Biochimica 1 (Prima Parte)

Punto di vista energetico

Per il 2^o principio della termodinamica, qualsiasi processo naturale evolve verso un aumento del disordine. Tutte quelle reazioni che sono in grado di liberare energia, esoergoniche (- ΔG), vengono definite reazioni spontanee in quanto seguono le leggi termodinamiche (evolvono verso un aumento del disordine, meno energia → prodotto, meno ordine). Tali reazioni danno formazione a un livello energetico più basso rispetto ai reagenti, in quanto è stata liberata energia che verrà utilizzata per produrre lavoro, anche se da un punto di vista pratico non tutta l'energia può essere utilizzata per produrre lavoro, in quanto una parte viene dissipata sotto forma di calore oppure perduta.

Per permettere la sintesi di materia più complessa, serve contrastare il 2^o principio della termodinamica fornendo energia alla reazione per far diminuire il disordine producendo ordine (per mantenere ordine serve energia!). Negli organismi viventi, l'ordine interno viene mantenuto prelevando energia libera dall'ambiente esterno, a sua volta gli organismi viventi rilasciano nell'ambiente un'uguale quantità di energia sotto forma di calore e di entropia. Possiamo quindi dire che l'ordine prodotto nel sistema che reagisce viene compensato dal disordine che ne scaturisce nell'ambiente circostante. Tali reazioni vengono definite endoergoniche, ed hanno bisogno di energia per passare da un livello energetico basso ad uno più alto.

Reazioni esoergoniche ed endoergoniche

Per permettere la realizzazione di quanto detto, le nostre cellule accoppiano una reazione endoergonica (ΔG) ad una esoergonica che liberi un quantitativo di energia maggiore di quella che la reazione richiede, in maniera tale che la somma della variazione di energia libera (ΔG) di entrambe le reazioni sia negativa (-ΔG), facendo divenire l'intero processo esoergonico. È ciò che avviene, ad esempio, nella reazione 1 della glicolisi. Le fonti di energia libera usate dalle nostre cellule derivano prevalentemente dalla rottura di molecole di ATP e GTP.

Le reazioni chimiche tendono ad avvenire spontaneamente fino a raggiungere un equilibrio, i reagenti si trasformano in prodotti con la stessa velocità con cui i prodotti si trasformano in reagenti. Arrivati a questa condizione, ΔG=0, in quanto l'energia liberata dai reagenti per trasformarsi in prodotti viene utilizzata immediatamente dai prodotti per trasformarsi in reagenti. Di conseguenza, non si ha variazione di energia libera per produrre lavoro. Possiamo quindi definire la variazione di energia libera (ΔG) come un indice di quanto il sistema sia lontano dal punto di equilibrio (un oggetto posto a 10 m avrà una certa Ep che sarà maggiore più si aumenta l'altezza; se l'oggetto è a contatto con il suolo, l'Ep=0, in quanto tale energia viene annullata da quella gravitazionale).

Nella cellula, la demolizione dell'ATP avviene in maniera spontanea in quanto tutti gli organismi viventi mantengono una concentrazione di ATP ben lontana dalla concentrazione all'equilibrio, ciò garantisce di prelevare energia dalla demolizione di tale molecola. Se si raggiunge l'equilibrio, si avrebbe l'arresto dei processi di demolizione di ATP (tutte le reazioni chimiche procedono verso il raggiungimento dell'equilibrio = stabilità). I sistemi viventi non sono mai in equilibrio con l'ambiente che li circonda e i continui scambi spiegano come gli organismi possono creare ordine al loro interno senza andare contro il 2^o principio della termodinamica (le reazioni avvengono con l'obiettivo di raggiungere un equilibrio che non verrà mai raggiunto).

Produzione di energia a partire da ATP

L'ATP, adenosintrifosfato, (molecola costituita da una base azotata, l'adenina, legata al ribosio a sua volta legato a tre molecole di fosfato) viene considerata un coenzima, una sostanza non proteica che si unisce all'enzima per permettergli di svolgere l'attività di catalizzatore.

L'energia immagazzinata nell'ATP deriva dalla degradazione di macromolecole come carboidrati, proteine e lipidi, attraverso reazioni metaboliche che avvengono in assenza o presenza di ossigeno:

• Idrolisi (con presenza di ossigeno): oltre alla liberazione di energia libera, l'idrolisi dell'ATP porta alla formazione di una molecola di ADP (adenosinadifosfato) e di un gruppo fosfato (HPO₄^2-).
  • ATP + H₂O → ADP + HPO₄^2- + energia libera
  Questa reazione è catalizzata dall'enzima ATPasi il quale accelera la reazione, abbassando l'energia di attivazione.
• Fosforilazione (in assenza di ossigeno): l'ADP, addizionata ad un gruppo fosfato e ad energia libera (reazione endoergonica) porta alla formazione di una nuova molecola di ATP e una di H₂O.
  • ADP + HPO₄^2- + energia libera → ATP + H₂O

L'ATP è al centro di un ciclo di accoppiamento energetico in cui, prima l'ADP cattura energia (liberata dalle reazioni esoergoniche) per trasformarsi in ATP e successivamente, attraverso idrolisi, viene nuovamente scissa in ADP (reazione endoergonica).

Glucosio e glicolisi

Il glucosio (C₆H₁₂O₆) è un combustibile chimico dal quale viene ottenuta energia immagazzinata sotto forma di ATP. Il glucosio, utilizzando il sangue, entra all'interno dei vari tessuti attraverso il trasporto attivo. Una volta che si trova all'interno della cellula, esso è metabolizzato (subisce una sequenza di reazioni biochimiche chiamata glicolisi) per produrre energia.

Nel fegato e nei muscoli, il glucosio è immagazzinato sotto forma di glicogeno con lo scopo di produrre energia. La glicolisi rappresenta la prima tappa della respirazione cellulare. Corrisponde alla scissione delle molecole di glucosio ed è articolata in 10 reazioni (le prime cinque non ossidative), precedute da una fase preparatoria, ciascuna catalizzata da un diverso enzima. Il prodotto di ogni reazione rappresenta il substrato (molecola sulla quale agisce un enzima) per l'enzima della reazione successiva. È un processo citoplasmatico poiché tutti gli enzimi che ne prendono parte sono sparsi nel citoplasma.

Fase preparatoria

In questa fase, il glucosio viene scisso in due molecole identiche a 3 atomi di carbonio, così da ricavare, nella seconda fase, 2 ATP dall'ossidazione delle due aldeidi. La glicolisi vera e propria può essere suddivisa in due gruppi di reazioni da cinque fasi ciascuno.

Reazioni della glicolisi

Reazione 1

(Reazione irreversibile): la molecola di glucosio viene fosforilata attraverso l'enzima esochinasi, portando alla formazione di glucosio-6-fosfato. Il gruppo -OH del glucosio, in posizione 6, va a legarsi ad un gruppo fosfato dell'ATP costituendo glucosio-6-fosfato.

glucosio + ATP → glucosio-6-fosfato + ADP + Pi

Questa reazione è irreversibile in quanto endoergonica, cioè per formare la nuova molecola (glucosio-6-fosfato) serve energia, e viene utilizzata quella derivante dalla rottura di un gruppo fosfato dell'ATP che si trasformerà in ADP. La rottura di questo legame libera un quantitativo di energia elevato. Il glucosio, una volta trasformato in glucosio-6-fosfato, non è più in grado di uscire dal citoplasma della cellula poiché fosforilato. Tutte le molecole fosforilate non possono attraversare la membrana.

Reazione 2

(Reversibile): attraverso l'enzima fosfoglucoisomerasi, il glucosio-6-fosfato viene trasformato in fruttosio-6-fosfato. L'enzima attua un riarrangiamento della struttura del glucosio-6-fosfato, modificando l'orientamento dei gruppi carbonilici e ossidrilici in C1 e C2. Così facendo, il glucosio-6-fosfato (aldeide) diventa fruttosio-6-fosfato (chetone). Tale reazione è importante perché i cambiamenti di struttura permettono trasformazioni che con la struttura precedente non erano possibili.

Reazione 3

(Irreversibile): l'enzima fosfofruttochinasi, in presenza di ATP, addiziona un secondo gruppo fosfato (in posizione C1) all'anello di fruttosio-6-fosfato, costituendo fruttosio-1,6-bisfosfato.

fruttosio-6-fosfato + ATP → fruttosio-1,6-bisfosfato + ADP + H⁺

Nelle prime tre reazioni, la struttura del glucosio è stata modificata utilizzando ATP in quanto l'obiettivo è quello di produrre un quantitativo di energia maggiore di quella consumata.

Reazione 4

(Reversibile): in questa reazione inizia la degradazione della molecola. Il fruttosio-1,6-bisfosfato, tramite l'enzima aldolasi, viene scisso in due molecole diverse tra loro: gliceraldeide-3-fosfato e diidrossiacetonfosfato. Si passa quindi da una molecola a 6 atomi di carbonio a due molecole con 3 atomi di carbonio ciascuna.

Reazione 5

(Reversibile): dal momento in cui seguire due vie metaboliche differenti sarebbe energeticamente dispendioso, il diidrossiacetonfosfato viene trasformato in gliceraldeide-3-fosfato dall'enzima trioso fosfato isomerasi. L'enzima è in grado di prelevare un H da un atomo di carbonio, spostandolo su un altro vicino. Così facendo, il trioso passa dalla forma chetonica a quella aldeidica.

diidrossiacetonefosfato → gliceraldeide-3-fosfato

Alla fine di questo ciclo di cinque reazioni, sono state spese 2 ATP, si sono formate 2 gliceraldeide-3-fosfato e non si è ricavato alcun tipo di energia. Le reazioni del prossimo ciclo permetteranno alla cellula di ricavare energia dalla degradazione della gliceraldeide-3-fosfato.

Fase ossidativa

Le seguenti reazioni liberano energia e producono ATP. Si assiste dunque ad una serie di ossidazioni che, partendo dalle due molecole di gliceraldeide-3-fosfato, portano alla produzione di due molecole di piruvato. Da questo gruppo di ossidazioni si produrrà energia immagazzinata sotto forma di coenzima NADH. La sesta reazione è possibile in seguito alla presenza del NAD associato all'enzima, che ha la capacità di ridursi e ossidarsi (ridursi: accettare elettroni; ossidarsi: cedere elettroni) in maniera reversibile. Nella sua forma ossidata lo troviamo sotto forma di NAD⁺; nella sua forma ridotta, invece, lo troviamo sotto forma di NADH.

Il NAD⁺ è in grado di legarsi ad una molecola ossidandola; l'ossidazione di quest'ultima provoca, a sua volta, la riduzione del coenzima che si trasformerà in NADH (la molecola ha ceduto 2H). Altra proprietà del NAD⁺ è di trasportare gli elettroni durante tutto il ciclo della respirazione cellulare, fino alla catena di trasporto degli elettroni (ultima fase della respirazione cellulare).

Reazione 6

(Irreversibile): in questa fase il gruppo aldeidico della gliceraldeide-3-fosfato va a legarsi con l'enzima gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi, attraverso un legame covalente. In tale reazione si evidenziano due processi, uno di ossidazione e uno di fosforilazione. Nella prima, il gliceraldeide-3-fosfato viene ossidato ad acilfosfato (composto ad alta energia), reazione mediata dal coenzima NAD⁺ che si riduce in NADH. Nella fosforilazione, invece, avviene l'aggiunta di un gruppo fosfato (il fosfato è presente nell'ambiente di reazione) al C1 (gruppo carbossilico) che porta alla rottura del substrato comportando la formazione della nuova molecola 1,3-bisfosfoglicerato. Quanto detto avviene per entrambe le molecole di gliceraldeide-3-fosfato, andando quindi a produrre due molecole di NADH.

gliceraldeide-3-fosfato + NAD⁺ → 1,3-bisfosfoglicerato + NADH

Reazione 7

(Reversibile): l'enzima fosfogliceratochinasi trasferisce il gruppo fosforico dell'1,3-bisfosfoglicerato all'ADP, producendo una molecola di ATP e una di 3-fosfoglicerato. Quest'ultima, assieme alla reazione 6, costituisce un processo di accoppiamento energetico. Sommando i processi di entrambe, infatti, si ottiene una reazione complessiva esoergonica. In questa fase abbiamo la produzione di 2 ATP (in quanto sono presenti due molecole di 1,3-bisfosfoglicerato).

1,3-bisfosfoglicerato + ADP + Pi → 3-fosfoglicerato + ATP

Reazione 8

(Reversibile): la molecola 3-fosfoglicerato, per mezzo dell'enzima fosfoglicerato mutasi (catalizza il trasferimento di un gruppo fosfato tra C2 e C3), viene trasformata in 2-fosfoglicerato. Tale processo è possibile poiché l'enzima inizialmente cede un gruppo fosforico al C2 del 3-fosfoglicerato generando 2,3-bisfosfoglicerato; il gruppo fosforico sul C3 viene trasferito al sito dell'enzima determinando la fosforilazione della mutasi e la formazione del 2-fosfoglicerato.

3-fosfoglicerato → 2-fosfoglicerato

Reazione 9

(Reversibile): il 2-fosfoglicerato, per mezzo dell'enzima enolasi, viene trasformato in fosfoenolpiruvato (composto ad alto contenuto energetico). Tale enzima deidrata (elimina una molecola di H₂O) il substrato (2-fosfoglicerato) producendo fosfoenolpiruvato.

2-fosfoglicerato → fosfoenolpiruvato + H₂O

Reazione 10

(Reversibile): grazie all'enzima piruvato chinasi, il fosfoenolpiruvato cede il suo gruppo fosforico all'ADP generando ATP e piruvato. Quest'ultimo, inizialmente si presenta nella sua forma enolica (enolpiruvato, con un carbonio che forma un doppio legame con il gruppo CH), si trasforma, tramite una tautomerizzazione (trasferimento di un protone accompagnato dallo scambio di un legame covalente singolo con un doppio adiacente) in una forma chetonica (piruvato) più stabile della prima. Da questa reazione si producono 2 ATP in quanto le molecole che si trasformano in piruvato sono due.

fosfoenolpiruvato + ADP → piruvato + ATP

Alla fine di questo secondo ciclo di reazioni, sono state ottenute:

• 4 ATP (reazioni 7 e 10);
• 2 NADH (reazione 6);
• 2 H₂O (reazione 9);
• 2 molecole di piruvato (reazione 10).

Resa energetica della glicolisi

• 2 molecole di piruvato;
• 2 ATP (ne vengono prodotte 4 ma 2 vengono utilizzate durante il primo ciclo di reazioni);
• 2 NADH;
• 2 H₂O.

Regolazione della glicolisi

La glicolisi è regolata dagli ormoni glucagone, insulina e adrenalina. In condizioni anaerobiche, la velocità della glicolisi e la quantità totale di glucosio consumato sono più elevate rispetto alle condizioni aerobiche. Si producono infatti 2 ATP per un glucosio, contro le 32 ATP che si ottengono attraverso la degradazione del glucosio in condizione aerobiche. In assenza di ossigeno (condizioni anaerobiche), per avere lo stesso rendimento energetico di un processo aerobico, bisognerà consumare 15 volte in più la quantità di glucosio; di conseguenza, anche la velocità con cui il glucosio verrà ossidato a piruvato (acido piruvico) dovrà aumentare.

La regolazione della velocità della glicolisi si basa su un equilibrato bilanciamento tra:

• Consumo di ATP;
• Rigenerazione NADH;
• Regolazione allosterica di enzimi della glicolisi (meccanismo di regolazione di un enzima che ha il sito attivo per il legame al suo substrato ed un sito di legame per un'altra molecola detta effettrice. Quando l'effettore si lega all'enzima, ne modifica la conformazione determinando una maggiore o minore affinità dell'enzima per il suo substrato).

Le molecole di piruvato ottenute dalla glicolisi possono avere due destini differenti a seconda della presenza o mancanza di ossigeno:

• In presenza di ossigeno → respirazione cellulare (susseguirsi di processi quali: glicolisi, piruvato deidrogenasi, ciclo di Krebs, catena di trasporto degli elettroni);
• In assenza di ossigeno → fermentazione lattica (durante la contrazione muscolare).

In entrambi i processi avviene il riciclo del NADH, il quale viene ossidato ritornando ad essere NAD⁺ disponibile per un nuovo ciclo della glicolisi.

Fermentazione lattica

In esercizi intensi ma di breve durata, il sistema circolatorio dell'uomo non è in grado di sostenere il metabolismo aerobico, cioè non viene portato nelle cellule muscolari ossigeno sufficiente per ossidare il piruvato e ottenere il quantitativo di energia richiesto. Le cellule del nostro corpo affrontano questa situazione producendo energia in assenza di ossigeno, attraverso la fermentazione (questo processo produce una potenza cinque volte superiore a quella prodotta con il meccanismo aerobico). Questo processo può però funzionare per un periodo di tempo molto limitato.

Il piruvato prodotto dalla glicolisi viene ridotto in lattato (il piruvato accetta elettroni), di conseguenza il NADH si ossida tornando alla forma NAD⁺ (cede elettroni), il tutto catalizzato dall'enzima lattato deidrogenasi.

2 piruvato + 2 NADH → 2 lattato + 2 NAD⁺

Il lattato prodotto dal processo di fermentazione conseguente ad un'attività muscolare intensa può essere riciclato: esso viene trasportato dal torrente circolatorio, fino al fegato nel quale viene convertito, durante la fase di recupero, in glucosio; il tutto attraverso un processo denominato gluconeogenesi epatica. Quando il lattato viene prodotto in grandi quantità, si ha la diminuzione del pH ematico, limitando la capacità funzionale del muscolo (eventuali crampi). In condizioni normali, la quantità di acido lattico nel sangue è costante in qualsiasi persona e corrisponde per tutti a 1 mMol, in quanto il piruvato viene metabolizzato mediante la via aerobica.

Produrre energia da altri carboidrati

Tutti gli zuccheri diversi dal glucosio vengono trasformati tramite opportune vie metaboliche in glucosio:

• Lattosio: disaccaride presente nel latte, costituito da α-glucosio e β-galattosio. Glucosio e galattosio sono epimeri (molecole che hanno...