LA BIOCHIMICA

Didascalia alternativa:

da carbonio, ossigeno e idrogeno e la loro formula generale è CnH₂nOn che si può rappresentare anche come " (CH,O)n H* H OH I carboidrati svolgono fondamentalmente 2 funzioni: Ruolo strutturale: più evidente nei polisaccaridi (cellulosa nella cellula vegetale e le da struttura); Ruolo energetico:se vengono spezzati i legami chimici: molto spiccato negli zuccheri semplici. I MONOSACCARIDI: sono i monomeri, le unità base da cui vengono prodotti i glucidi più complessi. I monosaccaridi contengono 4,5 o 6 atomi di carbonio. I più diffusi sono i pentosi (5 atomi di C) e gli esosi (6 atomi di C). -C-H -C-R I gruppi funzionali che caratterizzano i monosaccaridi, e quindi tutti i glucidi, sono: alcolico (-OH), aldeidico ( ), chetonico ( ). A seconda del gruppo funzionale, i monosaccaridi possono essere quindi aldosi e chetosi. Infine quindi sono aldopentosi o aldoesosi o chetopentosi o chetoesosi. Glucosio =aldoesoso CoHnos Ribosio C5H₁0Os = aldopentoso H-C₂-OH OH-C₂-H 1 H-C₂-OH H-C₂-(OH I CH₂OH H. -0 'C₁' HO-C₂-H HO Se questo OH si trova a destra il glucosio è D, se si trova a sinistra è L Se cambia la posizione di OH sugli altri atomi di C che non sia il C5 si parla di epimeri del glucosio: Galattosio epimero del glucosio se OH del C4 si trova a sinistra. Mannosio epimero del glucosio se OH del C2 si trova a sinistra. H-C₂-OH H-C₂-OH CH₂OH CH₂OH чкон CH₂OH 4 10 Per passare dalla forma lineare (proiezione di Fisher) alla forma ciclica (proiezione di Haworth) avviene una reazione tra l'atomo di C1 e l'atomo di C6, una reazione tra il gruppo carbonilico e l'OH chiamata addizione nucleofila che porta il glucosio a ciclizzare forma ciclica. OH OH (OH B OH : OH Il glucosio è nella forma: Se OH del C1si trova in basso Se OH del C1si trova in alto Fruttosio C6H₁₂O6 = chetoesoso strutturale Questi monosaccaridi formano i DISACCARIDI: Glucosio + galattosio = lattosio Glucosio + fruttosio saccarosio Glucosio + glucosio = maltosio CH₂OH 1 C=O HO-C-H I POLISACCARIDI sono lunghe unita di glucosio fino a 100 unità e hanno due principali funzioni: energetica Nella cellula animale il polisaccaride con questa funzione è il glicogeno Nella cellula vegetale il polisaccaride con questa funzione è l'amido Nella cellula animale il polisaccaride con questa funzione è la chitina Nella cellula vegetale il polisaccaride con questa funzione è la cellulosa H-C-OH H-C-OH CH₂OH H H-C-OH H-C-CH H-C-CH CH₂OH +HO OH Gli OLIGOSACCARIDI sono carboidrati formati dalla condensazione di più molecole di monosaccaridi, da 2 a 5, con perdita di una o più molecole d'acqua e formazione di un legame, il legame glicosidico. 1g =4kcal Per formare il saccarosio servono glucosio e fruttosio: il gruppo OH del C1 del glucosio punta verso basso e quindi è in posizione alfa, anche l'OH del C2 del fruttosio è il posizione alfa e quindi il legame si chiama legame alfa-1,2 che unisce glucosio e fruttosio a dare saccarosio e acqua. Il legame del maltosio, invece, è un legame 1,4 che unisce il gruppo OH sul C1 della molecole di glucosio con l'OH del C4 dell'altro glucosio ed è anche alfa perché nel primo glucosio OH punta verso il basso. Nel lattosio, invece si tratta di un legame beta-1,4 perché il legame è sempre tra il C1 del glucosio e il C4 del galattosio, ma il primo gruppo ossidrile OH del glucosio punta verso l'alto. HO-C I polisaccaridi invece sono tante molecole di glucosio legate e sono legate attraverso legami alfa-1,4, nella parte lineare, o alfa-1,6, le ramificazioni. Nell'amido, ad esempio, si hanno una serie di molecole di glucosio legate in maniera lineare e poi alcune ramificazioni. Le ramificazioni sono legate con legami alfa-1,6 che legano il C1 a un C6. Il tratto lineare dell'amido prende il nome di amilosio ed è costituito da numerose unità di alfa-glucosio, unite linearmente da legami tra il carbonio 1 e il carbonio 4 (legame alfa-1,4). Le ramificazioni invece prendono il nome di amilopectina e presentano appunto legami tra il carbonio 1 e il carbonio 6 (legame alfa-1,6). L'amido è quindi formato da catene di amilosio e catene di amilopectina con diversa ramificazione spaziale. La cellulosa, invece, è un polimero lineare del beta-glucosio con legami glicosidici tra il carbonio 1 e il carbonio 4 (legami beta-1,4). Gli enzimi che il corpo possiede possono separare alcuni legami e altri no: la cellulosa non si mangia perché non si è in grado di digerirla e quindi quel tipo di legame non si è in grado di separarlo. I LIPIDI I lipidi o grassi sono composti caratterizzati da idrofobicità, o insolubilità nei liquidi polari come l'acqua, e da lipofilicità, o solubilità nei solventi a polari come il benzene, il cloroformio e gli eteri. I lipidi hanno diverse funzioni: Termica: la componente limpida grassa contribuisce a mantenere il calore corporeo formando uno strato isolante. Energetica: funzione principale e prevalente -> da 1g di lipide si ottengono 9kcal, la loro funzione energetica è quindi superiore a quella dei carboidrati на HO-C- Yo OH Strutturale: i fosfolipidi ad esempio costituiscono la struttura della membrana citoplasmatica Sono veicoli di altre sostanze nei liquidi corporei, come le vitamine liposolubili A, D, E, K. I lipidi vengono classificati in trigliceridi, fosfolipidi, steroidi e cere. I TRIGLICERIDI sono costituiti dal glicerolo legato a 3 molecole di acidi grassi con il meccanismo dell'esterificazione di Fisher e quindi 3 molecole di acqua uscenti. La reazione di esterificazione spiega l'idrofobicità di queste molecole, poiché elimina tutti i gruppi ossidrili -OH, tipicamente idrofilici. I trigliceridi si dividono in: Saturi: se nelle lunghe catene sono presenti solo legami singoli. Di solito i trigliceridi saturi sono i cosiddetti grassi animali e sono solidi a temperatura ambiente (=grassi). Insaturi: se nelle lunghe catene sono presenti anche legami doppi, oltre a quelli singoli. Si tratta tipicamente dei grassi di origine vegetale e sono liquidi a temperatura ambiente (=oli). CH₂OH H H-C-O OH - E-m H-C-O-E - E H-C-0- E-m -m + 3H₂O Per una corretta alimentazione, si deve tener conto del fatto che l'organismo è in grado di sintetizzare quasi tutti i lipidi di cui necessita, tranne alcuni che vengono chiamati per questo motivo, acidi grassi essenziali: l'acido linoleico e l'acido linolenico. I FOSFOLIPIDI derivano dall'esterificazione del glicerolo, con 2 molecole di acido grasso e una molecola di acido fosforico, gruppo fosfato P, cui è unito un altro gruppo solitamente polare. I fosfolipidi sono costituiti da una parte, una testa, polare e un corpo, una coda, apolare che li rende ottimi costruttori della membrana citoplasmatica che è un doppio strato fosfolipidico: le teste polari sono rivolte verso l'ambiente acquosa intra o extra cellulare, mentre, le code a polari creano l'impermeabilità della membrana. Ḥ H-C-O-C. POLARE H-C -O-C-H H OH Le CERE sono miscele di composti piuttosto eterogenei di alcoli, chetoni, alcuni e soprattutto di esteri di un acido grasso con un alcole, entrambi a catena molto lunga. . Gli STEROIDI si ottengono a partire da una struttura di base formata da tre anelli esatomici e uno pentatomico, il ciclopentanoperidrofenantrene, cui sono uniti una catena alifatica, un doppio legame e un gruppo -OH. Il più conosciuto tra gli steroidi è il colesterolo . LE PROTEINE Le proteine sono macromolecole costituite da singole unità chiamate amminoacidi e si caratterizzano per la grande varietà e complessità di forme e funzioni Gli AMMINOACIDI sono molecole che contengono contemporaneamente sia il gruppo funzionale amminico (-NH2) sia il gruppo carbossilico (-COOH). Sono importanti, in biochimica, quelli che hanno il gruppo amminico legato al carbonio in posizione alfa rispetto al carbonio carbonilico. La struttura generale di un amminoacido è organizzata intorno a un atomo di carbonio ibridizzato sp3 sostituito con: Idrofobici-o zoz Idrofili -COA APOLARE Un gruppo amminico -NH2 Un gruppo carbossilico -COOH Un atomo di idrogeno -H Un residuo -R variabile a seconda dell'amminoacido. Quando gli amminoacidi si legano ad altri amminoacidi, il gruppo -OH e uno degli atomi di idrogeno del gruppo amminico, escono sotto forma di acqua e creano il legame peptidico tra il carbonio del gruppo carbossile e l'azoto del gruppo amminico dell'amminoacido successivo. Tanti amminoacidi di seguito formano la catena polipeptidica. Il singolo amminoacido è anfiprotico e quindi presenta sia una parte basica che una parte basica: a certi valori di pH può prevalere la capacità acida o può prevalere la capacità basica; il punto isoelettrico è un valore preciso di pH al quale l'amminoacido si trova alla forma neutra e quindi a carica netta pari a zero. Gli amminoacidi sono 20 e vengono classificati: Tabella 6 Gli amminoacidi più comuni costituenti le proteine Glicina, Gly, G Alanina, Ala, A O Valina, Val, V CH₁₂₁ O no attiva Ottica con 2H H₂C H₂N pl= 6,06; pk, = 2,35: pk, = 9,78 Prolina, Pro, P non e Chirale OH Metionina, Met, M H₂N H pl=5,74; pk, = 2,13; pk, -9,28 H₂N. O HO pl= 6.30: pK, 1,95, pk,= 10,64 Fenilalanina, Phe, P O 0 struttura rigida ad anello in H se OH H₂N H pl= 5,49; pk, = 2,20; pk, 9,311 Treonina, Thr, T OH O H₂C H₂N H pl=5,60: pk, = 2,09; pk, = 9,10 OH Asparagina, Asn, N O OH₂N H pl=5.41; pk, = 2,14; pk, = 8,72 Aspartato, Asp, D O OH OH OH H₂C H₂N pl=6,11; pk,2,35; pk, = 9,87 in grado di unire 2 cisteine HS ponti di Solgoro H₂N H pl=5,05; pk,= 1,92; pk₂= 10,70; pk=8.37 Tirosina, Tyr, Y OH H₂N Cisteina, Cys, C O OH HO OH H₂N H pl= 5,64; pk, = 2,20; pk, 9,21; pk,= 10,46 Triptofano, Trp, W HO O N- H pl=5,89; pk, = 2,46; pk, 9,41 O OH OH O H₂N H H₂N H pl 5,68; pk,2,19; pk, 9,211 Serina, Ser, S O OH Glutammina, Gln, Q 0 H₂N H pl=5,65; pk, =2,17; pk, = 9,13 Glutammato, Glu, E O O OH OH OH H₂C senza carica netta OH H₂N H pl=6,00; pk, = 2.39; pk₂=9,74 nome formula schematica Istidina, His, H punto isoelettrico OH H₂N H H₂N H H₂N pl=2,85; pk,= 1.99; pk, 9,90; pk= 3,90 pl=3,15; pk, = 2,10; pk, -9,47; pk,=4,07 pl 7,60, pk, = 1,80; pk, -9,33; pK, -6,04 H₂C H₂N Leucina, Leu, L O H₂CH₂N H pl 6,01; pk,2,33; pk, 9,74 sigla a tre lettere Treonina, Thr, T H₂C OH O H₂N H OH .pl 5,60; pK, = 2,09; pk₂= 9,10 contiene-C alifatico contiene zolfo NH inserito in un anello contiene-OH aromatico OH Lisina, Lys, K NH₂ contiene -COOH contiene -NH₂ H₂N H H₂C pl= 9.60, pk, = 2,16: pk₂=9,06; pk,= 10.54 Isoleucina, lle, I CH₂ O OH H₂N 요 H₂N H pl=6,05; pk, = 2,32: pK₂ = 9,76 sigla a una lettera NH Arginina, Arg, R H H₂N pl= 10,76; pk,= 1,82; pk=899 pk-124 Gli amminoacidi inoltre sono dei centri chirali e buon esempio di molecola chirale. Si parla di forma L di un amminoacido quando il gruppo amminico è scritto a sinistra. Si parla di forma D di un amminoacido quando il gruppo amminico è scritto a destra. NH₂-C-C-OH ---6 R P-P-H H₂N-C-C- OH R . -O-I NH2-C R LEGAME PEPTIDICO La catalisi enzimatica: gli enzimi, più o meno complessi, sono costituiti da proteine. La contrazione: le fibre contrattili come la miosina, l'actina, le ciglia e i flagelli delle cellule sono costituiti da proteine; dalla sequenza amminoacidica della catena; da come le catene sono disposte tridimensionalmente nello spazio; da ulteriori torsioni; N-C-COOH Z-I D-O-I + H₂O Le proteine costituiscono circa il 15% del materiale vivente e, tenendo conto che il 75% di questo è costituito da acqua, esse rappresentano la parte più consistente fra tutti i componenti biochimici. Grazie alla loro varietà di struttura, esse sono di enorme importanza soprattutto per gli organismi animali, ove svolgono funzioni plastiche e di sostegno, ma anche ruoli più sofisticati, legati per esempio a difesa, regolazione e catalisi. Le funzioni principali delle proteine concernono infatti: • R La difesa: sia gli anticorpi, sia il sistema della coagulazione del sangue sono sostanzialmente di natura proteica; Il trasporto: nel sangue e nei liquidi extracellulari, le proteine trasportatrici, come l'emoglobina, fanno arrivare a destinazione molte sostanze che, altrimenti, si disperderebbero o addirittura non potrebbero rimanere solubilizzate; le proteine intra-membrana permettono il passaggio selettivo di metaboliti attraverso di essa; La regolazione: nelle sinapsi delle cellule nervose, i messaggi vengono modulati da sostanze proteiche dette neurotrasmettitori; anche molti ormoni, come l'insulina, sono polipeptidi; l'adrenalina, ad esempio, è un ormone che si forma a partire dalla trionina. La struttura: proteine fibrose formano parte consistente di tessuti di sostegno come quello osseo o cartilagineo, oppure costituiscono la matrice cutanea o cornea, come nel caso del collagene, dell'elastina e della cheratina. Le proteine svolgono svariate funzioni; questo suggerisce che la loro complessità strutturale debba essere notevole. In effetti, per descriverne la struttura, non è sufficiente conoscere la loro composizione in termini di amminoacidi. La struttura di una proteina dipende: dalla presenza di un solo blocco o dall'associazione di più subunità. In corrispondenza di tali fattori si distinguono quattro livelli nell'organizzazione strutturale delle proteine. Alla base dell'infinita gamma di combinazioni possibili ci sono pur sempre il numero e la sequenza dei diversi amminoacidi che compongono la proteina. Per questo motivo: si dice struttura primaria di una proteina l'esatta sequenza degli amminoacidi che la compongono; essa influisce anche sugli altri fattori dai quali la struttura complessiva della proteina dipende e, in ultima analisi, ne determina la forma e il comportamento. L'ordine in cui si susseguono gli amminoacidi nella struttura primaria determina anche le interazioni secondarie tra le differenti parti della catena peptidica. Sono frequenti i legami a idrogeno che gli amminoacidi possono instaurare tra di loro. Per questo: si dice struttura secondaria di una proteina la particolare configurazione spaziale che essa assume a causa del complesso delle interazioni secondarie che si stabiliscono in parti diverse della sua catena peptidica. Le strutture secondarie della catena polipeptidica più diffuse sono gli avvolgimenti ad alfa-elica, a beta-foglietto e a tripla elica. La struttura ad alfa-elica causa un accorciamento della catena perché si instaurano legami a idrogeno tra l'ossigeno carbonilico di un amminoacido e L'idrogeno legato all'azoto di un altro amminoacido. Per i legami a idrogeno è una struttura resistente e stabile. La struttura a beta-foglietto è costituita da polipeptidi (10-20 amminoacidi) affiancati tra di loro che sono uniti saldamente con legami a idrogeno. La struttura a tripla elica è molto resistente e costituita da alfa-amminoacidi non inclini alla torsione ad alfa-elica e quindi i legami a idrogeno si formano tra le catene. La struttura terziaria di una proteina è determinata dalle torsioni delle catene di amminoacidi, dovute alle strutture secondarie e ai legami tra residui di amminoacidi posti lontani tra loro. In alcuni casi le molecole delle proteine possono raggiungere anche un ulteriore livello di complessità: la struttura quaternaria di una proteina è la struttura spaziale della sua molecola che risulta dall'associazione di subunità polipeptidiche in modo da formare complessi biologicamente attivi, associabili anche a parti non proteiche. Un esempio è l'emoglobina costituita da 4 catene polipeptidiche che si mettono il subunità a due a due (2 di tipo alfa e 2 di tipo beta) lasciando un spazio che ospita la molecola di ossigeno (emoglobina funzione di trasporto). GLI ACIDI NUCLEICI Gli acidi nucleici sono polimeri costituiti da singoli monomeri chiamati nucleotidi che si legano a formare la catena polinucleotidica attraverso il legame fosfodiesterico che si crea con l'estremità 5' libera che si lega alla 3’ OH libera del nucleotide precedente. Tanti nucleotidi formano la catena polinucleotidica che è il singolo filamento con orientazione 5'3' perché il primo nucleotide ha la posizione 5' libera e l'ultimo ha quella 3'OH libera. Ogni NUCLEOTIDE è costituito da tre parti: Un gruppo fosfato (acido ortofosforico) Uno zucchero a 5 atomi di carbonio (pentoso = ribosio per l'RNA e desossiribosio che in posizione 2' non ha OH ma solo H per il DNA) Una base azotata. Esistono due tipi di basi azotate: con due anelli (=purine) e con un solo anello (=piramidine). Nel DNA le basi sono adeniana A, citosina C, guarnina G e timina T. Nell'RNA la timina è sostituita dall'uracile U. Queste basi azotate 2 sono purine, la A e la G, e le altre sono pirimidine. Le purine hanno due anelli condensati, uno a 5 e uno a 6 atomi di C, le pirimidine hanno un unico anello a 6C. L'acido ribonucleico (RNA) e l'acido desossiribonucleico (DNA) sono i principali responsabili delle caratteristiche cellulari. La porzione proteica mantiene saldamente uniti gli acidi nucleici nella complessa struttura dei cromosomi e regola la lettura dei messaggi genetici per la sintesi delle proteine. Tale porzione forma gli istoni, strutture di 8 subunità, ciascuno dei quali avvolge due giri di filamento di acido nucleico. Il materiale cromosomico contenuto nel nucleo delle cellule degli eucarioti è rappresentato da DNA e nucleoproteine, ossia molecole di natura proteica indispensabili per garantire la struttura e la funzione del DNA. II DNA si trova nel nucleo associato alle nucleoproteine, mentre l'RNA è presente per la maggior parte nel citoplasma cellulare e solo per un 10% nel nucleolo, la zona densa del nucleo dove il DNA codifica per I'RNA che da origine ai ribosomi. Sottoponendo gli acidi nucleici a idrolisi si ottengono i loro costituenti, i nucleotidi. Nell'RNA e nel DNA i nucleotidi sono legati tra di loro, per formare catene di lunghezza variabile, mediante i gruppi fosforici che fanno da ponte tra il carbonio in posizione 3' (C3') di uno zucchero e il carbonio in posizione 5' (C5') dello zucchero adiacente. Nel RNA c'è solo un filamento e nel DNA ce ne sono due antiparalleli perché le basi azotate sono rivolte internamente e ciascuna base di un filamento si lega con legami a idrogeno con la base complementare dell'altro filamento. La funzione del DNA è contenere l'informazione genetica e trasmetterla da una cellula all'altra grazie al processo della duplicazione per fare in modo che ciascuna cellula figlia erediti lo stesso patrimonio genetico della cellula madre (fase S del ciclo cellulare). L'RNA è invece coinvolto nei tre processi del dogma centrale della biologia: dopo la duplicazione, trascrizione e traduzione. Un solo filamento del DNA viene trascritto in un filamento di RNA e dopo la trascrizione diventa RNAmessaggero e viene tradotto nella corrispondente catena polipeptidica. Watson e Crick con Franklin ipotizzarono il modello a doppia elica del DNA, le regole di Chargraff invece permisero di dedurre l'appartamento delle basi azotate, A con T con due legami a idrogeno e G con C con 3 legami a idrogeno. GLI ENZIMI Il metabolismo glucidico è l'ottenimento di energia attraverso gli zuccheri e sta alla base di tutti i tipi di metabolismo. L'insieme delle reazioni che avvengono nelle cellule e, più in generale, nell'organismo prende il nome di metabolismo. Il metabolismo è l'insieme di tutte le reazioni che si verificano all'interno dell'organismo e le reazione metaboliche sono classificate in due classi: Reazioni anaboliche: costruiscono grandi molecole con riduzioni e sono endoergoniche. Reazioni cataboliche: degradano le molecole più grandi con ossidazioni e sono esoergoniche. METABOLISMO = ANABOLISMO + = insieme di tutte le reazioni che a partire da molecole più semplici, usando energia, permettono di ottenere una molecola complessa Il metabolismo si compone di due processi che sono accoppiati: l'energia liberata dai processi catabolici è quella che serve per i processi anabolici: la cellula parte da una reazione catabolica per prendere l'energia da usare nei processi anabolici. Per questo motivo si parla solo di un unico grande processo, il metabolismo cellulare. La fonte di energia che usano questi processi è l'ATP che libera energia quando da ATP diventa ADP + fosfato inorganico e al contrario, si immagazzina energia con la reazione opposta, ossia quando si usa energia per legare il fosfato inorganico all'ADP e ottenere ATP. L'ATP è l'adenosinatrifosfato e quindi lo zucchero pentoso con l'adenina e tre gruppi fosfato: quando si taglia un legame e quindi si ottiene una ADP + fosfato inorganico, si libera energia. Se viene tagliato un altro gruppo fosfato si ottiene l'AMP + 2 gruppi fosfato e altra energia liberata. Se invece si deve conservare energia, si riuniscono i gruppi fosfato alla AMP o all'ADP per riottenere ATP. ADP + Pi, + E CATABOLISMO = insieme di tutte le reazioni che, a partire da una molecola complessa, la frammentano in singole unità più semplici, liberando energia ATP E Il metabolismo glucidico riguarda come immagazzinare le singole molecole di glucosio con un processo anabolico sotto forma di riserva energetica, il glicogeno, o al contrario come, partendo dal glicogeno, liberare nuovo glucosio che poi entra nel processo della respirazione cellulare con il fine di produrre ATP. Come ottenere energia dal glicogeno frammentandolo in singole unità di glucosio; Come dalle singole unità del glucosio, usando energia, riottenere il glicogeno, fonte di riserva; Come ottenere, a partire dal glucosio, ATP = processo chiamato respirazione cellulare che si compone a sua volta di glicolisi, ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa (catena di trasporto degli elettroni e chemio osmosi). Tutte queste reazioni sono reazioni chimiche per cui è importantissimo il ruolo degli enzimi: Catalizzatori biologici delle reazioni: sostanze che sono proteine, dal punto di vista biologico, più o meno complesse, in grado di modificare la velocità, abbassando lì energia di attivazione, delle reazioni in condizioni compatibili con la vita degli organismi. Nei processi biochimici sono sempre presenti enzimi specifici che terminano in -asi. Sono specifici e hanno una struttura particolare con una zona chiamata sito attivo che è in grado di interagire con il substrato, sostanze che vengono trasformate per azione degli enzimi, per favorire la trasformazione di esso nel prodotto finale. Ci sono siti attivi specifici per substrati specifici: la specificità dell'enzima è data dalla specificità di reazione da catalizzare che dipende dalla specificità del sito attivo dell'enzima e il suo substrato; specificità data dal tipo di reazione catalizzata e dal sito attivo. Questo lavoro di enzima-substrato e specificità prende il nome di modello chiave-serratura. . Possono anche essere inibiti e quindi bloccati, se si vuole interrompere una reazione. L'inibizione enzimatica è di 3 tipi: -> competitiva, c'è una competizione tra il substrato e l'inibitore per legare il sito attivo dell'enzima e quindi "chi prima arriva meglio alloggia": se nel sito attivo dell'enzima arriva prima il substrato, non c'è spazio per l'inibitore e viceversa. Questa inibizione può essere contrastata aumentando la quantità di substrato presente. -> non competitiva, in cui l'inibitore è in grado di legare l'enzima in un punto diverso dal sito attivo: l'inibitore modifica la conformazione del sito attivo dell'enzima, modificandone la specificità e quindi il substrato non può più interagire. -> acompetitiva, in cui l'inibitore è in grado di legare l'enzima quando questo è già legato al substrato, e poi cambia la struttura del sito attivo quando il substrato è già legato e quindi il substrato si stacca subito. ● Possono essere associati a molecole non proteiche, "aiutanti", ossia i coenzimi (sono delle molecole, NADH o FADH2) e i cofattori (sono degli ioni metallici, come ferro, zinco o magnesio). I principali coenzimi sono: L'ATP, I'ADP e l'AMP; II NAD+ e il NADP+, accettori di elettroni e protoni che permettono reazioni ossidative, e il loro corrispondenti NADH + H+ (nicotinammide adenina dinucleotide in forma ridotta) e NADPH + H+, che permettono reazioni di riduzione. Il FAD e il corrispondete FADH2 (flavina adenina dinucleotide in forma ridotta), coenzimi ossidoriduttivi. Il coenzima Q o ubiquinone che svolge la funzione di trasportatore di elettroni. Il conezima A utile subito prima del ciclo di Krebs. Il sito allosterico è un sito diverso dal sito attivo che può essere modificato nella sua struttura e favorire l'azione di un enzima. IL METABOLISMO DEI GLUCIDI I glucidi sono composti più importanti tra quelli che gli animali utilizzano per ricavare l'energia necessaria alla loro vita. Per poter essere assorbiti dalle cellule, tuttavia, tutti i glucidi, indipendentemente dal loro livello di complessità, devono essere ridotti a monosaccaridi. Perciò i glucidi complessi devono essere sottoposti a un vero e proprio processo di demolizione. Il glucosio è il monosaccaride che partecipa al maggior numero di reazioni intracellulari e occupa una posizione centrale nel metabolismo di tutti gli organismi. Le vie metaboliche del glucosio sono articolate e complesse. Esse portano sia alla produzione di ATP sia alla costruzione di nuove molecole utili in altri cicli. I principali percorsi in cui il glucosio è coinvolto sono: La glicogenolisi che consiste nella degradazione della riserva di glicogeno per liberare glucosio. La glicogenolisi è favorita da un ormone, il glucagone e si attiva quando l'apporto di zucchero nel sangue, la glicemia, si abbassa, si va ad attingere alla fonte di riserva, il glicogeno, per frammentaria in singole unità glucidiche. La demolizione di glicogeno avviene prevalentemente per mezzo di un enzima, la fosforilasi, attivata proprio dagli ormoni. ● La gluconeogenesi che consiste nella sintesi di nuove molecole di glucosio a partire da fonti non glucidiche, ossia non dal glicogeno e quindi non è la via alternativa glicolisi. La glicogenosintesi che consiste nella sintesi di glicogeno a partire dal glucosio (opposto della glicogenolisi, sono vie antagoniste). L'ormone che attiva la glicogenosintesi è l'insulina: un eccesso di glucosio nella circolazione ematica, una glicemia alta, necessita l'insulina per attivare questo meccanismo e quindi costituire la fonte polisaccaridica di riserva, il glicogeno. La glicogenosintesi avviene grazie all'azione di un enzima, la glicogenosintasi. La glicolisi Il ciclo di Krebs La fosforilazione ossidativa La fermentazione, ossia una via alternativa quando si è in condizioni anaerobiche, senza la presenza di ossigeno dopo la glicolisi. La via dei pentoso-fosfati è una via ossidativa anaerobica alternativa del glucosio per la produzione dei pentosi come il ribosio. LA RESPIRAZIONE CELLULARE La glicolisi anticipa il processo della respirazione cellulare che è diversa dalla ventilazione polmonare perché la respirazione di cui si occupano tutte le cellule dell'organismo per produrre energia. La glicolisi viene fatta nel citoplasma di tutte le cellule. Il prodotto della glicolisi, ossia due molecole di acido pirivico o piruvato, va verso l'organico deputato alla sintesi dell'energia. L'organulo della cellula in cui viene prodotta energia è il mitocondrio, costituito da da una doppia serie di membrane, quella interna liscia e quella esterna ripiegata in creste. L'acido piruvico deve entrare in entrambe le membrane e arrivare nella matrice mitocondriale, dove il piruvato compie il ciclo di Krebs o ciclo dell'acido citrico. A seguito del ciclo di Krebs vengono prodotti dei coenzimi NAD e FAD che entrano nella catena di trasporto degli elettroni che è costituita da 4 complessi multiproteici, incastrati nella membrana interna a creste del mitocondrio. Segue la chemio osmosi e poi ancora la fosforilazione ossidativa, al seguito della quale si ha la produzione al netto di ATP. La respirazione cellulare è quindi un processo che coinvolge il mitocondrio, più precisamente la matrice mitocondriale con il ciclo di Krebs e la membrana interna a creste, dove sono i 4 complessi multiproteici per gli ultimi due processi che portano all'ATP. matrice mitocondriale PIRUUATO = I C=O C- CH3 MITOCONDRIO= spatio intermembrana LA GLICOLISI La glicolisi consiste nell'ossidazione citosolica del glucosio (composta a 6C) in piruvato (composto a 3C). La glicolisi è un processo di 10 tappe, le prime 5 endorgoniche, cioè serve ATP per verificarle, le ultime 5 sono esoergoniche e quindi liberano ATP. 1. Dal glucosio a glucosio-6-fosfato dove sul C6 c'è il gruppo fosfato: l'ossidazione del glucosio avviene solo dopo che lo zucchero è stato attivato con la formazione del legame fosfoesterico da parte di una molecola di ATP sul carbonio C6. Il fosfato si ricava dall'ATP che entra e poi esce come ADP, libera il fosfato inorganico, rompe un legame e libera energia che serve per far si che si lega al C6. Questo è il primo passaggio endoergonico. L'enzima che svolge questo passaggio è l'esochinasi che funziona grazie alla presenza di un cofattore con ioni di Mg. 2. Dal glucosio-6-fosfato a fruttosio-6-fosfato, dalla forma aldosa alla forma chetosa: c'è stata una isomerizzazione e infatti l'enzima che favorisce il passaggio è la fosfoglucosio isomerasi. Isomerizzare significa portare a una forma simile, c'è sempre il gruppo carbonilico, ma in una nuova forma chetonica e non aldeidica. 3. Dal fruttosio-6-fosfato al fruttosio-1,6-bisfosfato, cioè si aggiunge un altro fosfato sul C1: è quindi entrata un'altra molecola di ATP, uscita sotto forma di ADP, ha staccato il fosfato inorganico che si è poi legato al C1. Questo passaggio è favorito dall'enzima che prende il nome di fosfofruttochinasi, enzima fondamentale del metabolismo del glucosio perché viene regolato e quindi regolandolo si può regolare tutta la via metabolica della glicolisi. 4. Dal fruttosio-1,6-bisfosfato a due molecole, 1 gliceraldeide-3-fosfato e 1 diidrossiacetone-fosfato, grazie ad un enzima chiamato aldolasi. Rompendosi il legame, si riforma con l'elettrone, nel primo caso, il doppio legame con l'ossigeno. Nel secondo caso però bisogna ancora trasformare. 5. Dal diidrossiacetone-fosfato a una seconda molecola di gliceraldeide-3-fosfato: ciò avviene grazie all'enzima trioso fosfato isomerasi, perché si deve passare ancora dalla forma aldeidica alla forma chetonica. Questi primi 5 passaggi necessitano energia (endoergonici), 2 molecole di ATP e al loro termine, da una molecola di glucosio si arriva a 2 molecole di gliceraldeide-3-fosfato. 6. Dalla gliceraldeide-3-fosfato (2) al 1,3-bisfosfoglicerato (2): ciò avviene grazie alla riduzione del coenzima NAD (in realtà 2NAD perchè le molecole sono due e quindi ne serve uno per ogni molecola di gliceraldeide-3-fosfato) in NADH. Si lega un altro fosfato. L'enzima che agisce è la deidrogenasi. Questo è il primo passaggio dei 5 esoergonici, che liberano energia. 7. Dal 1,3-bisfosforoglicerato (2) al 3-fosfoglicerato (2): il primo perde il fosfato che ha sul C1 e lo aggancia all'ADP formando una molecola di ATP. Un ATP si libera per ciascuna molecola e quindi si liberano 2 molecole di ATP. L'enzima di questo passaggio è la fosfoglicerato chinasi che funziona grazie alla presenza di un cofattore con ioni di Mg. 8. Dal 3-fosfoglicerato (2) al 2-fosfoglicerato (2) grazie all'enzima chiamato mutasi che funziona grazie alla presenza di un cofattore con ioni di Mg: si cambia la posizione del gruppo fosfato dal C3 al C2. 9. Dal 2-fosfoglicerato (2) al fosfoenolpiruvato (2) con perdita di 2 molecole d'acqua (una per molecola), grazie all'enzima enolasi. 10. Dal fosfoenolpiruvato (2) al piruvato (2) con una tautomeria, dalla forma enolica alla forma chetolica. Questo passaggio è il punto di collegamento tra la chimica organica e la biochimica, avviene grazie all'enzima piruvato chinasi che funziona grazie alla presenza di un cofattore con ioni di Mg e si libera il gruppo fosfato che quindi si lega all'ADP e si generano 2 molecole di ATP. Dopo la glicolisi il bilancio energetico è di 2 molecole di piruvato, 2 molecole di coenzima NADH e 2 molecole di ATP da 1 molecola di glucosio Passaggi della glicolisi : GWCOSIO H₂CFO 1 H-C-OH 1 HO-C-H H-C-OH H-C-OH I " CH₂OH HO-C-H H-C-OH H-C-OH FRUTTOSIO-1,6-BISFOSFATO CH₂OP I C=O I ( CH₂OP 2NAD 2NADH +P DEIDROGENASI ENOLASI 2H₂O ATP AOP 기 ALDOLASI + 2H+ ESOCHINASI NADH. GUCOSIO-6-FOSFATO H-CSO 1 H-C-OH I HO-C-H 1 I C- 11 CH₂ H-C-OH I H-C-OH ( CH₂OP DIIDROSSIACETONE-FOSFATO CH₂ OP I C=O CH ₂ OP GUCERALDFIDE-3-FOJFATO HIC₂O H-Ć-OH I CH₂OP 1,3 BISFOSFOGUCERATO (2) FOSFOENOLPIRUUATO (2) 0-C-0- FOSFOGLUCOSIO ISOMERASI 2ADP 2ATP 2ADP 2ATP FOSFOGUCERATO CHINASI PIRUUATO CHINASI (TAUTOMERIA) PIRUUATO (2) 0.010 TRIOSO FOSFATO ISOMERASI =O FRUTTOSIO-6-FOSFATO CH₂OH 1 CH3 1 HO-C-H C=0 H-C-OH H-C-OH 3- FOSFOGUCERATO (2) La glicolisi è un percorso comune a tutte le vie metaboliche e si svolge nel citoplasma di tutte le cellule. Ora ci sono due possibilità: Dopo la decarbossilazione ossidativa, al bilancio energetico si aggiungono altri 2 NADH ( CH₂OP ATP FOP 2GUCERAIDEIDE-3-PO)PATO H-C=O MUTASI FOSFOFRUTTOCHINASI н-с-он I CH₂OP 2-FOSFOGUCERATO (2) Condizione di aerobiosi = in presenza di ossigeno: dopo la glicolisi c'è la respirazione cellulare e quindi composta dai passaggi del ciclo di Krebs, catena di trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa. Condizione di anaerobiosi = in assenza di ossigeno: dopo la glicolisi si fanno le fermenzioni che possono essere 2, lattica o alcolica. -> condizione di aerobiosi: Se la glicolisi ha luogo nel citoplasma di tutte le cellule, la respirazione cellulare ha luogo nei mitocondri. Il ciclo di Krebs si svolge nella matrice mitocondriale: il piruvato deve entrare nella matrice superando la membrana esterna liscia e la membrana interna a creste. Per farlo serve il coenzima A. Il piruvato deve trasformarsi in acetil-CoA e quindi non c'è più un atomo di C che esce sotto forma di CO2 con una decarbossilazione ossidativa. Si parla di ossidazione e quindi qualcosa si deve ridurre: si riduce il NADH. Si liberano quindi 2 molecole di acetil-CoA e 2 coenzimi NADH. IL CICLO DI KREBS L'acetil-CoA è arrivato nella matrice mitocondriale dove inizia il ciclo di Krebs o ciclo dell'acido citrico perché quando l'acetil-CoA arriva, si lega ad una molecola che incontra subito chiamata ossalacetato (4 atomi di C) e costituiscono una molecola a 6 atomi di C chiamata acido citrico (primo prodotto della reazione). Si parla di ciclo perché ora l'acido citrico subisce una serie di reazioni, al termine delle quali deve tornare a formare l'ossalacetato e quindi in qualche modo bisogna staccare due atomi di C per tornare alla forma con 4C. Di conseguenza saranno presenti delle decarbossilazioni ossidative che si accompagneranno alle riduzioni degli enzimi. 1. L'acido citrico o citrato isomerizza a isocitrato, perde il primo carbonio e diventa alfa-chetoglutarato per decarbossilazione ossidativa. Ora ci sono 5C, si libera CO2 e NADH nella forma ridotta. 2. L'alfa-chetoglutarato viene di nuovo ossidato a succinil-CoA e quindi si perde ancora una molecola di CO2, si arriva a 4C e si riduce ancora 3. Il succinil-CoA, grazie alla liberazione di una molecola di ATP perché si stacca il CoA e si libera un legame, diventa succinato. 4. Il succinato diventa fumarato grazie alla liberazione di un FADH2. 5. Il fumarato diventa malato reagendo con l'acqua. 6. Il malato di ossida ulteriormente a ossalacetato liberando un'altra molecola di coenzima NADH. Tutto va moltiplicato per 2 perché le molecole di piruvato che si trasformano in acetil-CoA erano 2. Dopo il ciclo di Krebs quindi si devono aggiungere al bilancio energetico: 2 molecole di ATP, 2 molecole di FADH2 e 6 NADH. C=O ( CH3 DECARBOS. OSSIDATIVA CO₂ ● MALATO ● NADH H₂O с - SCOA + 2NADH CH3 1 ACETIL-COA OSSIDAHONE FUMARATO FADH₂ + OSSALACETATO SUCCINATO ATP ACDO UTRICO SUCCINIL-COA ISOMERIZZA ISOCITRATO DECARBOSS. CO₂ OSSIDATIVA NADH In questi passaggi sono stati ossidati gli enzimi e quindi si è liberata CO2 per tornare all'ossalacetato. Perché il ciclo ricominci, tutti i NAD+ e FADH+ ossidati che si sono ridotti a NADH e FADH2, devono tornare ad essere NAD+ e FADH+ nella forma ossidata. Si devono quindi liberare gli elettroni e gli ioni H+. Per questo motivo il ciclo di Krebs è seguito dalla catena di trasporto degli elettroni. LA CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI E LA CHEMIOSMOSI NADH OSSIDAZIONE ALFA-CHETOGUTARATO CO2 Gli elettroni che vengono liberati dai coenzimi che devono tornare nella forma ossidata entrano nella catena di trasporto, gli ioni H+ vengono pompati nello spazio intermembrana e si va a creare il presupposto per la chemio osmosi, ossia la teoria che porta, seguita dalla fosforilazione ossidativa, alla produzione al netto di ATP. La glicolisi avviene nel citoplasma di tutte le cellule; grazie alla decarbossilazione del piruvato ad acetil-CoA, l'acetil-CoA entra nella matrice mitocondriale dove avviene il ciclo di Krebs, ora la catena di trasporto degli elettroni avviene a livello della membrana interna a creste dove i 4 complessi multiproteici si occupano di trasportare gli elettroni verso il loro accettare finale, l'ossigeno (2 elettroni per 1/2 molecola di ossigeno, 4 elettroni per 1 molecola). Gli ioni H+ vengono invece portati nello spazio intermembrana a creare quello che si chiama gradiente elettrochimico, o gradiente protonico, cioè una differenza tra un accumulo di cariche positive nello spazio, assenti dentro. A seguito di questa disparità di carica si fa in modo che gli elettroni rientrino nella matrice, portando alla fosforilazione ossidativa e quindi al net della produzione di ATP. 14 complessi multiproteici prendono gli elettroni dai coenzimi e li trasportano: Il complesso 1 prende gli elettroni dal NADH e li manda verso l'ubichinone, CoQ. Nel contempo il complesso 1 pompa gli iono H+ nello spazio intermembrana. Il complesso 2 prende gli elettroni dal FADH2 e li porta verso l'ubichinone, CoQ. Il complesso 2 è l'unico che svolge questo lavoro senza pompare ioni H+ nello spazio intermembrana. Il complesso 3 prende gli elettroni portati verso il CoQ e li porta verso il citocromo C. Anche il complesso 3 pompa gli ioni H+ nello spazio intermembrana. Il complesso 4 prende gli elettroni dal citocromo C e li porta verso l'accettore finale, ossia l'ossigeno che si riduce in questo modo ad acqua. Anche il complesso 4 pompa gli ioni H+ nello spazio intermembrana. Nello spazio intermembrana si crea così il gradiente elettrochimico, cioè una differenza di concentrazione tra cariche positive degli ioni H+ e la matrice dove non ci sono più. Gli ioni H+ rientrano nella matrice per riequilibrare il gradiente attraverso un processo chimico chiamato chemiosmosi. Gli ioni rientrano attraverso una apertura di canale particolare, ossia l'ATP sintasi. L'ATP sintasi è un enzima, una sorta di turbina, costituito da due domini, FO transmembrana (immerso nei fosfolipidi della membrana) e F1 intracellulare (periferico rispetto alla membrana): gli ioni H+ rientrano per chemiosmosi passando per il dominio FO, mettono in moto la turbina, si crea una forza protonmotrice che consente la fosforilazione ossidativa e quindi la sintesi dell'ATP. LA FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA L'ATP sintasi, per fosforilazione ossidativa, produce ATP. Per ciascuna molecola di NADH si ottiene un guadagno di 2,5 ATP e per ciascuna molecola di FADH2 si ottengono 1,5 di ATP. Ci sono quindi 10 NADH che danno 25 ATP, ci sono 2 FADH2 che danno 3 ATP. Dopo la fosforilazione ossidativa, a bilancio, il totale è: 25 ATP (dal NADH) + 3 ATP (dal FADH2) + 4 ATP (dagli altri processi) Il bilancio al netto della respirazione cellulare è 32/34 molecole di ATP ottenute per 1 molecola di glucosio che entra nel suo metabolismo glucidico. = 32 ATP -> condizione di anaerobiosi LE FERMENTAZIONI Dopo la glicolisi, se non si è in presenza di ossigeno, seguono le fermentazioni che possono essere lattica o alcolica. La fermentazione permette la trasformazione del glucosio in acido lattico o alcol etilico. La fermentazione alcolica la fanno solo alcuni batteri e microrganismi, la fermentazione lattica l'organismo dell'uomo e alcuni lieviti. Dopo la glicolisi il piruvato, se avviene la fermentazione lattica, porta alla formazione del lattato: avviene una riduzione, il gruppo carbonilico si riduce a gruppo alcolico, e NADH si ossida a NAD+. Poiché le molecole di piruvato sono 2, vengono prodotte 2 molecole di lattato o acido Tattico e vengono liberati 2 enzimi NAD+ nella forma ossidata. Dopo la glicolisi il piruvato, se avviene la fermentazione alcolica, porta alla formazione di 2 molecole di etanolo o alcol etilico: avviene una decarbossilazione che libera CO2 e si forma l'acetaldeide che diventa etanolo grazie ad una riduzione in cui viene ossidato il NADH a NAD+. La fermentazione alcolica quindi porta alla produzione di 2 molecole di etanolo, 2 coenzimi NAD+ nella forma ossidata e 2 molecole di CO2. Il bilancio energetico netto della via anaerobica e lo stesso che si ha alla fine della glicolisi: 2 ATP + 2 NADH (= 5 ATP) = 7 ATP. FERMENTAZIONE LATTICA: HACIO C=O I CH3 piruvato H RIDUZIONE C=O 1 CH3 piruvato NADH он, сто FERMENTAZIONE ALCOUCA : 0 NAD+ CO₂ DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA H-C-OH I CH3 acido lattico alattato C-0 I CH3 acetaldeide RIDUZIONE NADH NAD+ H H-C-OH I CH3 etanolo o alcol etilico IL CICLO DI CORI L'acido lattico prodotto tramite la fermentazione lattica può essere riconvertito in piruvato, dopo essere stato trasportato al fegato, e a sua volta può essere riconvertito in glucosio secondo le tappe del ciclo di cori. Questo glucosio va ai muscoli o di nuovo in circolo.