Seconda Università degli Studi di Napoli
DiSTABiF
Anno Accademico 2015-16
Corso di Laurea Magistrale in
SCIENZE DEGLI ALIMENTI E DELLA NUTRIZIONE UMANA
Insegnamento di
BIOCHIMICA e BIOTECNOLOGIE
degli ALIMENTI
Prof. Augusto Parente
Lezione 8-11.04.2016
Riossidazione di NADH citoplasmatico
- Spola
malato-aspartato
- Spola del glicerolfosfato
Transamminazioni
L-
Sintesi di NADPH (x biosintesi acidi grassi, riduzione di GSSG, ecc.)
1- Il citrato viene portato all’esterno dei mitocondri
e scisso in Acetil-CoA e ossalacetato.
Quest’ultimo viene trasformato in malato che, ad opera dell’enzima malico da piruvato,
CO2 e NADPH+H+:
Il
L’acetil S-CoA verrà utilizzato per la sintesi degli ACIDI GRASSI
che utilizza appunto NADPH+H+ come agente riducente
2- Via dei pentoso-fosfati
La sintesi di NADPH
Enzima malico
1
2
3
4
Le reazioni anaplerotiche o di riempimento
Piruvato carbossilasi
Biotina
1
Piruvato + HCO3
2
Fosfoenolpiruvato + HCO + GDP
3
3
Fosfoenolpiruvato + HCO
3
4
Piruvato + HCO 3
ATP
ADP + Pi
PEP carbossichinasi
PEP carbossilasi
Enzima malico
NAD(P)H
Ossalacetato
NAD(P)+
Ossalacetato + GTP
Ossalacetato + Pi
Malato
Enzimi coinvolgenti amminoacidi
- Glutammico deidrogenasi
- Reazione di transamminazione
2
PEP carbossichinasi
3
Attivata da F-1,6-bisfosfato
1
4
Ciclo del gliossilato
(nei semi oleosi)
LA VIA DEI PENTOSO-FOSFATI
SHUNT DELL’ESOSOMONOFOSFATO
EPIMERI
3
D-Ribulosio
3
D-Xilulosio
3
L-Ribulosio
3
L-Xilulosio
ADP+ Pi
ATP
REAZIONI
BIOSINTETICHE
Prodotti biosintetici
ridotti
NADPH + H+
NADP+
Sostanze
ridotte
Precursori
ossidati
CATABOLISMO
NAD+
Prodotti ossidati
NADH + H+
FOSFORILAZIONE
OSSIDATIVA
H2O
ATP
ADP+ Pi
O2
ADP+ Pi
ATP
REAZIONI
BIOSINTETICHE
Prodotti biosintetici
ridotti
NADPH + H+
NADP+
Sostanze
ridotte
Precursori
ossidati
CATABOLISMO
NAD+
Prodotti ossidati
NADH + H+
FOSFORILAZIONE
OSSIDATIVA
H2O
ATP
ADP+ Pi
O2
Catena di trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa;
Formazione di ROS
Provenienza dei coenzimi ridotti
- Dalla glicolisi aerobica: trasferimento di NADH nei mitocondri mediante
le spole malato-aspartato e glicerolfosfato (NADH/FADH2)
- Dalla piruvato deidrogenasi (NADH)
- Dal ciclo di Krebs (NADH e FADH2)
- Dalla b-ossidazione degli acidi grassi (FADH2 e NADH)
Componenti proteici che fanno parte della catena di trasporto degli elettroni
Complesso
Subunità
Massa (kDa)
Gruppo(i) prostetico(i)
43 (14)*
850
FMN, Fe-S (22-24
in 5-8 centri)
4
140
FAD, Fe-S (8 in
3 centri)
Ubichinolocitocromo c
riduttasi
11
250
Eme (Citocromo b560)
Fe-S (2), altri citocromi
Citocromo c
1
13
Eme
IV
Citocromo
ossidasi
13 (3-4)*
160
Eme a3 , a CuA, CuB
V
Fo-F1 ATP
sintasi
(ATPasi)
9
> 500
(α, β, γ)2, δ, ε
“macchina rotante”
I
NADH ubichinone
deidrogenasi
II
Succinicoubichinone
riduttasi
III
*Fra parentesi i numeri di subunità dei complessi batterici
-Sintesi di ATP
- Sintesi di H2O
Formazione di RADICALI LIBERI
e catena di trasporto degli elettroni
Superossido
La velocità di entrata degli
elettroni nella catena respiratoria
e la velocità di trasferimento degli
elettroni lungo la stessa non sono
uguali.
Specie Reattive dell’Ossigeno (ROS) e radicali liberi
Leuzzi et al. 274; Cozzani-Dainese, 255
La produzione biologica di radicali e ROS non è solo una
conseguenza di incompleti trasferimenti di e- all’O2, ma anche di
reazioni metaboliche che utilizzano tali specie chimiche per
specifiche funzioni.
R
O
S
Ossigeno singoletto:
Radicale superossido:
Radicale idrossile:
Radicale alcossido:
Radicale perossido
Perossido d’idrogeno:
Perossidi lipidici:
1O
2
O 2
•OH
RO
ROO
H2O2
LOOH
cattura di un eRadicali liberi
FUNZIONE di RADICALI e ROS
Le funzioni sono solo in parte chiarite
• PRODUZIONE di H2O2
Vie metaboliche che portano ad acido URICO
Xantina ossidasi
-flavoenzima
- molibdeno
- 4 centri Fe-S
- l’accettore di e- è O2 molecolare
•PRODUZIONE di H2O2 nei perossisomi
La b-ossidazione avviene anche nei perossisomi
Perossisoma
Cellule animali: mitocondri
Cellule vegetali
Nelle cellule vegetali il sito principale della b-ossidazione degli acidi grassi sono i
perossisomi delle foglie e nei gliossisomi dei semi in germinazione.
La differenza con la b-ossidazione che avviene nei mitocondri è a livello della
prima tappa: nei perossisomi la flavoproteina deidrogenasi che genera il doppio
legame trasferisce direttamente gli elettroni all’ossigeno, formando perossido
d’idrogeno H2O2 .
Il perossido d’idrogeno è un forte ossidante .
Esso viene scisso in H2O e O2 dall’enzima catalasi
(numero di turnover (kcat) = 4x107)
UTILIZZAZIONE DI H2O2 nella BIOSINTESI DEGLI ORMONI TIROIDEI
Nella tiroide H2O2 è utilizzato, attraverso una
perossidasi, per la iodazione degli ormoni tiroidei.
H2O2 e altri perossidi possono indurre l’espressione di geni controllati dal fattore
di trascrizione citoplasmatico NF-kB.
Viene rimossa una subunità inibitoria ed il fattore attivato migra nel nucleo.
Radicale superossido O2Il radicale superossido è generato sia da meccanismi di riduzione univalente dell’O2, sia
da ossidasi presenti in diverse sedi. Esso è capace di produrre radicali e ROS.
CONCORRE a vitali funzioni biologiche come la “difesa da agenti infettivi”. Infatti,
durante il processo di fagocitosi (cioè inglobamento e distruzione di microrganismi
Infettivi e virus da parte di cellule ematiche della serie bianca), avviene una “esplosione
respiratoria), cioè la rapida generazione di alte concentrazioni di radicale superossido
O - che a sua volta produce altri radicali e ROS che inattivano rapidamente l’agente
2
infettivo. I fagociti attivati producono anche acido ipocloroso HOCL che reagendo con il
radicale superossido genera il radicale idrossile.
HOCl + O2- OH + Cl- + O2.
Specie reattive dell’AZOTO
L’ossido nitrico NO ha funzioni anche più importanti ed estese.
1- Effetto rilassante sulla muscolatura liscia dei vasi: vasodilatazione e conseguente
ipotensione; controllo della pressione arteriosa;
.
2- Reazione di NO con O2- riduce la concentrazione del radicale vasodilatatore e quindi
potrebbe avere un ruolo patogenetico nell’instaurarsi dell’ipertensione arteriosa.
3- Un prodotto di reazione 2, il perossinitrito, (OONO- (NO3-) potrebbe ossidare residui
tiolici
essenziali
per
l’attività
enzimatica
e/o
modificare
attraverso
idrossilazione/nitrazione amminoacidi aromatici coinvolti nei meccanismi molecolari di
trasmissione del segnale.
DANNI DA RADICALI LIBERI
In generale, gli effetti delle ROS sulle cellule sono spesso:
- Danno al DNA
- Perossidazione dei lipidi. Ossidazione di acidi grassi polinsaturi nei lipidi;
- Ossidazione degli amminoacidi nelle proteine;
- Inattivazione di specifici enzimi attraverso l’ossidazione di cofattori.
Il 2% circa dell’ossigeno che respiriamo va a generare radicale superossido e altre
ROS. Sono anche presenti eventi patologici (infezioni, reazioni infiammatorie, ecc.)
Il radicale superossido O-2 è di per sé poco tossico, ma può generare acqua
ossigenata, radicale idrossile e perossinitrito.
Acqua Ossigenata: fino alla [ µM ] ha scarse capacità ossidanti. Ma può attaccare
alcuni enzimi quando raggiunge [50 µM ].
La pericolosità di O-2 e H2O2 è legata alla generazione di OH.
Il radicale idrossile OH è prodotto anche dalle radiazioni ionizzanti, sia di origine
naturale (radon, radiazioni cosmiche), sia artificiali (raggi X, radiazioni , ecc) che
decompongono la molecola dell’acqua (radiolisi) generando OH.
Questo radicale è estremamente reattivo e pur avendo un raggio d’azione molto
breve, può innescare reazioni a catena, provocando gravi danni alle membrane
biologiche (perossidazione dei lipidi), alle proteine e al DNA:
Il radicale idrossile OH può essere generato anche a partire da H2O2 in presenza
di ioni Fe2+ e Cu2+ (reazione di Fenton)
H2O2 + Fe2+ (o Cu+)
Fe3+ (o Cu2+) + OH
+ OH-
Pertanto si ritiene che la concentrazione di questi ioni in forma libera rappresenti
un fattore critico nel meccanismo di danno alle biomolecole e alle biostrutture da
parte di OH.
Gli enzimi che in condizioni normali, difendono le cellule dal danno delle ROS:
- Superossido dismutasi
- Catalasi
- Lattoperossidasi
- Glutatione perossidasi
- Perossiredossine
Un ruolo importante come antiossidanti cellulari è svolto da molecole come:
• Vitamina C (acido ascorbico),
- Frutta e verdura
• Vitamina E (tocoferoli e tocotrienoli),
- Oli vegetali
• Antiossidanti polifenolici (resveratrolo, flavonoidi) - vino rosso, tè, caffè, soia, origano, frutta, olio d'oliva,
cioccolato fondente con cacao amaro
• Carotenoidi (licopene, carotene)
- Frutta e verdura
• Acido urico
• Glutatione
Glutatione ridotto GSH
Glutatione ossidato: GSSG
