Riassunto esame Biochimica I, prof. Stocchi, libro consigliato Principi di Biochimica, Lehninger

Punto di vista energetico

Per il 2^o principio della termodinamica, qualsiasi processo naturale evolve verso un aumento del disordine. Tutte quelle reazioni che sono in grado di liberare energia vengono definite esoergoniche (-ΔG) e sono reazioni spontanee in quanto seguono leggi termodinamiche (evolvono verso un aumento del disordine, meno energia → meno ordine). Tali reazioni danno la formazione di un prodotto con un livello energetico più basso rispetto ai reagenti, in quanto è stata liberata energia che verrà utilizzata per produrre lavoro, anche se da un punto di vista pratico non tutta l'energia può essere utilizzata per produrre lavoro in quanto una parte viene dissipata sotto forma di calore oppure perduta.

Per permettere la sintesi di materia più complessa, serve contrastare il 2^o principio della termodinamica fornendo alla reazione energia in grado di far diminuire il disordine producendo ordine (per mantenere ordine serve energia!). Negli organismi viventi l'ordine interno viene mantenuto prelevando energia libera dall'ambiente esterno; a sua volta gli organismi viventi rilasciano nell'ambiente un uguale quantità di energia sotto forma di calore e di entropia. Possiamo quindi dire che l'ordine prodotto viene compensato dal disordine che ne scaturisce non nel sistema che reagisce ma nell'ambiente circostante. Tali reazioni vengono definite endoergoniche ed hanno bisogno appunto di energia per passare da un livello energetico basso ad uno più alto. Per permettere la realizzazione di quanto detto, le nostre cellule accoppiano ad una reazione endoergonica (ΔG) una esoergonica che liberi un quantitativo di energia maggiore di quella che la reazione richiede, in maniera tale che la somma della variazione di energia libera (ΔG) di entrambe le reazioni sia negativa (-ΔG), facendo divenire l'intero processo esoergonico (è ciò che avviene ad esempio nella reazione 1 della glicolisi). La fonte di energia libera usata dalle nostre cellule deriva prevalentemente dalla rottura di gruppi fosfato di molecole di ATP e GTP.

Le reazioni chimiche tendono ad avvenire spontaneamente fino a raggiungere uno stato di equilibrio, in cui i reagenti si trasformano in prodotti con la stessa velocità con cui i prodotti si trasformano in reagenti; arrivati a questa condizione la ΔG=0 in quanto l'energia liberata dai reagenti per trasformarsi in prodotti viene utilizzata immediatamente dai prodotti per trasformarsi in reagenti, di conseguenza non si ha energia per produrre lavoro. Possiamo quindi definire la variazione di energia libera (ΔG) come un indice di quanto il sistema sia lontano dal punto di equilibrio (un oggetto posto a 10m avrà una certa Ep che sarà maggiore più si aumenta l'altezza; se l'oggetto è a contatto con il suolo l'Ep=0 in quanto tale energia viene annullata da quella gravitazionale). Nella cellula la demolizione dell'ATP avviene in maniera spontanea in quanto tutti gli organismi viventi mantengono una concentrazione di ATP ben lontana dalla concentrazione all'equilibrio, ciò garantisce di prelevare energia dalla demolizione di tale molecola; se si raggiunge l'equilibrio si avrebbe l'arresto dei processi di demolizioni di ATP (tutte le reazioni chimiche procedono verso il raggiungimento dell'equilibrio = stabilità). I sistemi viventi non sono mai in equilibrio con l'ambiente che li circonda e i continui scambi spiegano come gli organismi possano creare ordine al loro interno senza andare contro il 2^o principio della termodinamica (le reazioni avvengono con l'obiettivo di raggiungere un equilibrio che non verrà mai raggiunto).

Produzione di energia grazie all'ATP

Per quanto riguarda il meccanismo energetico cellulare, importante è l'adenosintrifosfato (ATP), una molecola formata da una base azotata (adenina), legata al ribosio, che a sua volta è legato a tre gruppi fosfato. Essa rappresenta la principale forma di accumulo di energia immediatamente disponibile ed è definibile come l'intermediario universale che collega i processi esoergonici con quelli endoergonici. L'energia immagazzinata nell'ATP deriva dalla degradazione di macromolecole come carboidrati, proteine e lipidi, attraverso reazioni metaboliche che avvengono in assenza o in presenza di ossigeno. Dal momento che la funzione energetica dell'ATP è intimamente connessa alla funzione catalitica degli enzimi, l'ATP viene considerata un coenzima (sostanza non proteica che si unisce all'enzima per permettergli di svolgere l'attività di catalizzatore).

Idrolisi e fosforilazione ATP → l'energia potenziale dell'ATP è racchiusa nei legami tra i 3 gruppi fosfato i quali a pH cellulare fisiologico (7,2) si presentano con 4 cariche negative e la loro vicinanza determina un'instabilità dell'intera molecola dovuta proprio alla presenza di forze repulsive tra le cariche negative (è proprio l'instabilità della molecola che è alla base della produzione di energia dell'ATP). Tali legami possono venire scissi per mezzo di una reazione di idrolisi; la loro rottura determina una grande quantità di energia (circa 34 kJ per mole, circa 7,5 Kcal). → reazione esoergonica

L'idrolisi dell'ATP avviene a opera dell'enzima denominato ATPasi (il quale accelera la reazione, andando ad abbassare l'energia di attivazione, senza variare l'energia dei reagenti e dei prodotti). Il motivo per cui l'ATP libera energia è dato dal fatto che essa è una molecola sufficientemente stabile (per un tempo limitato in maniera da garantire il funzionamento dei processi biochimici che avvengono all'interno della cellula) ma non completamente in quanto, con la presenza dei gruppi fosfato, sono presenti anche cariche negative, le quali respingendosi determinano un'instabilità della molecola. Di conseguenza, se ci saranno le condizioni per raggiungere un'ulteriore stabilità, l'ATP tenderà a rilasciare fosfato inorganico (perdendo cariche negative). La rottura dei legami con i gruppi fosfato comporta la liberazione di energia (ΔG= -7,3 Kcal, reazione esoergonica → energia che può essere utilizzata per svolgere lavoro).

Oltre alla liberazione dell'energia, l'idrolisi parziale dell'ATP porta alla formazione di una molecola di adenosina difosfato (ADP) e di 1 gruppo fosfato; l'idrolisi totale forma invece una molecola di adenosina monofosfato (AMP) e 2 gruppi fosfato.

Idrolisi → ATP + H₂O → ADP + HPO₄^2- + energia libera

Una volta scissa, l'ATP viene sintetizzata nuovamente mediante reazioni di fosforilazione (addizione di un gruppo fosfato ad una molecola) dell'ADP, attraverso le quali vengono aggiunti alle molecole i gruppi fosfato. È una reazione endoergonica cioè con bisogno di energia per vincere la repulsione dei gruppi fosfati carichi negativamente (quindi stessa carica), permettendogli di avvicinarsi ad una distanza sufficiente (distanza di legame) per formare un legame covalente. L'energia consumata per formare questo legame è la stessa quantità rilasciata dal processo di idrolisi (l'energia liberatasi al momento della formazione del legame, è allo stesso tempo anche l'energia necessaria per rompere un legame).

Fosforilazione → ADP + HPO₄^2- + energia libera → ATP + H₂O

Per formare ATP a partire da ADP, serve un apporto energetico che proviene da reazioni esoergoniche che avvengono nella cellula. Un tipo di reazione esoergonica è la respirazione cellulare, in cui parte dell'energia liberata da molecole (esempio glucosio) ad alto contenuto energetico viene immagazzinata nell'ATP sotto forma di legame P-O, che verrà poi scisso in ADP con liberazione di energia. L'ATP è quindi al centro di un ciclo di accoppiamento energetico in cui prima l'ADP cattura energia liberata dalle reazioni esoergoniche per trasformarsi in ATP, che attraverso idrolisi verrà poi scisso nuovamente in ADP per fornire energia a reazioni endoergoniche.

Combustibile chimico: glucosio

Il combustibile chimico più comune è il glucosio (C₆H₁₂O₆), dal quale viene ottenuta energia immagazzinata sotto forma di ATP. Anche altre molecole come grassi e proteine possono fornire energia, ma per rilasciarla esse devono venire convertite in glucosio o in composti intermedi delle varie vie del metabolismo del glucosio.

Produzione di energia a partire dal glucosio

Il glucosio dal sangue entra all'interno delle cellule dei vari tessuti attraverso trasporto attivo. Tutte le cellule, tranne quelle del fegato e dei muscoli, utilizzano il glucosio per produrre energia, mentre nel fegato e nei muscoli viene immagazzinato sotto forma di glicogeno. (Esempio: le cellule nervose utilizzano direttamente il glucosio che penetra dal sangue, andando quindi ad abbassare la glicemia nel sangue. Per ristabilire questo valore, che in ogni persona dovrà essere costante in condizioni normali (70-100 mg/dl), serve un meccanismo di controllo che dia indicazioni al fegato di liberare glucosio nel sangue immagazzinato sotto forma di glicogeno. Il fegato può svolgere questa funzione di ricarica per circa 13-14 ore prima di degradare tutto il glucosio accumulato, determinando come conseguenza l'abbassamento di glicemia nel sangue).

Una volta che il glucosio è dentro la cellula, deve essere metabolizzato, cioè subirà una sequenza di reazioni biochimiche (via metabolica) dalle quali verranno prodotte energia.

Glicolisi (scissione del glucosio)

La glicolisi presenta una successione ordinata di reazioni, ciascuna catalizzata da un enzima: il prodotto di una tappa diventa substrato (molecola sulla quale agisce un enzima: i substrati sono dunque le molecole di partenza nelle reazioni chimiche catalizzate dagli enzimi) per l'enzima successivo e così via. È un processo completamente citoplasmatico, poiché tutti gli enzimi sono sparsi nel citoplasma. La glicolisi è articolata in 10 tappe, quindi sono coinvolti 10 enzimi; queste tappe sono divise in 2 fasi:

• Fase preparatoria → fase non ossidativa: avvengono reazioni enzimatiche che richiedono energia e quindi utilizzano ATP per poter scindere il glucosio in 2 molecole a 3 atomi di carbonio (gliceraldeide-3-fosfato). Ossidare il glucosio tal quale porterebbe all'ossidazione di una sola aldeide e si otterrebbe un solo ATP. Per rendere più efficiente il processo, nella prima parte della glicolisi la catena di 6 atomi di carbonio del glucosio viene rotta in due frammenti in modo che poi, nella seconda fase, si possano ricavare due ATP dall'ossidazione ad acido delle due aldeidi ottenute. È indispensabile che i due frammenti siano identici e quindi devono essere di 3 atomi di carbonio ciascuno se vogliamo che sia unica la via metabolica della seconda fase della glicolisi. Quindi non si può spezzare il glucosio in due frammenti perché questi sarebbero di 2 e 4 atomi di carbonio rispettivamente, dato che la reazione che può rompere la catena è una condensazione aldolica inversa. La strategia obbligata è quindi trasformare il glucosio in fruttosio che, avendo il carbonile sul C-2, può essere spezzato in due frammenti di 3 atomi di carbonio ciascuno. Inoltre, ogni frammento deve essere fosforilato perché così è vincolato a restare all'interno della cellula fino alla fine della glicolisi. Le molecole fosforilate non possono attraversare la membrana cellulare costituita da un doppio strato di fosfolipidi che la rende negativa in superficie e apolare al suo interno. Questa doppia fosforilazione implica un consumo di due molecole di ATP nella prima parte e obbliga, nella seconda parte, non solo a ricavare due ATP dall'ossidazione di un'aldeide ad acido, ma anche a recuperare i due ATP spesi nella prima parte, al fine di realizzare un vero guadagno energetico. La prima fase della glicolisi è costituita quindi dalle seguenti 5 reazioni che, partendo da glucosio, formano nell'ordine:
  • Glucosio-6-fosfato
  • Fruttosio-6-fosfato
  • Fruttosio-1,6-difosfato
  • Gliceraldeide-3-fosfato + Diidrossiacetone-fosfato
  • 2 molecole di Gliceraldeide-3-fosfato
• Reazione 1 irreversibile → questa prima reazione avviene la fosforilazione del glucosio, attraverso un enzima denominato esochinasi, il quale trasforma il glucosio in glucosio-6-fosfato. Ciò avviene in quanto un gruppo fosfato dell'ATP viene trasferito al glucosio in posizione 6 (fosforilazione) andando a legarsi con il gruppo -OH. Questa reazione è irreversibile in quanto endoergonica, cioè per formare la nuova molecola (glucosio-6-fosfato) serviva energia ed è stata usata quella derivante dalla rottura di un gruppo fosfato con ATP, il quale è diventato ADP. La rottura di questo legame ha liberato un quantitativo di energia pari a circa ΔG°= -30KJ/mole, di questa quantità ne viene utilizzata +14KJ/mole poiché è il quantitativo di energia richiesto per formare il nuovo legame (legare al gruppo ossidrile del C6 il gruppo fosfato), di conseguenza si otterrà -16KJ/mole di energia non utilizzata ΔG°= -16,7 KJ/mole, questa condizione giustifica il fatto che la reazione proceda verso la formazione del prodotto ed è quindi irreversibile (ogni reazione procede verso la formazione di prodotti con energia minore, i reagenti in questo caso sono glucosio e ATP, molecola altamente energetica), in quanto per riottenere i reagenti iniziali servirebbe fornire 30KJ/mole cioè il quantitativo di energia necessario per riattaccare all'ADP il gruppo fosfato. L'utilizzo di ATP è servito a rendere questa reazione termodinamicamente favorevole. Glucosio + ATP → Glucosio-6-fosfato + ADP + H
• Una volta che il glucosio viene trasformato in glucosio-6-fosfato non può più uscire dalla cellula. Mentre nelle cellule del fegato il gruppo fosfato del glucosio-6-fosfato, per permettere al fegato di svolgere la sua funzione di ristabilire la concentrazione normale di glucosio nel sangue, viene “tagliato” da uno specifico enzima fosfatasi, questa modificazione permette al glucosio di uscire dalla cellula. Tutte le molecole fosforilate (con presenza di gruppo fosfato) non possono attraversare la membrana (inutilità integratori che contengono ATP).
• Reazione 2 reversibile → viene catalizzata dall'enzima fosfoglucoisomerasi la quale attua un riarrangiamento dei gruppi carbonilici e ossidrilici in C1 e C2, determinando una trasformazione del glucosio-6-fosfato (un aldosio) in fruttosio-6-fosfato (un chetosio), per far questo l'anello di glucosio-6-fosfato viene aperto, avvengono i cambiamenti, per poi essere chiuso a formare il fruttosio-6-fosfato. Tale reazione trova la sua importanza in quanto si hanno dei cambiamenti di struttura che permettono di ottenere una struttura molecolare dalla quale si potranno verificare determinate trasformazioni che non erano possibili con la struttura precedente.
• Reazione 3 irreversibile → l'enzima fosfofruttochinasi in presenza di ATP aggiunge un secondo gruppo fosfato all'anello di fruttosio 6, in posizione C1, formando: fruttosio 1,6-bisfosfato. Fruttosio-6-fosfato + ATP → Fruttosio 1,6-bisfosfato + ADP + H

In queste prime 3 reazioni la struttura del glucosio è stata modificata utilizzando ATP in quanto l'obiettivo è quello di ottenere una struttura molecolare (fruttosio 1,6-bisfosfato) dalla quale produrre, attraverso degradazione, un quantitativo di energia maggiore di quella consumata. (È stata investita energia per ottenere maggiore energia)

• Reazione 4 (inizia la degradazione della molecola) reversibile → tale reazione è catalizzata dall'enzima aldolasi il quale degrada la molecola di fruttosio 1,6-bisfosfato dividendola e ottenendo 2 molecole non identiche: diidrossiacetonfosfato e gliceraldeide-3-fosfato. (Da una molecola di 6 atomi di C (fruttosio 1,6-bisfosfato) si passa a 2 molecole con 3 atomi di C ciascuna (diidrossiacetonfosfato e gliceraldeide-3-fosfato)). In questa reazione ΔG°= 23,8 KJ/mole nonostante sia positiva si può considerare reversibile in quanto a basse concentrazioni di reagenti (fruttosio 1,6-bisfosfato) presenti nella cellula la variazione di energia libera è modesta.
• Reazione 5 reversibile → nella precedente reazione, l'aldolasi ha scisso l'esoso in due triosi diversi: dal momento che seguire due vie metaboliche differenti per entrambe le molecole ottenute sarebbe energeticamente molto dispendioso, l'evoluzione della via metabolica ha selezionato un enzima, trioso fosfato isomerasi, in grado di rendere uniforme la successiva degradazione dei due triosi, cioè il diidrossiacetonfosfato viene trasformato in gliceraldeide-3-fosfato. L'enzima è infatti in grado di prelevare un H da un atomo di carbonio, spostandolo su un altro vicino: in questo modo il trioso passa dalla forma chetonica a quella aldeidica. Con questa reazione si vanno a ottenere 2 molecole di gliceraldeide-3-fosfato che verranno utilizzate come substrato per le reazioni successive.

Gli step precedenti della glicolisi hanno prodotto 2 molecole di gliceraldeide-3-fosfato, ma non hanno ancora ricavato alcun tipo di energia dal processo. Al contrario, fino ad ora sono state spese due molecole di ATP. Le reazioni della seconda fase permettono alla cellula di ricavare energia dalla degradazione della gliceraldeide-3-fosfato. Le reazioni sono reversibili in quanto la variazione di energia libera è quasi nulla.