Biochimica medica

Biochimica

Concetti di base del metabolismo

L’organismo è costantemente sotto attacco degli agenti ossidanti, quindi reagisce a questo insulto esterno attraverso la produzione di composti con potere −, riducente. Una sostanza si riduce quando acquista �, mentre una sostanza che si −, ossida cede �. Alla fine il trasferimento di �, quindi l’ossidarsi di certe sostanze e il ridursi di altre, produce energia.

Gran parte delle macromolecole provengono dall’esterno, ma molte sono prodotte dall’organismo. Ad esempio il glucosio viene convertito in qualcosa che si può conservare, in particolare in gran parte in lipidi e anche in glicogeno. Esiste anche un grosso turnover di proteine. Le sorgenti di nutrimento prime per l’uomo sono fondamentalmente i glucidi e i lipidi; le proteine un po’ meno per motivi evoluzionistici, infatti producono meno energia.

Il metabolismo prevede la conversione di macromolecole e interscambio delle strutture. Quasi tutte le macromolecole possono essere convertite in tutte le altre. La biochimica si è evoluta per risparmiare energia quindi, anche se c’è un grande numero di reazioni biochimiche, c’è un progetto comune che sfrutta reazioni comuni. Quindi cambiano le molecole ma il tipo di reazioni che avviene magari è uguale in diversi tipi di vie biochimiche; usano substrati e prodotti diversi, ma il meccanismo alla base è molto simile. Questo permette di risparmiare molto materiale ma anche molta energia.

Alcuni esempi di come la biochimica risparmia energia sono:

• Utilizzo come moneta energetica comune l’ATP, ossia l’adenosintrifosfato.
• Uso ripetuto di un numero limitato di intermedi chimici. Ad esempio l’ossalacetato, che è uno dei componenti principali del ciclo di Krebs, in caso di carenza di glucosio viene ritrasformato, quindi nella via della gluconeogenesi, in glucosio.
• Utilizzo di un piccolo numero di reazioni diverse. Ad esempio la fosforilazione di composti biochimici, ossia l’aggiunta di uno o più gruppi fosforici a un composto, mediata da enzimi che si chiamano chinasi.

Esistono vari tipi di chinasi ma il meccanismo di funzionamento è sempre quello. Allo stesso modo funziona la defosforilazione, compiuta invece da defosforilasi (o defosfatasi), ossia enzimi che invece tolgono gruppi fosforici.

Esistono molti enzimi che funzionano in maniera opposta perché la via di biosintesi dei composti biochimici non deve mai essere attivata alla via di degradazione degli stessi composti. Questo è dovuto al fatto che ci sarebbe un grosso dispendio energetico. Questo meccanismo avviene ad esempio grazie al fatto che alcuni enzimi vengono fosforilati, attivandosi, mentre altri vengono defosforilati, disattivandosi.

Le sostanze nutrienti vengono degradate e riconvertite in altre molecole in seguito a tutta una serie di reazioni che sono appunto le reazioni metaboliche. La moneta di scambio energetico è l’adenosina trifosfato (ATP), ossia l’adenina con tre gruppi fosfato, che collega le vie metaboliche. L’ATP, essendo una molecola ricca di energia, associandosi a reazioni che non avverrebbero spontaneamente, perché richiedono energia avendo un ∆� elevato, permette che queste reazioni avvengano.

Infatti, se una reazione sfavorita da un punto di vista energetico si accoppia a una favorita, l’idrolisi di ATP, può avvenire. Quindi l’ATP permette l’avvenimento di reazioni che o non avverrebbero spontaneamente oppure avverrebbero molto lentamente, ogni circa 1.000 anni.

L’ossidazione dei nutrienti determina la sintesi di ATP. Quello che succede è che i vari composti sono via via ossidati, quindi cedono � − agli intermedi che li portano alla catena della fosforilazione ossidativa che alla fine produce l’ATP. Quindi quello che determina la produzione di ATP è il trasferimento di � − dai nutrienti a delle sostanze, soprattutto enzimi, che riescono a utilizzare questi � − per produrre l’ATP.

Queste reazioni sono finemente regolate per impedire che le vie cataboliche, cioè quelle di degradazione, e le vie anaboliche, quindi quelle di sintesi, avvengano nello stesso tempo. Questa regolazione è determinata dalla presenza dei nutrienti.

In biochimica non c’è mai la situazione “tutto o niente”, quindi la reazione completamente inibita o completamente attivata, infatti c’è sempre la situazione in cui una via è prevalentemente attivata oppure prevalentemente inibita. La regolazione di una via metabolica dipende anche dalla presenza degli enzimi mediatori: se c’è una grossa quantità di enzima, la via da esso mediata sarà più favorita, viceversa funzionerà di meno.

Inoltre il meccanismo di regolazione enzimatica è anche la regolazione da substrato oppure da prodotto (feedback negativo). In genere l’abbondanza di prodotti inibisce l’attività dell’enzima della via biochimica di quei prodotti. Se invece c’è tanto substrato l’enzima viene attivato.

Quindi la regolazione può avvenire a vari livelli e quindi si può modulare finemente l’attività enzimatica. Gli organismi biologici richiedono energia per:

• Produrre lavoro meccanico (movimento).
• Trasporto attivo di sostanze (macromolecole, ioni, ecc…): le sostanze digerite con l’alimentazione, a seconda della loro natura chimica, possono essere assorbite per via passiva (la situazione tipica del glucosio) o attiva (nel caso dei lipidi).
• Sintesi di macromolecole (lipidi, proteine, acidi nucleici, zuccheri).

Gli organismi fototrofi ricavano energia dalla luce solare, mentre quelli chemiotrofi, tra cui l’uomo, ricavano l’energia dall’ossidazione dei prodotti dei fototrofi.

Il prodotto finale dell’ossidazione del glucosio, ma più in generale del catabolismo di qualsiasi sostanza, è �� + � O + �������; in questa reazione l’� è il composto^{2 2} che riceve la catena degli � −. L’anidride carbonica e l’acqua vengono eliminate dall’uomo.

Tipi di metabolismo

Il metabolismo consiste in una serie di reazioni interconnesse che iniziano con una molecola e la convertono in un’altra in modo molto accurato. Esistono vari tipi di metabolismi:

• Metabolismo dei carboidrati complessi, in particolare non la cellulosa in quanto l’uomo non ha gli enzimi per degradarla, mentre può degradare il glicogeno, in quanto è piuttosto instabile, ma soprattutto l’amido.
• Metabolismo dei lipidi complessi, sia quelli assunti con la dieta che quelli trasformati.
• Metabolismo degli acidi nucleici, RNA e DNA.
• Metabolismo dei cofattori e delle vitamine, infatti molte reazioni per avvenire hanno bisogno di cofattori, ossia qualche sostanza che aiuti la reazione, ad esempio la B₁₂ e i folati.
• Metabolismo dei carboidrati semplici, principalmente il glucosio, ma anche il galattosio, il fruttosio, ecc…
• Metabolismo dei lipidi, fondamentalmente acidi grassi a catena lunga o corta, piuttosto che colesterolo e suoi derivati.
• Metabolismo di amminoacidi; esistono amminoacidi chetogenici, ossia che possono dare origine a composti chetonici, quindi fondamentalmente lipidici, e altri che sono glicogenici, in quanto possono dare origine a glucosio e i suoi derivati.
• Metabolismo energetico, rappresentato soprattutto dalla fosforilazione ossidativa.
• Metabolismo di altre sostanze.

Catabolismo, anabolismo e reazioni anfiboliche

Una reazione catabolica è una reazione che genera energia a partire dalle sostanze nutrienti attraverso la loro degradazione. Ad esempio i carboidrati e i lipidi vengono ossidati a ��₂, � O e energia; in particolare l’energia dipende dal trasferimento degli � −.

Una reazione anabolica è una reazione che spesso richiede energia, sotto forma soprattutto di ATP, a partire dalle sostanze nutrienti. Si parte da molecole piccole per formare molecole più complesse, glucosio, proteine e lipidi. Ad esempio il glucosio quando è presente in abbondanza viene conservato sotto forma di glicogeno, ossia un polimero del glucosio, soprattutto a livello del fegato.

Alcune reazioni possono essere anaboliche o cataboliche a seconda delle condizioni energetiche della cellula e vengono definite reazioni anfiboliche. Ad esempio l’utilizzo dell’ossalacetato nel ciclo di Krebs è all’interno di una reazione catabolica, mentre nella biosintesi del glucosio, quindi in una reazione anabolica.

Le vie biosintetiche, ossia anaboliche, e degradative, ossia cataboliche, sono quasi sempre distinte per ragioni energetiche e di controllo del metabolismo. Ad esempio nel caso del glucosio o avviene la glicolisi, ossia la degradazione del glucosio, o la gluconeogenesi, ossia la sintesi del glucosio.

Molte delle reazioni biosintetiche sono reazioni che avvengono spontaneamente, quindi basta mettere insieme i substrati e la reazione dà i prodotti spontaneamente senza richiesta di energia, anzi spesso avviene liberazione di energia. Esistono anche reazioni non spontanee. La spontaneità di una reazione dipende dalla variazione di energia libera, ∆�.

[ ][ ]C D + ∆ G = ∆ G° RTln [ ] [B]A

Dove � e � sono i prodotti, � e � sono i substrati; � è la costante dei gas, � è la temperatura assoluta, ∆�° è la variazione di energia libera standard, cioè per reagenti a concentrazione di 1 �.

Quando il ∆� < 0, le reazioni sono spontanee. Viceversa, quando una reazione non è spontanea, si avrà un ∆� > 0. Queste reazioni però possono avvenire se sono accoppiate ad un’altra reazione termodinamicamente favorita, ad esempio l’idrolisi di ATP in ADP.

Moltissime reazioni biochimiche sono reazioni accoppiate e quasi sempre è l’ATP che cede l’energia, idrolizzandosi.

Caloria e ATP

La caloria (���), o piccola caloria, è un’unità di misura dell’energia e viene definita come l’energia necessaria per innalzare da 14,5 a 15,5 °� la temperatura di 1 � di acqua distillata alla pressione di 1 ���. A livello biochimico ci si riferisce quasi sempre alla grande caloria (�), o chilocaloria (����), che equivale a 1.000 ���.

L’ATP è un nucleotide composto da adenina, ribosio e un gruppo trifosfato. I gruppi fosforici sono indicati con �, ossia il gruppo più vicino, �, ossia il gruppo intermedio e �, ossia il gruppo più lontano. Quando l’ATP perde il gruppo fosforico �, si forma l’adenosindifosfato (ADP), mentre quando l’ADP perde il gruppo fosforico �, si forma l’adenosinmonofosfato (AMP).

Il livello energetico è maggiore per l’ATP, cala per l’ADP ed è ancora meno per l’AMP. Normalmente succede che l’ATP venga idrolizzato ad ADP, mentre più raramente può essere idrolizzato ad AMP. Quest’ultimo può essere utilizzato anche per formare dei mediatori intermedi per le vie metaboliche, soprattutto nell’AMP ciclico (cAMP).

Esistono anche altri nucleotidi alternativi all’ATP, ossia il CTP, il GTP, UPT hanno una struttura uguale all’ATP, varia solo la base. Alcune reazioni possono utilizzare questi nucleotidi alternativi, tuttavia l’ATP è la molecola energetica più utilizzata.

L’ATP si idrolizza a ADP e ortofosfato (� �) oppure a AMP e pirofosfato (�� �) e si libera molta energia. Gli enzimi che catalizzano queste reazioni si chiamano ATPasi. L’idrolisi dell’ATP a ADP ha un ∆�° = −30.5 ��; tuttavia a seconda dell’ambiente, in realtà ∆� può variare. In particolare, dal momento che molte reazioni nell’uomo avvengono in presenza di magnesio, ∆� è un po’ maggiore. Invece l’idrolisi dell’ATP a AMP ha un ∆� = −45.6 ��.

Motivi della scissione dell’ATP

Ci sono dei motivi di carattere fisico e chimico per cui l’ATP dona efficientemente un gruppo fosforico, cioè perché è così favorita la scissione:

• Stabilizzazione per risonanza: l’ortofosfato ha un numero di forme di risonanza superiore a quello del gruppo fosforico �, quindi è energeticamente più stabile. Gli � − di legame non sono fissi, ma esistono delle possibili alternative. La possibilità di spostarsi degli � − di legame fa sì che la molecola sia più stabile perché riesce a modificarsi. Ecco perché il gruppo fosfato quando viene rilasciato è piuttosto stabile. Quindi è favorita la presenza del gruppo fosfato singolo e non collegato all’ATP.

Quando è collegato, la struttura dal punto di vista elettronico diventa molto più rigida e alla fine si vengono a formare delle cariche positive. Quindi non solo questa struttura ha meno possibilità, anzi non ne ha quasi, di cambiare la posizione degli � − di legame, quindi è molto più rigida, ma in più si formano due atomi con cariche positive in vicinanza tra di loro.

Il fatto che ci siano queste due cariche positive crea una tensione repulsiva all’interno della molecola. Quindi la struttura dell’ATP è molto meno stabile dell’ADP più ortofosfato in quanto l’ATP contiene molta più energia.

• Repulsione elettrostatica all’interno dell’ATP: la struttura è rigida quindi non riesce ad avere conformazioni alternative, in più si ha la formazione di cariche parzialmente positive tra P e O che tendono a respingersi, inoltre sono presenti tante cariche negative vicine.
• Stabilizzazione dovuta all’idratazione: si legano più molecole d’acqua al fosfato e all’ADP che all’ATP. L’acqua è anche un dipolo perché ha un polo positivo e uno negativo dal momento che gli � − di legame sono spostati di più verso l’ossigeno perché è più elettronegativo. Le molecole di ATP, ADP e fosfato esistono all’interno di un ambiente acquoso perciò si ha un’interazione con i poli positivi e negativi delle strutture e si ha una riduzione dell’energia neutralizzando le cariche.

Molecole energetiche e rigenerazione dell’ATP

L’ATP è la molecola energetica più utilizzata, ma non l’unica. Ad esempio è presente il fosfoenolpiruvato (PEP), ossia un intermedio della glicolisi, la creatinfosfato e il 1,3 – bisfosfoglicerato (1,3BPG), anche questo è un intermedio della glicolisi.

Si parla di “bifosfo-” quando una molecola ha due gruppi fosfati ma non consecutivi, si parla di “difosfo-” quando una molecola ha due gruppi fosfati e consecutivi.

Queste molecole hanno un potere di trasferimento del fosfato maggiore dell’ATP. Grazie a questo maggior potere energetico, il fosfato che queste molecole perdono è utilizzato per sintesi di ATP a partire da ADP. Infatti il primo meccanismo di rigenerazione dell’ATP a livello muscolare è proprio la creatinfosfato che dona un fosfato all’ADP creando un ATP.

Il fosfoenolpiruvato in particolare è la molecola più reattiva tra quelle elencate. Le molecole con minor potere energetico dell’ATP non possono essere utilizzate per la sintesi di ATP. In realtà questo meccanismo di rigenerazione di ATP a partire da molecole più energetiche avviene in quantità percentuali piccole. Il meccanismo principale è quello catalizzato dall’ATP sintasi che si trova a livello mitocondriale alla fine della catena respiratoria.

Quindi i meccanismi di rigenerazione dell’ATP:

• Gradienti ionici (fosforilazione ossidativa): dal punto di vista quantitativo è il meccanismo più importante all’interno della rigenerazione dell’ATP.
• Trasferimento di gruppi � da altri composti derivanti dall’ossidazione di � mole carboniose carboniose all’ADP. Queste sono poco efficienti e producono poco ATP.

Energia muscolare

I meccanismi che danno energia al muscolo sono:

• Utilizzo dell’ATP presintetizzato, il quale però dura molto poco. Questo è dovuto al fatto che sia una molecola poco stabile, quindi esiste poco e viene subito catabolizzato in ADP. Questo ATP dura pochi secondi.
• Parte il meccanismo della creatinfosfato, la quale sta nei muscoli perché funge da riserva di energia. Ha un potere energetico superiore all’ATP, quindi è utilizzata dal muscolo per rigenerare l’ATP che si è consumato nei primissimi secondi. La creatinfosfato ha un suo picco e poi dura molto poco, man mano che scende aumenta un po’ l’ATP.
• Avviene il metabolismo aerobio, quindi si ha la glicolisi aerobia, si attiva il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa, o anaerobio, quindi si ha la glicolisi aerobia con produzione di acido lattico che si accumula nei muscoli.

La creatinfosfato, una volta diventata creatina, può essere rifosforilata, tornando ad essere creatinfosfato oppure viene degradata a un prodotto intermedio, chiamato creatinina, eliminato poi attraverso i reni.

L’ATP non è un deposito energetico per lunghi tempi, infatti l’ATP è consumato entro un minuto dalla sua formazione perché è utilizzato per tutte le funzioni dell’organismo ed è poco stabile. L’organismo umano contiene in media 100 � di ATP (0,18 ���). Un uomo a riposo in media ne consuma circa 40 �� in 24 ore, ma con esercizio fisico intenso si può arrivare anche 0,5 ��/���.

Tutto il nostro metabolismo si basa su un equilibrio tra ATP e ADP con processi che lo degradano (movimento, trasporto attivo, biosintesi, amplificazione del segnale) e reazioni che ne favoriscono la sintesi (ossidazione delle molecole, ossidazione di sostanze nutrienti, fotosintesi). Molte reazioni biochimiche sono legate dal rapporto ATP