Metabolismo, secondo modulo Biochimica

Metabolismo

Nel metabolismo delle cellule e degli organismi avvengono contemporaneamente migliaia di reazioni chimiche. L'energia che serve alla cellula e agli organismi per garantire l'insieme di queste reazioni proviene dall'energia chimica contenuta nei nutrienti presenti negli alimenti. Questo è il motivo per cui gli animali hanno bisogno di nutrirsi.

Nutrienti energetici

I nutrienti energetici sono proteine, polisaccaridi e trigliceridi. Queste molecole complesse possono entrare nelle cellule del nostro organismo solo dopo essere state digerite. La digestione avviene a livello extracellulare e permette di ottenere molecole più semplici (amminoacidi, monosaccaridi e acidi grassi), che possono essere utilizzate dalle cellule come metaboliti biologicamente utili.

I metaboliti sono intercambiabili, ovvero le cellule possono convertire gli aminoacidi in carboidrati, i carboidrati in lipidi, i lipidi in aminoacidi e viceversa. Tuttavia, ciò è limitato agli enzimi che una data specie possiede. Infatti, se non ci sono gli enzimi in grado di trasformare gli aminoacidi in carboidrati, i carboidrati in lipidi, o i lipidi in amminoacidi, l’animale non sarà in grado di convertire un dato metabolita in un altro.

Gli animali, ad esempio, a differenza dei batteri, non sono in grado di trasformare gli acidi grassi in carboidrati, in quanto non possiedono gli enzimi necessari a svolgere questo processo.

Importanza dei metaboliti

Questi metaboliti (amminoacidi, monosaccaridi e acidi grassi) sono importanti in quanto forniscono alla cellula l’energia chimica di cui essa ha bisogno. Inoltre, i lipidi possono essere utilizzati per formare fosfolipidi di membrana o molecole segnale (es eicosanoidi); i carboidrati possono essere utilizzati per produrre glicoconiugati, fondamentali per l’attività del sistema immunitario; gli aminoacidi vengono utilizzati normalmente per la produzione di proteine e solo in alcuni casi vengono utilizzati per produrre carboidrati o lipidi.

Il D-glucosio

Il D-glucosio è il monosaccaride più importante della biologia, è il metabolita energetico più versatile e più utilizzato nel metabolismo cellulare.

• Dal glucosio è possibile ottenere piruvato attraverso la glicolisi, una via metabolica costituita da 10 diverse reazioni enzimatiche. La via opposta della glicolisi, la gluconeogenesi, ci permette di ottenere glucosio a partire dal piruvato.
• Dal glucosio si possono ottenere le glicoproteine, l’acido sialico, gangliosidi.
• Dal glucosio si possono ottenere proteine importanti per il collagene, come i glicosaminoglicani.
• Attraverso la via del pentoso fosfato (via alternativa alla glicolisi), è possibile ottenere NADPH e convertire zuccheri esosi (a 6 atomi di carbonio) in pentosi (a 5 atomi di carbonio). Per cui, dal glucosio è possibile ottenere il ribosio 5-fosfato, utilizzabile per la sintesi di nucleotidi e acidi nucleici (DNA e RNA).
• Il glucosio, attraverso glicogenosintesi, può trasformarsi in glicogeno, che rappresenta la sua forma di deposito intracellulare. La via opposta alla glicogenosintesi è la glicogenolisi (da glicogeno a glucosio).
• Il glucosio può trasformarsi in glicerolo-3-fosfato, fondamentale per la sintesi dei trigliceridi, che rappresentano la forma di deposito degli acidi grassi.

Ruolo degli amminoacidi

Gli amminoacidi possono essere utilizzati per formare la creatina e la creatina fosfato, una molecola organica formata dall'unione della creatina con un gruppo fosfato. L’enzima che fosforila la creatina è la creatina chinasi (CK).

• L’arginina, ad esempio, è il precursore dell’ossido nitrico, un mediatore di processi importanti come la vasodilatazione e la trasmissione degli impulsi nervosi.
• L’alanina, per esempio, diffonde nel circolo sanguigno, grazie al quale raggiunge il fegato. Qui il gruppo amminico dell'alanina viene trasferito all'α-chetoglutarato a dare rispettivamente piruvato e glutammato; il piruvato entra nella gluconeogenesi e viene utilizzato per la produzione di glucosio.
• Gli amminoacidi possono essere utilizzati per produrre acidi nucleici.
• Gli amminoacidi possono essere utilizzati per produrre ormoni, come le catecolamine.
• Gli amminoacidi possono essere catabolizzati per ricavare composti ricchi di energia. Il catabolismo degli amminoacidi produce però ammoniaca, un composto altamente tossico che viene rapidamente convertito in urea, un composto estremamente solubile in H₂O che non danneggia l’organismo ed eliminabile attraverso le urine. Il ciclo metabolico che si occupa di trasformare l’ammoniaca in urea è il ciclo dell’urea.

Energia e processi metabolici

Per quanto riguarda l’energia, la glicolisi viene accoppiata al TCA (ciclo degli acidi tricarbossilici, noto anche come Ciclo di Krebs), il quale permette alla cellula di ossidare completamente il carbonio presente in nutrienti energetici rilasciando CO₂ e producendo energia metabolica sotto forma di ATP.

Un’altra via metabolica che studieremo è la catena respiratoria, anche detta fosforilazione ossidativa, che è il processo attraverso cui gli elettroni estratti dai nutrienti energetici vengono convogliati verso l’O₂ a formare H₂O. Questo processo permette di ricavare l’ATP di cui la cellula ha bisogno per le sue svariate attività.

Definizione di metabolismo

L’insieme delle reazioni chimiche che si svolgono all’interno di ogni organismo vivente prende il nome di metabolismo. Ognuna di queste reazioni è mediata da uno specifico enzima.

Fasi del metabolismo

Il metabolismo è costituito da due fasi:

• Catabolismo, o fase degradativa, in cui molecole complesse derivanti dall’alimentazione vengono trasformate in molecole più semplici.
• Anabolismo, o fase biosintetica, in cui molecole semplici vengono unite tra loro per costruire molecole più complesse.

Le vie cataboliche generano energia, parte della quale viene conservata sotto forma di ATP e di trasportatori di elettroni in forma ridotta (NADH, NADPH e FADH₂); la parte rimanente viene rilasciata sotto forma di calore. Uno dei processi catabolici per eccellenza è la glicolisi. Le reazioni anaboliche hanno bisogno di energia, per cui hanno bisogno di consumare ATP, NADH, NADPH e FADH₂. Una volta consumate si ottengono ADP + HPO₂^- (fosfato), NAD⁺, NADP⁺ e FAD.

Processi endoergonici ed esoergonici

Gran parte dei processi che permettono ad un sistema vivente di sopravvivere e riprodursi sono endoergonici, per cui richiedono energia, e non sono spontanei, per cui hanno un ΔG>0.

Questi processi sono resi spontanei attraverso l’accoppiamento con processi altamente esoergonici, cioè che liberano energia. In base al primo principio della termodinamica, se una reazione libera energia, le molecole prodotte devono possedere meno energia dei reagenti, in quantità pari a quella liberata.

• La reazione di combustione del glucosio è un esempio di processo spontaneo esoergonico. Anche nel motore a scoppio avviene una reazione di combustione. Per il motore a scoppio potremmo ipoteticamente utilizzare una miscela di glucosio e ossigeno, perché la quantità di energia che si libera quando facciamo reagire queste sostanze in presenza di una fiamma è in grado di far muovere un pistone verso l’esterno.
• Tuttavia, dal secondo principio della termodinamica sappiamo che non è possibile convertire totalmente l’energia che si libera da un processo esoergonico in energia meccanica; il rendimento di una macchina non può mai essere del 100%.
• In un motore a scoppio siamo in grado di convertire energia chimica in energia meccanica con un rendimento del 25%. Il rendimento in una cellula muscolare, all’interno della quale avviene questo stesso processo di combustione, ma in maniera molto più elaborata di quella che avviene nel motore a scoppio, è pari al 70%. Ciò è possibile in quanto la reazione all’interno della cellula non avviene in un singolo passaggio, ma attraverso una serie di reazioni chimiche controllate da enzimi che nel loro complesso costituiscono la glicolisi.

Schema del processo di combustione del glucosio

L’energia in eccesso dei reagenti, quindi, non viene liberata tutta insieme, come in un motore a scoppio, ma poca alla volta, in modo da evitare brusche variazioni di T e P del sistema.

Questo è lo schema del processo che porta alla trasformazione del glucosio in CO₂ e H₂O. Dallo schema possiamo osservare che l’O compare quasi alla fine del processo.

• Vedremo prima la serie di trasformazioni chimiche che dal glucosio portano al piruvato, che nel loro complesso prendono il nome di glicolisi, in cui vengono prodotte 2 molecole di ATP e 2 molecole di NADH, equivalenti a 5 molecole di ATP.
• Successivamente vedremo come il piruvato si trasforma in acetil-CoA attraverso una singola tappa metabolica catalizzata dalla piruvato deidrogenasi, che abbiamo già citato quando abbiamo parlato del beri beri e della pellagra, in quanto questo enzima necessita della tiamina (o vitamina B₁) e della niacina (o vitamina B₃), per poter funzionare; in questa trasformazione da piruvato ad acetil-CoA si producono 2 molecole di CO₂ e 2 di NADH, equivalenti a 5 molecole di ATP.
• Successivamente vedremo come l’acetil-CoA entra nel Ciclo di Krebs, una via metabolica che produce 4 molecole di CO₂, 6 molecole di NADH, equivalenti a 15 molecole di ATP, 2 molecole di FADH₂, equivalenti a 3 molecole di ATP e 2 molecole di GTP, equivalenti a 2 molecole di ATP.

Quindi questa serie di processi che trasformano il glucosio in CO₂ e H₂O è utilizzata per produrre ATP. Per ogni molecola di glucosio è possibile ottenere 32 molecole di ATP.

Fotosintesi

La fotosintesi è un esempio di processo non spontaneo endoergonico. Nelle cellule animali l’energia richiesta dai diversi processi endoergonici che si svolgono al loro interno viene fornita soprattutto dall’ATP e dal NADPH (potere riducente). Nelle piante il surplus energetico per le reazioni endoergoniche viene fornito dall’energia solare.

Glicolisi

Il glucosio è uno zucchero aldoesoso, cioè un monosaccaride a 6 atomi di carbonio che presenta una funzione aldeidica in posizione 1. Esistono due enantiomeri del glucosio: D-glucosio e L-glucosio. Il D-glucosio è quello più diffuso in natura: in questo enantiomero l’ossidrile legato al C5 si trova a destra. La struttura aperta del glucosio è in equilibrio con due strutture cicliche a sei atomi, che si formano nel momento in cui il gruppo aldeidico in posizione 1 reagisce con l’ossidrile che si trova in posizione 5.

Configurazioni del glucosio

Sono possibili 2 configurazioni del glucosio chiuso: la configurazione alfa e la configurazione beta. La differenza tra glucosio alfa e glucosio beta è che nel glucosio alfa l’ossidrile anomerico si trova sul lato opposto di quello del gruppo CH₂OH, mentre nel glucosio beta l’ossidrile anomerico si trova sullo stesso lato di quello del gruppo CH₂OH. La struttura ciclica è più stabile di quella aperta.

La glicolisi è un processo catabolico, citosolico e ubiquitario, composto da 10 tappe enzimatiche, attraverso il quale una molecola di glucosio viene scissa in 2 molecole di piruvato al fine di generare molecole a più alta energia. Per ogni molecola di glucosio trasformata in acido piruvico è possibile ottenere 2 molecole di ATP e 2 molecole di NADH.

Sebbene gli acidi grassi, a parità di massa, forniscano più energia rispetto ai carboidrati (poiché sono più ridotti e più una molecola è ridotta e maggiore è la quantità di energia che può rilasciare), i monosaccaridi sono la fonte di energia privilegiata perché essi, e in particolare il glucosio, possono essere degradati sia in presenza che in assenza di ossigeno. Gli acidi grassi invece non possono essere metabolizzati quando l’ossigeno è scarso o assente. Nelle cellule muscolari, ad esempio, la glicolisi acquista un ruolo importante quando la concentrazione di ossigeno al suo interno diminuisce.

Negli animali è la sola via metabolica in grado di produrre ATP in assenza di ossigeno. La glicolisi, infatti, può avvenire sia in presenza che in assenza di ossigeno. In presenza di ossigeno, dopo la glicolisi, avviene la formazione dell'acetil-CoA, il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa, attraverso la quale è possibile ricavare 5 molecole di ATP a partire da 2 molecole di NADH. In assenza di ossigeno, dopo la glicolisi, avvengono i processi fermentativi che riossidano il NADH.

Glicolisi anaerobia

La glicolisi anaerobia è importante soprattutto nelle cellule in cui il numero dei mitocondri, sede della fosforilazione ossidativa, è scarso (es globuli rossi e alcuni leucociti), per cui non sono in grado di riossidare il NADH utilizzando l’ossigeno come accettore finale degli elettroni che esso porta. Se la cellula non ha abbastanza NAD⁺, il processo glicolitico si arresta. Questo è il motivo per cui la cellula ha bisogno di ripristinare il NAD⁺ e per farlo ha due strade. La prima è la fosforilazione ossidativa, mentre l’altra è la fermentazione omolattica, una tappa singola catalizzata dall’enzima lattato deidrogenasi.

La velocità della glicolisi dipende dalla richiesta di ATP. Maggiore è la richiesta e maggiore è la velocità. La glicolisi comprende due fasi:

• Fase d’investimento (1-5), in cui la cellula investe 2 molecole di ATP (1 e 3) per fosforilare il glucosio e ottenere una molecola di fruttosio 1,6 bisfosfato, che si scinderà portando alla formazione di 2 molecole di gliceraldeide 3-fosfato.
• Fase di rendimento (6-10), nella quale la cellula produce 4 molecole di ATP (7 e 10) e 2 molecole di NADH (6).

La glicolisi non produce molecole diverse dall’acido piruvico, in quanto gli enzimi che catalizzano le varie reazioni sono in grado di reagire in modo stereospecifico con ciascun substrato e trasformarlo nel prodotto desiderato. La glicolisi non è un processo reversibile: non possiamo passare dal piruvato al glucosio ripercorrendo tutte e 10 le tappe della glicolisi nella direzione opposta. È possibile passare dal piruvato al glucosio attraverso la gluconeogenesi, che condivide con la glicolisi solo alcune tappe reversibili.

Prima tappa della glicolisi

Prima tappa: Il glucosio (Glu) viene fosforilato a glucosio-6-fosfato (G6P) dall’enzima esochinasi, che utilizza ATP come donatore di fosfato, idrolizzandolo ad ADP. Questa tappa è irreversibile perché l’energia di idrolisi del gruppo fosforico dell’ATP è maggiore di quella del G6P. ΔG<0

L’esochinasi (HK) è un enzima magnesio-dipendente appartenente alla classe delle transferasi. In particolare, è una chinasi, quindi un enzima in grado di trasferire un gruppo fosfato da una molecola ad alta energia ad un substrato accettore. In questo caso il gruppo fosfato viene trasferito dall’ATP al glucosio. L’esochinasi per svolgere la sua funzione lega nel suo sito di legame l’ATP e il glucosio collocandoli in modo che le parti delle molecole che devono reagire si trovino nella posizione più adatta per farlo.

Il semplice avvicinamento fra i due substrati porta alla rottura del legame fosfoanidridico, che unisce il fosfato all’ATP, e alla formazione del legame fosfoestere, che unisce il fosfato al glucosio.

L’esochinasi presenta un’istidina (amminoacido basico, indicato in figura con B) che toglie il protone dell'ossidrile alcolico dello zucchero, permettendo così la formazione del legame fosfoestere. In questa reazione non si ha l’idrolisi dell’ATP, in quanto il legame fosfoanidridico non viene rotto dall’acqua, ma è l’ossigeno alcolico del glucosio che attacca il fosfato e lo libera dall’ATP (avviene una sostituzione nucleofila).

Tipologie di esochinasi

• Le esochinasi I, II e III fosforilano gli esosi (con maggiore affinità per il glucosio) e vengono espresse in modo ubiquitario nel corpo. Parametri cinetici sul glucosio:
  • K_m = 0,2 mM -> la K_m è la costante associabile all’affinità dell’enzima per il substrato, in questo caso il glucosio. L’esochinasi presenta un’ottima affinità per il glucosio e si semisatura a una concentrazione di circa 0,2 mM. La concentrazione normale del glucosio nel sangue è circa 5 mM, un valore superiore alla K_m dell’enzima, per cui l’enzima opera in condizioni di saturazione.
  • V_max= 0,1 μM/min.
• La glucochinasi o esochinasi IV è specifica per il glucosio e viene espressa dagli epatociti e dalle cellule beta del pancreas. Parametri cinetici sul glucosio: K_m = 10 mM, V_max = 0,1 μM/min.

Differenze tra GLU e G6P

• Il GLU è un composto neutro, mentre il G6P è un composto carico.
• Il G6P, a differenza del GLU, non è in grado di attraversare la membrana cellulare. Il passaggio del glucosio attraverso la membrana è consentito da una serie di proteine presenti sulla membrana cellulare. Tra queste troviamo i trasportatori GLUT, una famiglia di proteine di membrana che consentono la diffusione facilitata del glucosio. La diffusione facilitata è un tipo di trasporto che non richiede energia in quanto avviene secondo gradiente di concentrazione. Una volta accumulatosi nella cellula, il glucosio può uscire attraverso il GLUT, ma il G6P no. In questo modo la cellula impedisce al metabolita entrato di uscire.

Dal punto di vista termodinamico questo processo è spontaneo in quanto il legame fosfoanidridico idrolizzandosi libera più energia di quanta se ne liberi dall’idrolisi del legame fosfoestere. Il glucosio si trasforma in Glucosio-6-fosfato (G6P) inseguito ad una reazione di condensazione. Dal punto di vista termodinamico questa reazione non è spontanea (ha un ΔG è maggiore di 0) ed è endoergonica. I processi endoergonici per poter avvenire devono accoppiarsi a processi esoergonici. Il processo esoergonico per eccellenza è l’idrolisi dell’ATP.