Biochimica medica

Biochimica

Concetti di base del metabolismo

L’organismo è costantemente sotto attacco degli agenti ossidanti quindi reagisce

a questo insulto esterno attraverso la produzione di composti con potere

−,

riducente. Una sostanza si riduce quando acquista � mente una sostanza che si

−. −,

ossida cede � Alla fine il trasferimento di � quindi l’ossidarsi di certe sostanze

e il ridursi di altre, produce energia.

Gran parte delle macromolecole provengono dall’esterno, ma molte sono prodotte

dall’organismo. Ad esempio il glucosio viene convertito in qualcosa che si può

conservare, in particolare in gran parte in lipidi e anche in glicogeno. Esiste anche

turnover

un grosso di proteine. Le sorgenti di nutrimento prime per l’uomo sono

fondamentalmente i glucidi e i lipidi; le proteine un po’ meno per motivi

evoluzionistici, infatti producono meno energia.

Il metabolismo prevede la conversione di macromolecole e interscambio delle

strutture. Quasi tutte le macromolecole possono essere convertite in tutte le altre.

La biochimica si è evoluta per risparmiare energia quindi, anche se c’è un grande

numero di reazioni biochimiche, c’è un progetto comune che che sfrutta reazioni

comuni. Quindi cambiano le molecole ma il tipo di reazioni che avviene magari è

uguale in diversi tipi di vie biochimiche; usano substrati e prodotti diversi, ma il

meccanismo alla base è molto simile. Questo permette di risparmiare molto

materiale ma anche molta energia. Alcuni esempi di come la biochimica risparmi

energia sono:

Utilizzo come moneta energetica comune l’ATP, ossia l’adenosintrifosfato.

 Uso ripetuto di un numero limitato di intermedi chimici. Ad esempio

 l’ossalacetato, che è uno dei componenti principali del ciclo di di Krebs, in

caso di carenza di glucosio viene ritrasformato, quindi nella via della

gluconeogenesi, in glucosio.

Utilizzo di un piccolo numero di reazioni diverse. Ad esempio la

 fosforilazione di composti biochimici, ossia l’aggiunta di uno o più gruppi

fosforici a un composto, mediato da enzimi che si chiamano chinasi.

Esistono vari tipi di chinasi ma il meccanismo di funzionamento è sempre

quello. Allo stesso modo funziona la defosforilazione, compiuta invece da

defosforilasi (o defosfatasi) ossia enzimi che invece tolgono gruppi

fosforici.

Esistono molti enzimi che funzionano in maniera opposta perché la via di

biosintesi dei composti biochimici non deve mai essere attivata alla via di

degradazione degli stessi composti. Questo è dovuto al fatto che ci sarebbe un

grosso dispendio energetico. Questo meccanismo avviene ad esempio grazie al

fatto che alcuni enzimi vengono fosforilati, attivandosi, mentre altri vengono

defosforilati, disattivandosi.

Le sostanze nutrienti vengono degradate e riconvertite in altre molecole in

seguito a tutta una serie di reazioni che sono appunto le reazioni metaboliche.

La moneta di scambio energetico è l’adenosina trifosfato (ATP), ossia l’adenina

con tre gruppi fosfato, che collega le vie metaboliche. L’ATP, essendo una

molecola ricca di energia, associandosi a reazioni che non avverrebbero

spontaneamente, perché richiedono energia avendo un ∆� elevato, permettono

che queste reazioni avvengono. Infatti se una reazione sfavorita da un punto di

vista energetico si accoppia a una favorita, l’idrolisi di ATP, può avvenire. Quindi

l’ATP permette l’avvenimento di reazioni che o non avverrebbero spontaneamente

oppure avverrebbero molto lentamente (ogni circa 1.000 anni).

L’ossidazione dei nutrienti determina la sintesi di ATP. Quello che succede è che i

−

vari composti sono via via ossidati, quindi cedono � agli intermedi che li portano

alla catena della fosforilazione ossidativa che alla fine produce l’ATP. Quindi quello

−

che determina la produzione di ATP è il trasferimento di � dai nutrienti a delle

−

sostanze, soprattutto enzimi, che riescono a utilizzare questi � per produrre

l’ATP.Queste reazioni sono finemente regolate per impedire che le vie cataboliche,

cioè quelle di degradazione, e le vie anaboliche, quindi quelle di sintesi,

avvengano nello stesso tempo. Questa regolazione è determinata dalla presenza

dei nutrienti.In biochimica non c’è mai la situazione “tutto o niente”, quindi la

reazione completamente inibita o completamente attivata, infatti c’è sempre la

situazione in cui una via è prevalentemente attivata oppure prevalentemente

inibita. La regolazione di una via metabolica dipende anche dalla presenza degli

enzimi mediatori, se c’è una grossa quantità di enzima, la via da esso mediata

sarà più favorita, viceversa funzionerà di meno. Inoltre il meccanismo di

regolazione enzimatica è anche la regolazione da substrato oppure da prodotto

(feedback negativo). In genere l’abbondanza di prodotti inibisce l’attività

dell’enzima della via biochimica di quei prodotti. Se invece c’è tanto substrato

l’enzima viene attivato.

Quindi la regolazione può avvenire a vari livelli e quindi si può modulare

finemente l’attività enzimatica. Gli organismi biologici richiedono energia per:

Produrre lavoro meccanico (movimento).

 Trasporto attivo di sostanze (macromolecole, ioni, ecc…): le sostanze

 digerite con l’alimentazione, a seconda della loro natura chimica, possono

essere assorbite per via passiva (la situazione tipica del glucosio) o attiva

(nel caso dei lipidi).

Sintesi di macromolecole (lipidi, proteine, acidi nucleici, zuccheri).



Gli organismi fototrofi ricavano energia dalla luce solare, mentre quelli chemiotrofi

(tra cui l’uomo) ricavano l’energia dall’ossidazione dei prodotti dei fototrofi.Il

prodotto finale dell’ossidazione del glucosio, ma più in generale del catabolismo di

qualsiasi sostanza, è �� + � O + �������; in questa reazione l’� è il composto

2 2

2

−.

che riceve la catena degli � L’anidride carbonica e l’acqua vengono eliminati

dall’uomo.

Il metabolismo consiste in una serie di reazione interconnesse che iniziano con

una molecola e la convertono in un altre in modo molto accurato. Esistono vari tipi

di metabolismi:

Metabolismo dei carboidrati complessi, in particolare non la cellulosa in

 quanto l’uomo non ha gli enzimi per degradarlo, mentre può degradare il

glicogeno, in quanto è piuttosto instabile, ma soprattutto l’amido.

Metabolismo dei lipidi complessi, sia quelli assunti con la dieta che quelli

 trasformati.

Metabolismo degli acidi nucleici, RNA e DNA.

 Metabolismo dei cofattori e delle vitamine, infatti molte reazione per

 avvenire hanno bisogno di cofattori, ossia qualche sostanze che aiuti la

reazione (ad esempio la B e i folati).

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Metabolismo dei carboidrati semplici, principalmente il glucosio, ma anche il

 galattosio, il fruttosio, ecc…

Metabolismo dei lipidi, fondamentalmente acidi grassi a catena lunga o

 corta, piuttosto che colesterolo e suoi derivati.

Metabolismo di amminoacidi; esistono amminoacidi chetogenici, ossia che

 possono dare origine a composti chetonici, quindi fondamentalmente

lipidici, e altri che sono glicogenici, in quanto possono dare origine a

glucosio e i suoi derivati.

Metabolismo energetico, rappresentato soprattutto dalla fosforilazione

 ossidativa.

Metabolismo di altre sostanze.



Una reazione catabolica è una reazione che genera energia a partire dalle

sostanze nutrienti attraverso la loro degradazione. Ad esempio i carboidrati e i

lipidi vengono ossidati a ��

2, � O e energia; in particolare l’energia dipende dal

2

−.Una

trasferimento degli � reazione anabolica è una reazione che spesso richiede

energia, sotto forma soprattutto di ATP, a partire dalle sostanze nutrienti. Si parte

da molecole piccole per formare molecole più complesse (glucosio, proteine e

lipidi). Ad esempio il glucosio quando è presente in abbondanza viene conservato

sotto forma di glicogeno, ossia un polimero del glucosio, soprattutto a livello del

fegato. Alcune reazioni possono essere anaboliche o cataboliche a seconda delle

condizioni energetiche della cellula e vengono definite reazioni anfiboliche. Ad

esempio l’utilizzo dell’ossalacetato nel ciclo di Krebs è all’interno di una reazione

catabolica, mentre nella biosintesi del glucosio, quindi in una reazione anabolica.

Le vie biosintetiche, ossia anaboliche, e degradative, ossia cataboliche, sono quasi

sempre distinte per ragioni energetiche e di controllo del metabolismo. Ad

esempio nel caso del glucosio o avviene la glicolisi, ossia la degradazione del

glucosio, o la gluconeogenesi, ossia la sintesi del glucosio. Molte delle reazioni

biosintetiche sono reazioni che avvengono spontaneamente, quindi basta mettere

insieme i substrati e la reazione da i prodotti spontaneamente senza richiesta di

energia, anzi spesso avviene liberazione di energia. Esistono anche reazioni non

spontanee. La spontaneità di una reazione dipende dalla variazione di energia

libera, ∆�. [ ][ ]

C D

+

∆ G=∆ G° RTln [ ] [B]

A

dove � e � sono i prodotti, � e � sono i substrati; � è la costante dei gas, � è la

temperatura assoluta, ∆�° è la variazione di energia libera standard (cioè per

reagenti a concentrazione di 1 �).

Quando il ∆� < 0, le reazioni sono spontanee. Viceversa, quando una reazione

non è spontanea, si avrà un ∆� > 0. Queste reazioni però possono avvenire se

sono accoppiate ad un’altra reazione termodinamicamente favorita, ad esempio

l’idrolisi di ATP in ADP.Moltissime reazioni biochimiche sono reazioni accoppiate e

quasi sempre è l’ATP che cede l’energia, idrolizzandosi.

La caloria (���), o piccola caloria, è un’unità di misura dell’energia e viene definita

come l’energia necessaria per innalzare da 14,5 a 15,5 °� la temperatura di 1 � di

acqua distillata alla pressione di 1 ���. A livello biochimico ci si riferisce quasi

sempre alla grande caloria (�), o chilocaloria (����), che equivale a 1.000 ���.

L’ATP è un nucleotide composto da adenina, ribosio e un gruppo trifosfato. I

gruppi fosforici sono indicati con �, ossia il gruppo più vicino, �, ossia il gruppo

intermedio e �, ossia il gruppo più lontano. Quando l’ATP perde il gruppo fosforico

�, si forma l’adenosindifosfato (ADP), mentre quando l’ADP perde il gruppo

fosforico �, si forma l’adenosinmonofosfato (AMP).

Il livello energetico è maggiore per l’ATP, cala per l’ADP ed è ancora mento per

l’AMP. Normalmente succede che l’ATP venga idrolizzato ad ADP, mentre più

raramente può essere idrolizzato ad AMP. Quest’ultimo può essere utilizzato anche

per formare dei mediatori intermedi per le vie metaboliche, soprattutto nel AMP

ciclico (cAMP).Esistono anche altri nucleotidi alternativi all’ATP, ossia il CTP, il GTP,

UPT hanno una struttura uguale all’ATP, varia solo la base. Alcune reazioni

possono utilizzare questi nucleotidi alternativi, tuttavia l’ATP è la molecola

energetica più utilizzata.

L’ATP si idrolizza a ADP e ortofosfato (� ) oppure a AMP e pirofosfato (�� ) e si

� �

libera molta energia. Gli enzimi che catalizzano queste reazioni si chiamano

ATPasi. L’idrolisi dell’ATP a ADP ha un ∆�° = −30.5 ��; tuttavia a seconda del

ambiente, in realtà ∆� può variare. In particolare, dal momento che molte

1

reazioni nell’uomo avvengono in presenza di magnesio, ∆� è un po’ maggiore.

1

Invece l’idrolisi dell’ATP a AMP ha un ∆� = −45.6 ��.

2

Ci sono dei motivi di carattere fisico e chimico per cui l’ATP dona efficientemente

un gruppo fosforico, cioè perché è così favorita la scissione:

Stabilizzazione per risonanza: l’ortofosfato ha un numero di forme di

 risonanza superiore a quello del gruppo fosforico �, quindi è

−

energeticamente più stabile. Gli � di legame non sono fissi, ma esistono

−

delle possibili alternative. La possibilità di spostarsi degli � di legame fa sì

che la molecola sia più stabile perché riesce a modificarsi. Ecco perché il

gruppo fosfato quando viene rilasciato è piuttosto stabile. Quindi è favorita

la presenza del gruppo fosfato singolo e non collegato all’ATP.

Quando è collegato la struttura dal punto di vista elettronico diventa molto

più rigida e alla fine si vengono a formare delle cariche positive. Quindi non

solo questa struttura ha meno possibilità, anzi non è ha quasi, di cambiare

−

la posizione degli � di legame, quindi è molto più rigida, ma in più si

formano due atomi con cariche positive in vicinanza tra di loro.

Il fatto che ci siano queste due cariche positive crea una tensione repulsiva

all’interno della molecola. Quindi la struttura dell’ATP è molto meno stabile

dell’ADP più ortofosfato in quanto l’ATP contiene molta più energia.

Repulsione elettrostatica all’interno dell’ATP: la struttura è rigida quindi non

 riesce ad avere conformazioni alternative, in più si ha la formazione di

cariche parzialmente positive tra P e O che tendono a respingersi, inoltre

sono presenti tante cariche negative vicine.

Stabilizzazione dovuta all’idratazione: si legano più molecole d’acqua al

 fosfato e all’ADP che e all’ATP. L’acqua è anche un dipolo perché ha un polo

−

positivo e uno negativo dal momento gli � di legame sono spostati di più

verso l’ossigeno perché è più elettronegativo. Le molecole di ATP, ADP e

fosfato esistono all’interno di un ambiente acquoso perciò si ha

un’interazione con i poli positivi e negativi delle strutture e si ha una

riduzione dell’energia neutralizzando le cariche.

L’ATP è la molecola energetica più utilizzata, ma non l’unica. Ad esempio è

presente il fosfoenolpiruvato (PEP), ossia un intermedio della glicolisi, la

creatinfosfato e il 1,3 – bisfosfoglicerato (1,3BPG), anche questo è un intermedio

della glicolisi.

Si parla di “bifosfo-” quando una molecola ha due gruppi fosfati ma non

consecutivi, si parla di “difosfo-” quando una molecola ha due gruppi fosfati e

consecutivi.

Queste molecole hanno un potere di trasferimento del fosfato maggiore dell’ATP.

Grazie a questo maggior potere energetico, il fosfato che queste molecole

perdono è utilizzato per sintesi di ATP a partire da ADP. Infatti il primo meccanismo

di rigenerazione dell’ATP a livello muscolare è proprio la creatinfosfato che dona

un fosfato all’ADP creando un ATP. Il fosfoenolpiruvato in particolare è la molecola

più reattiva tra quelle elencate. Le molecole con minor potere energetico dell’ATP

non possono essere utilizzati per la sintesi di ATP. In realtà questo meccanismi di

rigenerazione di ATP a partire da molecole più energetiche avviene in quantità

percentuali piccole. Il meccanismo principale è quello catalizzato dall’ATP sintasi

che si trova a livello mitocondriale alla fine della catena respiratoria.

Quindi i meccanismi di rigenerazione dell’ATP:

Gradienti ionici (fosforilazione ossidativa): dal punto di vista quantitativo è il

 meccanismo più importante all’interno della rigenerazione dell’ATP.

Trasferimento di gruppi � da altri composti derivanti dall’ossidazione di

 �

mole carboniose carboniose all’ADP. Queste sono poco efficiente e

producono poco ATP.

I meccanismi che danno energia al muscolo sono:

Utilizzo dell’ATP presintetizzato, il quale però dura molto poco. Questo è

 dovuto al fatto che sia una molecola poco stabile, quindi esiste poco e viene

subito catabolizzato in ADP. Questo ATP dura pochi secondi.

Parte il meccanismo della creatinfosfato, la quale sta nei muscoli perché

 funge da riserva di energia. Ha un potere energetico superiore all’ATP,

quindi è utilizzata dal muscolo per rigenerare l’ATP che si è consumato nei

primissimi secondi. La creatinfosfato ha un suo picco e poi dura molto poco,

man mano che scende aumenta un po’ l’ATP.

Avviene il metabolismo aerobio, quindi si ha la glicolisi aerobia, si attiva il

 ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa, o anaerobio, quindi si ha la

glicolisi aerobia con produzione di acido lattico che si accumula nei muscoli.

La creatinfosfato, una volta diventata creatina, può essere rifosforilata, tornando

ad essere creatinfosfato oppure viene degradata a un prodotto intermedio,

chiamato creatinina, eliminato poi attraverso i reni.

L’ATP non è un deposito energetico per lunghi tempi, infatti l’ATP è consumato

entro un minuto dalla sua formazione perché è utilizzato per tutte funzioni

dell’organismo ed è poco stabile. L’organismo umano contiene in media 100 � di

ATP (0,18 ���). Un uomo a riposo in media ne consuma circa 40 �� in 24 ore, ma

con esercizio fisico intenso si può arrivare anche 0,5 ��/���.

Tutto il nostro metabolismo si basa su un equilibrio tra ATP e ADP con processi che

lo degradano (movimento, trasporto attivo, biosintesi, amplificazione del segnale)

e reazioni che ne favoriscono la sintesi (ossidazione delle molecole, ossidazione di

sostanze nutrienti, fotosintesi). Molte reazioni biochimiche sono legate dal

rapporto ATP