Il metabolismo cellulare: reazioni, enzimi e regolazione energetica

Metabolismo cellulare = somma di tutte le reazioni interne alla cellula che producono energia, sintetizzano nuove molecole ed eliminano rifiuti.

L’organismo assume le biomolecole attraverso la dieta: queste vengono degradate in molecole più piccole fino a diventare anidride carbonica e acqua. L’energia ricavata viene immagazzinata nella molecola di ATP (nucleotide) e può essere riutilizzata per compiere dei processi, tra cui la costruzione di molecole più complesse, il movimento e l’eliminazione di sostanze di scarto.

Catabolismo = insieme delle reazioni che portano alla demolizione delle macromolecole. Queste reazioni avvengono con una diminuzione dell’energia libera > esoergoniche (l’energia libera dei prodotti, in questo caso cataboliti, è minore di quella dei reagenti).

Anabolismo = insieme delle reazioni che portano alla sintesi di molecole complesse a partire da molecole semplici. Queste reazioni avvengono con l’aumento dell’energia libera > endoergoniche (l’energia libera dei prodotti, in questo caso anaboliti, è maggiore di quella dei reagenti).

Stadi delle reazioni cataboliche

Le reazioni cataboliche avvengono in 4 stadi:

Durante la digestione, le macromolecole vengono scisse in molecole più semplici attraverso reazioni di idrolisi grazie all’azione di enzimi specializzati:

Carboidrati > unità monosaccaride (amido  amilasi)

Grassi (trigliceridi) > glicerolo e acidi carbossilici

Proteine > amminoacidi costituenti

In questo stadio non viene prodotta energia utilizzabile dalla cellula.

Monosaccaridi, acidi grassi e amminoacidi subiscono reazioni cataboliche specifiche e vengono degradati tutti nello stesso composto, l’acetil-CoA, molecola formata da un gruppo acetile e dal coenzima A(CH3CO-CoA).

L’acetil-CoA entra nel ciclo di Krebs (o ciclo dell’acido citrico), una serie di ossidoriduzioni che portano il gruppo acetilico a diventare anidride carbonica.

I prodotti ottenuti vengono nuovamente ossidati dalla catena respiratoria e dalla fosforilazione ossidativa, che portano alla formazione di acqua ed energia sotto forma di ATP.

Le reazioni anaboliche hanno inizio dal ciclo di Krebs, fase in cui le piccole molecole introdotte si trasformano in composti più pesanti. A seguire si andranno a formare carboidrati, lipidi e proteine che erano stati scissi precedentemente, utilizzando l’energia accumulata nell’ATP.

Via metabolica = serie di reazioni, catalizzate da enzimi, che avvengono secondo una determinata sequenza. Da uno specifico precursore, quindi, si ottiene uno specifico prodotto grazie alla formazione di intermedi metabolici.

Metaboliti = prodotti intermedi o finali delle vie metaboliche.

Le vie metaboliche possono essere:

Lineari > quando un precursore è convertito nel prodotto finale con la formazione di sostanze medie;

Ramificate > si distinguono in convergenti (se da più precursori si ottiene lo stesso prodotto finale) e divergenti (se da un precursore si formano prodotti differenti);

Cicliche > quando un composto di partenza è trasformato nel prodotto finale con una serie di reazioni cicliche, in cui gli intermedi vengono rigenerati.

In genere le vie cataboliche sono convergenti, mentre quelle anaboliche divergenti. Le vie metaboliche non sono isolate ma interdipendenti fra loro. In molti casi l’energia rilasciata dalle reazioni cataboliche è utilizzata per far avvenire le reazioni anaboliche (vie metaboliche accoppiate).

Ruolo e caratteristiche degli enzimi

Gli enzimi: proteine specializzate

Enzimi = proteine che svolgono il ruolo di catalizzatori nelle reazioni che avvengono nelle cellule. La molecola sulla quale agisce l’enzima è detta substrato.

Il termine “enzima” fu coniato dal fisiologo tedesco Kühne nel fine Ottocento per indicare molecole presenti negli estratti di lievito, in grado di catalizzare la trasformazione di zuccheri in alcol (“enzima” = “nel fermento”). Come tutti i catalizzatori, gli enzimi:

Aumentano la velocità nelle reazioni senza subire modifiche permanenti;

Svolgono la propria azione anche se in quantità molto ridotte rispetto agli agenti;

Agiscono determinando la diminuzione dell’energia di attivazione della reazione, facendo aumentare la velocità di reazione.

Alcune caratteristiche rendono gli enzimi dei catalizzatori particolari, come:

Sono strettamente specifici per una determinata reazione  ogni enzima catalizza una sola reazione chimica (es: l’idrolisi delle macromolecole è catalizzata da enzimi differenti specifici per il tipo di legame);

Sono strettamente specifici per un determinato substrato  ogni enzima riconosce un solo tipo di substrato e favorisce un solo tipo di reazione chimica;

Sono molto efficienti > gli enzimi possono aumentare la velocità di una reazione fino a milioni di volte;

Sono soggetti a regolazione > l’attività enzimatica può essere modulata da regolatori in funzione delle esigenze metaboliche della cellula;

Agiscono in condizioni fisiologiche specifiche > gli enzimi svolgono il loro compito in un ambiente acquoso in condizioni fisiologiche di pH e temperatura.

Gli enzimi vengono classificati in sei categorie diverse, ciascuna delle quali è ulteriormente divisa in sottoclassi. La nomenclatura ufficiale attribuisce a ogni enzima un codice numerico preceduto dalla sigla EC (Enzyme Commission). Ancora si utilizza però la nomenclatura tradizionale, basata sul nome del substrato seguito dal suffisso –asi.

Isoenzimi = forme diverse dello stesso enzima, che hanno la stessa attività catalitica ma diversa sequenza di amminoacidi nella catena polipeptidica.

Gli isoenzimi agiscono sullo stesso substrato, differenziandosi solo per la velocità di reazione e meccanismi di regolazione. Inoltre, gli isoenzimi possono trovarsi in tessuti e organi diversi all’interno del corpo umano.

Sito attivo = piccola regione, all’interno della struttura proteica, che è responsabile del riconoscimento della molecola su cui l’enzima deve agire.

Il sito attivo contiene amminoacidi capaci di interagire con un substrato specifico, determinato dalla forma della catena polipeptidica. Il substrato si lega al sito attivo attraverso numerose interazioni non covalenti (legami a H, interazioni elettrostatiche, forze di van der Waals e interazioni idrofobiche). Quando l’enzima interagisce con il substrato viene rilasciata energia, che verrà usata poi dall’enzima stesso per favorire la formazione dello stato di transizione, aumentando quindi la velocità della reazione.

L’attività enzimatica quindi può essere riassunta in tre tappe:

Il substrato (S) si lega al sito attivo dell’enzima (E) in modo reversibile, formando il complesso enzima-substrato (ES);

L’interazione tra S ed E favorisce la reazione, ovvero la conversione di substrato in prodotto (P);

Il prodotto si allontana dall’enzima (rimasto inalterato), pronto per una nuova reazione; il processo quindi può essere così schematizzato:

E + S ⇄ ES ⇄ E + P

Modelli di interazione enzima-substrato

Per spiegare l’interazione tra enzima e substrato sono stati proposti due modelli: il modello a chiave-serratura e il modello dell’adattamento autoindotto.

Secondo il primo modello, proposto a fine Ottocento da Fischer, la forma del substrato corrisponde esattamente alla forma del sito attivo e risultarne quindi complementare. Questa complementarità deve esistere ancor prima dell’interazione e la forma del sito attivo deve essere rigida.

Nel secondo modello, Koshland propone un sito attivo che può cambiare forma solo dopo aver interagito con il substrato, diventando complementare ad esso. Il sito attivo, quindi, ha una forma diversa sia prima che dopo l’interazione.

Cinetica enzimatica = si occupa dello studio della velocità delle reazioni catalizzate dagli enzimi.

Il valore massimo della velocità di una reazione catalizzata si ottiene quando l’enzima è saturato, cioè quando tutte le sue molecole sono impegnate nel legame con le molecole di substrato.

Costante di Michael-Menten = valore di concentrazione di substrato per cui la velocità è la metà di quella massima.

La velocità di reazione enzimatica dipende da vari fattori, tra cui:

Concentrazione del substrato > all’aumentare della concentrazione di substrato, aumenta la velocità di reazione fino a quando l’enzima non è saturato;

pH > al variare del pH si possono verificare alterazioni nella struttura tridimensionale dell’enzima (addirittura la denaturazione). Nelle cellule il pH ottimale è intorno a 7;

Temperatura > in una reazione chimica, l’aumento di temperatura provoca l’aumento di velocità di reazione (aumentano collisioni tra molecole). Un aumento eccessivo di temperatura può provocare la denaturazione dell’enzima.

Regolazione enzimatica e compartimentazione

La regolazione degli enzimi avviene attraverso il controllo dell’attività enzimatica o controllo dei livelli enzimatici e attraverso la compartimentazione delle vie metaboliche. Il controllo dell’attività enzimatica può avvenire attraverso il controllo allosterico, la modificazione covalente, l’inibizione competitiva e il controllo dell’espressione genica.

Controllo allosterico > enzimi che risentono di questo controllo vengono detti “allosterici” e in genere presentano una seconda regione detta sito allosterico (in alcuni casi questo può coincidere con il sito attivo). Gli effettori allosterici (o modulatori allosterici) si legano in modo reversibile al sito allosterico, cambiandone l’attività oltre che la forma. Se l’attività dell’enzima è aumentata si parla di modulazione positiva, se invece è diminuita si dice modulazione negativa.

Modificazione covalente > questa regolazione può essere reversibile o irreversibile (nel senso che gli inibitori possono essere rimossi dal legame o meno). La modificazione reversibile consiste nella formazione o rottura del legame tra determinati gruppi chimici e alcuni amminoacidi di un enzima. L’aggiunta o rimozione di questi gruppi chimici dipende da enzimi specifici, come ad esempio nella fosforilazione ( = aggiunta di gruppi fosfato) catalizzata dall’enzima proteina chinasi. La defosforilazione ( = rimozione di gruppi fosfato) avviene grazie all’enzima proteina fosfatasi. Un esempio di modulazione irreversibile invece è la scissione proteolitica, che consiste nel taglio di uno o più amminoacidi da alcuni enzimi ancora inattivi (proenzimi) che, dopo questa scissione, diventano attivi.

Inibizione competitiva > gli inibitori competitivi sono molecole che impediscono o rallentano l’azione catalitica dell’enzima: per far ciò occupano il sito attivo dell’enzima che era destinato alla molecola di substrato (perché presentano una stessa struttura), quindi entrambe competono per legarsi all’enzima.

Controllo dell’espressione genica > i geni che codificano per gli enzimi da produrre possono essere attivati o disattivati. Se disattivati, si ha un effetto permanente o temporaneo.

Esistono due tipi di compartimentazione delle vie metaboliche (che ne rende possibile la regolazione): quella cellulare e quella in organi e tessuti. Attuando un controllo sui sistemi di trasporto o produzione di molecole, all’interno della cellula, attraverso le membrane, è possibile controllare una via metabolica.

Ruolo dell'ATP nel metabolismo

L’energia ottenuta dalle reazioni metaboliche ed enzimatiche viene immagazzinata sotto forma di ATP (adenosintrifosfato), un nucleoside trifosfato formato da D-ribosio e adenina. L’ATP è una molecola instabile a causa delle repulsioni fra le cariche negative dei gruppi fosfato: quando essa è sottoposta a idrolisi (la scissione di un gruppo fosfato Pi) è in grado di rilasciare grandi quantità di energia. Dopo la reazione di idrolisi si ottengono due gruppi fosfato e l’ATP prende nome di ADP (adenosindifosfato).

ATP+H_2 O → ADP+P_i+energia

Questa è una reazione reversibile, quindi si può tornare da ADP ad ATP. L’idrolisi dell’ADP però porta ad una nuova molecola, quella di AMP (adenosinmonofosfato), che ha un solo gruppo fosfato.

ADP+H_2 O → AMP+P_i+energia

Nella cellula l’ATP ha una vita media di circa un minuto ed è continuamento prodotto e idrolizzato (sintesi di circa 40 kg di ATP).

Le reazioni biochimiche si dicono accoppiate: l’idrolisi dell’ATP è accoppiata ad una reazione endoergonica, mentre la sua sintesi è accoppiata ad un’esoergonica. In queste reazioni accoppiate, in genere, l’ATP trasferisce un gruppo fosfato ad un’altra molecola: si forma un intermedio fosforilato.

Cofattori = molecole che intervengono nelle catalisi enzimatiche per accelerarle e possono essere:

Coenzimi, ovvero molecole organiche di natura non proteica

Ioni inorganici

Gruppo prostetico = gruppo formato dal coenzima legato all’enzima.

Oloenzima = parte attiva dell’enzima legata ai cofattori.

Apoenzima (apoproteina) = parte proteica dell’enzima.

I coenzimi possono essere (tranne quello speciale A):

Piridinici (NAD, NADP)

Flavinici (FAD, FADH2)

I coenzimi piridinici contengono la nicotinammide, cioè la vitamina B3, e la vitamina PP.

Il NAD (nicotinammide adenina dinucleotide) trasporta elettroni e funge da coenzima alle reazioni di ossidoriduzione. Può assumere due forme: una ossidata (NAD+ > agente ossidante) e una ridotta (NADH > agente riducente). Le due forme si possono convertire attraverso lo scambio di 2 ioni H e 2 elettroni.

Il NADP (nicotinammide adenina dinucleotide fosfato) partecipa alle reazioni di ossido-riduzione e anch’esso presenta due forme, una ridotta ed una ossidata.

I coenzimi flavinici derivano dalla vitamina B2 (riboflavina).

Il FAD (flavin adenina dinucleotide) opera come agente ossidante nelle reazioni biologiche. Si riduce a FADH2 per trasferimento di due atomi di H.

Il coenzima A trasporta gruppi acetilici (CH3CO) o acilici (RCO). Deriva dalla vitamina B5 (acido pantotenico). La sua formula di struttura contiene un gruppo tiolico (SH), al quale si può legare un acetilico (diventa acetil-coenzima A o acetil-CoA). Questa molecola prende parte a reazioni precedenti il ciclo di Krebs.