Chimica Biologica - Metabolismo

Il metabolismo

Il termine metabolismo indica tutti i processi chimici che avvengono nell’organismo e

comprende sia il catabolismo sia l’anabolismo. Questo produce energia che viene

utilizzata dall’organismo o immagazzinata. (Vedi quaderno prima parte)

• Cos’è il metabolismo intermedio?

Si tratta di quei processi intracellulari catalizzati da enzimi, che estraggono energia

(catabolismo) da nutrienti, o usano l’energia per costruire componenti cellulari,

tipicamente i building blocks (anabolismo).

• Cosa non è il metabolismo intermedio?

- reazioni enzimatiche extracellulari, come ad esempio la digestione di alimenti

(proteine, grassi, carboidrati) o l’attivazione del complemento

- sintesi (ovviamente intracellulare) di molecole informazionali (proteine e acidi nucleici).

Per studiare i processi metabolici è necessario sempre chiedersi per ciascuno di essi:

dove avviene?

- in quali comparti intracellulari? (Es. Mitocondri, citosol, ecc.)

- in quali organi? (Es. Fegato, muscoli, tessuto nervoso ecc.)

- in quali organismi? (Es. Vegetali, animali, microorganismi)

È molto importante contestualizzare in tal modo un processo metabolico

diversi comparti possono presentare diverse condizioni chimico-fisiche (es. stato

•

ossido-riduttivo, presenza di determinati composti ma non di altri) che rendono possibili

certe reazioni e impossibili altre reazione.

• esiste una suddivisione di compiti tra organi diversi, di cui bisogna darsi ragione (es. il

fegato risosi da l’acido lattico prodotto dai muscoli. Questo è impossibile nei muscoli

stessi, poichè durante l’esercizio fisico l’ambiente muscolare diventa riducente)

• non tutti gli organismi presentano tutte le vie metaboliche (ad esempio, gli animali non

fotosintetizzano), ciò riflette diverse strategie adattative che si traducono in un diverso

equipaggiamento di enzimi e di vie metaboliche.

La comprensione del ruolo delle vie metaboliche si basa prima di tutto sulla

definizione del bilancio netto della via

Il bilancio netto viene dato dalla somma di tutte le reazioni che compongono quella via e

ultimamente ci dice quali composti entrano e quali composti escono.

Ad esempio, non entra nel bilancio netto un composto che viene prodotto da una

reazione intermedia, ma che viene trasformato in una reazione successiva. In questo

caso, di tale composto se ne forma tanto quanto ne viene successivamente trasformato, e

quindi il bilancio complessivo di un tale composto è pari a 0 (vale a dire: non entra nel

bilancio netto).

Ad esempio, se una via metabolica consistesse delle seguenti tappe:

Il bilancio netto sarebbe: (B e C non entrano nel bilancio netto)

È anche opportuno precisare che il bilancio netto ci dice molto, ma non ci dice tutto in

merito al ruolo della via considerata.

La bioenergetica

Nell’ambito degli studi sul metabolismo, la bioenergetica studia le modalità con cui i

sistemi viventi producono, utilizzano, immagazzinano e scambiano energia.

La modalità di immagazzinamento è normalmente chimica: in particolare, il composto

utilizzato di regola a questo scopo nei processi metabolici è l’adenosina trifosfato ATP.

In altre parole, l’energia resa disponibile in una molteplicità di processi metabolici viene

utilizzata per la sintesi di ATP, che avviene soprattutto a partire da ADP (adenosine

difosfato) e fosfato Pi, quindi secondo una reazione che si presenta come:

Questa modalità di reazione ha un implicazione importantissima: l’energia che l’ATP può

fornire, è quella associata al legame di condensazione tra due fosfati (un legame

anidride).

Esistono reazioni metaboliche che sfruttano l’energia associata al legame anidride più

esterno, altre che utilizzano quello più interno (che tuttavia non rilasciano una quantità di

energia non molto diversa nei due casi.

Funzione metabolica dell’ATP: riserva energetica

Secondo una denominazione tradizionale, l’ATP veniva indicato come un composto ad alta

energia (denominazione assegnata anche ad altri composti con caratteristiche simili).

Però la disponibilità di energia non è associata al composto in quanto tale, bensì a una

sua ben precisa trasformazione chimica, che normalmente è l’idrolisi di uno o dell’altro

dei due legami anidride. L’energia associata specificatamente a tali legami, viene resa

disponibile a seguito della loro rottura, per questo oggi si evita la denominazione

composto ad alta energia.

L’utilizzo di ATP come unico sistema di immagazzinamento di energia comporta un

evidente vantaggio nell’economia del metabolismo: l’ATP è la moneta comune di scambio

energetico, pertanto le reazioni che rilasciano energia, lo fanno producendo ATP; le

reazioni che necessitano di energia, la ricavano dall’idrolisi di ATP, oppure dal

trasferimento di un fosfato dell’ATP.

La variazione di energia libera di Gibbs è un utile parametro per quantificare gli scambi

energia associati alle reazioni metaboliche. La diminuzione di energia libera, associata a

una trasformazione, rappresenta il massimo lavoro utile prodotto a pressione e

temperatura costante. Si tratta del lavoro massimo, poichè una parte di energia può

essere dissipata in calore. Nelle situazioni reali, il lavoro effettivamente svolto è sempre

inferiore a quello massimo, si tratta di lavoro utile poichè la variazione di energia libera

di Gibbs non tiene conto del lavoro utilizzato nell’espansione del sistema (ritenuto non

utile). Il delta G ci dice quanto lavoro (o energia) viene reso disponibile da una certa

reazione. In base a ciò possiamo valutare quanto ATP deve essere idrolizzato come

minimo per sostenere quell’attività.

Tuttavia il delta G di una reazione ha anche un’altra valenza: dato che qualsiasi

trasformazione decorre spontaneamente verso un minimo di energia, varrà il principio

che a pressione e temperatura costante:

• delta G è negativo se la trasformazione è spontanea (-deltaG = lavoro prodotto, è

positivo; il sistema produce lavoro; la trasformazione è esoergonica)

• delta G è positivo se la trasformazione non è spontanea (-deltaG negativo; il sistema

consuma energia; la trasformazione è endoergonica)

In breve, il delta G è criterio di spontaneità a pressione e temperatura costanti.

Qual’è l’energia associata a una certa trasformazione chimica, essendo date la sua

costante di equilibrio e le concentrazioni di reagenti e prodotti?

La relazione è la seguente:

Dove A e B sono i reagenti e C e D sono i prodotti che partecipano alla reazione; a,

b,c,d sono i rispettivi coefficienti stechiometrici, Keq la costante di equilibrio. Questa

relazione dà l’energia associata a una reazione a concentrazioni costanti di reagenti e

prodotti!

Tale relazione è essenziale per conoscere l’energia effettivamente erogata da una

reazione metabolica nelle condizioni in vivo (per la quale si conoscano le concentrazioni

di reagenti e prodotti). Nelle vie metaboliche, le concentrazioni degli intermedi restano

generalmente costanti, almeno entro certi lassi di tempo, perchè la formazione e il

consumo di ciascun intermedio avviene circa alla stessa velocità. Essi mantengono una

certa concentrazione costante entro certi tempi, in quanto sono formati dalla reazione

a monte esattamente nella stessa misura in cui si trasformano nell’intermedio che sta

a valle. Si instaura uno stato stazionario nella via metabolica attiva, in cui le

concentrazioni degli intermedi non variano apprezzabilmente, anche se il primo

composto della via metabolica si va trasformando progressivamente fino a generare

l’ultimo.

Nella caratterizzazione delle reazioni metaboliche, esiste l’esigenza di stabilire se

ciascuna di essa abbia maggiore tendenza a fluire verso i prodotti o verso i reagenti.

C’è bisogno quindi di una misura che esprima la intrinseca propensità della reazione a

decorrere in una delle due direzioni. L’unico modo di esprimere questa propensità è di

stabilire delle condizioni standard di riferimento. Tali condizioni prevedono

concentrazioni 1M di tutti i reagenti e prodotti e 1 atm di pressione. La temperatura

standard di riferimento è di 25 gradi, se non specificato altrimenti. Il delta G in

condizioni standard è indicato come delta G0. A condizioni standard la precedente

equazione diventa:

Esiste una relazione tra delta G e Keq:

• quando Keq è maggiore di 1, delta G è negativo, la reazione procede verso i prodotti

• quando Keq=1, delta G=0, la reazione è all’equilibrio

• quando Keq è minore di 1, delta G è positivo, la reazione torna verso i reagenti (non

spontanea) per spostarla dobbiamo compiere un lavoro.

Esistono composti (come il fosfoenolpiruvato e l’1-3 bisfosfoglicerato) il cui delta G’0

di idrolisi è nettamente più negativo di quello dell’ATP, mentre altri (tipicamente

zuccheri) hanno un delta G0 molto meno negativo. Il trasferimento del fosfato da

composti ad altissima energia come il fosfoenolpiruvato o l’1-3 bisfosfoglicerato ad

ADP può promuovere la sintesi dell’ATP. L’ATP a sua volta può generare composti

fosforilati donando il suo fosfato. Tutte le reazioni con deltaG negativo sono

esoergoniche.

Il flusso dei fosfati va da composti a più alta energia a composti a più bassa

energia.

Glicerolo e glucosio sono composti a bassa energia, minore rispetto ad ATP. La

fosfocreatina è anch’esso un composto ad alta energia.

I composti ad alta energia sono quelli che presentano un delta G minore (più

negativo) di - 25 kJ mol, i composti a bassa energia sono inferiori a questo valore.

La fosfocreatina: una riserva di energia particolarmente importante per il

muscolo

La fosfocreatina presenta un ruolo peculiare. Essa si forma in una reazione

endoergonica catalizzata dalla creatina chinasi:

La reazione è endoergonica proprio perchè si passa, tramite fosforilazione, ad un

composto a più alta energia rispetto all’ATP. L’equilibrio di reazione è

significativamente spostato verso i substrati (creatina e ATP), come documentato dal

valore di delta G0’. La creatina fosfato poi, è generalmente abbondante nel muscolo

scheletrico, in modo 6 volte maggiore rispetto a ATP, ed è anche presente in misura

minore in rene, cervello e muscolatura liscia.

Quando l’ATP si accumula in abbondanza, la reazione può spostarsi verso destra e

sintetizzare ampie quantità di fosfocreatina.

Se una cellula si trova a fronteggiare un improvviso ed elevato fabbisogno energetico,

l’ATP viene consumato e di conseguenza l’equilibrio della reazione si sposta verso

sinistra, rendendo disponibile ATP in tempi molto più brevi di quelli richiesti dalla sua

Sintesi ad opera delle normali vie metaboliche. Questo avviene per esempio in caso di

sforzi elevati a livello muscolare, si tratta di una sorta di riserva energetica di ATP.

• Quando c’è poco ATP, la reazione della creatina chinasi non è in grado di sintetizzare

apprezzabilmente la creatina fosfato da ATP + creatina, dato il maggior contenuto

energetico della creatina fosfato rispetto all’ATP.

• Quando l’ATP è elevato , esso può spingere la reazione verso la sintesi di creatina

fosfato, sebbene questa sia più ricca in energia dell’ATP.

In una situazione di fabbisogno energetico elevato, l’ATP scende e la creatina fosfato

viene impiegata per risintetizzare ATP, si ripristina quindi la prima condizione.

Nonostante il consumo, la concentrazione di ATP resta relativamente costante. La

creatina fosfato rappresenta quindi, una riserva tampone di energia, da usarsi in caso

di elevato fabbisogno, poichè partecipa ad un equilibrio reversibile e garantisce il

mantenimento di una concentrazione costante di ATP, anche quando viene consumato

attivamente.

Esiste anche una via biosintetica che produce creatina intracellulare a partire da

componenti molecolari semplici, essa viene sintetizzata e degradata costantemente

(processo chiamato turnover). La maggior parte di creatina viene assunta però con la

dieta, che viene internalizzata dagli organi, contenuta in alimenti di origine animale. Un

apporto di creatina elevato aumenta le masse muscolari quando poste ad intenso

sforzo. Un elevata concentrazione di creatina a livello intracellulare migliora la

prestazione fisica nel breve termine, ma non nel lungo.

Accoppiamento chimico

Come l’energia chimica viene utilizzata nelle reazioni metaboliche per la sintesi di

intermedi:

Nel metabolismo l’energia associata alla trasformazione di un composto, può essere

utilizzata per promuovere la sintesi di altri composti. Perchè ciò possa accadere ci

sono due condizioni:

1. Che la reazione complessiva consista di una parte esoergonica che spinge la

parte endoergonica, e che la parte esoergonica rilasci più energia di quella

richiesta per il progresso della parte endoergonica.

2. Che nel trasferimento di un gruppo (molto spesso fosfato), sia mantenuto il

Legame ad alta energia. Ciò è reso possibile dal meccanismo della reazione a

livello del sito attivo degli enzimi, che prevede un trasferimento diretto del gruppo

chimico da un substrato a un altro, oppure il legame di tale gruppo a un residuo

catalitico dell’enzima e da questo al secondo substrato. Il gruppo trasferito NON

finisce nel solvente acquoso e recuperato successivamente!!

Esempi in cui le reazioni vengono formalmente scomposte nella componente

esoergonica e in quella endoergonica: esso chinasi e piruvato chinasi.

I catalizzatori enzimatici permettono di sfruttare al massimo l’accoppiamento

chimico di due reazioni. L’energia chimica deve essere conservata mediante

conservazione dei legami ad alta energia. Se fossimo in assenza di catalizzatore,

la reazione sarà molto più lenta, poichè la statistica di unione tra le molecole è

sfavorevole. In presenza di enzima, la reazione è molto più rapida con il

passaggio diretto che unisce le molecole nella giusta direzione, quindi in modo più

favorevole. La sottrazione di un prodotto di reazione

Un’altra modalità di utilizzo dell’energia chimica per promuovere reazioni

endoergoniche

Reazione di un enzima denominato acil-CoA:

RCOO- rappresenta acidi grassi con catene di varia lunghezza, e CoASH è il coenzima

A, un coenzima il cui gruppo funzionale è un gruppo tiolico. Il prodotto di reazione è

un acil-Coenzima A, in cui l’acido grasso si lega al coenzima con un legame tioestere

ad alta energia. La prima reazione è reversibile (delta G0 prossimo a 0). L’ATP si scinde

a dare pirofosfato, e non semplicemente fosfato. Il pirofosfato formatosi è scisso da

pirofosfatasi citosoliche, attività enzimatiche abbondanti e sempre attive in quanto non

sottoposte a regolazione. Ciò sottrae il pirofosfato e rende la reazione

complessivamente irreversibile (spostata verso i prodotti).

Il valore standard di delta G, indicato come delta G0, serve a stabilire un valore

rappresentativo dell’energia implicata in una reazione in mancanza di indicazioni

specifiche circa la concentrazione effettiva di reagenti e prodotti. Porre concentrazioni

unitarie per acqua e ioni H+ darebbe valori di delta G0 molto lontani da quelli

rappresentativi per le condizioni fisiologiche delle reazioni considerate, quindi non utili

per stimare la variazione di energia associata ad una reazione. Acqua e ioni H+ non

hanno una concentrazione standard di 1M in condizioni fisiologiche.

Bisogna considerare una reazione in cui l’acqua è reagente: si utilizza la normale

formula del delta G0 in condizioni 1M, ma in seguito l’acqua viene esclusa dalla Keq e

le viene assegnata una concentrazione costante di 55.5M.

Sostituendo ci si accorge che il delta G0 immaginato alla concentrazione ipotetica

1M di acqua differisce dal delta G0 (55.5M H2O) di -2.38 kcal/mol. L’elevata

concentrazione di acqua spinge le reazione idrolitiche conferendo un bonus

energetico di -2.38 kcal/mol.

Nel caso in cui l’acqua sia un prodotto di reazione, avverrà la reazione seguente:

Considerando il caso in cui gli ioni H+ siano reagenti o prodotti di una reazione.

Con H+ come prodotti avremo una differenza dal delta G0 di -9.55 kcal/mol,

quindi la reazione è favorita.

Noi non possiamo trascurare queste componenti. Notare che il delta G0’ è il valore

determinato a 10^-7 M di H+ (= pH 7), mentre il delta G0 è quello determinato a 1M

di H+ (= pH 0). Tra i due valori c’è una grande differenza! In condizioni fisiologiche

dovremo usare il valore di delta G0’.

Quando H+ è un reagente invece, vale la seguente relazione (sfavorita):

Per concludere, nello studio degli scambi energetici associati alle reazioni

metaboliche, si usa sempre delta G0’ e non delta G0. Si intende pertanto che delta

G0’ rappresenti la variazione di energia libera di Gibbs:

• A concentrazioni 55.5 M di acqua

• a pH 7

• a concentrazioni 1M di substrati e di prodotti (esclusa acqua)

• a 25 gradi (ove non sia diversamente indicato)

• Perchè l’ATP è un composto ad alta energia?

In tutte le reazioni di idrolisi, l’azione di massa dell’acqua contribuisce al delta G0’

con un valore di -2.38 kcal/mol, spostando di conseguenza in questa misura

l’equilibrio verso i prodotti.

• Una componente del delta G0’ di idrolisi dell’ATP (- 7.4 kcal/mol) viene dall’idrolisi

dell’acqua, nella misura di circa -2.4 kcal/mol.

Un altro ordine di ragioni è legato ad aspetti strutturali, condivisi da tutti i legami

anidride:

• più forme di risonanza nei prodotti rispetto ai reagenti

Nell’ATP si perde almeno una forma di