Biochimica - Carboidrati PDF

Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni MACROMOLECOLE BIOLOGICHE Le cellule sono composte da molecole biologiche, dal punto di vista quantitativo in peso la maggior parte sono macromolecole che derivano dalla polimerizzazione di molecole più piccole che...

Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni MACROMOLECOLE BIOLOGICHE Le cellule sono composte da molecole biologiche, dal punto di vista quantitativo in peso la maggior parte sono macromolecole che derivano dalla polimerizzazione di molecole più piccole che si legano una all’altra. Formazione di polimeri -> macromolecole ad alto perso molecolare derivate dalla polimerizzazione di molecole biologiche inferiori (monomeri). Le macromolecole biologiche sono: - Glucidi - Lipidi - Proteine - Acidi nucleici Peso secco -> tolgo acqua, componente principale del peso con differenze a seconda dei tipi cellulari. Macromolecole presentano valori diversi a peso secco: - Proteine: molecole principali, peso secco maggiore. Legate alle funzioni rispetto alla vita della cellula - Lipidi - Glucidi e acidi nucleici in eguale percentuale - Sali minerali ed elementi in traccia sono presenti in quantità esigua Più del 95% del peso secco della cellula è costituito da queste macromolecole, considerando il peso secco le proteine sono le componenti principali. CARBOIDRATI O GLUCIDI Glucidi deriva dalla loro dolcezza (caratteristica legata ai monomeri che costituiscono la macromolecola), carboidrati perché nella formula grezza sono idrati del C. I carboidrati sono aldeidi o chetone di alcoli poliossidrilici o composti ottenuti dalla polimerizzazione di questi monomeri -> formula grezza: Cn (H2O) n Esempio: D- glucosio C6H12O6 Il glucosio ha 6 atomi di C, aldeidi o chetoni sono composti aventi gruppo funzionale carbonilico (gruppo carbonilico -> C=O) terminale (aldeide -> glucosio) o interno della molecola (chetone) sempre di alcoli poliossidrilici (gruppo ossidrilico -> OH). Composti polari, per la presenza del gruppo ossidrilico (più gruppi ossidrilici -> poliossidrilici), monomeri solubili in acqua polimeri di notevole di dimensioni riducono la solubilità. Contiene tanti atomi di O, confrontandolo con idrocarburo o lipidi si può dire che il composto è più ossidato (zuccheri Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni stato più avanzato di ossidazione, nel loro catabolismo occorrono meno passaggi, metabolismo più veloce meno energia rispetto a lipidi -> più passaggi -> più energia). Per i carboidrati posso avere come numero di atomi di C (n: = atomi di C) da 3 a 9 (nel caso dei monomeri -> unione di monomeri in polimeri n aumenta). Possono essere suddivisi in: - Carboidrati aldosi: gruppo carbonilico terminale (aldeidi) -> glucosio - Carboidrati chetosi: gruppo carbonilico in mezzo alla molecola (chetoni) -> fruttosio Glucosio e fruttosio sono entrambi zuccheri a 6 atomi di C, non presentano differenze nella formula grezza (C6H1206) cambia la formula di struttura per la posizione del gruppo carbonilico. Posso suddividere i carboidrati a seconda dei numeri di atomi di C (sempre unità monomeriche): - 3 C: triosi -> gliceraldeide (aldeide) e diidrossiacetone (chetone) - 4 C: tetraosi - 5 C: pentosi -> ribosio e desossiribosio - 6 C: esosi -> fruttosio, glucosio e lattosio Funzioni - Energetica: ricavo energia -> sintesi glucosio, deposito di energia/ riserva energetica (amido, vegetale e glicogeno, animale) - Strutturale: subentrano nella costruzione di componenti vegetali -> cellulosa (parete cellule vegetale impedisce danneggiamento da pressioni osmotiche) o la chitina (scheletro esterno degli artropodi) - Informazionale o di riconoscimento: trasmettono informazione tra una cellula e l’altra, non sono solo zuccheri ma legati a lipidi o proteine (esempio: glicoproteine, parte saccaridica o glucidica ha un ruolo importante nel riconoscimento ed adesione delle cellule a livello della membrana plasmatica -> antigene dei gruppo sanguinei), processi di coagulazione in generale processi legati ad un codice glucidico (catene di zuccheri legate a proteine permettono funzionamento corretto cellula, ambiente idratato e carica). Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Stereochimica degli zuccheri Isomeri: molecole che hanno stesso tipo e numeri di atomi organizzati diversamente (formula grezza/ molecolare uguale cambia la formula di struttura). Cambio orientamento dello spazio genera enantiomeri, hanno la capacità di far ruotare il piano di luce polarizzata in direzione diversa. Il nome deriva dal fatto che sono una immagine speculare dell’altro e non sono sovrapponibili se scorrono sullo stesso piano (come le mani) e non hanno un piano di simmetria. Dal punto di vista biologico sono fondamentali perché negli enzimi agisce solo uno dei due. I due enantiomeri della gliceraldeide sono stati scelti come composti di riferimento per classificare i monosaccaridi Formule di proiezione di Fischer Tratti orizzontali legano gruppi verso osservatore i tratti verticale che si allontanano dallo spettatore -> modello gliceraldeide (zucchero trioso) C legato a quattro sostituenti diversi -> C simmetrico o chirale. Della gliceraldeide posso avere due formule chirali: - D gliceraldeide: gruppo carbonilico destra - L gliceraldeide: gruppo carbonilico sinistra Rispetto al glucosio e al fruttosio -> si considera la configurazione del C chirale più lontano dal gruppo carbonilico e si confronta con la gliceraldeide: - Quando il gruppo OH è a destra ho un isomero D - Quando il gruppo OH è a sinistra ho un isomero L I glucidi naturali appartengono alla serie D. Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Forme cicliche e ciclizzazione del glucosio In soluzione acquosa la struttura degli zuccheri non è lineare ma assumono una forma chiusa ciclica, la molecola si piega -> il gruppo carbonilico risulta molto vicino all’OH del C5 (discorso analogo aldosi e chetosi, meccanismo identico cambia la forma finale). La reazione intramolecolare tra il C1 aldeidico e il gruppo alcolico C5 del glucosio porta alla formazione di un legame emiacetalico e quindi alla struttura ciclica del monosaccaride (aldoso). Parziale carica positiva, nel C=O -> C carbonilico, mediante addizione nucleofila, lega con l’O del gruppo ossidrilico. L’H del gruppo ossidrilico, libero dal legame con l’ossigeno, lega con O del gruppo carbonilico di carica parziale negativa provocando il ripiegamento della molecola (formazione del gruppo OH, il C coinvolto nel legame, a molecola ripiegata, avrà un legame con H e con OH formato). L’anello è planare e i sostituenti possono essere sopra o sotto il piano dell’anello. Il gruppo OH legato al C1 potrà essere sopra o sotto l’anello, quindi ottengo due isomeri chiamati anomeri: - Forma alpha (1/3): OH del C1 si trova sotto l’anello - Forma beta (2/3): OH del C1 si trova sopra l’anello Enzimi non sono in grado di riconoscere i due anomeri, per rompere i legami sono in grado di riconoscere solo una delle due forme del carbonio anomerico (digerisco amido ma non la cellulosa -> problema riferito a che tipo di anomero del glucosio utilizzo per forme legame). Ciclizzazione del fruttosio Procedimento analogo degli aldosi, la reazione intramolecolare tra il C2 chetonico e il gruppo alcolico sul C5 del fruttosio porta alla formazione della struttura ciclica del monosaccaride (chetoso). Gruppo carbonilico C2 -> O spezza legame e lega C5 del gruppo ossidrilico. L’anello planare e i sostituenti possono essere sotto o sopra il piano dell’anello; quindi, come per il glucosio, avrò due anomeri alpha e beta. Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Divisione dei glucidi generali in base alla struttura (monomeri o polimeri): - Monosaccaridi: costituiti da singole unità (glucosio, fruttosio e galattosio) - Oligosaccaridi: poche unità di monosaccaridi - Polisaccaridi: notevole quantità di monosaccaridi Oligosaccaridi Sono formati da 2 a 10 unità monosaccaride (sopra 10 unità sono polisaccaride). Fanno parte di questo gruppo i disaccaridi che si formano per unione di 2 monosaccaridi attraverso legame glicosidico, cioè un legame che si forma tra il carbonio anomerico di un monosaccaride e un ossidrile alcolico di un altro monosaccaride con eliminazione di molecola d’acqua (perdita gruppo OH carbonio anomerico, nell’esempio in forma alpha, e H dell’altro monosaccaride, in forma beta) Maltosio si ottiene dalla degradazione del malto, disaccaride formato da due molecole di glucosio (una alpha ed una beta). Presenza all’interno dell’organismo di enzimi in grado di rompere il legame alpha 1-4 (legame covalente che unisce monosaccaridi per formare disaccaride) -> posso metabolizzarlo. Enzima è idrolasi, rompe legame ed aggiunge una molecola si acqua per la formazione dei due singoli monosaccaridi. Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni - Lattosio (legame beta 1 – 4): galattosio + glucosio, idrolizzato dall’enzima lattasi che riconosce legame beta 1 – 4 tra galattosio e glucosio !IN GRADO DI REAGIRE SOLO SU QUESTO LEGAME! Galattosemia: scindo legame ma non sono in grado di trasformare galattosio in lattosio - Saccarosio (legame alpha 1 -2 o legame beta 2 -1): glucosio + fruttosio, idrolizzato dall’enzima saccarasi entrambi i monosaccaridi intervengono con il carbonio anomerico Polisaccaridi Carboidrati derivati dall’unione di più di 10 monosaccaridi e possono raggiungere pesi molecolari molto elevati. Comprendono: amido, cellulosa e glicogeno. - Possono presentare lo stesso zucchero legato -> omopolisaccaridi - Possono presentare diversi zuccheri legati tra loro Amido cellulosa e glicogeno sono omopolisaccaridi del glucosio. L’amido Polisaccaride di riserva dei vegetali ed è costituito solo da molecole di glucosio ma organizzate in due tipi di polimeri: - Amilosio: polisaccaride del glucosio a catena lineare che presenta solo legami alpha 1-4 (C1 anomerico di glucosio si lega al gruppo H del C4, ottengo legami alpha 1-4 catena lineare) -> tende ad assumere conformazione ad elica, struttura abbastanza compatta difficilmente attaccabile dagli enzimi (componenti alimenti amido resistenti -> difficile da digerire. Pane raffermo difficilmente assimilabile rispetto a pane fresco, amido si ricristallizza nel raffermo) - Amilopectina: polisaccaride del glucosio a catena ramifica, porzione lineare (catena principale) presenta legami alpha 1-4 nei punti di ramificazione i legami di carbonio sono alpha 1-6 (ramificazioni presenti ogni 24/30 molecole di glucosio) Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni L’amilopectina è contenuta in maggior percentuale, differenza di percentuale è uno dei parametri che determina l’indice glicemico di un alimento (quanto assimilo velocemente lo zucchero, maggiore è il livello di insulina). L’amilopectina è più facile da degradare -> presenta più punti di attacco per gli enzimi. Maggiore è la quantità di amilopectina maggiormente l’alimento è degradabile. La cellulosa Polisaccaride lineare del glucosio, sono unite tra di loro da un legame beta 1-4. Presente nei vegetali e ha una funzione strutturale (costruisce nelle cellule vegetali la parete cellulare impedendo alla cellula di entrare in lisi). Per essere degradato è necessario un enzima in grado di digerire legame beta 1-4, impossibile per noi digerirla (non ne ricaviamo nutrienti). Enzima -> cellulasi prodotto da alcuni microorganismi (esempio -> Termiti: presentano un organismo simbionte protozoo che libera cellulasi e permette la digestione della cellulosa). Lineare, forma delle strutture a foglietto allungate per facilitare la formazione di legami ad idrogeno. Glicogeno È un polisaccaride ramificato del glucosio che presenta legami glicosidici alpha 1-4 nei tratti lineari e legami alpha 1-6 nei punti di ramificazione. Ha un numero maggiore di ramificazioni rispetto all’amilopectina. Ha un cuore proteico formato dalla glicogenina (proteina centrale del glicogeno, porzione infinitesima. Necessaria per il processo di formazione del polimero, per formare il glicogeno si parte dalla glicogenina). Polisaccaride riserva energia negli animali (livello muscolare ed epatico), lontani dai pasti viene demolito rapidamente per ricavare glucosio. Molecola polare, associato in forma idratata -> non posso depositare glicogeno all’infinito a livello muscolare presento un limite. Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Il glicogeno è la forma vantaggiosa di deposito, se tenessi glucosio libero la pressione osmotica diventerebbe insostenibile (richiamerebbe troppa acqua e la molecola esploderebbe); una sola molecola di glicogeno contiene grandi quantità di glucosio e lenisce la pressione osmotica -> con il glicogeno riesco a non fare entrare una quantità eccessiva d’acqua. I LIPIDI I lipidi sono un gruppo eterogeno di composti accomunati da proprietà chimico-fisiche. Le molecole che compongono i lipidi sono diverse fra di loro, difficile trovare una definizione chimica comune per tutti. In particolare, sono caratterizzati da insolubilità in acqua (idrofobici) e dalla solubilità in solventi organici apolari. Chimicamente i lipidi sono classificabili in: - Acidi grassi - Trigliceridi (o grassi) - Fosfolipidi - Steroidi - Cere - Glicolipidi (molecole di segnale, composte da parte lipidica e parte composta da zuccheri) - Terpeni (unità 5C, entrano nella costituzione di alcune proteine liposolubili) Presenza di acidi grassi è una proprietà comune ad alcuni lipidi: acidi grassi, trigliceridi, esteri del colesterolo (il colesterolo in sé non contiene acido grasso) -> proprietà generale idrofobia, alcuni lipidi possono avere un carattere idrofilico (più marcato nei fosfolipidi meno nel colesterolo). Le funzioni - Lipidi di deposito: funzione protettiva (tessuto adiposo sottocutaneo presenta da urti meccanici e da freddo) e funzione energetica -> trigliceridi (ruolo energetico e di deposito + protezione meccanica e termica) ed acidi grassi - Lipidi strutturali: compongono le membrane cellulari (doppio strato fosfolipidico) -> fosfolipidi - Lipidi precursori di molecole con funzione bioregolatoria o di composti biologicamente attivi: forma molecole coinvolte nella regolazione di funzioni cellulari o formazione composti implicate nella trasduzione del segnale a livello cellulare -> colesterolo (ricavo composti biologicamente attivi, precursore di molecole con funzione regolatoria: ormoni steroidei) e acidi grassi Acidi grassi Sono acidi organici monocarbossilici (un gruppo carbonilico terminale -> COOH), porzione gruppo carbossilico è polare la restante porzione è idrofobica (esempio: acido palmitico). Catena medio lunga -> ossigeni presenti solo nel gruppo funzionale, maggior tempo di ossidazione ne deriva una maggior produzione di energia. (immagine) Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni 16:0 -> 16 con 0 -> il primo numero indica il numero di C nell’acido grasso il secondo il numero dei doppi legami. Acido palmitico -> acido esadecanoico (gruppo carbossilico). Gli acidi grassi possono essere: - Saturi: tra gli atomi di C vi sono solo legami singoli -> acido palmitico 16:0 - Insaturi: presentano uno o più doppi legami (polinsaturo) -> acido linoleico 18:2 Per la nomenclatura indico atomi di carbonio con numeri arabi, C1 riferito a quello che lega il gruppo funzionali (in base a priorità). Posso utilizzare nomenclatura utilizzante lettere greche, il carbonio alpha porta legato il carbonio legato al gruppo funzionale (gruppo carbonilico), ultimo carbonio omega. Delta indica la posizione del doppio legame a partire dall’estremità carbossilica. Due legami singoli devono essere presente prima di un doppio legame -> non sono mai coniugati (doppio legame coniugati: doppio legame – legame singolo – doppio legame. Per gli acidi grassi insaturi si formerà con doppio legame – legame singolo – legame singolo – doppio legame). I doppi legame portano alla formazione dell’isomeria geometrica (cis e trans), i doppi legami naturali hanno sempre la conformazione cis e non sono mai coniugati. (immagine) Acido linoleico: 18:2 omega6 (n-6), indica la posizione del primo doppio legame partendo dall’estremità metilica (CH3, il fondo della molecola). La configurazione del doppio legame è cis, l’acido grasso ha una struttura lineare -> acidi grassi saturi presentano struttura compatta o cristallina. Grassi (trigliceridi) contenenti acidi grassi saturi saranno solidi a temperatura ambiente. I polinsaturi presentano doppio legame nella configurazione cis -> la configurazione cis conferisce alla catena angolazione in corrispondenza del doppio legame, trigliceridi insaturi presentando doppi legami a temperatura ambiente saranno liquidi. - Acido oleico 18:1 omega - Acido linoleico 18:2 omega6 - Acido linolenico 18:3 omega3 Omega6 e omega3 sono acidi grassi essenziali -> non sono in grado di produrli ma devo inserirli con l’alimentazione. Partendo da questi due acidi grassi posso generare composti avente una funzione biologica, posso originare composti che entrano nel processo infiammatorio. Derivanti dall’omega6 hanno una forte capacità aggregante (trasmissione dolore ed infiammazione), omega 3 meno di queste capacità -> necessario bilanciamento 5:1 (5 omega6 e 1 omega3). Trigliceridi Sono esteri del glicerolo con 3 acidi grassi -> glicerolo presenta 3 gruppi OH. Gruppo carbossilico + acidi grassi -> esterificazione. Possono essere: Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni - Trigliceridi saturi (solido): sono più stabili rispetto a composti che presentano polinsaturi - Trigliceridi insaturi (liquido): maggiore è il numero di polinsaturi sono facilmente ossidabili Reazione di esterificazione prevede perdita H20: perdo idrogeno del gruppo ossidrilico del glicerolo (alcol) e gruppo carbossilico dell’acido grasso). Sono lipidi completamente idrofobici vantaggio perché posso depositarli in forma anidra (senza aiuto acqua, tessuto adiposo usato come deposito, valore calorico superiore rispetto agli zuccheri): 1g di trigliceridi produce 9Kcal. Rappresentano i principali lipidi di deposito, sono particolarmente abbondanti nel tessuto adiposo, dove costituiscono più del 90% dei lipidi totali. Fosfolipidi Comprendono i glicerolfosfolipidi e gli sfingolfosfolipidi (a struttura complessa come la sfingomielina). I glicerolfosfolipidi sono esteri del glicerolo con due acidi grassi a lunga catena in posizione 1 e 2 e con l’acido fosforico in posizione 3, il fosfato a sua volta lega un composto polare: glicerolo + 2 molecole di acido grasso + gruppo fosfato PO4 (lega composto polare) Testa polare e coda non polare, sono lipidi anfipatici (organizzati in modo da rivolgere in ambiente acquoso la parte polare, nella parte più nascosta la coda apolare -> struttura micellare/membrana plasmatico). Molecole anfipatiche: - La porzione polare: rappresentata dall’acido fosforico e dal gruppo idrofilico - La porzione apolare: contiene acidi grassi Classe dei lipidi strutturali. Il C2 è asimmetrico (lega 4 molecole differenti, CH2 legato ad un acido grasso e CH2 legato al gruppo polare -> parte finale differente) quindi esistono 2 isomeri ottici o enantiomeri (L e D), i composti naturali appartengono alla serie L. Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Steroidi Il più importante nel mondo animale è il colesterolo (cho). Presenta una piccola porzione polare (gruppo OH) il resto è apolare. Anelli fusi tra di loro, presenta un nucleo steroideo (ciclopentano comune a tutti i derivanti del colesterolo). Presenta una catena laterali alchilica. Il colesterolo è un normale costituente di tutte le membrane cellulari. È molto abbondante nella guaina mielinica alla quale conferisce proprietà isolanti. Possibile produrlo ma non posso degradarlo (per la presenza del nucleo steroideo) -> non ha funzione di riserva energetica. Ruolo precursore molecole biologicamente attive: ormoni steroidei, Sali biliari e vitamina D. Il gruppo ossidrilico del colesterolo può essere esterificato con un acido grasso e si ottengono gli esteri del colesterolo (CE). Sono completamente apolari perché nel processo perdo l’unica componente polare. I CE utilizzati all’interno della cellula come riserve di colesterolo e di acido grasso, processo inverso alla esterificazione per ottenere componenti derivanti. PROTEINE Sono polimeri costituiti da amminoacidi uniti da legame peptidico. Amminoacido (aa) -> composto organico caratterizzato dalla presenza del gruppo carbossilico (COOH), del gruppo amminico (NH2), H e gruppo funzionale. Il C alpha lega sempre i primi 3 solo il gruppo funzionale cambia, la catena laterale varia le proprietà della proteina (gli amminoacidi presenti nelle proteine sono 20 e sono alpha amminoacidi). A pH neutro gli aa sono completamente ionizzati (gruppo carbossilico perde un protone ed il gruppo amminico lo acquista, avendo due gruppi dissociati diventa ione bipolare -> zwitterione, anfotera perché sia acido che basico). Forma zwitterionica presenta sempre un C chirali, è possibile quindi individuare due enantiomeri. Il carbonio alpha porta, ad eccezione della glicina, quattro sostituenti diversi (il gruppo carbossilico, quello amminico, un atomo idrogeno ed una catena laterale R) ed è dunque un centro chirale: sono possibili due stereoisomeri (enantiomeri). Gli amminoacidi proteici appartengono tutti alla serie L. Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Classificazione 20 amminoacidi A seconda delle caratteristiche del gruppo, nella costituzione delle proteine, gli amminoacidi comportano caratteristiche differenti a seconda delle catene laterali (gruppi R-> conferiscono proprietà agli aa): - aa non polari (idrofobici): valina, leucina e isoleucina sono aa ramificati (catena non è lineare ma presenta ramificazione). Fenilalanina e triptofano sono aa particolari, come gruppo R presentano anelli aromatici (mantengono caratteristica idrofobica ma generano ingombro). Prolina forma struttura ciclica. Glicina ed alanina sono lineari. - aa polari non carichi: cisteina presenta gruppo tiolico (zolfo sostituisce ossigeno), la tirosina presenta anello aromatico - aa polari con carica: possono avere carica positiva (3: lisina, arginina e istidina) e carica negativa (aspartato e glutammato sono nella forma ionizzata, nella forma non dissociata sono scritti come acido aspartico e acido glutammico) -> implicati in interazioni legati ad interazioni di carica, a livello dei legami deboli Nelle proteine il legame struttura – funzione è fondamentale, cambiando la struttura della proteina ne cambia anche la funzione Legame peptidico (legame C-N) Aa legati tra di loro mediante il legame peptidico (legame covalente tra gruppo carbossilico di un amminoacido e gruppo amminico del seguente). Il primo amminoacido interviene con il gruppo COH, il secondo con il gruppo NH2 -> formazione per condensazione (perdita molecola H2O), O legato al gruppo carbossilico e H legato al gruppo amminico formano molecola acqua -> formazione legame carboamminico/ carbossilico. A sinistra viene posta l’estremità amminoterminale (gruppo aminico libero) a destra rimane l’aminoacido con libero il gruppo carbossilico (parte carbossiterminale). Legame che si forma è: - Planare - Parziale carattere di doppio legame: presenza di delocalizzazione elettronica, il legame per un 40% è come se fosse un doppio legame. Una prima conseguenza -> più corto di un legame singolo e più lungo di un legame doppio - Conformazione trans - Rigido, nessuna rotazione possibile per i gruppi coinvolti: C e N non possono ruotare tra di loro (nuvola elettronica pigreco, difficile rotazione) Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Queste caratteristiche condizionano la struttura della proteina. La catena polipeptidica è un susseguirsi di piani uno accanto all’altro che possono ruotare attorno al C alpha. Strutture rigide che ruotano solo attorno al C alpha. Gli amminoacidi attraverso i legami peptidici possono formare catene di differente lunghezza: - Oligopeptide fino a 20 aa - Polipeptide da 20 aa a 100 aa - Proteine > 100 aa STRUTTURA E FUNZIONE DELLE PROTEINE Possono essere suddivise in due grosse categorie: - Semplici: formate solo da aminoacidi (albumina, istoni, collagene, ecc.) - Coniugate: formate da una parte proteica, detta apo-proteina e da una parte non proteica detta gruppo prostetico (emoglobina, mioglobina ecc.). Questa parte può essere uno ione metallico, una struttura organica complessa oppure una parte zuccherina (oligosaccaride) -> gruppo prostetico può essere di natura diversa Funzioni delle proteine - Trasduzione del segnale: recettori -> strutture proteiche specifiche per un determinato segnale, legano con l’ormone e trasferiscono alla cellula un determinato messaggio - Riserva: ferritina -> l’assunzione di amminoacidi hanno principalmente un significato plastico e non energetico. La funzione principale è la costituzione di strutture, nell’organismo non esiste una proteina di riserva. In caso di digiuno prolungato demolisco proteine del mio organismo (es: proteine muscolari, muscolo scheletrico). Proteine servono per tenere da parte altre sostanze, la ferritina a livello epatico è una proteina adibita al deposito di ferro - Strutturale: collagene -> crea impalcature o strutture di sostegno - Riconoscimento e adesione: integrina -> recettori in grado, attraverso membrana plasmatica, di collegarsi con strutture all’interno della cellula - Difesa: anticorpi -> riconoscimento sostanze sconosciute genera una risposta immunitaria - Contrattile: miosina -> necessarie per movimento meccanico o trasporto di molecole all’interno dell’organismo - Catalisi: enzimi -> catalizzatori biologici specifici che accelerano reazioni nel nostro organismo, permettono il metabolismo - Trasporto: emoglobina -> responsabile trasporto O2 dai polmoni a tutti i tessuti. La transferrina serve per trasportare ferro a livello ematico Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Organizzazione Ogni proteina presenta dei livelli di organizzazione strutturale, possono essere 4 (non tutte le proteine arrivano al quarto livello, ogni struttura è stabilizzata dalla formazione di legami specifici e la struttura formata è necessaria per il corretto funzionamento): STRUTTURA PRIMARIA Presente in tutte le proteine, è la sequenza degli aa in una catena polipeptidica. Ogni amminoacido è legato al successivo attraverso un legame peptidico. È codificata geneticamente: Tra i vari aa si forma il legame peptidico. Variando un aa della catena varia la proteina tradotta (mRNA, trascrizione gene DNA, presenta codoni che identificano l’aa da inserire per la formazione della proteina) STRUTTURA SECONDARIA Consiste nella disposizione spaziale della catena polipeptidica (o di porzioni di questa). Non considera la disposizione delle catene laterali (gruppo R degli aa) ma lo scheletro della catena. La struttura secondaria è stabilizzata da legami a ponte idrogeno tra i NH e CO dei legami peptidici. Le strutture secondarie possono essere: - Alpha – elica: la catena polipeptidica ruota attorno ad un asse centrale avvolgendosi ad elica (destrorsa o sinistrorsa. La distanza coperta da un giro è di 3,6 aa. I legami idrogeno si formano tra il gruppo C = O di un aa e il gruppo N – H della quarta aa (posizione esatta, permette la costituzione del legame idrogeno) che segue lungo la catena polipeptidica. È una struttura stabile in quanto le catene laterali R degli aminoacidi sono orientate e quindi non interferiscono. Sono legami deboli, in caso di rottura la proteina perde la struttura secondaria - Beta – foglietto o a foglietto ripiegato: è formata da tratti di catene polipeptidiche appartenenti alla stessa proteina che si affianca seguendo la stessa direzione (parallelo) o direzioni opposte (antiparallelo). I legami idrogeno si formano tra catene affiancate (doppi legami in posizione regolare). Le catene laterali R si trovano sopra e sotto il piano individuato dai foglietti e non interferiscono con i legami ad idrogeno che stabilizzano la struttura secondaria Una proteina può avere diverse porzioni con strutture alpha-elica e strutture beta (parallele ed antiparallele), raccordate da zone ad andamento apparentemente disordinato. Questa struttura è a sua volta ripiegata (struttura terziaria -> organizzazione tridimensionale completa di una proteina NON SOLO UNA PORZIONE) Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni STRUTTURA TERZIARIA (tutte le proteine hanno questa struttura) Consiste nel ripiegamento tridimensionale della catena polipeptidica. La stabilizzazione della struttura avviene con la formazione di legami tra le catene laterali degli amminoacidi. Sono coinvolti legami deboli (interazioni elettrostatiche, interazioni idrofobiche, legami a ponte idrogeno, forze di van der Waals) e legami covalenti che si formano tra i gruppi SH di 2 cisteine (ponti disolfuro). Mioglobina -> struttura secondaria che presenta 8 tratti a struttura alpha elica, il resto si piega per la formazione dei legami tra le porzioni ripiegate ad alpha elica. Ripiegamento a gomitolo, caratteristico della struttura terziaria, permette di esporre all’esterno tutti i residui polari, mentre i residui idrofobici sono ripiegati all’esterno. La struttura terziaria assunta permette la creazione di una tasca idrofobica contenenti il gruppo eme (gruppo prostetico); il ripiegamento, legata ad interazione idrofobiche catene laterali, permette alla Mioglobina di sostare in ambiente acquoso Ponti disolfuro Formazione legame tra due amminoacidi di cisteina per deidrogenazione, struttura che si viene a formare tra le due cisteine è la cistina. Il ponte disolfuro è un LEGAME COVALENTE SPECIFICO STRUTTURA QUATERNARIA È presente solo nelle proteine formate da più catene polipeptidiche (subunità -> possono essere anche due, basta che siano PIU’ DI UNA) e si riferisce all’interazione tra le catene. I legami che stabilizzano questa struttura sono legami deboli (ponte idrogeno, legami ionici, interazioni idrofobiche) Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Esempio: Emoglobina -> costituita da quattro catene polipeptidiche, interazione delle quattro subunità porta alla formazione della struttura quaternaria. Miosina sarcomerica -> proteina contrattile di miosina contenuta nel sarcomero. Struttura molto complessa, formata da 6 catene (2 catene pesanti, formano una porzione avvolgendosi una sull’altra con andamento ad alpha elica ‘’coda della miosina’’, ciascuna delle due catene forma una struttura globulare ‘’teste di miosina’’. 4 catene leggere uguali a due a due, associato al collo della miosina, due associate ad una catena pesante e due all’altra). In base alla struttura terziaria (e quaternaria se la possiede) posso suddividere le proteine in due gruppi: - Fibrose: sono insolubili in H2O, di forma allungata e servono come sostegno meccanico alle cellule (alpha cheratina, collagene) - Globulari: sono solubili, di forma sferica. Hanno un core idrofobico e una superficie idrofilica (enzimi -> creano zone particolari avente significato funzionale, albumina e mioglobina) Denaturazione: perdita della struttura tridimensionale della proteina che provoca perdita di funzione. Agenti denaturanti: alta temperatura, pH estremi, acetone, etanolo ecc. può essere reversibile o irreversibile al secondo del tipo della proteina e del danno che ho creato, la perdita della struttura corrisponde alla perdita della funzionalità -> intacca maggiormente la struttura terziaria o secondaria, se presente anche quaternaria. PROTEINE LEGANTI ALL’OSSIGENO Se non avessi le proteine la solubilità dell’O2 è bassa e non riuscirei a far funzionare correttamente l’organismo. le proteine che legano ossigeno sono: - Mioglobina (Mb): come se fosse una subunità dell’emoglobina. È un singolo monomero, presente nelle fibre muscolari del miocardio e del muscolo scheletrico. Costituita da un solo gruppo eme - Emoglobina (Hb): contenuta nei globuli rossi, costituita da quattro catene polipeptidiche (quattro subunità) ognuna contenente un gruppo eme (4 gruppi eme) Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Sono proteine coniugate formate da una parte proteica detta globina e da una parte non proteica (gruppo prostetico) detta eme, dove viene legato l’O2. Eme (gruppo prostetico) L’eme è una struttura organica complessa formata dalla proto-porfirina IX a cui è legato uno ione ferroso (Fe 2+ -> nel caso diventi ione ferrico si perde la proprietà di legame). Lo ione di Fe2+ forma 6 legami di coordinazione: - 4 legami si lega con l’anello porfirinico (N libero al vertice) -> planare - Con i 2 rimanenti legami si lega ad una istidina della globina e all’O2 -> perpendicolari al piano Il ferro dell’eme nella mioglobina e nell’emoglobina è sempre allo stato ridotto (Fe2+) anche quando si lega all’ossigeno MIOGLOBINA (Mb) È una proteina coniugata globulare: - È formata da una sola catena polipeptidica (globina) e da una porzione non proteica (eme). - Il ripiegamento crea una cavità di natura idrofobica in cui viene alloggiato l’eme, detta tasca idrofobica dell’eme. - Devo mantenere lo ione Fe++  la tasca idrofobica impedisce l’ossidazione e permette di avere il legame con l’ossigeno Funzione della mioglobina - Trasferire l’O2 dall’Hb (presente nel globulo rosso) al citocromo ossidasi mitocondriale (in particolare sulla catena respiratoria che sta nella membrana mitocondriale interna); - Costituire un deposito di O2 all’interno della fibra muscolare. (Mioglobina è una proteina stanziale, sta nelle fibre muscolari) Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Iperbole descrive la relazione  Ogni molecola di mioglobina lega una molecola di ossigeno  rapporto 1 a 1  100 mm di mercurio (Hg) a livello polmonare  la mioglobina è tutta ossigenata  30/40 mm di mercurio a livello tessutale  la mioglobina è saturata del 99%  1 mm di mercurio  saturazione mioglobina del 50% EMOGLOBINA (Hb) - È una proteina coniugata tetramerica: cioè che è fatta 4 subunità, ciascuna composta da una globina e da un eme. (ha 4 catene proteiche e 4 gruppi eme). NON è una proteina stanziale - La principale forma di emoglobina nell’adulto è la HbA1 formata da 2 catene  e 2 catene  (22), ciascuna delle quali lega un gruppo eme. !! Ogni molecola di Hb può legare 4 O2 !! Emoglobine umane Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Funzioni dell’emoglobina Trasporto dell’O2 dai polmoni ai tessuti. Azione tampone sul pH del sangue. Trasporto dell’anidride carbonica dai tessuti ai polmoni. Curva sigmoidale o ‘’esse italica’’  L’emoglobina lega poco l’ossigeno rispetto alla mioglobina  100 mm di mercurio a livello polmonare  ho saturazione emoglobina del 100%  26 mm di mercurio a livello tessutale  ho saturazione del 50%  A livello polmonare, quando la pressione di O2 è massima, entrambe le proteine sono sature al 100%  A livello tessutale, l’emoglobina rilascia bene l’ossigeno, la mioglobina no Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Stati estremi dell’emoglobina Emoglobina allo stato rilassato (R): struttura proteica più allargata, meno compatta e quindi è più facile l’accesso alla struttura  questo stato è caratteristico dell’emoglobina ossigenata  L’accesso ai gruppi eme è più facile Emoglobina allo stato teso (T): le 4 subunità sono più compatte grazie a legami ionici  stato caratteristico dell’emoglobina deossigenata  Il passaggio è reversibile - Il legame con l’ossigeno (O2) induce una modificazione conformazionale non solo nella subunità che lo lega, ma anche in quella più vicina, che quindi si legherà con crescente facilità ad una seconda molecola di O2. (Comportamento allosterico = perché l’ossigeno fa cambiare forma e struttura alla molecola a cui si lega) - Man mano che l’ossigeno si lega diventa più facile legarsi alle molecole di ossigeno successive - Questo effetto di modificazioni si chiama EFFETTO COOPERATIVO Fattori che modificano l’affinità dell’hb per l’o 2 1) Concentrazione di H+ (pH)  aumentano gli ioni H+ e scende il pH e viceversa 2) Pressione CO2 (pCO2)  anidride carbonica è il prodotto della respirazione cellulare 3) Temperatura 4) 2,3 bisfosfoglicerato (2,3 BPG oppure 2,3 DPG) Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni CONCENTRAZIONE DI H+ (pH) Un aumento degli H+ e quindi un abbassamento del pH provoca il rilascio di O 2 dall’emoglobina.  l’emoglobina tende a compattarsi Gli H+ prodotti nel corso del metabolismo si legano all’Hb favorendo il passaggio dalla forma rilassata a quella tesa: Hb(O2)4 + nH+  HbnH + 4O2 Questa azione degli H+ è definita effetto Bohr EFFETTO DELLA PRESSIONE DELLA CO2 (pCO2) Le cellule producono CO2 (dal catabolismo), che diffonde nel sangue ed entra nel globulo rosso. Sulla sua membrana è presente un enzima (anidrasi carbonica) in grado di catalizzare la reazione: CO2 + H2O  H2CO3 L’acido carbonico essendo un acido debole dissocia in H2CO3  HCO3- + H+ Nel globulo rosso aumentano gli H + (il pH intracellulare passa da 7,4 a 7,2) e si ha liberazione di O2 dall’Hb. EFFETTO DELLA TEMPERATURA L’affinità dell’Hb per l’O2 diminuisce con l’aumento della temperatura: a livello polmonare la temperatura del sangue è più bassa, questo facilita l’assunzione di O2 a livello tissutale, invece, la temperatura del sangue è più alta, questo facilita il rilascio di O2 dall’Hb. EFFETTO DEL 2,3-BISFOSFOGLICERATO (2,3 BPG) Il 2,3-BPG è un metabolita intermedio della glicolisi presente nel globulo rosso, si lega all’Hb, in particolare alle catene , avvicinandole tra loro, in modo da favorire il rilascio di O2. EMOGLOBINA FETALE  è 22  ha un’affinità maggiore per ossigeno rispetto a quella materna Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Azione tampone di hb sul ph del sangue Avviene attraverso l’intervento dei gruppi ionizzabili dell’Hb che possono legare o cedere H+ al variare del pH e attraverso l’effetto Bohr. TRASPORTO ANIDRIDE CARBONICA La CO2 viene trasportata dai tessuti ai polmoni attraverso 3 meccanismi: 1. Solubilizzazione nel sangue (il 5% ca. della CO2 è trasportata disciolta nel sangue). 2. Trasporto diretto 3. Trasporto indiretto L’Hb partecipa al trasporto diretto ed indiretto della CO2. Trasporto diretto La CO2 può legarsi (circa il 10%) con legami covalenti ad alcuni aa (lisina) delle catene globiniche, formando la carbamminoemoglobina. Trasporto indiretto L’85% della CO2 viene trasportato nel sangue sotto forma di bicarbonato HCO3- METAEMOGLOBINA - Si parla di metaemoglobina quando lo ione Fe2+ va incontro ad un processo di ossidazione trasformandosi in Fe3+. Nell’uomo adulto circa l’1,7% della HbA è in questa forma. - Nel globulo rosso c’è un sistema polienzimatico che riduce la metaemoglobina. CARBOSSIEMOGLOBINA - L’Hb lega fortemente il monossido di Carbonio (CO), con un’affinità che è più di 200 volte superiore a quella dell’O2 - Il CO si lega al Fe2+ ed impedisce il legame dell’O2. - Il CO ostacola il rilascio di O2 dalle subunità dell’Hb. - Se la % di Hb legata a CO supera il 50% dell’Hb totale ho un’intossicazione letale. Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni ENZIMI Categoria di proteine, agiscono da catalizzatori biologici rendendo più veloci le reazioni. Gli enzimi sono catalizzatori biologici capaci di accelerare le reazioni senza modificare la loro costante di equilibrio (reazione deve essere spontanea -> favorevole da un punto di vista termodinamico, altrimenti la reazione, nonostante l’azione degli enzimi, non può avvenire. Gli enzimi ACCELERANO non creano da zero una reazione). Gli enzimi partecipano alla reazione senza venire consumati o modificati in modo permanente, sono specifici (in grado di reagire per un determinato tipo di isomero, è in grado di produrre una molecola formato da un unico stereoisomero) ed efficienti (agiscono in un determinato pH, possibilità di regolare la loro azione, modulando la funzionalità o cessando l’attività). L’enzima agisce sulla velocità della reazione in entrambi i sensi. Dal punto di vista strutturale sono proteine, possono essere: - Proteine semplici - Proteine coniugate -> apoenzima (parte proteica) + cofattore (molecola non proteica indispensabile al funzionamento dell’enzima) = oloenzima (unione componente proteica e non proteica) Il cofattore può essere: - Ione metallico come Fe2+, Zn2+, Mg2+ - Un coenzima, cioè una molecola organica, di solito derivata da vitamine del gruppo B (quando è legato covalentemente all’enzima si parla il gruppo prostetico) Enzima Coenzima Natura proteica Struttura complessa che deriva da vitamine idrosolubili di tipo B Agisce sulla velocità della reazione Agisce come trasportatore transitorio di gruppi (es: reazione redox avrò scambio ioni H+) Invariato alla fine del processo, Modificato alla fine del processo, deve esse conformazione non stabile possono ritrasformato nella forma originale presentarsi leggeri cambiamenti a seguito di (reazione di redox). Ossidando substrato al catalisi coenzima viene ridotto, per poter riprendere la reazione devo riossidare il coenzima L’organizzazione Gli enzimi possiedono un sito attivo che comprende un sito di legame, regione dell’enzima che interagisce con alta specificità con la/le molecole (substrato) e il sito catalitico vero e proprio. L’enzima prende contatti con il substrato formando legami deboli come interazioni elettrostatiche o legami ad idrogeno. Possono avere o meno una struttura quaternaria, avendo forma globulare, più catene proteiche porta formazione quaternaria, una catena proteica rimane terziaria. In entrambi presenta struttura piegata che permette esposizione Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni superficiale di porzione polare (il piegamento crea delle zone/tasche a livello delle quali ho il sito attivo costituito da residui amminoacidici per favorire interazione). Legame substrato – sito attivo è un legame debole -> legame saldo non consentirebbe, a fine reazione, il rilascio del substrato. Due modelli di interazione enzima – substrato: - Chiave - serratura: complementarità perfetta sito attivo substrato. Possibilità di riconoscere in maniera selettiva il substrato, perfettamente complementare con la ‘’tasca’’/sito attivo dell’enzima. Richiama la selettività enzimatica - Adattamento indotto: l’enzima a livello del sito attivo può modificarsi per legare il substrato. Complementarità non è perfetta, a livello del sito attivo l’enzima si adatta fino a raggiungere la complementarità perfetta. A livello del sito di legame devo avere interazione tra substrato ed enzima, gruppi riconosciuti per ottenere adattamento indotto, aggiustamento non avviene se questi gruppi presenti sul sito attivo non sono riconosciuti. Piccole differenze compensate -> modello spiega le reazioni reversibili; mutando leggermente la conformazione del sito attivo l’enzima sarà in grado di riconoscere i prodotti e catalizzare la reazione anche in direzione opposta. Molti enzimi hanno questa capacità di modificare il sito attivo durante la catalisi Isoenzimi Sono enzimi che catalizzano la stessa reazione, ma differiscono per localizzazione tissutale (o subcellulare, localizzati in tessuti differenti) o per proprietà cinetiche o la regolazione (sensibilità inibitore, sensibilità determinato isomero). Esempio: lattato deidrogenasi (LDH) catalizza una reazione reversibile di ossidoriduzione -> permette di ridurre lattato a piruvato e ossidare il piruvato in lattato. È formata da 4 subunità, le subunità possono essere di tipo M o H. Posso avere 5 isoenzimi: Classificazione degli enzimi Classificazioni sistematica con sigla EC (Enzyme Commision) seguita da un numero a 4 cifre. Esistono 6 classi principali in base alla reazione che l’enzima catalizza. Classi Azione 1. Ossidoreduttasi Catalizzazione reazioni di ossidoriduzione 2. Transferasi Catalizzano il trasferimento di un gruppo funzionale da una molecola ad un’altra Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni 3. Idrolasi Catalizzano reazioni in cui vengono rotti legami covalenti per introduzione di una molecola d’acqua (idrolisi) 4. Liasi Catalizzano reazioni di rottura non idrolitica di legami, formazione di doppi legami 5. Isomerasi Catalizzano riorganizzazioni intramolecolari 6. Ligasi Catalizzano la formazione di legami covalenti associata all’idorlisi di ATP Funzionamento La reazione avviene se A e B hanno un’energia sufficiente a superare la barriera dell’energia di attivazione. L’energia di attivazione: energia che le molecole devono raggiungere/accumulare per trasformarsi. È la differenza tra l’energia libera allo stato di transizione e l’energia libera delle molecole: - delta H < 0: reazione spontanea - delta H > 0: non spontanea Più urti efficaci più si forma prodotto, aumentando la temperatura urti frequenti ed efficace, fornisco energia (confusionario non specifici come enzimi). L’energia di attivazione necessaria per far avvenire la reazione: - Orientamento gruppi - Dissociazione ionica transitoria Stato di transizione non è da considerare specie chimica isolata ma punto in cui ho le prime interazioni tra i reagenti. Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni !! ENZIMI RENDONO PIU’ VELOCE LA REAZIONE ABBASSANDO L’ENERGIA DI ATTIVAZIONE !! Abbassando l’energia che devo raggiungere per far si che la reazione avvenga velocizza l’intero processo. Senza enzima l’energia di attivazione aumenta. Enzima scompone la ‘’collinetta’’ in più passaggi, ciascuno dei quali richiede una Ea più bassa velocizzando la reazione. Principali fattori che influenzano la velocità delle reazioni enzimatiche 1. Concentrazione enzima Per una determinata concentrazione di substrato la velocità iniziale è proporzionata alla concentrazione enzima (raddoppiandolo raddoppia la velocità -> velocità iniziale, formazione prodotto può avere effetto su reazione stessa perché potrebbe avere azione inibitoria oppure substrato si riduce e la velocità diminuisce) 2. Concentrazione substrato Inizialmente a bassa concentrazione di substrato, all’aumentare della concentrazione del substrato ho un andamento lineare -> (proporzionalmente aumenta sub ed aumenta velocità). Concentrazione substrato continua ad aumentare ma andamento muta, diventa asintotico -> trovo Vmax della reazione. Blocco -> tutto enzima forma di complesso enzima + substrato, non ho più la possibilità di legare enzima perché tutto l’enzima è nella forma del complesso enzima + substrato (soluzione soprasatura). Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Esiste una funzione che descrive quantitativamente la velocità iniziale della reazione e la variazione substrato, due parametri da ricordare: - Vmax: velocità massima, è la quantità di substrato che una quantità fissa di enzima è in grado di trasformare nell’unità di tempo. Dipende solamente dalla concentrazione dell’enzima. - Km (costante di Michaelis – Menten): idea affinità enzima per quel substrato (minore maggiore è l’affinità). È la quantità di substrato necessaria per raggiungere la velocità semi massimale. La Km indica l’affinità di un enzima nei confronti di un substrato: minore è il valore di Km maggiore è l’affinità Equazione di Michaelis-Menten: 3. pH Per ciascun enzima sarà presente un pH ottimale (perfetto per ottenere velocità ed efficienza reazione). Capacità catalitica si abbassa man mano si scende rispetto al pH ottimale. Variazione pH porta variazione ionizzazione gruppo nel sito attico, porta alla variazione interazione enzima substrato (per legami deboli) -> cambia efficienza sito catalitico e processo catalisi Differenti enzimi hanno differenti pH ottimale, neutro, acido e basico -> la maggior parte degli enzimi ha un pH ottimale nel range fisiologico ma esistono eccezione (causa localizzazione) Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni 4. Temperatura Curva piena ottenuta da due tratti diversi: - Retta tratteggiata: aumentando la temperatura fino a livelli fisiologici la velocità della reazione aumenta. Essendo una proteina, l’enzima, a temperature elevate denatura - Curva tratteggiata: denaturazione, crollo attività enzima dovuta a perdita struttura e funzionalità Linea non tratteggiata indica temperatura funzionale che porta ad aumento attività (circa 37 °C) -> vicino ai 40°C attività tende a ridursi crollando rapidamente, non migliora la catalisi REGOLAZIONE ENZIMI Inibizione enzimatica Gli enzimi possono essere inibiti da composti capaci di combinarsi con la molecola enzimatica in modo reversibile o irreversibile: - Nell’inibizione irreversibile l’inibitore si lega covalentemente al sito attivo distrugge un gruppo funzionale necessario per l’attività catalitica dell’enzima - Nell’inibizione reversibile l’inibitore si lega attraverso legami deboli all’enzima può essere rimosso. Esistono diverse tipologie di inibizioni Inibizione reversibile Inibizione competitiva Si verifica quando un enzima viene in contatto con un composto simile al substrato, capace di legarsi al sito catalitico, ma che non può essere trasformato dall’enzima. Aumentando il substrato le due molecole competono per legare e l’inibitore viene spiazzato, catalizzo comunque reazione (elimino inibizione aumentando la concentrazione del substrato) Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Inibizione non competitiva In questo caso l’inibitore non si lega al sito catalitico dell’enzima, ma ad un altro sito, il legame modifica l’enzima impedendo la formazione del prodotto. Inibitore modifica la conformazione dell’enzima a livello del sito attivo diminuendo affinità ed interazione con il substrato, posso non riconoscerla. L’inibitore si lega ll’enzima libero o inibitore e substrato si legano contemporanenameto o inibitore si lega vicino al complesso enzima substrato -> riduce catalisie formazioen prodotto diminuendo affinità (aumentando concentrazione substrato non porta cambiamento). Non è un legame stabile. Processo metabolico Sequenze di reazioni tra loro collegate che mi portano a generare composto di interesse o produrre ATP. È sempre presente almeno un enzima di regolazione, cioè un enzima che può essere regolato. Il processo deve essere controllato, le reazioni sequenziali necessitano di un controllo per regolare la velocità delle reazioni. Nelle vie metaboliche vengono posizionati enzimi di regolazione nei punti diversi, di solito nei primi passaggi (livello del secondo/terzo passaggio -> regolazione principale). Es: reazione catalizzata da enzima e2 regola l’attività metabolica, passaggio B e C catalizzato da e2 sarà la reazione limitante. Enzima regolatore sempre reazione irreversibile. Regolazione a feedback negativo Aumentando il prodotto finale la velocità della reazione dell’enzima di reazione aumenta, compie una retroazione (feedback) negativa. Prodotto finale inibisce enzima e2 e riduce la velocità del processo fino al suo termine (prodotto finale grande quantità) La regolazione degli enzimi può avvenire con meccanismi differenti: Induzione/repressione genica della biosintesi dell’enzima Modifico quantità enzima e non la sua capacità catalitica. Posso variare il numero di molecole di enzima presenti in cellula. Esistono fattori che influenzano la velocità enzimatica -> aumenta proporzionalmente alla concentrazione enzima). Esistono enzimi: Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni - Costitutivi: sempre presenti nelle cellule - Induttivi/ adattivi: vengono prodotti sono quando servono, ad esempio in risposta a un determinato stimolo Regolazione allosterica Gli enzimi allosterici sono enzimi formati da più subunità e presentano oltre al sito catalitico un sito regolatore o allosterico. Al sito regolatore può legarsi un composto che modula l’attività enzimatica, chiamato effettore allosterico (modifica enzima) -> regolo la capacità catalitica dell’enzima, dal minimo di attività al massimo di attività. Gli effettori allosterici possono essere: - Positivi: aumentano la velocità di trasformazione, aumentando l’interazione enzima- substrato - Negativi: diminuiscono la velocità di trasformazione, diminuendo l’interazione enzima-substrato Un enzima allosterico può avere più modulatori, l’alternanza di essi permette la regolazione dell’attività catalitica dell’enzima. A livello del sito regolatore c’è la possibilità di legame di un modulatore.  L’enzima allosterico interagisce con l’effettore positivo, il sito catalitico si modifica ed aumenta l’affinità per il substrato (la velocità aumenta -> il mio effettore positivo modifica capacità di riconoscimento, modifica strutturalmente il sito catalitico adattandolo al substrato)  L’enzima allosterico interagisce con l’effettore negativo, che fa variare il sito catalitico diminuendo l’affinità per il substrato (velocità diminuisce -> il mio effettore modifica la capacità di riconoscimento, sito di legame modificato strutturalmente per ridurre la velocità di riconoscimento di substrato. Se enzima regolatore velocità di TUTTO IL SISTEMA METABOLICO ridotta) Modificazione covalente della molecola enzimatica Si può modificare l’attività di un enzima mediante l’attacco o il distacco di un raggruppamento chimico a/ad uno o più residui di amminoacidi presenti nell’enzima (non esiste una gradualità, acceso o spento). Non tutte le molecole di enzima si spengono, ma a livello del singolo enzima o è attivo o è disattivato. Esempio: fosforilazione e defosforilazione -> fosfato inorganico (P) viene attaccato/ staccato da un aminoacido che fa parte dell’enzima. Attacco o distacco può disattivare o attivare l’amminoacido (attacco a livello del gruppo OH). !! Si tratta di un processo reversibile !! Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni In questa situazione il gruppo fosfato attiva enzima: OH sostituito da P, formazione legame estere. L’enzima funzionante. P preso dall’ATP che diventa ADP, enzima che catalizza reazione di trasferimento di P da molecola all’enzima sono le protein chinasi (enzimi transferasi: trasferiscono fosfato da ATP all’enzima). Chinasi -> transferasi che trasferiscono gruppi fosfati. Il termine protein chinasi è generico per gli enzimi. Staccando il fosfato inorganico disattivo enzima, distacco avviene grazie a protein fosfatasi (proteine appartenenti al gruppo delle idrolasi). Staccano un gruppo fosfato e queste idrolasi vengono definite fosfatasi Eccezione enzimi digestivi, enzimi coagulazione del sangue (reazione a cascata, attivazione per distacco pezzo) -> enzimi prodotti in forma inattiva (proenzima o zimogeno): proenzima o zimogeno -> enzima (attivato solo nel luogo dove deve agire) Attivazione comporta nel distacco idrolitico di un frammento peptidico (gruppo aminoacidi), processo non reversibile (enzima attivo svolge funzione per essere poi degradato). Associazione/ dissociazione di monomeri L’enzima è costituito da più monomeri (oligomerico) e può esistere in due forme: - Dissociata inattiva - Associata positiva Processo reversibile ristretto per pochi enzimi, azione su attività enzimi (funziona o non funziona -> attiva se polimerizzata o disattiva se singoli monomeri NO VIE DI MEZZO). METABOLISMO Il metabolismo è la somma di tutte le trasformazioni chimiche che avvengono in una cellula o in un organismo. Posso suddividerlo in: Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni - Catabolismo: comprende le reazioni di demolizione di substrati con produzione di energia. Sfrutta reazioni ossidative per liberare energia (processi esoergoniche spontanee -> energia libera prodotti minore energia libera reagenti, deltaG energia libera prodotti superiore a reagenti, deltaG >0 variazione energia libera positiva) Esempio: sintesi del glicogeno In un sistema biologico si verificano reazioni accoppiate -> azione endoergonica abbinata a reazione esoergonica: Questa reazione avviene in condizioni standard, pH 7 (indicato dallo 0 e dal ‘ posto accanto a deltaG). La prima reazione è endoergonica la seconda reazione deve essere esoergonica (energia liberata dalla seconda reazione deve essere maggiore o uguale all’energia della endoergonica -> maggiore è l’energia liberata maggiore sarà la spontaneità). Per accoppiare deve esserci estremo in comune. Il sistema complessivo è: A+B+D -> C+E+F (elimino porzione in comune X) Le reazioni cataboliche liberano energia utilizzata per svolgere reazioni anaboliche -> formazione del processo metabolico. ATP (adenosina trifosfato) Moneta energetiche delle cellule. È un composto ad alta energia: Adenina + ribosio + 3 gruppi fosfato Il primo fosfato legato al ribosio con un legame estere (gruppo OH carbonio 5 reagisce con acido formando legame estere -> bassa energia). Fosfati beta e gamma legati mediante legami fosfoanidridici (legame ad alta energia, indicati con ‘’ ~ ’’ -> rottura legame reazione fortemente esoergonica, libera grande energia). Legami tra due acidi, tra due fosfati -> legami fosfoanidridici. ATP ha tre fosfati ma solo due legati da legame ad alta energia. Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni ATP -> ADP -> AMP Rottura progressiva legami anidridici, AMP non è una molecola energetica perché l’unico fosfato è legato mediante legame estere (ADP ha solo un fosfato che presenta legame ad alta energia). Perché rottura legami porta produzione alta energia? -> Prodotto reazione fosfato inorganico ha una stabilizzazione per risonanza -> scissione legame porta a molecola con stabilità maggiore. COMPOSTI AD ALTA ENERGIA Si tratta di composti che hanno un’energia libera di idrolisi molto elevata, nella molecola sono presenti legami ad alta energia cioè legami che quando vengono rotti danno luogo ad una liberazione di almeno 7,5 Kcal/mole (30,5 KJ/mole). Tra i legami a più alta energia ci sono: - I legami covalenti che si instaurano per reazione tra due residui acidi detti legami anidridici - I legami covalenti, che si instaurano tra un gruppo tiolico (SH) e un gruppo acido detti legami tioesterei SINTESI ATP ADP + Pi -> ATP I meccanismi che le cellule hanno a disposizione per sintetizzare l’ATP sono 2 (fosforilazione - > processo sintesi ATP, la seconda parte del nome -> come ottengo energia, quale sia reazione o meccanismo esoergonico che abbino per ottenere energia): Fosforilazione a livello del substrato Substrato alta energia, rottura legame del substrato mi permette di ottenere energia per la fosforilazione. Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Sfrutta l’accoppiamento tra la reazione di sintesi dell’ATP (endoergonica) e una reazione fortemente esoergonica (libera energia) rappresentata dalla rottura di un legame ad alta energia presente in un substrato. Esempio: livello della glicolisi Fosforilazione ossidativa Ossidazioni permettono energia per fosforilazione, avviene a livello mitocondriale ed ha resa maggiore (reazione compartimentalizzata -> avviene solo in organelli specifici, permette maggiore regolazione del processo catabolico ed anabolico. Riguarda un processo specifico e enzimi specifici per la reazione, aumenta efficienza). Il processo di fosforilazione ossidativa è un processo mitocondriale (impossibile farlo nei globuli rossi, assenza mitocondri) in cui l’ossidazione dei coenzimi ridotti sulla catena respiratoria viene accoppiata con il processo di fosforilazione dell’ADP in ATP. La riossidazione dei coenzimi ridotti avviene grazie alla catena di trasporto degli elettroni o catena respiratoria (situata sulla membrana mitocondriale interna). I processi di ossidazione dei substrati a livello cellulare avvengono per deidrogenazione e producono coenzimi in forma ridotta (NADH + H+, FADH2 -> coenzimi principali delle ossidoreduttasi: catalizzano reazioni REDOX, riduzione sempre accoppiata con ossidazione ‘’ deidrogenazione’’). NAD+ (forma ossidata) / NADH + H+ (forma ridotta) Coenzima di ossidoreduttasi (deidrogenasi). Accetta/ cede un proteine e 2 elettroni da/ a substrati: Nicotinammide (deriva dalla vitamina D3) adenin dinucleotidi  NADH + H+ Un H l’ho inserito l’altro resta libero, forma da riossidare FAD (ossidato) / FADH2 (forma ridotta) Flavin Adenina Dinucleotide -> ossidoreduttasi (deidrogenasi). Trasferisce due protoni e 2 elettroni da/ a substrati. Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Flavin deriva dalla vitamina B2. Accetta due H+ nella forma ridotta. Per continuare ossidazione FADH2 deve ritornare FAD. Sulla catena respiratoria la riossidazione degli enzimi ridotti è esoergonica ed utilizzata per produrre energia. Anche per la fosforilazione ossidativa ho due processi accoppiati: - Riossidazione sulla catena respiratoria dei coenzimi, rilascia energia (processo esoergonico) - Processo di sintesi ATP, assorbe energia (processo endoergonico) Catena di trasporto degli elettroni o catena respiratoria Situata sulla membrana mitocondriale interna. Composta da 4 complessi proteici che agiscono come trasportatori di H+ e di elettroni. Inoltre, sono coinvolti il coenzima Q o ubichinone (un chinone liposolubile) e il citocromo C (una proteina intermembrana associata alla superficie esterna della MMI). Proteine possibili da trovare: - Citocromi: gruppo eme simile alla emoglobina, passaggio ferro 2+ a 3+ ed ancora in 2+ - Proteine aventi flavina - Proteine aventi ferro/ zolfo I complessi I, III, IV sono pompe proteiche intermembrana (sporgono in entrambi gli spazi, il complesso II sporge solo dal lato della matrice): portano H+ dalla matrice allo spazio intermembrana. Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni - Complesso I: NADH deidrogenasi, agisce da pompa protonica, H+ da matrice a spazio intermembrana - Complesso II: succinato deidrogenasi - Complesso III: citocromo C reduttasi - Complesso IV: citocromo C ossidasi NADH nel complesso I, per azione della NADH deidrogenasi, perde un elettrone e si ossida diventando NAD+, lo stesso avviene per FADH2 a livello del complesso II per azione del succinato deidrogenasi. I due elettroni vengono raccolti dall’ubichinone che li trasporta a livello del complesso III, il trasporto di questi elettroni permette di buttare fuori altri H+. Il citocromo C trasferisce e- restanti nel complesso IV dove, O2 accettore finale degli elettroni. Il complesso IV porta fuori altri H+ e permette la formazione di H2O partendo da O2 L’accettore finale degli elettroni è l’ossigeno che viene ridotto ad H20 (servono 4e- per mole di O2): Poiché la membrana mitocondriale interna è impermeabile ai protoni si crea un gradiente elettrochimico che genera un potenziale elettrochimico. I protoni sotto la spinta del gradiente elettrochimico tendono a fluire verso la matrice. Gli H+ possono entrare nella matrice solo in corrispondenza del complesso enzimatico dell’ATP-sintasi. Fosforilazione ossidativa: necessito di sintetizzare ATP, reazione formazione di tipo endoergonica (necessito di energia per attaccare fosfato ad ADP) -> accoppio due reazione una esoergonica ed una endoergonica. La reazione esoergonica è la ossidazione dei coenzimi ridotti sulla catena respiratoria. I coenzimi sono il NADH + H+ (forma ridotta) e NAD (forma ossidata) e FAD (forma ossidata) e FADH2 (forma ridotta). Perdita due idrogeni per ossidazione -> deidrogenazione. I coenzimi accettando elettroni si trasformano nella forma ridotta. Deidrogenazione ripetuta numerose volte ho la necessità di riossidarli in modo che possano intervenire nuovamente, li riossido a livello della catena respiratoria o catena trasporto elettroni. Catena situata a livello della membrana mitocondriale interna (MMI). Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Poiché la MMI è impermeabile si crea un gradiente protonico che genera un potenziale elettrochimico. I protoni, sotto la spinta del gradiente elettrochimico tendono a fluire verso la matrice. Gli H+ possono entrare nella matrice solo in corrispondenza del complesso enzimatico dell’ATPsintasi. ATPsintasi costituita da 2 canali: - F0 - F1 Il trasporto esterno degli H+ e il trasporto di elettroni ha creato un gradiente di carica permettendo, secondo gradiente, il passaggio di H+ dallo spazio intermembrana alla matrice mitocondriale fornendo energia alla ATPsintasi e consentendo la formazione di ATP partendo da ADP + Pi (energia prodotta da ingresso H+ sufficiente per far avvenire la reazione endoergonica). L’ingresso degli H+ avviene a favore di gradiente e quindi è in grado di liberare energia (forza motrice protonica) che serve all’ATP sintasi per formare ATP (teoria chemio-osmotica). Quando una molecola di NADH + H+ viene riossidata a NAD+ si ha una liberazione di energia che permette la formazione di 3 ATP (2,5 ATP). Dalla riossidazione di 1 molecola di FADH2 si ha una liberazione di energia tale da produrre 2 ATP (1,5 ATP). Gli agenti disaccoppianti provocano il disaccoppiamento della fosforilazione dell’ADP dal trasporto degli elettroni, l’energia viene dissipata sotto forma di calore. Un disaccoppiante endogeno è la termogenina o proteina disaccoppiante 1 (UCP1) che si trova nel tessuto adiposo bruno METABOLISMO DEI GLUCIDI Finalità principale è energetica, la disponibilità di glucosio è essenziale per il corretto funzionamento di alcuni tessuti come il sistema nervoso, la midollare del surrene e gli eritrociti, che utilizzano il glucosio come fonte energetica principale o esclusiva. Inoltre, i carboidrati sono necessari per il catabolismo dei lipidi. Digestione dei glucidi - Cavità orale: mediante la ptialina o alpha amilasi salivare, scinde i legami glicosidici alpha 1 -> 4 non terminali. Produce destrine, maltosio etc.. Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni - Intestino tenue: massima digestione glucidi, enzimi prodotti in due fasi distinte  Intraluminale: alpha amilasi pancreatica, a livello del duodeno scinde i legami glicosidici alpha 1 -> 4, produce maltosio, maltotriosio e destrine limite (ramificazione limite alpha amilasi). Enzimi rilasciati da pancreas e arrivano a livello intestinale funzionano a pH neutro -> ambiente acido porterebbe a degradazione  Membrana enterociti: disaccaridasi e oligosaccaridasi, enzimi che rompono i disaccaridi (enzimi: lattasi, saccarasi, maltasi ed isomaltasi) Assorbimento dei monosaccaridi Avviene mediante dei trasportatori: - SGLT1: trasportatore di Na+ - glucosio (e galattosio) per simporto (trasporto attivo secondario) - GLUT2: trasportatore del glucosio (trasporta anche galattosio e fruttosio) (trasporto facilitato - GLUT5: trasportatore del fruttosio (trasporto facilitato) Dopo un pasto ricco di carboidrati aumenta la glicemia cioè la concentrazione di glucosio nel sangue. - Glicemia lontano dai pasti: 80-100 mg/100 ml di sangue  Dopo un pasto nel giro di 40- 60 minuti i valori passano a circa 120-130 mg/100 ml La regolazione della glicemia è legata a 2 ormoni: insulina e glucagone Insulina L’insulina è un ormone di natura proteica sintetizzato nel pancreas delle cellule beta delle ‘’isole del Langerhans’’. L’insulina viene liberata quando la glicemia aumenta, ha il compito di riportarla al valore normale, cioè abbassarla. È un ormone ipoglicemizzante. Favorisce l’utilizzo del glucosio. La funzione principale dell’insulina è stimolare al sintesi, fase anabolica, del metabolismo a livello del metabolismo glucidico, lipidico e proteico. Ormone ipoglicemizzante perché abbassa i livelli di glucosio stimolando le attività che e prevedono il consumo -> stimola la fase anabolica del metabolismo Glucagone Ormone iperglicemizzante, attiva processi anabolici che liberano glucosio inibendone il consumo. Polipeptide di 29 amminoacidi sintetizzato dalle cellule alpha delle isole di Langerhans del pancreas, viene secreto in risposta ad ipoglicemia. Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Il glucagone agisce quando la glicemia si abbassa, la riporta al valore normale, cioè la innalza. E’ un ormone iperglicemizzante. Il principale tessuto bersaglio è il fegato, inoltre agisce anche sul tessuto adiposo. Il glucagone stimola la fase catabolica del metabolismo. Ingresso glucosio in cellula Il glucosio è una molecola polare, necessito un trasportatore per ingresso in cellula. Il trasporto passivo del glucosio nel citosol avviene mediante trasportatori specifici chiamati GLUT: Tipo Tessuto Caratteristiche GLUT 1 Ubiquitario, globuli rossi Insensibili all’insulina (situati sulla membrana plasmatica), trasporto secondo gradiente di concentrazione GLUT 2 Fegato, pancreas, Insensibili all’insulina (situati membrana basolaterale sulla membrana plasmatica), cellule intestino tenue e trasporto secondo gradiente rene di concentrazione GLUT 3 Neuroni Insensibili all’insulina (situati sulla membrana plasmatica), trasporto secondo gradiente di concentrazione GLUT 4 Tessuto adiposo e muscolare Regolati dall’insulina, non (tessuti insulino dipendenti) sono situati sulla superficie della cellula ma nell’ambiente citosolico. Spostamento verso la membrana plasmatica grazie all’insulina, una volta spostati può avvenire ingresso glucosio Per i primi è l’ingresso di glucosio in qualsiasi momento in funzione del gradiente di concentrazione Azione insulina su GLUT 4 Trasportatori inserite in vescicole della cellula agganciate al citoscheletro. Le cellule hanno un recettore, specifico per l’insulina, sulle membra plasmatica che cambierà di conformazione nel momento del legame con il substrato (insulina). Legame recettore substrato comporta una catena di reazione che porta le vescicole contenenti GLUT 4 sulla membrana attivando il trasportatore. Quando la concentrazione di insulina diminuisce il recettore cambia di conformazione e il GLUT 4 ritorna nell’ambiente citoplasmatico. Il glucosio, entrato nelle cellule, viene fosforilato a glucosio 6-fosfato: Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni L’aggiunta del fosfato ha 2 effetti: - Impedisce al glucosio di uscire dalla cellula - Produce forma metabolica del glucosio utilizzata dalle cellule Enzima esochinasi utilizza come cofattore il Mg++, nel fegato catalizzata anche dalla glucochinasi (isoenzima dell’esochinasi, specifica per il glucosio -> fegato gestisce grandi qt di glucosio ed il suo deposito di glicogeno controlla la glicemia -> forte variazione, intenso metabolismo legato ai glucidi). Formazione glucosio 6-fosfato avviene in un’UNICA DIREZIONE Esochinasi Glucochinasi - Presente in tutte le cellule - Solo negli epatociti (cellule fegato) - Costitutiva (sempre presente) - Inducibile: prodotta in risposta a - Alta affinità per il glucosio determinati fattori (insulina) (minore è il Km maggiore è l’affinità) - Bassa affinità per il glucosio - Inibita dal glucosio 6-fosfato -> man (maggiore è la Km minore è l’affinità) mano che il prodotto della reazione -> fegato riesce ad utilizzare grosse si accumula la reazione diminuisce la concentrazioni di glucosio prima di propria velocità arrivare al 50% della velocità di - Catalizza la fosforilazione anche di reazione altri monosaccaridi Non inibita da glucosio 6-fosfato Specificità assoluta per il glucosio Il glucosio 6-P può seguire differenti vie metaboliche: Deposito Formazione di polimero di deposito -> glicogeno Glicolisi Formazione piruvato Ossidazione (via del pentosio fosfato) Produce ribosio 5-P e NADPH + H+ LA GLICOLISI Per glicolisi si intende il processo di degradazione del glucosio a piruvato: trasforma 1 mole di glucosio in 2 moli di piruvato. È un processo che avviene a livello del citoplasma e può realizzarsi sia in condizioni aerobiche che anaerobiche (avviene anche nelle cellule non aventi mitocondri o in tempi brevi, in mancanza di ossigeno). Lo scopo principale della glicolisi è la produzione di energia (ATP). L’energia liberata dal processo è sufficiente a produrre 2 ATP (resa stechiometrica o resa netta) attraverso il meccanismo di fosforilazione a livello del substrato. Vengono prodotte anche 2 molecole di NADH + H+. Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Processo avviene mediante 10 reazioni, da una molecola di glucosio, in 10 reazioni, arrivo ad ottenere due molecole di piruvato. Due fasi: - Fase investimento energetico: nessun guadagno energetico, consumo ATP - Fase di resa/ produzione energetica: due passaggi di fosforilazione a livello del substrato, due molecole di gliceraldeide 3-P che reagiscono Fase investimento energetico 1° reazione Formazione di glucosio 6-P mediante esochinasi, consumo ATP 3° reazione Conversione fruttosio 6-P in fruttosio 1,6 – P -> secondo passaggio dove consumo energia, reazione irreversibile. L’enzima che catalizza il passaggio è fosfo-frutto-chinasi 1 ‘’PFK1’’ (principale enzima di regolazione di tutta la glicolisi, enzima regolato in maniera precisa permette di accelerare o ridurre la velocità del processo). Questa è LA REZIONE LIMITANTE, regola il flusso della reazione mediante inibizione o stimolo enzima PFK1 Fase di produzione energetica 1° reazione Da Gliceraldeide 3-P a 1,3 Bi-fosfo-glicerato -> reazione necessaria per produrre primo composto ad alta energia. Avviene mediante enzima gliceraldeide 3-P deidrogenasi. In questa reazione, avviene 2 volte, ho l’ossidazione della gliceraldeide 3-P, energia prodotta da reazione utilizzato per inserire un legame fosfo-anidridico (legame ad alta energia). Utilizzo coenzima per recuperare H+ liberati: NAD+ -> NADH + H+. Reazione reversibile. Resa della glicolisi Per ogni molecola di glucosio metabolizzata nella glicolisi ho: - Spesa -> 2 ATP (reazione esochinasi e PFK1) - Produzione lorda -> 4 ATP (reazione fosfoglicerato chinasi e piruvato chinasi, ciascuna si svolge 2 volte) Quindi la glicolisi produce 2 ATP netti per ogni glucosio metabolizzato Regolazione della glicolisi Glicolisi utile per produrre ATP (substrato della reazione) se presente in alta concentrazione riduce attività dell’enzima -> tutto il processo della glicolisi ridotto. Quando citrato esce dai mitocondri significa che è in grande quantità e non è più necessaria la produzione di energia (H+ indicano la sensibilità dell’enzima al pH, se in eccesso funziona poco o non funziona totalmente). Fosfato organico, ADP indicano presenza o assenza di energia -> presenza di AMP indica minore energia. AMP, ADP, Pi indicano assenza di energia (principali sono AMP e Pi). Il Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni fruttosio 2,6-P viene prodotto da una via alternativa della glicolisi (aumentando questo fruttosio l’enzima viene stimolata) La regolazione principale del flusso (velocità) della glicolisi avviene attraverso l’enzima allosterico PFK1: L’attività dell’enzima viene inibita da ATP (elevate concentrazioni), citrato e ioni H+, mentre viene attivata da AMP, ADP, Pi e fruttosio 2, 6 bifosfato. Destino del piruvato Dal piruvato posso ancora ricavare energia, le vie cataboliche degradano composti complessi per ottenere energia fino alla decomposizione CO2 e H2O. L’acqua viene fuori dalla fosforilazione ossidativa, il piruvato può essere utilizzato per produrre energia ottenendo come scarto CO2. In caso di: - Ipossia o condizioni anaerobiche (mancanza di ossigeno a livello cellulare): dal piruvato ottengo il lattato (livello citoplasma) - Condizioni aerobiche: spostato all’interno dei mitocondri (mediante trasportatore ione piruvato e H+ presente sulla membrana interna dei mitocondri, acido piruvico in soluzione acida dissociato in ione piruvico e ione H+). Piruvato trasformato in Acetil- CoA (scarto CO2, presenta due atomi di C) il quale subentra nel ciclo di Krebs Condizioni anaerobiche In cellule prive di mitocondri (globuli rossi) o nelle fibre muscolari di tipo II (bianche, necessito energia molto elevata in pochissimo tempo -> glicolisi meccanismo veloce produzione di lattato) durante un’attività anaerobica viene fatta la glicolisi anaerobica. Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Glicolisi anaerobica: riduco piruvato a lattato (reazione di ossido-riduzione). Il C2 del piruvato costituisce un gruppo carbonilico chetonico, riduco il gruppo (alcol secondario). Nel lattato avrò gruppo COH (ossidrilico -> riduzione piruvato a lattato) -> lattato deidrogenasi catalizza la reazione di ossidazione (NADH + H+ -> NAD+) accoppiata alla riduzione del piruvato in lattato Il piruvato ridotto a lattato per poter riossidare il NADH + H+ e quindi rifornire di NAD+ la reazione catalizzata dalla gliceraldeide 3P deidrogenasi. In caso contrario la glicolisi si bloccherebbe. Il metabolismo anaerobico del glucosio produce 2 ATP e 2 molecole di lattato per molecola di glucosio metabolizzato (NON CAMBIA LA PRODUZIONE ENERGETICA, STESSA ENERGIA IN MINOR TEMPO). Condizioni aerobiche Il piruvato nei mitocondri subisce una decarbossilazione ossidativa ad Acetil-SCoA la riossidazione del NADH + H+ a NAD+ avviene a livello mitocondriale sulla catena respiratoria (avviene a livello della mitocondriale perché -> fosforilazione ossidativa -> guadagno ATP con resa maggiore). Il NADH + H+ non può passare la MMI (membrana mitocondriale interna), quindi gli equivalenti riducenti associati vengono trasferiti nei mitocondri grazie a 2 sistemi pendolari o navetta (sistema per spostare H+ e ioni senza spostare NADH + H+ all’interno dei mitocondri, impossibile perché assenza trasportatore adatto del coenzima): - Diidrossiacetonefosfato-glicerolo-3-fosfato (glicerofosfato): nel mitocondrio formo FADH2 (ci perdo, all’esterno presente NADH + H+ che dalla riduzione ottengo 3 ATP mentre da FADH2 ottengo 2 ATP) A livello citoplasmatico utilizzo una deidrogenasi che riduce diiossiacetonefosfato (ricavato dalla glicolisi) in glicerolo 3 fosfato, intanto NADH + H+ si ossida in NAD+. Nei mitocondri Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni svolgo lo stesso meccanismo in direzione opposta (ossidazione da glicerolo 3 fosfato in diidrossiacetonefosfato), enzima mitocondriale utilizza come coenzima il FAD che si riduce in FADH2 -> riossidato poi nella catena respiratoria all’interno dei mitocondri con perdita di un ATP (e avessi coenzima NADH + H+ otterrei 3 ATP e non 2) - Malato – aspartato: formo nei mitocondri come all’esterno NADH + H+, non perdo ATP DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA DEL PIRUVATO Nei mitocondri il piruvato viene rapidamente trasformato in Acetil-SCoA (acetilcoenzima-A - > presenza legame tioestere, ad alta energia, formato facendo reagire gruppo carbossilico di un acido con un tioestere) per azione del complesso enzimatico del piruvato deidrogenasi (struttura avente più strutture coordinate, questo complesso utilizza 5 coenzimi e 3 enzimi azione simultanee). La reazione catalizzata dal piruvato deidrogenasi è irreversibile da zuccheri a lipidi ma non da lipidi a zuccheri. Reazione dell’enzima regolata dalla richiesta energetica. Il piruvato deidrogenasi è inibito da ATP, NADH + H+, acetilCoA e acidi grassi (ciò che mi segnala energia inibisce la reazione -> ciò che mi segnala mancanza energia attiva la reazione). Al contrario AMP, NAD+ e CoA attivano l’enzima. DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA DEL PIRUVATO: Decarbossilazione -> prima fase, perdita del gruppo carbossilico ottenendo CO2. Ciò che mi rimane è un’aldeide (2 atomi di C) -> ossidazione -> ossidito gruppo carbonilico terminale ottenendo da un’aldeide un acido (acido acetico) coenzima utilizzato è FAD +diventa FADH2 riossidato immediatamente e dalla catena respiratoria ottengo il NADH + H+ -> lego acido acetico al coenzima A -> lego gruppo tiolico -> acetil CoA. NON PRODUCO DIRETTAMENTE ATP MA RPDUCO COENZIMA RIDOTTO CHE, GRAZIE ALLA CATENA RESPIRATORIA, PERMETTE DI OTTENERE ATP CICLO DI KREBS È una via esclusivamente aerobica che funziona da punto di raccordo finale per il metabolismo di glucidi, lipidi e proteine. Non utilizzate direttamente l’ossigeno, ma ha Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni bisogno del metabolismo ossidativo mitocondriale (catena respiratori) per la riossidazione dei coenzimi ridotti. All’interno del ciclo di Krebs ho solo un passaggio di fosforilazione a livello del substrato che porta alla produzione di GTP, CAMBIA LA BASE AZOTATA (posso scambiare fosfati con ATP, - > ADP diventa ATP e GTP diventa GDP produzione GTP equivale a produzione ATP). Si svolge a livello della matrice mitocondriale, è un processo anfibolico (presenza sia caratteristiche cataboliche sia anaboliche) ma il ruolo principale è catabolico. In condizione in cui non mi serve energia, le molecole prodotte sono utili per la sintesi. Una mole di ATP per mole di acetilCoA viene prodotta direttamente dal ciclo di Krebs (via fosforilazione a livello di substrato). La quantità maggiore di ATP viene prodotta attraverso la riossidazione sulla catena respiratoria dei coenzimi ridotti prodotti in alcune reazioni del ciclo di Krebs. Ad ogni ciclo vengono prodotti: - 2 molecole di CO2 - 3 molecole di NADH + H+ - 1 molecola di FADH2 - 1 molecola di GTP 1° Reazione Sintesi citrato partendo da Acetil-CoA e ossalacetato -> condensazione con perdita del coenzima. Prime reazioni archiviano acetlcoenzima A, seconde parte riforma il prodotto originale Bilancio energetico Acetil-CoA entra nel ciclo di Krebs: - 3NADH+ H+ -> 9ATP - FADH2 -> 2ATP Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni - 1GTP -> 1ATP Totale 12ATP -> prodotti per ogni molecola di acetilCoA che viene ossidata nel ciclo di Krebs. Da una molecola di glucosio ricavo 2 acetilCoA -> il totale sarebbe quindi 24 ATP. Regolazione ciclo di Krebs - Regolazione enzimatica: regolazione principale è dovuta all’isocitrato deidrogenasi ed è un enzima oligomerico e può esistere sia in forma dissociata (forma inattiva) e associata (forma attiva). Troppa energia -> enzima si dissocia, poca energia -> enzima si attiva. Enzima si dissocia se non ho bisogno di energia (unità monomeriche inattive) - Regolazione disponibilità intermedi: reazioni anaplerotiche o riempitive permettono di rifornire il ciclo di Krebs dei metaboliti intermedi. La più importante riguarda l’ossalacetato che viene prodotto a partire dal piruvato: Gli zuccheri sono necessari per metabolizzare lipidi, ossalacetato prodotto solo dagli zuccheri -> impossibili sintesi -> ciclo di Krebs funziona sempre allo stesso livello. Bilancio energetico per il metabolismo aerobico del glucosio In funzione del sistema di trasferimento del piruvato all’interno dei mitocondri. Resa più elevata processo più lento per la regolazione Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Funzione anabolica del ciclo di Krebs Dagli intermedi ricavo elementi: - Citrato portato nei mitocondri, utilizzato nel citoplasma per la sintesi di acidi grassi o colesterolo. In presenza di grande quantità citrato PFK1 funziona meno, tanto citrato nel citoplasma indica che il ciclo di Krebs è lento perché non mi serve energia. ATP in eccesso alla terza reazione enzima (isocitrato deidrogenasi) funziona meno e si accumula isocitrato (reazione reversibile, isocitrato porta ad accumulo citrato). Dal citrato non posso tornare indietro, in accumulo di citrato non serve produrre energia, accumulo sulla MMI esce mediante trasportatore e mi trovo citrato nel citoplasma (rallenta glicolisi perché inibisce PFK1, del citrato posso spezzarlo mediante il citrato liasi ottenendo Acetil CoA e Ossalacetato). Ossalacetato trasformo affinché ritorni nel ciclo, dall’Acetil CoA sintetizzo acidi grassi e colesterolo - Succinil-CoA, ottengo porfirina, gruppo eme caratterizza le cellule ematiche (globuli rossi/ eritrociti) Esempio: eccesso ATP -> non abbiamo bisogno di energia L’enzima che regola in ciclo di Krebs è l’isocitrato deidrogenasi, catalizza la terza reazione. Meccanismo che si regola mediante associazione e dissociazione di monomeri, legata prevalentemente alla ricerca di energia della cellula (scarsa necessità inattivo). Citrato trasformato in isocitrato (reversibile) decarbossilazione ossidativa di quest’ultimo porta una reazione irreversibile, forma l’alpha chetoglutarato. ATP in eccesso, enzima non agisce, accumulo isocitrato -> reazione reversibile e l’equilibrio si sposta verso sx -> aumenta citrato. La prima reazione del ciclo di Krebs non è reversibile, perciò citrato si accumula. CCP è un trasportatore del citrato presente sulle membrane mitocondriali, dal mitocondrio il citrato accumulato esce nel citoplasma grazie al trasportatore. Nel citoplasma il citrato si rompe in ossalacetato e Acetil CoA (è citoplasmatico, significato anabolico per le sintesi, utilizzato per produrre acidi grassi e colesterolo -> non butto acetil CoA se energia sufficiente, ma la utilizzo per produrre qualcosa d’utile, deposito lipidico che Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni mi può fornire energia). Un aumento di citrato del citoplasma -> eccesso energetico -> inibisce sul principale enzima della glicolisi. METABOLISMO DEL GLICOGENO Il glicogeno è il carboidrato di deposito degli animali, polisaccaride ramificato del glucosio e presenta ramificazioni ogni 10/12 residui di glucosio. Nei tratti lineari sono legate, le molecole di glucosio, da un legame alpha 1-4 mentre le ramificazioni legati alpha 1-6. Prime molecole di glucosio partono dalla glicogenina (presente solo all’origine, via via scompare). Scopo mettere da parte glucosio in assenza di una pressione osmotica che distruggerebbe la cellula (assenza del glicogeno porterebbe un richiamo d’acqua eccessivo all’interno della cellula in risposta all0aumento di glucosio -> lisi cellulare). Depositi significativi sono presenti in: - Fegato (dai 70g ai 120g di glicogeno) - Muscolo scheletrico (40% in peso degli organismi, dai 200g a 350g di deposito) I due depositi hanno diverso significato: - Il glicogeno muscolare è a disposizione del solo muscolo -> necessario per la contrazione muscolare, non posso utilizzare per la glicemia e non posso scambiarlo tra una fibra muscolare e l’altra - Il glicogeno epatico è a disposizione di tutto l’organismo -> regola la glicemia, a disposizione di tutto organismo. Fegato rilascia glicogeno in modo da mantenere costante glicemia anche lontano dai pasti. In attività aerobica può rifornire il muscolo scheletrico e anche altri organi se presentano scarsi livelli di glicogeno. Rilascio glucosio nei vari distretti corporei avviene grazie alla presenza di un enzima ASSENTE NEI MUSCOLI PRESENTE NEL FEGATO GLICOGENOSINTESI Processo anabolico, richiede energia e glucosio per la sintesi del glicogeno -> viene sintetizzato dopo il pasto. Il processo avviene nel citoplasma della cellula per aggiunta di Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni molecole di glucosio allungamento) su una molecola di glicogeno già presente nel fegato e nel muscolo detta ‘’glicogeno primer’’. Il glucosio per essere aggiunto deve essere sotto forma di UDPG (UDP – glucosio) -> glucosio attivo, glucosio da solo non può essere inserito (perché inattivo). UDP necessario SOLO PER LA SINTESI DI GLUCOSIO perché lo attiva e gli mette una ‘’etichetta’’. L’enzima principale è il glicogeno sintasi (regolazione sintesi glicogeno si basa su regolazione di questo enzima). Partendo da glucosio – 6P (forma metabolica del glucosio che interviene nelle varie vie metaboliche) -> il primo passaggio è reversibile sposto il fosfato dalla posizione 6 alla posizione 1 UTP (analogo ATP cambia base azotata) reagisce con il glucosio - 1P -> enzima rompe legame ad alta energia, stacca i due fosfati inorganici e si lega al glucosio 1P. UDP perché glucosio presentava già un fosfato -> formazione del glucosio attivato UDPG. Ultimo passaggio regolato dal glicogeno sintasi, prende in glicogeno la inserisce nel glicogeno primer, UDP se ne va e si forma un legame alpha 1 – 4 determinando la formazione del glicogeno. Procedendo in questa direzione formo solo catene lineari, necessito enzima che formi ramificazione (enzima ramificante, sintetizza legami alpha 1-6). Il glicogeno sintasi agisce e si blocca nel momento in cui la catena diventa troppo lunga -> interviene l’enzima ramificante. La quantità di glicogeno che si può formare ha un limite poiché quando la molecola ha raggiunto una certa dimensione i due enzimi non sono più in grado di agire e si staccano dal glicogeno Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni Per la sintesi serve ATP: 1 molecole di ATP per molecola glucosio 6P, aggiunta glicogeno oppure 2 molecole di ATP per molecola di glucosio aggiunta di glicogeno Regolazione della sintesi del glicogeno La regolazione è sul glicogeno sintasi. La regolazione principale è per modificazione covalente: - Forma attiva è de-fosforilata - Forma inattiva è fosforilata Questa regolazione è di tipo ormonale: - Insulina attiva enzima - Il glucagone e l’adrenalina (midollari ghiandole surrenali) inattivano l’enzima -> a livello muscolare il glucagone l’azione è nulla, adrenalina ha identico effetto del glucagone ed opposto all’insulina a livello muscolare Per attivare il glicogeno sintasi devo togliere i fosfati mediante la fosfoproteina fosfatasi (idrolizza legami fosfati con enzima), l’insulina attiva questa proteina e permette l’attivazione del glicogeno sintasi. L’energia non è necessaria devo inattivare il glicogeno sintasi -> devo attaccarli fosfati mediante a GSK (glicogeno sintasi chinasi) -> attivata da glucagone (livello epatico) o adrenalina (livello muscolare). Riduzione ricevi elettroni Ossidazione perdi elettroni GLICOGENOLISI Demolisco il glicogeno per avere il glucosio. Lo stimolo principale della glicogenolisi epatica è l’ipoglicemia. Nel muscolo la glicogenolisi viene attivata quando viene svolta la contrazione muscolare. L’enzima principale è il glicogeno fosforilasi. Avviene nel citoplasma, il glicogeno fosforilasi rompe il legame alpha 1 – 4 glucosidico attraverso l’introduzione di una molecola di fosfato