Biochimica

Il metabolismo

Il metabolismo è il complesso delle reazioni chimiche e fisiche che avvengono in un organismo vivente per mantenerlo in vita. Gli organismi viventi devono rispettare le leggi della termodinamica – energia. La seconda legge della termodinamica afferma che in ogni sistema chiuso la quantità di entropia tende ad aumentare. Gli organismi viventi sono dei sistemi aperti, perciò non sono all’equilibrio, però sono in grado di mantenere un livello di complessità e organizzazione elevato.

Anabolismo e catabolismo

Il metabolismo si divide in:

• Anabolismo: reazioni di sintesi, endoergoniche, da molecole semplici a molecole complesse.
• Catabolismo: reazioni di demolizione, esoergoniche, da molecole complesse a semplici.

Vie metaboliche

Serie di reazioni chimiche che portano da un substrato a uno o più prodotti. I singoli passi sono reazioni chimiche catalizzate da enzimi specifici che trasformano il substrato su cui agiscono in un prodotto. Se il prodotto dell’ultima reazione costituisce il reagente della prima reazione, allora la via metabolica è detta ciclo. Gli enzimi metabololici sono proteine particolari che catalizzano le reazioni metaboliche.

Divergenza e convergenza delle vie metaboliche

Vie metaboliche divergenti: uno stesso substrato può dare origine a prodotti diversi.

Vie metaboliche convergenti: diversi substrati possono originare lo stesso prodotto.

• In un organismo una via metabolica può iniziare in un organo e terminare in un altro.
• In una cellula una via metabolica può iniziare in un organulo e terminare in un altro.

Regolazione e controllo delle vie metaboliche

Le vie metaboliche sono regolate e controllate:

• Regolate: mantenimento di una variabile a livello costante malgrado le possibili variazioni ambientali.
• Controllo: risposta del sistema a un segnale.

La regolazione è intesa come regolare la produzione di determinati metaboliti all’interno della cellula.

Regolazione di una via metabolica

• Anteroazione: un metabolita può regolare enzimi a lui successivi.
• Retroazione: un metabolita può regolare enzimi a lui precedenti.
• Retroazione negativa: la presenza di un prodotto rallenta la sua formazione.

L’effetto in entrambi i casi può essere di attivazione o inibizione.

Variazioni del metabolismo

Tempi:

• Lunghi: modifiche espressione genetica, degradazione proteine.
• Medi: modifiche di proteine.
• Brevi: legame reversibile di metaboliti ad enzimi.

Controllo del metabolismo

Il flusso lungo una via metabolica è quello permesso dall’enzima più lento. Se i metaboliti controllitori sono comuni ad altre vie metaboliche, queste possono influenzare o essere influenzate dalla via metabolica in oggetto.

Cicli futili

Sono cicli metabolici che degradano l’energia chimica, ATP, senza generare un lavoro metabolico netto.

• Alcune volte i cicli futili non sono operativi nelle cellule grazie a meccanismi di regolazione complementari ed integrati.
• Possono essere utili perché l’ATP viene dissipato sotto forma di calore.

Glicolisi e gluconeogenesi

Il funzionamento simultaneo di entrambe le vie potrebbe essere dannoso e quindi le vie regolate in modo che non possano incrementare simultaneamente. In un ciclo futile non si formano metaboliti ma abbiamo usato energia e quindi prodotto calore. La reazione sfrutta l’energia di idrolisi dell’ATP. L’ENERGIA VIENE DISSIPATA COME CALORE

Metabolismo ed energia

La cellula ha bisogno di energia -> SUO FABISOGNO Nel metabolismo, processi esoergonici, catabolismo, e endoergonici, anabolismo, sono accoppiati mediante sintesi intermedia di composti come ATP o coenzimi come NADPH. Il maggior accumulatore di energia è l’adenosina trifosfato ovvero ATP. La conservazione di energia può avvenire anche mediante trasporto di elettroni scambiati in reazioni di ossido-riduzione. La nostra elaborazione di energia è quando l’ATP si trasforma in ADP.

La conservazione dell’energia può avvenire anche mediante trasporto di elettroni scambiati in reazioni di ossido riduzione. I più comuni trasportatori di elettroni sono i coenzimi nucleotidici nicotinamide adenin dinucleotide (NAD+) e flavina adenin dinucleotide (FAD). Catabolismo: le vie del catabolismo convergono verso la formazione di un numero limitato di intermedi comuni che vengono poi utilizzati in una via ossidativa centrale. Se introduco troppi substrati si trasformano in trigliceridi ovvero grasso e aumento di peso.

Pane e glucosio

Il pane con la scissione dell’amido, polimero del glucosio, assorbiamo il glucosio.

Anabolismo

Un numero limitato di metabolismi viene utilizzato per la produzione di una grande varietà di prodotti (proteine).

Catabolismo dei glucidi: la glicolisi

Glucosio

I glucidi o carboidrati sono la fonte energetica primaria in nutrizione umana. Il glucosio è la molecola chiave, può trovarsi come tale negli alimenti. Il glucosio può derivare da altri carboidrati maggiormente presenti negli alimenti quali i disaccaridi saccarosio e lattosio, e soprattutto l’amido (polimero del glucosio).

• Saccarosio: disaccaride 2 molecole, una di fruttosio e una di glucosio.
• Lattosio: formato da glucosio e galattosio.

Può originare da molecole non glucidiche. È presente nel sangue, la sua concentrazione è un parametro omeostatico. Glicemia: concentrazione del sangue Presente all’interno della cellula dove avvengono le reazioni metaboliche, bisogna smaltire il glucosio che è assunto:

• L’energia deve essere liberata.
• Iniziano le reazioni cataboliche.
• Per scopo energetico.

Catabolismo del glucosio

È a scopo energetico, per la biosintesi di altri composti. Può avvenire:

• Senza ossigeno = anaerobiosi
• Presenza di ossigeno

Glicolisi

10 reazioni enzimatiche, 2 fasi di 5 reazioni ognuna Gli enzimi della glicolisi sono localizzati nel citosol La glicolisi è la prima fase per entrare nel ciclo e nella fosforilazione, il ciclo di Krebbs è anaerobico. È una via ubiquitaria È un processo anaerobico utilizzato per fornire i precursori delle vie aerobiche o sorgente di energia a breve termine:

• Glicolisi fase 1 - 1: trasferimento gruppo fosforico dall’ATP al glucosio con formazione di glucosio-6-fosfato, catalizzata dall’enzima esochinasi. Esso: 6 atomi di carbonio Chinasi: trasferiscono un gruppo fosforico al substrato - consumo di un ATP.
• Glicolisi fase 1 – 2: conversione del G6P in fruttosio-6-fosfato: F6P. Catalizzata da fosfuglucosio-isomerasi, enzimi che catalizzano l’isomerizzazione, si può trasformare da entrambi i versi.
• Glicolisi fase 1- 3: fosforilazione del F6P a formare fruttosio-1,6-bisfosfato (FBP, o F1,6P). Catalizzata dalla fosfofruttochinasi, maggior punto di controllo della glicolisi - consumo 1 ATP. È una reazione irreversibile.
• Glicolisi fase 1- 4: scissione del FBP per formare 2 triosi: la gliceraldeide-3-fosfato (GAP) e il diidrossiacetone fosfato (DHAP). Catalizzata dall’aldolasi. È una reazione reversibile, è possibile una isomerizzazione tra i due prodotti, soltanto uno può continuare nella glicolisi.
• Glicolisi fase 1-5: solo GAP prosegue lungo la via glicolisi a. DHAP può intraprendere altre vie metaboliche o essere convertito a GAP in una reazione catalizzata della trifosfato isomerasi. GAP: gliceraldeide 3 fosfato.
• Glicolisi fase 2-1: ossidazione e fosforilazione di GAP ad opera di NAD+ e Pi con sintesi di 1,3-bisfosfoglicerato composto ad alta energia e NAD ridotto. Catalizzata dalla gliceraldeide 3 fosfato deidrogenasi. Fosforilazione del substrato senza consumo di ATP.
• Glicolisi fase 2- 2: 1,3-BFG è trasformato in 3-fosfoglicerato con formazione di ATP. Catalizzata dalla fosfoglicerato chinasi. È una reazione parzialmente reversibile, le 2 reazioni non avvengono in equilibrio perché non vi è la stessa capilista di reazione.
• Glicolisi fase 2- 3: conversione (isomerizzazione) di 3-fosfoglicerato (3PG) in 2-fosfoglicerato (2PG). Catalizzata dalla fosfoglicerato mutasi. Reazione reversibile con presenza di magnesio.
• Glicolisi fase 2- 4: conversione di 2-fosfoglicerato, 2PG, in fosfoenolpiruvato (PEP) intermedio ad alta energia. Catalizzata dalla enolasi, enzimi che determinano una rimozione di acqua nella molecola.
• Glicolisi fase 2- 5: scissione di PEP a piruvato con formazione di ATP. Catalizzata dalla piruvato chinasi. La reazione non è reversibile, si ha bisogno di potassio.

Bilancio della glicolisi

ATP: investimento di 2 ATP nella prima fase e sintesi di 4 ATP nella seconda fase resa netta di 2 moli di ATP per mole di glucosio. NADH: riduzione di 2 mole di NAD+ a NADH rappresenta una fonte di energia libera recuperabile mediante la successiva ossidazione.

Destino del piruvato

Acido piruvato Le due molecole di piruvato prodotte dalla glicolisi contengono ancora la maggior parte dell’energia presente in origine nella molecola di glucosio. L’energia verrà completamente liberata nel ciclo dell’acido citrico che è aerobico.

Fermentazione lattica

Avviene quando la quantità di ossigeno disponibile è limitata. Non c’è un limite legato all’ossigeno. Vantaggi: rigenerazione di NAD+ per alimentare la glicolisi -> formazione di ATP. Svantaggi: l’acido lattico viene smaltito molto lentamente e produce abbassamento del pH sia nel muscolo che nel sangue.

Destino del lattato

Il lattato passa nel sangue e da qui nel fegato, dove riformerà glucosio nella gluconeogenesi. L’insieme di queste vie metaboliche che passano dal lattato è detto ciclo di Cori.

Regolazione della glicolisi

Controllo principale: fosfofruttochinasi, tappa di regolazione della glicolisi. Inibita da ATP, citrato, basso pH. Se la cellula non ha bisogno di energia, la glicolisi è inibita. Il citrato è un intermedio del ciclo di Krebs. L’iperproduzione del lattato abbassa il pH -> inibizione glicolisi.

Catabolismo del glucosio: via dei pentoso fosfati

Il G6P, oltre che per la glicolisi, può essere utilizzato nella via dei pentoso fosfati o shunt degli esosi monofosfati. La via dei pentoso fosfati produce NADPH e ribosio-5-fosfato per la biosintesi dei nucleotidi. Si svolge nel citoplasma.

Shunt: deviazione.

Pentosi: non si produce energia o meglio la si produce, ma non direttamente.

NADPH: Forma ridotta del nicotinamide-adenin-dinucleotide fosfato (NADP+). È un composto utilizzato nella catena respiratoria, nella realtà la sua funzione è quella di entrare nelle diverse vie. Viene ossidato nella catena respiratoria per generare ATP. Serve come donatore di elettroni in alcune biosintesi.

• Biosintesi degli acidi grassi.
• Biosintesi del colesterolo.
• Biosintesi dei neurotrasmettitori.
• Biosintesi dei nucleotidi.

Utilizzato nelle vie di detossificazione, riduzione del glutatione ossidato, citocromo P450 monoossigenasi.

Fasi nella via dei pentoso fosfati

Fase ossidativa, in cui genera NADPH. Fase non ossidativa di interconversione degli zuccheri in cui si genera ribosio 5 fosfato.

Fase ossidativa

1. Deidrogenazione del glucosio 6-fosfato, catalizzata dalla glucosio-6-fosfato deidrogenasi, con formazione di 6-fosfogluconolattone. La reazione non è reversibile.

2-3. Formazione di 6-fosfogluconato dal fosfogluconolattone. Carbossilazione del 6-fosfogluconato per ottenere ribulosio 5-fosfato. Volendo fare un bilancio del ciclo dei pentosi si generano 2 molecole una nella prima e una nella terza e una molecola di ribulosio 5 fosfato per ogni mole di glucosio 6 fosfato.

Bilancio della fase ossidativa

Le reazioni della fase ossidativa generano due molecole di NADPH ed una molecola di ribulosio 5-fosfato per ciascuna molecola di glucosio 6-fosfato ossidata.

Fase non ossidativa

Il ribosio 5-fosfato viene isomerizzato a ribosio 5-fosfato oppure viene convertito a xilulosio 5-fosfato. Ribosio 5-fosfato e xilulosio 5-fosfato interagiscono. I prodotti finali sono fruttosio 6-fosfato e gliceraldeide 3-fosfato. La via dei pentoso fosfati converte totalmente il G6P in intermedi della glicolisi.

Regolazione dello shunt

Il flusso del G6P verso lo shunt dipende dal fabbisogno della cellula di NADPH e ribosio 5-fosfato. La prima reazione è irreversibile. Il fattore di regolazione più importante è il livello di NADP+/NADPH. Se la concentrazione è elevata questi 2 livelli impediscono al glucosio di entrare nello shunt.

I fabbisogni della cellula regolano il G6P

• Alto livello di ATP: prevale la glicolisi. F6P e GAD si formano nello shunt e entrano nella glicolisi.
• Alto fabbisogno di NADPH: maggiormente attivato lo shunt. F6P e GAD che si generano nello shunt vanno nella glicolisi.
• Alto fabbisogno di ribosio: maggiormente attivato lo shunt. Il ribosio 5-P va a formare nucleotidi e non genera F6P e G3P.

La glucosio 6-P deidrogenasi

La glucosio 6-fosfato deidrogenasi svolge un ruolo chiave nella protezione contro lo stress ossidativo. Il NADPH generato nello shunt mantiene le concentrazioni appropriate di glutatione ridotto, necessarie per mantenere riducente l’ambiente all’interno della cellula, evitando lo stress ossidativo.

Carenza di glucosio-6-fosfato deidrogenasi: G6PD

Nei globuli rossi la carenza di NADPH determina aggregazione dell’emoglobina. Gli aggregati di emoglobina (corpi di Heinz) si depositano sulle membrane. Le membrane si deformano e vanno incontro a lisi (anemia emolitica). Una delle più comuni carenze enzimatiche umane (oltre 400 milioni di persone), causata da più di 400 varianti mutate dell’enzima. È causa dell’anemia falciforme, che conferisce un vantaggio selettivo nelle aree malariche in quanto gli eritrociti carenti sono ospiti meno adatti al plasmodio della malaria. I soggetti con carenza di G6PD vanno incontro ad anemia emolitica se assumono alcuni farmaci antimalarici o fave, che contengono divicina, inibitore della G6PD (favismo).