Metabolismo Gli organismi autotrofi (piante verdi e batteri fotosintetici) provvisti di clorofilla o altre molecole fotosensibili, trasformano l energia luminosa in energia chimica, sintetizzando sostanze organiche complesse a partire da molecole semplici come CO 2, H 2 O, NH 3. Gli organismi eterotrofi si nutrono di queste biomolecole, le demoliscono e liberano l energia in esse contenuta, mediante una serie di reazioni biochimiche. L insieme di queste reazioni mediante le quali gli organismi eterotrofi demoliscono le sostanze alimentari liberando energia, viene chiamato catabolismo. Un altra serie di reazioni che viene chiamata anabolismo sfrutta questa energia per sintetizzare le biomolecole necessarie per la vita dell organismo. L insieme delle reazioni anaboliche e cataboliche costituisce il metabolismo. Metabolismo è l insieme di processi biochimici tramite i quali gli organismi viventi utilizzano gli alimenti per ottenere energia, sostanze necessarie alla crescita e materiali di struttura per le cellule. Il processo per il quale il glucosio si forma dalla CO 2 e dall H 2 O a spese dell energia solare è detto fotosintesi. 6 CO 2 + 6 H 2 O + (luce solare) C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 I carboidrati sono i principali metaboliti del regno animale e sono il combustibile fondamentale dei sistemi biologici perché forniscono alle cellule l energia necessaria. I carboidrati durante il processo di combustione (ossidazione) si trasformano in CO 2 e H 2 O con la liberazione dell energia immagazzinata dalla molecola nel corso della fotosintesi. La glicolisi è la reazione inversa alla fotosintesi e riassume la combustione biologica delle molecole alimentari svolta dalla cellula (respirazione cellulare). C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O + (energia) Il termine respirazione viene usato in senso più vasto, fino a comprendere tutti i processi metabolici nei quali l ossigeno viene utilizzato per ossidare tutte le sostanze organiche in CO 2 e H 2 O liberando energia. Gli organismi viventi conservano parte dell energia liberata raccogliendola nei legami fosforici dell ATP; il resto dell energia prodotta dalla respirazione viene sfruttata per riscaldare l organismo, mantenendolo così alla temperatura adatta.
Digestione dei carboidrati Si definisce digestione il processo di idrolisi durante il quale le molecole più grandi si trasformano in molecole più semplici che possono essere assorbite dall organismo. Nell umano la digestione ha luogo nell apparato digerente, mentre l assorbimento avviene soprattutto nell intestino tenue. Il principale carboidrato di cui l uomo si alimenta è l amido; la sua digestione inizia nella bocca dove l enzima ptialina (un α-amilasi) catalizza la sua idrolisi. La ptialina è attiva mentre il cibo percorre l esofago ma viene resa inattiva quando il cibo arriva nello stomaco, a causa l ambiente acido. Nello stomaco la digestione dei carboidrati subisce un rallentamento, perché l idrolisi catalizzata da acidi avviene troppo lentamente alla temperatura corporea, per essere efficace. La zona principale ove avviene la digestione dei carboidrati è l intestino tenue, dove un altra amilasi l amilopsina, trasforma le molecole di glucosio rimanenti in maltosio che poi è scisso in due molecole di glucosio dall enzima maltasi. I disaccaridi, saccarosio e lattosio vengono digeriti completamente nell intestino tenue dove vengono attaccati dagli enzimi saccarasi e lattasi. L idrolisi completa dei disaccaridi e dei polisaccaridi produce tre monosaccaridi: il glucosio, il fruttosio e il galattosio, che vengono assorbiti nel sangue attraverso i villi intestinali. Dopo l assorbimento i monosaccaridi vengono trasportati al fegato dove il fruttosio e il galattosio vengono trasformati enzimaticamente in glucosio, l unico zucchero che può circolare nel sangue. Il glucosio può seguire due strade; passare nel sistema circolatorio per essere trasportato ai tessuti oppure essere rincorporato nel glicogeno e depositato nel fegato, costituendo una riserva per il mantenimento del giusto tasso glicemico. Nei tessuti il glucosio può essere ossidato in CO 2 e H 2 O, trasformato in grasso o convertito in glicogeno muscolare, costituendo una riserva di energia per lo svolgimento delle attività meccaniche. Il livello di glucosio nel sangue è controllato dall ormone insulina che lo trasforma in glicogeno; quando il pancreas non secerne una quantità sufficiente di insulina, sorge il diabete ed il glucosio viene espulso dalle urine. Metabolismo e glicolisi, una visione d insieme La glicolisi (dal greco dolce scissione) viene chiamata via di Embden-Meyorf, è la via metabolica più antica. Breve storia: Intorno al 1850 Louise Pasteur scoprì che le fermentazioni avvengono ad opera di organismi Si pensava che il fenomeno non fosse riproducibile in laboratorio Intorno al 1900 si scopre che nel processo è impiegato del fosforo inorganico Nel 1930 viene scoperta e realizzata in laboratorio tutta la sequenza di reazioni ad opera dei chimici Embden e Meyorf. Il glucosio è trasformato in piruvirato attraverso 10 passaggi, i primi cinque sono definiti fase di investimento energetico (si consumano due moli di ATP) ; i secondi cinque sono definiti fase di
produzione energetica (si producono 4 ATP e 2 NADH). Il guadagno netto della glicolisi è di 2 mol di ATP per ogni mole di glucosio, con la produzione di due moli di piruvirato. Tali reazioni non sono di ossidazione. Il piruvirato è il composto bivio. In totale si ottengono 32 ATP C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 32 ADP 6 CO 2 + 6 H 2 O + 32 ATP L efficienza è circa del 38% il resto dell energia è dispersa sottoforma di calore
Schema sintetico della via di Emden-Meyorf 1) glucosio-6-fosfato (- ATP) 2) fruttosio-6-fosfato 3) fruttosio-1,6-difosfato (-ATP) 4) gliceraldeide-3-fosfato + diidrossiacetonfosfato 5) 2 molecole di gliceraldeide-3-fosfato 6) acido-1,3-difosfoglicerico 7) acido-3-fosfoglicerico (+ATP) 8) acido-2-fosfoglicerico 9) acido-2-fosfoenolpiruvico 10) acido piruvico (+ATP) Schema sintetico ciclo di Krebs Decarbossilazione ossidativa: Acido piruvico CO 2 + Acetil-Co-A Acetil-Co-A + acido ossalacetico acido citrico 1) acido citrico 2) acido cis-aconitico 3) acido isocitrico 4) acido assalsuccinico (+NADH) 5) acido α-chetoglucarico (+CO 2 ) 6) succinil-co-a (+CO 2 + NADH) 7) acido succinico 8) acido fumarico 9) acido (s)malico 10) acido ossalacetico (+NADH)
10 Tappe della glicolisi 1) Fosforilazione Glucosio + ATP cinasi Mg 2+ glucosio-6-fosfato + ADP 2) Isomerizzazione Glucosio-6-fosfato isomerasi fruttosio-6-fosfato La reazione avviene attraverso al formazione dell endiolo intermedio, il glucosio in forma emiacetalica è in equilibrio con la rispettiva forma a catena aperta, che risulta essere un aldeide presentante un idrogeno in posizione α. Si può così formare l equilibrio con la forma enolica, l enolo potrà poi dare nuovamente origine alla forma aldeidica o a quella chetonica (fruttosio).
3) Fosforilazione Identica alla reazione 1 Fruttosio-6-fosfato + ATP cinasi Mg 2+ fruttosio-1,6-difosfato + ADP 4) Degradazione L esoso viene spezzato in due molecole di 3 atomi, è l inverso di una condensazione aldolica, la catena si rompe nel carbonio in β rispetto al gruppo carbonile. aldolasi fruttosio-1,6-difosfato gliceraldeide-3-fosfato + diidrossiacetonfosfato 5) Trasformazione Diidrossiacetofosfato fosfoisomerasi gliceraldeide-3-fosfato La reazione avviene attraverso la formazione dell endiolo intermedio
6) Ossidazione e Fosforilazione deidrogenasi Gliceraldeide-3-fosfato + NAD + 2- + HPO 4 acido-1,3-difosfoglicerico + NADH + H + Si può pensare che la reazione avvenga in due fasi, l ossidazione del gruppo aldeidico ad acido carbossilico e la successiva formazione del legame etereo con il fosforo. In realtà la reazione avviene in un unico stadio, la gliceraldeide-3- fosfato si lega ad un gruppo di cisteina (dell enzima) formando un tioemiacetale (al posto del gruppo carbonilico si forma il legame con lo zolfo della cisteina) il quale è più facilmente ossidabile a tioestere, successivamente l enzima avvicina il gruppo fosfato e lo lega. L acido formato è un composto ad alta energia, contiene due gruppi fosforici, nella prossima reazione tende quindi ad espellere il fosforo del carbonile. 7) Fosforilazione al livello del substrato, produzione di ATP Acido1,3-difosfoglicerico + ADP acido-3-fosfoglicerico + ATP
8) Trosformazione Il gruppo fosfato passa dall ossidrile finale a quello centrale, reazione di isomerizzazione. Acido-3-fosfoglicerico Fosfoglicerato mutasi acido-2-fosfoglicerico Acido-3-fosfoglicerico Acido-2-fosfoglicerico 9) Formazione dell enolo, acido insaturo Acido-2-fosfoglicerico enolasi Acido fosfoenolpiruvico Reazione di disidratazione con formazione del doppio legame: acido fosfoenolpiruvico (PEP) tende a trasformarsi per tautomeria cheto-enolica nel corrispondente chetone eliminando il fosforo. 10) Seconda fosforilazione al livello del substrato Acido fosfoenolpiruvico + ADP cinasi Mg 2+ K + acido piruvico
Fermentazione lattica Avviene nei microrganismi anaerobi per la produzione di yogurt, avviene inoltre quando il muscolo scheletrico è affaticato. L acido piruvico viene ridotto ad acido lattico ed il NADH si ossida riformando il NAD +, così che la tappa n.6 della glicolisi possa continuare ad avvenire. (il NADH si riossida facilmente in quanto nella forma NAD + è ripristinata l aromaticità della molecola) Fermentazione alcolica Avviene nei microrganismi e nei lieviti in condizioni anaerobiche, la fermentazione procede in due tappe: 1. Decarbossilazione con produzione di CO 2 (la reazione avviene in un verso solo) 2. Riduzione con enzima alcoldeidroalogenasi ed ossidazione del NADH Bilancio energetico della fase anaerobica Per ogni mole di glucosio si ha prima il consumo di due moli di ATP e poi la produzione di 4 moli di ATP, il bilancio energetico netto è di due moli di ATP. L energia prodotta dal metabolismo anaerobico è solo una piccola parte dell energia ottenibile dall ossidazione completa del glucosio, per questo motivo le fermentazioni sviluppano molto calore.
Ciclo di Krebs o ciclo dell acido citrico Decarbossilazione L acido piruvico subisce una decarbossilazione ossidativa e viene trasformato in aceticlcoenzima-a (un tioestere dell acido acetico legato al coenzima-a)
La decarbossilazione può avvenire in condizioni blande solo con acidi β-ϒ insaturi affinchè, tolta la CO 2, il doppietto che rimane sul carbonio (α) adiacente al gruppo carbossilico, risuoni sul secondo gruppo carbonilico (quello in β) e la molecola sia così stabilizzata. ES: decarbossilazione dell acido acetacetico L acido piruvico è però un α-chetoacido quindi non decarbossila facilmente: La carica negativa non può essere de localizzata perché viene a trovarsi direttamente sul cabonile. Per questo motivo è necessario l utilizzo del coenzima-a e della vitamina B1 come catalizzatore. 10 tappe del ciclo di Krebs 1) Condensazione dell acetil-co-a con l acido ossalsuccinico per la formazione dell acido citrico, rimozione del Co-A. Condensazione di Claisen mista tra n chetone e un estere. + + + H 2 O 2) e 3) Eliminazione di acqua (reazione di disidratazione) formazione del doppio legame, con conseguente reintroduzione dell acqua (idratazione) e riformazione del gruppo alcolico che però è spostato da sotto a sopra. Tale addizione è contro la regola di Markovnikov. + H 2 O
4) e 5) Ossidazione con formazione dell acido ossalcuccinico e successiva decarbossilazione. + NAD + + NADH + CO 2 (viene eliminata la seconda delle tre molecole di CO 2 ) 6) Decarbossilazione ossidativa Identica alla decarbossilazione avvenuta prima del ciclo di Krebs, viene eliminata una molecola di CO 2 e legato il Co-A-SH. È l unica reazione irreversibile del ciclo di Krebs. + NAD + + Co-A-SH (le decarbossilazioni sono terminate, tutto il glucosio è stato ossidato, ma occorre tornare all acido ossalacetico, affinchè il ciclo possa riprendere) 7) Idratazione e formazione dell acido succinico, viene rilasciato il coenzima A. + H 2 O + Co-A-SH Acido succinico
8) Deidroalogenazione, si forma il doppio legame tra i due atomi di carbonio, è una reazione di ossidazione. + FAD + FADH 2 Acido succinico 9) Idratazione del doppio legame, si forma il gruppo ossidrile, la reazione è stereo specifica. + H 2 O Acido L-malico 10) Deidroalogenazione ossidativa, si ossida il gruppo ossidrile a carbonile, e si ricostituisce l acido ossalacetico. + 2 NAD + + 2 NADH Acido L-malico La catena respiratoria e la fosforilazione ossidativa Alla fine del ciclo di Krebs tutti i NADH e FADH 2 che si sono formati devono essere riossidati a NAD + e FAD dall accettatore finale di elettroni: l ossigeno molecolare (O 2 ) che si riduce ad H 2 O. NADH e FADH 2 non reagiscono direttamente con O 2 ma l ossidazione avviene attraverso la catena respiratoria, nella quale gli elettroni sono trasportati dai citocromi. I citocromi sono quattro complessi organici del Fe 2+ /Fe 3+ nei quali le lievi differenze strutturali causano potenziali di riduzione diversi.
In ogni citocromo la forma ossidata del ferro (Fe 3+ ) riceve un elettrone e si riduce trasformandosi in Fe 2+, tale elettrone è successivamente donato al citocromo successivo e il ferro si ritrasforma in Fe 3+. Si viene così a creare un sorta di scala ove i citocromi reagiscono in successione da quello a potenziale di riduzione maggiore a quello con potenziale di riduzione minore. L ultimo citocromo trasferisce l elettrone all ossigeno molecolare. 2 Fe 2+ 2 Fe 3+ + 2 e - ½ O 2 + 2 H + + 2 e - 2 H 2 O (gli H + derivano da NADH e FADH 2 ) Contemporaneamente alla catena respiratoria avviene la fosforilazione ossidativa. La catena respiratoria si comporta come una pila elettrica, il flusso di elettroni compie lavoro chimico inducendo alcuni complessi proteici di membrana a trasferire gli H + fuori dalla membrana interna, nello spazio di intermembrana. Si crea così una differenza di ph di 0,75 unità fra i due lati della membrana, che (come in un elettrodo ad idrogeno) causa una differenza di potenziale la quale aziona l enzima ATP sintasi. Gli ioni H + nello spazio intermembrana non possono tornare liberamente nella matrice mitocondriale, data l impermeabilità della membrana, e possono fare ciò solo passando attraverso l enzima ATP sintasi. Questo enzima sintetizza ATP a partire da ADP e fosforo inorganico, è una vera e propria macchina molecolare il cui movimento è azionato dal flusso di H + (come in un mulino ad acqua).
Bilancio finale Condizioni anaerobiche Condizioni aerobiche 2 ATP 32 ATP Resa del 38% La glicolisi anaerobica produce soltanto due molecole di ATP ma è 200 volte più veloce, quando il muscolo scheletrico è sotto sforzo lavora in condizioni anaerobiche, sviluppa maggiore potenza al prezzo di consumare più glucosio e di accumulare acido lattico. L acido l attico (composto sol-gel) viene portato dal sangue nel fegato ove viene ritrasformato in glucosio.