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Rita Santamaria » 9.Significato generale del metabolismo intermedio


Metabolismo

Il metabolismo è l’insieme di tutte le reazioni chimiche che avvengono in una cellula o in un organismo.

Il metabolismo si divide in catabolismo e anabolismo.

Il catabolismo consiste nella degradazione di molecole complesse in molecole più semplici con produzione di energia.

L’anabolismo è la sintesi di molecole complesse a partire da molecole più semplici con consumo di energia.

Catabolismo e anabolismo

Nel catabolismo le molecole delle sostanze nutrienti, come carboidrati, grassi e proteine, sono trasformate in prodotti più semplici (CO2, H2O, NH3).

Il catabolismo è un processo ossidativo che produce energia chimica sotto forma di molecole di ATP e di trasportatori di elettroni in forma ridotta (NADH, NADPH e FADH2).

Nell’anabolismo i precursori semplici, come glucosio, acidi grassi, amminoacidi e nucleotidi vengono sintetizzati e poi utilizzati per la sintesi di macromolecole complesse (polisaccaridi, lipidi, proteine, acidi nucleici).

L’anabolismo è un processo riduttivo che richiede l’energia chimica delle molecole di ATP e il potere riducente di NADH, NADPH e FADH2.

Nella Figura 1 sono schematizzate le relazioni tra catabolismo e anabolismo.

Fig. 1 Confronto tra catabolismo e anabolismo.

Fig. 1 Confronto tra catabolismo e anabolismo.


Vie metaboliche

Una via metabolica è una sequenza di reazioni chimiche che portano alla trasformazione di un substrato in un prodotto.

Le singole tappe di una via metabolica sono reazioni catalizzate da enzimi specifici, nelle quali il prodotto di una reazione è il substrato della reazione successiva.

Le vie metaboliche possono essere:

  • cataboliche;
  • anaboliche;
  • anfiboliche.

Una via anfibolica è una via metabolica sia catabolica che anabolica.

Regolazione delle vie metaboliche

Le vie metaboliche sono regolate ed in ogni via metabolica c’è almeno una reazione regolata, catalizzata da un enzima regolatore.

La via catabolica e quella anabolica relative ad un determinato composto, come ad esempio glicolisi e gluconeogenesi, oppure ossidazione e sintesi degli acidi grassi, sono regolate in maniera coordinata. Quando una via è attiva, l’altra risulta bloccata.

Le varie vie metaboliche sono collegate tra loro e spesso hanno intermedi in comune.

Energia libera delle reazioni

Tutte le reazioni metaboliche che avvengono nelle cellule sono caratterizzate da una determinata energia.

L’energia libera (G) di una reazione chimica è l’energia necessaria per produrre lavoro durante la reazione stessa.

La variazione di energia libera (ΔG) è la differenza tra l’energia dei prodotti e quella dei reagenti.

Il ΔG di una reazione dipende principalmente dalla natura e dalla concentrazione dei reagenti.

Il valore del ΔG fornisce informazioni sulla spontaneità della reazione.

Se il valore del ΔG è negativo la reazione è spontanea.

Se il valore del ΔG è positivo la reazione non è spontanea.

Quando il ΔG < 0 la reazione procede con rilascio di energia e viene detta esoergonica.

Quando il ΔG > 0 la reazione procede con consumo di energia e viene detta endoergonica.

Variazione di energia libera

La variazione di energia libera reale (ΔG) di una reazione è fortemente influenzata dalla concentrazione dei singoli reagenti e dalla temperatura.

E’ più conveniente misurare la variazione di energia libera in condizioni standard (concentrazione 1 M dei reagenti e dei prodotti) e fisiologiche (pH neutro).

La variazione di energia libera standard, indicata con ΔG’°, è una costante caratteristica di ogni reazione.

Il valore del ΔG’° è diverso per ogni reazione.

In una via metabolica costituita da reazioni sequenziali, la variazione complessiva di energia libera è data dalla somma di tutti i valori di ∆G delle singole reazioni.

Adenosina trifosfato (ATP)

La strategia di base del metabolismo è la sintesi di adenosina trifosfato (ATP).

L’ATP viene prodotto in seguito alle ossidazioni delle sostanze nutrienti durante le reazioni cataboliche.

L’ATP fornisce energia per molte funzioni della cellula, come:

  • reazioni anaboliche;
  • trasporto di sostanze attraverso le membrane contro gradiente di concentrazione;
  • contrazione muscolare;
  • trasmissione dell’impulso nervoso.

L’ATP è presente in tutti gli organismi viventi e rappresenta la principale forma di energia immediatamente disponibile.

Struttura dell’ATP

La molecola di ATP è costituita da una molecola di adenina e una di ribosio a cui sono legati tre gruppi fosfato (α, β e γ ) mediante legami ad elevata energia (Figura 2)

Il legame ribosio-P è un legame estere, mentre i legami Pα-Pβ e Pβ-Pγ sono legami anidridici

Fig. 2 Adenosina trifosfato (ATP)

Fig. 2 Adenosina trifosfato (ATP)


Energia libera di idrolisi dell’ATP

L’energia contenuta nella molecola di ATP viene liberata quando in seguito ad idrolisi si rompono i legami ad elevata energia.

L’idrolisi parziale dell’ATP porta alla formazione di una molecola di adenosina difosfato (ADP) e di un gruppo fosfato

ATP + H2O → ADP + Pi

L’idrolisi totale dell’ATP porta alla formazione di una molecola di adenosina monofosfato e due gruppi fosfato

ATP + H2O → AMP + PP

L’idrolisi dell’ATP ad ADP + Pi libera una notevole quantità di energia libera standard
(–30.5 kJ/mol o -7.3 kcal/mol)

L’idrolisi dell’ATP è favorita per i seguenti motivi:

  • l’allontanamento di una carica negativa riduce le repulsioni elettrostatiche sulla molecola di ATP;
  • i prodotti dell’idrolisi (ADP e Pi) hanno un contenuto energetico inferiore a quello dei reagenti;
  • i prodotti dell’idrolisi (ADP e Pi) sono più stabili dei reagenti.

Composti ad elevata energia di idrolisi

Nelle cellule sono presenti altre molecole con elevata energia di idrolisi, come: fosfoenolpiruvato, 1,3-bisfosfoglicerato, fosfocreatina.

Questi composti ad elevata energia di idrolisi, così come l’ATP, hanno un elevato potenziale di trasferimento dei gruppi fosfato.

Altri composti ad elevata energia di idrolisi sono i tioesteri, molecole caratterizzate da un legame tra un acido carbossilico ed un tiolo.

Il più importante tioestere è l’acetil-CoA, molecola centrale del metabolismo.

Reazioni di ossido-riduzione

Le reazioni di ossido-riduzione hanno un’importanza fondamentale nel metabolismo.

Le reazioni di ossido-riduzione sono dovute al trasferimento di elettroni da un donatore ad un accettore.

L’ossidazione è la perdita di elettroni.

La riduzione è l’acquisto di elettroni.

La sostanza che cede elettroni si ossida ed è detta agente riducente.

La sostanza che acquista elettroni si riduce ed è detta agente ossidante.

Gli elettroni possono essere trasferiti come:

  • elettroni
  • atomi di idrogeno (1 protone e 1 elettrone)
  • ioni idruro (2 elettroni e 1 protone).

Si parla genericamente di trasferimento di equivalenti riducenti.

Deidrogenasi e coenzimi

Nelle reazioni biologiche di ossido-riduzione gli elettroni sono rimossi da specifici enzimi, le deidrogenasi.

Le deidrogenasi agiscono grazie a specifici coenzimi.

I coenzimi delle deidrogenasi sono:

  • NAD
  • NADP
  • FMN
  • FAD

NAD e NADP

Il nicotinammide adenina dinucleotide (NAD) e il suo analogo nicotinammide adenina di nucleotide fosfato (NADP) sono coenzimi di molte deidrogenasi.

Nelle molecole di NAD e NADP è presente la niacina (vitamina B3).

I coenzimi nella forma ossidata (NAD+ e NADP+) accettano equivalenti riducenti sotto forma di ione idruro (2 elettroni e 1 protone) e si trasformano nella forma ridotta (NADH e NADPH).

L’altro protone (H+) rimosso al substrato viene rilasciato nel solvente acquoso:

NAD+ + 2e + 2H+ → NADH + H+
NADP+ + 2e + 2H+ → NADPH + H+

Il NAD è coenzima di enzimi impegnati nelle ossidazioni cataboliche.

Il NADP è coenzima di enzimi impegnati nelle riduzioni anaboliche.

FAD e FMN

Il flavin adenina dinucleotide (FAD) e il flavin adenina mononucleotide (FMN) sono coenzimi di altre deidrogenasi.

Nella molecola dei coenzimi FAD e FMN è presente la riboflavina (vitamina B2).

I coenzimi nella forma ossidata (FAD e FMN) accettano equivalenti riducenti sotto forma di 2 protoni e 2 elettroni, trasformandosi nella forma ridotta (FADH2 e FMNH2):

FAD + 2e + 2H+ → FADH2
FMN + 2e + 2H+ → FMNH2

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