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Martinengo/Sacco 25 Bioingegneria chimica 07/01/2021 Noi ci concentriamo su una via metabolica principale, quella dei carboidrati, importante perché è la principale via da cui ricaviamo energia (la via metabolica dei carboidrati nella mappa, i...

Martinengo/Sacco 25 Bioingegneria chimica 07/01/2021 Noi ci concentriamo su una via metabolica principale, quella dei carboidrati, importante perché è la principale via da cui ricaviamo energia (la via metabolica dei carboidrati nella mappa, in blu, ha una posizione centrale); è un metabolismo comune a molti organismi, è centrale nella gestione dell’energia. Vie metaboliche: convergenti (cataboliche), divergenti (anaboliche) e cicliche. A fianco sono rappresentate due tipi di vie metaboliche: quelle che partono da molecole più grandi e le demoliscono ottenendo da esse energia, dette cataboliche, proprio perché sono vie che degradano le sostanze, producono energia e tendono ad essere convergenti, anche se esistono delle vie metaboliche lineari e delle vie metaboliche cicliche (un esempio è il ciclo di Krebs o il ciclo dell’acido citrico, che tende a ritornare al punto di partenza però ogni giro del ciclo ha un suo senso metabolico che è quello di produrre energia e demolire carbonio, ossidare il carbonio del glucosio). Le vie anaboliche sono vie in cui, a partire da piccole molecole, vengono sintetizzate molecole più grandi, che non sono accessibili dalla dieta oppure che devono essere prodotte in quantità maggiore. Sono divergenti, cioè tendono ad allargarsi con la produzione di varie e diverse molecole. Le vie anaboliche producono energia. Riassumendo: Reazioni cataboliche: degradazioni di molecole biologiche, reazioni che producono energia e quindi sono esoergoniche, anche se non è vero che ciascuna reazione è necessariamente esoergonica alle condizioni fisiologiche, ma è vero che la via complessivamente è esoergonica, cioè produce energia che viene poi usata per sintetizzare una particolare molecola, l’ATP (quando si ha un surplus di energia, invece di dispenderlo in calore, lo si mette da parte in ATP). Le vie cataboliche sono di natura ossidativa: il carbonio o in generale gli atomi contenuti nella molecola vengono ossidati verso stati di ossidazione maggiori. 3 Martinengo/Sacco 25 Bioingegneria chimica 07/01/2021 Reazioni anaboliche: servono a sintetizzare molecole biologiche, quindi sono reazioni endoergoniche cioè utilizzano l’energia dell’ATP per far funzionare la cellula e sono in genere di natura riduttiva, quindi sono delle riduzioni. Le sostanze nutrienti ricche di energia (carboidrati, grassi, proteine) tramite i processi catabolici hanno come prodotti finali molecole povere di energia e nel contempo l’energia non viene dispersa in calore ( se non in casi particolari e solo in parte) ma serve a produrre molecole con legami a forte energia: producono energia chimica che diventa disponibile all’inverso nei processi anabolici, dove precursori più piccoli (aminoacidi, zucchero, acidi grassi, basi azotate) vengono trasformati nelle macromolecole che costituiscono le cellule (proteine, polisaccaridi, lipidi, acidi nucleici). Domanda: le convergenti sono esoergoniche? Si, tendenzialmente sì. Una via metabolica può essere costituita da reazioni all’equilibrio, che non hanno un bilancio energetico netto o ce l’hanno molto vicino allo zero, che possono però avvenire perché a monte o a valle ci sono delle reazioni che spingono essendo fortemente esoergoniche. Generalizzando però la via nel suo complesso di metabolica se è catabolica è esoergonica perché produce energia demolendo molecole più grandi. Ad esempio, il glucosio, ossidandolo a anidride carbonica si produce energia. Di questi passaggi alcuni sono endoergonici e altri esoergonici; nelle condizioni metaboliche in genere sono esoergonici o vicini all’equilibrio; le reazioni che segnano la via sono quelle fortemente esoenergetiche. (lo riprenderemo) Questo è uno schema generale che indica come il metabolismo sia un insieme di processi, dai quali viene prodotta e utilizzata l’energia degli esseri viventi. Le reazioni anaboliche sono endoenergetiche quelle cataboliche sono esoenergetiche. Quindi l’energia prodotta nelle reazioni cataboliche può essere utilizzata in vari modi, uno di questi è fornire l’energia necessaria alle reazioni anaboliche, cioè quelle di sintesi, endoenergetiche; ci sono altre funzioni che la cellula deve svolgere: il trasporto, il lavoro meccanico che si svolgono grazie all’energia prodotta da queste reazioni. Le lezioni si concentreranno proprio su come si può generare energia con vie metaboliche cataboliche per sfruttarla in vie metaboliche anaboliche. 4 Martinengo/Sacco 25 Bioingegneria chimica 07/01/2021 Le trasformazioni chimiche del metabolismo. Le trasformazioni chimiche del metabolismo non portano subito al prodotto che vogliamo; il metabolismo fa sempre piccole modifiche sulle molecole e queste hanno una filosofia generale, che è quella di ottenere la massima quantità di energia possibile sotto forma di energia chimica: si fa una piccola trasformazione e se la reazione è esoergonica si cerca di investire tutto in energia chimica, quindi produrre la massima quantità di ATP ed avere minima dispersione sotto forma di calore perché sarebbe uno spreco (salvo pochi casi particolari). Tutte le reazioni, anche quelle che sarebbero spontanee sono catalizzate da enzimi, anche quelle veloci, prevalentemente quelle cinetiche. Si è parlato di regolazione enzimatica, gli enzimi possono essere stimolati ad essere più o meno attivi e questa è una regolazione molto importante che permette di regolare la velocità delle vie. Esempio: idrogeno e ossigeno messi insieme non fanno acqua da soli: la reazione sarebbe esotermica ma non avviene perché è lenta; facendo una scintilla di gas all’interno si forma acqua perché si è accelerato la reazione: quindi premendo un interruttore facciamo partire la reazione. Gli interruttori biologici sono gli enzimi, che regolano la velocità con cui le reazioni avvengono in modo da regolare i flussi metabolici perché in certi casi si ha tanta energia (mangiando) e possiamo sfruttarla per produrre molecole più grandi che ci serviranno in seguito, in altri casi (a digiuno), si ha bisogno di demolire le riserve di energia per far funzione il nostro macchinario biologico; le direzioni con cui sono regolati questi flussi sono controllate dall’attività enzimatica. Che tipo di reazioni caratterizzano, dal punto di vista chimico, le reazioni anaboliche e cataboliche? Sono reazioni di ossidoriduzione: uno o più elettroni vengono trasferiti da una sostanza all’altra, c’è sempre una semi reazione che porta alla perdita di uno o più elettroni (semi reazione di ossidazione) e un’altra semi reazione di riduzione che comporta l’acquisto di uno o più elettroni: c’è sempre una reazione di scambio di elettroni tra due specie→ L’ossidante che prende elettroni e viene ridotto (semi reazione di riduzione), il riducente che dona elettroni utilizzati dall’ossidante viene ossidato (semi reazione di ossidazione). Ossidazione e riduzione avvengono sempre insieme perché ci deve sempre essere una specie chimica che dona e una che riceve elettroni. La specie che perde elettroni è il riducente, quella che li acquista è l’ossidante. Un composto A ridotto (agente riducente) è ricco di elettroni, due elettroni vengono donati al composto B nello stato ossidato dell’ossidante, B viene ridotto e a sua volta produce la specie A che viene ossidata e perde elettroni (il riducente). Sono un esempio di reazioni che caratterizzano gran parte delle vie metaboliche insieme alle reazioni di idrolisi. 5 Martinengo/Sacco 25 Bioingegneria chimica 07/01/2021 Nei sistemi biologici. Nei sistemi biologici queste reazioni avvengono attraverso la perdita e l’acquisto di atomi di idrogeno (fatto da un protone e un elettrone); quindi trasferire un atomo di H comporta anche il trasferimento di un elettrone. Quindi le reazioni di ossidazione sono molto spesso in chimica biologica, nel metabolismo, delle reazioni in realtà di deidrogenazione: quando perde un H perde degli elettroni e quindi si ossida. Queste reazioni sono catalizzate da enzimi che vengono chiamate ossidoreduttasi, perché catalizzano delle reazioni di ossidoriduzione oppure deidrogenasi perché dal punto di vista del riducente corrispondono ad una perdita di idrogeno. Nelle cellule questi enzimi, le deidrogenasi, hanno una caratteristica comune: catalizzano centinaia di composti sfruttando dei coenzimi, sostanze che aiutano gli enzimi a lavorare, nel linguaggio comune sono le vitamine (si prendono se ci si sente deboli) e questi coenzimi sono NAD, NADP, FAD (le strutture non sono da riprodurre da zero, ma dobbiamo essere in grado di riconoscerle), sono delle navette di elettroni, cioè prendono atomi di idrogeno li cedono e sono perciò coinvolti nelle reazioni di ossidoriduzioni. In alcuni casi sono semplicemente dei costituenti dell’enzima, in altri casi sono dei veri e propri reagenti e prodotti (a volte rigenerano il sito attivo dell’enzima). Reazione tipica di questa categoria: una specie AH2 viene ossidata trasferendo due atomi di idrogeno al NAD+ che diventa ADH+ che viene utilizzato per ridurre B il quale diventa BH2 e il NADH+ torna ad essere NAD+. Le reazioni di ossidazione sono di tipo catabolico, quindi con il catabolismo si ossidano delle specie e si riducono i cofattori (NAD+, NADP+, FAD a NADH, NADPH, FADH2). Inoltre, queste reazioni cataboliche trasformano l’ATP in ADP, quindi producono energia chimica. 6 Martinengo/Sacco 25 Bioingegneria chimica 07/01/2021 Le reazioni anaboliche fanno il contrario, cioè sfruttano energia chimica per riprodurre ADP, NAD e NADP e FAD e contemporaneamente riducendo le molecole dei processi anabolici e fornendo energia. NAD e NADP (in sede d’esame non saranno da ridisegnare ma sarà necessario riconoscerle per avere una base molecolare di quello che avviene per capire il metabolismo) NAD: nicotinammide-adenin-dinucleotide NADP: nicotinammide-adenin-dinucleotide-fosfato Ci sono diverse componenti; quella evidenziata in verde è una prima parte della molecola, è la parte ossidata, la parte della molecola coinvolta nella reazione redox: c’è un nucleo pirimidinico tipo quelli delle basi azotate, carico positivamente che deriva dall’azoto. La parte ammidica è la parte rossa, quella adeninica è la gialla (vista nella base azotata del DNA). ‘Dinucleotide’ perché c’è sia la parte nicotinammide che la parte adeninica nella molecola. I nucleotidi sono cerchiati in verde, sono uniti da un legame fosfodiestereo. La parte importante è quella di nicotinammide che con la riduzione viene trasformata nella forma ridotta e diventa NADH, c’è un H in più: nella reazione di riduzione un protone H+ e 2 elettroni sono trasferiti alla struttura ad anello del NAD+ (la parte nicotinammide). Il segno + nelle abbreviazioni NAD+ e NADP+ indica che il coenzima è nella sua forma ossidata (con una carica positiva sull’azoto); nelle abbreviazioni NADH e NADPH, il simbolo H indica che il coenzima è nella forma ridotta. La differenza tra NAD e a NADP è solo che a livello dell’atomo di carbonio dell’anello di ribosio (in basso nella formula), nel NAD, R=0H, invece nell’ NADP c’è un gruppo fosfato, è una minima differenza che serve a cambiare il potenziale redox, quindi a utilizzare uno o l’altro in base alla reazione redox che bisogna fare. 7 Martinengo/Sacco 25 Bioingegneria chimica 07/01/2021 FAD FAD: flavin-adenin-dinucleotide Primo nucleotide (in rosso): è una flavina, che ha in particolare un anello isoallosazinico, cerchiato in blu, uno zucchero aperto non ciclico in arancione, e un fosfato in marrone. Secondo nucleotide (in giallo): è lo stesso nel NAD, quindi contiene adenina, ribosio, e un altro fosfato. Anche il FAD può essere ridotto: i due H (cerchiati) sono aggiunti, quindi da FAD passa a FADH2, con una sezione intermedia che è il FADHׄ, instabile. Tutto questo per far vedere come sono le molecole coinvolte nei processi di ossidoriduzione, i coenzimi. Il NAD e il FAD entrano in gioco in diversi contesti ossidoriduttivi perché hanno potenziali redox diversi. Controllo del metabolismo. Questa immagine mostra l’asse principale del metabolismo, la strada principale della mappa vista precedentemente. Il glucosio, che attraverso un processo detto di glicolisi, trasforma il NAD+ in NADH (si produce anche ATP, ma ci si concentra sul NADH): viene messa energia da parte, e viene prodotta una molecola che si chiama piruvato, che può, in certi tipi di metabolismo, essere riciclato, cioè si riporta il NADH in NAD perché all’interno della cellula bisogna ripristinare la situazione ossidoriduttiva iniziale sennò la cellula morirebbe. Per tornare ad una situazione iniziale il piruvato è trasformato in lattato, come succede nei muscoli quando viene fatto un lavoro anaerobico (non è sfruttato l’ossigeno quindi non si produce ulteriore energia se non quella del prodotto della glicolisi); lo scopo della produzione dell’acido lattico è riportare il NADH a NAD. Nel metabolismo aerobico, nei tessuti principali, passando dal ciclo dell’acido citrico e dalla fosforilazione ossidativa, si demolisce tutto il carbonio del piruvato che arriva dal glucosio in anidride carbonica e acqua e produce nuovo NADH: c’è un surplus di energia chimica che viene utilizzata nella fosforilazione ossidativa per riportare il NADH a NAD e sintetizzare ATP → 8 Martinengo/Sacco 25 Bioingegneria chimica 07/01/2021 metabolismo che comporta l’utilizzo di ossigeno. È metabolismo più complesso che implica strutture cellulari più complesse, implica gestire la presenza di ossigeno che è tossico perché può provocare i radicali (causa dell’invecchiamento) ed è comunque una tossina, ma utile allo stesso tempo perché permette di produrre molta più energia a partire dalla stessa fonte, dalla stessa molecola di glucosio. Controllo del flusso metabolico. Dal punto di vista termodinamico: Le reazioni dove il ΔG è molto negativo (ΔG