Metabolismo e processi “energetici” che regolano l’attività enzimatica negli impasti del pane

La somma delle diverse reazioni umane, animali o vegetali, che forniscono scambi energetici si chiama metabolismo.

Quasi tutte queste reazioni coinvolgono enzimi: grandi molecole proteiche, ognuna preposta ad assolvere un compito specifico.

Le migliaia di svariate reazioni possono essere racchiuse o raggruppate in una serie di tappe che in biologia vengono definite sequenze, alcune delle quali molto simili o addirittura identiche come, ad esempio, quella che riceve energia dai grassi che è identica a quella che riceve energia dal glucosio.

E’ importante osservare che gran parte dei processi metabolici sono simili in organismi che, tuttavia, sono completamente differenti e questo vale sia per le specie animali che vegetali.

Il metabolismo si divide in

1. anabolismo (reazioni chimiche dette di sintesi)
2. catabolismo (reazioni chimiche di demolizione di grosse molecole).

Il catabolismo offre energia e materiale grezzo all’anabolismo.

Affinché possa avere luogo la maggior parte delle reazioni biochimiche e metaboliche in un impasto, è richiesta un’energia iniziale utile all’avviamento e ai tempi di reazione che permettono al processo di procedere alla giusta velocità (velocità di reazione). Questo vale anche per le reazioni esoergoniche (processo spontaneo di rilascio di energia libera il cui termine contrario è endoergonico ovvero un processo che richiede ugualmente energia non spontanea).

Questa energia, detta di attivazione, influenza in modo prominente la cinetica delle molecole che interrompono la loro reciproca repulsione, rompendo i legami chimici. Mentre in laboratorio l’energia di attivazione viene fornita mediante calore, nelle cellule viventi, il calore può avere effetti distruttivi e pertanto, il problema è aggirato dai catalizzatori, enzimi o macromolecole proteiche il cui scopo è quello di ridurre l’energia di attivazione necessaria senza tuttavia, influire sui prodotti finali.

La molecola primaria su cui agisce l’enzima è definita substrato. L’enzima ricava il nome dal substrato su cui agisce (es:saccarasi = Saccarosio).

Gli enzimi sono delle proteine globulari assai complesse, formate da una o più catene polipeptidiche ripiegate in modo da formare una specie di sacca in cui va ad incastrarsi il substrato. Si ritiene che questa cavità, detta “sito attivo”, si adatti, favorendo il processo di respirazione cellulare.

Per essere efficienti, molti enzimi richiedono l’interazione con ulteriori sostanze non proteiche dette: cofattori o coenzimi i quali formano legami covalenti, funzionando come accettori di elettroni nelle reazioni di ossidoriduzione.

Il più comune enzima è il NAD il quale accetta e rilascia elettroni. Quando ossidata, questa molecola assume il titolo di NAD+ mentre quando accetta due elettroni e un protone si riduce a NADH.

Ricordo che questi processi, che interessano la biologia molecolare e la fisica, richiedono la necessità di essere descritti esattamente per ciò che rappresentano. Mi rendo conto tuttavia che per alcune persone, l’argomento è molto complicato da digerire ma per delucidazioni, potete sempre contattarmi e cercherò di chiarire quanto più possibile.

I coenzimi, “ri”-trasformandosi in NAD+, sono pronti a partecipare ad un altra reazione. Si deduce che ogni cellula è quindi in grado di regolare la quantità e la velocità di sintesi ottimale e necessaria al proprio benessere, evitando un sovraccarico produttivo che rappresenterebbe solo spreco di materiali grezzi. Tutto questo processo è regolato da quella che chiamiamo: attività enzimatica.

La concentrazione dell’enzima e del substrato è spesso limita l’attività enzimatica. Dato che molti enzimi si decompongono facilmente, è necessario che essi vengano prodotti solo al momento del bisogno e altri, sono già naturalmente presenti nel substrato in forma inattiva e vanno quindi attivati mediante l’azione di altri enzimi.

I due fattori primari che regolano l’attivazione enzimatica sono principalmente il pH, la temperatura che comunque, assieme alla maggiore o minore presenza di acqua, subiscono variazioni.

La temperatura ideale si aggira attorno ai 35° e i 40°C, e la velocità di reazione enzimatica diminuisce quanto più ci allontaniamo da questo range. Ciò significa che a temperature più basse, la reazione enzimatica rallenta.

Il pH, variando le cariche positive e negative dell’enzima, influenza l’energia con la quale queste cariche si attraggono o si respingono. La maggior parte delle attività della cellula richiede un’energia che viene fornita da un’unica molecola: l’adenosina trifosfato (ATP).

Il glucosio e i carboidrati in generale sono le maggiori forme energetiche d’accumulo degli organismi viventi, mentre l’ATP, rappresenta l’energia immediatamente spendibile.

La molecola è formata da un Ribosio, da un’adenina e da tre gruppi fosfato. Questi gruppi, legati covalentemente tra loro, presentano forti cariche negative che influiscono sull’azione reattiva dell’ATP. Per comprendere il funzionamento di questa molecola pensiamo alle reazioni endoergoniche che “intrappolano” energia all’interno di nuovi legami che si vengono a formare (reazioni di sintesi, dove l’energia dei prodotti è maggiore di quella dei reagenti, apparentemente in contraddizione con la seconda legge della termodinamica).

Questo problema viene aggirato attraverso reazioni accoppiate dove le reazioni endoergoniche si abbinano a reazioni esoergoniche le quali, forniscono un sovraccarico di energia cinetica fornita solitamente proprio dall’ATP che libera energia per idrolisi (gli enzimi che catalizzano l’idrolisi dell’ATP sono detti ATPasi). Questo complicato processo biochimico è chiamato fosforilazione ed è catalizzato ad opera di enzimi detti “chinasi” ovvero, trasportatori (catalizzatori) del trasferimento di un gruppo fosfato) di ATP o da altro composto fosforilato) ai propri substrati.

Per ottenere una visione d’insieme, soffermiamoci sui processi di ossidazione o riduzione (ossidoriduzione) dove l’ossidazione equivale, biochimicamente, alla perdita di un elettrone mentre la riduzione all’acquisizione di quest’ultimo. Solitamente una molecola tende a liberare energia quando viene ossidata. Nel caso del glucosio i legami carbonio-carbonio, carbonio-idrogeno e idrogeno-ossigeno diventano: carbonio-ossigeno e idrogeno-ossigeno.

Le cellule sono in grado di non dissipare l’energia rilasciata da questa reazione in maniera casuale bensì, la sfruttano per trasformare ADP in ATP.

L’ossidazione del glucosio si compie in due tempi: glicolisi e respirazione.

La glicolisi è una reazione di distruzione del glucosio che avviene in 9 tappe :

1. La prima tappa richiede energia la quale viene fornita dal sistema ATP/ADP. Il gruppo fosfato terminale dell’ATP si lega al glucosio mediante l’enzima specifico esochinasi.
2. Il glucosio si trasforma in fruttosio mediante l’enzima: fosfoglucoisomerasi.
3. Il fruttosio, mediante il passaggio ATP/ADP si lega per a formare fruttosio  1,6-difosfato, si serve dell’nzima specifico: fosfofruttochinasi.
4. La molecola viene scissa in due molecole a tre atomi di carbonio: il diidrosiacetone fosfato e la fosfogliceraldeide, tra loro convertibili grazie all’ isomerasi mediante l’enzima aldolasi ((da qui in poi la reazione avviene contemporaneamente solo su due molecole uguali).
5. Le molecole di fosfogliceraldeide vengono ossidate (vengono cioè rimossi atomi di idrogeno e NAD+ ridotto a NADH e H+) e l’energia ottenuta viene in parte utilizzata per attaccare il gruppo fosfato primario mediante l’enzima fosfotrioso deidrogenasi.
6. Mediante l’enzima Fosfoglicerato chinasi, un gruppo fosfato viene liberato la molecola di ADP in ATP viene ricaricata.
7.  L’altro gruppo fosfato scala di una posizione mediante l’enzima specifico: fosfloglicerato mutasi.
8. Una molecola d’acqua viene rimossa per concentrare energia in vicinanza del gruppo fosfato mediante l’enzima specifico: enolasi o fosfopiruvato idratasi.
9. Il gruppo fosfato ricarica un ADP per formare ATP.

Queste nuove tappe possono essere così riassunte:

glucosio + 2 ATP + 4 ADP + 2Pi + 2 NAD+ -> 2 acido piruvico + 2 ADP + 4 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O.

L’acido piruvico può seguire la via aerobica (con ossigeno) e quella anaerobica (senza ossigeno).

In assenza di ossigeno l’acido piruvico può essere trasformato in etanolo (alcol etilico) che nel vino, ad esempio, aumenta il grado alcolico finché il lievito presente non ha trasformato tutto il glucosio a sua disposizione in alcol. Questo processo è chiamato: fermentazione affrontata più volte nelle pagine del mio sito.

U’altra via di trasformazione metabolica, che avviene in fase anaerobica è la produzione di acido lattico (il cosiddetto “debito di ossigeno”), ad un pH inferiore. Quando la richiesta di ATP si abbassa, l’acido piruvico viene ritrasformato in glucosio.

Il fatto che la glicolisi non richieda ossigeno è dovuto ad un fattore di evoluzione precoce rispetto all’ossigeno libero presente nell’ambiente atmosferico.

In presenza di ossigeno, la demolizione del glucosio rappresenta un’ossidazione/trasformazione dell’acido piruvico in anidride carbonica e acqua e questo processo rappresenta la famosa respirazione cellulare.

La respirazione cellulare consiste in due fasi: il ciclo di Krebs e il trasporto di elettroni finali. Nelle cellule eucariote queste reazioni avvengono nei mitocondri, delimitati da due membrane: una esterna liscia ed una interna ripiegata verso l’interno. All’interno del mitocondrio vi è la matrice, una soluzione densa che contiene principalmente enzimi, coenzimi, acqua e fosfati. Mentre la membrana esterna è permeabile alle piccole molecole, quella interna è selettivamente permeabile per l’acido piruvico e l’TP e ciò, nella respirazione cellulare riveste un ruolo fondamentale poiché dal citoplasma, l’acido piruvico passa nei mitocondri attraverso le membrane, e, prima di entrare nel famoso ciclo di Krebs, esso viene ossidato.

Il carbonio e gli atomi di ossigeno (del gruppo carbossilico) vengono eliminati dall’anidride carbonica per cui resta un solo un gruppo acetilico (a due atomi di carbonio CH3CO). Ogni gruppo acetilico è accettato da un coenzima la cui formazione forma l’anello di congiunzione tra glicolisi e ciclo di Krebs (H. A. Krebs 1937) o dell’acido citrico.

All’inizio del ciclo il gruppo acetilico si combina con un composto a quattro atomi di carbonio (acido ossalacetico) per produrne uno a sei atomi (acido citrico). Nel corso del ciclo, due dei sei atomi vengono ossidati ad anidride carbonica in modo che il composto a quattro atomi sia rigenerato attraverso reazioni, per l’appunto, cicliche. L’energia liberata dall’ossidazione dei legami, viene impiegata per trasformare le molecole ADP in ATP, per produrre NADH e H+ a partire da NAD+ e infine, per ridurre il FAD (un secondo trasportatore/catalizzatore nella catena di trasporto di elettroni) dove, per ogni ciclo, una molecola di FAD viene trasformata in FADH2 (Flavina adenina dinucleotide).

Il ciclo di krebs così riassunto :

Acido ossalacetico + acetil-CoA + ADP + Pi + 3 NAD+ + FAD -> acido ossalacetico +  2 CO2 + CoA + ATP + 3 NADH + FADH2 + 3 H+ + H2O

Ovviamente l’acido ossalacetico, prodotto alla fine del ciclo di Krebs, è composto da atomi diversi di quello iniziale. A questo punto, gli atomi di carbonio della molecola sono completamente ossidati, ma parte dell’energia potenziale è ancora presente negli elettroni rimossi dai legami C-C e C-H e trasferiti a NAD+ e FAD. Elettroni che si trovano ad un alto livello energetico il cui processo è composto da una serie di  catene di trasporto di elettroni, ognuna delle quali ne riceve dalla catena precedente anche se ad un livello energetico leggermente inferiore. Tra i componenti fondamentali della catena di trasporto vi sono i citocromi, molecole costituite da una proteina e da un gruppo (eme), che presenta un atomo di ferro e il quale, accetta e libera alternativamente un elettrone passandolo dal citocromo successivo ad un livello energetico leggermente inferiore. L’energia liberata trasforma ADP in ATP  ed il processo è definito fosforilazione ossidativa. Di recente si è teorizzato che il processo sarebbe azionato da un gradiente di protoni che si instaura attraverso la membrana mitocondriale. Questo processo, detto accoppiamento chemiosmotico contempla due eventi distinti: la formazione di un gradiente di protoni e la liberazione di energia potenziale accumulata nel gradiente  con utilizzo di ATP, ADP e fosfato. Il gradiente di protoni ha luogo quando gli elettroni passano lungo la catena di trasporto e lungo la quale si assiste ad una diminuzione della quantità di energia posseduta dagli elettroni. Ne consegue che viene rilasciata energia che consente un pompaggio di elettroni dalla matrice mitocondriale attraverso la membrana interna che si dirige verso lo spazio presente tra la membrana interna ed esterna. Da questo spazio, alcuni protoni passano nel citoplasma con il risultato che alla fine del processo, a mettere in moto un nuovo processo che consente ai protoni di scendere lungo il gradiente elettrochimico tornando nella matrice, è una potenziale e necessaria energia ulteriore.

Articolo tratto da Inftub.com