Biochimica

CARBOIDRATI

Introduzione al metabolismo

Il metabolismo è la somma di tutte le trasformazioni chimiche che avvengono in una cellula o in un

organismo. È costituito da una serie di reazioni catalizzate da enzimi che formano le vie metaboliche.

Gli enzimi sono molecole responsabili delle trasformazioni che avvengono nel nostro organismo;

attraverso il progetto proteoma è stato possibile individuare la quantità di enzimi presenti nell’organismo

in proporzione al quantitativo di reazioni che vi si realizzano (2000-2500). Gli enzimi agiscono

velocizzando le reazioni (abbassano l’energia di attivazione consentendo la realizzazione della

reazione stessa) tuttavia hanno un limite cinetico, cioè non possono far avvenire reazioni non

spontanee termodinamicamente.

I vari sistemi multi-enzimatici (le vie metaboliche) cooperano tra loro per adempiere a quattro funzioni:

- Ottenere energia chimica dall’ambiente degradando sostanze nutrienti ricche di energia

- Convertire le molecole delle sostanze nutrienti in molecole caratteristiche della cellula stessa,

compresi i precursori delle macromolecole

- Polimerizzare precursori monomerici formando proteine, acidi nucleici, polisaccaridi

- Sintetizzare e degradare le biomolecole per funzioni specializzate della cellula. In alcuni casi ci

sono reazioni specie-specifiche, che avvengono solo in alcuni organismi (ad esempio gli esseri

umani, e non gli animali, produciamo gli ormoni tiroidei)

Il metabolismo è caratterizzato da una componente catabolica (ossidativa) che degrada molecole

complesse in molecole semplici, e una anabolica (riduttiva) che utilizza le molecole semplici per

sintetizzare molecole complesse.

I due flussi sono collegati e regolati attraverso degli intermedi metabolici (come piruvato, Acetil CoA,

intermedi del ciclo di Krebs). Esistono vie metaboliche che agiscono sia in senso catabolico che

anabolico, in genere si tratta di complessi multi-enzimatici, e si parla di vie anfiboliche. L’intero

metabolismo è soggetto ad una regolazione capillare per garantire che in uno stesso distretto non

avvengano contemporaneamente catabolismo e anabolismo.

Le vie metaboliche possono seguire percorsi differenti:

- Pathway a spirale: in cui ad ogni “giro” della spirale interviene lo stesso set di enzimi

- Pathway lineare: in ogni singola reazione interviene un enzima diverso e avviene in maniera

sequenziale per non disperdere energia; se c’è un passaggio diretto c’è liberazione di energia

in modo non riutilizzabile

- Pathway ciclico: in cui intermedio viene rigenerato al termine del ciclo stesso

- Pathway ramificato: due vie lineari possono avere un precursore o un intermedio comune che

genera due vie metaboliche con prodotti diversi

Alcuni aspetti termodinamici

L’energia è la capacità di compiere un lavoro durante una trasformazione. L’energia e il lavoro si

misurano in Joule (J) o in calorie (cal.).

Il Joule è il lavoro svolto esercitando la forza di un Newton per una distanza di un metro; il Newton è la

forza necessaria a imprimere alla massa di un chilogrammo un’accelerazione di un metro al secondo

quadrato; la caloria è la quantità di calore che occorre somministrare a un grammo di acqua distillata

per portarne, alla pressione atmosferica normale, la temperatura da 14.5 a 15.5 °C.

La termodinamica ci fornisce informazioni sulla spontaneità delle reazioni.

Le variazioni chimiche e le trasduzioni di energia negli organismi viventi seguono le leggi della

termodinamica.

Il primo principio della termodinamica afferma che l’energia può convertirsi da una forma all’altra, ma

il contenuto totale di energia dell’universo si mantiene sempre costante; il secondo principio della

termodinamica afferisce in tutti i processi naturali l’entropia (grado di disordine) tende sempre ad

aumentare.

Le tre grandezze termodinamiche, o funzioni di stato, che descrivono le variazioni di energia che

avvengono in una reazione chimica sono:

- la quantità di energia in grado di produrre lavoro durante una reazione

Energia libera di Gibbs (G):

a temperatura costanti

- il contenuta termico del sistemo; riflette il numero e il tipo di legami chimici dei

Entalpia (H):

reagenti e dei prodotti

- espressione quantitativa della casualità e del disordine di un sistema

Entropia (S): !" = !% − '!(

Dove:

ΔG: la variazione dell’energia libera

- È l’energia disponibile per effettuare lavoro

- Si avvicina allo zero a mano a mano che la reazione si avvicina all’equilibrio

- Permette di predire se una reazione è favorita: ΔG < 0 la reazione è spontanea quindi è

esoergonica; ΔG > 0 la reazione non è spontanea quindi è endoergonica

ΔH: la variazione dell’entalpia

- È il calore libero o assorbito da una reazione

- Non permette di predire se una reazione è favorita

ΔS: la variazione dell’entropia

- È una misura della casualità

- Non permette di predire la spontaneità di una reazione

ΔG° indica la variazione di energia libera di una reazione quando raggiunge l’equilibrio partendo da

concentrazioni unitarie di reagenti e prodotti (condizioni standard)

ΔG’° (si legge ΔG trasformato) indica la variazione di energia libera di una reazione quando raggiunge

l’equilibrio partendo da concentrazioni unitarie di reagenti e prodotti (ma in condizioni standard

biochimiche cioè P=1atm; [M]=1M; pH=7, T=25°C)

La relazione tra l’energia libera di Gibbs e la costante di equilibrio è una relazione semplice e si

! !

Δ" ° = −+' ln .

esprime attraverso la seguente formula: "#

Poiché è una relazione logaritmica a piccole variazioni di ΔG’° corrispondono grandi variazioni in K’

eq.

# $

[%] [']

!" !"

/0 + 23 → 56 + 78 =

Data la relazione generale: la costante di equilibrio è:.

"# % &

[(] [)]

!" !"

Se: !

. > 1.0 → Δ" ° < 0 />>?@/ /0 + 23 → 56 + 78

- "# !

. = 1.0 → Δ" ° = 0 />>?@/ /0 + 23 ↔ 56 + 78

- "# !

. < 1.0 → Δ" ° > 0 />>?@/ /0 + 23 ← 56 + 78

- "#

Anche se formalmente la formula matematica è la stessa dobbiamo distinguere il ΔG attuale e il ΔG in

condizioni standard; in quello attuale infatti compare il quoziente di reazione o rapporto di azione di

massa al posto della costante di equilibrio.

/0 + 23 → 56 + 78

Data la reazione generale: calcoliamo il quoziente di reazione tramite la seguente

# $

[% [']

]

!" !"

C =

formula: in cui le concentrazioni non sono all’equilibrio (in una cellula i metaboliti non sono

% &

[(] [)]

!" !"

in condizioni di equilibrio, perché se lo fossero non ci sarebbe produzione di energia e le cellule

morirebbero). !

Δ" = Δ" ° + +' ln C

Quindi la formula per calcolare ΔG diventa:

In un contesto metabolico la reazione non è isolata ma inserita in un pathway per cui B viene

continuamente rigenerato e C viene rimosso, il sistema non è all’equilibrio ma in una condizione di stato

stazionario (cioè le concentrazioni di A e D non cambiano) che a seconda delle velocità a monte e a

valle della reazione determinano le concentrazioni attuali.

Nelle maggior parte delle trasformazioni biochimiche le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti non

C ≈ .E

sono all’equilibrio ma vicina ad esso:

In uno stato stazionario questo permette di cambiare facilmente la direzione della reazione in quanto

non viene liberata molta energia e le reazioni sono facilmente reversibili; inoltre, gli enzimi si trovano a

ridosso dell’energia di attivazione quindi sono vicini all’equilibrio.

In alcuni i metaboliti sono lontani dall’equilibrio si tratta quindi di reazioni molto energetiche e quindi la

reazione inversa è sfavorita: reazione irreversibile. 0 ⇋ 3 3 ⇋ 6

Consideriamo due reazioni in sequenza cioè la reazione 1 e la reazione 2 ciascuna con la

sua costante di equilibrio K e K e la sua variazione di energia libera

eq1 eq2

(Slide esempio)

Una reazione sfavorita può avere luogo se una forza esoergonica è maggiore della massa

endoergonica, rendendo quindi il processo esoergonico (ATP spinge la reazione)

Tipi di reazione

Sebbene nella biosfera avvengono migliaia (circa 2500, ognuna catalizza da differenti enzimi) di

differenti reazioni chimiche, la maggior parte di queste rientrano in un numero limitato di tipi; le cinque

principali categorie di reazioni in una cellula vivente sono:

- Reazioni che scindono o formano un legame C-C

- Riarrangiamenti intramolecolari, isomerizzazioni, eliminazioni di gruppi

- Reazioni radicaliche in cui si ha la formazione di intermedi di reazione, i radicali, che hanno un

orbitale con un elettrone spaiato e sono potenzialmente pericolosi (ROSS) e ci sono poche

reazioni di questo tipo

- Trasferimento di gruppo, dove un gruppo chimico (carbossilico, metilico e fosforico) passa da

una molecola a un’altra

- Reazioni di ossido-riduzione dove si ha lo spostamento degli elettroni talvolta accompagnati

+

da ioni H

Ogni reazione richiede una specifica catalisi ad opera di enzimi che sono dei catalizzatori reversibili in

quanto abbassano l’energia di attivazione velocizzando le reazioni senza variare la termodinamica o

l’equilibrio; a fine reazione restano gli enzimi restano invariati e hanno un’elevata efficienza catalitica.

Esistono sette tipi di enzimi:

- Ossidoriduttasi: che sono implicati nel trasferimento di elettroni da una molecola all’altra

- Transferasi: catalizzano il trasferimento di gruppi di atomi

- Idrolasi: implicati nelle degradazioni di substrati ad opera dell’acqua

- Liasi: mediano la formazione di un doppio legame tramite l’addizione o la rimozione di un

gruppo

- Isomerasi: catalizza il trasferimento di un gruppo da una posizione a un’altra in una stessa

molecola

- Ligasi: catalizzano l’unione di due molecole per formare un nuovo legame

- Translocasi (carriers): catalizzano il movimento di ioni o molecola attraverso membrane

Nella uno degli atomi trattiene entrambi gli

scissione eterolitica -

elettroni del legame. Ciò porta alla formazione di carbanioni (C ),

+ + -

carbocationi (C ), protoni (H ) e ioni idruro (H ).

Nella ogni atomo conserva uno degli elettroni

scissione omolitica

che formano il legame, generando due radicali del carbonio

(ogni carbonio con un elettrone spaiato) o dell’idrogeno.

I meccanismi delle reazioni biochimiche, responsabili della

formazione e della scissione dei legami covalenti, vengono

indicati con puntini e frecce ricurve, una convenzione nota come

“trasferimento di elettroni”. Gli elettroni non impegnati nel

legame ma importanti per le reazioni vengono indicati con due

punti (:). Il movimento di un singolo elettrone (come nelle

reazioni radicaliche) si indica con una freccia ricurva con la

punta ad amo (↷).

Le reazioni coinvolgono principalmente due specie con

caratteristiche elettroniche diverse: (base) carico

nucleofilo

negativamente (come l’ossigeno nell’ossidrile non protonato,

nell’acido carbossilico ionizzato; come lo zolfo carico negativamente o come nel gruppo imminico non

carico, imidazolo (istidina) e lo ione idrossido) attratto dalle cariche positive ed (acido) carico

elettrofilo

positivamente attratto dalle cariche negative (carbonio carbonilico, gruppi imminico protonato, fosforo di

un gruppo fosfato, protone).

a) L’atomo di carbonio del gruppo

carbonilico è un elettrofilo, in virtù della

capacità elettronattrattiva dell’atomo di

ossigeno elettronegativo, si genera un

ibrido di risonanza in cui il carbonio ha

una parziale carica positiva

b) Nella molecola la delocalizzazione

degli elettroni in un gruppo carbonilico

può stabilizzare su un carbonio

adiacente facilitandone la formazione

c) Le immine funzionano come i gruppi

carbossilici nel facilitare il movimento

degli elettroni

d) I gruppi carbonilici non sempre

funzionano da soli, la loro capacità di

fungere da “trappola per gli elettroni” spesso viene rafforzata dall’interazione con uno ione metallico

2+

(Mg o con un acido generale HA)

Sia per la condensazione aldolica sia per quella di Claisen, un carbanione agisce da nucleofilo, mentre

il C del gruppo carbonilico fa da elettrofilo. In

entrambe il carbanione viene stabilizzato da un

altro carbonile in cui è impiegato il carbonio

adiacente. Nella decarbossilazione si forma un

carbonile sul C, mentre la CO si allontana. La

2

reazione non potrebbe avvenire a una velocità

apprezzabile senza l’effetto stabilizzante del

carbonio adiacente all’atomo di carbonio del

carbonile (stabilizzazione per risonanza col

carbonile adiacente). Un’immina o un altro

gruppo elettrofilo (compresi alcuni cofattori

enzimatici) possono sostituire il gruppo

carbonilico nella stabilizzazione del carbanione.

*noi decarbossiliamo aceto-acetato generando

acetone nel sangue che eliminiamo poi con

l’espirazione.

Meccanismo generale della sostituzione nucleofila acilica

Stadio 1: il nucleofilo si addiziona al carbonile

Stadio 2: l’intermedio tetraedrico riforma il carbonile ed espelle il gruppo uscente (eliminazione)

Nel complesso si ha una reazione di sostituzione

Reazioni di trasferimento di gruppo fosforico

Il fosforo sposta il legame formando un sistema pentaedrico (sistema instabile), la carica dell’ossigeno

torna a formare il legame ma si forma quello fosfoanidrilico formando il glucosio 6-fosfato. Il ΔG è

negativo (l’estere fosfato è più stabile dell’anidride quindi c’è meno energia libera) e la reazione può

avvenire spontaneamente.

A pH fisiologico i gruppi fosforici dell’ATP sono dissociati (pK <<< pH fisiologico)

a

L’idrolisi dell’ATP implica lo spostamento di un gruppo

fosforico sull’acqua eliminando un gruppo, c’è meno

repulsione elettrostatica tra cariche negative. 42-

Più ibridi di risonanza (due cariche negative HPO )

forniscono stabilità.

L’elevata energia libera di idrolisi risiede nelle

particolari proprietà di reagenti e prodotti:

⁃ l’idrolisi elimina la repulsione elettrostatica tra

le cariche negative

⁃ 2+

Il legame del Mg introduce una distorsione

nella molecola di ATP che favorisce l’idrolisi

⁃ Il fosfato inorganico possiede un’ampia

varietà di forme di risonanza

L’ATP in realtà non si trova in forma “nuda”, è sempre

legato ad uno ione, in generale al magnesio, il quale

è un complessante di ADP e ATP che li rende più

sensibili all’attacco nucleofilo quindi compartecipa ad

alcune reazioni

Le concentrazioni di ATP, ADP, P differiscono in

i

diversi tipi di cellule/tessuti con conseguenti variazioni

nel rilascio di energia libera

ATP (mM) ADP (mM) P (mM)

i

FEGATO 3.5 1.8 5.0

MUSCOLO 8.0 0.9 8.0

CERVELLO 2.6 0.7 2.7

ERITROCITA 2.25 0.25 1.65

L’energia libera di idrolisi dell’ATP in condizioni intracellulari viene definita potenziale di

fosforilazione, ΔG .

p [08J][J ]

+

!

∆" = ∆" ° + +' ln

* [0'J]

∆" = −30.5 .N ⁄

O?> ∆"

Dato un si può stimare il dei vari tessuti:

* *

ATP (mM) ADP (mM) P (mM) ΔG

i p

FEGATO 3.5 1.8 5.0 -45.9

MUSCOLO 8.0 0.9 8.0 -48.6

CERVELLO 2.6 0.7 2.7 -49.2

ERITROCITA 2.25 0.25 1.65 -52.7

Se dovessimo fare una graduatoria dei tessuti più ricchi di energia, considerando solo l’ATP, l’eritrocita

sarebbe il primo e il fegato l’ultimo.

L’ATP fornisce energia mediante trasferimento di gruppi non solo per

idrolisi

Essenzialmente l’idrolisi dell’ATP consente il trasferimento di un

gruppo P su una molecola creando un potenziale gruppo uscente

i

migliore di quello di partenza.

L’ATP permette tre possibilità di trasferimento del gruppo S, T)

Ognuno dei tre atomi di fosforo (Q, è un bersaglio

elettrofilo per un attacco nucleofilo da parte di R-O (un

alcol, un acido carbossilico ecc.)

Ci sono altre biomolecole che possono liberare energia durante la loro idrolisi, ognuna delle quali ha

una specifica energia libera standard di idrolisi (in genere sono molecole fosforilate):

Fosfoenolpiruvato > 1,3-bifosfoglicerato (→ 3-fosfoglicerato + P ) > ATP (→ AMP+P ) > fosfocreatina >

i i

ADP (→ AMP + Pi) > AcetilCoA > ATP (→ ADP+P ) > glucosio 3-fosfato > PP (2P ) > fruttosio 3-fosfato >

i i i

AMP (adenosina+P ) > glucosio 6-fosfato > glicerolo 3-fosfato

i Normalmente gruppi più energetici fosforilano gruppi meno energetici

∆"

(da un più negativo a uno meno negativo). In condizioni standard

la fosfocreatina trasferisce fosforo all’ADP, ma in condizioni attuali la

reazione inversa è favorita e si accumula fosfocreatina nei muscoli

per riserva energetica.

Queste reazioni di trasferimento di gruppi fosfato dipendono dalla stabilità dei prodotti, cioè con l’idrolisi

creano composti più stabili.

Rimuovendo il gruppo fosfato si generano prodotti stabilizzati per risonanza (delocalizzazione di una

carica positiva o negativa, su più atomi). La capacità di stabilizzare

le strutture per idrolisi non è solo del legame col gruppo fosfato, ma

vale per esempio anche per alcuni tioesteri (formati dall’unione di

un gruppo carbossilico e di un gruppo tiolico come CoASH).

∆"′°

Un ester