Il metabolismo e l'energia

Le vie metaboliche e il trasferimento di energia

Le vie metaboliche sono organizzate in reazioni accoppiate, in cui il prodotto di una è substrato della successiva. Questa strategia consente il trasferimento dell'energia da una reazione all'altra, tramite l'intermedio comune. L'ATP, grazie al suo potenziale di trasferimento intermedio, può funzionare come donatore di gruppi fosforici a composti con energia inferiore (nella tabella per es. il fruttosio-6-P).

Allo stesso modo, l'ADP potrà accettare un gruppo fosforico (immagazzinando energia) da un donatore con energia più elevata (nella tabella ad es. il fosfoenolpiruvato). In questo modo l'ATP è in grado di accoppiare il trasferimento di energia a reazioni diverse.

Il ∆G di reazioni accoppiate è additivo. Questo significa che se la prima reazione ha un ∆G positivo, associandola ad una con ∆G fortemente negativo, la variazione totale delle due reazioni accoppiate potrà essere resa negativa.

L'ATP, grazie al suo potenziale di trasferimento intermedio, svolge un ruolo fondamentale nel trasferimento di energia all'interno delle vie metaboliche.

∆G negativo dell'idrolisi del suo gruppo fosforico, viene utilizzato nelle reazioni accoppiate per favorire la formazione dei prodotti.

Fosforilazione a livello del substrato

La capacità dell'ADP di fungere da accettore di gruppi fosforici da parte di composti fosforilati dotati di potenziale di trasferimento maggiore è alla base della fosforilazione a livello del substrato.

Questo meccanismo consente di generare ATP al di fuori della catena respiratoria ed è responsabile della resa energetica, ad esempio, dell'ossidazione del glucosio a piruvato.

NADH, NADPH, FADH

Molte reazioni metaboliche coinvolgono il trasferimento di elettroni (reazioni di ossidoriduzione).

Questi elettroni sono ottenuti nelle reazioni di ossidazione tipiche del catabolismo e trasferiti ai coenzimi nicotinammide adenin dinucleotide (FADH) e flavin adenin dinucleotide (NADH).

FADH e NADH esistono in due stati: la forma ossidata (NAD+) e quella ridotta (NADH+H+). Gli elettroni vengono ceduti

nelle reazioni di riduzione ad accettori elettronegativi (come l'ossigeno). Trasferimento di elettroni mediato dal NAD+. La reazione di riduzione: NAD+ + 2H -> NADH + H+ consente il trasferimento di due elettroni (e due protoni). Il metabolismo dei carboidrati. La degradazione enzimatica delle sostanze nutritive principali, carboidrati, lipidi e proteine, procede attraverso una serie di reazioni enzimatiche che hanno lo scopo ultimo di generare energia chimica. Questa energia viene utilizzata per tutte le reazioni cellulari, ivi comprese quelle anaboliche (biosintesi). Il catabolismo dei carboidrati: la glicolisi. La glicolisi è propriamente la via di degradazione del glucosio (a 6 atomi di C) a piruvato (a tre atomi di C). In condizioni anaerobie, il piruvato sarà ridotto ad acido lattico (fermentazione lattica). In condizioni aerobiche, il piruvato sarà usato per generare acetil-CoA (a due atomi di C) che entrerà nel ciclo di Krebs. La resa energetica della

La fermentazione produce 2 ATP per molecola di glucosio, mentre l'ossidazione completa del glucosio nella respirazione produce molto di più: 32 ATP per molecola di glucosio. La glicolisi è composta da tre serie di reazioni interdipendenti:

1. La via del carbonio, che degrada lo scheletro carbonioso del glucosio a 6 C in due molecole a 3 C.
2. La via del fosfato, che trasferisce fosfato inorganico (Pi) ad ADP per generare ATP.
3. La via degli elettroni, che ossida e trasferisce elettroni all'accettore NAD+.

Queste tre serie di reazioni sono organizzate in due fasi principali:

1. La fase di preparazione, in cui vengono investiti 2 ATP per generare il Fruttosio 1,6-difosfato.
2. La fase di recupero, in cui si generano due piruvato e si producono 4 ATP.

La fase di preparazione inizia con la fosforilazione del glucosio a glucosio-6-P, da parte degli enzimi esochinasi o glucochinasi.

converte il glucosio in glucosio-6-P. È presente principalmente nel fegato e nel pancreas ed è regolata dall'insulina. La sua attività è importante per la regolazione dei livelli di glucosio nel sangue. La fosfofruttochinasiLa fosfofruttochinasi è l'enzima chiave della glicolisi. Catalizza la fosforilazione del fruttosio-6-P a fruttosio 1,6-difosfato utilizzando ATP come donatore di fosfato. Questa reazione richiede energia e rappresenta il secondo investimento di ATP nella glicolisi. L'aldolasi e la fosfato isomerasiL'aldolasi è l'enzima responsabile della scissione dell'esoso fosforilato (fruttosio 1,6-difosfato) in due molecole di gliceraldeide 3-P. Questa reazione è fondamentale per la continuazione della glicolisi. La fosfato isomerasi è l'enzima che catalizza la conversione delle due molecole di gliceraldeide 3-P in due molecole di diidrossiacetone fosfato. Questa reazione permette alla glicolisi di proseguire e di generare energia. In conclusione, la glicolisi è una via metabolica fondamentale per la produzione di energia nelle cellule. Attraverso una serie di reazioni enzimatiche, il glucosio viene convertito in due molecole di piruvato, generando ATP e NADH. La glicolisi può avvenire sia in presenza di ossigeno (glicolisi aerobica) che in assenza di ossigeno (glicolisi anaerobica).

è presente nel fegato e non è inibita dal glucosio-6-P. Questa differenza rispecchia i differenti metabolismi cellulari: il fegato è il principale regolatore della glicemia, quindi deve essere in grado di operare la glicolisi in risposta non solo al fabbisogno energetico ma anche alla concentrazione di glucosio del sangue.

Il fruttosio-6-P nell’utilizzo degli esosi. Il fruttosio-6-P rappresenta l’intermedio comune all’utilizzazione di zuccheri diversi dal glucosio. Il fruttosio entra nella glicolisi come fruttosio-6-P a seguito della fosforilazione da parte della fruttochinasi. Il mannosio viene fosforilato a mannosio-6-P dalla esochinasi e poi convertito a fruttosio-6-P da una specifica isomerasi. Quindi, anche l’ingresso di zuccheri diversi dal glucosio richiede sempre un passaggio di fosforilazione.

La fase di rendimento. A partire da ciascuna delle due molecole di gliceraldeide-3-P sono generate due molecole di ATP. Il passaggio chiave è

l'aggiunta di un fosfato per dare 1,3-difosfoglicerato. Questa reazione è operata da una deidrogenasi specifica e la sua importanza è che l'energia ottenuta dall'ossidazione del gruppo aldeidico viene conservata nel legame del gruppo fosforico. Gli elettroni generati dall'ossidazione sono trasferiti al NAD+ per dare NADH+H+ (che verrà usato alla fine della via glicolitica). Il prodotto 1,3-difosfoglicerato è un composto fosforilato ad alta energia che viene generato senza consumo di ATP. Nelle tappe successive si hanno due fosforilazioni a livello del substrato. La prima (catalizzata dalla fosfoglicerato chinasi) trasferisce uno dei due gruppi fosfato dell'1,3-difosfoglicerato all'ADP formando ATP e 3-fosfoglicerato. Il secondo gruppo fosfato viene spostato da una mutasi dal C3 al C2 formando il 2-fosfoglicerato, che può essere convertito in fosfoenolpiruvato dell'enolasi. Il fosfoenolpiruvato può adesso funzionare.da donatore di un gruppo fosforico all'ADP, nella seconda fosforilazione a livello del substrato (catalizzata dalla piruvato chinasi) per generare ATP e piruvato. Alla fine si generano quindi 4 ATP (due per ogni gliceraldeide-3-P presente all'inizio) e 2 molecole di piruvato. Una reazione accoppiata permette il completamento della glicolisi. L'ossidazione della gliceraldeide-3-P a 1,3-difosfoglicerato ha un ∆G di reazione leggermente positivo (+1.5 kcal x mol-1), per cui potrebbe procedere anche in senso inverso (che ha invece un ∆G di pari valore ma negativo), rallentando la glicolisi. L'enzima che catalizza il passaggio successivo (fosfoglicerato chinasi) ha però un'affinità molto elevata per l'1,3-difosfoglicerato, e lo sottrae così alla deidrogenasi. La fosforilazione a livello del substrato della chinasi ha invece un ∆G fortemente negativo (-4,5 kcal x mol-1), quindi procede rapidamente. Il ∆G finale è quindi (-4,5+1,5) = -3 kcal x mol-1.-3 kcal x mol^-1. Questo accoppiamento rende perciò possibile il proseguimento della glicolisi. Destino del piruvato in condizioni anaerobiche: Fermentazione lattica In condizioni anaerobiche, la glicolisi procede riducendo il piruvato a lattato (fermentazione lattica). Gli elettroni necessari sono forniti dal NADH+H+ generatosi nella fase di rendimento. Fermentazione alcolica In alcuni lieviti (ad es. birra) avviene invece la fermentazione alcolica, in cui il piruvato è prima decarbossilato (perde 1 C) ad acetaldeide (+ CO2) che viene poi ridotta (usando il NADH+H+) a etanolo. Destino del piruvato in condizioni aerobie: l'Acetil CoA In condizioni aerobiche, il piruvato è importato all'interno dei mitocondri. Qui, il complesso della piruvato deidrogenasi, opera una decarbossilazione, in cui il piruvato a 3C viene trasformato in acetil-CoA (a 2C) + CO2. Gli elettroni generati sono ceduti al NAD+. L'acetil-CoA così formato entra nel ciclo di

Krebs.Bilancio energetico della glicolisi

Nella glicolisi abbiamo visto il trasferimento di 2 fosfati da ATP ad un esoso (glucosio e fruttosio) e di due fosfati dall'acido fosforico a due triosi (gliceraldeide-3-P). Questi 4 fosfati vengono poi donati nuovamente all'ADP per formare 4 ATP. Dato che due ATP erano stati consumati, il bilancio netto è di 2 ATP.

Il passaggio chiave che consente il guadagno energetico è l'utilizzo del fosfato inorganico (dall'acido fosforico) per generare l'1,3-difosfoglicerato. La delucidazione di questo meccanismo ha fornito la prima prova che l'energia derivata dall'ossidazione di una molecola organica può essere conservata sotto forma di ATP.

L'ossidazione completa del piruvato attraverso il ciclo di Krebs, invece, rilascia tutta l'energia disponibile del glucosio. La differenza è notevole: circa 15 volte, come si vede confrontando i ∆G complessivi della fermentazione e

dell'ossidazione completa: Glucosio → 2 Lattato, ∆G = -47 kcal x mol-1

Glucosio + 6 O2 → 6CO2 + 6H2O, ∆G = -686 kcal x mol-1

La gluconeogenesi riparte dal piruvato

La biosintesi del glucosio nel fegato inizia con il piruvato, che quindi costituisce non solo un intermedio da cui si ricava energia nella respirazione ma anche il precursore del glucosio neosintetizzato. Perché la gluconeogenesi inizi, il piruvato deve trovarsi nel mitocondrio. Qui, invece che essere decarbossilato ad acetil-CoA, il piruvato può venire carbossilato (acquista 1 C) dalla piruvato carbossilasi (usando 1 ATP) generando ossalacetato.

L'ossalacetato è un importante intermedio del ciclo di Krebs, quindi la reazione della piruvato carbossilasi serve sia a rifornire il ciclo (reazione anaplerotica) sia a generare intermedi per l'anabolismo.

Lo shuttle del malato

L'ossalacetato normalmente è convogliato nel ciclo di Krebs, quindi è importante ch