La demolizione delle macromolecole e i processi metabolici

La demolizione delle macromolecole quali  polisaccaridi, lipidi e proteine comprende una successione di numerose reazioni che può essere suddivisa schematicamente in tre stadi, lungo i quali si ha una progressiva semplificazione delle molecole come si può osservare dalla figura:

Stadi

1° stadio

La demolizione delle macromolecole inizia con la  digestione. Mediante reazioni di idrolisi, le molecole complesse degli alimenti sono scisse nei loro componenti più semplici: dai polisaccaridi e dai disaccaridi si ottengono zuccheri semplici quali il glucosio, dai trigliceridi si ottengono glicerolo e acidi grassi, dalle proteine gli amminoacidi.

L’importanza di questo stadio risulta evidente se si considera che in esso avviene la demolizione di una vasta gamma  alimenti  a poche decine di molecole più piccole (alcuni monosaccaridi, glicerolo, alcuni acidi grassi e una ventina di amminoacidi). Quindi è molto più semplice agire enzimaticamente su queste piccole molecole che non sul gran numero di molecole diverse che formano la maggior parte degli alimenti. In questo primo stadio non è prodotta energia utilizzabile in forma utilizzabile dall’organismo.

2° stadio

E’ quello in cui iniziano le ossidazioni con liberazione di energia e produzione di ATP. In questo stadio si osserva un fatto molto interessante: la maggior parte delle molecole provenienti dalle demolizioni dello stadio precedente e destinate a fornire energie (siano esse uno zucchero come il glucosio, o un acido grasso come l’acido palmitico, o dieci dei venti amminoacidi) sono convertite tutte, dopo una serie di reazioni, ad uno stesso composto di ossidazione intermedia, costituito da un gruppo a due atomi di carbonio, CH₃ – CO-   denominato acetile, un derivato dell’acido acetico CH₃CO- OH.
Il gruppo acetile non esiste libero, in quanto, al momento della sua formazione in una reazione enzimatica, si lega a un coenzima, denominato coenzima A.

Di questo coenzima si riporta la struttura

Acetil Coenzima A

La formula di struttura è abbastanza complessa.

Sono presenti:

• un derivato dell’adenosin-difosfato (ADP)
• una vitamina, cioè l’acido pantoteico,
• un composto ovvero la β-mercaptoetilammina, un’ammina che reca il gruppo –SH sull’atomo di carbonio in posizione 2 (indicata anche come β).

E’ appunto al gruppo –SH che si lega il gruppo acetile, con formazione di una molecola di acetil-coenzima A la cui struttura è mostrata in figura:

che è indicata semplicemente come acetilCoA. Il legame C-S tra il gruppo acetile e il CoA è facilmente idrolizzabile. L’energia che si libera  può essere sfruttata per trasferire il gruppo acetile ad altre molecole. La capacità di trasportare gruppi acetilici ha reso l’acetilCoA un efficiente intermedio sia della demolizione sia della sintesi delle macromolecole. Esso, pertanto, costituisce un composto chiave in molti processi metabolici.

Glicolisi

Al 2° stadio della demolizione delle molecole appartiene la glicolisi che avviene nel citoplasma cellulare ed è la via metabolica che dal glucosio porta al piruvato il cui schema viene riportato in figura

Questa via metabolica consiste in una serie di reazioni che possono essere suddivise in due stadi.

Nel primo stadio si ha consumo di energia mentre nel secondo si ha produzione di energia. Nei primi stadi infatti si ha consumo di ATP e, alla fine delle prime tre reazioni si ha la formazione di fruttosio-1,6-difosfato riportato in figura

Questa spesa iniziale di energia, necessaria per attivare i reagenti, verrà ampiamente ripagata nelle reazioni successive.

Nella quarta reazione, il fruttosio-1,6-difosfato si scompone in due zuccheri triosi: gliceraldeide-3-fosfato e diidrossiacetone-3-fosfato di cui è un isomero. Per questo motivo, dopo la quarta reazione, il numero delle molecole dei prodotti risulta raddoppiato.

L’importanza della quinta reazione è dovuta al fatto che i suoi prodotti consentiranno di ottenere energia, che è l’obiettivo della glicolisi. Infatti, l’ossidazione della gliceraldeide-3-fosfato consiste in una deidrogenazione ad opera del NAD⁺ che si riduce di conseguenza a NADH. La reazione i cui dettagli possono essere visti in figura:

può essere schematizzata come:

gliceraldeide-3-fosfato + NAD⁺ + P_i ⇌ 1,3-difosfoglicerato + NADH + H⁺

questa reazione è importante perché l’ 1,3-difosfoglicerato possiede due legami con il fosfato la cui idrolisi è altamente esorgonica. Quindi è sfruttabile per l’accoppiamento con reazioni endoergoniche: prima tra tutte, la formazione di ATP.

Reazione globale

Per ogni molecola di gliceraldeide-3-fosfato si ha la formazione di due molecole di ATP. Poiché per ogni molecola di glucosio si ottengono due molecole di gliceraldeide-3-fosfato, le molecole di ATP formate sono complessivamente quattro. Tenendo conto delle due molecole di ATP spese nei primi stadi il guadagno netto della glicolisi è di 2 ATP.

A questo punto è possibile scrivere una reazione globale che riassuma gli eventi della via glicolitica:

C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2 P_i + 2 NAD⁺→ 2 CH₃COCOO^– + 2 ATP + 2 NADH + 2 H⁺ + 2 H₂O cui compete ΔG = – 70.5 Kj/mol

Se una mole di glucosio avesse reagito direttamente con l’ossigeno, con formazione di CO₂ e H₂O, si sarebbe avuta una variazione di energia libera pari a ΔG = – 2867.56 Kj/mol. Pertanto, dell’energia libera inizialmente presente in una mole di glucosio, ben 2797.06 Kj ( cioè 2867.56 – 70.5) rimangono ancora congelati nei legami chimici.

3° stadio

E’  costituito dalla serie di reazioni enzimatiche in cui il gruppo acetile, originariamente legato all’acetilCoA, è completamente ossidato a CO₂ e H₂O.

Questo processo avviene in due fasi: una fase intermedia, costituita da una via metabolica ciclica, denominata ciclo di Krebs e una fase finale, denominata fosforilazione ossidativa. A differenza delle reazioni delle vie metaboliche del 2° stadio che si svolgono nel citoplasma, quelle del 3° stadio si svolgono nei mitocondri.