Metabolismo

Metabolismo
Marco Bonechi – www.bioforfun.it
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 CO2 , H2O , NH3 .
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 CO2 e dall’H2O a spese dell’energia solare è detto
fotosintesi.
6 CO2 + 6 H2O + (luce solare)
C6H12O6 + 6 O2
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 CO2 e H2O 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).
C6H12O6 + 6 O2
6 CO2 + 6 H2O + (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
H2O 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.
Metabolismo
Marco Bonechi – www.bioforfun.it
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 H2O,
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
Metabolismo
Marco Bonechi – www.bioforfun.it
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
C6H12O6 + 6 O2 + 32 ADP
6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP
L’efficienza è circa del 38% il resto dell’energia è dispersa sottoforma di calore
Metabolismo
Marco Bonechi – www.bioforfun.it
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
CO2 + Acetil-Co-A
Acetil-Co-A + acido ossalacetico
1) acido citrico
2) acido cis-aconitico
3) acido isocitrico
4) acido assalsuccinico (+NADH)
5) acido α-chetoglucarico (+CO2)
6) succinil-Co-A (+CO2 + NADH)
7) acido succinico
8) acido fumarico
9) acido (s)malico
10) acido ossalacetico (+NADH)
acido citrico
Metabolismo
Marco Bonechi – www.bioforfun.it
10 Tappe della glicolisi
1) Fosforilazione
Glucosio + ATP
cinasi
Mg2+
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).
Metabolismo
Marco Bonechi – www.bioforfun.it
3) Fosforilazione
Identica alla reazione 1
Fruttosio-6-fosfato + ATP
cinasi
fruttosio-1,6-difosfato + ADP
Mg2+
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.
fruttosio-1,6-difosfato
aldolasi
gliceraldeide-3-fosfato + diidrossiacetonfosfato
5) Trasformazione
Diidrossiacetofosfato
fosfoisomerasi
gliceraldeide-3-fosfato
La reazione avviene attraverso la formazione dell’endiolo intermedio
Metabolismo
Marco Bonechi – www.bioforfun.it
6) Ossidazione e Fosforilazione
Gliceraldeide-3-fosfato + NAD+ + HPO42-
deidrogenasi
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-3fosfato 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
Metabolismo
Marco Bonechi – www.bioforfun.it
8) Trosformazione
Il gruppo fosfato passa dall’ossidrile finale a quello centrale, reazione di isomerizzazione.
Acido-3-fosfoglicerico
Fosfoglicerato mutasi
Acido-3-fosfoglicerico
acido-2-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
Mg2+ K+
acido piruvico
Metabolismo
Marco Bonechi – www.bioforfun.it
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 CO2 (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.
Metabolismo
Marco Bonechi – www.bioforfun.it
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)
Metabolismo
Marco Bonechi – www.bioforfun.it
La decarbossilazione può avvenire in condizioni blande solo con acidi β-ϒ insaturi affinchè, tolta la
CO2, 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.
+
+ + H2O
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.
+ H2O
Metabolismo
Marco Bonechi – www.bioforfun.it
4) e 5) Ossidazione con formazione dell’acido ossalcuccinico e successiva decarbossilazione.
+ NAD+
+ NADH
+ CO2
(viene eliminata la seconda delle tre molecole di CO2)
6) Decarbossilazione ossidativa
Identica alla decarbossilazione avvenuta prima del ciclo di Krebs, viene eliminata una molecola di
CO2 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.
+ H2O
+ Co-A-SH
Acido succinico
Metabolismo
Marco Bonechi – www.bioforfun.it
8) Deidroalogenazione, si forma il doppio legame tra i due atomi di carbonio, è una reazione di
ossidazione.
+ FAD
+ FADH2
Acido succinico
9) Idratazione del doppio legame, si forma il gruppo ossidrile, la reazione è stereo specifica.
+ H2O
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 FADH2 che si sono formati devono essere riossidati a NAD+
e FAD dall’accettatore finale di elettroni: l’ossigeno molecolare (O2) che si riduce ad H2O.
NADH e FADH2 non reagiscono direttamente con O2 ma l’ossidazione avviene attraverso la catena
respiratoria, nella quale gli elettroni sono trasportati dai citocromi. I citocromi sono quattro
complessi organici del Fe2+/Fe3+ nei quali le lievi differenze strutturali causano potenziali di
riduzione diversi.
Metabolismo
Marco Bonechi – www.bioforfun.it
In ogni citocromo la forma ossidata del ferro (Fe3+) riceve un elettrone e si riduce trasformandosi
in Fe2+ , tale elettrone è successivamente donato al citocromo successivo e il ferro si ritrasforma in
Fe3+ . 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 Fe2+
2 Fe3+ + 2 e½ O2 + 2 H+ + 2 e2 H2O
(gli H+ derivano da NADH e FADH2)
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).
Metabolismo
Marco Bonechi – www.bioforfun.it
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.