Biochimica Generale Mod.1 (Teoria Secondo Parziale)

Biochimica generale secondo parziale

Prof. Bonomi Francesco

Metabolismo

Con metabolismo, s’intendono tutte le reazioni che consentono alla cellula di svolgere due processi:

1. Catabolismo

Trasformazione di molecole complesse in molecole semplici al fine di ricavare composti altoenergetici. Trasforma, dunque, composti chimici in energia. Di maggior rilevanza, tra questi composti è l'ATP (adenosin tri fosfato):

• Nucleotide tri-fosfato, formato da una base azotata (adenina) e uno zucchero (ribosio).

La prima unione tra base azotata e zucchero genera:

• Nucloside: adenosina

La prima parte dell'ATP è l'adenosin mono fosfato (AMP), formato da una base azotata e da uno zucchero esterificato da una molecola di H₃PO₄ (acido fosforico) [generando così un legame fosfodiestere].

• AMP non è una molecola alto energetica perché non immagazzina né riceve energia.

Aggiungendo un fosfato, ottengo, ADP: adenosin di fosfato. Dotato di un legame anidridico, che la indirizza a rottura e la rende instabile. La sua idrolisi genera energia. È un composto alto-energetico. Aggiungendo un ulteriore legame anidridico, ottengo, infine, ATP. Sorgente energetica. Quando idrolizzo ATP otteniamo: ADP + ione fosfato. Entrambe sono carichi negativamente e generano repulsione. La variazione di energia libera della reazione di idrolisi è estremamente negativa in quanto essa è spostata verso l'ottenimento dei prodotti sopracitati. La reazione libera molta energia. ADP risulta più stabile dell'ATP per il fatto che i prodotti sono stabilizzati dalla risonanza e sono intrinsecamente più stabili.

• Tutte le volte che si formano composti con alto valore energetico si caratterizzano per:
  • Instabilità, in genere per motivi elettrostatici [a pH fisiologici la repulsione elettrostatica è la prima ragione di instabilità]
  • Molta energia

2. Anabolismo

Trasformazione di molecole semplici a dare molecole più complesse utilizzando energia. Questo processo ha una duplice funzionalità:

• Aumentare massa corporea
• Mantenere e/o costruire riserve

Catabolismo: composti chimici ⟶ energia
Anabolismo: composti semplici ⟶ composti complessi

I due meccanismi funzionano simultaneamente in modo da evitare cicli futili (ovvero dispersione di energia in calore senza apportare un lavoro netto al metabolismo).

Il concetto di reazione accoppiata e il ruolo di enzimi nelle reazioni accoppiate

Il concetto di reazioni accoppiate consente l’associazione di una reazione termodinamicamente difficile da svolgersi, ad una reazione termodinamicamente favorita, in modo tale da permetterne lo svolgimento di entrambe.

Condizioni importanti:

• Ugual sito attivo dell’enzima, ovvero lo stesso luogo fisico
• Simultaneità o quasi, della reazione

Enzimi coinvolti nella reazione:

1. Glucokinasi - Utilizza ATP per fosforilare il GLU.
2. Esokinasi - Utilizza ATP per fosforilare qualsiasi esoso.

Esistono due tipologie diverse di enzimi che compiono lo stesso lavoro per affinità di substrati.

• Glucokinasi: Funziona anche a basse concentrazioni di GLU.
• Esokinasi: Funziona solo ad alte concentrazioni di GLU oppure quando risulta necessario introduzione catabolica di zuccheri diversi dal GLU.

Esempio dove ciò si verifica è la reazione iniziale del metabolismo del glucosio. Il glucosio deve essere fosforilato. Viene trasformato in un estere fosforico. La reazione è svolta da un enzima. La reazione è sfavorita. Accoppio la reazione di idrolisi. Essa è termodinamicamente facile. Aumento così, la probabilità della fosforilazione. Una reazione termodinamicamente improbabile la rendo possibile, svolgendola sullo stesso catalizzatore e simultaneamente ad una altra reazione favorita.

ATP

L'adenosin-tri fosfato è un composto alto energetico. Definita la moneta energetica universale. Risulta essere un nucleotide formato da:

• Base azotata: adenina
• Zucchero pentoso: ribosio [adenina + ribosio = nucleoside]
• 3 gruppi fosfato

Il primo è esterificato sull’-OH in 5’ del ribosio. Gli altri sono legati tra loro con legame anidride.

I vari legami

1. Primo legame: AMP - Legame estere tra fosfato e ossidrile alcolico. Non è un composto altoenergetico perché non ha legami fosfoanidridici.
2. Secondo legame: ADP - Composto instabile. Esiste un enzima in grado di recuperare energia nell’ADP: adenilatokinasi che catalizza: 2 ADP ⟶ 1 ATP + 1 AMP.
3. Elevata energia chimica di idrolisi per:
   • Repulsione elettrostatica - Due cariche negative si respingono. Idrolisi è favorita perché ho una variazione di G negativa.
   • Stabilizzazione dei prodotti di risonanza - Dopo l’idrolisi la risonanza è maggiore.
4. Terzo legame: ATP - In più rispetto a ADP [ho maggiore energia dunque]. Contiene un legame fosfoanidrico. Posso stabilire la carica energetica di una cellula, CE, in base alla quantità di legami fosfoanidridici presenti. C.E. = [ADP] + 2 [ATP] / [ADP] + [AMP] + [ATP]

Glicolisi

Degradazione del GLU al fine di produrre energia. [reazione catabolica] GLU entra nella cellula con simporto. Etichettatura del GLU per contrassegnare il suo destino = demolizione per ottenere energia. Questa prima reazione è l’esterificazione: fosforilazione del GLU → Ottengo glucosio 6-fosfato. La reazione è termodinamicamente sfavorita. Risolvo il problema con accoppiamento della reazione con una termodinamicamente favorita: idrolisi di ATP → ATP ⟶ ADP + HPO₄.

Ottenuto G6P necessito di aggiunta di un altro fosfato in corrispondenza del C1, in modo da favorire la rottura. Problema: il C1 è un carbonio aldeidico e non alcolico, essendovi un ossigeno in prossimità. Necessario intervento di un enzima: fosfo-gluco-isomerasi. Compito: isomerizzare lo zucchero G6P in F6P [fruttosio-6-fosfato]. La reazione non comporta una grande variazione di energia perché è quasi all’equilibrio. Quello che avviene è: rottura di un legame acetalico al fine di formarne uno emi-acetalico.

Vantaggio:

Sul C1 non ho più C ossidato ma C alcolico. Reazione successiva: rifosforilazione del F6P. Grazie ad una seconda molecola di ADP e all’enzima fosfo-frutto-chinasi [PFK] otteniamo: fruttosio 1,6-difosfato [F1,6P]. A livello dell’enzima fosfo-frutto-chinasi [PFK] abbiamo il punto cruciale della regolazione della glicolisi. L’attività enzimatica della PFK è regolata allostericamente [regolazione di un enzima mediata da una molecola detta effettore] da:

1. ATP - Effettore negativo. Inibisce il suo funzionamento perché è segnale di benessere cellulare. La cellula non ha bisogno di ulteriore energia.
2. AMP - Effettore positivo. Stimola l’attività enzimatica, indicando che necessità di ATP.

Reazione successiva. Il F1,6P è diviso in 2 molecole distinte:

• Gliceraldeide 3 fosfato [GAP] - Aldeide formata da glicerolo.
• Diidrossiacetonfosfato [DHAP] - Chetoso precursore di alcune molecole come glicerolo. [posso farli reagire tra loro tramite condensazione aldolica ottenendo nuovamente F1,6P]

L’enzima che catalizza: aldolasi. [in provetta l’equilibrio è spostato verso la formazione del fruttosio mentre nella cellula quando vengono formati i due triosi vengono sottratti dall’equilibrio dalle reazioni successive]

Reazione successiva. I due triosi si possono interconvertire. L’enzima che catalizza la reazione è trioso-fosfato isomerasi.

Importanza GAP e DHAP

• DHAP è definito il precursore del glicerolo, di conseguenza genera tutto ciò intrinsecamente legato ai lipidi.
• GAP è importante per ottenere energia.

L’importanza dell’interconversione sta nel fatto che, seguire una via metabolica distinta per ognuna delle due molecole ottenute sarebbe energeticamente dispendioso. Inoltre, convertendo i due composti posso così trasformare la DHAP in GAP, l’enzima in grado di uniformare la via glicolitica. L'evoluzione della glicolisi ha selezionato il dispendo energetico sino ad ora: 2 ATP. Ricavo energetico fino ad ora: nessuno.

Reazione del GAP. Da GAP a acido 1,3 di-fosfo-glicerico [PGA]. Prendo l’aldeide, la ossido. Ottengo acido. Ossido il C aldeidico a C carbossilato. Fosforilo il carbossile. L’enzima coinvolto è la gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi. Per questa reazione necessito di:

• Fosfato inorganico
• NAD⁺ [ruberà due protoni e due elettroni diventando NADH]

NAD - Acronimo di nicotinamide-adenin-dinucleotide. Formato da: accoppiamento di 2 nucleotidi: 1 AMP + nucleotide legato da legame anidride. La parte reattiva della molecola è l’anello nicotinico. Interagisce con il substrato. Attrae lo ione idruro. Libera il protone, acidificando il mezzo in cui avviene la reazione. Il NAD⁺ diventa NADH [ovvero NAD ridotto]. È un cofattore [rende possibile l’attività catalitica dell’enzima]. L’organismo non è in grado di sintetizzare la parte attiva della molecola, quindi è necessario assumerlo con la dieta, in particolare il precursore è la vitamina B1. La famiglia dei cofattori piridinici esiste in 2 forme:

• NAD
• NADP [fosfato si lega al C2 dell’adenina // non fa parte della zona reattiva//]

Generalmente, gli enzimi che utilizzano NAD non funzionano con NADP e viceversa. Gli enzimi che utilizzano NAD, seguono le vie cataboliche. Gli enzimi che utilizzano NADP, seguono le vie anaboliche.

Continuando la glicolisi

Dal sito attivo dell’enzima, gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi [GAPDH], sporge:

• Una funzione tiolica di una cisteina
• Sito di legame per il NAD⁺

Essi, attraverso una serie di reazioni porteranno alla formazione di: 1,3 bi-fosfo-glicerato. Grazie alla nicotin amide, l’aldeide forma con la cisteina un legame tio-emi acetalico.

• Primo intermedio: Tioemiacetale - Instabile perché non stabilizzato dalla risonanza. Più acido. Il NAD⁺ ossidando il legame realizza un legame tioestere.

[La formazione di un legame tioestere rende possibile la fosforilazione a livello del substrato]

• Secondo intermedio: Tioestere - Alto-energetico.

Reazione successiva. Dal legame tio-estere, ricava energia con una: fosforolisi. Ottengo così: 1,3 bi-fosfo-glicerato. Subisce una fosforilazione a livello del substrato. Esso reagisce con un ADP. Ottengo:

• ATP
• Acido 3-fosfo-glicerico [3 PGA]

Siccome lavoro su un trioso, per ogni esoso, in questo passaggio ottengo: 2 ATP. L’enzima che catalizza è fosfoglicerato-chinasi.

Fosforilazione a livello del substrato

La fosforilazione a livello del substrato è un tipo di reazione chimica che genera una molecola di ATP attraverso un trasferimento diretto su una molecola di ADP di un gruppo fosfato proveniente da una molecola ad alta energia. Nella cellula, tale tipo di fosforilazione avviene nel citosol (dove avviene la glicolisi) e presso la matrice mitocondriale (dove avviene il ciclo di Krebs), in condizioni aerobiche ed anaerobiche. Durante la fase di recupero dell'energia della glicolisi, per ogni molecola di glucosio degradata quattro molecole di ATP sono prodotte attraverso fosforilazione a livello del substrato.

• Due molecole di 1,3-bisfosfoglicerato sono dapprima convertite in 3-fosfoglicerato, generando il trasferimento di un gruppo fosfato su due molecole di ADP.
• Due molecole di fosfoenolpiruvato sono dunque convertite a due di piruvato, con trasferimento concomitante dei gruppi fosfato su due ADP.

Nel ciclo dell'acido citrico viene fosforilata a livello del substrato una molecola di guanosintrifosfato (GTP), in grado di donare a sua volta un fosfato ad un ADP o ad un UDP per formare i rispettivi trifosfati (una reazione all'equilibrio catalizzata dall'enzima nucleosidefosfato chinasi). Tale fosforilazione è accoppiata alla conversione di succinil-CoA in succinato, catalizzata dall'enzima succinil-CoA sintetasi. La fosforilazione al livello del substrato è anche presente nel tessuto muscolare e cerebrale al lavoro. La fosfocreatina viene conservata come riserva immediatamente disponibile di energia: l'enzima creatinfosfatochinasi trasferisce infatti un fosfato dalla fosfocreatina all'ADP per produrre ATP.

Bilancio energetico dopo la prima fosforilazione:

• ATP prodotte: 2
• ATP consumate: 2

Dall’acido 3 fosfo-glicerico [3-PGA] applico un'operazione: mutasi, sposto il fosfato dal C3 al C2. Ottengo un lieve incremento di energia e ottengo 2-fosfo-glicerato o acido 2-fosfo-glicerico [2-PGA]. L’enzima è fosfo-glicero-mutasi.

Da acido 2-fosfo-glicerico [2-PGA] elimino una molecola di acqua e ottengo fosfoenolpiruvato [PEP]. L’enzima è enolasi. Introduce il doppio legame e crea funzioni enoliche. Il PEP è il composto più alto-energetico presente per i seguenti motivi:

• Ossidrilico e molto acido
• Forte stabilità del prodotto di idrolisi del piruvato. Rompendolo otteniamo la forma enolica del piruvato. Stabilizzato dalla tautomeria cheto-enolica. Di conseguenza, favorita è la separazione del fosfato dal piruvato.

L’ultima reazione. Fosforilazione a livello del substrato. Prendo il PEP e lo utilizzo per fosforilare ADP. Ottengo piruvato + ATP.

Problema

Da 1 molecola di GLU, ottengo:

• 2 molecole di piruvato
• 2 ATP avanzano
• 2 molecole di NADH

Sono un problema perché se non ossidate non permettono la produzione di altra ATP.

Due strategie disponibili:

1. In condizioni aerobiche

Disponibilità di ossigeno. L’ossigeno riossida il NADH a NAD⁺.

2. In condizioni anaerobiche

Non ho disponibilità di ossigeno. 2 vie fermentative:

1. Fermentazione lattica - Riduco il piruvato ad acido lattico. [la via omofermentativa produce da 1 molecola di GLU 2 molecole di acido lattico, rigenerando il NAD⁺]
2. Fermentazione alcolica - Piruvato subisce una decarbossilazione e si trasforma in acetaldeide. Essa viene ridotta utilizzando il surplus di NADH e si trasforma in etanolo. [grazie all’enzima alcol-deidrogenasi].

Nei soggetti alcol-sensibili, ho un alcol deidrogenasi molto attiva. Quando bevono, nel flusso ematico, si innalza il livello di acetaldeide, neurotossico. Il controllo della glicolisi avviene con due possibili modalità:

1. Inibizione degli enzimi dal prodotto della reazione (anche con semplice inibizione competitiva da prodotto)
2. Controllo a retroazione (feedback, allosterico) da parte dei prodotti finali di tutta la sequenza (ad es., ATP)

Degradazione dei disaccaridi

1. Amilosio

• GLU+GLU. Fonte nutritiva per gli lieviti. Viene utilizzato solo dopo l’idrolisi.
• Rottura: idrolisi. Maltosio + H₂O ⟶ GLU + GLU
• L’enzima che catalizza la reazione è la maltasi.

2. Saccarosio

• FRU+GLU.
• Rottura: 2 modalità:
  • Idrolisi, ad opera dell’enzima invertasi.
  • Fosforolisi, via utilizzata nel nostro fegato. Risparmio: 1 ATP. Mi permette di ottenere uno zucchero fosforilato. Motivo per il quale il saccarosio è più energetico del glucosio.

3. Lattosio

• GAL+GLU.
• Rottura: idrolisi. L’enzima è B-galattosidasi. L’enzima B-galattosidasi scinde il lattosio in galattosio e glucosio, con idrolisi del legame beta 1,4 galattosidico. L’assenza dell’enzima provoca l’intolleranza al lattosio. L’enzima è molto presente nei neonati e tende a scemare con la crescita. I sintomi di tale intolleranza sono:
  • Flatulenza
  • Vomito
  • Gonfiore

Nell’industria esiste il latte delattosato, a cui è stato aggiunto l’enzima B-galattosidasi al fine di scindere il legame.

GLU e GAL sono epimeri. [Diasteroisomeri che presentano una differente configurazione presso un solo stereocentro]. Quello che varia è l’ossidrile in C4.

Nota Bene: Il galattosio non può entrare nelle vie metaboliche, deve essere trasformato. Il successivo metabolismo del galattosio passa dalla sua attivazione a GAL1P [un P è trasferito da ATP al C1]. Il GAL1P viene successivamente contrassegnato a UDP GAL, scambiando l’UDP con una molecola di UDP-GLU, il prodotto della reazione tra GLU1P e UTP [con liberazione di pirofosfato]. Solo a questo punto può avvenire la conversione da UDP-GAL a UDP-GLU. GLU-1P che risulta dalla reazione di scambio può venir convertito in GLU-6P e avviato alla glicolisi. Reazione 1. Trasformo il GAL in GAL-1P. L’enzima che interviene è la galattochinasi. Dispendio energetico della reazione: 1 ATP. È l’estere di un emi-acetale: instabile.

Reazione 2. Il GAL-1P entra nei giochi il GLU-1P. GLU-1P deriva dall’isomerizzazione del GLU-6-P; Il GLU-1P è più stabile del GAL-1P perché è l’estere di una funzione alcolica. GLU-1P reagisce con UTP [uridin trifosfato]. Si forma: UDP-GLU.