Biochimica - Vie metaboliche

Secondo anno - primo semestre

Biochimica: Le vie metaboliche

Bioenergetica

La bioenergetica è l’aspetto della biochimica che studia gli aspetti quantitativi della biochimica stessa, cioè quanto costa energicamente una reazione. Quando si parla di costi e ricavi energetici ci si riferisce sempre alla termodinamica. La termodinamica è la descrizione delle relazioni tra le diverse forme di energia e studia la possibilità che una determinata reazione chimica, o processo fisico, possa avvenire spontaneamente o no.

Nella biochimica la termodinamica interviene nello studio dei processi coinvolti nella traduzione energetica negli organismi viventi, cioè il modo in cui l’energia viene trasformata/trasferita da una molecola all’altra.

Sistemi termodinamici

I sistemi termodinamici si possono dividere in 3 categorie:

• Sistema isolato —> nessuno scambio né di energia né di materia con l’ambiente esterno. L’unico sistema isolato conosciuto è l’Universo.
• Sistema chiuso —> si ha uno scambio di energia ma non di materia con l’ambiente esterno. Esempio: tazzina di caffè; il termos è un sistema chiuso, ma è simile ai sistemi isolati.
• Sistema aperto —> si ha uno scambio sia di energia sia di materia con l’ambiente esterno. Gli esseri viventi sono sistemi aperti.

I sistemi biologici non sono solo sistemi aperti ma sono estremamente più complessi di qualsiasi sistema non biologico.

Le leggi della termodinamica

Le leggi della termodinamica sono essenzialmente 2:

1. Prima legge della termodinamica —> legge di conservazione dell’energia; la quantità totale di energia libera prima di una trasformazione è uguale alla quantità totale dopo la trasformazione. In questo processo non si crea nuova energia né vengono distrutte quote di energia.
2. Seconda legge della termodinamica —> sebbene una trasformazione non modifichi la quantità totale di energia contenuta in un sistema chiuso, dopo qualsiasi trasformazione la quantità di energia libera disponibile per compiere lavoro è sempre minore di quella presente prima della trasformazione. Qualsiasi trasformazione energetica in un sistema chiuso, e in un sistema isolato, provoca una diminuzione dell’energia utilizzabile e un aumento dell’energia inutilizzabile. Questo fenomeno viene chiamato entropia.

Dalla seconda legge deriva che il grado di disordine dell’Universo (sistema isolato) può solo aumentare, l’inclinazione al disordine è un processo spontaneo. L’entropia (S) è la misura del disordine, quindi i sistemi evolvono spontaneamente verso disposizioni a maggiore entropia.

L'entropia di un sistema isolato (sistema+ambiente) aumenta sempre. Se un sistema consuma energia per mantenere ordine, vuol dire che nell’ambiente l’entropia deve aumentare; per il secondo principio della termodinamica l’entropia dell’ambiente aumenta di più di quanto diminuisca l’entropia del sistema.

Energia libera di Gibbs ed equilibrio cinetico

Tutto è riassunto nella relazione tra entalpia, entropia ed energia libera di Gibbs:

Dove:

• △G —> variazione dell’energia libera di Gibbs
• △H —> variazione di entalpia (contenuto energetico del sistema)
• △S —> variazione entropia
• T —> temperatura assoluta del sistema (in gradi Kelvin)

Una reazione chimica procede spontaneamente verso una diminuzione di energia libera. Quindi il dato di interesse è proprio l’energia libera, infatti sui grafici viene riportato il △H e non il △G = G_prodotti - G_reagenti.

• △G < 0: processo spontaneo (esoergonico)
• △G > 0: processo non spontaneo (endoergonico)

Il tipo di processo non dà informazioni circa la velocità della reazione. In una reazione esoergonica viene liberata energia, invece in una reazione endoergonica deve essere fornita energia. L’aumento del grado di ordine (diminuzione di entropia) delle cellule avviene a scapito di un maggiore aumento di entropia dell’ambiente.

Se si analizzano quantitativamente questi parametri, si ha la correlazione tra il contenuto di energia libera e la costante di equilibrio. Il contenuto di energia libera di un sistema termodinamico è composto da due elementi: △G₀, che è l’energia libera in condizioni standard (ci dice la tendenza del sistema ad andare in una certa direzione, più è negativo più ha tendenza a idrolizzarsi); il rapporto tra le concentrazioni effettive di reagenti e prodotti, che è governata dalle condizioni reali del sistema.

Condizioni standard

Per definizione le condizioni standard sono:

• 25 °C
• Concentrazioni iniziali di reagenti e prodotti pari a 1 M
• △G = 0

Reazione all’equilibrio:

• A —> B
• △G < 0: A —> B
• △G > 0: B —> A

Il △G della reazione in un senso è esattamente lo stesso cambiato di segno della reazione del verso opposto. Lo si può determinare perché le costanti di equilibrio (rapporto stechiometrico delle concentrazioni) sono l’una l’inverso dell’altra, cioè il reciproco. △G₀ ha senso farla al perché si hanno le costanti di equilibrio che non cambiano.

Reazioni sequenziali

Su di esse si basa il metabolismo, sono la base delle reazioni accoppiate (il metabolismo è fatto da un sacco di reazioni, alcune con △G positivo altre negativo; le reazioni endoergoniche vengono accoppiate con una reazione esoergonica per avvenire e il totale è la somma algebrica dei △G delle reazioni). La costante di equilibrio complessiva è il prodotto delle costanti di equilibrio delle reazioni parziali.

Reazioni di ossidoriduzione

Nella maggior parte delle cellule la produzione di energia comporta l’ossidazione di molecole combustibili, come per esempio il glucosio (zuccheri o grassi). I processi di ossidoriduzione, o redox, hanno un ruolo centrale nel metabolismo. Le reazioni di ossidoriduzione prevedono il trasferimento di elettroni da un donatore (il riducente, molecola ricca di energia) a un accettore (l’ossidante, molecola povera di energia). Le cellule nel corso dell’evoluzione hanno sviluppato diversi vettori di energia (trasportatori di elettroni); ne è un esempio il NAD (nicotinammide adenina dinucleotide) un coenzima capace di essere ridotto e quindi può funzionare come agente ossidante a cui vengono aggiunti due elettroni e un protone. Nelle reazioni intervengono i vettori di energia, sotto forma di nucleotidi ridotti, poiché quando vengono sottratti gli elettroni da una molecola, durante il processo di ossidazione, questi non possono rimanere liberi quindi vengono trasferiti sui coenzimi.

Le reazioni redox sono delle reazioni in cui due semicoppie redox reagiscono funzionando una da accettore e una da donatore. In questo tipo di reazioni il parametro è di tipo elettrochimico, rappresentato dal potenziale di ossidoriduzione, o potenziale redox. Questo parametro viene definito come la tendenza di un donatore di elettroni a ridurre il suo accettore coniugato. Per convenzione, la reazione della semicoppia si scrive sempre nel verso della riduzione (acquisto di elettroni):

ossidante (accettore) + ne —> riducente (donatore)

• L’ossidante è la forma ossidata, povero di elettroni; invece il riducente è la forma ridotta, ricco di elettroni. La reazione avviene a condizioni standard: 25 °C; concentrazioni = 1M; pH 7.

Quanto più è alto il valore di potenziale di ossidoriduzione di una semicoppia redox, tanto più l’accettore di elettroni di quella semicoppia è ossidante. Quanto più basso è il valore di potenziale di ossidoriduzione di una semicoppia redox, tanto più il donatore di elettroni di quella semicoppia è riducente.

Ovvero:

• E° molto positivo: alta affinità per gli elettroni
• E° molto negativo: bassa affinità per gli elettroni

In una reazione di ossidoriduzione (redox) gli elettroni vanno (spontaneamente) dalla semicoppia a potenziale minore alla semicoppia a potenziale maggiore; poiché E, cioè il potenziale, rappresenta la tendenza ad avere gli elettroni, quindi se E è maggiore vuol dire che ha una tendenza maggiore a trattenere gli elettroni. Gli elettroni vanno verso chi ha più tendenza a trattenerli.

Semicoppie interessanti a livello biologico:

• 1/2 O₂ + 2H⁺ —> H₂O n = 2 ; E° = 0,82 (elevato potere riducente)
• NAD⁺ + H⁺ —> NADH n = 2 ; E° = -0,32 (elevato potere riducente)
• NADP⁺ + H⁺ —> NADPH n = 2 ; E° = -0,32 (elevato potere riducente)
• FAD + 2H⁺ —> FADH₂ n = 2 ; E° = -0,22
• Citocromo c / c / a n = 1 ; E° = 0,23 / 0,25 / 0,29
• Poi altre come il piruvato, succitato, acetato..

Equazione di Nernst

Quindi: △E

In una reazione spontanea il △E è sempre maggiore di zero.

Introduzione al metabolismo

Cellule e organismi sono entità estremamente organizzate (organizzazione: estremamente interconnesso, regolato e costruito) che devono mantenere una bassissima entropia (basso livello di disordine). Riprendendo la seconda legge della termodinamica si può dire che i sistemi, dal punto di vista termodinamico, tenderebbero ad andare verso il disordine. Per mantenere questo ordine, questa organizzazione, è necessario utilizzare molta energia; quindi tutti gli organismi viventi mantengono il loro stato di organizzazione consumando quotidianamente grosse quantità di energia.

Il metabolismo

Il metabolismo può essere considerato in base ai due processi principali che lo compongono:

• Anabolismo —> insieme di quei processi attraverso i quali si ottiene la sintesi di molecole organiche complesse, partendo dall’energia e dalle molecole precursori.
• Catabolismo —> insieme di quei processi attraverso i quali sostanze complesse vengono degradate in molecole più semplici.

Il catabolismo è generalmente accompagnato dal rilascio netto di energia chimica, mentre l’anabolismo richiede un apporto di energia chimica. Il metabolismo può essere visto come un insieme di due fasi, dove l’energia ottenuta dalle molecole contenute nei nutrienti, vengono utilizzate per ottenere l’energia e i precursori necessari per costruire tutte le molecole utili per il nostro organismo. Dalle molecole nutritive (derivate dal cibo), attraverso le vie cataboliche del metabolismo, si ottengono forme di energia utilizzabile e numerosi elementi costitutivi per le biosintesi, che attraverso le vie anaboliche vengono utilizzate per la sintesi di macromolecole che formano la cellula.

metabolismo = catabolismo + anabolismo

Dalla prima legge della termodinamica però si sa che l’energia si può convertire da una forma all’altra, ma non si può creare né distruggere. Quindi gli esseri viventi ricavano l’energia dal cibo, ma il cibo ricava energia attraverso la fotosintesi, che sfrutta l’energia del sole, ottengono delle molecole ridotte (NADPH e ATP, che sono magazzini di energia; fase luminosa) e attraverso una serie di reazioni (fase buia) formano zuccheri e ossigeno.

Organismi che fanno fotosintesi vengono detti fotoautotrofi; invece gli organismi che fanno la respirazione vengono chiamati chemioeterotrofi. I fotoautotrofi possono effettuare anche la respirazione, ma avviene in percentuale minore. Il carbonio nelle molecole organiche è presente a diversi stati di ossidazione; il carbonio più ridotto è legato a 4 atomi di idrogeno, invece il carbonio ossidato forma due doppi legami con due atomi di ossigeno. Il livello energetico diminuisce, la forma ridotta ha un livello di energia più alto, invece la forma ossidata più basso.

Al contrario delle macchine che ossidano direttamente il metano (sprecando molta energia sotto forma di calore), gli organismi viventi svolgono un’ossidazione controllata e graduale delle molecole ridotte, in questo modo si riesce ad ottenere molta più energia utile. Dal punto di vista termodinamico, il △G tra il metano e l’ossidazione del carbonio finale è lo stesso, ma se brucio il metano nel motore ottengo una quantità di energia utile molto minore rispetto a quella che posso ottenere facendo un’ossidazione in numerosi passaggi, come avviene all’interno degli organismi. Negli organismi viventi troviamo tutti gli stadi intermedi dell’ossidazione del carbonio: metano; metanolo; gruppo idrossile; gruppo carbonile; gruppo carbossile; anidride carbonica (prodotto finale). Ci sono anche molecole intermedie dove sono presenti dei doppi, o tripli legami, C-C che sono una via di mezzo tra l’ossidazione degli idrocarburi saturi e insaturi.

Chimica organica e reazioni cellulari

In chimica organica le reazioni avvengono una alla volta, spesso con drastiche condizioni di reazione (pH estremi, temperature e pressioni elevate, solventi organici), cioè reazioni non compatibili con la vita. Nelle cellule avvengono migliaia di reazioni contemporaneamente in condizioni blande, grazie alla compartimentalizzazione delle vie metaboliche (metabolic pathways) e alla rigorosa regolazione di tutte le vie metaboliche nel loro complesso; inoltre le condizioni blande sono mantenute grazie all’intervento degli enzimi.

ESEMPIO —> la produzione industriale di ammoniaca richiede condizioni drastiche, 220 atm e 450 °C, in base a quanto richiede il processo Haber-Bosh; a livello degli organismi questo tipo di processo non potrà mai esistere. Però la produzione biologica di ammoniaca (organizzazione dell’azoto atmosferico) è svolta da organismi che fanno avvenire la reazione in condizioni blande, ma richiede comunque molta energia. La produzione avviene attraverso un enzima specifico, la nitrogenasi (riduttasi), da cui attraverso la graduale e controllata riduzione dell’azoto atmosferico si ottengono due molecole di ammoniaca; l’enzima catalizza questa reazione a 20°C e 1 atm. I microrganismi che svolgono questa funzione sono azotofissatori; i legumi contengono batteri simbionti (Rhizobia) all’interno di noduli nelle loro radici.

N₂ (g) + 3 H₂ (g) —> 2 NH₃ (g)

Il complesso della nitrogenasi è composta da due componenti: la nitrogenasi vera e propria; la riduttasi (componente II) che è l’enzima che riduce la nitrogenasi, consumando 1 ATP per ogni ciclo e elettroni che arrivano dalla ferridossina.

Compartimentalizzazione nelle cellule

La compartimentalizzazione avviene per le cellule eucariote, poiché le cellule procariote (batteri) sono molto semplici. Gli organismi eucarioti sono molto complessi, ogni via metabolica ha un luogo preciso dove avvenire; questa separazione spaziale è necessaria perché spesso le reazioni sono in conflitto tra di loro: se una via metabolica avviene nello stesso luogo e nello stesso tempo di un’altra, possono generarsi i cicli futili che sprecano energia producendo prodotti inutili.

In ogni compartimento avvengono solo determinate reazioni, in modo da separare tutte quelle reazioni che se avvenissero nello stesso luogo potrebbero dare problemi, esempi:

• Nel citosol —> glicolisi; numerose reazioni della gluconeogenesi; via dei penosi fosfati; attivazione degli amminoacidi; sintesi degli acidi grassi; sintesi dei nucleotidi.
• Nei cloroplasti —> fotosintesi (solo nelle piante)
• Nei mitocondri —> ciclo dell’acido citrico; trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa; ossidazione degli acidi grassi (andrebbe a competere con la sintesi nel citosol); catabolismo degli amminoacidi (andrebbe a competere con la sintesi nel citosol); ossidazione del piruvato.

Metabolismo e compartimenti cellulari

Il metabolismo può essere visto come un insieme di "blocchi", anche se non c’è una vera e propria discontinuità:

1. Da polimeri a intermedi monomerici
2. Da monomeri a composti organici più semplici definiti intermedi metabolici (es. piruvato, acetil-coenzima A, intermedi del ciclo dell’acido citrico…)
3. Da composti semplici alla degradazione finale a composti inorganici finali (H₂O, CO₂, NH₃..)

Le vie anaboliche e cataboliche sono sempre interconnesse e strettamente regolate. Ma ogni cellula è specializzata quindi svolge determinate reazioni, il fegato è l’organo più complesso, dove avvengono la maggior parte delle reazioni di sintesi, demolizione e regolazione.

Il metabolismo energetico è la via metabolica centrale e le due molecole più importanti sono il piruvato, l’acetil-coenzima A, la CO₂, ciclo di Krebs (o dell’acido citrico) e infine attraverso la catena di trasporto degli elettroni e la fosforilazione ossidativa si ha l’ossidazione finale dei carrier elettronici ottenendo molta energia e acqua. Il metabolismo energetico produce molta ATP ed è connessa alla fotosintesi che fa il processo contrario.

Molecole trasportatrici di energia

Nella cellula l’energia viene accumulata sotto forma di energia di legame chimico in quelle che sono dette molecole trasportatrici, o vettrici. Queste molecole immagazzinano temporaneamente energia in una forma facile da scambiare, o come gruppo chimico, o come elettroni ad alta energia. Le importanti e comuni sono: ATP (+ composti fosforici ad alta energia); NADH, NADPH (elettroni ad alta energia).

Il meccanismo con cui l’organismo sfrutta l’energia è il modello delle reazioni accoppiate, dove si sfrutta una reazione favorevole (△G...