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Biochimica Alla base di tutti i processi biologici. Parte tutto dalle cellule che si sono specializzate. Ci sono vie biochimiche che regolano a livello microscopico, legato a quello che fanno le cellule. Basata su 2 ASSUNTI (obbiettivi): 1. Conosce e comprende le proprietà chimico-fisiche, l’organ...

Biochimica Alla base di tutti i processi biologici. Parte tutto dalle cellule che si sono specializzate. Ci sono vie biochimiche che regolano a livello microscopico, legato a quello che fanno le cellule. Basata su 2 ASSUNTI (obbiettivi): 1. Conosce e comprende le proprietà chimico-fisiche, l’organizzazione strutturale e le funzioni delle molecole biologiche 2. Conoscere e comprendere le principali vie metaboliche e i meccanismi biochimici che regolano il metabolismo cellulare FONDAMENTI DELLA BIOCHIMICA la logica molecolare della vita la composizione elementare del corpo umano, è alla base di come avvengono le reazioni l’acqua e le sue proprietà chimico-fisiche BIOMOLECOLE glucidi —> monosaccaridi, oligosaccaridi, poligosaccaridi lipidi —> acidi grassi, triacilgliceroli, fosfolipidi e steroidi amminoacidi e proteine emoglobina, mioglobina, trasporto dell’ossigeno enzimi —> catalisi enzimatica nucleotidi e acidi nucleici vitamine e coenzimi “Gli organismi sono composti da molecole inanimate” —> tutte le molecole sono mattoncini utilizzati dalle cellule per sostenere e rendere possibile il metabolismo, studiamo come queste molecole compongono le varie fasi della cellula, le cellule applicano una serie di strategie per rispondere agli impulsi interi ed esteri, e per garantire la riproduzione alla vita, quindi generare un quantitativo di energia che deve essere finalizzata ad autoriprodursi. 1. cellule sono unità fondamentali della vita 2. le cellule usano un numero limitato di metabolite contenenti carbonio per creare machine molecolari polimeriche, strutture sovramolecolari, e archivi di informazione - finché è AUTORIPRODIRSI=VITA 3. gli organismi viventi esistono in uno stato stazionario dinamico che non è in equilibrio con l’ambiente circostante —> se io respiro ho a che fare con l’ossigeno senza il quale io non posso vivere ma l’eccesso d’ossigeno è dannoso con le reazioni altamente regolate dall’ossigeno, STRESS OSSIDATIVO, avvengono reazioni mediate dall’ossigeno, prendo pezzo di ferro lo metto esposto all’acqua e all’aria lui va in contro a un PROCESSO DI OSSIDAZIONE quindi a ruggine, ruggine= scomposizione del ferro, sono andata a cambiare lo stato chimico,a ossidare, di quel ferro 4. produzione di energia dalla cellula —> flusso di elettroni indotto dalla luce solare o reazioni redox metaboliche; avviene grazie all’ossigeno, gli enzimi all’interno delle cellule spostano elettroni e producono energia Il nostro corpo è costituito prevalentemente da 4 elementi: ossigeno O carbonio C idrogeno H azoto N Abbiamo una serie di strutture che servono a regolare l’entrata e l’uscita dell’acqua. Frutto di migliaia di anni di evoluzione, darviniana (casuale), ha permesso di selezionare delle molecole che sono alla base della nostra esistenza. Glucidi, proteine, lipidi, acidi nucleici, vitamine —> strutture molto complesse, altamente organizzate, alle volte una può derivare dall’altra fa sì che quando si vanno a creare i metabolismi siano interconnessi tra di loro. Le molecole generano un messaggio e generano una serie di risposte che esistono grazie a delle proteine (enzimi vari). BIOMOLECOLE hanno: MANTENGONO L' INFORMAZIONE & LEGAME COVALENTE —> due atomi che condividono solo 1 elettrone Se il legame avviene tra un atomo debole e un atomo molto forte esso può essere facilmente rotto —> esempio: se prendiamo un legame tra carbonio e idrogeno, idrogeno nettamente più piccolo in massa del carbonio, se però comincio a mettere il nostro carbonio con l’ossigeno il legame sarà leggermente più sbilanciato, l’ossigeno può far due legami quindi il carbonio può farne direttamente due con l’ossigeno; il carbonio può fare anche un legame covalente singolo con l’azoto, lo può fare anche triplo, pk a questo ci posso essere anche altri legami. Esistono anche legami carbonio-carbonio, alla base quasi della nostra esistenza —> ci permette di utilizzare il glucosio come substrato, molecola da cui ricavare energia. I COMPOSTI DEL CARBONIO —> di diversa natura 1. Idrocarburi: composizione molto semplice, bassa importanza biomedica 2. C e H 3. Gruppi funzionali: hanno alta importanza biomedica e una struttura altamente complessa L’ossigeno fa 2 legami, l’azoto può farne 3, il carbonio ne può fare 4 e l’idrogeno ne può fare 1. GRUPPI FUNZIONALI ossidrile —> OH (ossigeno legato a carbonio e idrogeno) carbonile —> O (un carbonio con doppio legame all’ossigeno) carbossile —> COOH ( carbonio fa un legame con il carbonio, che poi fa un doppio legame con l’ossigeno e poi fa un legame con il gruppo ossidrile) amminico —> NH2 (un legame con l’azoto e poi azoto si lega a due idrogeno) I composti più importanti che contengono i gruppi ossidrilici sono gli ALCOLI (etanolo, metanolo, tutti composti tossici) I composti che contengono i gruppi carbonilici si chiamano: ALDEIDI —> se il gruppo è legato ad un carbonio terminale CHETONI —> se il gruppo è legato ad un carbonio interno alla catena GRUPPO CARBOSSILICO GRUPPO AMMINICO Si comporta come un acido, tende a dare Si comporta come una base, accetta H+ H+ Ammine: molecole che presentano uno o Acidi carbossilici/acidi organici: sono più gruppi amminici molecole che hanno uno o più gruppi carbossilici L’energia è trasporto di elettroni Da dove deriva questa energia? Da dove la converte?  Nel > Muovono Energia - VARI DOMINI > GRUPPO FOSFATO, ASSOCIATO ALL'ATP - , UTILIZZATO ANCHE PER ATTIVARE O INIBIRE UNA PROTEINA TRASPORTO , UN GRUPPO CHE HA UNA CARICA SO UNA STRUTTURA PROTEICA (STRUTTURA 3D) POTREBBE FARL APRIRE L’energia si divide in: 1. CINETICA —> energia termica (dissipa calore) o luminosa (gli scambi di elettroni generano fotoni) 2. POTENZIALE —> energia chimica (spostamento degli elettroni) e posizione nello spazio e struttura (modifichiamo la struttura delle nostre molecole per garantirci una funzione) Energia cinetica ed energia potenziale fanno parte della BIOENERGETICA —> ci permette di tradurre le varie vie metaboliche in sistemi energetici all’interno di sistemi biologici Le trasduzioni energetiche che avvengono in natura, incluse quelle dei sistemi biologici, seguono le leggi della Termodinamica. Possiamo considerare le nostre cellule com delle MACCHINE poiché: la definizione afferma che: la macchina è un dispositivo che trasforma energia, le cellule trasformano energia le cellule sono macchine chimiche l’efficenza delle macchine è quella di produrre energia termica ed energia dissipata (calore), e le cellule producono sia energia termica che energia chimica con spostamenti di elettroni e qualunque cosa io faccio mi perderò sempre qualcosa e la perderò sotto forma di calore Le nostre cellule con il glucosio, attraverso la RESPIRAZIONE OSSIDATIVA (prende struttura di carbonio e fa una serie di processi per scomporla per ottenere ATP H2O CO2) —> RESPIRAZIONE CELLULARE Ricaviamo il carbonio dal cibo e l’acqua, siamo degli organismi Chemiotrofi (chemiotrofia —> capacità metabolica in grado di ricavare energia ossidando composti organici e inorganici) l’energia ATP deriva dall’ossidazione dei composti (lipidi, glucidi e proteine). METABOLISMO —> è la somma di tutte le trasformazioni chimiche che avvengono in una cellula o in un organismo vivente. Altamente coordinate e finalizzate a: ANABOLISMO —> sintesi di CATABOLISMO —> estrazione di molecole energia  sintetizzare macromolecole specie- ottenere energia chimica dal catabolismo specifiche da precursori monomerici dei nutrimenti sintetizzare biomolecole (ormoni, secondi ottenere precursori monomerici messaggeri, neurotrasmettitori) (monosaccaridi, acidi grassi, amminoacidi) necessarie per la funzione della cellula dal catabolismo dei nutrimenti Il metabolismo opera attraverso una serie di reazioni catalizzate da enzimi che costituiscono le vie metaboliche: le vie metaboliche possono essere lineari, ramificate o cicliche le vie metaboliche hanno luogo in precise locazioni cellulari (compartimentalizzazione) VIE LINEARI —> glicolisi, via del pensoso fosfati VIE RAMIFICATE —> sintesi degli amminoacidi, metabolismo degli acidi grassi, perché lo stesso composto può essere utilizzato da vie parallele e quindi generare degli intrecci che tenderanno a parlare tra di loro VIE CICLICHE —> ciclo di krebs, ciclo dell’urea Prendo i nutrimenti dal cibo, traferisco elettroni a degli ACCETTORI (gli Accettori principali sono NADH e FADH2). Gli Accettori permettono di portare gli elettroni in giro per la cellula, e grazie a loro siamo in grado di creare ATP e scaricare elettroni sull’accettore finale che in questo caso è l’ ossigeno. Questo causa sue reazioni che prendono il nome di OSSIDORIDUZIONI —> abbiamo: RIDUCENTE —> donatore di elettroni —> si OSSIDA perché perde gli elettroni OSSIDANTE —> accettore di elettroni —> si RIDUCE perché accetta elettroni L’ossidazione di un composto è sempre accompagnata dalla riduzione di un altro composto NADE FADH SONO INTERSCAMBIABILI Il passaggio di elettroni deve essere molto controllata, quando smetto di regolare il passaggio di elettroni produco molecole instabili che sono i radicali Queste reazioni di redox generano delle coppie, chiamate COPPIE REDOX, che hanno una diversa affinità per gli elettroni, si basano sul POTENZIALE DI RIDUZIONE o POTENZIALE REDOX —> è una misura dell’affinità della coppia congiunta per gli elettroni Il potenziale può essere: 1. POSITIVO —> quando è maggiore la tendenza della coppia ad acquisire elettroni 2. NEGATIVO —> quando è maggiore la tendenza della coppia a cedere elettroni Come si degrada il glucosio METABOLISMO —> è la somma di tutte le trasformazioni chimiche che avvengono in una cellula o in un organismo vivente. Altamente coordinate e nalizzate a: CATABOLISMO —> serve a ottenere energia chimica dal catabolismo dei nutrienti e ad ottenere precursori monomerici (monosaccaridi, acidi grassi, amminoacidi) dal catabolismo dei nutrienti ANABOLISMO —> serve a sintetizzare macromolecole specie-speci che da precursori monomerici e a sintetizzare biomolecole specializzate (ormoni, secondi messaggeri, neurotrasmettitori) necessarie per la funzione della cellula Il metabolismo opera attraverso una serie di reazioni catalizzate da enzimi che costituiscono le VIE METABOLICHE: 1. le vie metaboliche possono essere lineari, rami cate o cicliche 2. le vie metaboliche hanno luogo in precise locazioni cellulari (compartimentalizzazione) VIE LINEARI & * VIE RAMIFICATE SINTESI #E DEGLI AMINOACIDI · METABOLICHE · GLICOLISI · METABOLISMO DEGL · VIA DEL PENTOSO ACIDI GRASSI FOSFATI T # Cicliche CICLO DI KREBS · · CICLO DELL' UREA Il trasporto di elettroni genera delle af nità più o meno importanti, queste af nità cambiano a seconda di chi è il donatore e di chi è l’accettore. Dal substrato dei nutrienti che lasciano un elettrone, che viene trasportato da NADH e FADH2, con il trasporto generiamo una corrente che sfruttiamo per generare un gradiente protonico (H+), lo sfruttiamo (gradiente protonico) per generale ATP, lo fanno delle proteine altamente specializzate. NUTRIENTI grum · CATABOLISMO NADHe Frimm ADP+ Pi FOSFORIZZAZIONI I tr L’ ATP lo utilizziamo per compiere un lavoro cellulare. LAVORO CELLULARE ↓ ↓ ↑ g LAVORO LAVORO LAVORO MECCANICO OSMOTICO CHIMICO I I E CONTRAZIONE TRASPORTO BIOSINTESI MUSCOLARE ATTIVO MACROMOLECOLARE fi fi fi fi ATP —> intermedio chimico in grado di accoppiare i processi ossidativi, ESOERGONICI (catabolismo) che producono energia, con il lavoro cellulare ENDOENERGETICO (anabolismo) che consuma energia. Formata da 3 gruppi fosfato, è la molecola grazie alla quale noi immagazziniamo energia. Molecola che ha tre gruppi fosfato, noi non li abbiamo già ci dobbiamo arrivare, sintetizziamo l’ AMP (monofosfato)e da questo possiamo aggiungere dei gruppi fosfato (gruppo inorganico). Se aggiungo un gruppo Pi (fosfato inorganico) all’ AMP ottengo ADP (difosfato). Dalla scissione della molecola di glucosio riusciamo a ricavare energia rompendo i legami e trasportando elettroni, questo fa sì che degli enzimi altamente specializzati possono utilizzare questi elettroni e attaccare un nuovo gruppo fosfato, con un nuovo legame. Dall’ ADP aggiungo un gruppo fosfato e ottengo ATP. Mi permette di fare una reazione di immagazzinamento da una parte della cellula e sfruttare quell’energia da un altra parte. m Nel catabolismo andiamo a sintetizzare ADP quindi andiamo a creare ATP, dall’ADP e un Pi. Quando invece devo fare un lavoro prendo l’energia che mi serve da quel lavoro, che può essere di diverse tipologie, idrolizzo ATP (rompo il legame tra il secondo e il terzo gruppo fosfato) rilascio energia che viene utilizzata. · Ogni pallino rappresenta un atomo, atomo ha una struttura e un nucleo che si trovano ovunque, intorno a quest’atomo. ATP formata da tre composti principali: 1. ADENINA —> base azotata purinica 2. RIBOSIO —> monosaccaride 3. FOSFATO NH2 NH2 NH2 NH2 N N N N N N N N Tutti assemblati nella struttura: Adenosina —> adenina e ribosio N N N N N N N N AMP O 00 0. 0 O O O O HOl C Ok PO CH2 HO PNO P O Oh PNOPNO P O Che , Cha ADP OH OH OH OH Ol OH ATP OH OH OH OH OH OH OH OH ADENINA + RIBOSIO ADENINATRIBOSIO AMP ADENINATRIBOSIO ADP ADENINATRIBOSIO + ATP Tra i gruppi fosfato troviamo dei LEGAMI FOSFOANIDRINICI Quando la cellula arriva all’ AMP l’energia è esaurita. Ci sono degli enzimi in grado di percepire l’innalzamento dell’ AMP, se si alza l’ AMP si sta abbassando l’ATP e la cellula di conseguenza sta in crisi energetica. AMP sensore della cellula, percepito da proteine. Il legame tra il ribosio e il gruppo fosfato è un LEGAME FOSFOSTERE  Abbiamo un genoma di 50-6000 geni che hanno più di una funzione, questi si dispongono in maniera ordinata per formare delle VIE METABOLICHE (glicolsi) o. DI SEGNALE (regolano, rispondono gli stimoli), le cellule rispondono agli stimoli con gli enzimi che hanno funzioni selettive, alcune di queste legano l’AMP e causano una risposta tale per cui la cellula riconosce l’assenza di ATP. Il legame tra i gruppi fosfato può essere utilizzato per ricavare energia. Ciclo ADP-ATP · f L’ ATP è prodotto nella: fosforilazione a livello del substrato fosforilazione ossidativa mitocondriale FOSFORILAZIONE A LIVELLO DEL SUBSTRATO pro: 1. nessun ossigeno richiesto 2. nessuna membrana necessaria 3. produzione diretta di ATP contro: 1. basso rendimento di ATP 2. limitato a reazioni speci che GLICOLISI CICLO DI KREBS FOSFOCREATINA I F J 1 , 3- BISFOSFOGLICERATO SucciniL CoA T ATP ↳ 3- FOSFOGLICERATO SUCCINATO I FOSFOEND PIRUVATO E PIRUVATO FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA produzione di grandi quantità di ATP richiesta di ossigeno integrità delle membrane (pk inizia nel citosol) mitocondrio ( nisce) fi fi ZUCCHERO O SACCARIDI Molecole organiche più abbondanti in natura e svolgono un’ampia gamma di funzioni Sono generalmente composti ternari formati da Carbonio (C) Ossigeno (O) e idrogeno (H) GLUCIDI E i er MONOSACCARIDI OLIGOSACCARIDI POLIGOSACCARIDI E I E /SINGOLA Unità DA 2 A 20 UNITA Più' Di 20 UNITA MONOMERICA MONOMERICHE MONOMERICHE MONOSACCARIDI Sono poliidrossi aldeidi o poliidrossi chetoni, contenuti almeno da tre atomi di carbonio NUMERO DI ATOMI MONOSACCARIDI A NATURA DEL GRUPPO DI CARBONIO CARBONILICO I T · TROSI · ALDEIDICO · TETROSI · CHETONICO · PENTOSI ESOSI · · EPTOSI GRUPPO ALDEIDICO —> doppio legame all’esterno della catena GRUPPO CHETONICO —> doppio legame all’interno della catena EPIMERI —> due zuccheri che differiscono sooo nella con gurazione intorno ad un atomo di carbonio. Mannosio —> epimero nel secondo C del glucosio Glucosio Galattosio —> epimero nel quarto C del glucosio In soluzione acquosa, i monosaccaridi con cinque o più atomi di carbonio assumono una forma ciclica (ad anello), originata dalla reazione intramolecolare tra il gruppo aldeidico o il gruppo chetonico e uno dei gruppi alcolici dello zucchero. Le forme cicliche sono quelle che tendono ad essere degradate. Quando ciclizza il primo atomo di carbonio della catena diventa asimmetrico o chirale, presenta due possibili con gurazioni (alfa e beta) dipendenti dalla posizione del gruppo ossidrile (OH). Mutarotazione: OH può essere in su o in giù, se rappresentiamo la molecola può essere in avanti o indietro. fi METABOLISMO DEGLI ZUCCHERI (glucidi) le reazioni catboliche sono generalmente di natura ossidativa e producono energia le reazioni anaboliche sono generalmente di natura riduttiva e richiedono energia i processi catabolici sono qualitativamente prevalenti: circa il 90% del metabolismo è inteso a produrre energia solo circa il 10% del metabolismo è impegnato per la sintesi dei costituenti della cellula Il metabolismo si sviluppa intorno alla molecola di ACETIL-COENZIMA-A, importante perché nel momento in cui andiamo a scindere molecole diverse andiamo a formare acetil-coenzima-a che rientra nel ciclo di krebs, ci arriviamo dai grassi da glucosio e dai suoi complessi e da alcuni amminoacidi (leucina e isoleucina). Da lì l’acetil-Co-A può essere utilizzato per sintetizzare e produrre energia e anche per tutta una serie di reazioni di sintesi, si colloca al centro. Prodotto nale è H2O CO2 e ATP Rappresenta lo step nale della degradazione del glucosio, amminoacidi e acidi grassi. Generiamo NADH e FADH2. fi  Il metabolismo opera attraverso una serie di reazioni catalizzate da enzimi che costituiscono le VIE METABOLICHE: 1. le vie metaboliche possono essere lineari, rami cate o cicliche 2. le vie metaboliche hanno luogo in precise locazioni cellulari (compartimentalizzazione) VIE LINEARI & * VIE RAMIFICATE SINTESI #E DEGLI AMINOACIDI · METABOLICHE · GLICOLISI · METABOLISMO DEGL · VIA DEL PENTOSO ACIDI GRASSI FOSFATI T # Cicliche CICLO DI KREBS · · CICLO DELL' UREA GLUCIDI E i er MONOSACCARIDI OLIGOSACCARIDI POLIGOSACCARIDI E I E /SINGOLA Unità DA 2 A 20 UNITA Più' Di 20 UNITA MONOMERICA MONOMERICHE MONOMERICHE GLICOLISI —> fondamentale, poiché diverse cellule che si sono specializzate altamente basano il loro metabolismo solo sulla glicolisi, es: I glibuli rossi hanno eliminato tutti i mitocondri e il nucleo e sono rimasti delle strutture altamente specializzate per il trasporto dell’ossigeno, basano il loro metabolismo sulla glicolisi Glicolisi NON RICHIEDE OSSIGENO. EtULE SPECIALIZZATE- GLUCOSIO COME FONTE DI ENERGIA # CELLULE SENZA MITOCONDRI S T & · CERVELLO · GLOBULI SISTEMA ROSSI · NERVOSO M · TESTICOLI CELLULE IPOSSICHE T · CARENZA OSSIGENO Attraverso il metabolismo glucidico: le cellule intestinali sono in grado di assorbire solo monosaccaridi I glucidi dieta, polisaccaridi (amido, glicogeno e destrina) o disaccaridi (lattosio e saccarosio) subiscono una preliminare digestione in monosaccaridi la cellulosa (legami b-q,r glucosidici) è eliminata ingerita con le feci fi Glucosio fonte principale di sostentamento, è anche molto reattivo. Se abbiamo eccesso di glucosio nel sangue è deleterio perché interagisce con tutto quello che trova intorno. Insulina è un ormone prodotto dal pancreas che va a mirare e ad eccitare delle cellule che attivano gli importatori del glucosio e riducano il livello del glucosio e lo portano sotto il livello standard, se vi è un eccesso di glucosio si scompensano i trasporti di alcune molecole e iniziano a non funzionare più, in ne vanno in contro a morte. Abbiamo un trasportatore di glucosio, GLUT, viene importato all’interno della cellula e molte volte richiede energia, spesso vi è un sinporto per facilitare il trasporto, spesso avviene con il GLUCOSIO-6-FOSFATO (glucosio attaccato a un gruppo fosfato, tramite idrolisi di ATP). Quando portiamo il glucosio all’interno della cellula lo trasformiamo in glucosio-6-fosfato e da lì partono tutte le reazione basate su esso. Le cellule dal glucosio-6-fosfato possono prendere 5 vie diverse: 1. degradiamo e otteniamo piruvato —> GLICOLISI 2. sintetizziamo molecole —> VIA DEI PENTOSI FOSFATI 3. eccesso —> GLICOGENO, immagazziniamo, GLICOGENOSINTESI 4. riderivare glucosio-6-fosfato dal glicogeno, GLICOGENOLISI 5. posso ricavare nuovamente dal piruvato il glucosio-6-fosfato, GLICOGENESI VIA DEI PENTOSI FOSFATI: via che permette di sintetizzare le purine, la base delle AMP. Il glucosio è IDROFILO, non può diffondere spontaneamente attraverso la membrana le cellule, con l’evoluzione abbiamo selezionato dei trasportatori selettivi per il glucosio, GLUT. Esistono diversi GLUT a seconda del tessuto e del ruolo: Nel fegato e nel cervello il trasporto del glucosio è indipendente dall’insulina ma dipende solo dalla glicemia. Nel muscolo e nel tessuto adiposo l’entrata del glucosio è mediata da un trasportatore insulino-dipendente (GLUT4). fi Abbiamo dei recettori specializzati per l’insulina sulla membrana, arriva l’insulina si attiva un meccanismo molecolare all’interno che fa sì che le vescicole (piene di trasportatori di glucosio) vengano portate sulla plasmamembrana nel momento in cui il recettore d’insulina lega l’insulina, si attiva un meccanismo molecolare che in poco tempo fanno sì che le vescicole vengano esposte sulla membrana plasmatica, si fondono con essa e aumenta la presenza del trasportatori sulla membrana ed entrano molte molecole di glucosio. Però siccome la quantità di glucosio una volta raggiunto il numero necessario la cellula rimuove questi trasportatori e li internalizza nuovamente. Una volta che il glucosio è entrato parte la fosforilazione del glucosio, per prepararlo ad essere degradato. GLICOLISI Ci permette di convertire il glucosio-6-fosfato in PIRUVATO. la glicolisi è la via centrale del catabolismo del glucosio consta 10 reazioni e tutti gli enzimi glicolitici sono localizzati nel CYTOSOL è un PROCESSO OSSIDATIVO ed è INDIPENDENTE dall’ossigeno La glicolisi scompone il glucosio, da questa scomposizione otteniamo: 1. 2 molecole di ATP 2. 2 molecole di NADH 3. 2 molecole di PIRUVATO Glicolisi è la base di alcuni metabolismi di molte cellule, non richiede ossigeno, processo molto rapido. La molecola di glucosio possiede molta energia, data dai legami del carbonio. La glicolisi può essere divisa in due fasi: 1. FASE PREPARATORIA O FASE DELL’INVESTIMENTO ENERGETICO —> 1 molecola di glucosio è convertita in 2 molecole di gliceraldeide 3-fosfato a spese di 2 molecole di ATP, prepariamo la molecola di glucosio per essere scissa, richiede energia 2. FASE DI RECUPERO ENERGETICO —> ciascuna molecola di gluceraldeide 3-fosfato è ossidata in PIRUVATO. In questa fase si producono 4 molecole di ATP e 2 molecole di NADH, però nella fase precedente abbiamo utilizzato 2 molecole di ATP per cui la quantità di molecole nali di ATP saranno solo 2. fi · BIOCHIMICA LEZIONE 23/10 FASE DI RECUPERO ENERGETICO DELLA GLICOLISI Nella seconda fase della glicolisi, ovvero la fase di recupero, viene recuperata l’energia spesa all’inizio (2 molecole di ATP) tramite la produzione di 2 molecole di NADH e 4 molecole di ATP. In questa fase, ciascuna molecola di Gliceraldeide 3-fosfato è ossidata in PIRUVATO che è caratterizzato da 3 atomi di carbonio, 3 di ossigeno e 3 di idrogeno ed ha una carica negativa che porta la molecola ad essere particolarmente reattiva. Ricapitolando: Dal glucosio, nella fase preparatoria, vengono spese 2 molecole di ATP e nel frattempo vengono generate 2 molecole di Gliceraldeide 3-fosfato da cui, nella seconda fase produciamo: - 2 molecole di PIRUVATO - 4 molecole di ATP - 2 molecole di NADH FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA Esistono dei trasportatori selettivi per il glucosio che sono necessari per il trasporto del glucosio perché questo è una molecola che non attraversa le membrane. Se non esistesse l’insulina, il glucosio persisterebbe nel flusso ematico causando problemi, essendo una molecola reattiva. È necessario, per questo motivo, che il glucosio venga eliminato dal flusso ematico e che venga ri- immesso nel sangue. Tramite la FOSFORILAZIONE, il glucosio viene bloccato nel citoplasma. La fosforilazione è il motivo per cui c’è il dispendio iniziale di energia durante la glicolisi. Le uniche cellule che sono in grado di de-fosforilare il glucosio sono quelle contenute nel fegato. Nel fegato è contenuto un enzima ovvero il Glucosio-6-fosfatasi che de-fosforila il glucosio, in questo modo il fegato trasforma lo zucchero in acidi grassi. La glicolisi è una via metabolica lineare, in cui una molecola di glucosio viene scissa a PIRUVATO. La molecola di glucosio 6-fosfato blocca il glucosio all’interno del citoplasma delle nostre cellule ed è una molecola che può essere impiegata in due modi differenti. (Glicolisi o gliconogenosintesi) 1 LA VIA DEL PENTOSO FOSFATO La via del pentoso fosfato è alla base della sintesi di due molecole essenziali ovvero AMP e GMP e alla sintesi delle purine e pirimidine ovvero le basi azotate che compongono il DNA e RNA. Inoltre, viene prodotto un elemento essenziale che ha una funzione vitale non solo nelle altre vie di sintesi (ad es. acidi grassi), ma permette di combattere i radicali liberi, lo stress ossidativo. La via del pentoso fosfato parte dal glucosio 6-fosfato che entra nelle nostre cellule, viene fosforilato e tramite una serie di reazioni, viene prodotto il ribosio 5-fosfato da cui si generano due diverse vie caratterizzate dallo stesso substrato, regolate da due enzimi diversi in due compartimenti diversi della cellula: - via delle pirimidine - via delle purine La via del pentoso fosfato è una via bidirezionale ovvero parallela alla glicolisi perché avvengono reazioni tramite uno stesso o un diverso enzima che portano la reazione a tornare a un determinato substrato. Un determinato enzima porta la reazione a una determinata direzione perché: - si abbonda del composto superiore - Interviene una proteina chinasi che regola l’enzima a lavorare più in una direzione che in un’altra La via del pentoso fosfato permette di sintetizzare e produrre una proteina ovvero NADPH che ha 2 funzioni fondamentali: Biosintesi riduttiva Riduzione del glutatione (molecola che sfrutta l’ossigeno riducendo al minimo le conseguenze nefaste dello stress ossidativo. Le specie reattive dell’ossigeno sono radicali dell’ossigeno ovvero una molecola che deriva dall’ossigeno e che ha degli elettroni in eccesso. Essendo una molecola altamente instabile, tende a reagire con qualsiasi cosa che ha intorno, andando ad ossidare, a far rompere legami, inficiano sull’attività di ogni specie con cui reagisce. Per evitare queste conseguenze nefaste, interviene il GLUTATIONE che è una proteina che ha due gruppi tioli o solfidrilici -SH altamente reattivi che si ossidano rimuovendo i radicali liberi. Per ridurre il glutatione ossidato è necessario il NADPH.) La via del pentoso fosfato parte dal GLUCOSIO 6- FOSFATO che tramite due diverse reazioni e la sintesi/ produzione del NADPH, permette la produzione del 6- FOSFOGLUCONATO. Successivamente, tramite l’espulsione di una molecola di anidride carbonica e sintesi di un’altra molecola di NADPH, viene prodotto il RIBULOSIO 5-FOSFATO da cui partono due possibili vie: - via del ritorno al GLUCOSIO 6-FOSFATO - Via della produzione del RIBOSIO 5-FOSFATO ovvero una molecola altamente stabile che rappresenta il punto da cui partono le vie di sintesi delle purine o pirimidine e dunque di nucleotidi, coenzimi e acidi nucleici. Il ribosio 5-fosfato è un substrato da cui deriviamo molecole come: - acidi nucleici (RNA e DNA) - Nucleotidi (ATP, GTP) - Coenzimi (NADH. NADPH, FADH2, coenzima A) A seconda dell’organo di cui si parla, la via del pentoso-fosfato può avere differenti funzioni (es. sintesi degli steroidi nelle ovaie) 2 NADH e NADPH È importante evidenziare la differenza tra questi due coenzimi ovvero attivatori di enzimi x. Questi due coenzimi NON sono intercambiabili perché i processi da cui deriviano questi due coenzimi sono differenti. Nonostante la struttura sia molto simile, questi due coenzimi sono completamente differenti e svolgono azioni diverse. Il NADH è impiegato per la SINTESI DELL’ATP. Il NADPH è impiegato per la BIOSINTESI RIUDUTTIVA, per combattere lo STRESS OSSIDATIVO che causerebbe l’emolisi, per la DETOSSIFICAZIONE DAI FARMACI e FAGOCITOSI. METABOLISMO DELLE PURINE Il metabolismo delle purine parte dal RIBOSIO 5-FOSFATO. Questa molecola può subire delle modifiche che permettono di distinguere una via metabolica dall’altra e in particolare distingue la via delle purine e quella delle pirimidine. La via di sintesi delle purine permette di immagazzinare energia in forma di AMP. La sintesi delle purine viene chiamata “sintesi de novo” perché sintetizza da zero tramite dispendio di substrati ed energia. La via delle purine utilizza glicina, glutammina, acido formico, asportato, ATP dai vari substrati per creare il PURINOSIMA. È una via di sintesi altamente dispendiosa e si attiva in condizioni selettive (quando ho la necessità). Il momento in cui è necessario un alto numero delle purine è durante lo sviluppo quando avviene molta divisione cellulare e durante la proliferazione incontrollata di cellule tumorali. Durante le varie reazioni che compongono la via di sintesi delle purine, vengono generati degli intermedi molto instabili che formano il PURINOSOMA. Durante la sintesi delle purine vengono spese circa 10 molecole di ATP fino ad arrivare alla formazione, dopo una serie complessa di reazioni, di una molecola di IMP che tenderà ad accumularsi e verrà degradata in altre due vie che porteranno alla sintesi di: - AMP - GMP È importante ricordare che: per produrre una molecola di GMP è necessaria una molecola di ATP per produrre una molecola di AMP è necessaria una molecola di GTP Nonostante dall’IMP partano due differenti vie (produzione di AMP e produzione di GMP), se una delle due vie è alterata, va a regolare negativamente l’altra. Ad esempio, se viene prodotta poca AMP e dunque poca ATP, non verrà prodotta ulteriore GMP. In conclusione, è importante comprendere che due molecole (AMP e GMP) che vengono sintetizzate da enzimi diversi in momenti diversi, comunicano tra di loro e la cui alterazione di una causa l’alterazione dell’altra. Il metabolismo delle purine è altamente dispendioso a livello di aminoacidi, energia, substrati. Nel momento in cui questi non possono essere sintetizzati, vengono riciclati dalle nostre cellule. 3 Uno studio recente effettuato sui topi, ha dimostrato questi meccanismi molecolari tramite degli isotopi radioattivi ovvero molecole marcate. Questo esperimento avvenuto tramite marcazione della glicina, ha dimostrato che la glicina non viene incorporata interamente nelle purine e che quindi parte delle purine in qualsiasi essere vivente vengono riciclate perché il metabolismo delle purine è altamente dispendioso a livello di energia e molecole. Il materiale che non può essere più riciclato ovvero lo scarto prodotto dal nostro organismo viene eliminato tramite liquidi come sudore, urina e feci a livello intestinale, tramite CO2 a livello di respirazione. RICAPITOLANDO Partendo dal glucosio 6-fosfato, tramite il processo metabolico della GLICOLISI, deriva la formazione della molecola di PIRUVATO ovvero una molecola prodotta nel CITOSOL (la glicolisi avviene nel citosol). Insieme al piruvato, durante la glicolisi viene prodotta energia in forma di ATP. La glicolisi è un processo che non richiede ossigeno, che porta alla scomposizione della molecola di glucosio e che porta alla produzione di 2 molecole di NADH e 2 molecole di ATP. La glicolisi è un processo molto rapido che però sintetizza un piccola quantità di energia. Per sintetizzare più del 90% dell’energia dal piruvato è necessario un altro processo che passa per il CICLO DI KREBS e per la RESPIRAZIONE OSSIDATIVA (step finale di produzione di ATP). IL CICLO DI KREBS Il ciclo di Krebs è una via metabolica centrale nell’ossidazione di glucidi, lipidi e amminoacidi che avviene nel mitocondrio. Non parte dal piruvato, bensì dall’ACETIL-COA. È necessario, dunque, trasformare il piruvato, prodotto nel citosol grazie alla glicolisi, in un composto mitocondriale ovvero l’Acetil-CoA. Per fare questo, viene prodotta CO2 e una molecola di NADH. L’Acetil-CoA entra nel ciclo di krebs e va incontro a reazioni che porteranno a formare: 1 GTP, 3 NADH 1 FADH2 Le molecole di NADH e FADH2 sono necessarie nella RESPIRAZIONE OSSIDATIVA per il trasferimento di elettroni dalla matrice intracellulare a quella extracellulare per produrre efficientemente ATP in maniera energeticamente superiore a quella prodotta fino al ciclo di Krebs. È importante ricordare che dalla glicolisi al Ciclo di Krebs verranno prodotte: - 2 ATP - 6 NADH - 1 FADH2 - 1 GTP che verrà convertita in ATP perché sono intercambiabili. A livello energetico in totale avremo dunque 3 ATP. 4 IL CICLO DI KREBS dunque, non solo rappresenta una diretta conseguenza della glicolisi ma è anche scisso dalla glicolisi perché è un processo che può essere attivato anche in assenza di glicolisi purché ci sia l’Acetil-CoA ovvero un composto mitocondriale che può derivare dagli aminoacidi oppure dal glucosio oppure dagli acidi grassi. Queste sono tre vie diverse che hanno come fine ultimo il ricavo di energia generata dalla creazione di Acetil-CoA. Il ciclo di krebs è una via metabolica ciclica che avviene nella matrice mitocondriale che produce ATP, H2O e CO2. PIRUVATO DEIDROGENASI Se da un lato la glicolisi è un processo che avviene nel citosol, dall’altro il ciclo di Krebs avviene nel mitocondrio. Il piruvato prodotto dalla glicolisi nel citosol, dunque, deve essere trasformato in Acetil-CoA che si trova a livello del mitocondrio. Il passaggio dal citosol al mitocondrio avviene per un trasporto attivo di una proteina presente sulla membrana mitocondriale ovvero la PIRUVATO DEIDROGENASI che effettua la conversione del piruvato in Acetil-CoA La piruvato deidrogenasi è un enorme enzima, formato da 3 subunità (3 proteine E1, E2, E3 che si compongono a formare un anello) ed è di fondamentale importanza perché durante il passaggio da piruvato a Acetil-CoA, produce una molecola di NADH e una di CO2. In particolare il legame tra i due dei 3 carboni del piruvato viene rotto e in particolare viene rotto il legame del gruppo acetilico (CO-CH3) e viene ricavata energia che gli elettroni trasportano sotto forma di NADH. La piruvato deidrogenasi in natura ha una forma ad anello ed è caratterizzata da una dimensione di 50 nm. CICLO DI KREBS o CICLO DELL’ACIDO CITRICO Una volta che il piruvato, tramite la piruvato deidrogenasi, è stato trasformato in Acetil-CoA, il ciclo di Krebs ha inizio. Il ciclo di Krebs è stato scoperto nel 1953 da due scienziati Lipmann e Krebs. Il ciclo di krebs ha inizio dall’acetil-coa ed è caratterizzato da 8 reazioni che si svolgono in modo ciclico (dal citrato a ossalacetato e viceversa) e che hanno come fine quello di produrre: - 3 NADH - 1 FADH2 - 2 CO2 (di conseguenza si verifica ossidazione dei 2 carboni dell’aceti-CoA che dunque viene consumato) - 1 GTP 5 LE 8 FASI DEL CICLO DI KREBS Il ciclo ha inizio con l’Acetil-CoA che entra nel ciclo grazie al rilascio del COENZIMA A, che rappresenta una molecola trasportatrice. 1. La piruvato deidrogenasi, quindi, prende 2 carboni dal piruvato e li trasferisce al CoA che ha la funzione di reagire con la CITRATO SINTASI (1° enzima del ciclo attraverso cui i carboni entrano nel ciclo) per dar luogo al CITRATO (coenzima a + enzima citrato sintasi). 2a. Successivamente il CITRATO attraverso il processo di DEIDRATAZIONE (perdita di una molecola di H20) e l’enzima aconitasi si trasforma in CIS- ACONITATO. (Il processo di deidratazione è bidirezionale, si parla di reidratazione nel caso di direzione inversa) 2b. Il CIS-ACONITATO, tramite un processo di reidratazione (aggiunta una molecola H20) e tramite l’enzima aconitasi, si trasforma in ISOCITRATO. 3. Successivamente avviene una DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA (si perde una prima molecola di CO2) che genera l’ALFA-CHETOGLUTARATO e determina la formazione della prima molecola di NADH. 4. Dall’alfa-chetoglutarato tramite l’unione di questa molecola con un altro COENZIMA A, si verifica una decarbossilazione ossidativa e si forma la SUCCINIL-COA. In questa reazione, si genera la seconda molecola di NADH. 5. Al succinil-coA viene immesso un altro coA che trasforma il succinil-CoA in SUCCINATO. IN QUESTA REAZIONE SI OTTIENE UNA MOLECOLA DI GTP (viene convertito in ATP). 6. Tramite l’enzima succitato deidrogenasi (l’unico enzima adagiato sulla membrana mitocondriale e punto di contatto tra ciclo di Krebs e respirazione ossidativa perché ne rappresenta il complesso 2), il succinato si trasforma in FUMARATO e viene prodotta una molecola di FADH2. 7. Dal fumarato tramite idratazione si forma il MALATO. 8. Tramite la deidrogenazione, il malato si trasforma in OSSALACETATO producendo la terza molecola di NADH RIASSUMENDO: Durante il ciclo di krebs viene prodotta 1 sola molecola di GTP/ATP (poca rispetto alle 4 molecole di ATP prodotte dalla glicolisi) ma PRODUCE 3 MOLECOLE DI NADH E 1 MOLECOLA DI FADH2 grazie alle quali durante la respirazione ossidativa produrremo VAGONATE di ATP! (30 o 32 ATP) 6 Il ciclo di Krebs: è centrale nell’ossidazione di lipidi, aminoacidi e glucidi Vengono ossidate (utilizzate) molecole di CO2 e H20 È una via ANFIBOLICA (partecipa sia a processi catabolici che anabolici perchè i prodotti delle reazioni possono essere utilizzati per altre vie di sintesi di altre molecole) È una via ciclica costituita da 8 reazioni È una via che avviene nella matrice mitocondriale (ad eccezione del complesso 2 o succinato deidrogenasi) N.B. Il Mitocondrio è un organello cellulare altamente dinamico, formato da una membrana esterna, uno spazio intermenbrana, una membrana interna altamente selettiva che impedisce alle molecole di fuoriuscire, una matrice mitocondriale. La membrana interna ha delle creste necessarie per aumentare la superficie del mitocondrio. La selettività della membrana interna, inoltre, porta tutto ciò che è stato sintetizzato nel mitocondrio a rimanere all’interno. Questo è necessario perchè, nel caso in cui ci fosse la rottura o la perdita della permeabilità della membrana mitocondriale, si va incontro a morte programmata cellulare o apoptosi. Le proteine presenti nel mitocondrio se presenti nel citosol, attivano i processi di morte cellulare. 7 Fosforilazione ossidativa Specie reattive all’ossigeno: non sono solo dannose, rappresentano un aspetto fondamentale della nostra esistenza. Parte dell’energia che noi usiamo giornalmente serve a mantenere un livello basale/opportuno i ROS. Il radicale è un atomo, un amo,è cola o uno io è che ha almeno un elettro è di valenza non appaiato, molecola altamente instabile che tenderà a prelevarlo da un altra molecola. Specie reattive dell’ossigeno: SUPERARIONE ACQUA OSSIGENATA RADICALE OXEDRILE Si formano durante la respirazione ossidativa. Si possono generare dalla respirazione mitocondriale, possono essere stimolati da un fattore esterno, possono derivate da un a malformazione di una proteina. Altamente reattivi e ossida il substrato, possono ossidare DNA lipidi proteine e gli enzimi, l’osso d’azione non controllata è dannosa per la funzione di quella struttura. MITOCONDRIO Al centro del mitocondrio troviamo le creste mitocondriali troviamo le creste, che servono ad aumentare la sua area interna, li avviene la respirazione ossidativa. Intorno al mitocondrio c’è il citoplasma. Il mitocondrio non è vuoto. In alto a destra c’è il reticolo endolasmatico che si mette a contatto con i mitocondri, troviamo anche delle vescicole e dei ribosomi (sintesi delle proteine). I mitocondri sono organelli altamente dinamici, versatile, dove avvengono tante reazioni biochimiche. Possono esserci mitocondri allungati non solo quando stanno facendo la respirazione ossidativa, ma presenti nelle cellule anche quando una cellula sta producendo intermedi per sintetizzare altro. Il mitocondrio ha un suo DNA, circolare, diverso dal DNA genomico, questo DNA sono tradotti diversi geni presenti nella catena respiratoria. La catena respiratoria di basa sull’attività di 5 complessi, la maggior parte delle proteine che compongono questi 5 complessi sono nucleari (DNA nucleare) ma alcune di queste si trovano sul DNA mitocondriale, quindi un danneggiamento nel DNA mitocondriale avremo un danno ai complessi. Se la respirazione ossidativa non è controllata avremo un attacco del radicale libero al DNA mitocondriale e un blocco della respirazione ossidativa dell’attività mitocondriale. Abbiamo due membrane: Interna Esterna Queste membrane non fanno passare nulla, neanche gli ioni, questo è il motivo per cui riusciamo a produrre energia. Possediamo due membrane altamente selettive che per far passare qualcosa c’è bisogno di canali speci ci. Dal ciclo di krebs abbiamo prodotto: 1 molecola di ATP per ciclo 3 molecola di NADH 2 molecole di FADH2 Servono per spostare gli alettoni da una parte all’altra, adesso viene spostato nella parte nale del meccanismo. Così produciamo grandi quantità di ATP, per farlo dobbiamo utilizzare gli elettroni custoditi dal NADH e dal FADH2. Abbiamo un sistema di 5 complessi che hanno il compito di prelevare gli elettroni per creare un gradiente elettrochimico. 3 complessi hanno il compito di spostare H+ dalla matrice allo spazio Inter-membrana, questi complessi sono i complessi: 1 3 4 Questi sono 3 complessi enormi che sono in grado di utilizzare gli elettroni provenienti da NADH e FADH2 per pompare contro gradiente ioni idrogeno, eccezione è il complesso 2 che non fa passare H+. Formano un mega complesso che si chiama RESPIRASOMA (1-3-4). Ci sono anche due proteine, obiquinone e citocromo c, senza i quali i 3 complessi non funzionano. I complessi sono accordati per fa si che gli H+ non vengano dispersi. Questi 3 complessi sono attaccati, ma possono dividersi e legarsi a seconda della necessità di energia. Una volta creato il gradiente abbiamo il complesso 5, F-ATPasi, utilizza l’accumulo di protoni per ricavare energia e creare ATP. Il complesso 5 sfrutta il gradiente elettrochimico (accumulo di H+) per ripompare gli H+ nella matrice secondo gradiente, questo dà la capacità di creare il legame tra il fosfato inorganico e ADP per creare ATP. COMPLESSO 1 Attraversa la membrana mitocondriale. Prende gli elettroni dal NADH, che si ossida e diventa NADH+, abbiamo 2 elettroni che entrano nel complesso 1. Questi elettroni intraprenderanno un viaggio e andranno dal complesso 1 al complesso 4. Questo complesso è in grado di trasportare fuori 4 idrogeni che sono presi da una matrice mitocondriale, e gli elettroni insieme a altri 2 H+ sono presi dall’obiquinone. L’obiquinone deve trasportare questi elettroni al complesso 3. COMPLESSO 2 Complesso più semplice, non trasporta H+, utilizza come substrato il FADH2 perché questo complesso è il punto di contatto tra il ciclo di krebs e respirazione ossidativa. Processa il succinato in fumarato cedendo gli elettroni al FAD+ (che diventa FADH2), e il FADH2 tramite tutta una serie di scambi prende gli elettroni e li cede all’obiquinone. Non genera trasporto di H+. COMPLESSO 3 Prende gli elettroni dal coenzima q (trasporta due elettroni) e li trasferisce uno alla volta al citocromo (accetta un solo elettrone), si crea quindi un circolo per avere tempo di passare l’elettrone al citocromo c e passarlo ad un altro. Nel complesso 3 pompiamo 4 H+ nello spazio intermembrana dalla matrice. COMPLESSO 4 Cirocromo c passa dal complesso 3 al complesso 4 Rappresenta l’ultimo step, l’elettrone passano all’ossigeno e si produce acqua. Genera il passaggio di altri 2 H+. Per la sintesi di ATP servono 4H+ sfruttati dalla ftpasi. 1 molecola di NADH permette di trasportare 10 H+ e quindi generare 2,5 ATP. Conti nali di tutto quello che è stato ricavato: fi Respirazione ossidativa avviene in presenza di ossigeno seno le cellule vanno incontro ad ipossia. Esempio: cellule tumorali, Massa tumorle grande dove non passa sangue, le cellule dentro entrano in ipossia siccome non ricevono ossigeno, che viene trasportato dal sangue, non avviene scambio gassoso e quelle cellule continuano a proliferare, perché riescono a sfruttare a loro favore il processo che tutte le cellule hanno. Si generano dei meccanismi per cui la carenza di ossigeno porta al bloccarsi della respirazione ossidativa e di conseguenza si inizia ad accumulare piruvato, le cellule possono riprogrammare (riprogrammazione metabolica) sfruttare la glicolisi per produrre lattato, che ad un certo punto andrà a bloccare l’attività muscolare poiché si tratta di un acido (acido lattico). · o re LEZIONE BIOCHIMICA MATTEO BORDI 12/11 L’INTERNO DEL MITOCONDRIO Tramite la microscopia elettronica 3d è possibile ricomporre e riconoscere tutto quello che si trova all’inter no del mitocondrio. In particolare: - in giallo respirosoma - In blu l’ATPasi che sfrutta il gradiente di concentrazione per creare ATP. Nel mitocondrio si può notare un elevato numero di ATPasi e inoltre queste sono situate perlopiù dove si trovano le curvature delle creste mitocondriali. Mentre, il respirosoma si colloca nella parte lunga delle creste mitocondriali. Questo differente collocamento dipende dalla diversa conformazione della membrana che determina la posizione di un determinato complesso. GLI ENZIMI Gli enzimi sono proteine in grado di catalizzare in maniere efficace e specifica tutte le reazioni che avvengono all’interno della cellula. Proprio per questo motivo, gli enzimi vengono classificati come “catalizzatori efficaci e specifici”. Gli enzimi hanno la capacità di regolare diversi tipi di reazioni (chimiche come la glicolisi, di legame) e di aumentare la velocità di una reazione senza subirne trasformazioni durante tutto il processo catalitico. L’enzima, in particolare, lega il substrato specifico e lo processa senza che questo subisca alterazioni. Inoltre, gli enzimi possono interagire tra loro a formare complessi molto grandi come ad esempio il complesso di M-TORC1 ovvero una chinasi (fosforila le proteine) che per funzionare ha bisogno di diverse proteine che si legano affinché il complesso possa riconoscere i substrati, fosforilarli e, contemporaneamente, attivare e inibire proteine. Inoltre questo complesso regola il passaggio da anabolismo (sintesi delle molecole) a catabolismo (degradazione delle molecole). Le 3 principali peculiarità degli enzimi sono: - specificità (l’enzima riconosce il substrato in maniere selettiva) - Potere catalitico (capacità dell’enzima di accelerare o decelerare le reazioni chimiche in maniera efficiente) - Regolazione (la capacità degli enzimi di essere modulati da vari fattori) Per quanto riguarda il potere catalitico, negli enzimi è pari a 10^3-10^4 ovvero 1000-10000 volte più grande di quello dei catalizzatori chimici. Gli enzimi, inoltre, operano in condizioni di relazione moderate (fisiologiche) di: - 37°C - pH neutro - Pressione atmosferica costante Come tutte le reazioni chimiche, l’aumento della temperatura e della pressione provoca un aumento della produzione di enzimi e, dunque, un aumento della velocità delle reazioni chimiche. (Si alza l’attività di un enzima). La diminuzione, invece, della temperatura e della pressione atmosferica provoca una diminuzione della produzione di enzimi e, dunque, una diminuzione della velocità delle reazioni chimiche.( si abbassa l’attività di un enzima) Molti enzimi, per svolgere la loro attività catalitica, necessitano di co-fattori non proteici come: - ioni metallici (Zn2+, Fe2+) - coenzimi vitaminici Le reazioni catalizzate dagli enzimi avvengono in una piccola porzione (tasca) della proteina enzimatica chiamata “sito catalitico” o “sito attivo” ovvero una struttura terziaria o quaternaria della loro proteina che crea una tasca altamente selettiva e specifica che lega l’enzima al substrato in modo tale che l’enzima effettui la sua funzione di catalizzatore. Il substrato, dunque, è la molecola che si lega al sito catalitico e su cui l’enzima agisce. L’azione che l’enzima può svolgere sul substrato può essere di degradazione o modificazione come tagli, aggiunta. Tutti gli enzimi presentano una caratteristica fondamentale ovvero la specificità relativamente al sito catalitico. La specificità degli enzimi può essere: - Assoluta (l’azione dell’enzima avviene sul singolo substrato) es. ureasi (enzima che degrada l’urea) - Di gruppo (l’azione dell’enzima avviene su substrati simili) es. esochinasi (enzima che aggiunge gruppo fosfato a diversi esosi) - Di legame (l’azione dell’enzima avviene su uno specifico tipo di legame) es. chimotripsina (enzima che degrada i legami peptidici) Il sito catalitico, inoltre, può avere una complementarietà differente rispetto al substrato che permette all’enzima di riconoscere o meno il substrato. Questa complementarietà può essere di due tipologie che possono anche coesistere sullo stesso enzima: - complementarietà elettronica (quando tra la tasca e il substrato ci sono cariche opposte) - complementarietà geometrica (quando la tasca dell’enzima si è evoluta per riconoscere il substrato) E. Fisher nel 1894 ha ipotizzato che l’interazione tra l’enzima e il substrato è come una specie di serratura in cui la chiave è specifica per ogni lucchetto grazie a microscopiche differenze che fanno sì che ogni chiave sia specifica per ogni determinato lucchetto. Questa è la stessa relazione che intercorre tra substrato ed enzima perchè la reazione dell’enzima avviene nel sito catalitico. Questo tipo di ipotesi prende il nome di “ipotesi della chiave e della serratura”. D. Koshland nel 1958 ipotizzò che l’enzima riesce a modificare il proprio sito catalitico per riconoscere e processare il substrato. Questo tipo di ipotesi prende il nome di “ipotesi dell’adattamento indotto” “The enzyme database” ha individuato 6843 enzimi che possono suddividersi in 6 (+1) classi principali: - OSSIDOREDUTTASI - TRANSFERASI - ISOMERASI - IDROLASI - LIGASI - LIASI - TRANSLOCASI OSSIDOREDUTTASI Gli enzimi ossidoreduttasi catalizzano reazioni di ossido-riduzione, trasferendo elettroni da una molecola donatrice (riducente) a una molecola accettore (ossidante). Queste reazioni di ossido- riduzione sono bidirezionali perchè gli enzimi presentano più siti catalitici. Es. gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi (enzima limitante della glicolisi) che catalizza la reazione di ossidazione della gliceraldeide 3-fosfato in 1,3-bifosfato, utilizzando come cofattore proteico NAD+ che viene ridotto a NADH TRANSFERASI Gli enzimi transferasi trasferiscono gruppi funzionali (fosfati, metili, acili…) tra molecole diverse che possono essere proteine, zuccheri, lipidi. Grazie alla transferasi si creano dunque molecole che prendono il nome di fosforilazione, metilazione, acetilazione (aggiunta di un gruppo al substrato). È importante ricordare che la fosforilazione o metilazione o acetilazione avvengono su uno zucchero o proteina o lipide e NON sull’enzima. L’enzima dunque modifica la struttura di una molecola. Es. esochinasi che catalizza il trasferimento di un gruppo fosfato dall’ATP al glucosio, producendo glucosio 6-fosfato. ISOMERASI Gli enzimi isomerasi catalizzano la conversione di una molecola in uno dei suoi isomeri, riorganizzando gruppi funzionali al suo interno. Sono tipologie di enzimi che permettono di organizzare il substrato in modo tale che venga degradato. Es. fosfo-esosio isomerasi che catalizza la conversione reversibile tra glucosio 6- fosfato in fruttosio 6-fosfato, permettendo di formare una molecola simmetrica. IDROLASI Gli enzimi idrolasi catalizzano le reazioni di idrolisi, dove l’aggiunta di una molecola d’acqua scinde un legame covalente. Es. succinil-CoA sintetasi che converte il succinil-CoA in succinto liberando CoA e producendo GTP attraverso una reazione di idrolisi LIGASI Gli enzimi ligasi formano nuovi legami covalenti unendo due molecole, utilizzando energia fornita dall’idrolisi dell’ATP. Es. piruvato carbossilasi che catalizza la conversione del piruvato in ossalacetato, usando ATP come fonte di energia. LIASI Gli enzimi liasi catalizzano l’addizione o la rimozione di gruppo chimici da substrati senza l’uso di acqua o ATP, spesso formando o rompendo doppi legami. Es. fumarasi che converte il fumarato in malato tramite l’aggiunta di una molecola d’acqua. Ricorda: la rottura del legame avviene senza uso di acqua, in questo caso, viene aggiunta la molecola d’acqua quando si forma il legame. TRANSLOCASI Sebbene non siano incluse nella classificazione ufficiale delle 6 principali classi di enzimi, sono importanti per il trasporto di molecole attraverso le membrane cellulari. Le traslocati catalizzano il trasporto di molecole o ioni attraverso le membrane, sfruttando vari meccanismi, tra cui il gradiente di concentrazione o l’energia fornita da altri processi biochimici. La traslocasi non cambia la struttura chimica della molecola trasportata ma ne facilita il movimento attraverso le barriere lipidiche. Es. ATP sintasi che utilizza il gradiente protonico generato dalla catena di trasporto degli elettroni (complessi I, III, IV) per sintetizzare ATP da ADP e fosfato inorganico. Es. trasportatore di ADP/ATP che scambia ATP prodotta nella matrice mitocondriale con ADP presente nel citoplasma. REGOLAZIONE La regolazione è la terza peculiarità degli enzimi ed è di fondamentale importanza perchè permette di: - coordinare i processi metabolici e regolarli in risposta agli stimoli interni ed esterni - Determinare lo svolgimento temporale e la natura dei processi a lungo termine come la divisione e differenziamento cellulare La regolazione dell’attività enzimatica dipende dalla: - concentrazione dell’enzima (impatta sulla disponibilità dell’enzima) - Efficienza catalitica (influenza la velocità di reazione) I fattori che influenzano la contrazione intracellulare degli enzimi sono: - velocità di sintesi - Velocità di degradazione I fattori che influenzano l’efficienza catalitica dell’enzima sono: - regolazione allosterica - modifiche covalenti reversibili REGOLAZIONE ALLOSTERICA La regolazione allosterica di un enzima è un meccanismo che permette di controllare l’attività di un enzima senza agire sul sito catalitico. In particolare viene modificata la velocità di lavoro dell’enzima. Le molecole si legano all’enzima in un punto diverso dal sito catalitico e in particolare si legano nel sito allosterico. Quando una molecola si lega al sito allosterico, cambia la forma dell’enzima. Questa modifica può rendere l’enzima più o meno attivo, facilitando o ostacolando il legame con i reagenti. Il sito allosterico è il sito di legame dell’enzima con l’effettore che modifica la capacità dell’enzima di processare il substrato (modifica di tipo positivo in cui avviene il riconoscimento del substrato dall’enzima o negativa in cui il sito catalitico viene bloccato e non avviene il legame con il substrato). L’enzima è composto dal sito catalitico che riconosce il substrato e dal sito allosterico in cui avviene il legame della molecola (effettore) all’enzima che fa modificare l’attività del sito catalitico. La modificazione del sito catalitico può avvenire in diversi modi: - cambiamento strutturale del sito catalitico Come in foto, l’enzima prima presenta un sito catalitico a forma di rettangolo. Successivamente, a seguito del legame tra l’effettore e l’enzima avvenuto nel sito allosterico, il sito catalitico cambia di conformazione (triangolo). L’effettore dunque è una molecola diversa dal substrato che lega l’enzima e ne modifica l’attività. L’effettore può causare inibizione o attivazione dell’enzima. Esistono due differenti tipologie di regolazione allosterica: - Eterotropica (l’effettore è diverso dal substrato) - Omotropica (l’effettore coincide con il substrato) MODIFICAZIONI POST-TRADUZIONALI Le modificazioni post-tradizionale sono un’altra tipologia di regolazione in cui si modifica la struttura proteica dell’enzima. È un tipo di regolazione che riguarda tutte le proteine del mondo cellulare e non esclusivamente gli enzimi. Le modificazioni post-tradizionali sono di differente natura e possono essere: - Reversibili (fosforilazione) - Irreversibili (taglio proteolitico es. caspasi) Tra le modificazioni post-traduzionali reversibili sono presenti: - Addizione di polipeptidi (sequenze proteiche) es. ubiquitilazione - Addizione di molecole complesse es glicosilazione - Addizione di gruppi chimici es. fosforilazione Tra le modificazioni post-traduzionali irreversibili sono presenti: - taglio proteolitico - Modificazioni aminoacidiche es. deamidazionE Tra queste modificazioni, di fondamentale importanza è la FOSFORILAZIONE ovvero l’aggiunta di un gruppo fosfato a partire dalle chinasi. Questo altera la capacità dell’enzima e ha un effetto attivatorio o inibitorio. Il processo di fosforilazione è reversibile e il processo contrario è rappresentato dalla DEFOSFORILAZIONE ovvero la rimozione di un gruppo fosfato a partire dalle fosfatasi. Questa fosforilazione ovvero l’aggiunta di un gruppo fosfato inorganico comporta l’aggiunta di cariche elettriche che cambiano la struttura proteica dell’enzima. Inoltre viene idrolizzata ATP. È importante ricordare che tante più fosforilazioni vengono effettuate sulla proteina, tanto più sarà modificata la proteina facendo si che questa cambi di ruolo. (Es. Alzheimer). Inoltre durante la fosforilazione l’enzima passa da uno stato INATTIVO a uno stato ATTIVO. La fosforilazione può avvenire o su un substrato inorganico (glucosio) o su un enzima attiandolo o inibendolo. ORMONI Quello che introduciamo con la dieta genera una risposta cellulare regolata da una segnalazione complessa di cui fa parte il sistema nervoso e il flusso ematico Principali segnali biologici a cui rispondono le cellule: ormoni, neurotrasmettitori, fattori di crescita, antigeni (forme attraverso cui le cellule comunicano a distanza) Gli ormoni legano un recettore (che si può trovare anche all’interno della cellula) sulla membrana Il recettore lega il proprio ligando > fase di comunicazione interna: trasduzione del segnale (si attiva una cascata di segnali)> risposta iniziale e tardiva Sistema di comunicazione intercellulare si basa su: Sistema nervoso, sistema endocrino e sistema immunitario < sistemi che regolano il metabolismo delle nostre cellule Tipi di regolazione: Segnale autocrino: cellula secerne fattori che attivano recettori sulla propria membrana plasmatica (cellula produce qualcosa che serve a se stessa) - es: fattori di crescita Segnali paracrini: cellula rilascia fattori che influenzano le cellule limitrofe (citochine: mediatori di infiammazione, causano una risposta in cellule lontane) Segnali endocrini: ormoni, sistema più complesso, in cui ci sono cellule altamente specializzate che rilasciano solo determinati ormoni < rilasciati nel flusso sanguigno - rilasciano messaggeri chimici altamente potenti direttamente nel sangue - Messaggeri chimici hanno diversa natura: - Derivati da un singolo amminoacido (adrenalina, noradrenalina, T3, T4) - Peptidici o proteici (ipotalamici, ipofisari, pancreatici) - Steroidei (glucocorticoidi, androgeni, estrogeni, progestinici, mineralcorticoidi) Ormoni sono potenti messaggeri in grado di modificare la risposta cellulare, regolano organi bersaglio, tutto generato da sistema complesso (Sistema nervoso attua una regolazione di risposta a seconda dello stimolo che poi coinvolge ipotalamo, ipofisi…) - ormoni svolgono una funzione di riprogrammazione del metabolismo dei singoli siti specifici, possono fare cose diverse Insulina e cortisolo hanno diversi effetti Adrenalina: sostanza rilasciata in piccole quantità - causa un aumento del battito cardiaco - Glicogenolisi, glicogenosintesi (muscolo, fegato) - gluconeogenesi (fegato) - glicolisi (muscolo) - Con l’adrenalina c’è una riprogrammazione di diversi organi 1 Diabete gestazionale Si sviluppa durante gravidanza, indipendente dal diabete di tipo 1 e di tipo 2 Diabete di tipo 1: cellule del pancreas che secernono insulina vanno incontro a degenerazione < può succedere per cause genetiche, per risposta eccessiva del sistema immunitario (attacca cellule che secernono insulina), per mutazioni genetiche Diabete di tipo 2: resistente, compare in tarda età, si rilascia insulina ma le cellule sono resistenti, non attivano cascata di segnali Insulina rilasciata quando c’è eccesso di glucosio nel sangue > organi rispondono (sistema perfetto che può essere alterato da diabete di tipo 1/2) Diabete gestazionale: Intorno o dopo la 34 esima settimana di gravidanza - è in aumento Cellule insuliniche aumentano di numero per compensare la fisiologica resistenza all’insulina < se ciò non avviene non si produce abbastanza insulina > madre ha un’alterazione nel gestire livelli di glucosio (altamente tossico, reagisce da solo con ciò che incontra per strada) ematico VITAMINE Completano la nostra biochimica Senza vitamine nostra capacità di produrre energia va a picco Componenti che si assumono con la dieta/ sintetizzate Essenziali, eterogenee, attive a piccole dosi, prive di contenuto energetico proprio Si distinguono in: - Liposolubili: vitamina A, D, E, K, si assorbono a livello intestinale, servono grassi, trasporto ematico mediato da proteine - vengono attivate e accumulate (fegato) - eliminazione fecale - Idrosolubili: complesso delle vitamine B e la vitamina C, si assorbono a livello intestinale, serve l’acqua, trasporto ematico libero (si sciolgono in acqua) - no attivazione ne accumulo - eliminazione renale Vitamina D: deve essere assunta costantemente, di solito carente (dieta ed esposizione al sole), pro ormoni di natura steroidea - più comuni: D2 (origine vegetale) e D3 (origine animale, deriva dal colesterolo, essenziale per produzione di alcuni ormoni, regola calcio nelle ossa, assimilato calcio dall’intestino, dopo una certa età l’alterazione degli ormoni causa un difetto di uptake di vitamina D e calcio che è alla base dell’osteoporosi) Ruolo della vitamina D3 nella regolazione del calcio e fosforo, aumenta l’assorbimento di calcio a livello intestinale, aumenta la presenza di calcio nelle ossa, aumenta assorbimento al livello dei reni del calcio Vitamina E: importante antiossidante 2