BIOMOLECOLE Le molecole che troviamo come costituenti strutturali e intermedi metabolici nelle cellule sono composti polifunzionali: 1- IDROSSIACIDI E CHETOACIDI 2- ZUCCHERI 3- AMMINOACIDI 4- LIPIDI 5- BASI PURINICHE E PIRIMIDINICHE – NUCLEOSIDI E NUCLEOTIDI 6- COENZIMI DINUCLEOTIDICI (NAD+ e FAD)

1. IDROSSIACIDI E CHETOACIDI Idrossiacidi, chetoacidi e amminoacidi sono trasformati gli uni negli altri attraverso reazioni di ossido-riduzione (NAD+-dipendenti) e transamminazione (PLP-dipendenti). Acetoacetato e idrossibutirrato sono due corpi chetonici, derivati del metabolismo lipidico in condizioni di ipoglicemia intracellulare (digiuno, diabete).

Idrossiacidi e chetoacidi… LDH ALT Piruvato e lattato sono intermedi della glicolisi (aerobia ed anaerobia, rispett.) AST MDH Ossalacetato e malato sono intermedi del ciclo di Krebs OAA Il glutammato è il donatore di gr. amminico comune alle reazioni di transamminazione: KA + Glu  AA + -KGA -KGA Glu

Lattato e malato, a differenza dei corrispondenti chetoacidi piruvato e ossalacetato, sono molecole chirali perchè contengono un carbonio asimmetrico (cioè un carbonio cui sono legati 4 gruppi diversi). Quindi esistono 2 forme di lattato e 2 di malato (il C asimmetrico è in rosso): Solo le forme L sono presenti nelle cellule e sono substrato delle corrispondenti deidrogenasi!

AA1 (Glu) + KA2  KA1 (KGA) + AA2 Le transaminasi Le transaminasi sono enzimi ubiquitari, ma particolarmente abbondanti in fegato e muscolo striato, che catalizzano reazioni di trasferimento di un gruppo amminico da un aa. donatore (di solito glutammato) su un -chetoacido accettore, secondo lo schema generale: AA1 (Glu) + KA2  KA1 (KGA) + AA2 Le transaminasi contengono un coenzima vitaminico, il piridossal fosfato (PLP), che durante la catalisi riceve il gruppo –NH2 dal Glu e diventa piridossamina fosfato (PMP) Il meccanismo catalitico richiede la formazione di una base di Schiff tra il gruppo aldeidico del PLP e il gruppo amminico dell’aa. La reazione transaminasica può essere divisa in due semireazioni: GLU (AA1) + E-PLP  -KGA (KA1) + E-PMP KA2 (es. Piruvato) + E-PMP  AA2 (es. Alanina) + E-PLP

Semireazione 1: il gruppo amminico del Glu è trasferito sul coenzima PLP e si libera -chetoglutarato (il primo prodotto di reazione). Semireazione 2: entra il secondo substrato (es. il chetoacido piruvato) che prende il posto del KGA e le reazioni sopra indicate procedono verso sinistra, con liberazione di alanina e rigenerazione del coenzima nativo (PLP).

Enzimi in chimica clinica La comparsa di attività enzimatiche intracellulari nel siero indica un danno tessutale e talvolta il tipo di enzima consente di identificare il tessuto danneggiato. Alcuni enzimi sono infatti presenti in forme diverse (isoenzimi) in tessuti diversi. Isoenzimi = catalizzano la stessa reazione, ma hanno sequenza aa. diversa e si trovano in tessuti diversi. La separazione degli isoenzimi si ottiene con l’elettroforesi. Lattico deidrogenasi (LDH), alanina transaminasi (ALT o GPT) e aspartato transaminasi (AST o GOT) e creatina cinasi (CK) sono tra gli enzimi più utili per fare diagnosi di danno tessutale specifico (epatico o muscolare). LDH è un enzima diffuso in tutte le cellule, per cui il suo aumento nel siero è una indicazione aspecifica di danno tessutale: maggiori indicazioni però si ottengono dall’analisi del tipo di isoenzima aumentato. LDH-1 (HHHH) cuore; LDH-2 (HHHM) cuore, eritrociti, rene; LDH-3 (HHMM) polmone, linfociti; LDH-4 e 5 (HMMM / MMMM) fegato e muscolo sch. (valori normali 100-200 U/l)

ALT più specifica per danno epatico, aumenta in epatite e cirrosi AST e ALT (valori normali 5-35 U/l) aumentano in corso di danno epatico, muscolare schel. o cardiaco. ALT (citosolica) è presente soprattutto nel fegato, AST (mitocondriale) è presente anche in miocardio e muscolo sch. Piruvato + glutammato  alanina + -chetoglutarato ALT o GPT Ossalacetato + glutammato  aspartato + - chetoglutarato ASP o GOT ALT più specifica per danno epatico, aumenta in epatite e cirrosi AST aumenta nell’infarto del miocardio, nelle epatiti, nella cirrosi alcolica (  AST/ALT) CK (valori totali normali 30-150 U/l) aumenta in corso di danno muscolare (scheletrico e miocardico). Creatina-P + ADP  creatina + ATP CK Ci sono 3 forme isoenzimatiche della creatina cinasi: CK1 (cervello e polmone), CK2 (miocardio), CK3 (muscolo sch. e miocardio)

Esempio di utilizzo degli isoenzimi CK2 ed LDH1 nella diagnosi di laboratorio dell’ infarto del miocardio Enzima Inizio Picco Basale CK2 4h 18h 48h AST 8h 24-48h 4 giorni LDH1 24h 3 giorni 12 giorni

BIOMOLECOLE… 2. AMMINOACIDI I 20 amminoacidi “fondamentali” (cioè quelli per cui c’è una tripletta codificante nel codice genetico) sono caratterizzati da un carbonio centrale (asimmetrico) cui sono legati: 1 gruppo amminico, 1 gruppo carbossilico, 1 idrogeno e la parte variabile nei 20 diversi amminoacidi fondamentali (indicata con R). Gli aa. nel nostro organismo sono solo isomeri L. A seconda delle caratteristiche chimiche di R, gli aa. si classificano in 5 classi: polari, apolari, carichi, aromatici, solforati.

In acqua i gruppi amminici e carbossilici si possono ionizzare. AMMINOACIDI… In acqua i gruppi amminici e carbossilici si possono ionizzare. Legame peptidico: forte (≈ doppio legame) planare polare ( ponti H)

Alcuni gruppi R di amminoacidi fondamentali

AMMINOACIDI… Le proteine sono polimeri di aa. uniti dal legame peptidico (un tipo di legame ammidico): tra gruppi peptidici di una stessa proteina che si vengono a trovare di fronte quando la proteina si ripiega si formano ponti idrogeno, che stabilizzano la struttura secondaria della proteina (-elica o -struttura).

PROTEINE Le proteine sono polimeri lineari di aa. Si identificano 4 livelli strutturali, di complessità crescente. La struttura primaria è la sequenza degli aa. uniti dai legami peptidici (covalenti), che si instaurano tra gruppo carbossilico e gruppo amminico di due aa. contigui. La struttura secondaria può essere ad -elica (elica destrogira con circa 4 aa per giro) o a -struttura (anse che giacciono su un piano) ed è stabilizzata da ponti H tra gruppi peptidici lontani nella struttura primaria, ma che si vengono a trovare di fronte quando tratti discreti della proteina acquistano una struttura tridimensionale (cosa che succede già durante la sintesi proteica sui ribosomi).

PROTEINE La struttura terziaria è l’ulteriore ripiegamento dei tratti in -elica e dei tratti in -struttura della proteina a formare una struttura tridimensionale più complessa. Questa struttura è stabilizzata da legami deboli che si formano tra gruppi R di aa. che si vengono a trovare di fronte quando la proteina ha assunto la sua conformazione finale. Si tratta di legami ionici (tra gruppi R di aa. carichi positivamente e negativamente), ponti H ed interazioni idrofobiche (queste ultime sono in effetti il “motore” che guida il ripiegamento della proteina). L’unico legame covalente della struttura terziaria è il ponte disolfuro (tra due cisteine), presente non in tutte le proteine. La struttura quaternaria è presente solo nelle proteine formate da più di una subunità: consiste nella posizione che assumono l’una rispetto all’altra le diverse subunità ed è stabilizzata dagli stessi tipi di legame descritti per la struttura terziaria (esclusi i ponti disolfuro) che si instaurano tra guppi R di aa. su catene proteiche diverse.

PROTEINE La perdita della struttura terziaria delle proteine si chiama denaturazione (da aumento della temperatura o variazioni del pH) e coincide con la perdita della funzione. La somma delle cariche elettriche dei gruppi R presenti in una proteina dà la carica netta della proteina: la carica netta a sua volta determina la migrazione della proteina in campo elettrico. La separazione in campo elettrico delle proteine (elettroforesi) è largamente utilizzata in diagnostica clinica [profili elettroforetici tipici: gammopatia mono-clonale (linfoma B), sinfrome nefrosica, infiammazione, cirrosi].

3. ZUCCHERI comprendono: MONOSACCARIDI DISACCARIDI (due monosaccaridi uniti insieme) POLISACCARIDI (catena anche ramificata di monosaccaridi) I MONOSACCARIDI sono composti che contengono almeno un gruppo alcolico e o un gruppo aldeidico oppure uno chetonico; quindi si dividono in due famiglie: ALDOSI (POLI-IDROSSIALDEIDI) CHETOSI (POLI-IDROSSICHETONI) I monosaccaridi più importanti in biochimica sono: glucoso e galattoso (aldosi, esosi = 6 atomi di carbonio) fruttoso (chetoso, esoso) riboso (aldoso, pentoso = 5 atomi di carbonio)

Monosaccaridi… D  D 

è lo zucchero nei nucleotidi (2’-deossi-riboso nel DNA!) Monosaccaridi… 2’  è lo zucchero nei nucleotidi (2’-deossi-riboso nel DNA!)

glucoso + ATP  glucoso 6-fosfato + ADP (glucocinasi) Nella cellula, i monosaccaridi si trovano sempre esterificati con uno o più gruppi fosforici (fosforilati). La fosforilazione ha il significato di impedirne l’uscita dalle cellule e di “attivarli”, consentendone il metabolismo. Glucoso 6-fosfato e fruttoso 1,6-bisfosfato sono intermedi della glicolisi e della gluconeogenesi Il gruppo fosforico è donato dall’ATP in reazioni catalizzate da enzimi della classe delle cinasi: glucoso + ATP  glucoso 6-fosfato + ADP (glucocinasi)

I DISACCARIDI Sono formati da due monosaccaridi, uniti con legame etere (tra 2 OH- con perdita di H2O) (legame O-glucosidico). I più importanti in biochimica umana sono: SACCAROSO = GLUCOSO + FRUTTOSO (è lo zucchero di canna) legame  1 2  LATTOSO = GALATTOSO + GLUCOSO (è lo zucchero del latte) legame  1  4  MALTOSO = GLUCOSO + GLUCOSO (è lo zucchero del malto) legame  1  4  Enzimi idrolitici specifici (idrolasi) situati sull’epitelio intestinale idrolizzano il legame glucosidico e consentono l’assorbimento dei monosaccaridi. Il deficit di lattasi causa l’intolleranza al lattoso (diarrea da fermentazione batterica del lattoso non assorbito).

DISACCARIDI… legame  1 4 legame  1 2  legame  1 4 La presenza del C1 libero in maltoso e lattoso rende questi disaccaridi riducenti: possono essere evidenziati attraverso la riduzione di ioni metallici (Cu2+). legame  1 4

Malattie genetiche da dismetabolismo dei disaccaridi Fruttosuria essenziale: deficit di fruttocinasi epatica. Non avviene la reazione di fosforilazione del fruttoso nel fegato: fruttoso + ATP  fruttoso 1-fosfato + ADP Il fruttoso non viene trattenuto dentro le cellule epatiche e rimane nel sangue  nell’urina. Asintomatica. Intolleranza congenita al fruttoso: deficit di fruttoso 1-fosfato aldolasi epatica. E’ l’enzima che scinde il F1P in gliceraldeide e diidrossiacetone-fosfato e consente l’ingresso del fruttoso 1-P nella glicolisi: fruttoso-1P  gliceraldeide + diidrossiacetone-fosfato Il fruttoso-1P si accumula nell’epatocita  ipoglicemia e danno epato-cellulare!

Galattosemia: deficit di galattoso-1P uridil transferasi Non avviene la reazione di trasferimento del gal-1P al posto dell’unità di gluc-1P sulla molecola dell’UDP-glucoso, che consente la trasformazione del gal-1P in gluc-1P: manca l’enzima gal-1P uridil transferasi. Il galattoso-1P si accumula nelle cellule e causa danno cellulare (epatico e neuronale): deficit mentale permanente, se il galattoso non viene rimosso presto dalla dieta del lattante! Screening diagnostico (elevata galattosemia e galattosuria) si basa sulla capacità del galattoso (riducente!) di ridurre ioni metallici (Cu2+) e indurne viraggio del colore.

I POLISACCARIDI Sono formati dall’unione di molte migliaia di monosaccaridi. In natura hanno funzione di deposito di energia (glicogeno negli animali e amido nelle piante) oppure funzioni strutturali (cellulosa nelle piante, chitina negli insetti). GLICOGENO = POLIMERO RAMIFICATO DEL GLUCOSO Il glicogeno è il deposito di glucosio degli animali (solo in fegato e muscolo !). Il glicogeno totale presente nel nostro organismo equivale a circa 1800 kcal, di cui 600 nel fegato e 1200 nel muscolo scheletrico.

STRUTTURA DEL GLICOGENO POLISACCARIDI… STRUTTURA DEL GLICOGENO L’amido ha una struttura simile al glicogeno e gli enzimi animali che scindono il glicogeno sono attivi anche sull’amido (pasta, patate!). Invece la cellulosa ha legami 14 e gli enzimi animali NON sono in grado di scinderla in glucosio (come fanno invece i batteri intestinali dei ruminanti).

Gli enzimi che sintetizzano e degradano il glicogeno nel fegato e nel muscolo agiscono solo sulle estremità non riducenti (tante, rispetto all’estremità riducente, che è una sola). Le ramificazioni consentono quindi una elevata velocità di turn-over del glicogeno. L’assenza di ramificazioni nel glicogeno è causa di una delle glicogenosi, malattie congenite causate da difetti enzimatici legati al metabolismo del glicogeno.

4. LIPIDI I lipidi più importanti in biochimica umana sono: ACIDI GRASSI TRIGLICERIDI LIPIDI DI MEMBRANA: FOSFOLIPIDI, GLICOLIPIDI e COLESTEROLO ACIDI GRASSI = acidi carbossilici a lunga catena (C16-C18) saturi o insaturi (senza o con doppi legami tra i carboni) Gli acidi grassi sono il principale deposito di energia del nostro organismo (125000 kcal contro le 1800 del glicogeno e le 25000 delle proteine “consumabili”) e sono presenti soprattutto sotto forma di trigliceridi, cioè esterificati al glicerolo. Noi umani non siamo in grado di sintetizzare acidi grassi con doppi legami vicini al metile terminale (es.  3): questi acidi grassi insaturi sono detti “essenziali” (linoleico e linolenico) e vanno assunti con la dieta. BIOMOLECOLE…

ACIDI GRASSI… I saponi sono acidi grassi a lunga catena salificati con Na+. I saponi in acqua formano strutture sopramolecolari dette “micelle”: le code apolari degli acidi grassi, che fuggono l’acqua, sono rivolte verso il centro della micella mentre la testa polare (il gruppo carbossilico dissociato –COO-) è rivolto verso l’acqua (interagisce con gli H parzialmente positivi dell’acqua). Il centro della micella è apolare. Sostanza lipofile tenderanno a “sciogliersi” dentro la micella (il sapone “scioglie” la macchie d’unto!).

TRIGLICERIDI = esteri del glicerolo con 3 acidi grassi BIOMOLECOLE… TRIGLICERIDI = esteri del glicerolo con 3 acidi grassi I trigliceridi sono i grassi di deposito del nostro organismo, accumulati nel tessuto adiposo, dentro gli adipociti. Il tessuto adiposo è localizzato nel sottocute e intorno agli organi interni. L’idrolisi dei trigliceridi ad acidi grassi e glicerolo (catalizzata dagli enzimi lipasi) e la successiva ossidazione degli acidi grassi nei mitocondri sono la fonte della maggior parte dell’energia prodotta ogni giorno dal nostro metabolismo. L’ossidazione degli acidi grassi nel ciclo di Krebs richiede però la presenza di OAA (dal glucoso)! I trigliceridi non si sciolgono in acqua (non hanno alcuna parte polare nella molecola), ma viaggiano nel sangue ricoperti da una guscio proteico, sotto forma di chilomicroni e di particelle lipoproteiche (VLDV, LDL, HDL).

LIPIDI DI MEMBRANA I lipidi di membrana comprendono: BIOMOLECOLE… LIPIDI DI MEMBRANA I lipidi di membrana comprendono: FOSFOLIPIDI (fosfogliceridi e sfingomieline) GLICOLIPIDI (cerebrosidi e gangliosidi) COLESTEROLO Formano strutture sopramolecolari chiamate doppi strati. FOSFOGLICERIDI Esteri del glicerolo con 2 acidi grassi e una “testa polare” contenente fosfato (da cui il nome fosfogliceridi) che può essere: fosfo-etanolammina, fosfo-serina, fosfo-inositolo o fosfo-colina.

Fosfatidiletanolammina FOSFOGLICERIDI… Fosfatidiletanolammina Legata al fosfato nella testa polare può esserci anche colina, serina o inositolo

FOSFOGLICERIDI… L’inositolo può essere fosforilato in C4 e C5: l’idrolisi della testa polare da parte dell’enzima fosfolipasi C (PLC) genera inositolo 1,4,5-triP (un mobilizzatore di calcio intracellulare) e diacil glicerolo (DAG) che attiva la cinasi PKC: DAG e IP3 sono secondi messaggeri intracellulari!

SFINGOMIELINE Nelle sfingomieline, la molecola “portante” è la sfingosina (un amminoalcol), cui sono legati un acido grasso e la testa polare (sempre fosfocolina). sfingosina

GLICOLIPIDI Nei glicolipidi la molecola “portante” è di nuovo il ceramide (= sfingosina + acido grasso), come nelle sfingomieline, ma la testa polare è rappresentata da un singolo monosaccaride nei cerebrosidi o da una catena ramificata di zuccheri nei gangliosidi. NON c’è il fosfato! La “testa polare” è formata dallo zucchero o dalla catena di zuccheri.

BIOMOLECOLE… COLESTEROLO = struttura a 4 anelli carbociclici condensati. Il colesterolo è un componente importante delle membrane cellulari e dal colesterolo il fegato produce i sali biliari (digestione e assorbimento dei grassi alimentari). L’unica parte polare della molecola è l’OH: nelle membrane l’ossidrile si orienta verso la fase acquosa (intra- o extra-cellulare) e il resto della molecola (che è planare) si infila in mezzo alle code degli acidi grassi. Il colesterolo impedisce l’impaccamento delle code degli acidi grassi e assicura fluidità alle membrane. Nel plasma il colesterolo viaggia all’interno delle lipoproteine (HDL e LDL).

5. BASI PURINICHE E PIRIMIDINICHE BIOMOLECOLE… 5. BASI PURINICHE E PIRIMIDINICHE Le basi puriniche e pirimidiniche sono costituenti dei nucleotidi. Nella cellula, i nucleotidi hanno funzioni importanti: energetiche (ATP è la moneta corrente per tutti gli scambi energetici della cellula), formano parte della molecola dei coenzimi NAD+ e FAD (i trasportatori di elettroni nelle reazione di ossido-riduzione del catabolismo ossidativo) e sono le unità costitutive degli acidi nucleici (DNA e RNA). Le basi puriniche sono formate da 2 anelli condensati, mentre le pirimidiniche hanno un solo anello. Sono dette “basi” perché alcuni azoti possono protonarsi (diventare H+) sottraendo H+ dalla soluzione.

Basi pirimidiniche (C, U, T) BIOMOLECOLE… Basi puriniche (A e G) Basi pirimidiniche (C, U, T)

ATP + H2O  ADP + Pi (fosfato inorganico) G = - 7.5 kcal/mole BIOMOLECOLE… NUCLEOSIDE = BASE + RIBOSO NUCLEOTIDE = BASE + RIBOSO + FOSFATO (mono-, bi- o trifosfato) Adenosina trifosfato (ATP) Un esempio di nucleotide trifosfato è l’ATP (adenosine triphosphate): l’ATP è la “moneta corrente” per tutti i processi che producono e che consumano energia nella cellula. E’ caratterizzato da un alto potenziale di trasferimento del fosfato: cioè l’idrolisi del legame anidridico che unisce tra loro gli ultimi 2 fosfati, libera tanta energia: ATP + H2O  ADP + Pi (fosfato inorganico) G = - 7.5 kcal/mole I motivi sono chimici: la repulsione tra cariche negative sui fosfati (minore quando perde un fosfato) destabilizza la molecola dell’ATP (= alto contenuto energetico potenziale) e la stabilizzazione di risonanza del fosfato (una volta idrolizzato) spinge la reazione verso l’idrolisi.

ATP + H2O  ADP + Pi (fosfato inorganico) G = - 7.5 kcal/mole BIOMOLECOLE… L’idrolisi dell’ATP viene sfruttata spesso nel metabolismo per spostare l’equilibrio di una reazione energeticamente sfavorevole: A  B G = + 4 kcal/mole ATP + H2O  ADP + Pi (fosfato inorganico) G = - 7.5 kcal/mole A + ATP + H2O  B + ADP + Pi G = - 3.5 kcal/mole

Il legame 3’-5’-fosfodiestereo unisce i nucleotidi adiacenti negli acidi nucleici. deossi nel DNA! 

moneta corrente per gli scambi energetici nella cellula (ATP, GTP) Oltre che come costituenti degli acidi nucleici (DNA ed RNA) alcuni nucleotidi hanno anche funzioni specifiche: moneta corrente per gli scambi energetici nella cellula (ATP, GTP) attivatori di monosaccaridi nella sintesi dei polisaccaridi (glicogeno e proteoglicani) e delle glicoproteine (UTP) compongono la molecola dei coenzimi NAD+, NADP+, FAD, CoA (AMP) secondi messaggeri (cAMP, cGMP, cADPR) cADPR

I COENZIMI DINUCLEOTIDICI: NAD+ E FAD NAD+ e FAD sono i coenzimi delle deidrogenasi, la classe di enzimi che catalizza le reazioni di ossido-riduzione. Entrambi sono dinucleotidi contenenti AMP. I due mononucleotidi sono uniti da un legame fosfoanidridico. Nicotinammide adenina dinucleotide

Flavina adenin dinucleotide Il flavin-mononucleotide (FMN) è anche presente come gruppo prostetico (parte non proteica essenziale alla funzione) nel 1° complesso della catena respiratoria.

Il NAD+ è il coenzima nelle reazioni di ossidazione dei gruppi alcolici ad aldeidici e dei gruppi aldeidici a carbossilici (esempi nella glicolisi e ciclo di Krebs). Il NADH trasporta 2 elettroni e 1 H+. Il secondo H+ liberato dall’ossidazione del substrato è libero nel mezzo. Nicotinammide ossidata Nicotinammide ridotta

Il NADPH è il donatore di elettroni nelle biosintesi riduttive Il NADP+ differisce dal NAD+ per la presenza di un gruppo fosfato sul carbonio 2 del riboso che porta l’adenina. Il NADPH è il donatore di elettroni nelle biosintesi riduttive

Dosaggio spettrofotometrico del NADH Il cambiamento della disposizione dei doppi legami nella nicotinammide ridotta causa un aumento di assorbimento a 340 nm del NADH rispetto al NAD+, sfruttato in numerosi dosaggi enzimatici. In principio, si può utilizzare questa strategia sia per dosare l’attività di un enzima in un liquido biologico (aggiungendo substrato e coenzima in eccesso), sia per dosare la quantità di substrato presente in un campione biologico (aggiungendo enzima e coenzima in eccesso). La riduzione del NAD+ a NADH determina un aumento dell’assorbimento a 340 nm, viceversa il consumo di NADH determina una diminuzione dell’assorbimento a 340 nm: queste misure di assorbimento si fanno allo spettrofotometro. Anche una reazione non deidrogenasica può essere seguita allo spettrofotometro, se viene accoppiata ad una deidrogenasica (NAD-dip), tramite un intermedio comune: A + B  C + D C + NAD+  F + NADH Enzima 1 Enzima 2

Il FAD è il coenzima delle deidrogenasi nelle reazioni di ossidazione di catene alifatiche (ciclo di Krebs, ossidazione acidi grassi). Il FAD trasporta 2 elettroni e due protoni, cioè due idrogeni. Anche il FAD cambia spettro di assorbimento quando è ridotto: diminuisce l’assorbimento a 458 nm.

La fosforilazione ossidativa Nel processo della fosforilazione ossidativa, che si svolge sulla membrana mitocondriale interna, la riossidazione dei coenzimi ridotti NADH e FADH2 (prodotti nelle reazioni di ossidazione dei substrati durante il catabolismo ossidativo) è accoppiata alla fosforilazione dell’ADP ad ATP.

Fasi della fosforilazione ossidativa Le proteine trasportatrici di elettroni (la “catena respiratoria”) trasportano gli elettroni dai coenzimi ridotti (che vengono ossidati) all’ossigeno, che viene ridotto ad acqua. Il flusso elettronico è una forma di energia che i complessi 1°-2°-3° sono in grado di sfruttare per pompare protoni nello spazio intermembrana: si genera così un gradiente protonico ai due lati della membrana mitocondriale interna. I protoni concentrati nello spazio intermembrana rientrano spontaneamente nella matrice mitocondriale, spinti dal gradiente elettrochimico, passando attraverso l’ATP sintetasi. Questo complesso proteico è in grado di sfruttare l’energia del flusso protonico per fosforilare l’ADP ad ATP secondo la reazione: ADP + Pi  ATP + H2O Ogni mole di ATP formato richiede 7,5 kcal di energia. Per ogni NADH riossidato si producono 3 ATP; per ogni FADH2 riossidato si producono 2 ATP (meno che dal NADH perché gli elettroni donati dal FADH2 entrano nella catena respiratoria dopo la prima pompa protonica e quindi si produce un gradiente protonico minore rispetto a quello generato dal NADH).

COENZIMI VITAMINICI Gli enzimi sono i catalizzatori delle reazioni biologiche: molto spesso però gli enzimi da soli non sono in grado di catalizzare la loro specifica reazione, ma necessitano di molecole non proteiche, dette coenzimi, che li “aiutino”. Il coenzima interviene con alcuni suoi gruppi funzionali specifici, che l’enzima non possiede, e che sono necessari durante la catalisi. I coenzimi vengono sintetizzati nelle nostre cellule a partire da molecole, le vitamine idrosolubili, che invece non siamo in grado di produrre: in altre parole, i coenzimi sono vitamine modificate chimicamente. NAD+ e FAD sono due esempi di coenzimi vitaminici. Le vitamine sono prodotte dalle piante e, in qualche caso, dai batteri intestinali.

VITAMINE… I sintomi da deficit vitaminico sono rari nella nostra società, ma possono verificarsi in: soggetti anziani (cattiva alimentazione, malassorbimento), alcolisti (cattiva alimentazione, epatopatia, malassorbimento), terapia anticonvulsivante cronica (deficit folati e vit. D), ripetute gravidanze con allattamento (aumentato fabbisogno), gastrite atrofica (deficit produzione fattore intrinseco necessario per assorbimento B12), diete vegetariane strette e di lunga durata. I sintomi generici da deficit sono simili per tutte le vitamine coenzimatiche, poiché derivano dall’alterazione del metabolismo energetico, che colpisce prevalentemente i tessuti con elevate necessità metaboliche (in rapida crescita, come epiteli, mucose, cellule del sangue, o ad attività metabolica elevata, come sistema nervoso e apparato muscolare). I sintomi generici comprendono dermatite, cheilite, glossite, neuropatie periferiche, incoordinazione motoria, faticabilità, malessere, diarrea.

Piruvato deidrogenasi e KGA-deidrogenasi (ciclo di Krebs) VITAMINA COENZIMA ENZIMA/FUNZIONE SINTOMI DA DEFICIT RDA mg Tiamina (B1) TPP Piruvato deidrogenasi e KGA-deidrogenasi (ciclo di Krebs) Atassia, oftalmoplegia, confusione mentale, faticabilità. 1-1.5 Acido Pantotenico (B5) Coenzima A Trasportatore-attivatore di acili Non noti, forse perché molto diffuso negli alimenti. Piridossina (B6) PLP Transaminasi Neuropatie periferiche, anemia sideroblastica. 1.4-2.0 Biotina (H) Biocitina Carbossilasi Prodotta dai batteri intestinali. Ac. folico THF Trasf. unità carboniose nella sintesi purine e dTMP (sintesi DNA) Anemia megaloblastica; difetti del tubo neurale in neonati da madri deficitarie. 0.2-0.4 Ac. nicotinico (PP) NAD+ Deidrogenasi (trasf. elettroni) Pellagra: dermatite fotoreattiva, diarrea, demenza 13-19 Riboflavina (B2) FAD Cheilite, dermatite, glossite 1.2-1.7

Aiuta l’assorbimento del ferro. VITAMINE… Ac. Ascorbico (C) Non è un coenzima, ma è necessario come substrato durante la sintesi del collagene. Aiuta l’assorbimento del ferro. Idrossilazione di Lys e Pro nel proto-collagene, necessario per legami covalenti tra fibrille. Anti-ossidante. Scorbuto: fragilità capillare e del collagene tissutale, osteoporosi, cattiva riparazione ferite e fratture 60 Cobalamina (B12) Non è un coenzima, ma è necessaria durante una reazione del ciclo del THF. Nella carne (fegato). Recupero del THF dal metil-THF; recupero del metilmalonil-CoA a succinil-CoA. Anemia megaloblastica; deficit neurologici da demielinizzazione. 1 RDA = recommended dietary allowance = dose giornaliera consigliata

VITAMINE LIPOSOLUBILI Le vitamine liposolubili non formano coenzimi, ma sono piuttosto da considerare come molecole segnale (ormoni). Sono depositate nel fegato: i sintomi da deficit possono richiedere anni prima di manifestarsi a seguito di condizioni favorenti: malassorbimento lipidico, epatopatie croniche, alcolismo, terapia antibiotica protratta, nefropatie croniche. Le vitamine liposolubili sono: A, D, E e K.

retinolo, retinale, ac. retinoico VITAMINA FUNZIONE SINTOMI DA DEFICIT RDA mg A retinolo, retinale, ac. retinoico Anti-ossidante, regola proliferazione e differenziamento cellulare, compone il pigmento visivo (rodopsina) Cecità notturna, ipercheratosi, anemia. 6 (-carotene) D colecalciferolo, D3 7-deidrocol. è attivato a D3 dalla luce UV. D3 è attivato per idrossilazione nel fegato e nel rene a 1,25-(OH)2D Stimola assorbimento intestinale del Ca2+, inibisce l’escrezione renale e aumenta il riassorbimento di Ca2+ dall’osso (insieme a PTH) Rachitismo nei bambini, osteomalacia nell’adulto. 1-2 E Miscela di composti vegetali: tocoferoli Anti-ossidante nelle membrane, lipoproteine e tessuto adiposo; stabilizza CoQ (respirazione mitocon.) Non noti K Sintetizzato dai batteri intestinali Richiesta per la sintesi epatica dei fattori della coagulazione 2°, 7°, 9° e 10°, e di osteocalcina Aumento del tempo di coagulazione; osteoporosi. 0.08