Biochimica Parte 2

Bioenergetica

L'organismo vivente è caratterizzato dal fatto che la composizione chimica del nostro organismo è costante, ossia viene mantenuta nel tempo. Ma questo non vuol dire che non accada niente, nel senso che le molecole devono essere continuamente trasformate e ricambiate: basta pensare al fatto che ci sono centinaia di migliaia di molecole diverse che sono in continuo divenire.

Questa rete metabolica complicata non può essere lasciata al caso, ma deve essere controllata con meccanismi diversi e comunque poco noti. Fatto sta che la composizione chimica del nostro organismo rimane uguale grazie a questo equilibrio dinamico che risulta dalla regolazione delle vie metaboliche attuate per mantenere l'omeostasi dell'organismo.

Il metabolismo deve tenere conto di tutta una serie di equilibri presenti nell'ambiente. Gli organismi viventi si dividono in autotrofi, i quali traggono l'energia dalla radiazione solare (vegetali, organismi fotosintetici) che utilizzano la CO₂ per dare origine a prodotti organici che poi daranno origine a tutte le molecole che compongono il nostro organismo. Come primo prodotto abbiamo gli zuccheri dai quali derivano tutte le altre molecole. Vengono utilizzate dagli eterotrofi per produrre la CO₂.

Un altro equilibrio importante è quello dell'azoto, contenuto sotto forma di gruppi amminici negli organismi. Deriva dall'azoto atmosferico, il quale viene fissato dai batteri e piante e inserito negli amminoacidi che appunto deriva dagli zuccheri utilizzati per produrre la CO₂ e vengono trasformati in amminoacidi e inseriti negli organismi.

Il metabolismo

Il metabolismo viene suddiviso in due porzioni:

• Catabolismo è quell'insieme di reazioni di vie metaboliche, di trasformazioni chimiche che utilizzano i nutrienti che contengono energia (la quale è un'energia di legame trasformata in un'altra energia come carboidrati, lipidi e proteine) trasformati in prodotti terminali con poca energia e in molecole molto semplici. Trasformiamo macromolecole in acqua (prodotta a livello dell'ultimo complesso della catena respiratoria quando gli elettroni vengono trasferiti sull'ossigeno), CO₂ e NH₃. L'energia liberata viene trasformata in energia chimica come ATP, potere riducente che riforniscono la catena respiratoria e che quindi portano all'ATP, NADH, NADPH e FADH₂.
• Anabolismo è quell'insieme delle reazioni che a partire da molecole precursori danno origine a macromolecole che quindi non vengono solo introdotte coi nutrienti. Dagli amminoacidi avranno origine proteine ecc. Trasforma molecole a basso contenuto di energia libera in molecole ad alto contenuto di energia libera. Quindi dobbiamo fornire energia per fare questo che è quell'energia che abbiamo trasformato in ATP, NADH ecc., che ritornano allo stato di basso contenuto energetico in ADP + HPO₄^2-, NAD⁺, NADP⁺, FAD.

Le reazioni cataboliche sono convergenti, infatti abbiamo amminoacidi, acidi grassi, zuccheri ecc. che convergono catabolicamente verso un'unica molecola che è l'acetilcoenzima A. Le reazioni anaboliche dipartono dall'acetilcoenzima A verso la produzione di molecole distrutte dal catabolismo. Queste sono le vie endosintetiche. Vie anaboliche e cataboliche sono unite dal ciclo di Krebs che utilizza l'acetilcoenzima A per produrre energia, ossia rifornire la catena respiratoria.

Quando siamo quindi all'acetilcoenzima A esso può entrare nel ciclo di Krebs per produrre ATP oppure verso le vie endosintetiche e questo deve essere regolato in modo preciso.

Leggi della termodinamica

La costante di equilibrio di una reazione è una costante che nasce da una relazione in cui noi mettiamo a reagire delle molecole in concentrazione molare o millimolare uguale. Aspettiamo che la reazione vada all'equilibrio e andiamo a misurare la concentrazione dei vari intermedi. Se ΔG è negativo, C•D è minore di A•B.

Nella cellula cosa influisce su questo rapporto? Nella cellula può darsi che le concentrazioni dei vari reagenti non siano uguali tra tutti perché nella cellula la concentrazione è sottoposta all'equilibrio della rete metabolica e quindi in ogni istante questo rapporto cambia. Questo fa sì che reazioni misurate con la costante di equilibrio standard rendano impossibile misurare certe reazioni.

Negli organismi viventi tutte le reazioni sono catalizzate da enzimi. Ma se io, per esempio, metto glucosio-6-fosfato in acqua con glucosio-fosfatasi libero fosfato, ma se lo metto con ATP non accade niente. Allora, la condizione perché l'energia chimica presente nell'ATP possa essere utilizzata per far avvenire una reazione con ΔG positivo?

Se io ho A→B con un certo ΔG e poi ho B→C con un altro ΔG, io posso fare una media di questi ΔG solo se queste due reazioni hanno un intermedio comune che nell'esempio è B. Esempio: glucosio + Pi → glucosio-6-fosfato + H₂O ha un ΔG positivo, quindi non accade niente. Ma se io faccio una reazione del tipo ATP + H₂O → ADP + Pi ho ΔG negativo. Allora glucosio + ATP dà origine a glucosio-6-fosfato + ADP + H₂O. Questa può avvenire perché abbiamo due intermedi comuni nelle reazioni che compongono la reazione accoppiando le due reazioni: ossia il Pi e l'H₂O.

La rottura dei legami dell'ATP libera tanta energia libera perché i quattro fosfati carichi negativamente tendono a respingersi e quindi sono sottoposti a una grande forza che tende a spezzarli, quindi occorre una quantità di energia elevata. Questi legami per tenerli insieme è stato necessario caricarli di una grande quantità di energia.

Ci sono alcune molecole aventi un ΔG di idrolisi più negativo rispetto a quello dell'ATP, ma altre meno negative. L'ATP deriva essenzialmente dalla fosforilazione ossidativa della catena respiratoria del mitocondrio, ma una certa parte può essere prodotta dalla fosforilazione a livello del substrato che utilizza come donatore di substrato una molecola con ΔG di idrolisi più negativo dell'ATP: 1,3-bifosfoglicerato, fosfoenolpiruvato, fosfocreatina.

L'1,3-bifosfoglicerato viene idrolizzato in un acido 3-fosfoglicerico e poi ionizzato in un 3-fosfoglicerato stabilizzato per risonanza. Il fosfoenolpiruvato è un altro intermedio della glicolisi in cui il fosfato è in posizione 2. Ha ΔG di idrolisi molto negativo che stacca il fosfato formando il piruvato (forma enolica) e tautomerizzato (stabilizzato per risonanza) nel piruvato (forma chetonica). Quindi nella glicolisi ci sono due reazioni che formano ATP quando è necessario fornire energia in più.

La fosfocreatina deriva dalla fosforilazione della creatina. È utilizzata come integratore metabolico, ricostituente. È presente solo nel muscolo. Viene idrolizzata perdendo un fosfato formando la creatina e stabilizzato per risonanza. È una fonte energetica alternativa rispetto a quella del mitocondrio.

Le reazioni per avere un ΔG negativo sono le reazioni di ossido-riduzione. Quando noi trasformiamo l'energia libera dei nutrienti in ATP, dal punto di vista termodinamico le variazioni di energia libera sono relativamente modeste. Le reazioni di ossido-riduzione avvengono nella parte finale del metabolismo e non riguardano i prodotti delle reazioni metaboliche, ma nelle reazioni che portano alla riduzione di coenzimi i quali vengono riossidati donando i loro elettroni alla catena respiratoria che sarà responsabile della sintesi di ATP.

Quando gli elettroni passano da NAD a NADH c'è un salto di ossido-riduzione che corrisponde a un salto di energia libera.

Vie metaboliche

La via metabolica più comune è la glicolisi. Effetto Pasteur: una coltura cellulare in assenza di ossigeno consuma più glucosio rispetto a quando si trova in presenza di ossigeno. Se la glicolisi avviene in condizioni anaerobie non funziona la trasmissione di ATP nei mitocondri e conseguentemente vengono consumate più molecole di glucosio perché l'ATP che serve è rappresentata solo dalla glicolisi. Infatti, la glicolisi è l'unica via metabolica che produce ATP senza la presenza di ossigeno.

Un'altra cosa è che la glicolisi aerobia non accumula l'acido lattico, in condizione di anaerobiosi avviene la produzione di acido lattico. Gli uccelli migratori che volano per giorni hanno solo la glicolisi aerobia. La glicolisi anaerobia viene utilizzata dal centrometrista che fa 100 metri a mana ma non ne riesce a farne altrettanti altri 100. I coccodrilli sono animali aggressivi capaci di scatti devastanti! Ma devono concludere il loro attacco in pochi secondi perché finiscono la produzione di ATP.

Glicolisi

Il metabolismo glucidico è essenzialmente quello del glucosio, il quale non è lo stesso in tutti i tessuti. Nella maggior parte delle cellule, il glucosio arriva dal circolo sanguigno e per entrare nella cellula deve diventare glucosio-6-fosfato, il quale dà origine al piruvato tramite la glicolisi. Una parte di glucosio-6-fosfato va nel ciclo dei pentosi, ma per ora il prof non rompa il caso su altre cose.

Nella maggior parte delle cellule, le cose si fermano qui, ossia avviene solo la formazione di piruvato, il quale dà origine all'acetilcoenzima A entrando nel ciclo di Krebs. Altre cellule invece vedono l'entrata di glucosio che si trasforma in glucosio-6-fosfato, che dà origine al piruvato. In alternativa, il glucosio-6-fosfato invece dà origine al glicogeno oppure il glucosio-6-fosfato deriva dal glicogeno. Il glucosio che proviene dal glicogeno esce fosforilato con consumo inferiore di energia.

Se avessimo nella cellula il glicogeno e lo utilizza per se stessa, la cellula è muscolare. Nel fegato, però, abbiamo il fatto che il fegato fa uscire il glucosio-6-fosfato dalla cellula staccando il fosfato attraverso la glucosio-6-fosfatasi. Il glucosio esce per migrare in tutti i tessuti, specialmente per esempio nell'eritrocita che funziona solo con il glucosio e quindi dipende dalla glicolisi. Ma non solo questo, abbiamo anche la via inversa della glicolisi, ossia il glucosio-6-fosfato può essere prodotto dal piruvato: la via è chiamata gluconeogenesi, ossia produzione di glucosio da molecole non glucidiche.

I glucidi vengono trasformati in trigliceridi perché il metabolismo glucidico è in relazione con quello lipidico. Ecco la ragione per cui ingrassiamo!

Meccanismo della glicolisi

La fosfoesosio isomerasi prepara le reazioni successive di fosforilazione perché sul C1 abbiamo ora un OH alcolico. La fosfofruttochinasi 1 utilizza una molecola di ATP (la seconda fino ad ora) formando il fruttosio-1,6-difosfato. Queste sono le reazioni che preparano alla glicolisi. È il principale punto di regolazione della glicolisi, in cui si mettono in moto i meccanismi di controllo. Sarà molto attivo quando è necessario produrre ATP e poco quando ce n'è tanto. Quindi è un enzima allosterico ed è inibito da ATP.

La somma dei nucleotidi adeninici nella cellula è costante, quindi AMP + ADP + ATP è costante e più ATP ho meno AMP c'è e viceversa. Questo meccanismo allosterico è il modo con il quale la cellula si autoregola. Nell'uomo si sovrappone un controllo centrale: uno ormonale e uno nervoso. Esiste un controllo del glucagone (prodotto dal pancreas e antagonista dell'insulina), che mette in moto la sintesi del fruttosio-2,6-difosfato, che è un attivatore della glicolisi.

Anche la esochinasi viene controllata per esempio dal glucosio-6-fosfato (se ce n'è tanto la esochinasi viene rallentata). Ricordiamo che esistono diversi isoenzimi che lavorano come la esochinasi: nel fegato esistono due enzimi che fanno glucosio-6-fosfato, ossia la esochinasi e la glucochinasi. La differenza tra i due è che la Km della esochinasi è molto più bassa della glucochinasi e quindi la esochinasi ha una affinità per il glucosio molto maggiore rispetto alla glucochinasi, e a sua volta indica che per far funzionare la esochinasi bastano concentrazioni molto basse di glucosio che non sono in grado di far funzionare la glucochinasi. La esochinasi quindi funzionerà sempre, anche in periodi di digiuno fa entrare quel poco di zucchero e fa glucosio-6-fosfato; la glucochinasi funziona quando la concentrazione di glucosio si alza, ossia dopo aver mangiato. Quindi collabora con la esochinasi per smaltirlo e quindi abbassare la concentrazione di glucosio riportandolo a valori basali.

Ora dal fruttosio-1,6-difosfato abbiamo la reazione operata dalla CC-liasi chiamata aldolasi che rompe il legame tra il C3 e il C4 formando due molecole a 3 atomi di carbonio: diidrossiacetone fosfato e la gliceraldeide-3-fosfato. La glicolisi va avanti trasformando solo la gliceraldeide. Il trioso fosfato isomerasi trasforma il diidrossiacetone in gliceraldeide e viceversa, quindi immaginiamo che il diidrossiacetone sia una riserva di gliceraldeide (immaginiamo da un glucosio derivano due molecole di gliceraldeide). Il diidrossiacetone fosfato assomiglia molto al glicerofosfato che è il punto di partenza per la sintesi dei trigliceridi attraverso la ossido-riduzione. Trasformare i lipidi in glucidi invece è complesso.

La gliceraldeide-3-fosfato va incontro a una reazione che richiede l'intervento del NAD che si trasforma in NADH e anche del Pi (inorganico) per dare origine all'acido 1,3-difosfoglicerico che cedendo il P dà un contributo importante di energia libera. In questa reazione il gruppo aldeidico è stato ossidato a carbossile e per questo il NAD diventa NADH, ma a livello del carbossile è stato inserito del Pi e quindi la glicolisi ha creato un legame altamente energetico perché rompendolo si crea ATP, usando fosfato inorganico Pi.

Dalla trasformazione della gliceraldeide in 1,3-difosfoglicerato produciamo un ATP, ma dato che abbiamo di partenza due molecole di gliceraldeide avremo due molecole di ATP. Quindi abbiamo ancora la produzione di due molecole di ATP. Nel bilancio possiamo inserire anche due molecole di NADH che possono rifornire la catena respiratoria in opportune circostanze.

Queste sono le reazioni delle glicolisi aerobia ma anche anaerobia.

Destini metabolici del piruvato

Quando il muscolo è a riposo, abbiamo un'abbondanza di ossigeno e il piruvato va tutto quasi in acetilcoenzima A. Ma se siamo in condizioni di anaerobiosi interviene la glicolisi anaerobia che origina il lattato perché per far continuare la glicolisi anaerobia si ha bisogno di NADH che si può recuperare a partire dal piruvato, ossia riduciamo il piruvato col NADH producendo NAD. La produzione di lattato è un trucco per avere il NAD senza il quale non può compiere il suo intervento nella glicolisi anaerobia in condizioni di emergenza. Se non siamo in condizioni di emergenza il NADH rimane nel citosol.

Ma esistono sistemi navetta i quali consistono nel fatto che un coenzima ridotto come il NADH citosolico può essere utilizzato per ridurre (come nella navetta dell'ossalacetato) l'ossalacetato in malato che può essere trasportato nel mitocondrio che diventa di nuovo ossalacetato + NADH. Quindi il NADH non entra nel mitocondrio ma solo gli equivalenti riducenti. Quindi dai due NADH vengono prodotte sei molecole di ATP e poi boh....

La glicolisi ha bisogno che il glucosio sia reso disponibile per la cellula. Il tutto inizia con la digestione, che inizia dal momento che introduciamo il cibo in bocca tramite l'amilasi. Il glucosio quando viene assorbito dall'intestino va a finire nel circolo sanguigno e ricordiamo che è glucosio libero non fosforilato. Per essere utilizzato deve entrare nella cellula per la glicolisi oppure per formare glicogeno o amido.

Per entrare nelle cellule abbiamo un meccanismo insulino-dipendente (l'insulina è prodotta nel pancreas). L'insulina mette in atto i meccanismi determinando l'esposizione sulla membrana di trasportatori di glucosio (quando prevale il glucagone questi trasportatori sono raccolti in vescicole intracellulari). Quando arriva l'insulina essi vanno sulla membrana permettendo l'entrata di glucosio (GLUT4). L'insulina stimola la glicolisi ad utilizzare il glucosio. L'insulina legandosi al suo recettore mette in moto una serie di reazioni metaboliche molto importanti. A livello del tessuto adiposo l'insulina promuove il deposito di trigliceridi e quando manca, quindi prevale il glucagone, stimola la mobilizzazione (ossia i trigliceridi vengono scissi in acidi grassi e glicerolo perché la prevalenza di glucagone segnala la carenza di risorse di glucosio nella cellula e la cellula per difendersi mette a disposizione dei trigliceridi) dei trigliceridi.

Quando siamo sotto sforzo o non mangiamo da un po' è normale. Ma se la prevalenza del glucagone è perenne indica che i trigliceridi sono sempre mobilizzati formando corpi chetonici (acetoacetato, beta-idrossibutirrato) che sono acidi. Queste sostanze sono prodotte quando c'è troppa acetil coenzima A.

Anche altri zuccheri comunque sono utilizzati nella glicolisi. Il combustibile prevalente è il glucosio ovviamente, ma ci sono altri zuccheri utilizzati come il fruttosio (lo troviamo nel Gatorade per esempio) e può intraprendere due vie: una via poco percorsa è che il fruttosio ad opera della esochinasi viene trasformato in fruttosio-6-fosfato e da qui le cose vanno come la glicolisi. Ma la esochinasi è poco affine nei confronti del fruttosio e quindi esso viene prevalentemente utilizzato attraverso una fruttochinasi che fosforila il fruttosio in C1 dando origine al fruttosio-1-fosfato. L'aldolasi scinde esso in diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide (non fosforilata come la glicolisi). Ad opera della triosiochinasi diventa gliceraldeide-3-fosfato. Facendo così salta il punto di regolazione della glicolisi: la fosfofruttochinasi (enzima controllato dall'insulina, glucagone che dice quando c'è tanto glucosio viene diminuita l'entrata di glucosio nella cellula).