Biochimica generale - 3 parziale

METABOLISMO

metabolismo

Il è l’insieme delle reazioni che avviene all’interno delle cellule, che serve per

utilizzare l’energia proveniente dal ambiente esterno per permette 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 aerobi obbligati 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 nel

atmosfera CO2

Il metabolsimo 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

sintesi

convertiti in carboidrati, grassi, proteine. Quindi è una fase di

in cui viene utilizzata l’ATP come fonte di energia

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

Il metabolismo è considerato una rete intrigata 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 rete integrate di reazioni sono dipendenti l’una dell’altra, infatti sono

regolati

e 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 Kreps

ciclo di Kreps

Il è importante sia per la via catabolica e sia per la via anabolica, perché

molti degli intermedi del ciclo di Kreps possono essere utilizzati come precursori delle vie

biosintetiche via anfibolica

Infatti viene chiamato proprio per questa duplice funzione

Caratteristiche vie Anaboliche:

divergenti,

Le vie anaboliche sono cioè si parte da un intermedio comune e poi ci sono

varie ramificazioni che portano a composti diversi

G:

Energia libera di Gibbs

Si ha trasformazioni chimiche che avvengono nella cellula e

rispettano le leggi della termodinamica reazione esoergonica

ΔG < 0 una reazione può avvenire spontaneamente =

all’equilibrio

ΔG = 0 sistema reazione endoergonica

ΔG > 0 una reazione non può procedere spontaneamente =

Le reazioni che avvengono all’interno di una via metabolica sono tutte reazione 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 posso 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

reazione 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

→ grassi

fondamentali i vengono scissi in acidi grassi e

polisaccaridi

glicerolo, i (ad esempio l’amido) e i

disaccaridi in unità monosaccaridiche (glucosio,

proteine

mannosio, galattosio e fruttosio), le 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

CoA

fondamentali converge verso la formazione di un intermedio metabolico comune: l’acetil

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 rilasciano di energia passando dallo stato più ridotto alla stato più

ossidato

ATP: adenosina-5′-trifosfato

E’ 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- LEGAME

glicosidico con l'ossidrile in C1 del ribosio, altro aldoso, con N GLICOSIDICO

-

funzione aldeidica e 5 atomi di C. Adenina e ribosio 2 G

B

costituiscono l’adenosina

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

Il P in ɑ 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

ɑ mediante legami fosfoanidridici

Nella maggior parte delle reazioni si ha il trasferimento del fosfato in gamma su un accettore

nucletofilo che può essere ad esempio l’acqua

idrolisi di ATP,

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

eb H

H FUNGONO DA

QUESTO

PER ENERGIA

TRASPORTATORI DI

↓

Grazie a questo trasferimento di gruppi fosfato, viene rilasciata energia libera che poi viene

utilizzata per trascrinare delle reazione che se non non sarebbero termodinamicamente

favorite

Infatti l’idrolisi di ATP avviene una varazione di energia ΔG = -30 kJ/mol, quindi è fortemente

esoergonica parche

-

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 ADP

e di (adenosina difosfato)

beta: composto pirofosforilato

• sul P in è molto meno comune, porta al rilascio di un e di

AMP (adenosina monofosfato) AMD

CON

alfa: adenilato pirofosfato.

• sul P in porta al rilascio dell'intermedio e con rilascio di 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

fosfoenolpiruvato

prime fasi della glicolisi, il (al primo posto in

1,3-bifosfoglicerato

tabella) e (al secondo posto in tabella)

perché stabili

sono più

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

fosfocreatina

Anche la (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 legato

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:

finemente regolate,

Le vie metaboliche sono 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...

GIA

• Regolazione allosterica

• Modificazione covalente reversibile (sotto controllo ormonale/fattori di crescita)

• Interazioni con proteine regolatrici

• Controllo della quantità dell’enzima ->

GLICOLISI tutte

= prima via catabolica che avviene in 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 Nico

-> CONL

gliceraldeide, che è uno zucchero a tre atomi di C e ha solo un centro PrUGRANDE

NO

esen

uno

chirale (è lo zucchero più semplice)

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 anello zuccherini: momosacaridi, disaccaridi, polisaccaridi

Sono tra i composti organici più abbondanti in natura

Sono molto solubili in acqua per i vari gruppi ossidrilici

aldoso

Il glucosio è un

Gli zuccherini non sono in forma lineare