Biologia animale 2

Metabolismo cellulare

In una cellula vi è un continuo bisogno di energia per dare ordine alle proprie strutture. L'energia è indispensabile, perché avvengano delle reazioni chimiche che fanno parte del metabolismo cellulare.

Definizione di metabolismo

Metabolismo: insieme di reazioni biochimiche che avvengono in una cellula e comprendono trasformazioni molecolari diverse. Da un punto di vista biochimico, la vita a livello cellulare può essere definita come una rete di vie metaboliche accuratamente regolate, ciascuna delle quali contribuisce all’insieme delle attività che la cellula deve svolgere.

Vie metaboliche

Le reazioni seguono due vie/catene:

• Vie cataboliche: implicate nella demolizione di sostanze alimentari, molecole di grosse dimensioni dette substrati, in molecole più piccole (monomeri/metaboliti), liberando l’energia racchiusa nei legami chimici, in forma utilizzabile e piccole molecole adatte come subunità costruttive. Detta via in discesa. L’energia rilasciata sotto forma di ATP è usata nelle vie anaboliche ma anche per altre funzioni. Esorgonica. Può svolgersi in presenza o in assenza di ossigeno (condizioni aerobiche o anaerobiche) con diversa resa energetica. Partendo dagli alimenti: alcuni vengono usati come carburante della respirazione cellulare (processo biologico di degradazione delle molecole) che permette la formazione di ATP, altri sono usati come materie prime per la sintesi di strutture e materiali possibile con il consumo di energia.
• Vie anaboliche: consumano l’energia fornita dai processi catabolici per portare alla sintesi delle numerose molecole che formano la cellula utilizzando i numerosi elementi costruttivi prodotti catabolicamente. Detta via in salita. Endoergonica.

ATP

ATP: adenosintrifosfato. Zucchero a 5 atomi di carbonio (ribosio), base aromatica adenina, e 3 gruppi fosfato: il primo è legato al carbonio 5 del ribosio, e legati tra loro con legami fosfoanidridici (o fosfoestero). Ribosio+adenina → nucleoside detto adenosina che può essere mono, di o trifosfato. Il suo alto contenuto energetico è dovuto al fatto che possiede 3 legami idrolizzabili che principalmente è racchiuso nell’ultimo legame tra gruppi fosfato (quello più esterno) che va incontro a idrolisi liberando energia e un fosfato inorganico Pi (acquista un -OH) riducendosi da ATP a ADP. L’idrolisi dell’ATP è esoergonica a causa della repulsione di carica tra i gruppi fosfato adiacenti carichi negativamente e dai prodotti risultanti che sono stabili.

Esigenze essenziali della cellula

Dal punto di vista generale la cellula ha 4 esigenze essenziali:

• “Mattoni” molecolari allo scopo di sintetizzare macromolecole che costituiscono strutture ed organelli cellulari.
• Catalizzatori chimici ovvero enzimi per accelerare le reazioni che altrimenti sarebbero troppo lente seppur spontanee.
• Informazione per dirigere tutte le varie attività che è codificata nelle sequenze di DNA e RNA ed è espressa nella sintesi ordinata di proteine.
• Energia per fare avvenire le reazioni.

Moltissime sono le reazioni chimiche che stanno alla base delle attività di una cellula: crescita, riproduzione, movimento, capacità di rispondere a differenti stimoli, ecc.

Termochimica e termodinamica

Comprendere se le reazioni biologiche potrebbero avvenire e predire la loro direzione spontanea è alla base della termochimica. Il valore di ΔG indica se una reazione è spontanea o non spontanea.

La termochimica o termodinamica studia i cambiamenti chimici di una reazione e con varia il contenuto energetico in un sistema. Energia in questi casi si definisce come la capacità di compiere lavoro. Noi parleremo di sistema aperto in cui le cellule nel loro insieme e quindi l’intero organismo, sono interconnesse con l’ambiente scambiando energia e materia.

Primo principio della termodinamica

1° principio termodinamico o conservazione dell’energia: che non si crea né si distrugge, ma si trasferisce da una forma all’altra. La quantità totale di energia nell’universo (sistema + ambiente) ΔE (energia interna= energia totale immagazzinata) rimane costante sebbene la forma dell’energia possa cambiare.

Nel caso di processi biologici si è maggiormente interessati al cambiamento di entalpia o contenuto di calore che è correlata a E ad una pressione e volume variabili: H= E+PV ma a pressione costante H= q. In questi termini il valore di H indica se una reazione è endotermica (calore assorbito positivo) o esotermica (calore ceduto negativo).

Si può dire, anche se riduttivo, che: la reazione è spontanea se il contenuto energetico dei prodotti è minore di quello dei reagenti. L’energia ceduta va in calore o usata per altre funzioni.

• ΔH < 0 calore ceduto, reazione esotermica, spontanea
• ΔH > 0 calore acquistato, reazione endotermica, non spontanea

Alcuni processi disobbediscono a questo principio come la fusione del ghiaccio: endotermico spontaneo a temperatura ambiente.

Secondo principio della termodinamica

2° principio della termodinamica o legge della spontaneità termodinamica: in ogni cambiamento fisico o chimico l’universo tende sempre verso il maggiore disordine. Consente di prevedere la direzione della reazione oltre che alla spontaneità. Introdotta una nuova funzione di stato detta entropia che è misura del disordine. ΔS rappresenta un cambiamento di grado del disordine. Si può dire che tutti i processi che avvengono spontaneamente determinano un aumento di entropia totale dell’universo.

• ΔS > 0 aumenta il disordine, spontanea.
• ΔS < 0 diminuisce il disordine, non spontanea.

L'energetica delle reazioni biochimiche è descritta nel modo migliore dalla funzione termodinamica chiamata energia libera di Gibbs (G) G = H – TS. Il cambiamento in energia libera di Gibbs (ΔG) di una reazione combina gli effetti dei cambiamenti in entalpia (quantità di energia che un sistema può scambiare con l’ambiente e quindi il calore che viene rilasciato o assorbito durante una reazione chimica) e entropia (il grado di disordine che risulta da una reazione) per prevedere se una reazione è energeticamente favorevole. Tutte le reazioni chimiche procedono spontaneamente quando ΔG < 0.

Energia libera di Gibbs

Il valore di energia che si va a valutare in ogni reazione è ΔG° guadagno o perdita di energia libera per ogni mole di reagente che si trasforma in prodotto in condizioni standard (25°C 1 atm [C] 1M, pH=7).

• Nel corso di una reazione esoergonica vi è una diminuzione netta di energia libera. I prodotti hanno meno energia libera dei reagenti e la reazione procede spontaneamente. Si ha un rilascio di energia. Reazioni delle vie cataboliche. Demolizione, ossidazione del glucosio ad anidride carbonica e acqua.
• Nel corso di una reazione endoergonica vi è un aumento netto di energia libera. I prodotti contengono più energia dei reagenti. Sintesi del glucosio. Una reazione endoergonica può avvenire solo se è fornita energia proveniente da una reazione esoergonica.

Accoppiamento di reazioni

L’agente accoppiante principale in tutti gli organismi dai batteri agli uomini è l’ATP che libera energia con l’idrolisi del gruppo fosfato portando alla formazione dell’ADP ovvero molecola a minor contenuto energetico.

Reazione spontanea significa che può avvenire dal punto di vista energetico, non che avverrà sicuramente, dipende anche dalla cinetica chimica (formazione dell’acqua è processo spontaneo ma lentissimo che quasi non ha luogo).

Enzimi

Per far sì che le reazioni avvengano in tempi utili esistono gli enzimi: catalizzatori biologici specifici per ogni reazione che costituendo un nuovo meccanismo di reazione ad energia di attivazione (= energia minima efficace che due molecole devono avere così che un loro urto dia luogo a una reazione) più bassa alzano la velocità di reazione, non perdono parte alla reazione e ne escono inalterati. Sono in genere proteine ma anche piccoli filamenti di RNA che si chiamano ribozimi. Alcuni necessitano di cofattori.

Funzione degli enzimi

Gli enzimi si associano a uno o più ligandi (substrati) e li convertono in prodotti chimicamente modificati. Alla fine della reazione i prodotti si staccano dall’enzima lasciandolo inalterato.

Accelerano le reazioni senza subire essi stessi modificazioni. I substrati si legano all’enzima in corrispondenza del sito attivo ovvero un insieme caratteristico di amminoacidi in cui avviene l’evento catalitico, con legami deboli con i gruppi fosfato di specifici amminoacidi. Esempio: il lisozima rompe i legami glicosidici che connettono i monomeri di zucchero nel polimero di peptidoglicano che costituisce la parete dei batteri causando la rottura delle cellule batteriche e quindi la loro morte.

Come gli enzimi riducono l'energia di attivazione

• Collocano i substrati in stretta vicinanza mantenendo un certo orientamento.
• Cambiano la reattività del substrato modificando la struttura ionica.
• Esercitano una tensione fisica sui legami del substrato da scindere.

Effetto delle concentrazioni di enzima e substrato sulla velocità di reazione

Come cambia v iniziale in funzione della concentrazione di enzima a concentrazione di substrato in eccesso costante: la velocità è direttamente proporzionale alla concentrazione dell’enzima. Più enzimi ci sono e più molecole di substrato vengono attivate aumentando la velocità.

Come cambia v iniziale in funzione della concentrazione del substrato a concentrazione di enzima costante: se la concentrazione di S è relativamente bassa allora la velocità è direttamente proporzionale ad essa. Aumentando a dismisura la concentrazione di substrato gli enzimi si saturano e la velocità di reazione non aumenta più e tende asintoticamente a un valore massimo.

La curva è descritta dall’equazione di Michaelis: V = (Vmax . [S] )/ ([S] + Km) con Km costante tipica di ogni reazione/ di ogni enzima detta costante di Michaelis e corrisponde alla concentrazione di substrato alla quale la reazione procede a metà della velocità massima km= 0,5Vmax. La velocità massima è quella alla saturazione dell’enzima.

Effetto di temperatura e pH sull’attività di un enzima

Gli enzimi sono sensibili alla temperatura, noi siamo organismi omeotermi in grado di mantenere la temperatura corporea costante. Molti organismi come insetti, rettili, batteri, piante funzionano alla temperatura dell’ambiente in cui si trovano.

Pur nei limiti, la velocità di una reazione aumenta all’aumentare della temperatura in quanto aumenta la frequenza di urti efficaci. Ulteriori incrementi di temperatura provocano una rottura dei ponti a idrogeno e dei legami ionici nella struttura terziaria dell’enzima che si falineare inattivandosi per denaturazione. Nel nostro corpo gli enzimi funzionano efficacemente tra i 31/36°, nei batteri tra i 70/80°.

Gli enzimi sono sensibili anche al pH. Molti si attivano solo in alcuni intervalli di pH di circa 3-4 unità. Esempio: la pepsina lavora nello stomaco e velocità di reazione massima è a pH 2. La tripsina che lavora nell’intestino ha velocità massima a pH 8.

Inibizione degli enzimi

Gli enzimi sono influenzati anche da un’altra categoria di sostanze come prodotti, farmaci, tossine che sono una classe di regolatori di attività chiamati effettori allosterici. La maggior parte ha effetto inibitorio sull’attività enzimatica riducendo la velocità di reazione con il substrato o bloccando la reazione. L’inibizione svolge importante un ruolo come meccanismo di controllo. Può essere reversibile o non reversibile.

Inibizione reversibile

L’inibitore si lega all’enzima con interazioni non covalenti ma a idrogeno, ionico che sono dissociabili. Due tipi:

• Inibitore competitivo: si lega al sito attivo dell’enzima e compete direttamente con le molecole del substrato che non vi si possono più legare.
• Inibitore non competitivo: si lega alla superficie dell’enzima in un punto diverso dal sito attivo, non blocca direttamente il legame del substrato ma produce un cambiamento nella conformazione del sito attivo diminuendo la probabilità che si leghi il substrato.

Chi ha un tumore alla prostata deve bloccare l’enzima 5-alfa-reduttasi che attiva il testosterone in diidrotestosterone.

Regolazione allosterica

Consente di adeguare la velocità di reazioni catalizzate in base alla necessità della cellula. Il termine allosterico significa “un’altra forma/stato” a indicare che gli enzimi sottoposti a regolazione allosterica possono esistere in due forme. Una delle due forme ha elevate affinità con il substrato e ciò si traduce in elevata attività, l’altra ha affinità quasi nulla. Gli enzimi con questa proprietà sono detti allosterici. Le due forme sono facilmente convertibili tra loro e sono in equilibrio.

Il fatto che sia favorita la forma attiva o inattiva dipende dalla presenza di effettori allosterici che si legano in una zona specifica di questi enzimi chiamata sito allosterico, diverso dal sito attivo. Un effettore allosterico può essere: attivatore o inibitore a seconda del tipo di enzima.

Si parla quindi di:

• Inibizione allosterica: quando un enzima è attivo nella forma non complessata, che ha alta affinità per il substrato. Il legame di un inibitore allosterico stabilizza l’enzima nella sua forma a bassa affinità determinando una riduzione o un blocco dell’attività.
• Attivazione allosterica: un enzima soggetto ad attivazione allosterica è inattivo nella forma non complessata, che ha bassa affinità per il substrato. Il legame di un attivatore allosterico stabilizza l’enzima nella sua forma ad alta affinità, determinando attività dell’enzima.

Regolazione a feedback negativo

Il prodotto finale agisce da inibitore del primo enzima. È uno dei meccanismi più usati dalla cellula per far sì che l’attività delle sequenze di reazione sia adeguata alle esigenze cellulari.

Inibizione irreversibile

Gli inibitori irreversibili solitamente modificano covalentemente l'enzima, e l'inibizione non può essere pertanto successivamente neutralizzata. Ne sono un esempio i substrati suicidi: essi legano covalentemente ai gruppi funzionali del sito attivo inibendolo irreversibilmente. Penicillina (antibiotico) si lega all’enzima traspeptidasi necessaria per la sintesi dei peptidoglicani (forma i legami trasversali tra le catene) costituenti la parete batterica con legame covalente. La cellula batterica non protetta dalla parete va presto incontro a morte. Alcuni batteri resistenti secernono una penicillinasi che inattiva la penicillina rompendo il legame amidico dell’anello lattamico/enzima che degrada il farmaco.

Modificazioni dell'attività enzimatica

Modificazioni dell’attività enzimatica tramite: fosforilazione/defosforilazione che si basa sull’aggiunta reversibile di gruppi fosfato che viene da un ATP.

Si chiamano chinasi: gli enzimi che fosforilano molecole e protein chinasi: gli enzimi che fosforilano altri enzimi. La molecola fosforilata è attiva. Viceversa la defosforilazione di molecole è catalizzata da enzimi chiamati fosfatasi (idrolizzano staccando il fosfato) che a loro volta sono catalizzati da altri enzimi detti protein fosfatasi. La molecola defosforilata è inattiva.

Cofattori

Alcune reazioni catalizzate da enzimi necessitano di cofattori che possono essere inorganici ovvero ioni metallici oppure molecole organiche non proteiche chiamate coenzimi che sono in genere complessi derivati delle vitamine. Servono da trasportatori di diversi gruppi chimici e possono partecipare a molte reazioni già catalizzate.