Biochimica funzionale

Corso di biochimica funzionale

Ripasso

L'uomo è uno dei tanti esseri viventi. In questo corso verranno trattati i principali metabolismi presenti nei viventi, cercando di volta in volta di evidenziare in quali organismi tali metabolismi si svolgono. In una famosa ricostruzione basata sulle omologie di sequenza del RNA ribosomiale, possiamo notare la divisione in tre grandi gruppi: gli archeobatteri, che non tratteremo perché essenzialmente estremofili, i batteri veri e propri (comprendenti anche cloroplasti e mitocondri) ed infine gli eucarioti sia animali che vegetali.

Avremo un occhio di riguardo per l'uomo perché le alterazioni del metabolismo umano sono alla base di numerose patologie. In un procariota esistono solo due comparti: intracellulare citoplasmatico, dove avvengono i principali metabolismi, ed extracellulare, dove vengono riversati i prodotti di scarto e gli enzimi litici deputati alla digestione dei nutrienti.

Notate l'esistenza di una certa organizzazione con il nucleoide al centro, un citoplasma ed una membrana plasmatica con trasportatori ed enzimi metabolici. In un procariota tutti i principali metabolismi si svolgono nel citoplasma o sulla membrana plasmatica. Su questa membrana o su sue invaginazioni vengono creati i gradienti protonici per la generazione di energia che negli eucarioti vedremo sulle membrane di mitocondri e cloroplasti.

La necessità per i metaboliti di diffondere nel citoplasma pone dei limiti alle dimensioni dei batteri (più sono grandi più tempo ci vuole ad un metabolita per spostarsi dagli enzimi che lo producono agli enzimi che lo consumano).

Organizzazione cellulare nei procarioti e negli eucarioti

Negli eucarioti troviamo un maggiore grado di complessità per la presenza di comparti intracellulari che permettono alla cellula di avere dimensioni molto maggiori (10-100 volte), compartimentando i diversi metabolismi in organuli. L'organulo principe è il nucleo dove si trova il DNA ed i relativi enzimi per duplicazione e trascrizione. Abbiamo poi una nutrita serie di vescicole deputate alla produzione di proteine di membrana/extracellulari (reticolo endoplasmatico rugoso e Golgi), metabolismo lipidico (reticolo endoplasmatico liscio), digestione di nutrienti (endosomi e lisosomi).

Troviamo anche degli organuli con proprio DNA e ribosomi: i mitocondri per la fosforilazione ossidativa e cloroplasti per la fotosintesi. Dal punto di vista biochimico i principali comparti sono il citoplasma dove avvengono la gran parte delle biosintesi ed alcune delle reazioni cataboliche, il mitocondrio per il catabolismo ossidativo e, nei vegetali, il cloroplasto per la fotosintesi di carboidrati.

Vie anaboliche e cataboliche

Per ciascuna delle principali categorie di macromolecole troviamo quindi delle vie anaboliche per la loro sintesi attraverso i monomeri e di degradazione per il loro catabolismo. Notiamo subito che nella biochimica i glucidi hanno un ruolo centrale sia come nutrienti, sia come prodotti della fotosintesi ma anche come intermedi del metabolismo.

Esiste quindi un ciclo sintesi/degradazione delle macromolecole che sostiene la vita ed è essenzialmente alimentato dall'energia solare. Queste reazioni possono svolgersi nello stesso organismo (es. pianta fa fotosintesi e produce ossigeno di giorno ma respira ossigeno di notte) oppure più spesso tra diversi organismi: potete realizzare un ecosistema chiuso con un'alga, un gamberetto che se ne nutre e batteri che decompongono i prodotti di scarto; esso dura finché è esposto alla luce a temperature miti, quando il gamberetto muore anche l'alga esaurisce la CO2 e muore. Questo ci insegna due cose: i cicli metabolici possono svolgersi non solo tra cellule diverse di un organismo ma anche tra organismi diversi, inoltre l'accoppiamento anabolismo/catabolismo è essenziale per la vita degli organismi e le due fasi avvengono contemporaneamente.

Definizione di metabolismo, catabolismo e anabolismo

• Metabolismo: insieme delle reazioni chimiche che avvengono nell'organismo in studio.
• Catabolismo: comporta la scissione dei vari composti organici in molecole più semplici.
• Anabolismo: sintesi di molecole complesse a partire da sostanze semplici.

Anabolismo (sintesi) e catabolismo avvengono contemporaneamente. Infatti, il catabolismo (degradazione, processo ossidativo) fornisce precursori, energia ed elettroni (equivalenti riducenti) per l'anabolismo (sintesi, riduttiva). I due processi avvengono quindi continuamente e portano nell'insieme alla degradazione degli alimenti o delle riserve ed alla contemporanea sintesi di nuove molecole. Inoltre, il catabolismo fornisce l'energia necessaria all'organismo per funzioni quali il movimento e l'omeostasi (mantenimento di un ambiente interno costante).

Accoppiamento dei processi metabolici

Per accoppiare i processi metabolici ed anabolici l'organismo deve quindi ricorrere a dei trasportatori per:

• Energia (es. ATP)
• Elettroni (es. NADH+, NADPH+, FADH2)
• Precursori (es. acido folico e coenzima A)

Fasi del catabolismo

Il catabolismo comporta quindi due fasi:

• Digestione del cibo per scomporre gli alimenti in una serie di molecole semplici (acidi grassi, glicidi e aminoacidi). Questa fase avviene nel canale digestivo ed a livello degli enterociti.
• Ossidazione di parte di queste molecole (quelle non utilizzate per la sintesi di altre molecole) in prodotti di scarto quali H2O e CO2. Questa parte avviene a livello delle diverse cellule sia nel citoplasma che nei mitocondri. È un processo spontaneo da cui si può ricavare energia, questa energia viene depositata sotto forma chimica (ATP, NADH) per poi essere utilizzata per le necessità dell'organismo. Una parte dei precursori può essere riutilizzata per l'anabolismo, ovvero un processo che necessita di agenti riducenti e di energia.

Conosciamo già alcuni trasportatori, ad esempio gli RNA trasfer o tRNA trasportano al ribosoma (anabolismo) gli aminoacidi derivati dal catabolismo di proteine esogene ed endogene.

ATP: la moneta energetica della cellula

Altro trasportatore è l'adenosintrifosfato o ATP quale moneta energetica della cellula, che consente di immagazzinare l'energia prodotta dalle reazioni cataboliche e renderla disponibile per le reazioni anaboliche ma anche per il movimento ed il mantenimento dello stato ordinato della cellula (es. gradienti ionici transmembrana). L'ATP è costituita dalla base azotata adenina, da uno zucchero a cinque atomi di carbonio e da tre gruppi fosfato. I legami presenti tra questi gruppi fosfato racchiudono l'energia utilizzabile dalla cellula. Continuamente, nel nostro organismo, si realizzano queste due reazioni:

ATP -> ADP + Pi + E (reazione di liberazione di energia che fornisce energia per le reazioni dell'anabolismo) e ADP + Pi + E -> ATP (avviene durante il catabolismo ed assorbe l'energia che si libera in seguito alla rottura di legami chimici nella cellula). I primi due legami fosfoanidridi sono legami ad alta energia nel senso che l'idrolisi di tali legami è irreversibile e fortemente spontanea perché i prodotti si respingono per repulsione elettrostatica e sono stabilizzati per risonanza. Il delta G di reazione elevato può essere utilizzato per far avvenire cambi conformazionali, biosintesi di macromolecole o passaggi attraverso la membrana.

L'ATP solitamente è presente nella cellula sotto forma di sali di magnesio poiché alcuni enzimi hanno bisogno di magnesio per agire (polimerasi e chinasi). L'ATP come i nucleotidi trifosfato fungono da substrato per la sintesi di RNA, processo anabolico dove l'idrolisi del pirofosfato fornisce energia per la polimerizzazione e per spostarsi lungo il DNA.

L'ATP da reazioni di sostituzione nucleofila per cui molecole come acqua o alcoli con ossigeno nucleofili possono attaccare ciascuno dei tre fosfati con formazione di un substrato fosforilato, pirofosforilato o se attaccato il substrato alfa esso viene unito al complesso ribosio-adenina (adenilare il substrato). L'idrolisi dell'ATP può quindi essere utilizzata per rendere spontanee reazioni che solitamente non lo sono poiché prevedono il consumo di ATP per formare un intermedio ad alta energia (essa è maggiore di quella del prodotto).

L'ATP viene generato da reazioni esoergoniche come ossidazioni biologiche, fosforilazioni a livello del substrato e dal catabolismo mentre viene consumato da reazioni endoergoniche come le sintesi biologiche, contrazione muscolare e trasporto di ioni (una parte di energia va persa come calore seguendo le leggi della termodinamica).

Molecole ad alto contenuto energetico

Altre molecole ad alto contenuto energetico (definiamo molecole ad alto contenuto energetico tutte quelle che hanno un contenuto energetico maggiore dell'ATP e quindi possono essere utilizzate per fosforilare ATP stesso) sono:

• Fosfocreatina: ha un delta G di idrolisi maggiore di quello dell'ATP perciò può spontaneamente trasferire un fosfato all'ATP stesso.
• 1,3-bisfosfoglicerato: il fosfato in posizione 3 è un fosfo-estere mentre quello in posizione 1 è una fosfo-anidride con energia comparabile al fosfato terminale dell'ATP.
• Fosfoenolpiruvato (PEP): quando viene staccato il fosfo-estere il composto diventa instabile e si trasforma in un tautomero che non può essere fosforilato (reazione irreversibile).

1,3-bisfosfoglicerato, fosfoenolpiruvato e fosfocreatina possono essere usati per fosforilare ADP ad ATP.

Se il catabolismo è ossidativo e l'anabolismo riduttivo, abbiamo bisogno di trasportatori di elettroni, che non possono ess...