Biochimica - parte 2

Metabolismo

Per metabolismo si intende l’insieme di tutte le trasformazioni chimiche che avvengono in un organismo. Queste reazioni, catalizzate da enzimi, si raggruppano in vie metaboliche. Il metabolismo consente agli organismi di mantenersi in una condizione lontana dall’equilibrio: gli organismi sono in una condizione di omeostasi dinamica, cioè viene mantenuta costante la concentrazione dei metaboliti attraverso reazioni che formano i metaboliti e altre che li degradano. Quindi la concentrazione di metaboliti dipende dalla velocità con cui viene sintetizzata e eliminata.

La maggior parte della concentrazione dei metaboliti nelle vie metaboliche è lontana dalla concentrazione all’equilibrio. La vita è una condizione di omeostasi lontana dall’equilibrio. Per mantenere l’omeostasi lontana dall’equilibrio è necessario disporre di energia ottenuta dai processi catabolici (=degradativi), che viene conservata in una forma utile (ATP) per essere utilizzata quando serve nei processi biosintetici o anabolici. Nel catabolismo si va dal complesso e ordinato al semplice e disordinato e si ottiene energia che viene utilizzata per organizzare la cellula, sintetizzando metaboliti utili e strutture, e in questo ordine la cellula rimane in una condizione di omeostasi lontana dall’equilibrio.

Catabolismo

Il catabolismo è quella serie di processi che partono dai nutrienti (macromolecole complesse: carboidrati e grassi ma auspicabilmente non proteine) che vengono degradati e completamente ossidati a ottenere anidride carbonica, acqua e ammoniaca. Questo processo avviene in modo tale che l’energia contenuta nelle macromolecole venga trasformata in qualcosa di utile per la cellula.

Quindi le molecole utili sono NADH, FADH₂ e NADPH. Queste molecole raccolgono gli elettroni ceduti nei processi ossidativi. Si parte da nutrienti che vengono ossidati, in questo processo vengono ceduti elettroni che vengono trasportati da NAD e FAD (trasportatori universali di elettroni). Questi elettroni vengono poi utilizzati nella fosforilazione ossidativa per sintetizzare ATP. Quindi l’energia contenuta nei legami chimici dei nutrienti viene estratta in forma di equivalenti riducenti che vengono poi utilizzati per sintetizzare ATP. La sintesi di ATP non è diretta. Nel processo di degradazione vengono prodotti intermedi utili che possono essere poi utilizzati per fare biosintesi. Quindi il metabolismo degradativo genera anche molecole utili per la biosintesi.

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Utilizzo dell'ATP

L’ATP prodotto dai processi catabolici viene poi utilizzato ma non subito:

• Le vie anaboliche non avvengono contemporaneamente alla rispettiva via catabolica (si otterrebbe un ciclo futile) ma vengono attivate in condizioni differenti. Ad esempio la glicolisi viene attivata in una determinata condizione metabolica, mentre la gluconeogenesi viene attivata in condizioni diverse perché se funzionassero contemporaneamente non ci sarebbe nessuna utilità e non si genererebbe nulla di utile.
• Spesso vie anaboliche e cataboliche sono localizzate in distretti differenti, ad esempio la degradazione degli acidi grassi avviene nei mitocondri mentre la sintesi nel citoplasma. La compartimentalizzazione consente un miglior controllo delle vie cataboliche e anaboliche.

Nell’anabolismo, si parte da molecole semplici (amminoacidi, acidi grassi, etc.) che vengono utilizzate per sintetizzare molecole utili per la cellula, quindi proteine, polisaccaridi, etc. Le vie anaboliche richiedono energia, molto spesso le vie biosintetiche sono riduttive: oltre all’energia richiedono anche equivalenti riducenti. Quello che viene utilizzato più spesso nell’anabolismo è il NADPH che dona elettroni per le biosintesi riduttive come la biosintesi di alcuni ormoni o degli acidi grassi. Quindi questo processo ha la funzione di mantenere la struttura e la funzione dell’organismo.

I nutrienti vengono degradati e la degradazione porta alla produzione di molecole che fungono da riserva di energia che possono essere poi utilizzate per costruire le cellule e l’organismo. Le vie metaboliche sono finemente regolate, è importante che la loro attività dipenda dalle condizioni della cellula. La via metabolica deve poter rispondere prontamente alle mutate condizioni della cellula e dell’organismo. Alcuni dei meccanismi regolativi li avevamo già considerati quando abbiamo parlato di regolazione delle attività enzimatiche.

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Vie cataboliche e anaboliche

• A sinistra troviamo le vie cataboliche (freccia rossa).
• A destra le vie anaboliche (freccia blu).

3 blocchi del metabolismo, via catabolica:

1. C’è una prima serie di processi che converte le macromolecole nei monomeri che le costituiscono: proteine, acidi nucleici (non hanno funzione energetica), polisaccaridi e lipidi possono essere convertiti in amminoacidi, nucleotidi, monosaccaridi, acidi grassi e glicerolo. C’è una certa varietà chimica nei monomeri che si ottengono.
2. Queste molecole vengono poi convertite in pochi intermedi metabolici in modo tale che da questi intermedi in avanti la degradazione sia comune, questo consente di attuare il principio di economicità (no sprechi nelle cellule, tutto più semplice perché si riduce il numero di vie). Dai monomeri si ottengono pochi intermedi metabolici come piruvato e acetilCoA e intermedi del ciclo dell’acido citrico.
3. L’ultimo processo è la degradazione finale di questi intermedi metabolici, è in questo processo finale che si guadagna la maggior parte dell’energia.

Nell’anabolismo succede il contrario: utilizzando l’energia ottenuta nella degradazione, gli intermedi metabolici vengono convertiti in monomeri e poi in macromolecole. La capacità di un organismo di sintetizzare monomeri partendo da intermedi metabolici e da piccole molecole semplici è piuttosto diversificata. Non tutti gli organismi sono in grado di sintetizzare composti organici partendo da anidride carbonica e acqua. Le piante sono in grado di farlo, l’uomo no e deve partire da intermedi già più organizzati.

• Organismi autotrofi: possono sintetizzare molecole complesse a partire da molecole inorganiche.
• Organismi eterotrofi: organismi che hanno bisogno di composti organici per sintetizzare i metaboliti.

Nella biosfera, organismi autotrofi ed eterotrofi convivono in un ciclo interdipendente in cui l’energia delle reazioni solari è il motore che consente di utilizzare l’anidride carbonica per sintetizzare composti organici e introdurre ossigeno, e questo viene poi utilizzato dagli eterotrofi per il metabolismo degradativo e per biosintesi a partire da intermedi più semplici. Il fatto che tutti gli animali siano eterotrofi e tutte le piante autotrofe ha delle eccezioni:

• Elysia, lumaca in grado di fare fotosintesi. È una eccezione, non si conoscono altri animali in grado di farlo. Si nutre di piante, i cloroplasti arrivano nell’apparato digerente, non vengono digeriti ma vengono mantenuti attivi e fanno fotosintesi. Questa lumaca, dopo una prima fase della vita in cui dipende dal nutrimento, in una seconda parte della vita è in grado di autoprodurre le sostanze di cui si nutre sfruttando i cloroplasti.
• Piante carnivore, non ottengono azoto in forma inorganica dal suolo ma si nutrono di animali. Sono piante che vivono in condizioni ambientali deprivate di nutrienti nel terreno, in cui possono sfruttare molta acqua e luce solare, questo consente alle piante di poter sacrificare parte delle foglie e degli apparati fotosintetici per generare dei sistemi di digestione degli insetti che consentano alle piante di ricavare azoto e nutrienti dall’esterno anziché estrarli dal suolo.

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Funzioni del metabolismo

Il metabolismo serve a:

• Ricavare energia dai nutrienti (sintetizzare ATP).
• Convertire le sostanze nutrienti in molecole utili per sintetizzare macromolecole necessarie per costruire cellule e organismi.
• Sintetizzare molecole specializzate, organismo-specifiche (mentre le vie cataboliche e le vie di sintesi di macromolecole sono abbastanza conservate negli organismi, la biosintesi di molecole specializzate è estremamente specifica).

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Bioenergetica

La bioenergetica è lo studio quantitativo della conversione dell’energia da una forma ad un'altra. Il metabolismo serve per mantenere in vita gli organismi, cioè in uno stato di omeostasi lontano dall’equilibrio. Quindi la vita è associata a processi di acquisizione, trasformazione e utilizzo dell’energia. Il metabolismo ci consente di comprendere come sia possibile acquisire e trasformare l’energia.

Nella slide leggiamo la formula della costante di equilibrio keq che si trova grazie alle concentrazioni di reagenti e prodotti all’equilibrio. ΔG₀ indica le condizioni standard biochimiche, noi non sempre scriviamo l’apice però lo sottointendiamo. Queste condizioni prevedono:

• 25 gradi centigradi
• 1 bar di pressione
• pH

Nelle reazioni che contemplano tra reagenti e prodotti l’acqua, la concentrazione dell’acqua non viene considerata ma è inclusa nello standard. Il valore di ΔG₀ ci dà una indicazione del verso in cui procede la reazione partendo da una concentrazione 1 molare di tutti i reagenti.

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Quando consideriamo una reazione reale e non siamo in condizioni standard, quello che definisce la spontaneità del processo è ΔG che dipende da ΔG₀ e dal ln Q, dove Q è il rapporto da prodotti e reagenti in quelle determinate condizioni. Quindi utilizzando questa relazione e conoscendo ΔG₀ della reazione e la concentrazione di reagenti e prodotti nella cellula, possiamo calcolare se quella determinata reazione alle condizioni cellulari è spontanea o meno, quindi si capisce in quale verso procede.

• Se ΔG₀ >> 0 sicuramente la reazione per avvenire deve essere accoppiata con una reazione che ha ΔG₀ << 0, abbastanza da compensarlo. Nella cellula questo avviene accoppiando la reazione con l’idrolisi dell’ATP.
• Spesso però le reazioni del metabolismo hanno un ΔG₀ di poco maggiore di zero, in queste condizioni ciò che determina la spontaneità della reazione è la concentrazione di prodotti e reagenti. In questo caso la reazione può essere resa spontanea rendendo il rapporto Q < 1, cioè che la concentrazione di substrati sia elevata o la concentrazione di prodotti bassa. Nelle vie metaboliche le reazioni che hanno un ΔG₀ di poco maggiore di 0, cioè che lavorano vicino all’equilibrio, possono andare in una direzione o nella direzione opposta a seconda della concentrazione relativa di substrati e prodotti.

Quando la concentrazione di substrato aumenta e di prodotti diminuisce, la reazione viene tirata verso destra, il ΔG diventa negativo. Quando la concentrazione di prodotti aumenta e diminuisce quella di substrati, la reazione tende ad andare verso sinistra. Questo è vero per circa il 70% delle reazioni della glicolisi.

L’ATP viene utilizzato come forma di conservazione dell’energia in cui l’energia viene sfruttata accoppiando la sua idrolisi a reazioni termodinamicamente sfavorite.

Fosforilazione a livello del substrato

Nella degradazione del glucosio inizialmente a piruvato, l’ATP viene sintetizzato in alcune reazioni della glicolisi e non della fosforilazione ossidativa. Ci sono delle molecole in grado di trasferire direttamente un gruppo fosfato all’ADP per fare ATP. Questi processi sono rari e producono complessivamente poche molecole di ATP.

Il processo parte da glucosio, forma 2 molecole di piruvato che viene convertito in acetilCoA, il quale entra nel ciclo di Krebs, il carbonio del glucosio viene completamente ossidato e eliminato in forma di CO₂. Da questi processi vengono ricavate un certo numero di molecole di ATP. In tutti questi processi gli elettroni vengono trasferiti al NAD e al FAD. Questi elettroni vengono utilizzati per sintetizzare la maggior parte dell’ATP. In questo caso il processo di fosforilazione è realmente il legame del fosfato libero all’ADP che avviene grazie all’ATP sintasi. Gli elettroni del NADH vengono trasferiti ad accettori via via più ossidati. L’energia contenuta nel NAD viene trasferita in pacchetti (e non tutta insieme) ad accettori con potenziale redox sempre più positivo.

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Quindi l’ATP viene sintetizzato per fosforilazione diretta dell’ADP utilizzando come fonte di energia il gradiente chemiosmotico. Una reazione termodinamicamente sfavorita, che è la sintesi di energia, avviene sfruttando come fonte di energia il gradiente chemiosmotico. In queste prime fasi del metabolismo la sintesi di ATP può avvenire sfruttando molecole fosforilate ad alta energia cioè che hanno un ΔG di idrolisi molto più negativo del ΔG di idrolisi dell’ATP.

Gli elettroni che vengono raccolti dal NAD per essere trasferiti alla fosforilazione ossidativa provengono dall’ossidazione dei nutrienti. L’energia che si può ricavare dai nutrienti dipende dallo stato di ossidazione del C: più ridotto è il carbonio, più saranno gli elettroni trasferiti ossidandosi. I lipidi hanno un C in uno stato più ridotto rispetto ai carboidrati. I lipidi hanno un C simile al C del metano, mentre i carboidrati hanno un C simile a quello della formaldeide o del metanolo. Questo è il motivo per cui dall’ossidazione dei lipidi si ricava più energia rispetto all’ossidazione dei carboidrati.

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L'ATP e la sua utilità

L’ATP è estremamente utile perché consente di conservare l’energia per quando serve. Se non esistesse, i processi degradativi dovrebbero essere accoppiati direttamente a quelli di sintesi. Un essere umano sintetizza ATP ad una velocità di 10²¹ molecole al secondo. Quello che ci interessa dell’ATP sono i legami fosfoanidridici (nell’immagine indicati in rosso), sono legami ad alta energia cioè quei legami che quando vengono formati conservano l’energia in un’altra forma e che sarà utilizzabile nel momento in cui questi legami verranno rotti. Dal punto di vista del metabolismo il legame che viene rotto è quello tra il fosfato gamma e il beta. L’idrolisi di questo legame ha un ΔG₀ di circa -30 kJ/mol (numero da ricordare).

La reazione è così esoergonica che i prodotti sono molto più stabili del reagente. I prodotti dell’idrolisi del gruppo fosfato sono appunto il fosfato e l’ADP.

• Il fosfato è estremamente stabilizzato per risonanza, si possono scrivere più strutture di risonanza per quando è libero piuttosto che legato quindi è più stabile quando è libero.
• L’ADP è protonato sul fosfato ma il pK del protone è acido, in condizioni fisiologiche tende a deprotonarsi e l’equilibrio di deprotonazione sposta ulteriormente la reazione verso i prodotti.

Se il ΔG di idrolisi del gruppo fosfato dall’ATP è -30 kJ/mol vuol dire che questa reazione può essere utilizzata per far avvenire una reazione endoergonica. Il ΔG complessivo deve essere minore di 0, quindi la reazione che accoppio all’idrolisi dell’ATP dovrà avere un ΔG di +28 ad esempio e non di +50 perché non sarebbe compensata.

Benché l’idrolisi dell’ATP sia una reazione termodinamicamente favorita, è estremamente lenta, questo perché comporta l’attacco nucleofilo dell’acqua al fosfato, difficoltoso perché il fosfato ha una densità elettronica alta. Questo rende la reazione cineticamente lenta.

Questa reazione è il movimento di una ruota dentata trainata da un peso, è come l’idrolisi dell’ATP. Se avvenisse così, l’energia verrebbe dissipata: la ruota gira ma non produce nulla di utile. Al contrario, nel sito attivo di un enzima la reazione di idrolisi viene accoppiata a una reazione non spontanea, qui il sollevamento di un peso, e si ha che l’energia contenuta nel legame fosfoanidridico dell’ATP venga direttamente utilizzata per far avvenire la reazione sfavorita.

Molto spesso nel sito degli enzimi in cui avviene accoppiamento della reazione non è una idrolisi dell’ATP ma un trasferimento del fosfato o sul substrato o su un residuo del sito attivo.

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Accoppiamento delle reazioni

Due reazioni possono essere accoppiate se hanno un intermedio comune, nell’esempio nella slide l’intermedio comune è B. Il ΔG complessivo è dato dalla somma dei ΔG delle due reazioni singole. Esempio: la prima reazione della glicolisi è la fosforilazione del glucosio, è endoergonica.