Appunti di biochimica metabolica

Metabolismo

Il metabolismo serve a mantenere gli organismi lontani dall'equilibrio. Come? Attraverso il catabolismo, ossia la degradazione di molecole per ricavare energia e intermedi necessari per l'anabolismo: utilizziamo l'energia e parte degli intermedi catabolici per la sintesi di nuove molecole. Il catabolismo consiste anche nel passaggio da metaboliti ridotti a metaboliti ossidati, quindi si ha un'ossidazione. Il coenzima utilizzato è il NAD⁺ che si riduce a NADH, mentre nelle vie anaboliche (la sintesi di acidi grassi, ad esempio) si ha una riduzione e il coenzima utilizzato è il NADPH, che si ossida a NADP⁺.

Produzione di energia e ATP

Per sintetizzare molecole abbiamo bisogno di energia ricavata dalla via catabolica sotto forma di ATP. Un centometrista utilizza come metabolismo una glicolisi anaerobia per ricavare energia rapidamente a partire da glicogeno, mentre il maratoneta utilizza un metabolismo di tipo aerobio. Nella glicolisi si passa da una molecola a 6 atomi di C, il glucosio, a una a 3 atomi di C, il piruvato. Il piruvato, prima di entrare nel ciclo dell'acido citrico (una via anfibolica, importante sia per il catabolismo che per l'anabolismo), viene convertito ad Acetil-CoA (2 atomi di C).

Anche dai lipidi è possibile ricavare energia perché sono molecole più ridotte rispetto agli zuccheri, che invece sono già parzialmente ossidati. Questo significa che si può ricavare più energia dai lipidi, poiché hanno un percorso di riduzione più ampio e lungo.

Reazioni chimiche energetiche

Alcune reazioni richiedono energia per avvenire: la prima reazione della glicolisi (Glucosio + Pi → Glucosio-6-P + H₂O) non potrebbe avvenire perché è sfavorita energicamente (+13,8). L'idrolisi dell'ATP + H₂O → ADP + Pi è favorita termodinamicamente (-30,5). Accoppiando le due reazioni, posso far sì che avvenga anche la prima, con un risultato netto di energia netta di -16,7.

L'ultima reazione della glicolisi, l'idrolisi del fosfoenolpiruvato a dare piruvato più Pi, è una reazione esoergonica (-61,9) ed è accoppiata a una endoergonica, cioè la produzione di una molecola di ATP a partire dall'ADP + Pi (+30,5).

Regolazione del metabolismo

Come può essere regolato il metabolismo?

• Controllo dell'attività enzimatica: regolatori allosterici
• Controllo dei livelli enzimatici
• Compartimentazione
• Regolazione ormonale

Acetil coenzima A

Acetil coenzima A (CH₃C=O-CoA) è un composto ad alta energia perché, essendo composto da un tioestere, quando viene idrolizzato nell'acido acetico si libera molta energia, mentre un estere normale riesce a delocalizzare la carica sui due O e di conseguenza è più stabile. Anche se idrolizzato, non libera tutta l'energia del tioestere.

Nicotinammide adenina dinucleotide

Nicotinammide adenina dinucleotide (NAD nelle reazioni cataboliche) e NADP (nelle reazioni anaboliche) si differenziano per la presenza di un PO₃⁻ al posto dell'H sull'ossidrile. Fanno parte delle deidrogenasi piridiniche, enzimi che partecipano alle reazioni di ossidoriduzione, in particolare ossidano alcoli a chetoni/aldeidi. Sono definiti piridiniche perché come gruppo prostetico hanno un nucleotide piridinico.

Componente fondamentale del NAD e del NADP è l'acido nicotinico, che insieme alla sua ammide, la nicotinammide, forma la niacina, vitamina PP (previene la pellagra) o B3. La pellagra è una patologia che comporta dermatite, diarrea, demenza. Questa patologia è tipica di popolazioni con un indice alimentare povero di acido nicotinico e di triptofano, un amminoacido essenziale e precursore di nicotinammide, che a sua volta è componente fondamentale sia di NAD che NADP.

Il NAD si riduce a NADH tramite l'aggiunta di un H con due elettroni.

Flavin adenina dinucleotide

Flavin Adenina Dinucleotide (FAD) è un coenzima flavinico facente parte delle deidrogenasi flaviniche, che catalizzano reazioni di ossidazione su alcani → alcheni. Il FAD viene sintetizzato a partire dalla fosforilazione di riboflavina (vitamina B2) + ATP → FMN + ADP e successivamente per adenilazione di FMN + ATP → FAD + 2Pi (pirofosfato). Il FAD si riduce nella catena di trasporto degli elettroni a FADH₂.

Carenze di riboflavina provocano arresto della crescita o alterazioni della cute. È abbondante in lievito, carne, uova, fegato, verdure a foglia verde. Il fabbisogno giornaliero è di 2 mg. FAD lega il coenzima con legami covalenti, mentre il NAD con legami più deboli.

ATP - Adenosina trifosfato

L'ATP è un composto ad alta energia; infatti, l'idrolisi dei due legami anidridici ha un ΔG negativo = -7,3 Kcal/mole, mentre la rottura del legame estereo e glicosidico ha un ΔG = -3 KCal/mole. La rottura del legame ad alta energia è favorita dalla repulsione delle cariche negative, dalla stabilizzazione per risonanza con formazione di un ibrido del Pi che si forma.

Carboidrati

I carboidrati hanno un ruolo come fonte di energia, ma anche come materiale strutturale (presenti nella parete dei batteri). I disaccaridi includono il saccarosio, che è formato da 1 molecola di glucosio e 1 molecola di fruttosio legati con legame glucosidico tra due carboni anomerici (C1 nel glucosio e C2 nel fruttosio) rispettivamente in configurazione alfa e beta. Il lattosio è composto da 1 molecola di glucosio e 1 di galattosio tra il C1 in configurazione beta del galattosio e il C4 del glucosio.

Polisaccaridi

La cellulosa è un polimero lineare costituito da unità di D-Glucosio unite da legami beta 1→4 che formano una struttura planare, ogni strato è tenuto assieme da legami H. L'amilosio è simile, ma i legami sono alfa 1→4, cambiando completamente la struttura. Il glicogeno, utilizzato come fonte di immagazzinamento di energia, viene degradato per ottenere le singole molecole di glucosio, avendo una struttura ramificata a causa dei legami alfa 1→4 e alfa 1→6, ha diversi punti d'attacco per essere degradato. La cellulosa non è una fonte energetica perché non siamo in grado di rompere i legami beta 1→4.

Glucosio

Il glucosio è la principale forma con cui i carboidrati si presentano nella cellula, viene utilizzato come deposito sotto forma di glicogeno. La concentrazione di glucosio presente nel sangue è la glicemia, che in condizioni normali è di 100 mg/ml. La glicemia durante la giornata non ha un andamento lineare ma subisce delle oscillazioni, causate dall'ingestione di alimenti. La glicemia viene regolata da due ormoni: insulina (ipoglicemizzante) e glucagone (iperglicemizzante).

L'indice glicemico è la velocità con cui aumenta la glicemia in seguito all'assunzione dell'alimento. Viene definito come il rapporto tra risposta glicemica postprandiale di un singolo alimento e quella di un alimento di riferimento con IG=100 (pane bianco/glucosio). Viene influenzato da varietà dell'alimento, grado di maturazione, grado di cottura, associazione con altri alimenti. Alimenti ricchi di amido hanno un indice glicemico molto alto (pasta, patate, riso).

Un IG basso implica che la glicemia sale gradualmente, viene liberata poca insulina in modo graduale, così il cervello è nutrito per molte ore e non è richiesto altro cibo. Un IG alto provoca un picco glicemico alto e veloce, viene liberata in risposta molta insulina che tende ad abbassare la glicemia rapidamente, portando a un livello di glicemia basso, il cervello ne risente e richiede altro cibo. IG e carboidrati non sono gli unici fattori che influenzano il rilascio di insulina.

Il glucosio per entrare nella cellula ha bisogno di trasportatori specifici. Nel fegato, cervello, eritrociti, rene, intestino è presente il GLUT2 mentre nel muscolo e nel tessuto adiposo è il GLUT4. Adipociti e miociti sono tessuti insulino dipendenti rispetto all'ingresso di glucosio, perché il trasportatore GLUT-4 non è espresso sulla membrana ma deve trasmigrare dal nucleo. L'interazione dell'insulina con il suo recettore e la conseguente cascata di segnale provoca la trasmigrazione verso la membrana.

Glicolisi: un processo catabolico

La glicolisi è un processo catabolico citoplasmatico che ha diverse funzioni come produrre ATP e metaboliti intermedi. Vengono prodotti piruvato in condizioni aerobiche e lattato in condizioni anaerobiche. Può essere divisa in due fasi: fase preparatoria (si spendono 2 molecole di ATP) e fase di recupero energetico (si ottengono 4 molecole di ATP).

Una volta che il glucosio è entrato nella cellula, viene fosforilato per essere attivato per le reazioni successive e per evitare che possa fuoriuscire dalla cellula.

Fase preparatoria della glicolisi

1. Il glucosio viene fosforilato a livello del gruppo ossidrilico sul 6-C; l'ATP è il donatore del gruppo fosforico. La reazione è irreversibile ed è catalizzata dall'ESOCINASI, che trasferisce il gruppo P terminale dell'ATP al glucosio (presente nel muscolo), ha una Km bassa e una Vmax alta, è ubiquitaria, ha un'elevata affinità per il substrato, ed è attiva su glucosio, galattosio, e fruttosio.
   • L'esochinasi ha bisogno di Mg²⁺ per la sua attività catalitica, infatti il vero substrato non è ATP ma il complesso MgATP^2-; il Mg protegge i due gruppi fosfato rendendo l'atomo di fosforo terminale più accessibile all'attacco nucleofilo dell'OH del glucosio.
   • L'esochinasi, quando lega il glucosio e l'ATP, subisce un adattamento indotto, chiudendosi attorno al complesso e evitando che il solvente (H₂O) vada a idrolizzare i legami fosfoanidridici dell'ATP. Sono presenti 4 isoforme di esochinasi: la isoforma I è presente nel cervello, II nel muscolo, e III è ubiquitaria; queste tre isoforme vengono inibite dal loro stesso prodotto.
   • Negli epatociti è presente la glucochinasi (esochinasi 4) che ha un Km molto più elevata dell'esochinasi (quindi l'enzima è meno affine al substrato) e si lega al glucosio solo ad alte concentrazioni senza essere saturato. Inoltre, spinge il suo prodotto verso la via anabolica, cioè sintesi di glicogeno e verso la sintesi di acidi grassi, viene indotto dall'insulina, e non è presente alla nascita.
   • L'insulina agisce stimolando la produzione di questo enzima per abbassare la concentrazione di glucosio in circolo. La glucochinasi, in caso di eccesso di glucosio, si trova nel citoplasma, mentre può trovarsi sequestrata nel nucleo dalla GKRP quando le concentrazioni di glucosio 6 fosfato sono elevate. Anche il fruttosio 1-fosfato permette il distacco dalla GKRP e la rende disponibile.
2. La conversione del glucosio 6-fosfato in fruttosio 6-fosfato avviene grazie alla FOSFOGLUCOSIO ISOMERASI che catalizza l'isomerizzazione reversibile dell'aldosio nel chetosio. Il riarrangiamento dei gruppi carbossilici è fondamentale per le tappe successive.
3. La fosforilazione del fruttosio 6-fosfato a fruttosio 1,6-bis-fosfato avviene tramite l'enzima FOSFOFRUTTOCHINASI-1 (PFK-1) che catalizza il trasferimento di un gruppo fosforico dell'ATP, in una reazione irreversibile. Il fruttosio 1,6-bis-fosfato, a differenza dei suoi due precursori, deve continuare obbligatoriamente nella glicolisi, invece di poter avere differenti destini. È un enzima allosterico, ha due conformazioni R e T. L'ATP spinge l'enzima verso la conformazione T (meno affine per il substrato) mentre il 2,6 bisfosfato induce la conformazione R. In presenza di ATP si ha l'inibizione dell'enzima, mentre in presenza di AMP si ha l'attivazione.
   • La reazione è irreversibile ed è la prima tappa di regolazione della glicolisi. La PFK1 è un enzima regolatore e la sua attività aumenta quando l'ATP inizia a scarseggiare nella cellula o quando si ha un accumulo dei prodotti della demolizione di ATP (ADP) e in presenza del fruttosio 2,6-bisfosfato. Questo prodotto è creato dalla PFK-2, un enzima bifunzionale costituito da due regioni: una produce il 2,6 bisfosfato avendo attività chinasica, mentre l'altra regione fosfatasica defosforila producendo fruttosio 6 fosfato. Quando l'enzima non è fosforilato si produce 2,6 bisfosfato che aumenta la produzione di 1,6 bisfosfato, mentre quando è fosforilato, entra in gioco la parte fosfatasica che riduce la produzione di 2,6 bisfosfato.
4. Scissione del fruttosio 1,6-bisfosfato tramite enzima 1,6BISFOSFATO ALDOLASI che catalizza una condensazione aldolica reversibile, producendo due triosi fosfati: Gliceraldeide 3-fosfato (aldoso) e il diidrossiacetone fosfato (chetoso). L'aldolasi, attraverso i suoi siti attivi acidi e basici, catalizza la reazione di scissione che porta alla formazione dei due triosi fosfati, passando attraverso la formazione di una base di Schiff.
   • Esistono due classi di aldolasi. La classe I presente nell'uomo passa attraverso la formazione della base di Schiff e ha tre isoforme: tipo A nel muscolo, tipo B nel fegato, tipo C nel cervello. La classe II, presente in funghi e batteri, è un metallo enzima che sfrutta lo Zn²⁺.
5. Interconversione dei triosi fosfato: solo la gliceraldeide 3-fosfato può essere utilizzata nel resto della glicolisi, il diidrossiacetone fosfato (DHAP) viene convertito reversibilmente in gliceraldeide 3-fosfato tramite TRIOSO FOSFATO ISOMERASI. La reazione tra DHAP e GAP sarebbe spostata naturalmente verso DHAP essendo un chetone più stabile, ma venendo consumata la GAP nella reazione successiva, l'equilibrio è compensato.

Termina così la fase di preparazione della glicolisi con la formazione di due molecole di gliceraldeide 3-fosfato, e inizia la fase di recupero.

Fase di recupero energetico della glicolisi

6. Ossidazione della gliceraldeide 3-fosfato a 1,3-bisfosfoglicerato catalizzata dalla GLICERALDEIDE 3-FOSFATO DEIDROGENASI (GAPDH). Questa è la prima tappa in cui si ha conservazione di energia con formazione di ATP. Il gruppo aldeidico della gliceraldeide 3-fosfato viene deidrogenato ad anidride mista con l'acido fosforico, formando un legame fosfoanidridico. L'accettore di H⁺ è il coenzima NAD⁺.
   • La riduzione del NAD⁺ avviene tramite trasferimento di uno ione idruro dal gruppo aldeico della GAP all'anello nicotinammidico del NAD⁺, generando la forma ridotta NADH. Il gruppo aldeidico della GAP reagisce con -SH di un residuo di Cys presente nel sito attivo dell'enzima formando tioemiacetale, e il legame tioemiacetalico è ad altissima energia. Questa energia viene mantenuta tramite fosforilazione da parte del Pi e rilascio del prodotto 1,3-bisfosfoglicerato.
   • Il NADH deve essere continuamente riossidato per fornire le cellule di NAD⁺; altrimenti la reazione si bloccherebbe. L'interazione tra il gruppo -SH della Cys con un metallo pesante come Hg produce un'inibizione irreversibile dell'enzima.
7. Trasferimento del gruppo fosfato ad alta energia dal gruppo carbossilico dell'1,3-bisfosfoglicerato all'ADP formando ATP e 3-fosfoglicerato tramite FOSFOGLICERATO CHINASI. Le tappe 6 e 7 costituiscono un processo di accoppiamento energetico. Il trasferimento di gruppi fosforici da un substrato viene detta fosforilazione a livello del substrato e coinvolge un enzima solubile. Tra 1,3 BPG e 3 BPG si forma il 2,3 bisfosfoglicerato, un intermedio che tramite fosfatasi produce 3-BPG. Il 2,3 BPG inibisce l'attività dell'emoglobina.
8. Dal 3-fosfo glicerato, tramite 3-FOSFOGLICERATO MUTASI, si ottiene il 2-fosfoglicerato (trasferimento del fosfato). La mutasi per funzionare deve essere innescata, e ciò avviene grazie alla presenza del 2,3-difosfoglicerato, intermedio che si ottiene dalla tappa precedente, grazie alla presenza di un'altra mutasi. La reazione viene divisa in due parti: nella prima parte si ha il trasferimento di un gruppo fosforico legato a un residuo di His sul sito attivo dell'enzima sul gruppo ossidrilico (sul C-2) del 3-fosfoglicerato, formando il 2,3-difosfoglicerato. La seconda parte della reazione prevede il trasferimento del gruppo fosfato in posizione 3 sull'enzima per essere riattivato e ripetere il ciclo.
9. Tramite ENOLASI si forma il Fosfoenol piruvato (PEP), il composto a più alta energia. Pur mantenendo un legame fosfoestereo, si passa da un estere di un alcool (2-PG) a un estere di un enolo, quindi l'energia di legame aumenta notevolmente. L'enolasi per funzionare ha bisogno di Mg.
10. Fosfoenol piruvato viene convertito in piruvato mediante la piruvato chinasi, un altro dei tre punti di controllo della glicolisi ed è regolato dal glucagone. In questa reazione si produce una molecola di ATP. Il gruppo fosforico del PEP viene trasferito sull'ADP per formare ATP. La reazione è irreversibile perché l'energia libera del legame fosforico dell'…