Chimica Biologica - Metabolismo

Il metabolismo

Il termine metabolismo indica tutti i processi chimici che avvengono nell’organismo e comprende sia il catabolismo sia l’anabolismo. Questo produce energia che viene utilizzata dall’organismo o immagazzinata. (Vedi quaderno prima parte)

Cos’è il metabolismo intermedio?

Si tratta di quei processi intracellulari catalizzati da enzimi, che estraggono energia (catabolismo) da nutrienti, o usano l’energia per costruire componenti cellulari, tipicamente i building blocks (anabolismo).

Cosa non è il metabolismo intermedio?

• Reazioni enzimatiche extracellulari, come ad esempio la digestione di alimenti (proteine, grassi, carboidrati) o l’attivazione del complemento.
• Sintesi (ovviamente intracellulare) di molecole informazionali (proteine e acidi nucleici).

Per studiare i processi metabolici è necessario sempre chiedersi per ciascuno di essi: dove avviene?

• In quali comparti intracellulari? (Es. Mitocondri, citosol, ecc.)
• In quali organi? (Es. Fegato, muscoli, tessuto nervoso ecc.)
• In quali organismi? (Es. Vegetali, animali, microorganismi)

È molto importante contestualizzare in tal modo un processo metabolico: diversi comparti possono presentare diverse condizioni chimico-fisiche (es. stato ossido-riduttivo, presenza di determinati composti ma non di altri) che rendono possibili certe reazioni e impossibili altre reazione.

Esiste una suddivisione di compiti tra organi diversi, di cui bisogna darsi ragione (es. il fegato risosi da l’acido lattico prodotto dai muscoli. Questo è impossibile nei muscoli stessi, poiché durante l’esercizio fisico l’ambiente muscolare diventa riducente).

Non tutti gli organismi presentano tutte le vie metaboliche (ad esempio, gli animali non fotosintetizzano), ciò riflette diverse strategie adattative che si traducono in un diverso equipaggiamento di enzimi e di vie metaboliche.

La comprensione del ruolo delle vie metaboliche

Si basa prima di tutto sulla definizione del bilancio netto della via. Il bilancio netto viene dato dalla somma di tutte le reazioni che compongono quella via e ultimamente ci dice quali composti entrano e quali composti escono. Ad esempio, non entra nel bilancio netto un composto che viene prodotto da una reazione intermedia, ma che viene trasformato in una reazione successiva. In questo caso, di tale composto se ne forma tanto quanto ne viene successivamente trasformato, e quindi il bilancio complessivo di un tale composto è pari a 0 (vale a dire: non entra nel bilancio netto).

Ad esempio, se una via metabolica consistesse delle seguenti tappe: il bilancio netto sarebbe: (B e C non entrano nel bilancio netto). È anche opportuno precisare che il bilancio netto ci dice molto, ma non ci dice tutto in merito al ruolo della via considerata.

La bioenergetica

Nell’ambito degli studi sul metabolismo, la bioenergetica studia le modalità con cui i sistemi viventi producono, utilizzano, immagazzinano e scambiano energia. La modalità di immagazzinamento è normalmente chimica: in particolare, il composto utilizzato di regola a questo scopo nei processi metabolici è l’adenosina trifosfato ATP. In altre parole, l’energia resa disponibile in una molteplicità di processi metabolici viene utilizzata per la sintesi di ATP, che avviene soprattutto a partire da ADP (adenosina difosfato) e fosfato Pi, quindi secondo una reazione che si presenta come:

Questa modalità di reazione ha un'implicazione importantissima: l’energia che l’ATP può fornire, è quella associata al legame di condensazione tra due fosfati (un legame anidride).

Esistono reazioni metaboliche che sfruttano l’energia associata al legame anidride più esterno, altre che utilizzano quello più interno (che tuttavia non rilasciano una quantità di energia non molto diversa nei due casi).

Funzione metabolica dell’ATP: riserva energetica

Secondo una denominazione tradizionale, l’ATP veniva indicato come un composto ad alta energia (denominazione assegnata anche ad altri composti con caratteristiche simili). Però la disponibilità di energia non è associata al composto in quanto tale, bensì a una sua ben precisa trasformazione chimica, che normalmente è l’idrolisi di uno o dell’altro dei due legami anidride. L’energia associata specificatamente a tali legami, viene resa disponibile a seguito della loro rottura, per questo oggi si evita la denominazione composto ad alta energia.

L’utilizzo di ATP come unico sistema di immagazzinamento di energia comporta un evidente vantaggio nell’economia del metabolismo: l’ATP è la moneta comune di scambio energetico, pertanto le reazioni che rilasciano energia, lo fanno producendo ATP; le reazioni che necessitano di energia, la ricavano dall’idrolisi di ATP, oppure dal trasferimento di un fosfato dell’ATP.

La variazione di energia libera di Gibbs

È un utile parametro per quantificare gli scambi energia associati alle reazioni metaboliche. La diminuzione di energia libera, associata a una trasformazione, rappresenta il massimo lavoro utile prodotto a pressione e temperatura costante. Si tratta del lavoro massimo, poiché una parte di energia può essere dissipata in calore. Nelle situazioni reali, il lavoro effettivamente svolto è sempre inferiore a quello massimo, si tratta di lavoro utile poiché la variazione di energia libera di Gibbs non tiene conto del lavoro utilizzato nell’espansione del sistema (ritenuto non utile). Il delta G ci dice quanto lavoro (o energia) viene reso disponibile da una certa reazione. In base a ciò possiamo valutare quanto ATP deve essere idrolizzato come minimo per sostenere quell’attività.

Tuttavia il delta G di una reazione ha anche un’altra valenza: dato che qualsiasi trasformazione decorre spontaneamente verso un minimo di energia, varrà il principio che a pressione e temperatura costante:

• Delta G è negativo se la trasformazione è spontanea (-deltaG = lavoro prodotto, è positivo; il sistema produce lavoro; la trasformazione è esoergonica)
• Delta G è positivo se la trasformazione non è spontanea (-deltaG negativo; il sistema consuma energia; la trasformazione è endoergonica)

In breve, il delta G è criterio di spontaneità a pressione e temperatura costanti.

Energia associata a una trasformazione chimica

Qual è l’energia associata a una certa trasformazione chimica, essendo date la sua costante di equilibrio e le concentrazioni di reagenti e prodotti? La relazione è la seguente:

Dove A e B sono i reagenti e C e D sono i prodotti che partecipano alla reazione; a,b,c,d sono i rispettivi coefficienti stechiometrici, Keq la costante di equilibrio. Questa relazione dà l’energia associata a una reazione a concentrazioni costanti di reagenti e prodotti!

Tale relazione è essenziale per conoscere l’energia effettivamente erogata da una reazione metabolica nelle condizioni in vivo (per la quale si conoscano le concentrazioni di reagenti e prodotti). Nelle vie metaboliche, le concentrazioni degli intermedi restano generalmente costanti, almeno entro certi lassi di tempo, perché la formazione e il consumo di ciascun intermedio avviene circa alla stessa velocità. Essi mantengono una certa concentrazione costante entro certi tempi, in quanto sono formati dalla reazione a monte esattamente nella stessa misura in cui si trasformano nell’intermedio che sta a valle. Si instaura uno stato stazionario nella via metabolica attiva, in cui le concentrazioni degli intermedi non variano apprezzabilmente, anche se il primo composto della via metabolica si va trasformando progressivamente fino a generare l’ultimo.

Caratterizzazione delle reazioni metaboliche

Esiste l’esigenza di stabilire se ciascuna di essa abbia maggiore tendenza a fluire verso i prodotti o verso i reagenti. C’è bisogno quindi di una misura che esprima la intrinseca propensità della reazione a decorrere in una delle due direzioni. L’unico modo di esprimere questa propensità è di stabilire delle condizioni standard di riferimento. Tali condizioni prevedono concentrazioni 1M di tutti i reagenti e prodotti e 1 atm di pressione. La temperatura standard di riferimento è di 25 gradi, se non specificato altrimenti. Il delta G in condizioni standard è indicato come delta G0. A condizioni standard, la precedente equazione diventa:

Esiste una relazione tra delta G e Keq:

• Quando Keq è maggiore di 1, delta G è negativo, la reazione procede verso i prodotti.
• Quando Keq=1, delta G=0, la reazione è all’equilibrio.
• Quando Keq è minore di 1, delta G è positivo, la reazione torna verso i reagenti (non spontanea) per spostarla dobbiamo compiere un lavoro.

Esistono composti (come il fosfoenolpiruvato e l’1-3 bisfosfoglicerato) il cui delta G’0 di idrolisi è nettamente più negativo di quello dell’ATP, mentre altri (tipicamente zuccheri) hanno un delta G0 molto meno negativo. Il trasferimento del fosfato da composti ad altissima energia come il fosfoenolpiruvato o l’1-3 bisfosfoglicerato ad ADP può promuovere la sintesi dell’ATP. L’ATP a sua volta può generare composti fosforilati donando il suo fosfato. Tutte le reazioni con deltaG negativo sono esoergoniche. Il flusso dei fosfati va da composti a più alta energia a composti a più bassa energia. Glicerolo e glucosio sono composti a bassa energia, minore rispetto ad ATP. La fosfocreatina è anch’esso un composto ad alta energia. I composti ad alta energia sono quelli che presentano un delta G minore (più negativo) di -25 kJ mol, i composti a bassa energia sono inferiori a questo valore.

La fosfocreatina: una riserva di energia particolarmente importante per il muscolo

La fosfocreatina presenta un ruolo peculiare. Essa si forma in una reazione endoergonica catalizzata dalla creatina chinasi: la reazione è endoergonica proprio perché si passa, tramite fosforilazione, ad un composto a più alta energia rispetto all’ATP. L’equilibrio di reazione è significativamente spostato verso i substrati (creatina e ATP), come documentato dal valore di delta G0’. La creatina fosfato poi, è generalmente abbondante nel muscolo scheletrico, in modo 6 volte maggiore rispetto a ATP, ed è anche presente in misura minore in rene, cervello e muscolatura liscia.

Quando l’ATP si accumula in abbondanza, la reazione può spostarsi verso destra e sintetizzare ampie quantità di fosfocreatina. Se una cellula si trova a fronteggiare un improvviso ed elevato fabbisogno energetico, l’ATP viene consumato e di conseguenza l’equilibrio della reazione si sposta verso sinistra, rendendo disponibile ATP in tempi molto più brevi di quelli richiesti dalla sua sintesi ad opera delle normali vie metaboliche. Questo avviene per esempio in caso di sforzi elevati a livello muscolare, si tratta di una sorta di riserva energetica di ATP.

• Quando c’è poco ATP, la reazione della creatina chinasi non è in grado di sintetizzare apprezzabilmente la creatina fosfato da ATP + creatina, dato il maggior contenuto energetico della creatina fosfato rispetto all’ATP.
• Quando l’ATP è elevato, esso può spingere la reazione verso la sintesi di creatina fosfato, sebbene questa sia più ricca in energia dell’ATP.

In una situazione di fabbisogno energetico elevato, l’ATP scende e la creatina fosfato viene impiegata per risintetizzare ATP, si ripristina quindi la prima condizione. Nonostante il consumo, la concentrazione di ATP resta relativamente costante. La creatina fosfato rappresenta quindi, una riserva tampone di energia, da usarsi in caso di elevato fabbisogno, poiché partecipa ad un equilibrio reversibile e garantisce il mantenimento di una concentrazione costante di ATP, anche quando viene consumato attivamente.

Esiste anche una via biosintetica che produce creatina intracellulare a partire da componenti molecolari semplici, essa viene sintetizzata e degradata costantemente (processo chiamato turnover). La maggior parte di creatina viene assunta però con la dieta, che viene internalizzata dagli organi, contenuta in alimenti di origine animale. Un apporto di creatina elevato aumenta le masse muscolari quando poste ad intenso sforzo. Un'elevata concentrazione di creatina a livello intracellulare migliora la prestazione fisica nel breve termine, ma non nel lungo.

Accoppiamento chimico

Come l’energia chimica viene utilizzata nelle reazioni metaboliche per la sintesi di intermedi: nel metabolismo l’energia associata alla trasformazione di un composto, può essere utilizzata per promuovere la sintesi di altri composti. Perché ciò possa accadere ci sono due condizioni:

• Che la reazione complessiva consista di una parte esoergonica che spinge la parte endoergonica, e che la parte esoergonica rilasci più energia di quella richiesta per il progresso della parte endoergonica.
• Che nel trasferimento di un gruppo (molto spesso fosfato), sia mantenuto il legame ad alta energia. Ciò è reso possibile dal meccanismo della reazione a livello del sito attivo degli enzimi, che prevede un trasferimento diretto del gruppo chimico da un substrato a un altro, oppure il legame di tale gruppo a un residuo catalitico dell’enzima e da questo al secondo substrato. Il gruppo trasferito NON finisce nel solvente acquoso e recuperato successivamente!!

Esempi in cui le reazioni vengono formalmente scomposte nella componente esoergonica e in quella endoergonica: esso chinasi e piruvato chinasi. I catalizzatori enzimatici permettono di sfruttare al massimo l’accoppiamento chimico di due reazioni. L’energia chimica deve essere conservata mediante conservazione dei legami ad alta energia. Se fossimo in assenza di catalizzatore, la reazione sarà molto più lenta, poiché la statistica di unione tra le molecole è sfavorevole. In presenza di enzima, la reazione è molto più rapida con il passaggio diretto che unisce le molecole nella giusta direzione, quindi in modo più favorevole.

La sottrazione di un prodotto di reazione

Un’altra modalità di utilizzo dell’energia chimica per promuovere reazioni endoergoniche. Reazione di un enzima denominato acil-CoA: RCOO- rappresenta acidi grassi con catene di varia lunghezza, e CoASH è il coenzima A, un coenzima il cui gruppo funzionale è un gruppo tiolico. Il prodotto di reazione è un acil-Coenzima A, in cui l’acido grasso si lega al coenzima con un legame tioestere ad alta energia. La prima reazione è reversibile (delta G0 prossimo a 0). L’ATP si scinde a dare pirofosfato, e non semplicemente fosfato. Il pirofosfato formatosi è scisso da pirofosfatasi citosoliche, attività enzimatiche abbondanti e sempre attive in quanto non sottoposte a regolazione. Ciò sottrae il pirofosfato e rende la reazione complessivamente irreversibile (spostata verso i prodotti).

Il valore standard di delta G, indicato come delta G0, serve a stabilire un valore rappresentativo dell’energia implicata in una reazione in mancanza di indicazioni specifiche circa la concentrazione effettiva di reagenti e prodotti. Porre concentrazioni unitarie per acqua e ioni H+ darebbe valori di delta G0 molto lontani da quelli rappresentativi per le condizioni fisiologiche delle reazioni considerate, quindi non utili per stimare la variazione di energia associata ad una reazione. Acqua e ioni H+ non hanno una concentrazione standard di 1M in condizioni fisiologiche.

Bisogna considerare una reazione in cui l’acqua è reagente: si utilizza la normale formula del delta G0 in condizioni 1M, ma in seguito l’acqua viene esclusa dalla Keq e le viene assegnata una concentrazione costante di 55.5M. Sostituendo ci si accorge che il delta G0 immaginato alla concentrazione ipotetica 1M di acqua differisce dal delta G0 (55.5M H2O) di -2.38 kcal/mol. L’elevata concentrazione di acqua spinge le reazioni idrolitiche conferendo un bonus energetico di -2.38 kcal/mol. Nel caso in cui l’acqua sia un prodotto di reazione, avverrà la reazione seguente: considerando il caso in cui gli ioni H+ siano reagenti o prodotti di una reazione. Con H+ come prodotti avremo una differenza dal delta G0 di -9.55 kcal/mol, quindi la reazione è favorita.

Noi non possiamo trascurare queste componenti. Notare che il delta G0’ è il valore determinato a 10^-7 M di H+ (= pH 7), mentre il delta G0 è quello determinato a 1M di H+ (= pH 0). Tra i due valori c’è una grande differenza! In condizioni fisiologiche dovremo usare il valore di delta G0’.

Quando H+ è un reagente invece, vale la seguente relazione (sfavorita):

Conclusione

Nello studio degli scambi energetici associati alle reazioni metaboliche, si usa sempre delta G0’ e non delta G0. Si intende pertanto che delta G0’ rappresenti la variazione di energia libera di Gibbs:

• A concentrazioni 55.5 M di acqua
• A pH 7
• A concentrazioni 1M di substrati e di prodotti (esclusa acqua)
• A 25 gradi (ove non sia diversamente indicato)

Perché l’ATP è un composto ad alta energia?

In tutte le reazioni di idrolisi, l’azione di massa dell’acqua contribuisce al delta G0’ con un valore di -2.38 kcal/mol, spostando di conseguenza in questa misura l’equilibrio verso i prodotti. Una componente del delta G0’ di idrolisi dell’ATP (-7.4 kcal/mol) viene dall’idrolisi dell’acqua, nella misura di circa -2.4 kcal/mol. Un altro ordine di ragioni è legato ad aspetti strutturali, condivisi da tutti i legami anidride: più forme di risonanza nei prodotti rispetto ai reagenti. Nell’ATP si perde almeno una forma di