Corso di Biochimica: Introduzione ai processi fisiologici

CORSO TESTUALE DI BIOCHIMICA

In questo articolo iniziamo a intraprendere una nuova serie definita Corebo Biochemistry: la biochimica spiegata semplice!

Per coloro che devono sostenere un esame e vogliono prepararlo al meglio e per tutti quelli che stanno intraprendendo la professione di biologo e vogliono ripassare alcuni temi fondamentali e avere una guida sempre a portata di mano e di smartphone.

Nella maggior parte dei corsi di biochimica troviamo spesso un linguaggio complesso, quasi indecifrabile. L’obiettivo di questi articoli è produrre un corso di facile accesso, perché crediamo che il linguaggio veicoli la cultura solo se è espresso in maniera comprensibile e semplice.

Introduzione alla biochimica

La biochimica è la materia che unisce la chimica e la biologia. Questa disciplina ha avuto uno sviluppo importante a partire dagli anni ’50 e ’60 del XX secolo. Pertanto la biochimica è una materia relativamente giovane e oggi è ancora in espansione. Infatti con la comprensione delle sequenze genomiche e gli studi nei campi di applicazione della nutrizione e della clinica possiamo ritrovarci, ad esempio, nel mondo della nutrigenomica e della nutrigenetica.

Oggi sappiamo che da pochi elementi come i monosaccaridi, gli amminoacidi, i lipidi e gli acidi nucleici derivano tutte le molecole della materia vivente. Una delle più importanti scoperte della biochimica è che tutti gli esseri viventi sono accomunati da queste biomolecole.

Tutte le molecole di partenza possono combinarsi tra loro per formare le membrane cellulari e le strutture fondamentali per l’avviamento della vita.

Il concetto che traspare da diversi libri è che il primo metodo per lo studio della biochimica è l’osservazione. Osservare la forma delle strutture ha permesso a molti chimici e biologi di teorizzare una funzione specifica.

Le sostanze presenti nella cellula

Tra le molecole più importanti quelle maggiormente presenti nella cellula sono i lipidi e le proteine.

I glucidi, seppur fondamentali, sono presenti in quantità minime nelle cellule (li ritroviamo per un 0,5%-1%). Dobbiamo precisare che la maggior parte dei nostri pasti sono principalmente glucidici, come testimonia la distribuzione calorica di una dieta normotipo, di cui il 55-60% è rappresentato da carboidrati.

I carboidrati per noi sono fondamentali per le reazioni di ossido-riduzione che generano molecole ad alto contenuto energetico come l’ATP. Ricordiamo che attraverso i composti chimici siamo in grado di ottenere l’energia per svolgere le funzioni biologiche indispensabili alla vita.

Nel corpo umano una delle reazioni più importanti è la reazione di deidrogenazione, cioè una reazione di ossidazione dove da un composto si eliminano due atomi di idrogeno.

Dove vanno a finire questi atomi di idrogeno?

Vanno a ridurre altri composti, che accettano i due atomi di idrogeno. Una delle molecole accettrici è il NAD, un nucleotide derivato della vitamina B3, fondamentale per reazioni di ossido-riduzione. Questa sostanza è fondamentale per il trasferimento di atomi di idrogeno.

Quando il NAD accetta un atomo di idrogeno, si trasforma in NAD ridotto, o NADH + H.

L’ossigeno che noi preleviamo dall’aria attraverso la respirazione si combinerà con gli idrogeno del NADH e si genererà acqua. La formazione di acqua ci permette, in combinazione con quanto detto poc’anzi con il NAD, di formare fino a 3 molecole di ATP.

Inoltre è presente un’altra molecola fondamentale, un nucleotide derivato dalla vitamina B2, chiamato FAD. Dal FAD ridotto, o FADH2, si formano 2 molecole di ATP.

L’ATP è il composto fondamentale a livello chimico che servirà per produrre lavoro nelle cellule.

L’ATP ha un ruolo fondamentale per tutti i processi, in caso di carenza si avrà la morte cellulare.

Il glucosio e la glicolisi

Il glucosio è uno dei composti che viene utilizzato dalle cellule per produrre ATP. Nel citoplasma della cellula avviene un processo che permette al glucosio, mediante 10 reazioni chimiche, di produrre piruvato a tre atomi di carbonio: la glicolisi.

Si ha perciò una trasformazione del glucosio, a sei atomi di carbonio, in piruvato (3 atomi di carbonio). Questo processo permette di produrre 2 molecole di NADH e 2 molecole di piruvato per ogni molecola di glucosio. Nella glicolisi inoltre ci sarà produzione anche di 2 molecole di ATP. 

Il piruvato è un composto importante per la produzione di anidride carbonica (CO2) e una sostanza a due atomi di carbonio che è l’Acetil-CoA (tramite una decarbossilazione).

Attenzione perché non è l’ossigeno che genera anidride carbonica, ma sono due situazioni differenti.

Inoltre, a seconda delle condizioni cellulari, si potrebbe arrivare a produrre una sostanza, con un processo di carbossilazione, grazie all’aggiunta di un atomo di carbonio, prelevato dall’anidride carbonica, al piruvato, con la formazione di ossalacetato.

Il ciclo di Krebs

Con la reazione appena descritta siamo all’inizio del Ciclo di Krebs, con ossalacetato, a 4 atomi di carbonio, e l’Acetil-CoA, a 2 atomi di carbonio, che per condensazione daranno origine al citrato. Dal citrato, grazie ad un ciclo di 8 reazioni, otterremo nuovamente l’ossalacetato. Qui si genereranno due molecole di CO2 per ritornare all’ossalacetato a 4 atomi di carbonio.

La produzione di CO2 per decarbossilazione, garantirà anche quella di NADH. Queste decarbossilazioni prenderanno il nome di decarbossilazioni ossidative.

Si produrranno in aggiunta altri nucleotidi, quali il FADH2 e un altro composto ad alta energia che prende il nome di  GTP, guanosin-trifosfato, fondamentale per la produzione di ATP o per essere utilizzato direttamente in alcuni processi che vedono coinvolte le proteine.

Nel Ciclo di Krebs si generano 3 NADH, 1 FADH2 e 1 GTP. Se per ogni NADH ridotto prodotto si producono 3 ATP e per ogni FADH2 si producono 2 ATP, avremo una produzione totale di 11 ATP + 1 ATP dal GTP.

In totale nel ciclo di Krebs, per ogni molecola di Acetil-CoA si produrranno 12 molecole di ATP. Parliamo di una molecola di piruvato, ma ricordiamo che in realtà sono 2.

Qual è la resa energetica del glucosio?

Per resa energetica parliamo di quanta energia si può produrre dall’ossidazione completa di una molecola di glucosio.

Il totale della resa energetica è di 38 molecole di ATP, per ogni molecola di glucosio.

Ci sono momenti che conosciamo bene, in cui il glucosio viene utilizzato come via preferenziale in sforzi di medio-alta intensità, grazie alla glicolisi. Perché nella glicolisi e non con il ciclo di Krebs dove si ha una produzione più alta di ATP? Perché la glicolisi è una via metabolica più rapida, al contrario il ciclo di Krebs è una via energetica più lenta, nonostante il numero di molecole di ATP prodotte sia superiore.

Ed è così che in attività lattacide soprattutto, ma anche nelle alattacide in parte, viene utilizzata la glicolisi come via preferenziale per la produzione di energia. Al contrario nelle alattacide il sistema fosfageno della fosfocreatina subentra in maniera massiva!

A cura del Dottor Giulio Merlini 

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