Biochimica metabolica

Biochimica metabolica

Prof. Angela M. Rizzo 28.09.2020

Introduzione alla biochimica

La biochimica studia le biomolecole nelle cellule e le reazioni chimiche a cui queste vanno incontro. Essa è di fondamentale importanza non solo per comprendere la patologia, ma anche per capire come mantenere lo stato di salute in un organismo sano, per esempio con una dieta appropriata piuttosto che con integratori alimentari. L’obiettivo della biochimica metabolica è la comprensione della logica molecolare alla base della vita e dello stato di salute di un organismo. Quindi, è importante capire quali sono i processi metabolici che coinvolgono le biomolecole e la loro regolazione, perché una via metabolica può essere perfettamente funzionante in un certo momento della giornata mentre in altri è rallentata o bloccata. A proposito di questo, si possono introdurre farmaci che sono induttori o inibitori di una determinata via metabolica.

Bioenergetica mitocondriale

Nella biochimica metabolica di fondamentale importanza è la bioenergetica mitocondriale, perché tutte le volte che si fa una via catabolica si produce ATP a livello della catena respiratoria e della fosforilazione ossidativa.

Differenziazione metabolica e funzionale degli organi

• Cervello: svolge funzioni essenziali per l’organismo e ha un metabolismo peculiare dipendente dal metabolismo del resto del nostro organismo. Il cervello utilizza prevalentemente il glucosio, quindi tutto l’organismo, in particolare il fegato, lavora per mantenere una [glucosio] costante in modo tale che i neuroni non soffrano di carenze di glucosio.
• Sistema linfatico: i lipidi, quando vengono digeriti e distribuiti all’organismo, passano per il sistema linfatico perché non possono essere solubilizzati direttamente nel plasma.
• Intestino: consente di assorbire nutrienti, ma governa anche il sistema immunitario grazie al microbiota intestinale.
• Sistema portale: sistema che porta il sangue refluo dall’intestino al fegato, ma anche arterie e vene che portano il sangue dal fegato al resto dell’organismo o viceversa.
• Fegato: centrale metabolica del nostro organismo. Qualsiasi via metabolica citata la si trova espressa negli epatociti, per questo il fegato è la centrale metabolica. Infatti, metabolizza lipidi, proteine, carboidrati, amminoacidi, sintetizza e distribuisce molecole come il glucosio, i corpi chetonici e le proteine plasmatiche. Il fegato è importante anche per la sua funzione detossificante, infatti purifica l’organismo dall’N, ma anche da tutte le molecole endogeno che sono da eliminare e molecole esogene (xenobiotici) che devono anch’essi essere eliminati.
• Organi endocrini: come il pancreas, le ghiandole surrenali, l’ipotalamo.
• Tessuto adiposo: non solo come tessuto che deposita e rilascia lipidi, ma è anche un organo metabolico.
• Muscolo scheletrico: utilizza ATP per fare un certo lavoro meccanico.

Metabolismo

Il metabolismo è l'insieme di reazioni chimiche che avvengono all’interno degli organismi viventi e che consente all’organismo di acquisire energia dall’ambiente esterno per poterla utilizzare per la loro funzione. Il metabolismo prevede:

• Fase esoergonica: consente di ottenere energia dai nutrienti perché rilasciano energia.
• Fase endoergonica: processi che richiedono energia come, per esempio, la biosintesi di molecole o il trasporto attivo di membrana.

All’interno del nostro organismo, reazioni endoergoniche ed esoergoniche devono avvenire in modo accoppiato, per questo il metabolismo deve essere altamente coordinato. Questo avviene grazie ad enzimi o complessi multienzimatici, cioè proteine che si associano insieme per fare diverse reazioni contemporaneamente, perché tale associazione consente di ottenere energia chimica dall’ambiente tramite degradazione dei nutrienti e convertire tale energia in biomolecole caratteristiche della cellula oppure per fare l’anabolismo, cioè il lavoro cellulare come la sintesi di molecole caratteristiche della cellula (es: lipidi, messaggeri, pigmenti).

Divisione del metabolismo

Quindi il metabolismo è diviso in due grosse parti:

• Catabolismo: vie metaboliche che degradano le sostanze organiche complesse, liberando energia. Quindi, il catabolismo è caratterizzato da reazioni che rilasciano energia.
• Anabolismo: vie metaboliche che vedono la sintesi di sostanze organiche complesse e per questo consuma energia; solitamente agli enzimi utilizzati nella fase anabolica sono della classe 6 cioè le sintetasi.

Le vie metaboliche, siano esse anaboliche o cataboliche, hanno caratteristiche comuni:

1. Le reazioni sono quasi sempre catalizzate da enzimi i quali sono più o meno specifici per cui uno stesso enzima può lavorare su una molecola che è leggermente diversa da un’altra.
2. Quasi tutte le vie metaboliche sono irreversibili e solitamente c’è almeno una reazione fortemente esoergonica ed è proprio questa a rendere la via irreversibile. È la reazione fortemente esoergonica, che solitamente è una delle prime reazioni della via, che dà direzione alla via metabolica stessa, mentre le altre reazioni sono reversibili o hanno un ΔG vicino allo zero. È molto importante individuare qual è la prima reazione fortemente esoergonica perché è questo “interruttore” della via metabolica, ma è anche il punto di regolazione della via metabolica stessa.
3. La velocità delle diverse reazioni in una via metabolica è uguale alla concentrazione degli intermedi ed è costante. Quindi, le vie metaboliche lavorano allo stato stazionario.
4. Vie cataboliche e anaboliche devono essere diverse, per esempio ci deve essere una via metabolica che consente di degradare il glucosio e una via metabolica che consente di sintetizzarlo. Queste due vie devono essere diverse ed indipendenti almeno per una reazione e NON devono avvenire mai contemporaneamente. Se le vie anaboliche e cataboliche su una stessa molecola non fossero separate si avrebbe un ciclo futile che non consentirebbe di avere un vantaggio per l’organismo e al tempo stesso farebbe sprecare energie. Inoltre, non è possibile recuperare completamente l’energia da una reazione, infatti circa il 60% è perso sotto forma di calore quindi se si sintetizza una molecola mentre la si sta demolendo NON si aumenta la concentrazione della molecola e si consumerebbe solo energia.
5. Spesso le vie metaboliche sono regolate in modo antitetico: è possibile attivare la via anabolica e spegnere la via catabolica o viceversa, ma ci deve essere un interruttore univoco per le due vie metaboliche. In altro caso le due vie metaboliche avvengono in due compartimenti differenti, infatti alcune vie anaboliche sono citosoliche e le vie cataboliche corrispondenti sono mitocondriali. Catabolismo e anabolismo NON avvengono mai contemporaneamente, tutte le vie sono regolate e generalmente la regolazione avviene sulla via prima reazione esoergonica (rate-limiting).

Le reazioni esoergoniche ricavano energia dai nutrienti o da molecole depositate nel nostro organismo, le degradano, rilasciando energia. Le vie anaboliche sono reazioni endoergoniche e tendono a sintetizzare nuove biomolecole o fare un lavoro cellulare/meccanico/osmotico. Tra le due vie vi sono delle molecole che trasferiscono l’energia, cioè molecole altamente energetiche sintetizzate durante il catabolismo sfruttando l’energia rilasciata da reazioni esoergoniche e vengono consumate durante l’anabolismo cedendo la propria energia a reazioni endoergoniche. È grazie alle molecole altamente energetiche che si riesce ad accoppiare fase endoergonica e fase esoergonica.

Termodinamica delle reazioni

Il ΔG di una reazione si calcola tramite la differenza di prodotti e reagenti. Se il ΔG avviene spontaneamente ed è definita esoergonica, se la reazione NON avviene spontaneamente ed è endoergonica mentre se la reazione è all’equilibrio ΔG=0. Il ΔG serve per definire la spontaneità della reazione e quindi se essa è esoergonica o endoergonica. Una reazione endoergonica può essere accoppiata a una reazione esoergonica in modo tale che questa rilasci un’energia maggiore rispetto a quella richiesta dalla reazione endoergonica stessa perché in parte tale energia è persa sotto forma di calore.

Esempi biochimici

Esempio biochimico: il glucosio che deve essere trasformato in glucosio 6 fosfato deve interagire con un P inorganico formando un legame estereo tra OH in 6 del glucosio e il P. Per poter far avvenire tale reazione endoergonica bisogna accoppiarla alla rottura altamente energetica dell’ATP. Le reazioni cataboliche e anaboliche sono accoppiate grazie a molecole altamente energetiche che trasferiscono l’energia ottenuta da reazioni esoergoniche a reazioni endoergoniche.

Struttura dell'ATP

ATP è un nucleotide trifosfato formato da un’adenina legata ad uno zucchero, il ribosio, tramite un legame N-glicosidico a cui all’OH in 5’ si legano 3 fosfati. Il Pa è legato con un legame estereo all’OH del ribosio, Pa e Pb sono legati con legame anidritico così come il Pb e Pg. L’idrolisi dei legami fosfoanidridici rilascia energia e tutte le molecole che rilasciano un’energia uguale o maggiore in valore assoluto a 7,3Kcal/mol sono considerate molecole altamente energetiche. L’ATP è una molecola che non è stabile a causa delle numerose cariche negative quindi nelle nostre cellule vi è il magnesio che coordina due cariche negative formando ATP contribuendo così alla sua stabilizzazione. La stessa cosa succede anche quando si forma ADP che coordinata con il magnesio rimane solo con una carica negativa. La reazione di idrolisi vede l’attacco nucleofilo di una molecola d’acqua al fosfato Pg dell’ATP con rottura contemporanea del legame Pg-Pb e rilascio di -7,3 Kcal/mol.

Molecole energetiche alternative

Un’altra molecola altamente energetica è la fosfocreatina e questa è molto importante sia per il muscolo che per i neuroni. L’idrolisi del legame della fosfocreatina rilascia in valore assoluto un’energia più alta rispetto a quella dell’ATP, quindi tramite la fosfocreatina è possibile sintetizzare nuova ATP perché questa può rilasciare un P ad un ADP. Tale reazione avviene dalla creatina chinasi, un isoenzima espresso molto nei muscoli, compreso il cuore, e nei neuroni. Un’altra molecola altamente energetica è il fosfoenolpiruvato, che è la molecola più energetica all’interno della nostra cellula, infatti vale circa -62KJ/mol e infine l’1,3-bifosfoglicerato che ha un’idrolisi di -49,3KJ/mol. Infine, anche i tioesteri sono molecole ad alta energia, ma presentano un ΔG molto simile a quello dell’ATP quindi non possono essere utilizzati per la sua sintesi.

Condizioni reali nelle cellule

Il ΔG a cui ci si riferisce è il ΔG in condizioni standard biochimico, ma queste non sono le condizioni reali che si verificano all’interno delle cellule, quindi una reazione che ha un ΔG negativo e irreversibile, in condizioni reali, valutando le concentrazioni reali dei substrati e prodotti, può essere una reazione reversibile. Esempio: in condizioni reali si ottiene che l’idrolisi del legame dell’ATP nel globulo rosso è di -51,8KJ/mol, quindi il globulo rosso pur avendo meno ATP rispetto al muscolo o all’epatocita e tenendo conto che gli eritrociti NON hanno il mitocondrio e quindi non possono fare la fosforilazione ossidativa, possiedono una molecola, cioè l’ATP, che in condizioni reali vale molto di più. Tutte le molecole fosforilate, che hanno un P altamente energetico il cui legame in valore assoluto è uguale o maggiore all’ATP possono essere utilizzati per sintetizzare ATP al di fuori della fosforilazione ossidativa, tramite reazioni che sono dette fosforilazioni a livello del substrato. Infatti, si può prendere il P dalla fosfocreatina e sintetizzare, dall’ADP, nuovo ATP e allo stesso modo anche con il fosfoenolpiruvato e l’1,3-bifosfoglicerato. Tuttavia, vi sono anche altri composti fosforilati che hanno solitamente un legame di natura esterea con un’energia di idrolisi molto inferiore rispetto a quella dell’ATP che NON possono essere utilizzati per sintetizzare nuove molecole perché l’energia viene persa sotto forma di calore e quindi si parla di composti a bassa energia.

Utilizzo dell'ATP

Come si può utilizzare l’ATP? Vi sono diversi modi per sfruttare l’ATP, ma solitamente nelle reazioni accoppiate si ha un ossigeno che funziona da nucleofilo ed esso può essere un O di una col, piuttosto che di un acido, di un emiacetale ecc..

• L’O nucleofilo può fare un attacco nucleofilo sul P ottenendo il trasferimento del gruppo fosforico sul substrato, che viene fosforilato, e si libera ADP.
• L’O nucleofilo può fare un attacco nucleofilo sul P, quindi sul substrato si trasferiscono due fosfati, cioè un pirofosfato (trasferimento del gruppo pirofosforico) liberando AMP.
• L’O nucleofilo può fare un attacco sul P rompendo comunque un legame altamente energetico, perdendo pirofosfato e trasferendo il nucleotide mono-fosfato.

La sintesi dei polinucleotidi operata dalle polimerasi sfrutta una molecola altamente energetica che non è per forza un ATP ma è un qualsiasi nucleotide trifosfato. Infatti, per esempio quando sintetizziamo proteine usiamo il GTP, quando avviene la polimerizzazione dei carboidrati si usa UTP mentre quando si sintetizzano lipidi si usa CTP. Quindi, quando si sintetizza RNA o DNA si utilizzano tutti i nucleotidi in base alla regola di appaiamento e le polimerasi sfruttano la reazione c perché l’O fa un attacco nucleofilo sul Pa rompendo il legame altamente energetico, liberando pirofosfato che viene idrolizzato da una pirofosfatasi, attaccando un nucleotide mono-fosfato.

Organizzazione delle vie metaboliche

Le reazioni endoergoniche e esoergoniche sono accoppiate nelle vie metaboliche. Quindi, le vie metaboliche sono un insieme di reazioni che partono da un substrato e arrivano a un prodotto, ma tali vie possono essere organizzate in reazioni che sono disposte in modo diverso. Infatti, si hanno reazioni:

• Lineare: come per esempio nella glicolisi.
• Cicliche: il prodotto terminale della reazione è uguale a uno dei substrati di partenza, come per esempio il ciclo di Krebs.

Alcune vie metaboliche possono avvenire contemporaneamente, ma vie cataboliche e anaboliche sullo stesso metabolita non avvengono mai contemporaneamente perché si vogliono evitare cicli futili. Inoltre, alcune vie metaboliche possono avere degli intermedi in comune, infatti per esempio la glicolisi è correlata al ciclo degli acidi bicarbossilici o alla sintesi di altri carboidrati modificati. Le reazioni delle vie metaboliche possono essere poche, oppure tante, e sono indicate con delle frecce:

• Freccia unica da substrato a prodotto: in condizioni standard e reali la reazione è IRREVERISBILE, quindi è una reazione fortemente esoergonica.
• Doppia freccia: lo stesso enzima può trasformare un substrato in prodotto e viceversa. Spesso le reazioni reversibili lavorano con un ΔG simile allo zero e la trasformazione del substrato in prodotto o da prodotto in substrato dipende dalle concentrazioni. Infatti, con tanto substrato la reazione è spostata verso la formazione dei prodotti, mentre se si ha accumulo di prodotto questo si trasforma in substrato.
• Due frecce piegate: indicano che si può catalizzare la trasformazione del substrato in prodotto e viceversa, ma queste sono catalizzate da due enzimi diversi. Generalmente questo avviene su reazioni irreversibili.

Perché le vie metaboliche vedono la trasformazione del substrato in prodotto finale attraverso una serie di reazioni?

Durante l’evoluzione vi sono stati diversi motivi che hanno favorito la suddivisione delle reazioni che servono a trasformare un substrato in prodotto tramite vari step. Infatti:

1. Si ha una trasformazione graduale del substrato in un prodotto finale e questo ha notevoli vantaggi. Infatti, dà la possibilità di ottenere metaboliti intermedi che possono avere altre funzioni biologiche all’interno della cellula. Esempio: nella glicolisi, dalla gliceraldeide 3 fosfato l’diidrossiaceone che serve a formare il glicerolo 3 fosfato necessario alla sintesi dei glicerolipidi.
2. Permette di controllare i processi in modo più fine: se vi sono variazione energetiche è meglio che questa venga liberata in piccole aliquote e questo permette di recuperare l’energia durante la reazione e di sintetizzare ATP durante la glicolisi.
3. Permette di controllare meglio ogni singola reazione perché le reazioni reversibili possono essere controllate per l’azione di massa, mentre le reazioni irreversibili attraverso un controllo specifico che può essere rapido, di lunga durata o con diversi meccanismi molecolari. L’organizzazione della via metabolica in questo modo aumenta l’efficienza della via metabolica stessa, consentendo una flessibilità (formazione di intermedi), la possibilità di regolare i processi a seconda delle necessità della cellula e dell’organismo e consente di catturare in modo più efficiente l’energia e in alcuni casi è possibile produrre più energia rispetto al rilascio unico perché è più difficile catturarla tutta contemporaneamente.

Reazioni chimiche comuni

Le reazioni chimiche più comuni possono essere racchiuse in 5 categorie principali:

1. Reazioni che formano o spezzano un legame C-C.
2. Riarrangiamenti molecolari interni.