 ATP prodo , 30 al ne o del trasporto.

Le fermentazioni

In assenza di ossigeno non avviene nessuna reazione chimica nei mitocondri in quanto è inu le produrre tanto NADH se non c’è l’ossigeno, ul mo acce ore degli ele roni. In assenza di ossigeno manca quindi la differenza di potenziale redox. E’

inu le quindi occupare NAD+ in quanto potrebbe mancarne poi per la respirazione aerobia. Succede allora che il piruvato non entra nei mitocondri, o quantomeno torna nel citoplasma uscendo secondo gradiente. Ricordiamo che il piruvato, quando entra nei mitocondri, subisce la decarbossilazione ossida va tramite la piruvato deidrogenasi. Questa viene inibita nel caso di assenza di ossigeno, non producendo quindi ace l-coA, blocco che blocca tu o il ciclo, anche dalla parte degli acidi grassi.

L’inibizione è a uata dall’eccesso di NADH, in quanto la sua presenza è segnale che non c’è

ossigeno e quindi questo non può scaricarsi tornando NAD+. Una parte dell’inibizione è anche data dall’eccesso di ATP, ma questo non è il segnale.

L’eccesso di piruvato nel citoplasma fa avvenire le fermentazioni : queste si a uano in assenza di ossigeno, ma in alcune condizioni la respirazione è aerobia e quindi le fermentazioni sono anormali, ci si trova in una situazione cri ca, mentre nei microorganismi la fermentazione avviene o negli anaerobi o negli aerobi facolta vi, ovvero in grado di fare entrambe le respirazioni; per loro questo processo non è l’ul ma spiaggia, è un metabolismo secondario, un’alta fonte di energia, mentre per noi è un meccanismo di emergenza nel caso di mancanza di ossigeno. I lievi , ad esempio, fanno la

fermentazione alcolica anche in aerobiosi, in presenza di ossigeno come quando vengono messi nella pasta della pizza, prova che per loro è un processo standard, non di emergenza.

La fermentazione è una riduzione del piruvato che perme e di riossidare il NADH, azione fondamentale perché perme e di recuperare il NAD ⁺ per fare la glicolisi. Così facendo si possono produrre i due ATP della glicolisi. Questa fermentazione si a va con alte concentrazioni di NADH così da perme ere il funzionamento della glicolisi. La cellula non resiste molto in condizioni anaerobie, in quanto è abituata ad una produzione di 30-34 ATP per molecola di glucosio.

Fermentazione la ca

Questa avviene principalmente nelle cellule muscolari, ma è importante ricordare che nel cervello questa cosa non può avvenire, sarebbe troppo rischioso, quindi è necessario che qui arrivi ossigeno e glucosio in maggiore quan tà. Nei muscoli succede che, durante uno sforzo prolungato senza un allenamento di base, si entra in carenza di ossigeno. Qui subentra la fermentazione la ca, che ha come prodo o l’acido la co che provoca dolore molto forte ed è un segnale per l’organismo di fermarsi così da recuperare l’equilibrio omeosta co. Questo può avvenire anche se l’ossigeno in arrivo alle cellule è insufficiente. Il piruvato viene rido o dalla la ato deidrogenasi (LDH) in acido la co e si ossida il NADH con H ⁺ in NAD ⁺ .

L’acido la co acidifica l’ambiente, non rendendo sana la situazione. Questo acido la co, alla ria vazione del ciclo normale, va nel fegato e torna piruvato. Dopodichè il fegato o usa il piruvato o, tramite la gluconeogenesi e l’LDH, riesce a recuperare due di piruvato in glucosio, che può spostarsi nel sangue e viene, eventualmente, rimesso in circolo dal fegato. Questo ciclo del la ato si chiama ciclo di Cori. Questo po di fermentazione viene usato nella produzione di yoghurt e

formaggi, dove l'acidità fa “cagliare”, ovvero coagulare, le proteine. Esistono altri pi di fermentazioni, come la fermentazione ace ca (dà come prodo o l’aceto) e altre che danno come prodo o altri acidi che perme ono di cagliare i vari pi di formaggi, come i ba eri dell'Emmental che danno acido propionico.

Fermentazione alcolica

La fermentazione alcolica nei ba eri ha lo stesso obie vo, ma inizialmente fa fare al piruvato anche una decarbossilazione, che ha come prodo o acetaldeide e CO ₂ , e una riduzione con NADH e H ⁺ , a dare etanolo e NAD ⁺ . Mentre il piruvato diventa ace l-CoA durante la respirazione aerobia, qui diventa acetaldeide, con un ossidazione e un legame di H. La pasta nella pizza lievita grazie alla CO ₂ liberata,