Biochimica metabolica

BIOCHIMICA METABOLICA

(Prof. Angela M. Rizzo) 28.09.2020

La biochimica studia le biomolecole nelle cellule e le reazioni chimiche a cui queste vanno incontro.

Essa è di fondamentale importanza non sono per comprendere la patologia, ma anche per capire come

organismo sano, per esempio con una dieta appropriata

mantenere lo stato di salute in un

piuttosto che con integratori alimentari.

l’obiettivo della biochimica metabolica è la comprensione della logica molecolare alla base della vita e

à

dello stato di salute di un organismo. Quindi, è importante capire quali sono processi metabolici che

coinvolgono le biomolecole e la loro regolazione, perché una via metabolica può essere perfettamente

funzionante in un certo momento della giornata mentre in altri è rallentata o bloccata. A proposito di

questo si possono introdurre farmaci che sono induttori o inibitori di una determinata via metabolica,

Nella biochimica metabolica di fondamentale importanza è la bioenergetica mitocondriale perché tutte

le volte che si fa una via catabolica si produce ATP a livello della catena respiratoria e della

fosforilazione ossidativa.

Differenziazione metabolica e funzionale degli organi:

- Cervello: svolge funzioni essenziali per l’organismo e ha un metabolismo peculiare dipendente

dal metabolismo del resto del nostro organismo. Il cervello utilizza prevalentemente il glucosio

quindi tutto l’organismo, in particolare il fegato, lavora per mantenere una [glucosio] costante

in modo tale che i neuroni non soffrano di carenze di glucosio

- Sistema linfatico: lipidi quando vengono digeriti e distribuiti all’organismo passano per il

sistema linfatico perché non possono essere solubilizzati direttamente nel plasma

- Intestino: consente di assorbire nutrienti, ma governa anche il sistema immunitario grazie al

microbiota intestinale.

- Sistema portale: sistema che porta il sangue refluo dall’intestino al fegato, ma anche arterie e

vene che portano il sangue dal fegato al resto dell’organismo o viceversa

- Fegato: centrale metabolica del nostro organismo. Qualsiasi via metabolica citata la si torva

espressa negli epatociti, per questo il fegato è la centrale metabolica. Infatti, metabolizza lipidi,

proteine, carboidrati, amminoacidi, sintetizza e distribuisce molecole come il glucosio, i corpi

chetonici e le proteine plasmatiche. Il fegato è importante anche per a sua funzione

detossificante, infatti purifica l’organismo dall’N, ma anche da tutte le molecole endogeno che

sono da eliminare e molecole esogeno (xenobiotici)che devono anch’essi essere eliminati

- Organi endocrini: come il pancreas, le ghiandole surrenali, l’ipotalamo

- Tessuto adiposo: non solo come tessuto che deposita e rilascia lipidi, ma è anche un organo

metabolico

- Muscolo scheletrico: utilizza ATP per fare un certo lavoro meccanico

Ogni organo ha la sua differenziazione metabolica e funzionale e tutti gli organi contribuiscono alla

à

fisiologia dell’organismo attraverso un sistema di comunicazione che è principalmente correlato al

sistema ormonale

Metabolismo: insieme di reazioni chimiche che avvengono all’interno degli organismi viventi e che

consente all’organismo di acquisire energia dall’ambiente esterno per poterla utilizzare per la loro

funzione. Il metabolismo prevede:

- Fase esoergonica: consente di ottenere energia dai nutrienti perché rilasciano energia

- Fase endoergonica: processi che richiedono energia come per esempi la biosintesi di molecole o

il trasporto attivo di membrana 1

All’interno del nostro organismo reazioni endoergoniche ed esoergoniche devono avvenire in modo

accoppiato, per questo il metabolismo deve essere altamente coordinato. Questo avviene grazie ad

enzimi o complessi multienizmatici, cioè proteine che si associano insieme per fare diverse reazioni

contemporaneamente, perché tale associazione consente di ottenere energia chimica dall’ambiente

tramite degradazione dei nutrienti e convertire tale energia in biomolecole caratteristiche della cellula

oppure per fare l’anabolismo cioè il lavoro cellulare come la sintesi di molecole caratteristiche della

cellula (es: lipidi, messaggeri, pigmenti)

Quindi il metabolismo è diviso in due grossi parti:

- Catabolismo: vie metaboliche che degradano le sostanze organiche complesse, liberando

energia. Quindi, il catabolismo è caratterizzato da reazioni che rilasciano energia

- Anabolismo: vie metaboliche che vedono la sintesi di sostanze organiche complesse e per questo

consuma energia; solitamente agli enzimi utilizzati nella fase anabolica sono della classe 6 cioè

le sintetasi

fase catabolica e anabolica devono essere accoppiate

à

Le vie metaboliche, siano esse anaboliche o cataboliche, hanno caratteristiche comuni:

1. Le reazioni sono quasi sempre catalizzate da enzimi i quali sono più o meno specifici per cui uno

stesso enzima può lavorare su una molecola che è leggermente diversa da un’altra

2. Quasi tutte le vie metaboliche sono irreversibili e solitamente c’è almeno una reazione

fortemente esoergonica ed è proprio questa a rendere la via irreversibile. È la reazione

fortemente esoergonica, che solitamente è una delle prime reazioni della via, che dà direzione

DG

alla via metabolica stessa, mentre le altre reazioni sono reversibili o hanno un vicino allo

zero

molto importante individuare qual è la prima reazione fortemente esoergonica perché è

à

questo “interruttore” della via metabolica, ma è anche il punto di regolazione della via

metabolica stessa

3. La velocità delle diverse reazioni in una via metabolica è uguale alla concentrazione degli

intermedi ed è costante. Quindi, le vie metaboliche lavorano allo stato stazionario

4. Vie cataboliche e anaboliche devono essere diverse, per esempio ci deve essere una via

metabolica che consente di degradare il glucosio e una via metabolica che consente di

sintetizzarlo. Queste due vie devono essere diverse ed indipendenti almeno per runa reazione e

NON devono avvenire mai contemporaneamente

se le vie anaboliche e cataboliche su una stessa molecola non fossero separate si avrebbe un

à

ciclo futile che non consentirebbe di avere un vantaggio per l’organismo e al tempo stesso

farebbe sprecare energie.

Inoltre, non è possibile recuperare completamente l’energia da una reazione, infatti circa il

60% è perso sotto forma di calore quindi se si sintetizza una molecola mentre la si sta

demolendo NON si aumenta la concentrazione della molecola e si consumerebbe solo energia.

5. Spesso le vie metaboliche sono regolate in modo antitetico: è possibile attivare la via anabolica

e spegnere la via catabolica o viceversa, ma ci deve essere un interruttore univoco per le due vie

metaboliche. In altro caso le due vie metaboliche avvengono in due compartimenti differenti,

infatti alcune vie anaboliche sono citosoliche e le vie cataboliche corrispondenti sono

mitocondriali

à catabolismo e anabolismo NON avvengono mai contemporaneamente, tutte le vie sono

regolate e generalmente la regolazione avviene sulla via prima reazione esoergonica (rate-limiting)

Le reazioni esoergoniche ricavano energia dai nutrienti o da molecole depositate nel

nostro organismo, le degradano, rilasciando energia.

Le vie anaboliche sono reazioni endoergoniche e tendono a sintetizzare nuove

biomolecole o fare un lavoro cellulare/meccanico/osmotico.

Tra le due vie vi sono delle molecole che trasferiscono l’energia, cioè molecole

altamente energetiche sintetizzate durante il catabolismo sfruttando l’energia

rilasciata da reazioni esoergoniche e vengono consumate durante l’anabolismo

2

cedendo la propria energia a reazioni endoergoniche. È grazie alle molecole altamente energetiche che

si riesce ad accoppiare fase endoergonica e fase esoergonica

DG DG Dg DG<0

Il di una reazione si calcola tramite la differenza di prodotti e reagenti. Se il la reazione

DH>0

avviene spontaneamente ed è definita esoergonica, se la reazione NON avviene spontaneamente

DG=0

ed è endoergonica mentre se la reazione è all’equilibrio

DG

il serve per definire la spontaneità della reazione e quindi se essa è esoergonica o endoergonica.

à

Una reazione endoergonica può essere accoppiata a una reazione esoergonica in modo tale che questa

rilasci un’energia maggiore rispetto a quella richiesta dalla reazione endoergonica stessa perché in

parte tale energia è persa sotto forma di calore.

Esempio biochimico: il glucosio che deve essere trasformato in glucosio 6 fosfato deve interagire con un

P inorganico formando un legame estereo tra OH in 6 del glucosio e il P. Per poter far avvenire tale

reazione endoergonica bisogna accoppiarla alla rottura altamente energetica dell’ATP.

reazioni cataboliche e anaboliche sono accoppiate grazie a molecole altamente energetiche che

à

trasferiscono l’energia ottenuta da reazioni esoergoniche a reazioni endoergoniche

ATP

L’ è un nucleotide trifosfato formato da un’adenina legata ad uno

b

zucchero, il ribosio, tramite un legame N -glicosidico a cui all’OH in 5’ si

legano 3 fosfati. Il Pa è legato con un legame estereo all’OH del ribosio, Pa e

Pb sono legati con legame anidritico così come il Pb e Pg.

L’idrolisi dei legami fosfoanidridici rilascia energia e tutte le molecole che

rilasciano un’energia uguale o maggiore in valore assoluto a 7,3Kcal/mol

sono considerate molecole altamente energetiche

L’ATP è una molecola che non è stabile a causa delle numerose cariche negative quindi nelle nostre

2-

cellule vi è il magnesio che coordina due cariche negative formando ATP contribuendo così alla sua

stabilizzazione. La stessa cosa succede anche quando si forma ADP che coordinata con il magnesio

rimane solo con una carica negativa.

La reazione di idrolisi vede l’attacco nucleofilo di una molecola

d’acqua al fosfato Pg dell’ATP con rottura contemporanea del legame

Pg-Pb e rilascio di -7,3 Kcal/mol.

Un’altra molecola altamente energetica è al fosfocreatina e questa è molto importante sia per il

muscolo che per i neuroni. L’idrolisi del legame della fosfocreatina rilascia in valore assoluto un’energia

più alta rispetto a quella dell’ATP, quindi tramite la fosfocreatina è possibile sintetizzare nuova ATP

perché questa può rilasciare un P ad un ADP. Tale reazione avviene dalla creatina chinasi, un isoenzima

espresso molto nei muscoli, compreso il cuore, e nei neuroni.

Un’altra molecola altamente energetica è il fosfoenolpiruvato, che è la molecola più energetica DG

all’interno della nostra cellula, infatti vale circa -62KJ/mol e infine l’1,3-bifosfoglicerato che ha un

d’idrolisi di -49,3KJ/mol. DG

Infine, anche i tioesteri sono molecole ad alta energia, ma presentano un molto simile a quello

dell’ATP quindi non possono essere utilizzati per la sua sintesi

DG D

Il a cui ci si riferisce è il G in condizioni standard biochimico, ma queste non sono le condizioni

DG

reali che si verificano all’interno delle cellule, quindi una reazione che ha un negativo e irreversibile,

in condizioni reali, valutando le concentrazioni reali dei substrati e prodotti, può essere una reazione

reversibile.

Esempio: in condizioni reali si ottiene che l’idrolisi del legame dell’ATP nel globulo rosso è di -

51,8KJ/mol, quindi il globulo rosso pur avendo meno ATP rispetto al muscolo o all’epatocita e tenendo

conto che gli eritrociti NON hanno il mitocondrio e quindi non possono fare la fosforilazione

ossidativa, possiedono una molecola, cioè l’ATP, che in condizioni reali vale molto di più.

Tutte le molecole fosforilate, che hanno un P altamente energetico il cui legame in valore assoluto è

uguale o maggiore all’ATP possono essere utilizzati per sintetizzare ATP al di fuori della fosforilazione 3

ossidativa, tramite reazioni che sono dette fosforilazioni a livello del substrato. Infatti, si può

prendere il P dalla fosfocreatina e sintetizzare, dall’ADP, nuovo ATP e allo stesso modo anche con il

fosfoenolpiruvato e l’1,3-bifosfoglicerato. Tuttavia, vi sono anche altri composti fosforilati che hanno

solitamente un legame di natura esterea con un’energia di idrolisi molto inferiore rispetto a quella

dell’ATP che NON possono essere utilizzati per sintetizzare nuove molecole perché l’energia viene

persa sotto forma di calore e quindi si parla di composti a bassa energia.

Come si può utilizzare l’ATP?

Vi sono diversi modi per sfruttare l’ATP, ma solitamente nelle reazioni accoppiate si ha un ossigeno che

funziona da nucleofilo ed esso può essere un O di una col, piuttosto che di un acido, di un emiacetale

ecc.. g

- L’O nucleofilo può fare un attacco nucleofilo sul P ottenendo il trasferimento del gruppo

fosforico sul substrato, che viene fosforilato, e si libera ADP.

b

- L’O nucleofilo può fare un attacco nucleofilo sul P , quindi sul substrato si trasferiscono due

fosfati, cioè un pirofosfato (trasferimento del gruppo pirofosforico) liberando AMP

a

- L’O nucleofilo può fare un attacco sul P rompendo comunque un legame altamente

energetico, perdendo pirofosfato e trasferendo il nucleotide mono-fosfato

- -

La sintesi dei polinucleotidi operata dalle polimerasi sfrutta una molecola altamente energetica che

non è per forza un ATP ma è un qualsiasi nucleotide trifosfato. Infatti, per esempio quando

sintetizziamo proteine usiamo il GTP, quando avviene la polimerizzazione dei carboidrati si usa UTP

mentre quando si sintetizzano lipidi si usa CTP. Quindi, quando si sintetizza RNA o DNA si utilizzano

tutti i nucleotidi in base alla regola di appaiamento e le polimerasi sfruttano la reazione c perché l’O fa

un attacco nucleofilo sul Pa rompendo il legame altamente energetico, liberando pirofosfato che viene

idrolizzato da una pirofosfatsi, attaccando un nucleotide mono-fosfato.

Le reazioni endoergoniche e esoergoniche sono accoppiate nelle vie metaboliche. Quindi, le vie

metaboliche sono un insieme di reazioni che partono da un substrato e arrivano a un prodotto, ma tali

vie possono essere organizzate in reazioni che sono disposte in modo diverso. Infatti, si hanno reazioni:

- Lineare: come per esempio nella glicolisi

- Cicliche: il prodotto terminale della reazione è uguale a uno dei substrati di partenza, come per

esempio il ciclo di Krebs

Alcune vie metaboliche possono avvenire contemporaneamente, ma vie cataboliche e anaboliche

à

sullo stesso metabolita non avvengono mai contemporaneamente perché si vogliono evitare cicli futili.

Inoltre, alcune vie metaboliche possono avere degli intermedi in comune, infatti per esempio la glicolisi

è correlata al ciclo degli acidi bicarbossilici o alla sintesi di altri carboidrati modificati.

Le reazioni delle vie metaboliche possono esser epoche, oppure tante, e sono indicate con delle frecce:

- Freccia unica da substrato a prodotto: in condizioni standard e reali al reazione è

IRREVERISBILE, quindi è una reazione fortemente esoergonica

4 - Doppia freccia: lo stesso enzima può trasformare un substrato in prodotto e viceversa. Spesso

DG

le reazioni reversibili lavorano con un simile allo zero e la trasformazione del substrato in

prodotto o da prodotto in substrato dipende dalle concentrazioni. Infatti, con tanto substrato

la reazione è spostata verso la formazione dei prodotti, mentre se si ha accumulo di prodotto

questo si trasforma in substrato.

- Due frecce piegate: indicano che si può catalizzare la trasformazione del substrato in prodotto

e viceversa ma queste sono catalizzate da due enzimi diversi. Generalmente questo avviene su

reazioni irreversibili

Perché le vie metaboliche vedono la trasformazione del substrato in prodotto finale attraverso una serie di

reazioni?

Durante l’evoluzione vi sono stati diversi motivi che hanno favorito la suddivisione delle reazioni che

servono a trasformare un substrato in prodotto tramite vari step. Infatti:

a) Si ha una trasformazione graduale del substrato in un prodotto finale e questo ha notevoli

vantaggi. Infatti, dà la possibilità di ottenere metaboliti intermedi che possono avere altre

funzioni biologiche all’interno della cellule.

Esempio: nella glicolisi, dalla gliceraldeide 3 fosfato l’diidrossiaceone che serve a formare il

glicerolo 3 fosfato necessario alla sintesi dei glicerolipidi

più reazioni si hanno più si ha formazione di intermedi utili ad altre vie metaboliche

à

b) Permette di controllare i processi in modo più fine: se vi sono variazione energetiche è meglio

che questa venga liberata in piccole aliquote e questo permette di recuperare l’energia durante

la reazione e di sintetizzare ATP durante la glicolisi

c) Permette di controllare meglio ogni singola reazione perché le reazioni reversibili possono

essere controllate per l’azione di massa, mentre le reazioni irreversibili attraverso un controllo

specifico che può essere rapido, di lunga durata o con diversi meccanismi molecolari

l’organizzazione della via metabolica in questo modo aumenta l’efficienza della via metabolica

à

stessa, consentendo una flessibilità (formazione di intermedi), la possibilità di regolare i processi a

seconda delle necessità della cellula e dell’organismo e consente di catturare in modo più efficiente

l’energia e in alcuni casi è possibile produrre più energia rispetto al rilascio unico perché è più difficile

catturarla tutta contemporaneamente.

Le reazioni chimiche più comuni possono essere racchiuse in 5 categorie principali:

1. Reazioni che formano o spezzano un legame C-C

2. Riarrangiamento molecolari interni com