Terzo parziale biochimica metabolismo

Introduzione al metabolismo

I processi metabolici sono divisibili in due vie:

• Vie cataboliche: i processi catabolici consistono nella ossidazione/demolizione di sostanze nutrienti assunte soprattutto durante l’alimentazione (carboidrati, lipidi, proteine) in strutture più semplici (monomeri) per ricavare energia sotto forma di molecole di ATP (molecola per eccellenza per assunzione di energia) e trasportatori di elettroni quali NADH, NADPH e FADH₂.
• Vie anaboliche: i processi anabolici (detti anche vie di sintesi) hanno meccanismo contrario, ossia consistono nella formazione di polimeri (molecole di grandi dimensioni) a partire da piccoli monomeri richiedendo energia.

Tra le vie cataboliche e anaboliche troviamo le vie intermedie, in cui si ritrovano i metaboliti intermedi con un peso molecolare minore e si formano dal substrato del prodotto; queste producono energia chimica. Il metabolismo energetico è la parte del metabolismo intermedio che consiste nelle vie che immagazzinano e generano energia metabolica; si distinguono le vie metaboliche che chiedono o che producono energia, alla cui base ci sono i valori di ΔG e molecole di ATP e trasportatori di elettroni.

Vie metaboliche principali e intermedi chiave

Il metabolismo è la somma di tutte le reazioni chimiche che avvengono all’interno della cellula di un organismo e quelle che catalizzano ogni reazione metabolica si trovano nella via metabolica. La cellula viene indirizzata ai processi metabolici per esigenze energetiche.

Ci sono delle vie metaboliche specifiche (es. Glucosio che inizia da un precursore specifico per essere convertito in piruvato attraverso una serie di reazioni enzimatiche).

Tre stadi del metabolismo

• Primo stadio: i polimeri (proteine, acidi nucleici, polisaccaridi e lipidi) vengono processati/ossidati in monomeri (amminoacidi, nucleotidi, monosaccaridi e glicerolo e acidi grassi dai lipidi);
• Secondo stadio: con l’intervento del metabolismo intermedio, i composti vengono trasformati in composti sempre più semplici. Infatti i monosaccaridi verranno scissi in glucosio, che intraprende la via metabolica della glicolisi per essere trasformato in piruvato; nell’intermezzo è posta la gliceraldeide trifosfato, intermedio della glicolisi che risulta essere anche un prodotto proveniente dal glicerolo che si crea, insieme agli acidi grassi, dall’ossidazione dei trigliceridi. Il piruvato, prodotto finale della glicolisi, proviene anche dal catabolismo degli amminoacidi. Esso viene ulteriormente ossidato nel ciclo dell’acido citrico (Ciclo di Krebs) e le molecole che si formano in questo ciclo sono caratterizzate dalla presenza di acidi carbossilici. Il piruvato viene quindi trasformato in Acetil CoA, un intermedio che proviene dalla degradazione dei polisaccaridi e dall’ossidazione degli acidi grassi; esso entra nel ciclo dell’acido citrico dove ci sono reazioni ossidoriduttive che portano alla formazione di cofattori ridotti (che trasportano gli elettroni a livello della catena di trasporto elettronico) ossia le molecole di NADH e FADH che una volta adempiuto il loro compito ritornano nella forma ossidata NAD e FAD per poter ricominciare il processo;
• Terzo stadio: associato al processo di trasferimento c’è la sintesi di ATP con la fosforilazione ossidativa.

Reazioni della glicolisi (nel citoplasma)

Fase di investimento (da glucosio a gliceraldeide trifosfato)

• a1 reazione (catalizzata dall’esochinasi): si ha la fosforilazione della molecola di glucosio a glucosio-6-fosfato: la molecola di ATP agisce come donatore del gruppo fosfato, che questa reazione utilizza come co-substrato. Il cofattore è lo ione magnesio ATP₂ che viene aggiunto per favorire il distacco dell’ultimo gruppo fosfato dalla molecola di ATP formando legami di coordinazione anziché rimuovere i gruppi interni. Il gruppo fosfato terminale subisce l’attacco nucleofilo da parte del gruppo ossidrile del glucosio. Si tratta di una reazione esoergonica e irreversibile in quanto ΔG è negativo (-16,7 kJ/mol). Esistono altre chinasi che possono fosforilare il glucosio che vengono chiamate isoenzimi e che catalizzano la stessa reazione mentre vengono codificati da geni diversi; importante è la glucochinasi, che catalizza la stessa reazione ma si trova localizzata negli epatociti ed è chiamata anche esochinasi 4.
• a2 reazione (catalizzata dall’enzima fosfoesoso-isomerasi): il glucosio diventa substrato dell’enzima fosfoesoso isomerasi, che cambia la struttura e agisce sul substrato formando il suo isomero: si crea quindi il fruttosio 6-fosfato, con lo stesso numero di atomi di carbonio che si dispongono in modo diverso per formare un’altra struttura. È una reazione sia reversibile in quanto ΔG è positivo (1,7 kJ/mol) sia una reazione all’equilibrio che può essere spostata sia a destra che a sinistra.
• a3 reazione (catalizzata dalla fosfofruttochinasi): questa reazione stabilisce se la via glicolitica deve proseguire. Il fruttosio-6-fosfato viene trasformato in fruttosio-1,6-difosfato dopo l’aggiunta di un gruppo fosfato da parte della fosfofruttochinasi. La fosfofruttochinasi è un enzima regolatorio (enzimi la cui velocità non viene regolata dalla concentrazione del substrato ma da altri fattori come ad esempio modulatori allosterici come l'ATP, il principale, che blocca la via glicolitica agendo su questo enzima; se c’è una elevata concentrazione di ATP l’enzima viene attivato). Si tratta di una reazione esoergonica e irreversibile con ΔG negativo (-14,2 kJ/mol).
• a4 reazione (catalizzata dall’aldolasi, inverso della condensazione aldolica): il fruttosio-1,6-difosfato diventa substrato della reazione e viene scisso in due triosi (molecole a 3 atomi di carbonio): diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide-3-fosfato. Si tratta di una reazione reversibile, in parte endoergonica ed esoergonica. Il valore di ΔG è alto (23,8 kJ/mol) ma quello reale è -1.3 kJ/mol.
• a5 reazione (catalizzata dalla triosofosfato isomerasi): la molecola di diidrossiacetone fosfato viene trasformata dall’enzima triosofosfato isomerasi nel gliceraldeide 3-fosfato, passando dalla forma chetonica a quella aldeidica. Reazione endoergonica e reversibile, con un guadagno di energia di ΔG 7.5 kJ/mol, comune alla gluconeogenesi.

Fase di rendimento/recupero: tappe di fosforilazione al livello del substrato catalizzate da deidrogenasi; da gliceraldeide trifosfato a piruvato

• a6 reazione (catalizzata dalla gliceraldeide-3-fosfato-deidrogenasi): Si ha la fosforilazione della gliceraldeide-3-fosfato a 1,3-difosfoglicerato. Il gruppo fosfato questa volta non proviene da una molecola di ATP, ma sotto forma di fosfato inorganico. Quest’ultimo attacca il carbonile in una reazione chiamata fosforolisi, che porta alla rottura, in questo caso, del legame tra carbonile (il carbonio nella sua forma più ossidata) e il gruppo sulfidrico della cisteina, amminoacido reattivo presente nel sito catalitico. Questa reazione avviene contemporaneamente alla riduzione di due molecole di NAD a NADH, la quale viene ossidata, durante la respirazione aerobica, dalla catena di trasporto degli elettroni. Questa reazione ha duplice trasformazione, ossia l’ossidazione della molecola di gliceraldeide e, in contemporanea, l’aggiunta di un gruppo fosfato. Si tratta di una reazione reversibile in quanto ha ΔG positivo (6.3 kJ/mol).
• a7 reazione (catalizzata dalla fosfoglicerato chinasi in presenza di ioni magnesio): Il legame del fosfato formatosi sull’1-3-difosfoglicerato viene trasferito su una molecola di ADP che viene ricaricata ad ATP in un processo chiamato fosforilazione a livello del substrato. L’1-3 bifosfoglicerato viene così trasformato in 3-fosfoglicerato. Si avrà una reazione esoergonica, ΔG negativo (-18.5 kJ/mol) e, unendo questa reazione con la 6, si avrà un processo di accoppiamento energetico.
• a8 reazione (catalizzata dalla fosfoglicerato mutasi): la mutasi trasferisce il gruppo fosfato dalla posizione 3 alla 2 ottenendo il 2-fosfoglicerato. Il fosfato rimane legato a un residuo di istidina dell’enzima e viene unito alla molecola di 3-fosfoglicerato (il substrato della reazione), rigenerando il 2,3-bifosfoglicerato. Questo composto permette al residuo di istidina di essere sempre fosforilato. Si avrà una reazione reversibile e ΔG positivo (4,4 kJ/mol).
• a9 reazione (catalizzata dall’enolasi): il 2-fosfoglicerato (substrato di questa reazione) viene convertito in fosfoenolpiruvato dall’enzima enolasi in un processo di deidratazione, in cui un atomo di idrogeno e un gruppo ossidrile del 2-fosfoglicerato vengono ceduti sotto forma di una molecola di H₂O. ΔG positivo (7,5 kJ/mol).
• a10 reazione (catalizzata dalla piruvato chinasi): la piruvato chinasi catalizza la seconda fosforilazione al livello del substrato trasferendo il legame del gruppo fosforico su una molecola di ADP, producendo ATP. Ciò accade con l’attacco nucleofilo dell’ossigeno del fosfato dell’ADP verso l’atomo di fosforo presente sul fosfoenolpiruvato, generando l’enolpiruvato. Quest’ultimo, ad alta energia e instabile, si converte in piruvato con una tautomerizzazione cheto-enolica (formazione di un chetone), ΔG negativo (-31,4 kJ/mol).

Formazione di ATP

• Glucosio + 2NAD⁺ + 2ADP + 2Pi (fosfato inorganico) => 2 piruvato + 2NADH + H⁺ + 2ATP + 2H₂O
• Conversione esoergonica del glucosio in piruvato: Glucosio + 2NAD⁺ => 2 piruvato + 2NADH + 2H⁺, ΔG = 146 kJ/mol
• Formazione endoergonica di ATP: 2ADP + 2Pi => 2ATP + 2H₂O, ΔG = 2 (30,5 kJ/mol)= 61 kJ/mol
• Risultato della somma delle varie reazioni: Δg = -85 kJ/mol

Nella glicolisi viene ricavato solo il 5,2% dell’energia totale del glucosio (ΔG= 2840 kJ/mol)

Glicolisi aerobica

La quantità di energia chimica che può essere estratta dalla molecola del glucosio ed immagazzinata in forma di ATP è molto maggiore rispetto a quanto accade in assenza di ossigeno. La riossidazione delle molecole di NADH attraverso la catena di trasporto degli elettroni mitocondriale permette la produzione di 3 molecole di ATP per ciascuna molecola riossidata attraverso la fosforilazione ossidativa. Si avrà quindi una produzione netta di ATP compresa tra 6 ed 8 molecole per ogni molecola di glucosio ossidata a 2 di piruvato dalla glicolisi e 4-6 dalla fosforilazione ossidativa.

Nella via glicolitica possono entrare altri monosaccaridi derivanti dalla rottura di diversi polisaccaridi, ma devono prima essere trasformati in uno degli intermedi della via glicolitica:

• Lattosio: questo disaccaride viene scisso nei suoi due componenti, glucosio e galattosio; il glucosio può entrare tranquillamente perché precursore; il galattosio viene trasformato invece in glucosio-1-fosfato e poi, attraverso una mutasi, in glucosio 6-fosfato, stessa cosa per l’amido.
• Saccarosio: l’enzima saccarasi lo divide in glucosio e fruttosio e quest’ultimo, a opera della fruttochinasi, viene fosforilato a fruttosio-1-fosfato. Un’aldolasi rompe il legame carbonio-carbonio e apre la molecola formando gliceraldeide e diidrossiacetone fosfato, sui quali interviene una chinasi formando gliceraldeide 3-fosfato.
• Glicogeno e amido: intervengono gli enzimi amilasi, presenti ad esempio a livello salivare o pancreatico, che idrolizzano i legami glicosilici del tipo alfa-1-4 nella catena lineare; le amilasi pancreatiche producono maltosio e maltotrioso; si ha la rottura dei legami alfa1-4 e alfa 1-6 e si forma il glucosio 1-fosfato che, attraverso la mutasi, si trasforma in glucosio-6-fosfato.
• Il mannosio entra nella via glicolitica con esochinasi e mediante isomerasi si trasforma in isomero fruttosio 6-fosfato.

Il glicogeno è caratterizzato da una catena di unità di n-glucosio con legame in parte alfa 1-4 arrivando a legami ramificati alfa 1.6. La fosforilasi attacca, per azione del fosfato inorganico, il residuo terminale del glucosio rilasciando glucosio 1-fosfato (che non è un intermedio della via glicolitica) e generando così una molecola di glicogeno. L'enzima agisce sulla catena di glicogeno fino a quando non raggiunge la catena di ramificazione alfa 1.6. Quando si avvicina alla ramificazione interviene una unità deramificante che elimina le ramificazioni, cosi che l’enzima possa svolgere la sua azione sulla catena lineare.

Metabolismo dei carboidrati

Il glucosio può essere degradato nella glicolisi e ossidato a 2 molecole di piruvato, ma può essere utilizzato anche per altri scopi:

• Tramite ossidazione può prendere, infatti, anche la via dei pentosi fosfati, che serve per le cellule che hanno bisogno di replicarsi per formare dei composti che sono i precursori degli acidi nucleici;
• Può intraprendere la via biosintetica che forma la matrice extracellulare e i polisaccaridi della parete cellulare e forma altri polisaccaridi in quanto si assembla ad altre unità monomeriche per formare strutture più complesse. Si formano nuove cellule che faranno parte della membrana cellulare;
• Il glucosio può essere precursore di glicogeno, amido e saccarosio che possono essere considerati dei composti di polisaccaridi di deposito, utilizzati dalla cellula anche per ricavare energia qualora il soggetto non riceva l’energia direttamente dall’alimentazione (deposito di glicogeno).

Digalattosio

Il digalattosio è un derivante dal lattosio che differisce dal glucosio per l’orientamento del gruppo ossidrilico in posizione 5; la molecola di galattosio passa dall’intestino al sangue e poi al fegato, dove avvengono questi processi. La prima reazione è catalizzata dalla galattochinasi che trasferisce un gruppo fosfato sul substrato in posizione 1, ma per poter entrare nella via glicolitica deve essere trasformato in glucosio. Ciò avviene per azione della UDP-glucosio, che viene usata come trasportatore di molecole di esosio; il galattosio reagisce con l'UDP e si libera il glucosio 1-fosfato attraverso una mutasi convertita nel glucosio 6-fosfato. Le parti successive della reazione consistono nella rigenerazione dell'UDP-glucosio, che sostituisce il galattosio e libera il glucosio 1-fosfato. Quest’ultimo viene convertito quindi nel glucosio-6-fosfato per poter entrare nella via glicolitica. Nelle parti successive l’UDP-galattosio viene epimerizzato, in quanto il carbonio si ossida in posizione 4 formando un gruppo intrachetonico, poi per epimerasi riduce l’atomo di carbonio permettendo l’inversione del gruppo ossidrilico. L’UDP-glucosio viene prodotto nuovamente.