Biochimica generale - 3 parziale

Metabolismo

Il metabolismo è l’insieme delle reazioni che avviene all’interno delle cellule, che serve per utilizzare l’energia proveniente dall’ambiente esterno per permettere così alla cellula di vivere, crescere e riprodursi.

Il metabolismo, la somma di tutte le trasformazioni chimiche che avvengono in una cellula o in un organismo, opera attraverso una serie di reazioni catalizzate da enzimi che costituiscono le vie metaboliche.

È possibile dividere gli organismi viventi in due grandi gruppi in base alla forma chimica da cui ricavano atomi di carbonio dall'ambiente:

• Autotrofi = usano la CO2 proveniente dall’atmosfera come unica fonte di atomi di carbonio.
• Eterotrofi = devono ottenere gli atomi di carbonio dall'ambiente sotto forma di molecole organiche relativamente complesse, come il glucosio.

L’essere umano è anche un aerobio obbligato perché serve l’ossigeno per ossidare le sostanze organiche, quindi è l’ossigeno la sostanza ossidante che permette l’ossidazione delle sostanze.

Gli autotrofi e gli eterotrofi sono dipendenti l’uno dall’altro perché gli organismi autotrofi utilizzano la CO2 e rilasciano ossigeno e composti organici.

Invece gli eterotrofi assumono l’ossigeno e composti organici rilasciando nell’atmosfera CO2.

Il metabolismo si può dividere in due parti:

• Fase catabolica degradativa = il catabolismo è la fase del metabolismo, in cui le molecole organiche dei nutrienti, carboidrati, grassi e proteine, vengono convertite in prodotti finali più semplici. I composti organici sono ossidati progressivamente, rilasciando energia libera che viene convertita in energia chimica sotto forma di ATP.
• Fase anabolica = è la fase in cui i precursori più semplici sono sintetizzati, convertiti in carboidrati, grassi, proteine. Quindi è una fase in cui viene utilizzata l’ATP come fonte di energia.

Si farà il catabolismo di = glucosio, acidi grassi, meno dettagliata amminoacidi.

Il metabolismo è considerato una rete intricata di reazioni, in cui una molecola viene convertita in un prodotto finale attraverso una sequenza di reazione, e ciascuna reazione è catalizzata da un enzima specifico interdipendenti.

Queste reti integrate di reazioni sono dipendenti l’una dell’altra, infatti sono regolate finamente.

Caratteristiche vie cataboliche

Le vie cataboliche hanno la caratteristica di essere convergenti, cioè che i vari gruppi di combustibile sono ossidati progressivamente, fino a ottenere un intermedio comune che è l’acetil-CoA.

L’acetil-CoA, poi, all’interno dei mitocondri viene ossidato completamente a CO2 attraverso il ciclo di Krebs.

Il ciclo di Krebs è importante sia per la via catabolica e sia per la via anabolica, perché molti degli intermedi del ciclo di Krebs possono essere utilizzati come precursori delle vie biosintetiche, via anfibolica.

Infatti viene chiamato proprio per questa duplice funzione.

Caratteristiche vie anaboliche

Le vie anaboliche sono divergenti, cioè si parte da un intermedio comune e poi ci sono varie ramificazioni che portano a composti diversi.

Energia libera di Gibbs

G: Energia libera di Gibbs.

Si hanno trasformazioni chimiche che avvengono nella cellula e rispettano le leggi della termodinamica.

ΔG < 0 una reazione può avvenire spontaneamente = reazione esoergonica.

ΔG = 0 sistema all’equilibrio.

ΔG > 0 una reazione non può procedere spontaneamente = reazione endoergonica.

Le reazioni che avvengono all’interno di una via metabolica sono tutte reazioni che sono termodinamicamente favorite, perché hanno una variazione di energia libera negativa, e quindi si capisce che la reazione è spontanea.

Il ΔG è indipendente dalla via seguita dalla trasformazione, è una funzione di stato.

Dipende dalla natura dei reagenti e dei prodotti, Δ′°, e dalle loro concentrazioni.

Quindi se la ΔG è indipendente dalla via seguita e quindi si capisce perché sia possibile che una reazione non favorita dal punto di vista termodinamico possa comunque avvenire, perché se la reazione sfavorita da un punto di vista termodinamico poi viene accoppiata con un’altra reazione spontanea, si riesce a far avvenire la reazione perché è la somma totale della ΔG di tutte e due le reazioni che determina se la reazione può avvenire o meno.

Via catabolica

Quando i carburanti metabolici vengono ossidati passano attraverso diverse fasi:

• Fase preparatoria: che è la digestione dei macronutrienti, quindi questi vengono scissi in unità fondamentali → i grassi vengono scissi in acidi grassi e glicerolo, i polisaccaridi, ad esempio l’amido, e i disaccaridi in unità monosaccaridiche, glucosio, mannosio, galattosio e fruttosio, le proteine nei singoli amminoacidi.
• Fase ossidativa: fase catabolica che permette l’ossidazione dello scheletro carbonioso attraverso una serie di ossidoriduzioni in cui le unità fondamentali, ottenute nella fase precedente, vengono ossidate. Allo stesso tempo la loro controparte viene ridotta, acquisisce elettroni, si tratta dei coenzimi NAD, derivato della niacina, e FAD, derivato della vitamina B2, che fanno parte integrante delle ossidoreduttasi, nello specifico delle deidrogenasi.

Quindi il NAD e il FAD vengono ridotti dagli elettroni liberati dalle macromolecole, che vengono invece ossidate, a NADH e FADH2. Questi sono perciò trasportatori di elettroni e quindi di energia che viene ricavata dall’ossidazione degli alimenti. I coenzimi verranno poi riossidati nell’ultima fase della respirazione cellulare.

In quest’ultima fase abbiamo delle reazioni convergenti cioè l’ossidazione di queste unità fondamentali converge verso la formazione di un intermedio metabolico comune: l’acetil CoA.

• Ciclo di Krebs o ciclo degli acidi tricarbossilici: l’acetil CoA entra all’interno di questa via ciclica, in cui assistiamo ad altre ossidoriduzioni: lo scheletro carbonioso viene completamente ossidato a CO2 con la formazione di 3 molecole di NADH e 2 di FADH2.
• Tutti i coenzimi ridotti che provengono dalle prime due fasi del catabolismo e dal ciclo di Krebs confluiscono nella catena respiratoria, dove troviamo una serie di complessi proteici. Qui avviene la riossidazione dei coenzimi e la riduzione dell’ossigeno e acqua. In questa fase si ha la formazione di un gradiente protonico a livello della membrana mitocondriale interna, utilizzato per convertire l’energia, estratta dall'ossidazione dei nutrienti, e utilizzarla per sintetizzare l’ATP, necessario per tutte le forme di lavoro che le cellule devono affrontare per vivere e riprodursi.

Via anabolica

Le molecole di ATP prodotte nella fase catabolica vengono sfruttate per svolgere le reazioni biosintetiche riduttive della fase anabolica:

• L’obiettivo è la costruzione di macromolecole che servono ad espletare funzioni fondamentali per la cellula.
• Per le biosintesi riduttive è importante anche un’altra molecola, fonte di potere riducente il NADPH, analogo del NADH, rispetto al quale ha un gruppo fosfato in più.

A differenza del NADH che è un coenzima impegnato nei processi ossidoriduttivi del catabolismo, il NADPH viene utilizzato specificamente per le biosintesi riduttive, ad esempio di acidi grassi, colesterolo…, per le quali è necessario un donatore di equivalenti di riduzione.

Ossidazione progressiva

Nel metano si ha lo stato di ossidazione più basso (-4), e poi si passa alla CO2 che ha lo stato di ossidazione più alto (+4).

Si ha maggiore rilascio di energia passando dallo stato più ridotto alla stato più ossidato.

ATP: adenosina-5′-trifosfato

È una molecola chiave all’interno del metabolismo, bisogna sapere la struttura, perché funge da trasportatore di energia.

Si tratta di un nucleoside trifosfato, costituito da una base azotata purinica, l’adenina, l’N in 9 ha un legame N-glicosidico con l'ossidrile in C1 del ribosio, altro aldoso, con funzione aldeidica e 5 atomi di C. Adenina e ribosio costituiscono l’adenosina.

LEGAME N GLICOSIDICO - 2 GB.

L’ossidrile in 5’ dal ribosio è esterificato da 3 fosfati.

Il P in α è quello legato all’O del ribosio attraverso un legame fosfoestereo, seguono il P in e in legati tra di loro e al P in α mediante legami fosfoanidridici.

Nella maggior parte delle reazioni si ha il trasferimento del fosfato in gamma su un accettore nucleofilo che può essere ad esempio l’acqua.

Se l’accettore è l’acqua si parlerà di idrolisi di ATP, in cui si ha il rilascio di ADP e fosfato.

Eb HH fungono da questo per energia trasportatori di ↓.

Grazie a questo trasferimento di gruppi fosfato, viene rilasciata energia libera che poi viene utilizzata per trascinare delle reazioni che se no non sarebbero termodinamicamente favorite.

Infatti nell’idrolisi di ATP avviene una variazione di energia ΔG = -30 kJ/mol, quindi è fortemente esoergonica perché.

Motivi del perché la reazione di trasferimento di fosfato è vantaggiosa

• L’ATP ha molte cariche negative vicine, portando ad una repulsione elettrostatica che rende la molecola meno stabile rispetto ai prodotti: il rilascio del fosfato in gamma riduce questa repulsione.
• Il fosfato rilasciato, che quindi troviamo nei prodotti, è stabilizzato da forme di risonanza equivalenti.
• Ionizzazione dei prodotti sia di ortofosfato che dell’ADP.
• Maggiore idratazione.

Quindi se i composti finali hanno minore energia libera, vuol dire che il ΔG è negativo, e quindi la reazione è spontanea.

Accettori nucleofili

In genere ATP dona gruppi fosforici, pirofosforici o AMP ad accettori diversi dall’acqua.

Come accettore si ha un substrato che viene fosforilato.

Nella maggior parte dei casi, viene trasferito il fosfato in gamma.

Ci possono essere attacchi nucleofilici diretti verso ciascuno dei fosfati dell’ATP:

• Gamma: sul P in avviene nella maggior parte dei casi, porta al rilascio di una molecola di fosfato e di ADP, adenosina difosfato.
• Beta: sul P in è molto meno comune, porta al rilascio di un composto pirofosforilato e di AMP, adenosina monofosfato, AMD CON.
• Alfa: sul P in porta al rilascio dell'intermedio adenilato e con rilascio di pirofosfato. Nella maggior parte dei casi il legame tra i due fosfati del pirofosfato viene scisso dalla pirofosfatasi inorganica, enzima ubiquitario ed elargire ulteriore energia.

Una reazione termodinamicamente sfavorita può procedere se accoppiata a una reazione termodinamicamente favorita, ad esempio:

Il ΔG nelle reazioni

Tra tutti questi composti, l’ATP occupa una posizione intermedia, con un ΔG0’ di -30,5, ci sono infatti dei composti che hanno un‘energia superiore.

Questa scala di valori fa capire come l’ATP sia fondamentale come trasportatore di energia: la presenza di composti che hanno più energia fa capire che è possibile la sintesi dell’ATP a partire da ADP, grazie a composti che si formano nelle prime fasi della glicolisi, il fosfoenolpiruvato, al primo posto in tabella, e 1,3-bifosfoglicerato, al secondo posto in tabella, perché sono più stabili.

Composti con energia di idrolisi molto negativa generano prodotti più stabili dei reagenti per:

• Riduzione nella tensione di legame dovuta a repulsione elettrostatica in conseguenza della separazione delle cariche, vedi ATP, go.
• Stabilizzazione per ionizzazione, vedi ATP, acidi fosforici, con.
• Stabilizzazione per tautomerizzazione, vedi fosfoenolpiruvato, ins.
• Stabilizzazione per risonanza, creatina, ioni carbossilato da acilfosfati, fosfato inorganico.

Quindi si possono dividere composto:

• Ad alta energia.
• Ad bassa energia.

Vediamo anche dal grafico che l'ATP occupa una posizione intermedia rendendolo una molecola più flessibile e versatile per svolgere il ruolo che gli compete.

Al di sotto del valore di riferimento vi sono dei composti che hanno tendenza a trasferire il fosfato, ma hanno un ΔG0’ molto basso, è il caso ad esempio degli esteri fosforici del glucosio e glicerolo.

Anche la fosfocreatina, terzo posto in tabella, è una di quelle molecole che possono essere utilizzate per la sintesi dell’ATP: questo avviene in determinati distretti muscolari che presentano un’elevata concentrazione di fosfocreatina, durante degli esercizi intensi in cui è necessario il ripristino veloce di ATP e in presenza dell’enzima creatina chinasi. La reazione come indica la doppia freccia è reversibile, l’enzima può catalizzare la reazione in entrambe le direzioni.

È una riserva di fosfato.

Tioesteri

Oltre ai composti fosforilati, vi sono altri composti energetici che sono i tioesteri.

Sono esteri di acidi carbossilici che sono esterificati non con un alcol, ma con un tiolo, con un -SH. Un esempio che troveremo nel ciclo di Krebs è l’acetil CoA, è formato dal coenzima A, che ha una parte nucleosidica, una porzione di molecola derivante dalla vitamina pantotenato che è legata ad un residuo di beta-mercaptoetilammina, abbiamo una funzione tiolica che esterifica una funzione carbossilica, attraverso un legame carboamidico.

I tioesteri sono dei composti energetici con un ΔGº’ più negativo rispetto ad un estere normale, questo è dovuto al fatto che il salto di ΔG di un tioestere è maggiore rispetto all’energia di un estere con l’ossigeno per il fatto che a livello dei prodotti gli esteri sono stabilizzati per risonanza a differenza dei tioesteri.

Quindi il tioestere è più energetico.

Ripasso

Principi di regolazione delle vie metaboliche

Le vie metaboliche sono finemente regolate, queste dipendono da:

Compartimentazione: il compartimento cellulare all’interno del quale le vie metaboliche avvengono. Ad esempio la glicolisi avviene completamente nel citosol, altre avvengono parte nel citosol e parte nei mitocondri, altre ancora avvengono completamente nei mitocondri.

Questo fattore è importante per determinare alcuni aspetti come i processi di trasporto che permettono il trasporto degli intermedi da un compartimento all’altro, questi trasportatori infatti entrano a far parte della regolazione di tutta la via metabolica.

Alta specializzazione degli organi negli organismi pluricellulari per cui hanno un’attività metabolica particolare, ad esempio il fegato opera per mantenere il glucosio nel range fisiologico, operando sempre in risposta a segnali cellulari, cioè gli ormoni.

Presenza di isoenzimi, ulteriore prova della specializzazione dei tessuti, enzimi che catalizzano lo stesso tipo di reazione, ma sono codificati da geni diversi, quindi nonostante abbiamo una struttura primaria simile, sono diversi per la loro distribuzione tissutale, per proprietà cinetiche e per proprietà di regolazione proprio perché riflettono l’organo in cui sono contenuti. L'azione di questi enzimi può quindi essere regolata in maniera diversa in funzione dell’attività metabolica svolta dal particolare organo in cui si trovano.

Gli isoenzimi sono enzimi che catalizzano la stessa reazione, ma hanno una struttura chimica differente e diverse proprietà chimico-fisiche.

Equilibrio termodinamico: generalmente gli enzimi operano in reazioni con ΔG molto vicino all’equilibrio, quindi parliamo di reazioni reversibili che possono essere catalizzate in entrambe le direzioni in funzione della concentrazione di prodotti e substrati.

Ci sono però delle reazioni all’interno di vie metaboliche che possono essere catalizzate solo in una direzione perché presentano un ΔG fortemente negativo, si tratta di reazioni irreversibili. Sono proprio gli enzimi che catalizzano per queste reazioni irreversibili che vengono regolati, permettendo di regolare il flusso degli intermedi all'interno delle vie metaboliche.

Controllo dell’attività enzimatica nelle tappe chiave della via metabolica

Il flusso degli intermedi lungo una via metabolica è controllato tramite regolazione dell’attività degli enzimi che catalizzano le reazioni irreversibili.

Viene regolata tramite: VISTE...GIÀ.

• Regolazione allosterica.
• Modificazione covalente reversibile, sotto controllo ormonale/fattori di crescita.
• Interazioni con proteine regolatrici.
• Controllo della quantità dell’enzima ->

Glicolisi

Glicolisi = prima via catabolica che avviene in tutte le cellule.

D Si chiama serie del glucosio perché si fa riferimento all’OH del carbonio con il numero più alto che deve essere uno stereocentro e si chiama carbonio configurazionale.

Tutti i monosaccaridi della serie D si riferisce alla configurazione della gliceraldeide, che è uno zucchero a tre atomi di C e ha solo un centro chirale, è lo zucchero più semplice.

Nico -> CON Lg PrU GRANDE NO e se nuno.

Si analizzerà solo la serie D degli zuccheri Sx=L DX D=08.

Gli zuccheri possono dividere in aldosi o chetosi.

Per il numero di atomi di carbonio: esosi e pentosi.

In base al numero di anelli zuccherini: monosaccaridi, disaccaridi, polisaccaridi.

Sono tra i composti organici più abbondanti in natura.

Sono molto solubili in acqua per i vari gruppi ossidrilici.

Il glucosio è un aldoso.

Gli zuccherini non sono in forma lineare.