Biochimica - parte 2 di 2

Metabolismo

L’organismo è un sistema chiuso, in grado di scambiare sostanze con l’ambiente. L’organismo agisce in modo antientropico, cioè scinde sostanze molto energetiche riordinandole. Il metabolismo si divide in catabolismo e anabolismo; il primo è la fase che l’organismo usa per sfruttare l’energia chimica fissata nelle molecole, scindendole e ordinandole. L’ATP è la molecola deputata all’immagazzinamento di energia che deriva dalla trasformazione dei nutrienti che utilizziamo. In realtà non è solo l’ATP, poiché durante il catabolismo, l’organismo si carica di un potere riducente che viene sfruttato per creare molecole utili per la sopravvivenza, l’anabolismo (per esempio nucleotidi, fosfolipidi, amminoacidi non essenziali, acidi grassi…).

Ogni via metabolica è relazionata con un’altra, in modo da avere maggiore possibilità di regolazione. Le relazione di anabolismo e metabolismo deve essere in perfetto equilibrio e non devono interferire tra loro. Per fare ciò i nutrienti vengono trasformati in fase catabolica in acqua, anidride carbonica e ammoniaca, e nella via anabolica vengono ricostituite le molecole fondamentali per ricostruire ancora molecole più complesse: proteine (enzimatiche e di trasporto), polisaccaridi (come il glicogeno per l’accumulo di energia o carboidrati di modificazione post traduzionale come quelli di membrana), i lipidi (di accumulo o di modificazione), gli acidi nucleici (costituiti da basi azotate, uno zucchero e un fosfato, sintetizzate con opportune vie).

Il catabolismo che procede dalle macromolecole verso acqua, CO₂ e ammoniaca è un procedimento ossidativo mentre l’anabolismo è riduttivo e sono due procedimenti contemporanei. Possono essere regolati dai ritmi circadiani, regolati dalla luce e dal buio, quindi dalla veglia e dal sonno.

Esempio di ciclo metabolico: glicolisi

La glicolisi è un procedimento che porta il glucosio a trasformarsi in piruvato, che a sua volta si trasformerà in acetilcoenzima A che entrerà a far parte del ciclo di Krebs. Questi due cicli sono contemporanei, e in generale per una via catabolica che parte da un composto A ed arriva ad un prodotto P, o una via anabolica che da un prodotto di degradazione arriva a molecole superiori, spesso gli enzimi dei due pathway sono diversi, per esempio glicogenosintasi per la sintesi del glicogeno e glicogenofosforilasi per la degradazione, e questi enzimi sono regolati da stimoli che attivano un enzima, inattivando l’altro. Un’altra via di regolazione è data da un feedback negativo di un prodotto non verso l’enzima che lo produce direttamente ma su enzimi all’origine della via metabolica in modo che essa non venga comunque innescata.

Una forma di controllo delle vie metaboliche è quella della compartimentalizazione. In genere le vie degradative avvengono nell’intorno dei mitocondri nei quali è presente la catena di elettroni, e l’ossidazione maggiore avviene in presenza di ossigeno con la degradazione dei composti carboniosi in acqua e anidride carbonica. I metabolismi quindi più energetici avvengono nei mitocondri che hanno NAD e FAD pronti per il trasporto di elettroni. Le vie anaboliche invece avvengono nel citosol. Queste vie sono caratterizzate dalla presenza del NADPH che viene sintetizzato nella via dei pentosofosfati e viene riutilizzato nelle vie biosintetiche.

Glicolisi anaerobica

La glicolisi è una via che porta il glucosio a trasformarsi in piruvato, producendo al netto due molecole di ATP e due di NAD (nicotinadenindinucleotideridotto). È importante poiché il cervello metabolizza solo glucosio. È una via metabolica composta di dieci reazioni divise in 2 fasi:

• Fase di investimento energetico: È la fase preparatoria di un esoso, il glucosio, che è fosforilato e scisso in due triosi, gliceraldeide-3-fosfato. Il processo consuma due ATP.
• Fase di recupero energetico: Le due molecole di triosio formate sono convertite in piruvato con contemporanea produzione di 4 molecole di ATP. Questa è l’unica reazione catabolica che avviene nel citosol poiché avviene anche negli organismi anaerobici, quindi che non hanno mitocondri.

La reazione globale della via metabolica è: Glucosio + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 P_i → 2 piruvato + 2 NADH + 2 ATP + 2 H₂O + 4 H⁺

Meccanismo della glicolisi

1) Il glucosio entra nella cellula in modo facilitato essendo una molecola neutra e, una volta entrato, è fosforilato per impedirne l’uscita. La via glicolitica avviene nel citosol. La fosforilazione avviene per mezzo di esochinasi, una classe di enzimi che sfrutta ATP per fosforilare. Le esochinasi sono enzimi non specifici per il glucosio, bensì hanno azione su tutte le molecole esose. Cofattore fondamentale nelle reazioni caratterizzate da utilizzo di ATP è il Mg²⁺, che complessa la molecola energetica che altrimenti competerebbe per l’inibizione dell’enzima. Inoltre questo catione può schermare due cariche negative di fosfati dell’ATP rendendo il fosfato restante più accessibile all’attacco nucleofilo del glucosio. L’esochinasi è un enzima che agisce con adattamento indotto, cioè si adatta al substrato inglobato chiudendosi ed escludendo l’acqua dal sito attivo impedendo l’idrolizzazione dell’ATP. Questo enzima è presente in una certa varietà d’isoenzimi, cioè che catalizza la stessa reazione in varie forme secondo il substrato e la sede in cui agisce. La fosforilazione del glucosio in posizione 6 è il punto di partenza anche di altre vie metaboliche importanti come la formazione del glicogeno, via dei pentosofosfati che porta alla formazione di ribosio e deossiribosio. L’esochinasi è regolato allostericamente tramite ATP e tramite inibizione da substrato, da parte di una grande abbondanza di glucosio-6-fosfato.

Uno dei valori più importanti nell’organismo è la glicemia, cioè la quantità di glucosio nel sangue. Nel fegato è presente un enzima chiamato glucochinasi che catalizza la stessa reazione dell’esochinasi ma è specifico per il glucosio. Questo enzima però non è inibito da prodotto e quindi il fegato continuerà a fosforilare tutto il glucosio che entra. La glucochinasi, quindi, è attivata solo se presenti grandi quantità di glucosio nel sangue e il valore che varierà rispetto all’esochinasi è la K_m, che sarà notevolmente più alta (10^-2 rispetto a 10^-6 - 10^-4 m dell’esochinasi), poiché per attivarla serve molto glucosio. Un regolatore di questo enzima è l’insulina che agisce regolando la sintesi di questo enzima e quindi la sua quantità.

2) Il secondo step della glicolisi consiste nella conversione del glucosio-6-fosfato in fruttosio-6-fosfato, perché è necessario andare successivamente a fosforilare un altro residuo alcolico e perché la scissione di un chetoso, che avverrà dopo, è più facile rispetto a quella di un aldoso. Questa reazione di isomerizzazione è una catalisi acido-basica tramite l’enzima fosfoglucosio isomerasi in cui un gruppo acido che serve per l’apertura dell’anello, un intermedio cis-enediolato, e la chiusura dell’anello. Quindi tale reazione avviene in 5 fasi:

• L’enzima si lega al substrato.
• Un gruppo acido dell’enzima, probabilmente una Lys, catalizza l’apertura dell’anello.
• Una base, probabilmente una His, asporta il protone acido dal C2, formando il cis-enediolato.
• Il protone è ricollocato sul C1 tramite una reazione generale di trasferimento protonico.
• L’anello si richiude per formare il prodotto, rilasciato in seguito.

3) Il terzo passaggio consiste nella sintesi del fruttosio-1,6-bisfosfato tramite la fosfofruttochinasi ed è la vera reazione di regolazione del ciclo metabolico. La fosfofruttochinasi (PKF) è un enzima tetramerico avente le conformazioni T e R in equilibrio tra loro. L’ATP si comporta sia da substrato sia da inibitore allosterico. Infatti, la PKF presenta due siti di legami per l’ATP: uno è il sito del substrato e l’altro è il sito che lega l’inibitore. Il sito adibito ad ATP come substrato ha uguale affinità per le molecole sia in conformazione R sia T, mentre il sito inibitorio lo lega quasi esclusivamente in conformazione T. L’altro substrato della PKF, il F6P, ha maggiore affinità per la conformazione R. In conseguenza, alte concentrazioni di ATP provocano lo spostamento dell’equilibrio verso la conformazione T diminuendo l’affinità per il substrato F6P. Gli effetti dell’ATP sono contrastati da altri composti (ADP, AMP e fruttosio-2,6-bisfosfato, sintetizzato dalla fosfofruttochinasi II) che mascherano la proprietà allosterica del PKF. La fosfofruttochinasi II è un enzima tandem avente due attività, chinasica e fosforilasica, e quindi è in grado di riportare il fruttosio-2,6-bisfosfato in fruttosio-6-fosfato. A determinare il comportamento dell’enzima è una fosforilazione (che attiva il comportamento chinasico) o meno dello stesso.

4) La quarta reazione della glicolisi chiude la fase I producendo due composti del carbonio triosi. Questa reazione è caratterizzata da un’aldolasi che scinde la fruttosio-1,6-disfosfato in gliceraldeide-3-fosfato (GAP) e diidrossiacetonefosfato (DHAP). Meccanismo importante di questa reazione è il fatto che i due prodotti sono in equilibrio tra loro in quanto l’uno può essere convertito nell’altro, ma, consumando l’uomo la gliceraldeide-3-fosfato nella glicolisi, l’equilibrio tenderà verso quest’ultimo. Questa reazione è una scissione aldolica (l’inverso della condensazione aldolica), avente come intermedio un enolato stabilizzato per risonanza dall’elettronegarività dell’ossigeno del gruppo carbonilico. Anche in questo caso la reazione procede in 5 tappe:

• Legame con il substrato.
• Reazione del gruppo carbonilico del Fruttosio-1,6-bisfosfato (FBP) con la Lys del sito attivo per formare un catione imminico (base di Schiff protonata).
• Scissione del legame C3-C4 e formazione di un’enammina con il rilascio di GAP.
• Protonazione dell’enammina a catione imminico.
• Idrolisi del catione imminico con conseguente rilascio di DHAP e rigenerazione dell’enzima libero.

5) La via glicolitica prosegue solo su uno dei prodotti della reazione di scissione aldolica, la GAP. Tuttavia GAP e DHAP sono interconvertibili tra loro tramite una reazione d’isomerizzazione (essendo tra loro isomeri chetosio-aldosio) e questa reazione è catalizzata dall’enzima triosio fosfato isomerasi (TIM). Questo enzima è stato molto studiato poiché è l’enzima più efficiente conosciuto, infatti la sua velocità è vicina a quella di diffusione. In particolare è stata studiata la sua struttura, detta beta-barrel, composta di otto alfa-eliche e otto beta-foglietti. Per lo studio è stato usato un analogo dello stato di transizione, il fosfogliconato.

6) La reazione successiva riguarderà l’ossidazione e la fosforilazione del GAP per opera di NAD⁺ e P_i, catalizzate dalla gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (GAPDH). Questa reazione esoergonica promuove la sintesi del primo intermedio ad alta energia, l’1,3-bisfosfoglicerato (1,3-BPG) e quindi inizia la seconda fase della glicolisi. Si va a formare, infatti, un legame anidridico, cioè molto energetico, e l’energia per la formazione del legame è garantita.