11 Il metabolismo: una visione d'insieme L'insieme delle trasformazioni che avvengono in un organismo vivente si chiama metabolismo. Il metabolismo si divide in catabolismo che comprende tutte le reazioni degradative che trasformano composti complessi, con una certa quota di energia di legame, in sostanze sempre più semplici estraendo intermedi importanti o, nel catabolismo energetico, l'energia necessaria per le varie attività biologiche quali il movimento, il trasferimento dell'informazione genetica, il passaggio selettivo attraverso le membrane, il mantenimento dell'omeostasi termica, l'eliminazione di sostanze tossiche (come l'NH3). Una parte importante della trasduzione dell'energia chimica di legame in energia libera, e che è fondamentale nello nostro studio successivo, sarà destinata a rendere possibili tutte le sintesi di molecole indispensabili per un corretto funzionamento delle cellule che nel loro insieme sono l'altra parte del metabolismo: l'anabolismo. L'anabolismo è costituito da tutte le reazioni endoergoniche che partendo da relativamente pochi composti semplici, attraverso reazioni riduttive, permette alle cellule di sintetizzare numerose e complesse biologiche di fondamentale interesse. Si pensi alla sintesi delle proteine e della loro importanza biologica. Nelle cellule le reazioni cataboliche e quelle anaboliche non sono accoppiate temporalmente per cui esse devono disporre di un “serbatoio di raccolta” dell’energia: un composto intermedio secondo lo schema: AH2 + I—redox————→ A + IH2 A viene ossidato da un composto che assume elettroni e H+ e che quindi si riduce. Questo intermedio deve essere comune ad altre reazioni e cioè entrare in altre redox e, col suo potere riducente acquisito, riossidarsi per ridurre un nuovo composto B sul quale verrà trasferita l'energia (potere riducente). IH2 + B—redox————→ I + BH2. Osservare che l'intermedio in una classica ossidoriduzione funziona da deidrogenasi. In questa reazione l’intermedio si riduce ossidando A. Ma il suo “potere riducente” deve essere ripristinato e questo avviene permettendo una reazione riduttiva “accoppiata” a quella ossidativa. Alla fine delle due reazioni I esce inalterato. Gli enzimi che contengono coenzimi che operano le deidrogenazioni sono accettori di H2. L’ossidazione di AH2 ha liberato energia che si è trasferita nell’intermedio che porta il potere di ridurre altre molecole e quindi di innescare le vie biosintetiche. Vedremo la struttura e il meccanismo d'azione di due coenzimi delle deidrogenasi, il FAD e il NAD+ , fondamentali nel metabolismo come intermedi capace di accettare elettroni e quindi di ridursi e di cederli in altre reazioni, riossidandosi, per ricominciare di nuovo. E' naturale che il metabolismo energetico sarà alimentato e dipenderà da questi coenzimi ossidati. Vedremo anche che, alla fine della glicolisi, Il NAD si riduce a NADH....ma non viene ripristinato dalla via metabolica. La cellula dovrà trovare una soluzione, pena il blocco della glicolisi e quindi di tutto il catabolismo del glucosio. Una cellula ha bisogno di una riserva di energia autonoma e capace di essere ceduta in una molteplicità di reazioni. Una specie di accumulatore che immagazzina energia, capace di essere sintetizzato in molte reazioni esoergoniche e utilizzabile in molte reazioni endoergoniche. La molecola, non la sola, ma la più importante, che svolge queste funzioni è l’ATP. L'ATP è un nucleotide in cui l'adenina, una base azotata presente anche nel DNA si lega ad una molecola di ribosio, con un legame 12 N-glicosidico, il quale a sua volta lega, con legame estere forte, un fosfato. I legami del primo fosfato col secondo e quello del secondo col terzo sono legami fosfoanidridici, abbastanza forti, ma idrolizzabili enzimaticamente. Come si vede in figura l'ATP, in acqua, presenta quattro cariche elettriche negative che rendono instabile la molecola. L'acqua si addiziona al legame fosfoanidridico terminale provocandone la rottura. Questa rottura è catalizzata dall'enzima ATPasi che nel sito attivo espone uno ione bivalente positivo Mg+2 che destabilizza, avvicinandole tra loro, le cariche negative. L'allontanamento successivo degli ioni Mg provoca una violenta repulsione elettrostatica che determina la rottura del legame fosfoanidridico. ATP + H2O ——→ ADP + Pi La reazione ha un ∆G°' di -7.3 Kcal/mole (-30.5 KJ/mole) ed è quindi fortemente esoergonica. L'idrolisi dell'ATP è spostata a destra perché i prodotti presentano una maggiore stabilità complessiva dovuta sia allo ione fosfato, stabilizzato per risonanza, che all'ADP che si ionizza liberando H+ in ambiente pressoché neutro. La funzione dell'ATP è quella di mettere a disposizione energia libera immediatamente e non quella di conservarla. Il turnover dell'ATP è elevatissimo. Un uomo a riposo consuma circa 40 Kg di ATP in 24 ore. Durante uno sforzo considerevole la velocità di utilizzazione dell'ATP è di circa 1/2 Kg al minuto! E' del tutto evidente che questo è possibile solo se la cellula è in grado di rigenerare ATP dall'ADP secondo la reazione: ADP + Pi ——→ ATP. Come vedremo sarà, per i chemiotrofi, l'ossidazione dei nutrienti la strada che porterà alla produzione di ATP. Come abbiamo visto, l'ATP cede Pi (fosfato inorganico) all'acqua con una certa facilità e allora definiamo il suo potenziale di trasferimento di gruppi fosfato uguale all'energia liberata da questo processo: ∆G°' = -7.3 Kcal/mole. Nella cellula ci sono composti estremamente importanti, con un potenziale di trasferimento superiore a quello dell'ATP e li incontreremo nel corso di studio. Uno di questi è la fosfocreatina. Questi composti possono trasferire un gruppo fosfato all'ADP per rigenerare ATP. Nel muscolo la quantità di ATP presente può sostenere l'attività contrattile per meno di un secondo. L'abbondanza di fosfocreatina, con il suo elevato potenziale di trasferimento, permette una generazione immediata di ATP secondo la reazione: Fosfocreatina + ADP —→ ATP + Creatina. Quindi durante l'esercizio muscolare è la fosfocreatina che mantiene elevata la concentrazione di ATP. L'ATP è un ottimo trasportatore di gruppi fosfato anche per il fatto che ha un potenziale di trasferimento intermedio rispetto ai principali composti fosforilati che ci sono nella cellula. 13 Abbiamo capito così perché l'esochinasi può trasferire un Pi dall'ATP al glucosio. Infatti il glucosio-6-P ha un potenziale di trasferimento inferiore a quello dell'ATP. Vedremo, nella glicolisi, che si genererà ATP per un trasferimento di Pi dal fosfoenolpiruvato all'ADP. Si tratta di generazione di ATP a livello del substrato I coenzimi delle deidrogenasi: NADH e FADH2 Generare ATP è quindi lo scopo principale di tutto il metabolismo energetico. Abbiamo visto come questo avvenga alla fine di un lungo processo di demolizione dei nutrienti che è caratterizzato da una serie di ossidoriduzioni in cui, partendo da un substrato ridotto (un carboidrato, un acido grasso e anche un aminoacido) con una determinata energia potenziale di legame, gli elettroni e i protoni vengono trasferiti da intermedi specifici. Questi trasportatori di "potere riducente" sono i coenzimi delle deidrogenasi: il flavin-adenin-dinucleotide (FAD) e il nicotinammide-adenin-dinucleotide (NAD+). Sarà bene abituarsi, e lo capiremo presto, a distinguere i quattro modi in cui questi coenzimi si trovano scritti che sono le seguenti: NAD+ che si legge NAD ossidato, NADH che si legge NAD ridotto; FAD che si legge FAD ossidato e FADH2 che si legge FAD ridotto. Incontreremo anche il NADP+ che si legge NAD fosfato ossidato e il NADPH, NAD fosfato ridotto. Questi coenzimi sono complessi molecolari che, per la loro struttura, possono addizionare protoni ed elettroni di atomi di idrogeno rimossi dalle deidrogenasi. E precisamente: Il NAD+ è in grado di accettare uno ione idruro e quindi un protone e due elettroni : H:(ione idruro) —— → H+ + un doppietto elettronico. Il FAD è in grado di accettare due atomi di H e cioè due protoni (2 H+) + un doppietto elettronico. Evidentemente il NAD ossidato che addiziona due elettroni e un protone si riduce e passa nella forma NADH (ridotto). Il FAD passa da FAD a FADH2. Ma vediamo meglio le loro strutture. Il nicotinammide-adenin-dinucleotide (NAD+; NADH) La figura ci mostra la sua forma ossidata (NAD+). Come si può vedere all'anello eterociclico dell'adenina è legato un ribosio. Il ribosio lega due gruppi fosfato che, tramite un nuovo ribosio, legano l'anello nicotinammidico (parte grigia chiara) che è la parte reattiva della molecola, cioè quella che accetta il doppietto elettronico e un protone. (ricordate: lo ione idruro) La nicotinammide è la vit. PP. Poiché le deidrogenasi rimuovono nel complesso due atomi di idrogeno, la reazione globale libererà un protone H+ NAD+ + H2 ——→ NADH + H+ Come si vede nel dettaglio protoni ed elettroni attaccano il sito reattivo. Un idrogeno si addiziona al sito reattivo mentre l'arrivo del doppietto elettronico, attratto dall'azoto positivo genera un riarrangiamento della distribuzione, nell'anello, che porta all'annullamento della carica sull'azoto che passa da valenza 4 alla valenza 3. 14 Nota importante: osservando la struttura del NAD, sul ribosio legato all'adenina, in posizione 2' troviamo il gruppo OH. Se al posto di H sostituiamo un gruppo fosfato, allora si parla di NADP+ che, come detto si chiama NAD fosfato ossidato. La presenza di un gruppo fosfato, ad alta energia, conferisce al NADP+, nello stato ridotto, NADPH, la proprietà di essere il principale donatore di elettroni nelle biosintesi riduttive. Il meccanismo di trasferimento degli elettroni è lo stesso sia nel NADH che nel NADPH. E' importante comunque saperli distinguere perché se studiamo una reazione in cui è presente il NADPH allora siamo all'interno di riduzioni anaboliche mentre se è presente il NADH allora ci troviamo in tappe cataboliche per la produzione di ATP. Il NADPH viene generato nella via del pentoso fosfato, che vedremo in seguito. Il flavin-adenin-dinucleotide (FAD FADH2) Nella struttura del FAD troviamo ancora un adenina che si lega ad un ribosio che a sua volta lega due gruppi fosfato. La parte centrale è il derivato da una vitamina idrosolubile la riboflavina, la vt. B12. La parte reattiva sta nell'anello isoallossazinico che può accettare due protoni e due elettroni sugli atomi di N, come si vede in figura. Mentre i coenzimi NAD possono essere legati a diverse deidrogenasi e sono mobili, i FAD sono legati covalentemente alle loro proteine enzimatiche che per questo prendono il nome di flavoproteine. Come si può facilmente osservare, sia ATP che NAD che FAD sono derivati da nucleotidi (l'ATP è un nucleotide).