Biochimica (prima parte)

Introduzione

• Con metabolismo si intende l’insieme dei processi biochimici ed energetici.
• Somma di tutte le reazioni, trasformazioni chimiche che avvengono all’interno del nostro organismo, vie metaboliche.
• Il nostro organismo compie tantissime trasformazioni catalizzate da determinati enzimi, che formano le vie metaboliche.

Catabolismo

• Catabolismo: produciamo.
• Partiamo da grandi molecole che andiamo a degradare per formare piccole molecole, energia.

Anabolismo

• Anabolismo: utilizziamo.
• Partiamo da piccole molecole andiamo a costituire le macromolecole, energia.

Reazioni esoergoniche ed endoergoniche

• Esoergoniche.
• DeltaG è la variazione di energia libera standard, per le reazioni dovremmo avere un deltaG minore di zero, negativo; mentre positivo. Endoergonico, quando al suo interno utilizza energia, esoergonico, invece libera energia.

Le reazioni accoppiate

• Le reazioni endoergoniche non possono avvenire se non sono accoppiate a reazioni esoergoniche; utilizzando energia, nelle reazioni endoergoniche, la dovremmo ricavare dalle reazioni esoergoniche, che invece liberano energia. Vengono accoppiate grazie a degli intermedi comuni che hanno. Se vogliamo “accoppiare” il concetto di esoergonico ed endoergonico con catabolismo e anabolismo —> l’endoergonico con l’anabolismo, mentre esoergonico con il catabolismo. Quindi di solito reazioni cataboliche e anaboliche sono associate, le reazioni esoergoniche devono avvenire nello stesso momento in cui avvengono quelle endoergoniche, se no l’energia andrebbe dispersa.

Miosina

• La miosina è una proteina, che per funzionare ha bisogno di trasformare ATP in ADP, viene rimosso un fosfato; principalmente serve per la contrazione muscolare, la miosina compie reazioni di degradazione dell’ATP, la rottura di un gruppo fosfato dell’ATP, per diventare ADP, cambia la sua conformazione, produce energia, quindi è una reazione esoergonica. Quindi se la miosina trasforma ATP in ADP, parte esoergonica, libera energia che viene utilizzata dalla parte endoergonica (siccome sono reazioni accoppiate) che è la contrazione muscolare.

Pompe

• Un altro esempio sono le pompe, che fanno passare attraverso la doppia membrana fosfolipidica, contro gradiente di concentrazione gli ioni, utilizzando energia, quindi reazioni endoergoniche; dovremo avere un cambiamento conformazionale, alla pompa, utilizzando l’idrolisi dell’ATP, per produrre energia. La reazione esoergonica è l’idrolisi dell’ATP, mentre quella endoergonica è il passaggio di ioni contro gradiente.

Chemiotrofi e fototrofi

• Chemiotrofi: l’uomo che ottiene energia usando legami covalenti per trasformarli in legami ad alta energia (ATP).
• Fototrofi: le piante utilizzano energia radiante del sole per costruire molecole di ATP.

L’ATP

• L’ATP: è un trasportatore di energia metabolica, è costituita da uno zucchero, il ribosio, da una base azotata, l’adenina e da tre gruppi fosfato (alfa, beta e gamma), grazie alla presenza di questi tre gruppi fosfato è una struttura stabile, la liberazione di energia è data dalla rottura di uno di questi gruppi fosfato, o tra gamma e beta o tra beta e alfa; i tre gruppi fosfato per stare legati insieme usano tanta energia, se ne viene staccato uno, l’energia che veniva usata per legarli insieme, viene rilasciata, producendo energia; viene usata tanta energia per tenerli legati insieme perché essendo carica negativamente deve combattere la repulsione. Quando libero un gruppo fosfato, rompo legame tra gamma e beta, libero -7,3 kcal/mole; mentre quando ne libero due, rompo legame tra beta e alfa, libero -10,9 kcal/mole, diventa da ATP a AMP. In media se si considera che se rompo tra gamma e beta libero -7,3, mentre se rompo tra beta e alfa libero -10,9, in media sono 10 kcal/mole, e ADP, AMP e il gruppo fosfato sono più stabili, sempre per il concetto di risonanza, perché hanno una repulsione minore. L’idrolisi dell’ATP, serve per la biosintesi, ma anche per il trasporto attivo, per il movimento e per i meccanismi di traduzione del segnale. Altre molecole che contribuiscono a fornire energia sono la GTP, il fosfoenolpiruvato la fosfocreatina e l’acetilfosfato.

La fosfocreatina

• La fosfocreatina: rappresenta una scorta energetica, in grado di cedere il gruppo fosfato all’ADP per convertirlo in ATP. La creatina fosfato ha funzione di riserva di energia, infatti si trova principalmente nei muscoli, crea molto velocemente ATP, l’enzima creatina-chinasi catalizza reazioni reversibili. Se il muscolo si sta contraendo un sacco, quello che succede è che si ha un’altra concentrazione di ADP, se il muscolo è a riposo sta tranquillo per i fatti suoi, anzi se c’è tanta ATP e il muscolo non la sta usando, ruba il fosfato per immagazzinarlo e poterlo usare quando poi servirà.
• Gli organismi chemiotrofi ottengono l’energia dall’ossidazione delle sostanze nutrienti che comprendono le macromolecole: queste sostanze nutrienti quando raggiungono il tubo digerente, in ambiente extracellulare, vengono digerite e quindi ridotte e verranno attraverso specifici trasportatori, trasportati attraverso la membrana plasmatica fino ad arrivare nel citosol, in ambiente intracellulare, dove percorreranno alcune vie metaboliche, come la glicolisi, successivamente attraverso il ciclo di Krebs, all’interno dei mitocondri, riusciamo ad ossidarli completamente in CO2. Gli eventi catabolici citosolici che quelli all’interno della matrice mitocondriale sono ossidativi, quindi verrà estratta energia, che successivamente verrà catturata da cofattori che li indirizzeranno verso la fosforilazione ossidativa. Tra i chemiotrofi fanno anche parte gli organismi aerobici, in cui l’ossigeno è l’accettore finale di vari processi ossidativi.

I cofattori

I cofattori che hanno funzione di catturare e trattenere queste coppie di elettroni sono:

• Il NAD+ è la forma ossidata, mentre la forma ridotta è il NADH.
• Il FAD è la forma ossidata, mentre la forma ridotta è FADH2.
• NADH e FADH2 non possono quasi mai entrare in reazioni anaboliche riduttive, per questo si utilizza il NADPH, quindi li uso per reazioni cataboliche; mentre NAD+ e FAD in reazioni anaboliche.

Coenzima A

• Coenzima A: è costituito da una molecola di ADP fosforilato, un’unità pantotenato e una beta-mercapto-etilammina, funge da cofattore di enzimi che devono spostare gruppi acrilici, forma legami tioesteri, l’acetile più importante è l’acetil coenzima A.

Vitamine

• Idrosolubili —> Vitamina C e B (carenza di vitamina C può causare lo scorbuto, causando fragilità vasi sanguigni, perdita di denti, in quanto è cofattore della Prolina idrossilasi, trasforma Prolina in idrossiprolina, presente nel collagene, fondamentale nei tessuti connettivi.
• Liposolubili —> Vitamina A, D, E e K.
• Temperatura di melting: temperatura necessaria per rompere i legami idrogeno tra le eliche del collagene quindi per degradarlo.

Regolazione dei processi catabolici

Regolazione dei processi catabolici: regolati sia all’interno della cellula che tra le cellule di organi differenti, possono avvenire sia tramite:

• La regolazione della quantità di enzimi prodotti —> regolazione trascrizionale, permette di attivare o inibire il gene corrispondente, devo trascrivere un determinato enzima io faccio in modo di produrne di meno o di più a seconda del bisogno della cellula.
• La regolazione dell’attività catalitica degli enzimi —> attivando o inibendo enzimi già presenti nella cellula, a differenza della prima io ne ho già un tot prodotti che andrò a regolare.
• L’accessibilità dei substrati —> permetto ad un enzima già attivo di regolare la quantità di substrato, l’enzima è attivo e funziona solo se sotto ha un substrato, se in quel momento non serve l’azione di quell’enzima, riduco la quantità di substrato così che l’enzima è attivo agirà sul substrato che ha, ma se il substrato è poco, l’enzima agisce poco.

Gli ormoni

Gli ormoni: sono principalmente sintetizzati da ghiandole endocrine, le cui cellule secernono direttamente nel sangue, sono anche dei primi messaggeri (trasportati in modo passivo, ma catturati in modo attivo da recettori), sono principalmente tre:

• Insulina: prodotta dalle cellule endocrine del pancreas produco per abbassare livelli di glucosio nel sangue, stimolando la produzione di glicogeno.
• Adrenalina: funzione simile al glucagone, ma ha cellule target diverse da quelle del glucagone, prodotta dal surrene, ghiandola sopra il rene.
• Glucagone: prodotta dalle cellule endocrine del pancreas produco per alzare livelli di glucosio nel sangue, stimolando la produzione di glucosio, tagliando il glicogeno.
• Ghiandole endocrine: producono ormoni e li liberano dentro il sangue, tutto quello che produce una ghiandola endocrina resta nel corpo, esempi come il pancreas endocrino e il surrene.
• Ghiandole esocrine: producono qualcosa che lo liberano in una cavità del corpo, andrà verso l’esterno, esempi di ghiandole esocrine sono le ghiandole sudoripare, che producono sudore che va verso l’esterno; un altro esempio è il pancreas esocrino, che produce i succhi pancreatici che vengono rilasciati nell’intestino (una cavità); o le ghiandole salivari, produciamo saliva che esce; o ghiandole dello stomaco che producono i succhi gastrici.
• Lo stato energetico e la carica energetica rappresentano una descrizione qualitativa e quantitativa in quel momento all’interno della cellula di ATP, non può essere mai 0 e 1 ma è compreso tra i due, se il rapporto è 1 vuol dire che in quel momento la cellula contiene solo ATP, se è zero contiene solo AMP. La carica energetica è una frazione dove al numeratore abbiamo ATP + 1/2 ADP, mentre al denominatore ATP + ADP + AMP, in media la carica energetica di una cellula è tra 0,7 e 0,85. La via di produzione dell’ATP è una via catabolica, mentre la via di utilizzazione dell’ATP è una via anabolica; se io ho la carica energetica a zero, o al massimo vie che producono ATP, quelle cataboliche, ma mano che io produco energia, la carica sale, più usare la carica più posso iniziare ad utilizzare ATP, quindi per l’anabolismo. Quindi quando io ho una carica energetica bassa prevalgono le reazioni cataboliche, quando io ho una carica energetica alta prevalgono le reazioni anaboliche.

Glicolisi

• Primo processo delle vie metaboliche che andremo ad analizzare.
• Glicemia = livelli di glucosio nel sangue.
• Organi che utilizzano principalmente glicolisi:
• Cervello —> i neuroni: possono utilizzare solo la glicemia.
• Fegato —> oltre alla glicolisi ha altre vie, fa glicolisi quando i livelli di glicemia sono molto elevati.
• Da 1 una molecola di glucosio (6C) produco 2 molecole di piruvato (3C).
• Suddivisa in 3 fasi: Fase preparatoria e di attivazione dell’esordiente; fase di rottura in due triosi; fase di estrazione dell’energia (ossidazione a piruvato) —> nelle prime due fasi c’è il consumo di ATP, solo nell’ultima fase c’è la produzione di energia.

Trasporto di glucosio

• Il glucosio avendo 6C è una molecola molto grande, e non essendo idrofobica, non può oltrepassare la doppia membrana, ha bisogno dei trasportatori GLUT. Il cibo che arriva nel lume intestinale, si assorbe glucosio, passa negli enterociti attraverso i trasportatori GLUT, e successivamente grazie ad un altro GLUT entra nel sangue, tramite i capillari entra nella circolazione.

Trasportatori GLUT

• Trasportatori GLUT: sono proteine integrali di membrana, costituita da una catena polipeptidica formata da alfa eliche idrofobiche, che attraversano 12 volte la membrana, formando una proteina globulare compatta che va a creare un “poro” al suo interno, all’interno del quale passa il glucosio (no altre sostanze).
• La glicolisi avviene tutta nel citosol.

Fase 1: La prima reazione

• È catalizzata dall’esochinasi, trasformando il glucosio in glucosio-6-fosfato (CHINASI=aggiunge un fosfato) è irreversibile, uso una molecola di ATP che diventa ADP (il fosfato tolto dall’ATP, lo cedo al glucosio), l’obiettivo di questa reazione è formare glucosio fosforilato, che non può entrare nei trasportatori GLUT, non può uscire dalla cellula. Questa reazione avviene in tutte le cellule tranne in quelle del fegato, nel quale la prima reazione è catalizzata dalla glucochinasi, ha la stessa funzione, ma ha una Km differente (misura l’affinità per il substrato, è una costante; è l’affinità dell’enzima per il substrato, in questo caso della glucochinasi per il glucosio, o l’esochinasi per il glucosio), tra esochinasi e glucochinasi, la glucochinasi ha una maggiore affinità per il glucosio, la costante quando ha un valore basso è perché all’enzima serve poco substrato per agire più velocemente, in questo caso l’esochinasi agirà più velocemente della glucochinasi, e sarà più efficiente, perché potrà agire più rapidamente. Il fegato dovrà agire più lentamente perché è un organo generoso, preferisce che lo utilizzano prima le altre cellule, ha altre vie per produrre glucosio. Quando la glicemia è bassa, il glucosio verrà usato dalle cellule che hanno l’esochinasi. Un’altra differenza è che l’esochinasi ha l’inibizione da prodotto, può essere attivata o inibita dal prodotto, perché se l’esochinasi agisce tanto, produce tanto glucosio-6-fosfato, se io ho tanto glucosio-6-fosfato, si andrà a legare all’esochinasi, bloccandola; l’esochinasi può legare sia glucosio che glucosio-6-fosfato, dipende dalla concentrazione.

La seconda reazione

L’adattamento indotto, vale per entrambi gli enzimi, è un meccanismo del substrato, quando c’è tanto glucosio si attivano. È catalizzata dalla fosfogluco isomerasi, in cui si passa da glucosio-6-fosfato a fruttosio-6-fosfato (ISOMERASI=non aggiunge, non toglie niente, i componenti sono gli stessi ma cambia la disposizione, entrambi sono isomeri, hanno gli stessi componenti ma in ordine differente; il glucosio è un aldoso, mentre il fruttosio è un chetoso.

La terza reazione

È catalizzata dalla fosfofruttochinasi, in cui si passa da fruttosio-6-fosfato a fruttosio-1,6-bisfosfato (è sempre una chinasi, si ha quindi l’aggiunta di un gruppo fosfato), il fosfato viene preso da un’altra ATP, anche questa reazione è irreversibile, devo avere due fosfati perché quando arriverò a produrre i due piruvati, ognuno dei due dovrà avere un gruppo fosfato.

Fase 2: La quarta reazione

• È catalizzata dall’aldolasi (LIASI= rompo i legami, senza utilizzo di una molecola d’acqua) passiamo da fruttosio-1,6-bisfosfato (6C) a due prodotti, il gliceraldeide-3-fosfato (3C) e il diidrossiacetone fosfato (3C); il diidrossiacetone fosfato, attraverso la quinta reazione catalizzata dal trioso fosfato isomerasi, viene trasformato in un’altra gliceraldeide-3-fosfato. Alla fine della seconda fase avrò 2 molecole di gliceraldeide-3-fosfato.

Fase 3

• In questa fase c’è un’ossidoriduzione, con l’estrazione di due elettroni e poi l’estrazione di due molecole di ATP, vale per ognuna delle due molecole di gliceraldeide-3-fosfato.
• La sesta reazione è un’ossidoriduzione, catalizzata dalla gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi, in cui si passa da gliceraldeide-3-fosfato a 1,3-bifosfoglicerato (viene ossidata la gliceraldeide-3-fosfato e ridotto il NAD+ a NADH).
• La settima reazione è catalizzata dalla fosfoglicerato chinasi, in cui si passa da 1,3-bifosfoglicerato a 3-fosfoglicerato, qua ottengo una molecola di ATP.
• Nella sesta reazione ho come reagenti il gliceraldeide-3-fosfato (1 fosfato), il NAD+ e un fosfato; come prodotti ho 1,3-bifosfoglicerato (2 fosfati), il NADH e ADP.
• Nella settima reazione ho come reagenti, i prodotti della sesta reazione, quindi il 1,3-bifosfoglicerato, il NADH e l’ADP, mentre come prodotti avrò il 3-fosfoglicerato (1 fosfato) e l’ATP (grazie all’aggiunta di un fosfato dai due del bifosfoglicerato all’ADP).

L’ottava reazione è catalizzata dalla fosfogliceromutasi, è un’isomerasi, noi passiamo da 3-fosfoglicerato a 2-fosfoglicerato, la nona reazione è catalizzata dall’enolasi, che rompe il legame C-O, rilasciando una molecola d’acqua, si passa da 2-fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato, infine la decima reazione che è catalizzata dalla piruvato chinasi, che è una reazione irreversibile, passiamo da fosfoenolpiruvato a piruvato, il fosfato è stato aggiunto all’ADP, trasformandolo in ATP.

• Le due molecole di ATP che otteniamo per ciascuna molecola di piruvato derivano, una dalla fosfoglicerato chinasi, l’altra dalla piruvato chinasi. In totale si ottengono 4 molecole di ATP (ma due erano state utilizzate nelle prime fasi) e 2 molecole di NADH (1 per ogni gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi).
• Il vantaggio della glicolisi è che è molto veloce.
• Oltre ad assumere glucosio, assumiamo anche galattosio e fruttosio. La glicolisi incomincia con il glucosio, però attraverso qualsiasi cibo tu assumi puoi arrivare a fare glicolisi. Il lattosio, viene trasformato dalla lattasi in glucosio e galattosio; mentre il saccarosio viene trasformato dalla saccarasi in glucosio e fruttosio. I due glucosio andranno nella glicolisi; galattosio e fruttosio.