Appunti - schema - Riassunto: biochimica metabolica

INTRODUZIONE

Gli organismi viventi richiedono un continuo apporto di energia per favorire tre processi

biologici:

- produzione di lavoro meccanico durante la contrazione muscolare

- trasporto attivo di molecole e ioni

- sintesi di macromolecole e di altre biomolecole da precursori semplici

L’energia libera utilizzata in questi processi viene ricavata dall’ambiente, esistono due tipi

di organismi:

- fototrofi ottengono l’energia dalla luce solare



- chemiotrofi ottengono energia attraverso l’ossidazione di sostanze nutrienti



generate dai fototrofi

Metabolismo consiste in una serie di reazioni che iniziano da una particolare

=

molecola e la convertono in qualche altra molecola due classi generali:



1) catabolismo meccanismi degradativi che servono ad estrarre energia dagli

 

alimenti che si introducono con la dieta G<0



2) anabolismo processi di costruzione delle macromolecole necessarie

 G>0

all’organismo (ex: proteine, zuccheri, DNA, lipidi, ecc.) non spontanee

 

necessitano di energia (ricavata da reazioni cataboliche ex: idrolisi dell’ATP)

 

G

il finale delle reazioni anaboliche sarà minore di zero in seguito



all’accoppiamento tra le reazioni spontanee e non spontanee

aspetti correlati degradando gli alimenti utilizzati si produce energia che viene



accumulata per svolgere i processi anabolici il catabolismo è necessario per



l’anabolismo

Una reazione termodinamicamente sfavorita può procedere se è accoppiata a una

reazione termodinamicamente favorita le vie metaboliche si formano tramite



l’accoppiamento di reazioni catalizzate da enzimi, in modo che la variazione di energia

libera complessiva della via assuma un valore negativo

Le reazioni si possono accoppiare in tre modi:

1) intermedio comune le due reazioni hanno in comune l’intermedio sfruttato



nell’accoppiamento

2) conformazione proteica attivata il cambiamento conformazionale è



associato a un processo che richiede energia (ex: pompa sodio-potassio,

miosina)

3) gradiente ionico attraverso una membrana vengono utilizzati H+ per la



sintesi di ATP (ex: fotosintesi) ATP

Il metabolismo viene facilitato dall’uso di una moneta corrente comune:

adenosina trifosfato (ATP)

Parte dell’energia libera che deriva dall’ossidazione delle sostanze nutrienti e dalla luce

viene trasformata in questa molecola facilmente accessibile, che agisce da donatore di

energia libera nella grande maggioranza dei processi che richiedono energia. La maggior

parte delle reazioni del catabolismo estrae l’energia dalle sostanze nutrienti, come i

carboidrati e i grassi, e la converte in ATP.

Caratteristiche:

- nucleotide adenina + ribosio + gruppo trifosforico

 2+ 2+

- forma attiva in genere: ATP + Mg /Mn si va a legare all’ATP

 

neutralizzando le cariche negative dei gruppi fosfato

- è una molecola a elevato contenuto energetico gruppo trifosforico contiene



due legami fosfoanidridici

- quando ATP si idrolizza si libera una grande quantità di energia:



rompendo il legame con il -fosfato adenosina difosfato (ADP)

  

ΔG°’ = -7,3 kcal/mole 

rompendo il legame con il -fosfato adenosina monofosfato (AMP)

  

ΔG°’ = -10,9 kcal/mole

- è relativamente stabile presenza di legami covalenti (in presenza di enzimi il



rilascio di gruppi fosfato è termodinamicamente favorito)

- esistono anche altri composti GTP e CTP accumulo di energia

 

- non è coinvolta solo nei processi di biosintesi anche per il trasporto attivo,



amplificazione del segnale e per il movimento

Fosfocreatina potenziale di trasferimento del fosfato maggiore di quello dell’ATP



- abbondante nel muscolo come riserva di energia contrazione muscolare



- dovuta a una proteina appartenente alle ATPasi, la miosina, che slitta sui filamenti

di actina in seguito all’idrolisi di ATP in ADP

- serve anche a catalizzare la seguente reazione:

idrolisi della fosfocreatina in creatina ΔG°’= -10,3 kcal/mole

 

fosforilazione dell’ADP in ATP ΔG°’ è +7,3 kcal/mole

 

reazione finale ΔG°’= - 3 kcal/mole favorito l’andamento verso destra,

  

permettendo la formazione di ATP in tempi molto brevi

creatina chinasi enzima capace di catalizzare sia la reazione diretta che

 

quella inversa TRASPORTATORI ATTIVATI

Gli organismi aerobici, in seguito all’ossidazione degli alimenti, liberano elettroni, i

quali si andranno a legare a trasportatori attivati al fine di raggiungere nella

fosforilazione ossidativa l’ossigeno, che rappresenta l’accettore finale, permettendo la

formazione della maggior parte di ATP (circa il 90%).

I trasportatori attivati si dividono in nucleotidi piridinici o flavinici e i più importanti sono:

NAD+ e FAD (usati per produrre ATP), NADPH (usato per le biosintesi riduttive).

1. NAD+

- nicotinamide adenin dinucleotide forma ossidata può legare due

 

elettroni trasformandosi nella sua forma ridotta NADH

- sito reattivo si rompe il doppio legame trasferimento di due elettroni che si

 

legano sotto forma di idruro (un idrogeno con 2 elettroni), tamponando così la

carica positiva dell’azoto

2. FAD

- flavin adenin dinucleotide secondo trasportatore di elettroni più diffuso nelle



cellule

- ha due siti reattivi e lega due elettroni e due protoni

- viene utilizzato come coenzima da alcune reazioni che portano alla formazione di

doppi legami e alla sua riduzione in FADH

2

I composti organici possono essere totalmente ridotti, parzialmente ossidati o totalmente

ossidati. Il criterio di ossidazione è stabilito dalla presenza di doppi legami e dai vari sostituenti

a parità degli atomi di carbonio (ex: composti organici con un solo atomo di carbonio: il più

ridotto è il metano, il più ossidato è la CO2). All’aumentare del grado di ossidazione di un

composto, diminuisce in valore assoluto la sua energia libera di ossidazione.

3. NADP

- simile al NAD con l’aggiunta di un gruppo fosfato sul ribosio dell’AMP

- funzione differisce dagli altri trasportatori attivati poiché funge da donatore di



elettroni si riduce e cede elettroni nelle biosintesi riduttive



- impiego del NADP in una reazione rispetto al NAD+ dipende dall’enzima che

catalizza quella determinata reazione, per motivi conformazionali

4. Coenzima A 

- ADP+ pantotenato+ -mercapto-etilammina

- funzione trasportare gruppi acilici, che possono essere di due o più atomi di



carbonio, fino a catene di acidi grassi

- funge da attivatore di gruppi acilici che si legano mediante un legame tioestere in

corrispondenza del gruppo SH (gruppo reattivo)

- idrolisi di questo legame libera un’elevata quantità di energia pari a quella liberata



dall’idrolisi del fosfato dell’ATP

5. Vitamine

- molecole che non vengono più costruite dall’ uomo si pensa che con



l’evoluzione si è persa la capacità di sintetizzare alcune vitamine, la cui formazione

richiedeva un apporto di energia molto elevato

- si dividono in idrosolubili (come: vitamina C, complesso delle vitamine B) o

liposolubili (come: vitamina A, vitamina D, vitamina E, vitamina K)

- possono essere assunte come precursori vicini alla vitamina necessaria o

direttamente come vitamine

- indispensabili la carenza di esse può causare l’insorgere di alcune patologie

 

ex: carenza di vitamina C (ascorbato) può causare lo scorbuto

- possono fungere da coenzimi di alcune reazioni tra cui quelle metaboliche 

ex: ascorbato è coenzima della prolil-idrossilasi per la formazione dell’idrossiprolina

sulle catene di collagene

INTRODUZIONE AL METABOLISMO

Metabolomica = è la scienza che studia il metabolismo delle varie cellule.

Il metabolismo è costituito da 3 fasi strettamente correlate tra loro:

1) a livello citosolico reazioni finalizzate alla scissione di grandi molecole (quali



grassi, polisaccaridi e proteine) in molecole più piccole

2) possono succedere due cose:

a. alcune di queste piccole molecole convertite nel citosol in altre molecole



ancora più piccole

b. la maggior parte trasformata nei mitocondri in acetil coenzima A



3) al livello dei mitocondri (in particolare tra la membrana mitocondriale interna e la

matrice mitocondriale) avviene la completa ossidazione in CO tramite il ciclo

 2

di Krebs (o ciclo dell’acido citrico) fosforilazione ossidativa riduzione di O in

  2

H O e la produzione della maggior parte di ATP

2

La regolazione dei processi metabolici avviene principalmente attraverso:

- controllo della quantità degli enzimi attività enzimatica regolata anche



controllando la concentrazione degli enzimi Il livello quantitativo di un particolare



enzima dipende sia dalla sua velocità di sintesi, sia dalla sua velocità di

degradazione

- controllo dell’attività catalitica degli enzimi regolare l’attività catalitica degli



enzimi mediante processi come la regolazione allosterica, fosforilazione ecc..

- controllo della disponibilità dei substrati vi sono due alternative:



controllo del flusso dei substrati (ormoni) ormoni (molecole secrete dalle

 

ghiandole endocrine) agiscono viaggiando attraverso la rete dei vasi sanguigni

fino ad arrivare alle singole cellule quando incontrano il giusto recettore



possono stimolare (attraverso la trasduzione del segnale) la disponibilità di

alcuni substrati per il catabolismo

vie biosintetiche e degradative distinte la compartimentazione segrega in

 

compartimenti diversi vie metaboliche opposte, come quelle degradative e

quelle biosintetiche la combinazione di enzimi differenti per ogni via e la



separazione in compartimenti aiuta ad evitare che nella stessa cellula, nello

stesso momento avvenga la sintesi di una molecola e anche la sua

degradazione STATO ENERGETICO

Lo stato energetico della cellula viene espresso attraverso una frazione numerica che

corrisponde alla carica energetica di essa e viene calcolata per ogni singola cellula 

un rapporto di concentrazioni

- numeratore concentrazione di ATP presente nella cellula in quel momento + ½



della concentrazione di ADP (energia che è possibile ricavare da esso è all’incirca

la metà di quella dell’ATP) all’interno della cellula in quel momento

- denominatore concentrazione di ATP + concentrazione di ADP intera +



concentrazione di AMP concentrazioni globali di tutte le molecole che fanno



parte del ciclo di fosforilazione/defosforilazione di ATP

- indica quanto sta bene dal punto di vista energetico la cellula se la cellula



ha tanto ATP rispetto all’ADP e all’AMP è ricca di energia che potrà utilizzare,

mentre se il valore della carica energetica è basso significa che ha più ADP e AMP

e che le quantità di energia si stanno abbassando

- andando a calcolare tale rapporto possiamo avere due valore teorici estremi:

0 quando abbiamo soltanto AMP condizione che non esiste perché in tal

  

caso la cellula sarebbe morta da tempo

1 quando abbiamo soltanto ATP non esiste perché i processi cellulari

  

richiedono in continuazione l’utilizzo di ATP che dovrà obbligatoriamente essere

defosforilato in una delle altre forme, quindi è impossibile immaginare di trovare

una cellula che abbia solo AT P

- i valori variano tra 0.7, 0.8 e 0.9 queste variazioni di rapporto sono sufficienti a



dare degli stimoli regolatori alle diverse vie metaboliche

MOTIVI RICORRENTI

Come vi è una logica molecolare nell’uso dei trasportatori attivati, vi è una logica

molecolare nelle reazioni che costituiscono il metabolismo. Le migliaia di reazioni possono

essere suddivise in sei tipi:

1) ossidazione – riduzione trasferimento di elettroni



2) sintesi (ATP-dipendente) formazioni di legami covalenti (ex: carbonio-



carbonio)

3) isomerizzazione riordinamento di atomi a formare isomeri



4) trasferimento di gruppo trasferimento di un gruppo funzionale da una



molecola a un’altra

5) idrolisi scissione di legami mediante l’addizione di acqua



6) addizione o rimozione di gruppi funzionali addizione di gruppi funzionali a



doppi legami o rimozione di gruppi funzionali per formare doppi legami

Analizzando più nel dettaglio le singole reazioni e i rispettivi enzimi troviamo:

- isomerasi permettono il passaggio da un gruppo carbonilico interno



(chetonico) ad uno esterno (aldeidico)

- deidratasi possono togliere o aggiungere una molecola d’acqua che può



essere associata all’eliminazione o all’aggiunta di un doppio legame

- chinasi sono un tipo di transferasi che spostano un gruppo fosfato dall’ATP



ad un'altra molecola

- mutasi spostano un gruppo fosfato all’interno di una stessa molecola da



un OH ad un altro

- aldolasi servono a rompere legami covalenti o a formarli, a seconda della



via metabolica in cui agiscono (molto importanti nella glicolisi)

GLICOLISI: INTRODUZIONE

Glicolisi = è la trasformazione del glucosio in piruvato e avviene completamente nel

citosol

Il glucosio viene utilizzato da molti organi, i fondamentali sono: apparato scheletrico,

cervello (in gran parte), tessuto adiposo e fegato (regolatore centrale del metabolismo).

Il piruvato, una volta formato, può prendere differenti vie che sono:

- organismi anaerobi (di solito):

fermentazione alcolica organismi prevalentemente unicellulari non

  

necessitano del glucosio che viene trasformato in un prodotto di scarto 

etanolo

fermentazione lattica da cui si viene a formare il lattato che è parte del

 

nostro metabolismo (prodotto che si forma in condizioni metaboliche particolari

di alcuni tessuti)

- organismi aerobi (come noi) il piruvato viene ulteriormente ossidato a CO

 2

per produrre il 90% dell’ATP che viene prodotto dalle nostre cellule

Analizzando globalmente la glicolisi essa può essere suddivisa in tre fasi:

1) fase preparatoria preparare il substrato per poi estrarre energia



2) fase secondaria trasforma l’esoso (6 atomi di carbonio) in due triosi (3 atomi di



carbonio) ciò avviene attraverso la scissione di una molecola di glucosio in due



molecole più piccole

3) fase terziaria fase utile per la raccolta di energia vengono prodotte

 

direttamente molecole di ATP ed anche un po’ di potere riducente (estratti degli

elettroni che andranno a produrre ATP nella fosforilazione ossidativa)

DOMANDA: Come arriva il glucosio nel nostro corpo?

RISPOSTA: Attraverso la dieta che fra i tanti nutrienti contiene zuccheri come fruttosio,

saccarosio, lattosio o polisaccaridi come quelli che derivano dal glicogeno devono



esistere enzimi digestivi che riducono queste molecole a monomeri o dimeri

ESEMPIO: lattosio = glucosio + galattosio sulla superficie delle cellule epiteliali



dell’intestino tenue sono presenti degli enzimi deputati a rompere il saccarosio o il lattosio

in monomeri galattosio, fruttosio e glucosio ciò avviene perché per entrare dentro le

 

cellule le molecole devono essere ridotte a singole unità.

Esistono due modi principali sfruttando trasportatori:



- GLUT trasportatori diretti del



glucosio che lo fanno entrare da solo 

appartenenti a una famiglia di

trasportatori che presentano dodici α-

eliche con cui attraversano la membrana

una proteina integrale di membrana



che ha la possibilità di far passare il

glucosio attraverso la membrana con

meccanismi che vedremo

- simporti del glucosio proteine di trasporto integrali di membrana inserite nella



membrana plasmatica apicale del lume intestinale (intestino tenue) che fanno

passare il glucosio all’interno sfruttando un gradiente di sodio che è presente

tra l’ambiente extracellulare ed intracellulare

L’epitelio non è l’unica cellula che necessità di glucosio, tutto il sistema ha bisogno di

energia.

Devono esistere altri trasportatori come questi che secondo gradiente di concentrazione,

in presenza di molto glucosio appena assunto con la dieta, lo faranno passare dall’epitelio

alla matrice extracellulare dove sono presenti anche i vasi sanguigni. In questo modo il

glucosio entrerà in circolazione. Qui ci sarà una distribuzione capillare del glucosio a tutte

le cellule che necessitano di energia.

Glicemia (ordine dei millimolare) = rappresenta i livelli ematici di glucosio la



concentrazione di glucosio che si può misurare con le analisi del sangue

Esistono dei meccanismi che riescono a fornire livelli equilibrati di glucosio anche in

presenza di una bassa concentrazione dello stesso. Anche se qualcuno pratica una dieta

povera di zuccheri riuscirà comunque a possedere un livello adeguato di glucosio perché i

residui degli amminoacidi delle proteine possono essere in buona parte convertiti in

glucosio. GLICOLISI: LE FASI

1. PRIMA FASE

La prima fase è a sua volta divisa in altre tre sotto reazioni:

1) prima reazione: esochinasi: glucosio glucosio-6-fosfato



serve a preparare il substrato alla degradazione ed a intrappolare il substrato

 dentro la cellula se no il glucosio rischierebbe di uscire perché il GLUT può



facilmente trasportare il glu