Il complesso mondo della biochimica: dalle macromolecole al metabolismo

1) La biochimica.

Elementi fondamentali della biochimica

Nel mondo degli organismi viventi, sono presenti molti tipi di macromolecole, ma gli elementi che le costituiscono sono principalmente quattro: idrogeno, ossigeno, carbonio e azoto. Mentre nel corpo umano, gli atomi di idrogeno sono più numerosi, la percentuale di carbonio può essere più che doppia. Le grandi molecole biologiche si dividono in: carboidrati (o glucidi o zuccheri), lipidi (o grassi), proteine e acidi nucleici. L’acqua è la molecola presente in maggior quantità in tutti gli organismi, anche se tale presenza può variare moltissimo in funzione della specie, delle fasi vitali e delle condizioni ambientali. Carboidrati e lipidi sono utilizzati in buona parte come fonte di energia, ma mentre i carboidrati non vengono accumulati in grande quantità, i lipidi sono presenti in misura variabile da individuo a individuo.

2) Il metabolismo.

Reazioni cellulari e metabolismo

Gli organismi viventi sono costituiti da cellule, ciascuna delle quali hanno una struttura autonoma. In queste strutture avvengono continuamente reazioni tra specie chimiche molto semplici, come l’acqua e gli ioni. L’insieme delle reazioni che avvengono nelle cellule e, più in generale, nell’organismo prende il nome di metabolismo. Le reazioni biochimiche sono organizzate in sequenze molto complesse, che vengono descritte con mappe metaboliche. In esse si riportano i reagenti (precursori), i prodotti (metaboliti), la direzione delle reazioni e il loro aspetto energico (reazioni endoergoniche e esoergoniche). La maggior parte delle reazioni biochimiche sono reversibili. Le molteplici funzioni cellulari, come il trasporto delle membrane, la sintesi di biomolecole, il mantenimento dell’omeostasi, lo sviluppo e l’accrescimento, avvengono grazie a reazioni endoergoniche che possono avere luogo soltanto grazie a un assorbimento di energia.

Energia e trasformazioni cellulari

Il meccanismo vitale di ogni cellula consiste nella trasformazione di macromolecole a elevato di ordine in molecole più semplici per mezzo di un “convertitore”, che permette di liberare sia energia utilizzabile nel metabolismo, sia una certa quantità di calore. La principale molecola che fornisce l’energia necessaria per quasi tutte le forme di lavoro cellulare è l’adenina trifosfato (o ATP). Esso è costituito da adenina, una base azotata, costituente degli acidi nucleici; allo zucchero è attaccato anche un gruppo trifosfato, una catena di tre gruppi fosfato. Quando il legame tra il secondo e il terzo gruppo fosfato si spezza, l’ATP diventa ADP, con due gruppi fosfato. L’energia ottenuta dai metaboliti è impegnata per effettuare lavoro meccanico, chimico ed elettrico. L’insieme delle reazioni di degradazione delle molecole complesse in sostanze più semplici è detto catabolismo, quello delle reazioni di sintesi delle grandi molecole con riduzioni anabolismo. Le reazioni cataboliche liberano energia (reazioni esoergoniche), mentre le reazioni anaboliche, per poter avvenire, richiedono energia (reazioni endoergoniche).

3) I carboidrati.

Struttura e funzione dei carboidrati

I carboidrati, chiamati anche glucidi o zuccheri, sono costituiti da carbonio, ossigeno e idrogeno e la loro formula generale è CnH2nOn, che si può rappresentare anche come (CH2O)n. I carboidrati sono le molecole delle quali ogni organismo ricava energia, scindendone i legami chimici con complessi sistemi di reazioni. Il risultato è un sistema stabile. In natura, i carboidrati sono prodotti dei cloroplasti presenti nelle cellule vegetali attraverso la fotosintesi clorofilliana, a partire da molecole di CO2 e H2O: 6 CO2 + 6 H2O -------------------------> C6H12O6 + 6 O2. L’energia solare assorbita è convertita in energia chimica sotto forma di molecole di zuccheri. Gli animali ricavano l’energia di cui necessitano nutrendosi di queste molecole. Esse vengono ossidate e parte dell’energia liberata consente di formare ATP.

A) Monosaccaridi.

Monosaccaridi e loro caratteristiche

I più semplici sono i monosaccaridi, che rappresentano anche i monomeri, cioè le “unità di base”. Esse contengono 4, 5 o 6 atomi di carbonio, ma i più diffusi in natura sono i pentosi (5 atomi di carbonio) e gli esosi (6 atomi di carbonio). I gruppi funzionali che caratterizzano i monosaccaridi e, di conseguenza, tutti i glucidi sono il gruppo alcolico, aldeidico e chetonico. A seconda che contengano il gruppo funzionale aldeidico o chetonico, i monosaccaridi si dividono in aldosi e chetosi. Di ogni composto esistono numerosi isomeri, perchè molti atomi di carbonio sono asimmetrici. I glucidi di interesse biologico hanno una conformazione relativa D. Le molecole dei carboidrati sono cicliche; questo avviene perchè le rotazioni dei legami C-C consentono l’avvicinamento tra il gruppo ossidrilico e quello carbonilico. I monosaccaridi più conosciuti, oltre il glucosio, che è la principale fonte di energia per i viventi, sono il fruttosio, presente nella frutta e nel miele, il ribosio e il desossiribosio.

B) Olgisaccaridi.

Olgisaccaridi e loro importanza

Le molecole dei monosaccaridi spesso si uniscono e formano strutture più complesse. Gli olgisaccaridi sono carboidrati la cui molecola deriva dalla condensazione di più molecole di monosaccaridi, da due a cinque, con perdita di una o più molecole d’acqua e formazione di un legame (detto glicosidico). I più rappresentati tra gli olgisaccaridi sono i disaccaridi, formati dall’unione di due monosaccaridi, che possono essere uguali e diversi tra di loro. Il saccarosio è costituito dall’unione di una molecola di glucosio e una di fruttosio e fornisce energia per tutte le parti dell’organismo vegetale, il lattosio è formato da glucosio e galattosio, mentre il maltosio da due molecole di glucosio. Infine, il cellobioso, presente nella cellulosa, è anch’esso formato da due molecole di glucosio.

C) Polisaccaridi.

Polisaccaridi: riserva e sostegno

I polisaccaridi sono sintetizzati a partire da singoli monosaccaridi che vengono legati tra di loro tramite reazioni di condensazione. Sono, perciò, polimeri di monosaccaridi. Essi possono essere formati da un unico tipo di monosaccaride (omopolisaccaridi) o da monosaccaridi diversi (eteropolisaccaridi). I tre polisaccaridi più comuni, l’amido, il glicogeno e la cellulosa, sono tutti polimeri del glucosio, ma differiscono tra loro per il peso molecolare e per la reciproca orientazione degli atomi. I polisaccaridi si dividono in due categorie: di riserva e di sostegno. I primi sono rappresentati dall’amido e dal glicogeno, che svolgono una funzione di riserva e di energia, rispettivamente negli animali e nei vegetali. Contenuto nella pasta, nel pane, nel riso, nelle patate e nei legumi, i granuli di amido contengono un miscuglio di amilosio e di amilopectina. Il glicogeno, oltre ad avere una struttura simile all’amido, funge da riserva di energia negli animali. Tra i polisaccaridi di sostegno, vi è la cellulosa, presente nella parete esterna di ogni cellula vegetale e responsabile della struttura delle piante. Rispetto all’amido, nella cellulosa il legame tra le molecole di glucosio è diverso, e le cellule umane non sono in grado di demolirlo. Altri polisaccaridi sono costituiti da polimeri di derivati degli zuccheri semplici, come la chitina, componente dell’esoscheletro degli insetti e dei crostacei. Tra gli eteropolisaccaridi (o glicani), è presente l’acido ialuronico, presente nei tessuti connettivi.

4) Il metabolismo dei glucidi: la posizione del glucosio.

Metabolismo del glucosio

Il glucosio è il monosaccaride che partecipa al maggior numero di reazioni intracellulari, e occupa una posizione centrale nel metabolismo di tutti gli organismi. Le vie metaboliche del glucosio sono articolate e complesse. Esse portano alla produzione di ATP sia alla costruzione di nuove molecole utili in altri cicli. I principali percorsi in cui il glucosio è coinvolto sono: la glicogenolisi, la gluconeogenesi, la glicogenosintesi, la glicolisi, il ciclo di Krebs, la fermentazione e la via dei pentoso-fosfati.

A) La glicogenolisi e la gluconeogenesi.

Glicogenolisi e gluconeogenesi

Una prima via seguita dagli organismi viventi per ottenere glucosio è la glicogenolisi, che consiste nella degradazione della riserva di glicogeno per liberare glucosio. La demolizione del glicogeno avviene per mezzo di un enzima, la fosforilasi, che permette la rottura del legame  1,4 glicosidico, con l’introduzione di una molecola di fosfato. Quando il glucosio introdotto non è sufficiente, un processo metabolico per ottenere maggiori qualità è la gluconeogenesi, che consiste nella sintesi di nuove molecole di glucosio a partire da materiale non glucidico. Si tratta di un processo che avviene principalmente nei reni e nel fegato, dove permette la sintesi di nuove molecole di glucosio, quando le altre fonti sono esaurite, a partire da molecole diverse come il piruvato, gli intermedi del ciclo di Krebs, l’acido lattico e anche alcuni amminoacidi. La gluconeogenesi è un processo necessario per la vita stessa della cellula.

C) La glicogenosintesi.

Glicogenosintesi e conservazione

Il glucosio in eccesso, all’interno dell’organismo, deve essere convertito in una forma polimerica che ne consenta il trasporto e la conservazione: il glicogeno. La glicogeno sintesi è la via per la sintesi di glicogeno a partire dal glucosio e avviene in massima parte nel fegato e nel muscolo scheletrico. Il glucosio libero viene fosforilato, a spese dell’ATP, in glucosio-6-fosfato in glucosio-1-fosfato.

D) La glicolisi.

Glicolisi: ossidazione del glucosio

Il primo stadio della respirazione cellulare è la glicolisi, che consiste nell’ossidazione del glucosio, in cui una singola molecola di glucosio a sei atomi di carbonio viene scissa in due molecole di piruvato a tre atomi di carbonio. L’ossidazione del glucosio avviene solo dopo che lo zucchero è stato attivato per mezzo di due molecole di ATP, processo detto fosforilazione. Dalla glicolisi si recuperano 2 molecole di NADH e H+ e 4 di ATP. La glicolisi comprende nove reazioni chimiche diverse ed è un processo anaerobico, cioè non richiede la presenza di ossigeno. I composti che si formano nel passaggio dal reagente iniziale (il glucosio) al prodotto finale (il piruvato) sono detti prodotti intermedi. I passaggi della glicolisi possono essere suddivisi in due fasi principali. Le prime quattro consumano energia e costituiscono una fase preparatoria in cui l’ATP viene usato per scindere la molecola di glucosio in due zuccheri a catena più corta. I successivi cinque passaggi, corrispondenti alla fase conclusiva della glicolisi, producono energia utile alla cellula. In questa seconda fase, per ciascuna molecola iniziale di glucosio sono prodotte 2 molecole di NADH e 4 di ATP, con la produzione di acido piruvico.

E) Il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa.

Ciclo di Krebs e fosforilazione

L’ossidazione del glucosio prosegue all’interno del ciclo di Krebs. Le molecole di piruvato che si formano durante la glicolisi vengono trasformate in un composto a due atomi di carbonio, che si unisce al coenzima A, formando una molecola di acetilcoenzima A, che immette il gruppo acetile nel ciclo di Krebs. Durante la prima reazione del ciclo l’acetil-CoA si lega a una molecola a 4 atomi di carbonio, l’ossalacetato, e libera il coenzima A. Si forma così il citrato. In una serie di reazioni successive, alcuni legami vengono spezzati e ristabiliti, 2 atomi di carbonio vengono rilasciati sotto forma di diossido di carbonio e si formano 1 molecola di ATP, 3 molecole di NADH e 1 di FADH2. L’ultima reazione della serie rigenera la molecola di ossalacetato iniziale. Dato che per ogni molecola di glucosio vengono prodotte 2 molecole di acetil-CoA, anche la seconda molecola di acetil-CoA entra nel ciclo di Krebs. Ovviamente, subisce la stessa serie di reazioni, liberando diossido di carbonio e producendo NADH, FADH2 e ATP. Al termine, per ogni molecola di glucosio, la cellula ha guadagnato 2 molecole di ATP che possono essere utilizzate subito. Tuttavia la maggior parte dell’energia liberata dai legami del glucosio è ora accumulata nelle molecole di NADH e FADH2. Le reazioni di ossidazione della glicolisi e del ciclo di Krebs non richiedono ossigeno, il quale è necessario per l’ultima fase della respirazione, la catena respiratoria (o catena di trasporto degli elettroni), nella quale l’energia contenuta nel NADH e nel FADH2 formati nella glicolisi e nel ciclo di Krebs viene utilizzata per produrre ATP. Nella fosforilazione ossidativa il NADH e il FADH2 cedono i propri elettroni ai complessi enzimatici delle molecole trasportatrici di elettroni. L’energia liberata viene usata per trasportare elettroni contro il gradiente di concentrazione, accumulando energia potenziale (catena di trasporto degli elettroni). Successivamente gli ioni idrogeno attraversano la membrana passando nel canale dell’ATP sintetasi (chemiosmosi). Questo passaggio attiva i siti della sintetasi che legano i gruppi fosfato alle molecole dell’ADP, formando ATP.

F) La fermentazione e la via dei pentoso-fosfati.

Fermentazione e via dei pentoso-fosfati

Molti microrganismi, per soddisfare le proprie esigenze enzimatiche, utilizzano le molecole di ATP ottenute durante la fermentazione, un processo meno efficiente della respirazione cellulare che si verifica in condizioni anaerobiche, cioè in mancanza di ossigeno. Tale processo consiste nella trasformazione del glucosio in acido piruvico (fermentazione lattica) o in acido etilico (f. alcolica) ed è realizzato nei batteri e nei lieviti. Nelle cellule muscolari, la fermentazione ha un ruolo di emergenza: da un lato, in carenza di ossigeno, permette di recuperare una quantità minima di ATP; dall’altro facilita la conversione del NADH a NAD+, utilizzabile per rendere possibili altri processi. Nel citoplasma delle cellule avviene un altro processo ossidativo del glucosio: la via (o ciclo) dei pentoso fosfati: una via ossidativa anaerobica alternativa del glucosio per la produzione di pentosi come il ribosio. Si tratta di una strada secondaria che porta alla formazione dei nucleotidi per produrre gli acidi nucleici. Inoltre, questa via è indispensabile per la sintesi degli acidi grassi nel fegato, per la biosintesi del colesterolo e nella ghiandola mammaria.