Biochimica 2- Metabolismo

Metabolismo

Il metabolismo serve a ricavare energia dai nutrimenti e a generare le molecole caratteristiche della cellula. Lo possiamo dividere in catabolismo (tutti i processi di degradazione) e anabolismo (tutti i processi di biosintesi). Gli organismi chemiotrofi prendono l’energia da molecole dei nutrienti che vengono degradate liberando energia, che viene utilizzata dalle cellule per la sintesi dei componenti cellulari. Tutte le reazioni metaboliche sono mediate da enzimi, che controllano la velocità del metabolismo.

Macronutrienti e micronutrienti

I nutrienti si dividono in macronutrienti (grassi, carboidrati, proteine) e micronutrienti (vitamine). Le vitamine sono importanti perché sono i precursori dei coenzimi e sono fondamentali perché normalmente l’organismo animale ha perso la capacità di sintetizzarle e quindi devono essere assunte con la dieta. Le vitamine si dividono in idrosolubili (gruppo B) e liposolubili (A, D, E, K).

Vitamine idrosolubili

Tra le vitamine idrosolubili, nella tabella si trovano i precursori del coenzima prodotto, ad esempio l'acido pantotenico/pantotenato, precursore del coenzima A, coinvolto nel metabolismo dei lipidi per il trasferimento dei gruppi acilici e dell’acetil-coenzima A. La B12 è precursore dei coenzimi che hanno la cobalamina e quindi i coenzimi che trasferiscono gruppi alchilici. La riboflavina è precursore dei coenzimi flavinici come il FAD, coinvolto nelle reazioni di ossido-riduzione. La nicotamide è precursore dei coenzimi nicotamidici che servono ai coenzimi di ossido-riduzione come NAD. Infine, l’acido folico è precursore del tetraidrofolato, coinvolto nella biosintesi dei nucleotidi.

Vitamine liposolubili

Per quanto riguarda le vitamine liposolubili, la vitamina A è anche detta acido retinoico. La vitamina E è detta acido ascorbico ed è un antiossidante: la carenza di acido ascorbico è associata allo scorbuto perché l’acido ascorbico è utile all’idrossilazione della prolina e della lisina che formano i legami crociati nel collagene. Altri micronutrienti essenziali sono i sali minerali, che spesso sono cofattori degli enzimi.

Reazioni metaboliche

Il metabolismo è la somma di tutte le reazioni che avvengono all’interno di una cellula, sia quelle che trasformano i nutrimenti in energia, sia quelle che trasformano i precursori in molecole. La trasformazione dei nutrimenti avviene attraverso la formazione di intermedi specifici, ma comuni alle diverse vie metaboliche. Le vie metaboliche sono simili in tutti gli organismi (la glicolisi è la stessa in tutti gli organismi), anche se ci possono essere alcune differenze negli enzimi che catalizzano le reazioni, il che suggerisce che tutte le forme di vita derivano da un antenato comune.

Ad esempio, la degradazione del glucosio non avviene come nella bomba calorimetrica, in cui il glucosio viene immediatamente bruciato (quindi ossidato), producendo anidride carbonica, acqua e liberando energia. La bomba calorimetrica potrebbe essere impiegata per quantificare l’energia associata alla degradazione del glucosio, mentre nell’organismo la degradazione avviene per tappe, passando attraverso degli intermedi.

Classificazione degli organismi

• Autotrofi utilizzano la CO₂ come precursore delle molecole organiche.
• Eterotrofi utilizzano carbonio organico come precursore delle molecole organiche.

In base alla fonte di energia per sintetizzare le molecole a partire da CO₂ o da derivati di carbonio organico:

• Fototrofi: l’energia deriva dalla luce; in particolare, la fotosintesi permette di fissare la CO₂ e trasformarla in carboidrati come il glucosio.
• Chemiotrofi: usano l’energia contenuta nel carbonio organico.

Catabolismo e anabolismo

Quando mangiamo, ingeriamo proteine, però esse non vengono mai trasferite direttamente alle nostre cellule, poiché le nostre cellule le scompongono in aminoacidi che riutilizzano per costruire nuove proteine. Definiamo il catabolismo degradativo e utile per la produzione di energia, mentre l’anabolismo è biosintetico, che usa l’energia prodotta dal catabolismo per la sintesi delle molecole caratteristiche della cellula. Ciò che unisce catabolismo e anabolismo sono le molecole in figura. La degradazione dei nutrienti genera dei prodotti più semplici: ad esempio, l’amido è un polimero di glucosio e la sua digestione porta a scomporlo in unità di glucosio che poi verranno trasformate in piruvato attraverso la glicolisi.

Produzione di energia

Per ottenere molecole più semplici, rompiamo legami e l’energia di questi legami viene utilizzata per la produzione di ATP o di nucleotidi ridotti. Le vie cataboliche sono vie ossidative, poiché i nutrienti perdono elettroni che vengono poi raccolti dai coenzimi redox NAD e FAD. A livello cellulare, la coppia NADP⁺/NADPH è più presente sotto forma di NADPH, che serve per donare elettroni nelle biosintesi, mentre la coppia NAD⁺/NADH è più presente sotto forma di NAD⁺, che serve per ricevere elettroni dal catabolismo. NADPH, ATP e le molecole più semplici vengono usate dall’anabolismo per formare metaboliti più complessi. L’ATP viene degradato ad ADP + P e il NADPH viene ossidato a NADP⁺.

Vie cataboliche e anaboliche

Una via catabolica è una serie di reazioni che servono per la degradazione di un nutriente. Gli enzimi di una via metabolica possono essere separati, liberi nel citosol della cellula, oppure formare un super-complesso enzimatico che ha il vantaggio di tenere tutti gli enzimi uniti, permettendo al substrato di essere guidato attraverso una serie di enzimi e aumentando la velocità di degradazione del substrato (effetto channeling). Quando gli enzimi sono separati, invece, un enzima deve cercare l’altro enzima per ottenere il substrato. Alcune vie sono associate alle membrane, come avviene nella fosforilazione ossidativa.

Le vie cataboliche convergono su pochi prodotti comuni, che sono piruvato e acetil-CoA, precursori dell’anabolismo, mentre le vie anaboliche divergono. Ad esempio, la prima fase del catabolismo serve a separare le unità di base dei principali nutrienti e quindi separare le proteine in aminoacidi, i carboidrati in glucosio, i lipidi in acidi grassi e glicerolo. La seconda fase prevede una degradazione ulteriore delle unità di base per arrivare a molecole comuni a tutte e tre le vie cataboliche: piruvato e acetil-CoA. Il piruvato può essere trasformato in acetil-CoA. Dagli aminoacidi si può ottenere piruvato o direttamente acetil-CoA. Dagli acidi grassi non si ottiene piruvato, ma solo dal glicerolo è possibile ottenerlo. Gli aminoacidi possono dare intermedi del ciclo di Krebs e l’acetil-CoA può entrare nel ciclo di Krebs.

Dal catabolismo di queste molecole si ottiene energia sotto forma di ATP, grazie all’ossidazione dei nucleotidi ridotti, prodotti durante il catabolismo di CO₂ e H₂O. I nucleotidi ridotti vengono ossidati dal sistema della fosforilazione ossidativa, e l’ossidazione produce ATP e acqua. Carboidrati e lipidi contengono solo C, H e O quindi la loro degradazione produce solo CO₂ e acqua oltre all’energia. Gli aminoacidi contengono C, H, O e N, sotto forma di NH₂, che viene liberato come ammoniaca dalla degradazione. I prodotti di scarto del catabolismo, quindi, sono:

• CO₂
• Acqua
• Ammoniaca (va eliminata perché è tossica)

Vie anaboliche

Normalmente le vie cataboliche servono per catabolismo e quelle anaboliche per l’anabolismo e sono diverse per mantenere e rendere spontanei i due processi. Tuttavia, alcune vie, come il ciclo di Krebs, possono funzionare in entrambe le direzioni, quindi possono essere usate sia come vie cataboliche che come vie anaboliche. Esse prendono il nome di vie anfiboliche.

Ribadiamo l’importanza della spontaneità di una via metabolica: essa è disegnata per essere spontanea nella direzione in cui deve lavorare, quindi avrà un ΔG negativo nella direzione in cui deve lavorare. Non si può rovesciare la via catabolica per avere l'anabolica corrispondente perché il ΔG diventerebbe fortemente positivo e la reazione non sarebbe spontanea. Ad esempio, la glicolisi è spontanea in una direzione mentre la gluconeogenesi è spontanea nella direzione opposta, ma è una via metabolica diversa, non è uguale alla glicolisi, altrimenti non sarebbe possibile regolare le due vie in maniera opportuna. Quando è attiva una via catabolica, la corrispondente via anabolica deve essere disattivata. Un metodo per separare le vie metaboliche è metterle in compartimenti cellulari diversi: si prenda ad esempio il metabolismo lipidico: l’anabolismo è citosolico, mentre il catabolismo è mitocondriale.

Il metabolismo del glucosio: la glicolisi

La glicolisi è la prima via del metabolismo del glucosio, si volge nel citosol ed è un insieme di 10 reazioni che servono a trasformarlo in due molecole di piruvato. Quindi da una molecola a 6 atomi di carbonio se ne formano due a 3 atomi di carbonio. Durante questa trasformazione avviene anche la produzione di energia sotto forma di ATP e NADH.

Fasi della glicolisi

Le reazioni della glicolisi possono essere divise in due fasi:

• Fase di investimento energetico: composta dalle prime cinque reazioni nelle quali viene usata energia.
• Fase di recupero energetico: composta dalle ultime cinque reazioni nelle quali viene prodotta energia.

Delle dieci reazioni della glicolisi, tre sono irreversibili, mentre le altre sette sono reversibili. Le reazioni irreversibili sono la prima, la terza e la decima e infatti sono i punti principali di regolazione della glicolisi, tra esse la tappa di comando è la terza.

Prima fase della glicolisi: fase di investimento energetico

Reazione 1 (ΔG= -27,2kJ/mol)

Il glucosio è il substrato dell’enzima esochinasi che utilizza ATP per trasformare glucosio in glucosio-6-fosfato (fosforilazione). La fosforilazione del glucosio con utilizzo di fosfato inorganico è una reazione endoergonica, non spontanea dal punto di vista energetico, ma se usiamo ATP come donatore, la reazione ha un ΔG fortemente negativo e quindi risulta spontanea.

Inoltre, dal punto di vista del meccanismo di reazione enzimatico, l’esochinasi è un enzima magnesio dipendente (Mg²⁺), caratteristica comune degli enzimi che utilizzano ATP o nucleotidi perché sono molecole che hanno molte cariche negative; quindi, la carica positiva del magnesio mitiga parzialmente queste cariche, stabilizza la molecola e favorisce l’attacco nucleofilo dell’ossidrile in posizione 6 del glucosio sul fosfato γ dell’ATP.

Questo perché riduce la carica negativa attorno al fosfato, infatti l’attacco nucleofilo avviene su esso perché è un atomo povero di elettroni, ma l’essere circondato da numerose cariche negative rallenta la reazione, mentre la presenza del magnesio diminuisce la densità di carica negativa. Dal punto di vista energetico il prodotto della reazione ha un’energia maggiore rispetto al substrato iniziale, ossia il glucosio (per questo non è possibile fosforilare il glucosio con il fosfato inorganico).

Il vantaggio di aumentare l’energia del primo substrato è quello di aumentare la differenza di energia libera tra il substrato iniziale e il prodotto finale, quindi aumentare la spontaneità della via metabolica, infatti questo tipo di reazioni avviene spesso all’inizio di un metabolismo. La prima molecola di ATP che viene investita nelle prime cinque reazioni, viene dunque utilizzata per questa fosforilazione. L’entrata di glucosio e ATP nell’enzima comporta un cambiamento conformazionale che porta al ripiegamento dell’enzima, il quale si richiude sulla molecola di glucosio, e all’attivazione dal punto di vista catalitico dello stesso e assume una conformazione attiva solo se la molecola che è entrata è il glucosio. Quindi molecole più piccole del glucosio, come l’acqua (che porterebbe ad un’idrolisi dell’ATP), non possono entrare nella esochinasi perché non avviene una corretta interazione con il sito di legame e il conseguente cambio di conformazione.

Reazione 2 (ΔG= -1,4kJ/mol)

La seconda reazione della glicolisi è una isomerizzazione reversibile: il glucosio da aldoesoso viene trasformato in chetoesoso. Quindi il G6P, prodotto dalla precedente reazione, isomerizza in fruttosio-6-fosfato (F6P) in una reazione catalizzata dalla fosfoglucosio isomerasi (PGI). Questa reazione ha lo scopo di liberare una seconda funzione alcolica primaria per permettere la fosforilazione della stessa. Inizialmente la funzione alcolica primaria presente sul glucosio è solo quella in posizione 6 e affinché avvenga una seconda fosforilazione nel carbonio 1 (nella reazione successiva), cioè quello emiacetalico, si deve isomerizzare il glucosio.

Reazione 3 (ΔG= -25,9kJ/mol)

Essendosi liberata una funzione alcolica primaria sul carbonio 1 è possibile effettuare una seconda fosforilazione con consumo di ATP ad opera della fosfofruttochinasi-1 (PFK-1 o PFK), che è magnesio dipendente, con lo scopo di ottenere il fruttosio-1,6-bisfosfato (FBP). Questa reazione non è reversibile.

Reazione 4 (ΔG= -5,9kJ/mol)

La quarta reazione prevede la divisione della molecola a sei atomi di carbonio in due molecole a tre atomi di carbonio. Questo è possibile perché il FBP è abbastanza simmetrico e quindi in forma lineare (forma sempre in equilibrio con quella ciclica) è possibile dividerla. Questa reazione avviene ad opera dell’aldolasi che taglia il FBP in due molecole non identiche: un diidrossiacetone fosfato (DHAP) e una gliceraldeide-3-fosfato (GAP). Solo quest’ultima può continuare in glicolisi.

Reazione 5 (ΔG≈ 0kJ/mol)

Solo la gliceraldeide può continuare in glicolisi, per cui è necessario trasformare il diidrossiacetone fosfato in gliceraldeide. La quinta reazione, che è catalizzata dalla triosofosfato isomerasi (TIM), è l’isomerizzazione di DHAP in GAP, passando attraverso un intermedio che è l’endiolo. L’intermedio è una molecola ipotizzata ed è stata verificata attraverso l’utilizzo degli analoghi dello stato di transizione, che sono forti inibitori enzimatici.

TIM è un enzima che ha raggiunto la perfezione catalitica: appena esso lega il substrato lo trasforma. Quindi le concentrazioni di GAP e DHAP sono quelle della costante di reazione, questo porta l’equilibrio ad essere spostato verso DHAP (Keq = [GAP]/[DHAP] = 4,73x10^-2, quindi il DHAP è più concentrato). Ma la reazione continua perché il GAP è il substrato della reazione successiva, quindi, viene consumato portando allo spostamento dell’equilibrio. Abbiamo finito la prima fase della glicolisi e abbiamo consumato 2 molecole di ATP.

Seconda fase della glicolisi: fase di recupero energetico

Reazione 6 (ΔG= +6,7kJ/mol)

Questa reazione è l’unica vera reazione di ossidazione della glicolisi, infatti è catalizzata da una deidrogenasi, quindi un enzima che sposta atomi di idrogeno (con elettroni) nelle redox, chiamata gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (GAPDH). Questo enzima quindi richiede GAP, NAD⁺ (accettore di elettroni) e fosfato inorganico in quanto il prodotto, che è l’1,3-bifosfoglicerato (1,3-BPG), è sia ossidato che fosforilato. Assieme a questo sono prodotti NADH e H⁺ (perché vengono portati via due elettroni per volta che derivano da due atomi di idrogeno, ma il composto che si riduce ne lega solo uno).

L’ossidazione avviene sul carbonio 1 del GAP, che da funzione aldeidica è trasformata in funzione carbossilica (ione dell’acido glicerico). In questa reazione il fosfato che viene trasferito in posizione 1 è inorganico perché le reazioni di ossidazione sono esoergoniche, quindi l’ossidazione dell’aldeide guida anche la fosforilazione. L’1,3-BPG è un composto intermedio ad alta energia, che è conservata nel legame anidridico tra fosfato e carbonio 1 (non quello in carbonio 3 che è un estere). Da questa reazione, come detto, si ottiene anche NADH che è un nucleotide ridotto ad alta energia.

Reazione 7 (ΔG= -18,8kJ/mol)

L’alta energia dell’1,3-BPG è utilizzata per la sintesi dell’ATP attraverso il trasferimento del fosfato in posizione 1 a un ADP con l’ausilio della fosfoglicerato chinasi (PGK) che produce 3-fosfoglicerato (3PG). Le due reazioni possono essere associate dal punto di vista energetico: la reazione 6 ha una variazione di energia libera che è leggermente positiva, mentre nella reazione 7 l’energia libera complessiva è negativa. Siccome la reazione di idrolisi del 1,3-BPG ha una differenza di energia libera più negativa di quella di idrolisi dell’ATP (50kJ/mol contro i circa 32kJ/mol) il trasferimento avviene e l’energia di differenza è quella che si libera nell’ambiente. Le due reazioni sono accoppiate dal punto di vista energetico quindi sono complessivamente spontanee. In questa reazione si producono due moli di ATP per ogni mole di glucosio che entra nella glicolisi (perché ogni molecola di glucosio viene divisa in due molecole a tre atomi di carbonio), quindi si riporta in pari la spesa energetica delle prime cinque reazioni.

Reazione 8 (ΔG= -0,6kJ/mol)

Con questa reazione si ha lo spostamento di