(Questa presentazione non è ancora completa e definitiva) Il metabolismo (Questa presentazione non è ancora completa e definitiva)

Questo tabellone si può trovare appeso in un laboratorio di chimica biologica, si tratta di una mappa metabolica, ossia uno schema che mostra le relazioni biochimiche fra i metaboliti principali. Notiamo molte frecce disposte in serie: sono le vie metaboliche. Alcune di esse sono cicliche, ossia terminano ed iniziano con lo stesso composto.

Quante reazioni! Niente paura: noi ci occuperemo solo di alcuni semplici esempi di vie metaboliche, perché lo scopo che ci proponiamo è principalmente quello di provare ad entrare nella logica delle attività cellulari, utilizzando molto di ciò che abbiamo imparato finora..

..sappiamo già molte cose: L’energia, l’equilibrio chimico, le biomolecole, le cellule, il trasporto, gli enzimi, questi sono tutti strumenti che dovremo tenere a mente, e che anzi trovano nel metabolismo una fondamentale applicazione.

Ogni cellula ha il suo metabolismo Da una parte sarà importante comprendere le differenze ma anche le analogie di base nel funzionamento delle cellule di organismi diversi, dall’altra applicheremo le conoscenze in particolare al metabolismo dei mammiferi, classe di vertebrati alla quale apparteniamo come specie umana.

Le cellule hanno bisogno di energia Incominciamo con il metabolismo energetico, ossia l’insieme delle trasformazioni chimiche finalizzate all’ottenimento di energia. Per comprenderne bene il significato incominciamo dalla fine, ossia poniamoci il problema: come fanno le cellule a svolgere attività endoergoniche (con ΔG > 0)?

Gli organismi sono sistemi ordinati Ormai non abbiamo nessun dubbio sul fatto che i sistemi viventi svolgono attività endoergoniche, in particolare sappiamo che la componente entropica dell’energia libera è molto influente nella costruzione (struttura) e nel comportamento (funzione) di ogni organismo.

Le principali funzioni endoergoniche: 1) la biosintesi (anabolismo) 2) il trasporto “contro gradiente” (attivo) 3) la contrazione muscolare (negli animali)

L’idrolisi dell’ATP ha un ΔG° = -7,3 kcal/mol L’ATP è la molecola che le cellule utilizzano per la maggior parte delle loro funzioni endoergoniche: ATP + H2O → ADP + Pi + 7,3 kcal Questo processo di idrolisi viene accoppiato ad una trasformazione endoergonica per mezzo di una proteina specifica (ad es. un enzima).

Facciamo un esempio.. Consideriamo la reazione (indeterminata) A ↔ B (ΔG° = + 4 kcal/mol) Come si vede è una reazione endoergonica. L’enzima che catalizza questa reazione ha una struttura tale da poter lavorare solo operando allo stesso tempo anche l’idrolisi dell’ATP (si dice che è un’ATPasi).

La somma delle due reazioni: A + 4 kcal → B ATP + H2O → ADP + Pi + 7,3 kcal __________________________________ ATP + H2O + A + 4 kcal → ADP + Pi + B + 7,3 kcal Qual è il bilancio energetico complessivo di questa catalisi? Basta sommare i due valori di ΔG°: + 4 kcal/mol – 7,3 kcal/mol = - 3,3 kcal/mol La catalisi complessiva è esoergonica! Abbiamo trasformato A in B consumando un ATP.

L’idrolisi di ATP “sposta” l’equilibrio Sappiamo che il ΔG dipende dalle concentrazioni delle varie sostanze della reazione. Ora affermiamo che l’idrolisi di ogni ATP sposta l’equilibrio delle reazioni accoppiate di un fattore 108: in altre parole la costante di equilibrio diventa 100 000 000 di volte più grande se viene idrolizzato 1 ATP, e questo significa che all’equilibrio i prodotti sono molto più abbondanti.

Ma chi è l’ATP? L’ATP appartiene alla classe di biomolecole che ancora non abbiamo studiato: gli acidi nucleici. Attenzione! La funzione più conosciuta degli acidi nucleici è la gestione dell’informazione genetica. La funzione energetica dell’ATP è del tutto distinta da quella genetica: non dobbiamo confondere le due funzioni, anche se hanno delle molecole in comune. Questo fatto dimostra un evidente caso di opportunismo cellulare: e non è finita, è possibile trovare altre funzioni ancora dell’ATP!

I nucleotidi L’ATP è un nucleotide. Il nome deriva dal fatto che l’ATP, insieme ad altri nucleotidi, è fra l’altro un monomero del DNA e dell’RNA, gli acidi nucleici per l’appunto. Ogni nucleotide è formato da tre componenti: - 1 monosaccaride (ribosio o desossiribosio) - 1 composto chiamato “base azotata”, che può essere di diverse specie - 1 parte fosforica (1, 2 o 3 gruppi fosfato) Vediamo questa struttura…

La struttura dell’ATP La base azotata (in blu) si chiama adenina. Il termine adenosina indica l’unione della base azotata e dello zucchero.

La fosforilazione Dopo aver compreso che l’ATP fornisce energia per le esigenze cellulari, ci dobbiamo chiedere: come si forma l’ATP? In realtà abbiamo già imparato che la formazione di ATP a partire da ADP si chiama fosforilazione. ADP + Pi + 7,3 kcal → ATP + H2O L’energia necessaria per questo processo endoergonico può essere fornita in tre modi diversi.

Tre tipi di fosforilazione 1) Fotofosforilazione: dipende dall’assorbimento di energia solare da parte dei pigmenti fotosintetici, come la clorofilla. 2) Fosforilazione a livello del substrato: alcune tappe del catabolismo ossidativo sono esoergoniche, e forniscono direttamente mediante accoppiamento enzimatico l’energia per la fosforilazione. 3) Fosforilazione ossidativa: altre tappe esoergoniche forniscono l’energia per la formazione di intermedi, l’NADH, ed il FADH2, i quali all’interno dei mitocondri vengono a loro volta utilizzati per la fosforilazione. Questo tipo di fosforilazione richiede la disponibilità di ossigeno.

L’NADH Impariamo a conoscere questo importante intermedio. La sigla significa: Nicotin-amide Adenina Dinuclotide. L’NADH è la forma ridotta, l’NAD+ è la forma ossidata. La reazione con la quale il composto libera la sua energia è la seguente: NADH + H+ + ½ O2 ↔ NAD+ + H2O (ΔG° = - 52,6 kcal/mol) Questa reazione esoergonica è un’ossidazione. La reazione inversa, la riduzione del NAD+, è endoergonica.

Il FADH2 Il Flavin-Adenina-Dinucleotide è un coenzima, del tutto analogo al NADH. La reazione di ossidazione è la seguente: FADH2 + D ↔ FAD + DH2 La lettera “D” rappresenta un donatore di atomi di idrogeno.

Il catabolismo ossidativo Questa espressione comprende i vari processi finalizzati all’estrazione di energia chimica dalle biomolecole. I lipidi, i carboidrati, le proteine, sono le molecole di partenza del catabolismo ossidativo. La scelta del “combustibile” non è casuale, ma avviene in funzione dell’ottimizzazione dell’attività di ogni cellula in ogni sua fase.

Il glucosio Questa molecola, che conosciamo bene, è un intermedio centrale nel flusso di energia. Osserviamo lo schema seguente: CO2 → glucosio → CO2 Le due frecce di questo schema rappresentano due importanti capitoli del metabolismo: la fotosintesi, la respirazione cellulare.

La fotosintesi è prerogativa di alcuni organismi, le piante. Il glucosio prodotto nelle foglie viene successivamente utilizzato anche in tutti gli altri organi della pianta: il glucosio fornisce materiale organico per le funzioni anaboliche, oppure restituisce l’energia chimica, che viene utilizzata per diversi scopi (anabolismo, trasporto di membrana).

L’ossidazione del glucosio La seconda freccia rappresenta la demolizione del glucosio fino a CO2, allo scopo di ottenere energia (ATP). Ciò si verifica in tre fasi: 1) La glicolisi 2) Il ciclo di Krebs (o dell’acido citrico) 3) La fosforilazione ossidativa

La glicolisi La glicolisi è una via ubiquitaria, avviene praticamente in tutte le cellule. La sede della glicolisi è il citosol. La glicolisi comprende 10 enzimi, ossia 10 tappe successive. Noi ci limitiamo ad osservare il risultato complessivo di questa via, mettendo in evidenza tre tipi di trasformazioni: 1) il glucosio (6C) viene diviso in due molecole di acido piruvico (3C) (fase esoergonica) 2) due ATP vengono prodotti a livello del substrato 3) due NADH si formano a partire da NAD+.

In simboli: ACIDO PIRUVICO GLUCOSIO Esercizio: com’è cambiato il numero di ossidazione (medio) degli atomi di carbonio?

L’equazione della glicolisi Glucosio → 2 CH3COCOOH + 4 H 2ADP + 2Pi → 2 ATP + 2 H2O 2 NAD+ + 4 H → 2 NADH + 2 H+ (ΔG° totale = - 20,4 kcal/mol)

I destini dell’acido piruvico L’acido piruvico che deriva dalla glicolisi può subire trasformazioni molto diverse a seconda della situazione cellulare: 1- entra nei mitocondri per essere completamente ossidato (ciclo di Krebs) 2- viene trasformato in etanolo, ad esempio nei lieviti (fermentazione alcolica) 3- viene trasformato in acido lattico (fermentazione lattica)

Nei mitocondri l’acido piruvico diventa gruppo acetile L’acido piruvico che deriva dalla glicolisi, prima di entrare nel ciclo di Krebs subisce una decarbossilazione ossidativa, ossia perde un atomo di carbonio sotto forma di CO2, e diventa un gruppo acetile (il nome deriva dall’acido acetico CH3COOH): ΔG° = - 8,0 kcal/mol Poi si forma un legame fra il gruppo acetile ed un coenzima, ossia una molecola necessaria per l’attività dell’enzima. È importante notare che questa reazione comporta la riduzione di un NAD+.

Il ciclo di Krebs A questo punto il gruppo acetile viene trasferito ad una sostanza che si trova nella matrice mitocondriale, l’acido ossalacetico. Acetil-CoA + acido ossalacetico (4C) acido citrico (6C) + CoA Questa è la prima tappa, ora vedremo l’equazione complessiva del ciclo, il quale nel suo insieme comprende 8 enzimi. L’ultimo di essi produce lo stesso acido ossalacetico dal quale siamo partiti, per questo motivo la via si considera ciclica. Ovviamente dobbiamo osservare in particolare il guadagno in termini di ATP, di NADH, di FADH2.

L’equazione complessiva del ciclo di krebs AcetilCoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi + 2 H2O 2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + ATP + H+ + CoA In questa equazione osserviamo in particolare la “resa” del ciclo: vengono prodotti 1 ATP 3 NADH 1 FADH2 I due atomi di carbonio del gruppo acetile sono stati completamente ossidati ad anidride carbonica, e saranno eliminati attraverso la respirazione polmonare.

Questo guadagno va moltiplicato per due Per ogni molecola di glucosio si producono due molecole di acido piruvico, quindi due gruppi acetile. Sia la decarbossilazione ossidativa dell’acido piruvico, sia il ciclo di Krebs devono essere considerati due volte. Facciamo il punto della situazione: Glicolisi → 2 ATP + 2 NADH Formazione di 2 acetilCoA → 2 NADH 2 x Ciclo di Krebs → 2 ATP + 6 NADH + 2 FADH2 Totale: 4 ATP, 10 NADH, 2 FADH2.

NADH e FADH2 forniscono ATP Siamo giunti all’ultima fase della respirazione cellulare: la fosforilazione ossidativa. Essa produce la maggior parte dell’ATP, utilizzando il potenziale energetico di NADH e FADH2, attraverso la “catena di trasporto degli elettroni”.

NADH e FADH2 sono poco stabili Gli elettroni presenti nelle forme ridotte dei due coenzimi, si trovano ad un potenziale energetico elevato. Gli elettroni in realtà compaiono come atomi di idrogeno, ma noi sappiamo che nel calcolo dello stato di ossidazione gli elettroni dell’idrogeno (meno elettronegativo) si considerano appartenenti all’atomo al quale esso si lega: quindi spostare un atomo di idrogeno equivale a spostare un elettrone. Alla fine della catena di trasporto, gli elettroni (atomi di H) si legano all’ossigeno formando l’acqua, raggiungono il loro minimo potenziale energetico e la loro massima stabilità.

L’ipotesi chemio-osmotica La scoperta del meccanismo di collegamento fra trasporto di elettroni e formazione di ATP è una conquista abbastanza recente della biochimica, l’ipotesi fu proposta da Peter Mitchell nel 1961. Vediamo quali sono i punti fondamentali che la descrivono.

L’ossidazione è accoppiata alla creazione di un gradiente - Il trasporto degli elettroni (ΔG < 0) avviene per opera di proteine che si trovano inserite nella membrana mitocondriale interna. - Contestualmente al trasporto di elettroni le proteine attivano uno spostamento di ioni H+ dalla matrice del mitocondrio allo spazio fra le due membrane (ΔG > 0). - Questo trasporto ha due effetti molto evidenti: 1. si crea un gradiente di concentrazione (di pH!) 2. si crea una separazione di cariche elettriche fra i due lati della membrana: il lato interno è negativo, quello esterno positivo; questa differenza genera un potenziale di membrana.

Il gradiente “elettrochimico” Questa situazione si descrive con il termine gradiente elettrochimico, il quale esprime due componenti: - una componente chimica dovuta alla differenza di concentrazione - una componente elettrica dovuta al potenziale di membrana

Gli ioni H+ diffondono all’interno La presenza di un forte gradiente elettrochimico determina una tendenza al ritorno per diffusione (ΔG < 0) degli ioni H+ dallo spazio intermembrana alla matrice interna. Questo passaggio non avviene liberamente, in quanto la membrana è impermeabile a questi ioni. Il passaggio avviene attraverso specifiche proteine di membrana che ora descriveremo.

Le ATPsintetasi Le proteine che consentono la diffusione degli ioni H+ (ΔG < 0) sfruttano questo passaggio esoergonico per fosforilare l’ADP (ΔG > 0) ed ottenere finalmente l’ATP. Per ogni NADH si ottengono 3 ATP, per ogni FADH2 si ottengono 2 ATP.

Quanti ATP in tutto? Ora finalmente possiamo tracciare un bilancio finale della completa ossidazione del glucosio. Riportiamo il guadagno che deriva dalle varie fasi: 4 ATP, 10 NADH, 2 FADH2. Questo significa: 4 + (10 x 3) + (2 x 2) = 38 ATP