Biochimica 3 - PDF

DIPARTIMENTO DI CHIRURGIA GENERALE E SPECIALITÀ MEDICO-CHIRURGICHE CORSO DI LAUREA IN OSTETRICIA BIOCHIMICA JULIA LOMBARDO Sommario CAPITOLO 1: INTRODUZIONE............................................................................................................................ 4 CAPITOLO 2: LE PROTEINE................................................................................................................................. 4 2.1. LE FUNZIONI DELLE PROTEINE............................................................................................................ 4 2.2. COSTRUZIONE DELLE PROTEINE......................................................................................................... 5 2.2.1. AMMINOACIDI CON CARICA: PROTONATO O DEPROTONATO......................................................... 6 2.2.2. CATENA LATERALE IDROFILA O IDROFOBICA.................................................................................... 6 2.2.3. PONTE DISOLFURO.................................................................................................................................. 6 2.3. LEGAME PEPTIDICO.................................................................................................................................. 7 2.4. STRUTTURA DELLE PROTEINE.............................................................................................................. 8 2.5. PROTEINE DEL SANGUE........................................................................................................................... 9 2.5.1. ALBUMINA.................................................................................................................................................. 9 2.5.2. FIBRINOGENO E COAGULAZIONE....................................................................................................... 10 2.5.3. PROTEINE CHE TRASPORTANO GLI IONI METALLICI (FERRO)...................................................... 11 2.5.4. FUNZIONI DEL FERRO........................................................................................................................... 11 2.6. I GLOBULI ROSSI....................................................................................................................................... 12 2.7. LA MIOGLOBINA....................................................................................................................................... 12 2.7.1. DIFFERENZE CON L'EMOGLOBINA..................................................................................................... 13 2.8. L’EMOGLOBINA......................................................................................................................................... 14 2.8.1. LEGAME CON L’OSSIGENO................................................................................................................... 15 2.8.2. CURVA DI SATURAZIONE...................................................................................................................... 15 2.9. L’EMOGLOBINA LEGA L’OSSIGENO AD ALTE PRESSIONI........................................................... 16 2.9.1. FORMAZIONE DEI GLOBULI ROSSI...................................................................................................... 16 2.10. FATTORI CHE INDUCONO IL RILASCIO DI OSSIGENO.................................................................. 17 2.10.1. RILASCIO DI OSSIGENO MEDIANTE PROTONI H+...................................................................... 17 2.10.2. RILASCIO DI OSSIGENO MEDIANTE 𝑪𝑶𝟐....................................................................................... 18 2.10.3. RILASCIO DI OSSIGENO MEDIANTE 2,3 BIFOSFOGLICERATO................................................... 19 2.11. EMOGLOBINA FETALE............................................................................................................................ 20 2.12. MONOSSIDO DI CARBONIO (CO).......................................................................................................... 20 2.13. FABBISOGNO DI FERRO.......................................................................................................................... 21 2.14. EMOGLOBINA GLICATA......................................................................................................................... 22 2.14.1.1. PERCHÉ LEGA IL GLUCOSIO ?.....................................................................................................................22 2.14.1.2. NEI PAZIENTI DIABETICI..............................................................................................................................23 2.14.1.3. PERCHÉ MISURARE L’EMOGLOBINA GLICATA......................................................................................23 2.14.1.4. DIABETE DURANTE LA GRAVIDANZA......................................................................................................23 2.14.1.5. AGE: PRODOTTI FINALI DI AVANZATA GLICAZIONE............................................................................24 2.14.1.6. COME SI MISURA L’EMOGLOBINA GLICATA ?........................................................................................24 2.14.1.7. VALORI DI RIFERIMENTO............................................................................................................................24 2.15. VARIANTI FISIOLOGICHE DELL’EMOGLOBINA............................................................................. 25 I TITOLO DEL CAPITOLO 2.16. DERIVATI DELL’EMOGLOBINA............................................................................................................ 25 2.17. EMOGLOBINOPATIE................................................................................................................................ 26 2.17.1. ANEMIA A CELLULE FALCIFORMI................................................................................................... 26 2.17.2. TALASSEMIA........................................................................................................................................ 27 CAPITOLO 3: GLI ENZIMI................................................................................................................................... 28 3.1. ENZIMI:........................................................................................................................................................ 28 3.1.1. CARATTERISTICHE PRINCIPALI:........................................................................................................... 29 3.1.2. OSSIDAZIONE DELLE MOLECOLE ORGANICHE............................................................................... 29 3.1.3. COME FANNO GLI ENZIMI AD ACCELERARE UNA REAZIONE?...................................................... 29 3.1.4. CINETICA DELLE REAZIONI ENZIMATICHE....................................................................................... 30 3.1.5. EQUAZIONE DI MICHAELIS MENTEN.................................................................................................. 30 3.1.6. ALL’INTERNO DEL FEGATO................................................................................................................... 31 3.1.7. TIPI DI REGOLAZIONE DEGLI ENZIMI................................................................................................ 32 3.1.8. MODIFICA COVALENTE REVERSIBILE................................................................................................ 32 CAPITOLO 4: LA GLICOLISI............................................................................................................................... 34 4.1. FASI GLICOLISI.......................................................................................................................................... 34 4.2. REGOLAZIONE DELLA GLICOLISI...................................................................................................... 39 4.2.1. REGOLAZIONE ATTIVITÀ PFK - 1.......................................................................................................... 39 CAPITOLO 5: CICLO DI KREBS......................................................................................................................... 43 5.1.1. SINTESI DELL'ATP................................................................................................................................... 43 5.1.2. CICLO DI KREBS...................................................................................................................................... 43 5.1.3. CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI...................................................................................... 44 5.1.4. GRADIENTE PROTONICO E SINTESI DI ATP....................................................................................... 45 5.1.5. REGOLAZIONE DELLA SINTESI DI ATP................................................................................................ 46 5.1.6. METABOLISMO GLICOGENO................................................................................................................. 46 5.2. GLUCONEOGENESI.................................................................................................................................. 48 Fonti di substrati per la gluconeogenesi.................................................................................................................. 48 Impatto del digiuno................................................................................................................................................... 48 5.3. METABOLISMO LIPIDI............................................................................................................................ 49 Acetil-CoA come punto di convergenza metabolico............................................................................................... 49 Acidi grassi e ossidazione......................................................................................................................................... 49 5.3.1.1. Nomenclatura:....................................................................................................................................................49 5.3.1.2. FUNZIONI DEGLI ACIDI GRASSI ESSENZIALI:........................................................................................49 LIPOPROTEINE: (origine fegato), trasportano i lipidi nel sangue........................................................................................50 5.3.2. OSSIDAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI (Β-OSSIDAZIONE).................................................................... 50 5.3.3. Produzione di corpi chetonici.................................................................................................................... 51 5.3.3.1. Effetti patologici:................................................................................................................................................51 5.4. METABOLISMO AMMINOACIDI........................................................................................................... 51 5.4.1.1. RIMOZIONE DEL GRUPPO AMMINICO......................................................................................................51 5.4.2. IL RUOLO DEL FEGATO......................................................................................................................... 52 II IMPORTANZA CLINICA.......................................................................................................................................................52 IL METABOLISMO NEGLI ALTRI TESSUTI......................................................................................................................52 5.4.3. CICLO DELL’UREA.................................................................................................................................. 53 5.4.4. FENILALANINA......................................................................................................................................... 53 SINTESI E FUNZIONI DELLA TIROSINA..........................................................................................................................53 5.4.4.1. FENILCHETONURIA (PKU)...........................................................................................................................54 FENILALANINA E ALIMENTAZIONE...............................................................................................................................54 IMPLICAZIONI CLINICHE E METABOLICHE..................................................................................................... 54 5.5. METABOLISMO DELL’EME.................................................................................................................... 55 5.5.1. SINTESI DELL’EME.................................................................................................................................. 55 5.5.2. MALATTIE PORFIRIE............................................................................................................................... 56 5.5.3. DEGRADAZIONE EME:........................................................................................................................... 56 5.5.4. ITTERO...................................................................................................................................................... 56 5.5.5. ITTERO NEONATALE............................................................................................................................... 57 5.6. GLI ORMONI............................................................................................................................................... 59 5.6.1. Meccanismo d'azione degli ormoni............................................................................................................ 59 5.6.2. L’INSULINA............................................................................................................................................... 59 5.6.3. DIABETE.................................................................................................................................................... 60 5.6.4. DIABETE IN GRAVIDANZA...................................................................................................................... 60 5.6.5. ORMONI CHE ALZANO LA GLICEMIA.................................................................................................. 60 III TITOLO DEL CAPITOLO CAPITOLO 1: INTRODUZIONE La gravidanza è uno stato dinamico e anabolico caratterizzato da una serie continua di cambiamenti fisiologici, che modificano il metabolismo dei nutrienti e regolano le risposte dell’organismo materno per supportare la crescita e lo sviluppo del feto. Durante la gravidanza, il corpo della donna si adatta attraverso modifiche metaboliche che mirano a garantire il nutrimento ottimale al feto in crescita. Un esempio importante di questi adattamenti si osserva nel metabolismo dei carboidrati, in particolare nel ruolo dell'insulina. Durante la gravidanza, infatti, si sviluppa una resistenza fisiologica all’insulina nelle cellule materne. Questo significa che le cellule della madre diventano meno sensibili all'azione dell'insulina, riducendo così l'assorbimento del glucosio dal sangue materno. Questa resistenza insulinica ha una funzione precisa: consente al glucosio di essere principalmente disponibile per il feto, invece che per le cellule materne. In questo modo, il glucosio rimane nel sangue e attraversa più facilmente la placenta, dove viene utilizzato dal feto in crescita per sostenere il proprio metabolismo e il suo sviluppo. Di conseguenza, i carboidrati vengono assorbiti in modo prioritario dal feto, che può così attivare il proprio metabolismo per sostenere la crescita, mentre una quantità inferiore di glucosio entra nelle cellule materne. Questo processo di resistenza insulinica è quindi un adattamento fisiologico essenziale che aiuta a dirigere le risorse energetiche verso il feto, contribuendo al suo sviluppo ottimale durante la gravidanza. CAPITOLO 2: LE PROTEINE 2.1. LE FUNZIONI DELLE PROTEINE Le proteine svolgono moltissime funzioni all’interno del nostro organismo. Funzioni nutrizionali: come le lipoproteine plasmatiche che trasportano gli acidi grassi, o l’albumina Attività enzimatiche: gli enzimi, catalizzatori biologici; gli enzimi senza i coenzimi non fanno avvenire la reazione e quindi gli enzimi non funzionano. Regolazione dell’equilibrio acido-base: il ph del sangue deve essere mantenuto a 7.4 (neutro), in quanto alterazioni del ph portano a gravi problemi, sono incompatibili con la vita; per questo esistono numerosi meccanismi che lo controllano e una buona parte di questi meccanismi sono regolati dalle proteine. Proteine come l’emoglobina si occupano del controllo dell’equilibrio acido- base. Il ph può cambiare ad esempio negli stati di chetosi, quando vengono prodotti corpi chetonici, condizioni tipiche del diabete, il sangue può dunque acidificarsi Ripartizione dell’acqua nei vari distretti: (come l’albumina) le cellule del nostro organismo presentano una certa concentrazione di acqua e varie molecole come, ad esempio, gli eritrociti che presentano una certa concentrazione rispetto al sangue. Il compito delle proteine è proprio quello di mantenere in maniera equimolare la concentrazione sia all’interno delle cellule sia all’interno del sangue 4 TITOLO DEL CAPITOLO Funzione di trasporto: come l’emoglobina in quanto trasporta ferro e anidride carbonica o altre proteine che legano e trasportano il ferro che ha un ruolo fondamentale nel nostro organismo oppure le lipoproteine plasmatiche (VLDL) (LDL) (HDL), trasporto di vitamine Coagulazione: il fibrinogeno è una proteina coinvolta in questo processo Funzioni immunitarie: le immunoglobuline che partecipano all’azione di difesa contro gli antigeni (non- self) sono proteine Sostegno meccanico: il collagene Movimento coordinato: come quello effettuato da actina e miosina che si trovano all’interno delle cellule muscolari Produzione e trasmissione di impulsi nervosi: come il glutammato e il gaba, proteine implicate nella trasmissione di impulsi nervosi, (sono neurotrasmettitori). Sono tutti ruoli differenti che portano la proteina ad avere forme diverse, infatti, la forma è correlata alla funzione; quindi, possono svolgere differenti funzioni perché hanno forme diverse. La forma dipende dal numero e dal tipo di amminoacidi che compongono le proteine, le proteine si avvolgeranno e avranno una forma ben precisa che corrisponderà ad una funzione 2.2. COSTRUZIONE DELLE PROTEINE Sono costituite da amminoacidi, unità fondamentali delle proteine. Sono solo 20, di cui 8 essenziali, (amminoacidi che il nostro organismo non è in grado di sintetizzare da solo ma che deve assumere con la dieta), che possono legarsi costituendo migliaia di combinazioni diverse, tramite i legami peptidici. Formano lunghe catene polipeptidiche che si ripiegano formando diverse strutture. Ogni struttura corrisponde alla funzione che svolgerà la proteina e dipende dal numero e dal tipo di amminoacidi legati al suo interno. Tutti gli amminoacidi che compongono le proteine hanno una struttura base uguale per tutti Un carbonio centrale asimmetrico, legato ad un atomo di idrogeno H in tutti gli amminoacidi, il secondo legame con un gruppo amminico 𝑵𝑯𝟐 , il terzo con un gruppo carbossilico COOH (possono essere protonati e deprotonati), e una catena laterale R (ciò che contraddistingue un amminoacido). Perché queste catene possono essere solubili in acqua (idrofoliche) o insolubili (idrofobiche) di conseguenza quando gli amminoacidi si uniscono tra di loro, in base al tipo di catena laterale che possiedono, andranno a ripiegarsi in un certo modo, assumendo una certa forma che determinerà la loro funzione. 5 TITOLO DEL CAPITOLO L’amminoacido più semplice è la GLICINA, qui la catena laterale è un atomo di idrogeno; ma esistono proteine con catene laterali molto più grandi, alcuni di questi hanno anche anelli aromatici (come la tirosina e il triptofano). 2.2.1. AMMINOACIDI CON CARICA: PROTONATO O DEPROTONATO L’amminoacido presenta una struttura neutra, però vi sono alcuni amminoacidi che hanno catena laterale con carica. Gli amminoacidi hanno un gruppo carbossilico e uno amminico, quest’ultimo può essere protonato e diventare 𝑵𝑯# $ 𝟑 e il gruppo carbossilico potrebbe essere deprotonato e diventare 𝑪𝑶𝑶. Per cui alla fine l’amminoacido sarà neutro. Alcuni amminoacidi hanno catene laterali che possono essere cariche: Amminoacidi acidi: hanno catene laterali contenenti ulteriori gruppi carbossilici (-COO⁻). Amminoacidi basici: hanno catene laterali contenenti ulteriori gruppi amminici (𝑵𝑯# 𝟑) Succede che quando gli amminoacidi si legano tra loro questa proteina tende a ripiegarsi in una struttura secondaria e in una struttura terziaria e il ripiegamento dipende dalla catena laterale, se la proteina contiene un'elevata quantità di aminoacidi glicina che hanno come catena laterale un atomo di idrogeno quella catena si ripiegherà in maniera fitta perché la catena laterale e poco ingombrante essendo un solo atomo di idrogeno, ma se nel ripiegamento di una catena polipeptidica, ci sono degli amminoacidi che hanno catene laterali con gruppi aromatici a quel punto il ripiegamento sarà più lasso e quando poi passeranno alla struttura terziaria ulteriormente ripiegata questo avrà la sua influenza. La forma dipende dall'ingombro delle catene laterali degli amminoacidi, il ripiegamento darà una forma e conseguentemente una funzione. * VEDI GIU’ 2.2.2. CATENA LATERALE IDROFILA O IDROFOBICA Se la catena laterale tende a reagire con le molecole d’acqua sarà (idrofila) e potrà formare legami con l’acqua, quando la catena si ripiega, i legami saranno rivolti verso l’esterno, (serina, cisteina, asparagina, glutammina). Se invece sono idrofobiche, non reagiscono con l’acqua (non formano legami) quando la catena polipeptidica si ripiega le catene laterali si inseriscono all'interno della catena polipeptidica quindi l'amminoacido avrà una disposizione della sua catena laterale ripiegata verso la parte interna (idrofobiche), isoleucina, leucina N.B isoleucina e leucina hanno catene ramificate, formano interazioni idrofobiche, non reagiscono con l'acqua, serina e cisteina reagiscono formando legami a idrogeno. 2.2.3. PONTE DISOLFURO N.B un caso particolare è quello delle proteine che contengono l'amminoacido cisteina, ha come catena laterale 𝐶𝐻% 𝑆𝐻, nella catena polipeptidica quando due cisteine si incontrano in seguito al ripiegamento 6 TITOLO DEL CAPITOLO della proteina, ciascuno di loro perde l'atomo di idrogeno e si forma un PONTE DISOLFURO SS. Questi ponti disolfuro stabilizzano la struttura di molte proteine, per esempio l’insulina o le immunoglobuline. Le catene laterali possono avere un gruppo aromatico, anche queste tendono a localizzarsi all'interno perché sono non polari (ex. Triptofano) Altri hanno un ulteriore gruppo amminico oltre quello base, carico positivamente 𝑵𝑯# 𝟑 , o un altro gruppo carbossilico con carica negativa 𝑪𝑶𝑶$. N.B 𝑵𝑯# $ 𝟑 e 𝑪𝑶𝑶 rendono l’amminoacido neutro 2.3. LEGAME PEPTIDICO È il legame che unisce due o più amminoacidi, Si forma tra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico di un altro amminoacido; il gruppo amminico perderà un atomo di idrogeno mentre il gruppo carbossilico perde un gruppo ossidrilico; Si perderà così una molecola d'acqua per CONDENSAZIONE 7 TITOLO DEL CAPITOLO 2.4. STRUTTURA DELLE PROTEINE Le proteine possono presentare 4 diversi tipi di struttura: Primaria: data dalla sequenza lineare degli amminoacidi Secondaria: data dalla disposizione spaziale degli atomi del polipeptide (alfa elica o beta foglietto) ALFA ELICA: data dall’avvolgimento della catena polipeptidica intorno ad un'asse con un movimento a spirale che si forma grazie ai legami a idrogeno BETA FOGLIETTO Terziaria: data da un ulteriore ripiegamento della struttura ad alfa-elica (struttura tridimensionale) Quaternaria: data dalla disposizione spaziale di diverse sub unità proteiche che interagiscono tra loro ex. Emoglobina, 4 strutture terziarie. 8 TITOLO DEL CAPITOLO 2.5. PROTEINE DEL SANGUE Le proteine del sangue sono prodotte nel fegato, quando il fegato è sano le proteine saranno secrete in giuste quantità 2.5.1. ALBUMINA FUNZIONI: - BILANCIO OSMOTICO (tra parte liquida e corpuscolata) (dei liquidi tra sangue e tessuti) - TAMPONE DEL SANGUE (essendo il principale anione, avendo carica negativa) - TRASPORTATORE DI SOSTANZE IDROFOBICHE (ex. I grassi, acidi biliari, steroidi) - PROTEZIONE DA SOSTANZE TOSSICHE come i farmaci, bilirubina (il gruppo eme metabolizzato diventa tossico) È la proteina più abbondante nel sangue, con una concentrazione di 5g/100ml e ha una struttura secondaria alfa – elica. L’albumina trasporta un gran numero di molecole, può legarsi agli acidi grassi (insolubili) rilasciati dal tessuto adiposo, andare al fegato il quale può ossidarli per ottenere energia; il fegato sta al centro del nostro metabolismo, l’albumina lega anche gli acidi biliari (permettono la digestione dei grassi), molecole tossiche come i farmaci, la bilirubina (deriva dal metabolismo dell’EME) (tramite le urine) che deriva dal gruppo eme dopo che i globuli rossi vengono distrutti dalla milza. L’albumina è responsabile del BILANCIAMENTO OSMOTICO: tutte le cellule che compongono i tessuti hanno una certa concentrazione, il sangue che raggiunge questi tessuti ha una certa concentrazione e queste due concentrazioni devono essere equilibrate perché se tra sangue e esterno dei vasi sanguigni non ci fosse la giusta concentrazione si avrebbe una fuga di molecole da dove sono più concentrate verso dove sono più diluite, per bilanciare. La concentrazione del sangue è uguale alla concentrazione all'interno delle cellule grazie all'albumina (stessa concentrazione tra plasma e parte corpuscolare) se così non fosse gli eritrociti potrebbero raggrinzirsi o gonfiarsi, l’albumina rende il sangue ISOTONICO (della stessa concentrazione degli alimenti che circolano nel sangue e ciò che sta fuori i vasi sanguigni= bilancio osmotico). La molecola dell'albumina è formata da tanti amminoacidi legati tra di loro e molti di questi hanno una catena laterale con una carica negativa per cui al suo interno ha delle cariche negative che permettono di legare eventuali protoni presenti nel sangue, essi sono ioni di idrogeno H+. Quando nel sangue la concentrazione dei protoni è molto elevata il ph del sangue si abbassa e diventa acido N.B I PROTONI INDICANO UN PH ACIDO. 9 TITOLO DEL CAPITOLO Tali protoni si trovano nel sangue perché sono il prodotto del catabolismo e l'albumina avendo all'interno della sua molecola delle cariche negative attacca gli ioni H+ (li toglie) Così se il PH del sangue si sta abbassando l'albumina legandoli lo impedisce Perché gli H+ sono un prodotto del catabolismo? I prodotti del metabolismo sono CO2 e H2O reagendo: 𝐻% 𝑂 + 𝐶0% → 𝐻% 𝐶𝑂& ACIDO CARBONICO Immediatamente l’acido si dissocia in H+ e CO3- 2.5.2. FIBRINOGENO E COAGULAZIONE Fibrinogeno (solubile) -> fibrina (insolubile) Proteina solubile, quando si verifica un danno ed è necessario formare un coagulo il fibrinogeno diventa fibrina, la quale è insolubile, e la fibrina precipita sotto forma di un reticolo all'interno nella quale si vanno ad incastrare le piastrine e si forma il coagulo come fa a diventare fibrina? Il fibrinogeno è formato da tre coppie di proteine Alfa elica (vedi foto), queste tre coppie sono associate e la parte centrale, dove si incontrano ha residui amminoacidici che fuoriescono (si chiamano residui perché hanno perso acqua in seguito al legame peptidico, sono circa 14 – 16). Il fibrinogeno subisce un taglio a livello di questi residui che sporgono dalla TROMBINA (vedi foto); la parte centrale diventa capace di legare delle parti laterali di altre molecole di fibrinogeno vicine, si creano delle zone “appiccicose”, i punti d’aggancio. La molecola di fibrinogeno una volta aver subito questi tagli va a legare le sue estremità appiccicose ad altre estremità appiccicose di altre molecole di fibrinogeno, in questo modo le molecole di fibrinogeno si accumulano formando un complesso insolubile, la fibrina, punto di 10 TITOLO DEL CAPITOLO partenza del coagulo. La fibrina forma una fitta rete, nella quale vanno a inserirsi le piastrine che insieme formano il coagulo. I coaguli vengono poi sciolti dall’enzima PROTEASI detto PLASMINA, (è già presente nel sangue sotto forma di plasminogeno e poi diventa plasmina quando serve grazie all’ATTIVATORE TISSUTALE DEL PLASMINOGENO tPA), che taglia le molecole di fibrina legate tra loro così si riforma il fibrinogeno. Per essere certi che ciò avvenga solo quando è necessaria la trombina circola nel sangue come PROTROMBINA inattiva e diventa attiva quando subisce un taglio nella sua molecola. 2.5.3. PROTEINE CHE TRASPORTANO GLI IONI METALLICI (FERRO) # # TRANSFERRINA: Lega lo ione ferrico 𝐹𝑒 & ; il complesso transferrina - 𝐹𝑒 & nel sangue e cede il contenuto che il ferro trasporta ai tessuti legandosi ai recettori cellulari FERRITINA: conserva il ferro, funge da riserva, si trova nel fegato e nel midollo, nel plasma la sua concentrazione è proporzionale alla quantità di ferro accumulato EMOSIDERINA: deriva dalla ferritina presente nel fegato, nella milza e nel midollo osseo, conserva il # ferro è una proteina d’emergenza, in caso di carenza di carenza dello ione 𝐹𝑒 & , questa lo rilascia CERULOPLASMINA: lega il rame e lo trasporta dal fegato ai tessuti periferici 2.5.4. FUNZIONI DEL FERRO Il ferro svolge molti ruoli all’interno del nostro organismo, è importante per 3 funzioni in particolare: Il TRASPORTO DI OSSIGENO, infatti si trova all’interno dei gruppi - eme dell’emoglobina, come vedremo, per legare l’ossigeno REGOLAZIONE DEL PH: grazie all’emoglobina la quale agisce da tampone mantenendo il ph stabile Per il METABOLISMO CELLULARE, infatti viene utilizzato per la catena di trasporto degli elettroni. Il gruppo eme contiene al centro un atomo di ferro, nei mitocondri si trova all’interno dei citocromi (i citocromi permettono al fegato di disintossicarci, coinvolti nella produzione dell’ATP 11 TITOLO DEL CAPITOLO 2.6. I GLOBULI ROSSI Gli eritrociti, o globuli rossi, sono cellule del sangue caratterizzate da una forma biconcava che migliora la loro efficienza nel trasporto di ossigeno. Misurano circa 7 micrometri di diametro e hanno una struttura che massimizza la superficie disponibile per lo scambio di gas, facilitando al contempo il passaggio attraverso i capillari più stretti. Queste cellule derivano da precursori eritroidi nel midollo osseo. Nelle prime fasi del loro sviluppo, i precursori sono cellule complete, dotate di nucleo, mitocondri e altri organuli essenziali. Durante la maturazione, avviene un'intensa sintesi di emoglobina, una proteina cruciale per il trasporto di ossigeno, prodotta a livello dei ribosomi. L'emoglobina si accumula progressivamente all'interno della cellula, mentre gli organuli cellulari, inclusi nucleo e mitocondri, vengono gradualmente eliminati. Nella loro forma matura, gli eritrociti sono cellule prive di organuli, interamente dedicate alla funzione di trasporto di ossigeno e anidride carbonica nel sangue. Per soddisfare le loro necessità energetiche, si affidano esclusivamente alla glicolisi, una via metabolica anaerobica che produce ATP in assenza di ossigeno. Questo meccanismo consente agli eritrociti di funzionare in modo efficiente anche in condizioni di basso contenuto di ossigeno. 2.7. LA MIOGLOBINA La mioglobina è una proteina globulare presente principalmente nel muscolo scheletrico e cardiaco. La sua funzione principale è quella di legare, immagazzinare e rilasciare ossigeno in modo da garantire un adeguato apporto di questo gas essenziale ai tessuti muscolari durante la contrazione, soprattutto in condizioni di intensa attività fisica o ridotta disponibilità di ossigeno. 12 TITOLO DEL CAPITOLO STRUTTURA La mioglobina è una proteina monomerica, costituita da una singola catena polipeptidica di circa 153 aminoacidi. Contiene un gruppo prostetico eme, che è una struttura ad anello porfirinico con uno ione ferro (Fe²⁺) al centro. È proprio il ferro che consente alla mioglobina di legare una molecola di ossigeno (O₂). FUNZIONI PRINCIPALI Deposito di ossigeno: La mioglobina funge da riserva di ossigeno nei muscoli, utile in situazioni di elevata richiesta metabolica. Trasporto intramuscolare di ossigeno: Facilita il trasferimento dell'ossigeno dai capillari muscolari alle fibre muscolari, dove è utilizzato nei mitocondri per la respirazione cellulare. Supporto in condizioni di ipossia: In ambienti o situazioni di ridotto apporto di ossigeno, la mioglobina garantisce un approvvigionamento costante ai muscoli. 2.7.1. DIFFERENZE CON L'EMOGLOBINA Sebbene simile per struttura e funzione, la mioglobina differisce dall'emoglobina in diversi aspetti: STRUTTURA: La mioglobina è monomerica (una sola subunità), mentre l'emoglobina è tetramerica (composta da quattro subunità). AFFINITÀ PER L'OSSIGENO: La mioglobina ha un'affinità per l'ossigeno molto più alta rispetto all'emoglobina, il che la rende particolarmente adatta a immagazzinarlo nei muscoli. CURVA DI DISSOCIAZIONE DELL'OSSIGENO: La mioglobina mostra una curva di dissociazione iperbolica, mentre quella dell'emoglobina è sigmoidea, riflettendo la cooperatività nella legatura dell'ossigeno delle sue subunità. 13 TITOLO DEL CAPITOLO 2.8. L’EMOGLOBINA L’emoglobina è una proteina con struttura quaternaria, ovvero formata dall’unione di 4 subunità proteiche diverse tra loro: - 2 catene alfa con 141 amminoacidi - 2 catene beta con 146 amminoacidi Ciascuna di queste catene contiene un gruppo eme al suo interno. Il gruppo eme è una proto-porfirina- 9), è presente in natura in diverse forme che vengono indicate con diversi numeri e viene convertita in gruppo eme grazie all’azione dell’enzima ferrochelatasi che colloca un atomo di ferro bivalente all’interno della protoporfirina. N.B il ferro partecipa alla sintesi di atp nei mitocondri N.B il gruppo eme è una FERRO PROTO PORFIRINA Ciascun atomo di ferro presente all’interno del gruppo eme (in totale 4 atomi di ferro perché abbiamo 4 gruppi eme in 4 catene polipeptidiche), può formare 6 legami di coordinazione, cioè può legarsi a 6 atomi differenti: I primi 4 legami li forma con la protoporfirina Il 5° legame lo forma con l’azoto N dell’amminoacido istidina prossimale Il 6° legame avviene con l’ossigeno O2 La ferro proto-porfirina (gruppo EME) è incastrata dentro ogni sub unità dell’emoglobina; 14 TITOLO DEL CAPITOLO I 4 gruppi eme, che si trovano ciascuno all’interno di una catena polipeptidica, si trovano avvolti da un guscio di proteina globulare che ha un compito ben preciso: è il ferro al legare l’ossigeno O2, tramite un doppio legame, il guscio proteico non fa altro che andare a piegare questo doppio legame per renderlo più debole in modo tale che possa spezzarsi facilmente e l’ossigeno possa essere ceduto quando serve. In questo modo l’emoglobina svolge solo un ruolo di trasporto. 2.8.1. LEGAME CON L’OSSIGENO Nel legame con l’ossigeno, quest’ultimo tira verso il basso il gruppo EME (come se fosse pesante), il quale è legato alla proteina, questo determina un cambiamento di forma in una delle 4 sub unità e siccome questa proteina si trova accanto all’altra globina il cambiamento di forma avverrà anche nell’altra proteina vicina e allo stesso modo alle altre due proteine e così ogni globina sarà legata a una molecola di ossigeno. 2.8.2. CURVA DI SATURAZIONE PERCHÉ L’EMOGLOBINA ASSUME QUESTA FORMA? Quando il ferro lega la prima molecola di ossigeno O2 questa fa aumentare la velocità con cui si legherà la seconda molecola di ossigeno O2 questo perché durante il processo l’emoglobina subisce dei cambiamenti conformazionali: (la velocità cresce perché le subunità cambiano forma man mano che le molecole di ossigeno si legano). Quando la prima molecola di ossigeno si lega al primo gruppo eme della prima globina, la globina cambia forma ed essendo che tutte e 4 le globine sono una vicino all’altra, il cambiamento della prima globina induce il cambiamento delle altre. Quando la forma cambia, la globina espone il gruppo eme, (che solitamente è nascosto),all’esterno, così sarà più semplice attrarre la molecola di ossigeno, cambia la sua conformazione e il processo si ripete per la seconda globina, per la terza e così via … Quando l’emoglobina non ha ancora legato l’ossigeno O2 prende il nome di deossiemoglobina in cui la parte senza ossigeno O2, viene indicata come stato T (teso), teso per le varie interazione ioniche tra le catene. Dopo aver legato l’ossigeno prende il nome di ossiemoglobina e assume una nuova forma detta stato R (rilassato), rilassato perché le catene polipeptidiche scivolano le une sulle altre. N.B: l’ossigeno si lega all’emoglobina, ma è necessario che a livello polmonare ci sia un elevata pressione di ossigeno, se no non riesce a legarsi 15 TITOLO DEL CAPITOLO La curva di saturazione viene rappresentata da un sistema di assi cartesiani (x,y) in cui troviamo sull’asse delle x la pressione dell’ossigeno e sull’asse delle y la saturazione (data dal legame tra proteina e ossigeno) Nel grafico si vede che bastano piccole pressioni di ossigeno e la mioglobina lo lega subito a differenza dell’emoglobina che lo lega soltanto quando la pressione di ossigeno è molto alta. La mioglobina avrà come curva un iperbole mentre l’emoglobina avrà una curva di tipo sigmoide o definita italica. (la velocità con cui l’ossigeno si lega va via via crescendo prima con difficolta poi con più facilità) N.B la curva sigmoide che assume l’emoglobina indica che le 4 sub unità cooperano tra loro cioè si aiutano (il primo legame aiuta il secondo che aiuta il terzo che aiuta il quarto). 2.9. L’EMOGLOBINA LEGA L’OSSIGENO AD ALTE PRESSIONI L’emoglobina si trova all’interno dei globuli rossi (eritrociti), non dispersa nel sangue. 2.9.1. FORMAZIONE DEI GLOBULI ROSSI I globuli rossi che la contengono, nei mammiferi, sono privi di nucleo e organuli citoplasmatici, contengono solo l’emoglobina, la membrana plasmatica e gli enzimi necessari alla loro sopravvivenza (non più di 120 giorni). Quando gli eritrociti nascono, possiedono tutti gli organuli citoplasmatici di una cellula comune, però poi accade che, appena viene prodotto l’mRNA che codifica per l’emoglobina, queste cellule iniziano a produrre grandi quantità di emoglobina fino a riempire tutta la cellula che per fare spazio all’emoglobina, espelle tutti gli organuli citoplasmatici compreso il nucleo. A questo punto l’emoglobina andrà a legare l’ossigeno O2 a livello polmonare dove la pressione è molto alta per poi rilasciarlo a livello dei tessuti dove la pressione è bassa e questo induce il rilascio da parte dell’emoglobina. N.B La glicolisi avviene dentro i globuli rossi; grazie all’ossigeno tutte le cellule possono compiere un metabolismo ossidativo, ossidando le molecole organiche introdotte con la dieta, e ottenere atp, la quale rilascia energia. Il legame con l’ossigeno è debole perché nei polmoni lega l’ossigeno e nei tessuti lo rilascia. 16 TITOLO DEL CAPITOLO 2.10. FATTORI CHE INDUCONO IL RILASCIO DI OSSIGENO Oltre alla bassa pressione di ossigeno O2 nei tessuti, vi sono anche altri fattori che inducono il rilascio di O2: protoni o (ioni H+) diossido di carbonio (CO2) 2,3-bifosfoglicerato Queste 3 molecole prendono il nome di effettori allosterici 2.10.1. RILASCIO DI OSSIGENO MEDIANTE PROTONI H+ Gli ioni H+ sono quello che rimane dell’idrogeno senza gli elettroni e poiché possediamo un organismo di tipo ossidativo, a livello tissutale sono presenti in grandi quantità. COSA ACCADE QUANDO L’EMOGLOBINA ARRIVA A LIVELLO TISSUTALE E TROVA IONI 𝐻# ? Maggiore è la quantità di ioni H+ e maggiore sarà la quantità di ossigeno 𝑂% che l’emoglobina rilascerà per poter legare questi ioni. L’emoglobina ossigenata Hb𝑂% , dai polmoni arriva ai tessuti attraverso il sangue, rilascia ossigeno 𝑂% e lega i protoni diventando HbH+. Questo processo si chiama EFFETTO BOHR. Al contrario quando l’emoglobina dai tessuti, attraverso il sangue torna ai polmoni dove c’è molto ossigeno 𝑂% , rilascia gli ioni H+ per poter legare ossigeno 𝑂%. I protoni H+, si legano in un sito diverso rispetto all’ossigeno 𝑂% , si legano infatti nelle catene laterali di residui amminoacidici 𝐻𝑏𝑂% + 𝐻# ↔ 𝐻𝑏𝐻# + 𝑂% È una reazione reversibile che da sinistra verso destra avviene a livello dei tessuti e da destra verso sinistra a livello dei polmoni N.B A livello dei tessuti trova i protoni H+, si lega e rilascia ossigeno 𝑂% , nei polmoni trova l’ossigeno 𝑂% , rilascia i protoni H+ legando l’ossigeno (EFFETTO BOHR) FORMAZIONE DI IONI H+ PERCHE GLI 𝐻# INDICANO CHE C’È UN METABOLISMO ATTIVO? sono i rappresentanti del metabolismo, perché dentro le cellule i prodotti finali del metabolismo sono 𝐶𝑂% 𝑒 𝐻% 𝑂 (vedi immagine) per cui indicano che il metabolismo è attivo. 17 TITOLO DEL CAPITOLO 𝐶𝑂% 𝑒 𝐻% 𝑂 reagiscono tra loro formando acido carbonico 𝐻% 𝐶𝑂& ,reazione catalizzata dall’ANIDRASI CARBONICA, il quale essendo un acido forte si dissocia immediatamente in 𝐻# 𝑒 𝐻𝐶𝑂&$ (ione bicarbonato). Gli ioni HCO₃⁻ vengono rilasciati nel plasma sanguigno e trasportati verso i polmoni. I protoni (H⁺) si legano all’emoglobina nei globuli rossi, che funge da tampone, evitando una variazione drastica del pH nel sangue. NEI POLMONI: il sangue ricco di questi protoni arriva ai polmoni, e li rilascia per poter legare l’ossigeno O2. Quindi l’emoglobina, ossigenata dall’ O₂, rilascia i protoni (H⁺) che aveva legato. In prossimità del polmone gli ioni 𝐻𝐶𝑂&$ e 𝐻# reagiscono nuovamente, formando acido carbonico (H₂CO₃) con la reazione (inversa) catalizzata dall’enzima ANIDRASI CARBONICA; L’acido carbonico si decompone subito in acqua (H₂O) e CO₂. ELIMINAZIONE DELLA CO2 La CO₂ diffonde dai globuli rossi negli alveoli polmonari e viene espulsa con l’espirazione, mentre l’acqua rimane nel sangue. 𝐶𝑂% + 𝐻2𝑂 → (𝑎𝑛𝑖𝑑𝑟𝑎𝑠𝑖 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑖𝑐𝑎)𝐻% 𝐶𝑂& → 𝐻# + 𝐻𝐶𝑂&$ 𝐻# → 𝑠𝑖 𝑙𝑒𝑔𝑎 𝑎𝑙𝑙 ' 𝑒𝑚𝑜𝑔𝑙𝑜𝑏𝑖𝑛𝑎 (𝑡𝑎𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒) → 𝐻𝑏 𝑛𝑒𝑖 𝑝𝑜𝑙𝑚𝑜𝑛𝑖 𝑟𝑖𝑙𝑎𝑠𝑐𝑖𝑎 𝐻# 𝐻𝐶𝑂&$ → 𝑛𝑒𝑙 𝑝𝑙𝑎𝑠𝑚𝑎 𝑣𝑎 𝑎𝑖 𝑝𝑜𝑙𝑚𝑜𝑛𝑖 → 𝐻# + 𝐻𝐶𝑂&$ → 𝐻% 𝐶𝑂& → 𝐻% 𝑂 (𝑝𝑙𝑎𝑠𝑚𝑎) + 𝐶𝑂% (𝑎𝑙𝑣𝑒𝑜𝑙𝑖) 2.10.2. RILASCIO DI OSSIGENO MEDIANTE 𝑪𝑶𝟐 L’emoglobina lega l’ossigeno a livello del ferro, l’anidride carbonica si lega al RESIDUO AMMINOTERMINALE (alla proteina, alla globina); quando il livello di anidride carbonica CO2 è alto, si forma la carbaminoemoglobina. La CO₂ nel sangue può essere: Disciolta Sotto forma di ione bicarbonato Legata all’emoglobina (parte proteica, globina) 18 TITOLO DEL CAPITOLO COM È FATTA LA GLOBINA? Come abbiamo già detto i protoni H+ vengono legati in un sito diverso rispetto all’ossigeno O2, nelle catene laterali di istidine cariche negativamente. L’emoglobina possiede 38 istidine, ciò significa che ha un potere tampone molto forte per mantenere il ph 7,4 SISTEMA TAMPONE CARBONATO O BICARBONATO È un sistema del sangue molto importante perché serve a mantenere costanti i valori del ph e utilizza l’equazione di Bohr appena vista: H2O + CO2 ↔ H2CO3 ↔ H+ HCO3- Gli ioni H+ e lo ione bicarbonato sono in equilibrio con H2O e CO2 però se aumentano i protoni H+ vengono trasformati di nuovo in H2CO3 2.10.3. RILASCIO DI OSSIGENO MEDIANTE 2,3 BIFOSFOGLICERATO Questa è un’altra molecola che induce il rilascio di ossigeno da parte dell’emoglobina. Viene prodotta all’interno dell’eritrocita durante la glicolisi, in particolare durante la formazione di ATP È una molecola con cariche negative e si va a inserire tra le due catene beta (ricordiamo che nell’adulto abbiamo due sub unità alfa e due sub unità beta, nel feto manca la meta e abbiamo 2 sub unità gamma) dell’emoglobina e appena si lega induce un cambiamento della forma che porta al rilascio di O2. Questa molecola non viene prodotta sempre nelle stesse concentrazioni all’interno degli eritrociti. La sua produzione dipende dalla pressione: A pressione costante, la sua produzione è costante A pressione bassa, (montagna) è prodotta in maggior quantità cosicché l’emoglobina rilasci più 𝑂% NB: non tutta l’emoglobina rilascia O2, così come non tutta l’emoglobina lega O2, questo dipende dalle condizioni del nostro organismo (dove ci troviamo, cosa stiamo facendo, ecc…) ESEMPIO in montagna la pressione dell’ossigeno è minore, l’emoglobina legherà l’ossigeno più difficilmente, in ambiente normale (a pressione costante) su 100 molecole non tutte rilasceranno l’ossigeno; in montagna invece avviene un adattamento e produrremo nei globuli rossi più 2,3 bifosfoglicerato che farà rilasciare a tutte le molecole di emoglobina tutto l’ossigeno , però queste molecole sono in numero inferiore perché la pressione dell’ossigeno è più bassa. 19 TITOLO DEL CAPITOLO L’emoglobina lega l’ossigeno con maggiore difficoltà. Per compensare, l’organismo aumenta la produzione di BPG nei globuli rossi. Il BPG si lega all’emoglobina e riduce la sua affinità per l’ossigeno, rendendo più facile il rilascio del gas ai tessuti. In condizioni normali, circa il 40% dell’ossigeno trasportato dall’emoglobina viene rilasciato ai tessuti. A 4500 metri di altezza, inizialmente il trasferimento di ossigeno ai tessuti si riduce a causa della bassa pressione parziale di ossigeno. Dopo alcune ore, l’aumento della concentrazione di BPG ripristina una maggiore capacità dell’emoglobina di rilasciare ossigeno, consentendo un adattamento fisiologico. Il BPG svolge un ruolo cruciale nell’adattamento del corpo umano alla bassa pressione di ossigeno. Aumentando la sua concentrazione in condizioni di ipossia (come in alta quota), favorisce il rilascio di ossigeno dai globuli rossi ai tessuti, contribuendo al mantenimento delle funzioni metaboliche essenziali. 2.11. EMOGLOBINA FETALE È formata, a differenza di quella degli adulti, da 2 catene alfa e due catene gamma, in quella fetale mancano le catene beta, perciò, il 2,3-bifosfoglicerato che come sappiamo tende a inserirsi tra le due catene beta, facendo aumentare il rilascio di O2, nell’emoglobina fetale non funziona. Questa caratteristica permette al feto di trattenere più ossigeno, garantendo: Un efficace trasferimento di ossigeno dalla circolazione materna a quella fetale attraverso la placenta. Un apporto adeguato di ossigeno ai tessuti fetali, essenziale per lo sviluppo embrionale. N.B l'emoglobina fetale ha una maggiore affinità per l'ossigeno perché ha una minore affinità per il 2,3 bifosfoglicerato 2.12. MONOSSIDO DI CARBONIO (CO) L’emoglobina lega con un affinità ancora più maggiore (oltre 250 volte) il monossido di carbonio e quando questo accade, l’emoglobina diventa carbossiemoglobina e non può più svolgere il suo ruolo di trasporto dell’ossigeno O2, è una condizione molto pericolosa perché in un ambiente chiuso con una fuga di monossido di carbonio, l’emoglobina avendo grande affinità per il monossido molto maggiore che per l’ossigeno, si lega a questa e in grande concentrazioni (almeno 30%) porta alla morte. La concentrazione di monossido aumenta nelle zone più abitate (scarichi industriali, scarichi di automobili ecc..) 20 TITOLO DEL CAPITOLO 2.13. FABBISOGNO DI FERRO Il ferro è un elemento fondamentale per ogni individuo, con un fabbisogno giornaliero medio di circa 10 mg. Tuttavia, durante la gravidanza, il fabbisogno aumenta fino a 22 mg al giorno. Questo incremento è dovuto a: Le necessità della madre, del feto e della placenta. L’aumento del volume sanguigno materno, che diluisce le proteine, compresa l’emoglobina, aumentando il rischio di anemia. Se il ferro è insufficiente, possono verificarsi problemi nella formazione degli eritrociti (globuli rossi), portando a anemia. L'anemia è principalmente causata da: Carenza di ferro: Il ferro è essenziale per la sintesi dell’emoglobina. Carenza di acido folico: Fondamentale per la produzione degli eritrociti. o L’acido folico collabora con la vitamina B12; in caso di carenza di B12, l'acido folico resta "intrappolato" e non può svolgere la sua funzione. o Una carenza di acido folico può anche aumentare il rischio di spina bifida nel feto. Carenza di vitamina B12: Necessaria per la maturazione degli eritrociti e per la collaborazione con l'acido folico. CONSEGUENZE DELLA CARENZA DI FERRO Se il ferro è insufficiente: La sintesi dell’emoglobina diminuisce, con una concentrazione inferiore a 11 g/dl, considerata anemia in gravidanza. La ferritina, riserva di ferro dell’organismo, risulta anch’essa bassa. Il feto e la placenta potrebbero non svilupparsi adeguatamente. Aumenta il rischio di nascita prematura o complicazioni per il neonato. ALIMENTAZIONE E ASSORBIMENTO DEL FERRO Una dieta equilibrata è essenziale per prevenire carenze di ferro durante la gravidanza. Fonti principali di ferro: Alimenti ricchi di ferro eme (facilmente assorbibile): carni rosse, pesce, uova. Alimenti ricchi di ferro non-eme: legumi, verdura a foglia verde (es. spinaci). La vitamina C migliora l’assorbimento del ferro non-eme proveniente da alimenti di origine vegetale. È quindi utile integrare pasti contenenti ferro con alimenti ricchi di vitamina C, come agrumi, peperoni, e kiwi. 21 TITOLO DEL CAPITOLO Il ferro è indispensabile sia per la salute della madre sia per il corretto sviluppo del feto, che necessita di emoglobina per i propri globuli rossi (composti da 2 subunità alfa e 2 beta). Una dieta equilibrata e ricca di ferro, acido folico, vitamina B12 e vitamina C è cruciale durante la gravidanza per prevenire complicazioni e garantire un adeguato sviluppo del bambino. 2.14. EMOGLOBINA GLICATA N.B L’emoglobina all’interno del globulo rosso (eritrocita), può legarsi al glucosio e prende il nome di emoglobina glicata. 2.14.1.1. PERCHÉ LEGA IL GLUCOSIO ? Subito dopo un pasto, le concentrazioni di glucosio aumentano perché i carboidrati che introduciamo con gli alimenti, vengono scissi e liberano molecole di glucosio che entra in tutte le cellule grazie all’insulina che viene subito rilasciata dopo un pasto favorendo il suo ingresso nelle cellule. All’interno del cervello il glucosio entra nelle cellule senza l’aiuto dell’insulina perché il cervello utilizza per il proprio metabolismo solo il glucosio in quanto gli acidi grassi non passano la barriera emato-encefalica. Il glucosio, all’interno dei globuli rossi, viene utilizzato insieme agli enzimi della glicolisi che è una via metabolica che utilizza il glucosio per ottenere molecole di ATP essenziali per la vita dei globuli rossi. Il glucosio entra così facilmente dentro i globuli rossi che la sua concentrazione al loro interno è pari alla concentrazione di glucosio nel plasma. Quando l’insulina favorisce l’entrata di glucosio all’interno delle cellule muscolari , la quantità di glucosio che è presente nel sangue diminuisce rapidamente e infatti l’insulina fa abbassare la glicemia (perché fa entrare il glucosio all’interno delle cellule muscolari e all’interno di quelle nervose ) Quindi nel momento in cui il glucosio è ancora in circolo, entra anche negli eritrociti, d’altronde gli eritrociti hanno bisogno del glucosio perché non avendo più i mitocondri , l’unica maniera che hanno per ottenere energia è la glicolisi L’emoglobina all’interno del globulo rosso (eritrocita), può legarsi al glucosio e prende il nome di emoglobina glicata. Dato che gli eritrociti trasportano ossigeno, il glucosio entra dentro di loro utilizzando dei trasportatori(glucose transporter 1, GLUT1) che lo legano e lo fanno entrare dentro , affinché la concentrazione di glucosio dentro gli eritrociti sia la stessa della concentrazione di glucosio nel sangue intero. Quando però il glucosio è di più di quello che gli eritrociti possono utilizzare con la glicolisi, si può legare all’emoglobina contenuta negli eritrociti e formare l’emoglobina glicata. 22 TITOLO DEL CAPITOLO Poiché la concentrazione di glucosio che sta dentro gli eritrociti riflette la glicemia , se una persona soffre di diabete e ha la glicemia alta, vorrà dire che questa alta concentrazione di glucosio nel sangue sarà presente anche negli eritrociti perché sono equilibrati , e siccome l’eccesso di glucosio negli eritrociti (quello che non entra nella glicolisi) si lega all’emoglobina formando l’emoglobina glicata (tramite una reazione spontanea), la misurazione di quest’ultima indica se quella persona ha avuto la glicemia alta nell’ultimo mese (perché il globulo rosso la conserva fino a quando non muoiono) 2.14.1.2. NEI PAZIENTI DIABETICI In questo caso o non è presente l’insulina, oppure viene rilasciata ma non funziona, se il paziente esegue controlli, fa l’insulina esogena e questa svolge il suo compito come quella endogena, allora favorirà l’ingresso di glucosio nelle cellule, facendo abbassare il livello di glicemia nel sangue. Ma se il paziente diabetico non esegue controlli e non fa l’insulina quando serve e ci sono periodi lunghi di alta glicemia nel sangue, accadrà che i globuli rossi avranno un'elevata concentrazione di glucosio al loro interno che, in parte utilizzano per ottenere energia ma quello che rimane si lega con facilità all’emoglobina, senza l’aiuto di alcun enzima, formando l’emoglobina glicata. 2.14.1.3. PERCHÉ MISURARE L’EMOGLOBINA GLICATA N.B se una persona diabetica ha la glicemia alta, questa alta concentrazione di glucosio nel sangue sarà pure presente negli eritrociti perché sono equilibrati. La misurazione di emoglobina glicata indica se il soggetto ha avuto la glicemia alta non in quel momento ma in quel mese 2.14.1.4. DIABETE DURANTE LA GRAVIDANZA Può accadere che in gravidanza, appaia una forma di diabete, questo è dovuto al fatto che per favorire un giusto sviluppo dei tessuti embrionali ,si verifica fisiologicamente nella madre grazie a un rilascio di una serie di ormoni, come glucocorticoidi, ecc.., una sorta di insulino-resistenza, (intolleranza al glucosio) ovvero l’insulina agisce meno nella madre. Grazie all’insulino-resistenza fisiologica indotta dal contrasto rispetto agli ormoni che vengono liberati in gravidanza, la madre usa meno glucosio, questo rimane in circolo, così da essere utilizzato dal feto. La madre utilizzerà i grassi per ottenere energia. Bisogna infatti andare a controllare la dieta per evitare che si accumuli troppo glucosio, perché il diabete potrebbe rimanere in forma permanente, anche dopo la gravidanza. 23 TITOLO DEL CAPITOLO 2.14.1.5. AGE: PRODOTTI FINALI DI AVANZATA GLICAZIONE In condizione di diabete, quando l’emoglobina glicata si accumula nei globuli rossi, viene trasformata in AGE (prodotti finali di avanzata glicosilazione), sono molecole di emoglobine associata a molecole di glucosio che non si distinguono più, sono un agglomerato di glucosio ed emoglobina che hanno subito delle modificazioni chimiche, questi prodotti AGE circolano nel sangue insieme agli eritrociti, raggiungendo i capillari della retina, il muscolo cardiaco, i reni… arrivati nei capillari, vengono rilasciati e danneggiano quei tessuti. 2.14.1.6. COME SI MISURA L’EMOGLOBINA GLICATA ? L’emoglobina glicata può essere misurata, e misura la glicemia del paziente nell’ultimo mese perché l’emoglobina e il glucosio, una volta che si uniscono tra loro, non si separano più, mentre la glicemia che si misura mediante facendo “buchino nel dito” ci dice il valore di glicemia in quel preciso momento Può essere misurata con 3 metodi diversi: Via spettroscopica, (test enzimatico) sfrutta il fatto che l’emoglobina assorbe la luce ad una certa lunghezza d’onda rispetto l’emoglobina glicata Con elettroforesi su gel, è una tecnica che consente di separare acidi nucleici o proteine in base alle loro dimensioni, il campione di questa emoglobina glicata viene prima separato in frammenti sfruttando un certo enzima di restrizione e poi, i frammenti ottenuti vengono depositati su una piastra di poliacriloammide, che viene posta in un campo elettrico in cui i frammenti carichi negativamente verranno attratti dall’elettrodo positivo e quegli carichi positivamente verranno attratti dall’elettrodo negativo. L’emoglobina singola migra più velocemente di quella glicata che invece è più pesante e si ferma prima. Anticorpi specifici 2.14.1.7. VALORI DI RIFERIMENTO 24 TITOLO DEL CAPITOLO 2.15. VARIANTI FISIOLOGICHE DELL’EMOGLOBINA L’emoglobina varia durante lo sviluppo, dalle 4 alle 10 settimane di concepimento avremo l’emoglobina Hb- E embrionale formata da due catene alfa e due catene epsilon, la differenza tra queste catene sta nella sequenza di amminoacidi, le due catene alfa sono come quelle dell’adulto e le epsilon hanno un’altra sequenza in amminoacidi. L’emoglobina fetale Hb-F, dai 3 ai 9 mesi di gravidanza avrà due catene alfa e due catene gamma, poiché mancano le catene beta, sappiamo che questo tipo di catena ha più affinità per l’ossigeno O2 e avrà difficoltà a rilasciarlo. L'emoglobina post-natale, quella adulta è Hb-A formata da due catene alfa e due catene beta e rappresenta il 96% dell’emoglobina presente nei nostri globuli rossi. È importante mettere in evidenza che nel nostro sangue è ancora presente una percentuale di emoglobina fetale che non scompare del tutto, poi è presente un altro tipo di emoglobina in una percentuale del 3,5% detta emoglobina A2 che una sequenza in amminoacidi diversa dall’emoglobina A però nelle funzioni è uguale Durante lo sviluppo sono presenti nell'organismo diversi tipi di emoglobina: 1 Hb-E (𝑎% 𝜀% ) (due alfa, 2 epsilon) o emoglobina embrionale (4-10 settimane) 2 Hb-F (𝑎% 𝛾% ) (2 alfa 2 gamma) o emoglobina fetale (3-9 mesi) 3 Hb-A (𝑎% 𝛽% ) (due alfa 2 beta) o emoglobina (postnatale, sopra i 7 mesi di vita) Normalmente, nei globuli rossi di un adulto sano ritroviamo tre diversi tipi di emoglobina, che differiscono tra loro per sintesi genetica e composizione in catene globiniche: ◦ Emoglobina fetale: 0.3% - 1.2% ◦ Emoglobina A2: ‹ 3.5% ◦ Emoglobina A: >96% 2.16. DERIVATI DELL’EMOGLOBINA # LA METAEMOGLOBINA: è una emoglobina in cui il ferro si trova allo stato ossidato 𝑭𝒆𝟑. In # # particolar modo il ferro può essere ridotto 𝑭𝒆𝟐 o ossidato 𝑭𝒆𝟑. Affinché leghi l’ossigeno, è necessario # che sia ridotto 𝑭𝒆𝟐 ; infatti, il ferro del gruppo eme è ridotto, mentre quello nella forma ossidata è incapace di legare l’ossigeno. Poiché nelle nostre cellule c’è un metabolismo aerobico, è normale che il ferro si # # ossidi 𝑭𝒆𝟑.allora interviene un enzima che lo trasforma nuovamente in ferro ridotto 𝑭𝒆𝟐 , questo enzima prende il nome di metaemoglobina riduttasi # LA CARBOSSIEMOGLOBINA: (Hb-CO): si ha quando l’emoglobina contenente il 𝐹𝑒 % (ridotto) si lega al monossido di carbonio, impedendo il suo normale funzionamento. LA CIANOMETAEMOGLOBINA: il cianuro non reagisce con l’emoglobina, ma con la metaemoglobina, formando un composto scarsamente tossico. La sua azione altamente tossica è dovuta 25 TITOLO DEL CAPITOLO alla sua capacità di legarsi alla citocromo ossidasi (enzima fondamentale della catena di trasporto degli elettroni , ha un ruolo fondamentale nella produzione di energia, si trova nella membrana mitocondriale) il cianuro blocca la sintesi di atp nei mitocondri , senza atp per l’appunto si muore 2.17. EMOGLOBINOPATIE 2.17.1. ANEMIA A CELLULE FALCIFORMI Questo tipo di anemia è una disfunzione su base genetica causata dalla modificazione di un solo nucleotide (mutazione puntiforme) del gene della globina beta ,allora, durante la traduzione un amminoacido verrà sostituito con un altro, in particolare l’amminoacido glutammato viene sostituito con l’amminoacido valina. La sostituzione di un amminoacido con un altro provoca un cambiamento nella forma della molecola che fa sì che l’emoglobina non sia più isolata (non legata alle altre) e solubile ma che formi polimeri insolubili che determinano precipitazioni della proteina ,(in parole più semplici , nella molecola si forma una tasca che costituisce una zona appiccicosa e di conseguenza reagiscono tra di loro formando filamenti legati tra di loro che non sono più solubili e precipitano ) , di infatti se andiamo a considerare le due strutture; quella dell’ amminoacido glutammato e dell’amminoacido valina, vediamo che quest’ultimo ha una forma di V in cui vanno a inserirsi più emoglobine con una loro estremità, formando un aggregato di molecole di emoglobina insolubili, (l’emoglobina è normalmente solubile), che precipitando determinano una distorsione del globulo rosso che avrà una forma a falce Di conseguenza accadrà che nei vasi sanguigni sottili come i capillari, i globuli rossi che non hanno più la forma di disco biconcavo ma sono deformi, non fanno altro che rallentare il flusso del sangue e possono provocare così, l’occlusione dei vasi sanguigni. SINTOMI: A livello clinico si presentano diversi fattori, tra cui: crisi emolitiche e vaso occlusive, dolore alle ossa, al torace e all’addome, ritardo della crescita, maggiore suscettibilità a diverse infezioni e danni a organi interni. 26 TITOLO DEL CAPITOLO COME VIENE DIAGNOSTICATA? Nei laboratori di analisi evidenziano l’emoglobina mutata tramite l’elettroforesi: (fatta da una gelatina che viene messa tra due dischi di vetro o plastica e dentro questi dischi sono piccole cavità che permettono di inserire il sangue del paziente , dopo di ciò viene sottoposta a una corrente elettrica e in seguito le proteine del sangue si muoveranno verso il polo positivo ma più lentamente rispetto all’ emoglobina non mutata che avendo molte cariche negative migrerà verso il polo positivo più velocemente. Nell’emoglobina mutata ciò non accade perché manca l’amminoacido glutammato (che ha cariche negative) ALTRA FORMA DELLA PATOLOGIA EMOGLOBINA C C’è un’altra forma di patologia in cui un amminoacido dell’emoglobina è sostituito con un altro , cioè l’amminoacido glutammato con la lisina La lisina ha una catena lunga lineare con una carica positiva, e la patologia che ne deriva detta malattia dell’emoglobina C non è grave come l’anemia falciforme Per quanto riguarda la terapia, consiste in una adeguata idratazione, analgesici, terapia antibiotica e trasfusioni per poter migliorare la loro condizione. Oggi anche il trapianto di midollo è di grande aiuto per questi pazienti. NB: gli eterozigoti per il gene dell’anemia cellule falciformi sono meno suscettibili di contrarre la malaria ,provocata dal parassita Plasmodium falciparum perché questo , (plasmodium falciparum), completa il suo ciclo vitale negli eritrociti ,e siccome sono deformati non danno infezioni e gli eterozigoti non prendono la malaria. Gli omozigoti che hanno i due geni mutati hanno anche la sintomatologia. Eterozigote + eterozigosi il bambino può essere omozigote con la malattia e i sintomi 2.17.2. TALASSEMIA Le talassemie sono caratterizzate dall’assenza o delle catena alpha o delle catena beta in seguito a una mutazione , e di solito quando viene sintetizzata l’emoglobina nei globuli rossi la sintesi delle catene alpha è coordinata con le beta. (Abbiamo visto che le catene alpha sono sempre presenti , quelle beta riguardano solo l’adulto, quando la mutazione riguarda una mancata sintesi delle catene beta , ci sono le alpha che si mantengono e sono presenti anche a livello embrionale. Ma quando invece non vengono trascritte le catene alpha che sono quelle che rimangono sempre , in caso di omozigosi ,si avrà la morte del feto perché non vengono sintetizzate le catene indispensabili ) 27 TITOLO DEL CAPITOLO Le talassemie si dividono in: TALASSEMIA alfa (sempre presenti) se mancano le alfa non può compensare la beta nel feto perché non ce e muore) TALASSEMIA beta (presenti nell’adulto) quando mancano le beta le alfa compensano CAPITOLO 3: GLI ENZIMI INTRO Gli enzimi catalizzano milioni di reazioni che avvengono all’interno delle nostre cellule; senza di essi le reazioni avverrebbero così lentamente da portarci alla morte. METABOLISMO: comprende 2 principali reazioni: CATABOLISMO: reazioni che demoliscono molecole che sono già presenti nel nostro organismo, per ottenere energia (nel caso di digiuno) ANABOLISMO: reazioni di sintesi, che producono molecole di riserva utili per l’organismo. Questi due processi non avvengono simultaneamente. Gli enzimi che operano nel catabolismo e nell’anabolismo vengono regolati affinché lavorino in momenti distinti. Ad esempio: Dopo un pasto, prevalgono gli enzimi anabolici, che utilizzano i nutrienti per produrre energia o per sintetizzare molecole di riserva. Gli enzimi catabolici sono, in questa fase, inattivi. Durante il digiuno, vengono attivati gli enzimi catabolici per demolire molecole di riserva e produrre energia, mentre quelli anabolici sono spenti. La regolazione è gestita da ormoni che modulano l’attività enzimatica in base alle necessità dell’organismo. 3.1. ENZIMI: Gli enzimi sono fondamentali per catalizzare reazioni chimiche che trasformano le molecole introdotte con gli alimenti. Questi: Accelerano le reazioni chimiche. Si legano a un substrato specifico e lo trasformano in un prodotto. 28 TITOLO DEL CAPITOLO 3.1.1. CARATTERISTICHE PRINCIPALI: SPECIFICITÀ Ogni enzima è una proteina con un sito catalitico che lega un substrato specifico. Questo principio è paragonabile al meccanismo "chiave-serratura", in cui il substrato (altamente specifico) si adatta perfettamente al sito catalitico dell’enzima. REGOLAZIONE Gli enzimi sono regolati in modo da impedire che reazioni di sintesi e demolizione avvengano contemporaneamente. Perché è necessario che un substrato si leghi all’enzima affinché si formi il prodotto? Perché se no le reazioni sarebbero troppo lente, (gli enzimi accelerano le reazioni) e non riusciremmo ad ottenere energia. L’enzima, una volta legato al substrato, ne modifica la struttura e lo converte rapidamente in prodotto. Questa velocità è necessaria perché, senza enzimi, le reazioni sarebbero troppo lente per sostenere la vita. Gli enzimi lavorano spesso in sinergia con i COENZIMI, molecole derivate dalle vitamine idrosolubili (es. NAD dalla niacina, coenzimi flavinici dalla riboflavina). In alcuni casi, gli enzimi necessitano di ioni metallici (es. Fe, K, Mg) per funzionare. 3.1.2. OSSIDAZIONE DELLE MOLECOLE ORGANICHE Quando introduciamo cibo, gli enzimi ne ossidano le molecole staccando atomi di idrogeno, che vengono caricati su un coenzima (es. deidrogenasi) il quale si riduce. Questo processo è cruciale per la sintesi di ATP nei mitocondri. RECAP: - REAZIONI CATALIZZATE DA ENZIMI, - SPECIFICI PER UN DETERMINATO SUBSTRATO E LO TRASFORMANO IN PRODOTTO, - GLI ENZIMI HANNO BISOGNO DELL’AIUTO DEI COENZIMI. O PERCHE PORTA LEGATO QUALCOSA CHE L’ENZIMA DEVE ATTACCARE O PERCHE PUO RICEVERE QUALCOSA CHE L’ENZIMA STACCA 3.1.3. COME FANNO GLI ENZIMI AD ACCELERARE UNA REAZIONE? Per trasformare un substrato in prodotto, quest’ultimo deve raggiungere uno stato di transizione, una condizione energetica instabile che facilita la rottura di alcuni legami. Gli enzimi accelerano la reazione abbassando l’energia di attivazione necessaria, legando il substrato e inducendone una forma adatta alla reazione. 29 TITOLO DEL CAPITOLO 3.1.4. CINETICA DELLE REAZIONI ENZIMATICHE La velocità di una reazione enzimatica dipende da quanto substrato c’è a disposizione; Man mano che la concentrazione di un substrato aumenta ci sarà una maggiore quantità di substrato che sarà trasformato in un prodotto dall'enzima. All’aumentare della concentrazione del substrato, aumenta la velocità della reazione. Tuttavia, oltre un certo limite, la velocità non cresce ulteriormente perché tutti gli enzimi sono occupati (saturazione). 3.1.5. EQUAZIONE DI MICHAELIS MENTEN Quando l’enzima si lega al substrato si forma un COMPLESSO enzima – substrato (reversibile) La reazione avviene quando questo complesso si rompe, rilasciando prodotto ed enzima libero. L’equazione dice che la velocità di una reazione enzimatica dipende dalla concentrazione del substrato e da una costante indicata con Km (costante di Michaelis), che indica l’affinità di un enzima per il substrato; indica la concentrazione di substrato che permette grazie al legame del substrato con l’enzima di raggiungere una velocità semi-massimale (metà della velocità massima) necessaria all’enzima per raggiungere la velocita semi-massimale Piccola Km= alta affinità (piccola concentrazione di substrato) Km= 0,1 Alta Km= bassa affinità (alta concentrazione di substrato) Km=10 30 TITOLO DEL CAPITOLO Ex. Se ad un enzima basta una piccola concentrazione di substrato per raggiungere la velocita semi massimale, basterà una piccola quantità di substrato per trasformarlo in prodotto, significherà che avrà un alta affinità per il substrato N.B Non tutti gli enzimi trasformano un substrato in prodotto alla stessa velocità Cosa succede nel nostro organismo? 3.1.6. ALL’INTERNO DEL FEGATO Il fegato è glucostato (controlla la glicemia) se è alta la fa abbassare, se è bassa la fa innalzare perché rilascia glucosio; cosicché la glicemia sia sempre stabile indipendentemente se abbiamo mangiato o no; e in modo tale che ci sia una certa concentrazione di glucosio nel sangue N.B il cervello usa solo il glucosio è Gli enzimi possono essere regolati ß Come fa il fegato a mantenere la glicemia costante? Conserva il glucosio all’interno sottoforma di glicogeno, quando siamo a digiuno scinde il glicogeno (molecole di glucosio legate insieme) rilasciandolo nel sangue e facendo innalzare la glicemia; per fare ciò il fegato ha 2 enzimi che legano il glucosio, uno con alta affinità per il glucosio e uno con una bassa affinità del glucosio. Come funzionano e quali reazioni catalizzano questi enzimi? glucosio ESOCHINASI: ALTA AFFINITÀ 0,1 , bassa Km, (basta poco glucosio per bloccarlo dentro la cellula) attacca un gruppo fosfato (preso dall’ATP) al glucosio e lo fa diventare glucosio - 6 -fosfato (e viene rilasciato ADP), questo enzima si trova in tutte le cellule del nostro organismo. È importante perché quando mangiamo e il glucosio circola nel sangue grazie ai trasportatori che lo rilasciano dentro la cellula; questo enzima gli attacca il gruppo fosfato cosicché il glucosio non può uscire dalla cellula. L’enzima è inibito dal gruppo 6 fosfato (il suo stesso prodotto) quando ce n’è troppo. Qual ‘ora entrasse tanto glucosio, il glucosio-6-fosfato (viene poi metabolizzano nella glicolisi), la glicolisi rallenta, e l’esochinasi si blocca (viene inibito dal glucosio 6 fosfato) ed entra in gioco la glucochinasi. GLUCOCHINASI: (BASSA AFFINITÀ 10) è attivo solo quando c’è eccesso glucosio, funziona quando si blocca l’esochinasi, non viene inibito dal suo prodotto e quindi trasforma tutto il glucosio in glucosio 6 fosfato, viene utilizzato poi dalle cellule epatiche per formare glicogeno, è quella molecola di riserva che nei momenti di digiuno fornirà molecole di glucosio da mandare nel sangue. N.B Quando il glucosio arriva al fegato, quest’ultimo lo rilascerà in maniera costante, piano piano e questo fa si che gli altri tessuti non abbiano picchi di glicemia. 31 TITOLO DEL CAPITOLO N.B Gli enzimi vengono regolati da metaboliti che sono all’interno della cellula, ex se c’è l’ATP la glicolisi non avviene se invece viene ADP viene attivato e avviene la glicolisi. Oppure quando c’è troppo glucosio nel fegato il glucosio 6 fosfato inibisce l’esochinasi 3.1.7. TIPI DI REGOLAZIONE DEGLI ENZIMI ALLOSTERICA : enzima che contiene un altro sito attivo, il sito allosterico (uno il sito catalitico e uno il sito allosterico, dove si va a legare una molecola che sta dentro la cellula e dice all’enzima di funzionare o di rallentare a seconda se c’è poco o troppo prodotto, sono quindi regolati da molecole che si trovano dentro la cellule, così la velocità aumenta, tipica degli enzimi che non funzionano sempre ma solo quando dentro la cellula ci sono le molecole che possono attivarlo. Questi enzimi sono localizzati all’inizio di una via metabolica, se ce n è bisogno viene portata a termine se no non inizia. RISPOSTA RAPIDA MODIFICA COVALENTE: Quando all’enzima viene attaccato/staccato un gruppo fosfato, come un interruttore, alcuni enzimi con il gruppo fosfato attaccato sono attivi altri inattivi, questo meccanismo di regolazione dipende dagli ormoni. RISPOSTA LENTA E DURATURA Ex. Dopo un pasto viene liberato l’ormone insulina, quando si lega al recettore delle cellule porta il messaggio di attivare una serie di enzimi capaci di staccare il gruppo fosfato a tutti gli enzimi all’interno della cellula. 3.1.8. MODIFICA COVALENTE REVERSIBILE La regolazione mediante modifica covalente comporta l’aggiunta o la rimozione di un gruppo fosfato a specifici enzimi. ANABOLISMO Tutti gli enzimi che sintetizzano (molecole di riserva glicogeno, acidi grassi, proteine…) sono attivi quando non hanno il gruppo fosfato attaccato (defosforilati) CATABOLISMO Gli enzimi del catabolismo (che demoliscono per liberare energia glicogeno, trigliceridi..) sono attivi quando hanno un gruppo fosfato attaccato (fosforilati) A DIGIUNO vengono liberati ormoni (del digiuno) come il glucagone, adrenalina, cortisolo... si legano ai recettori di membrana e attivano degli enzimi CHINASI che attaccano il gruppo fosfato a tutti enzimi (sintesi e catabolici) che stanno dentro la cellula ( tutti gli enzimi verranno fosforilati), attiverà gli enzimi che possono fornire energia (attiverà quelli catabolici ) e inibirà gli altri (inibirà quelli di sintesi). Durante il digiuno l’adrenalina (ha inviato il messaggio) attiva enzimi che scindono il glicogeno (enzimi catabolici). Glicogenofosforilasi (demolisce il glicogeno) e glicogenosintetasi 32 TITOLO DEL CAPITOLO DOPO UN PASTO viene liberato l’ormone insulina, quando si lega al recettore delle cellule porta il messaggio di attivare una serie di enzimi capaci di staccare il gruppo fosfato agli enzimi all’interno della cellula (saranno attivi gli enzimi che sintetizzano, le vie anaboliche saranno attive) È più pericolosa la ipoglicemia della iperglicemia perché il cervello non ha la quantità di zuccheri adatta per produrre energia. Gli enzimi allosterici sono pochi e sono localizzati di solito all’inizio di una via metabolica per cui quella via metabolica inizia e viene portata a termine se c’è bisogno se no non inizia Quindi tutti gli enzimi legano un substrato e lo trasformano in prodotto Alcuni enzimi che si trovano all’inizio di una via metabolica vengono regolati (per esempio quelli allosterici vengono regolati da molecole che stanno dentro la cellula, altri regolati per modifica covalente e cioè per mezzo di ormoni che attaccano / staccano gruppi fosfato, questo tipo di regolazione dipende dagli ormoni perché gli ormoni portano il messaggio di (attacco di un gruppo fosfato FOSFORILASI a tutti gli enzimi all’interno della cellula o distacco del gruppo fosfato DEFOSFORILASI) METABOLISMO DEL GLICOGENO glicogeno conservato dentro i muscoli, è una molecola di riserva quando il muscolo ha bisogno di ATP e non gli arriva glucosio con gli alimenti scinde il glicogeno, e il glucosio ottenuto lo fa entrare nella glicolisi e ottiene ATP Glicogeno è sintetizzato nel muscolo e fegato Nel muscolo: fonte di glucosio per il muscolo (ex muscolo cardiaco) Nel fegato: fonte di glucosio per tutto l’organismo Gli enzimi del metabolismo del glicogeno hanno una doppia regolazione: à modifica covalente (ormoni che permettono il distacco/attacco di un gruppo fosfato) à allosterica (da prodotti che si trovano nella cellula) 33 TITOLO DEL CAPITOLO CAPITOLO 4: LA GLICOLISI Le molecole che introduciamo con la dieta, che noi metabolizziamo e che liberano energia sono: sono i carboidrati (da cui si ottengono gli zuccheri), i trigliceridi (da cui si ottengono gli acidi grassi) e le proteine (da cui si ottengono gli amminoacidi). METABOLISMO DEI CARBOIDRATI La glicolisi è il metabolismo del glucosio, l’uso del glucosio che libera energia, in tutti i tessuti dell’organismo; alcune cellule possono usare soli gli zuccheri; per alcuni tessuti è fondamentale: perché non possono utilizzare altro. - globuli rossi: non avendo i mitocondri non possono bruciare i grassi (ottengono energia quindi solo dal glucosio). Qui il piruvato ( prodotto finale della glicolisi ) si trasforma in acido lattico, non continua con ciclo di krebs ecc.. perché non ci sono mitocondri - Cervello: esso è protetto dalla barriera ematoencefalica, formato da vasi sanguigni le cui cellule sono strettissime, sigillate, e grazie a queste cellule endoteliali (sigillate) tutto ciò che passa nel sangue non passa nel cervello, passano solo molecole indispensabili per ottenere energia come il glucosio o altre piccole molecole. Alla fine della glicolisi si forma il piruvato e poi i mitocondri continuano il metabolismo aerobico - Occhio: nell’occhio abbiamo la presenza della barriera emato- oculare che protegge alcune strutture dell’occhio come la cornea, il cristallino e la retina Nel muscolo il glucosio entra in grande quantità anche perché subito dopo un pasto viene liberata insulina e questa fa entrare in grandi quantità il glucosio nei muscoli; e questo glucosio entra nei muscoli facendo così abbassare l’insulina (l’insulina facilita l’entrata di glucosio nei muscoli) 4.1. FASI GLICOLISI La glicolisi è una via metabolica che serve a produrre ATP. questo processo è costituito da due fasi: - FASE ENDOERGONICA (fase di investimento) dove si utilizzano 2 molecole di atp; - FASE ESOERGONICA (fase di recupero energetico) dove si creano 4 molecole di atp La glicolisi avviene nel citosol, e quindi un processo anaerobico. La sintesi dell’ATP nella glicolisi si chiama: fosforilazione al livello del substrato (vengono prodotti substrati altamente energetici che in seguito si scindono e producono energia che poi viene utilizzata per produrre atp). La fase di investimento fa produrre nella glicolisi degli intermedi altamente energetici, che contengono un gruppo fosfato. Quando l’enzima stacca il gruppo fosfato si libera molta energia che viene usata dall’ADP e dal fosfato per creare ATP 34 TITOLO DEL CAPITOLO La cellula ha due modi per liberare atp: nel citosol: grazie all’energia liberata dagli intermedi energetici (2 atp) a livello dei mitocondri: tramite la catena di trasporto degli elettroni e la fosforillazione ossidativa N.B La sintesi di atp nella glicolisi si chiama fosforillazione a livello del substrato ( vengono prodotti intermedi energetic) COSA SUCCEDE QUANDO LE MOLECOLE DI GLUCOSIO ENTRANO NEI TESSUTI? N.B Tutti gli intermedi della glicolisi sono fosforilati: ciò impedisce la loro fuoriuscita dalla cellula, e permette il trasferimento del fosfato sull’ADP FASE ENDOERGONICA: 1)1° FOSFORILAZIONE DEL GLUCOSIO viene attaccato un gruppo fosfato dall’ esochinasi, che scinde una molecola di atp in adp e fosfato (quest ultimo verrà legato al glucosio) e il glucosio diventa glucosio 6 fosfato che è una molecola più grande e per questo non può più uscire dalla cellula e prosegue la glicolisi. La prima reazione consuma ATP (investimento) così si formano intermedi energetici che contengono il gruppo fosfato, poi staccato per essere legato al glucosio 2) ISOMERIZZAZIONE DEL GLUCOSIO 6 FOSFATO IN FRUTTOSIO 6 FOSFATO Per opera dell’enzima fosfoglucoisomerasi (non si perde e aggiunge niente) 3) 2° FOSFORILAZIONE Qui interviene un’ altra molecola di ATP che viene scissa in ADP e fosfato, il gruppo fosfato viene rilasciato e legato al carbonio 1 del fruttosio 6 fosfato e si forma il fruttosio 1, 6 bisfosfato. (Qui abbiamo due gruppi fosfato uno nel carbonio 1 e un’altro nel carbonio 6). L’enzima che catalizza questa reazione é il più importante, quello che regola l’intera glicolisi, si chiama fosfofruttochinasi 1, PFK1 35 TITOLO DEL CAPITOLO 4) DEGRADAZIONE DEL FRUTTOSIO 1,6 BIFOSFATO Dopo che sono state investite 2 molecole di ATP, la molecola fruttosio 1 6 bifosfato viene tagliata in due e si formano due molecole con 3 atomi di carbonio, ciascuna con un gruppo fosfato, la gliceraldeide 3 fosfato e il diidrossiacetone fosfato (GAP e DAP) (Queste due molecole si somigliano e si possono invertire l’una con l atra per fare la glicolisi), l’enzima che catalizza questa reazione è l’aldolasi. FASE ESOERGONICA: 5) ISOMERIZZAZIONE Da questo momento, tutte le reazioni della glicolisi si moltiplicano per due, poiché il diidrossiacetone fosfato può essere convertito in gliceraldeide-3-fosfato, la molecola necessaria per proseguire il processo glicolitico. Questo porta la glicolisi a dividersi in due percorsi paralleli identici, che avvengono contemporaneamente. La reazione è catalizzata dall'enzima triosofosfato isomerasi, il quale consente l'interconversione tra diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide-3-fosfato, assicurando che entrambe le molecole derivanti dalla scissione del fruttosio- 1,6-bisfosfato siano disponibili per continuare la glicolisi. 6) DEIDROGENAZIONE E FOSFORILAZIONE DEL GAP Le due molecole di gliceraldeide 3 fosfato reagiscono con due gruppi di fosfato inorganici, fosfato che sta dentro la cellula e non proviene dall’ATP, e si forma 1, 3 bifosfoglicerato ( sul carbonio 1 e 3 c’è un gruppo fosfato ). Per legare questo gruppo fosfato è necessaria una reazione di ossidazione, alla gliceraldeide 3 fosfato si staccano due atomi di idrogeno che vengono caricati sul NAD( coenzima) che diventa NADH + H+. (non diventa NADH2 perché il NAD non riesce a legare tutti e due gli atomi di H e allora ne lega uno per intero e dell’altro lega solo l’elettrone). L’enzima della reazione è la gliceraldeide fosfato deidrogenasi N.B La molecola si ossida e il coenzima si riduce, quando viene staccato l’atomo di idrogeno ossidando la molecola essi si caricano di idrogeno permettendo la produzione di atp nei mitocondri UNA MOLECOLA SI OSSIDA QUANDO PERDE ELETTRONI, SI RIDUCE QUANDO ACCETTA ELETTRONI 36 TITOLO DEL CAPITOLO 7) 1° FOSFORILAZIONE A LIVELLO DEL SUBSTRATO L’1, 3 bifosfoglicerato è una molecola energetica, il primo gruppo fosfato è legato da un legame molto energetico. 1,3 bisfosfoglicerato perde il gruppo fosfato dal carbonio 1 e si libera tanta energia che viene utilizzata per legare questo gruppo fosfato all’ADP che diventa ATP (si formano sempre due molecole di atp, perché tutto è moltiplicato) Così abbiamo il 3 fosfoglicerato (se ne formano sempre due). L’enzima che catalizza la reazione è la fosfoglicerato kinasi (le chinasi attaccano un gruppo fosfato) 8) ISOMERIZZAZIONE Il 3 fosfogliceato con un’isomerasi (spostamento del gruppo fosfato dal carbonio 3 al carbonio 2) diventa 2 fosfoglicerato. L’enzima che catalizza la reazione è la mutasi 9) RIMOZIONE DI UNA MOLECOLA D’ACQUA (deidratazione) E FORMAZIONE PEP Il 2 fosfoglicerato perde una molecola d’acqua e diventa fosfoenolpiruvato (ha il gruppo fosfato legato da un legame molto energetico) L’enzima che catalizza la reazione è l’ enolasi 10) 2° FOSFORILAZIONE A LIVELLO DEL SUBSTRATO Il fosfoenolpiruvato perde il gruppo fosfato e diventa piruvato. L’energia rilasciata dal distacco del gruppo fosfato viene utilizzata per legare quest ultimo all’ADP per formare ATP (se ne formano sempre due). L’enzima che catalizza la reazione è la piruvato chinasi. Vengono liberate 2 ATP (RESA) e si formano 2 molecole di piruvato N.B FASE ENDOERGONICA: investimento di atp FASE ESOERGONICA: rilasciate 2 + 2 molecole di atp (viene prodotta atp) 37 TITOLO DEL CAPITOLO N.B La glicolisi è quindi un processo che libera atp, se nella cellula è già presente atp esso si lega al sito allosterico dell’enzima e lo inibisce, se invece nella cellula c’è AMP, anch’esso si lega al sito allosterico dell’enzima, indica che non c’è energia e stimola la produzione di atp. Alla fine, si sono formate due molecole di piruvato e due di ATP. Il piruvato, se nella cellula ci sono i mitocondri (aerobiosi), diventa acetilcoA entra nei mitocondri, nel ciclo di krebs,catena di trasporto degli elettroni o fosforilazione ossidativa e si produrrà tanta atp. In assenza di un metabolismo aerobico, il piruvato viene ridotto in lattato o acido lattico ( reazione che non avviene solo negli eritrociti, avviene anche in un muscolo che si contrae molto) ES. quando si svolge un esercizio molto intenso si forma questo acido lattico che successivamente esce dal muscolo va nel sangue e poi nel fegato e qui viene ritrasformato in piruvato. ( ma se dopo due giorni che siamo stati in palestra ci fanno male ancora i muscoli non è più a causa dell’acido lattico ma sono le fibre che si rompono che poi vengono ricostruite ) ESERCIZI ANAEROBICI Durante gli esercizi fisici anaerobici, caratterizzati da sforzi intensi e immediati, l’energia necessaria viene prodotta rapidamente attraverso la glicolisi. Questo processo consente la generazione di ATP (energia) in cicli ripetuti (2+2+2+2...) senza l'uso diretto di ossigeno. Perché la glicolisi possa continuare, è indispensabile la presenza di NAD⁺, un coenzima che accetta elettroni durante il processo. Al termine della glicolisi, il prodotto finale, il piruvato, riceve due atomi di idrogeno dal NADH (che si ossida a NAD⁺). Questo riduce il piruvato, trasformandolo in lattato (acido lattico). ® Il NADH si ossida, rilasciando atomi di idrogeno. ® Gli atomi di idrogeno sono trasferiti al piruvato, che si riduce diventando lattato. ® La rigenerazione del NAD⁺ consente alla glicolisi di ricominciare, garantendo una produzione continua di ATP durante l’esercizio. Questo meccanismo è cruciale per mantenere l'energia durante gli sforzi anaerobici, sebbene l'accumulo di lattato nei muscoli possa contribuire alla sensazione di affaticamento. UNA MOLECOLA SI OSSIDA QUANDO PERDE ELETTRONI UNA MOLECOLA SI RIDUCE QUANDO ACCETTA ELETTRONI 38 TITOLO DEL CAPITOLO 4.2. REGOLAZIONE DELLA GLICOLISI La glicolisi è un processo metabolico che si attiva solo quando la cellula necessita di energia. In assenza di tale necessità, la glicolisi si arresta per evitare un consumo inutile di glucosio. La regolazione di questo processo avviene principalmente attraverso il controllo di specifici enzimi, specialmente all'inizio della via metabolica, per bloccare precocemente il ciclo quando non è necessario. L’enzima principale che regola la glicolisi è il fosfofruttochinasi 1 (PFK 1) Questo enzima controlla l'intera via glicolitica: Quando la glicolisi deve avvenire, PFK-1 viene attivata. Quando la glicolisi non è necessaria, l'enzima viene inibito. N.B La fosfofruttochinasi-1 catalizza la reazione che trasforma il fruttosio-6-fosfato in fruttosio-1,6- bisfosfato, aggiungendo un gruppo fosfato al fruttosio-6 preso dall’ATP (idrolisi = ADP + FOSFATO) 4.2.1. REGOLAZIONE ATTIVITÀ PFK - 1 L’attività di PFK-1 è modulata dalla concentrazione di molecole che riflettono lo stato energetico della cellula: Attivatori: AMP e ADP: Indicano una carenza di energia nella cellula e attivano l’enzima PFK 1 per accelerare la glicolisi. Fruttosio-2,6-bisfosfato: esso si lega a PFK-1, stimolandone l’attività. Questo attivatore (il fruttosio 2,6 bisfosfato) si forma a partire dal fruttosio-6-fosfato grazie all’azione della fosfofruttochinasi-2 (PFK- 2), un enzima regolato dall’insulina. Quando il fruttosio-6-fosfato si accumula, una parte viene convertita in fruttosio-2,6-bisfosfato per attivare la glicolisi. N.B la fruttochinasi 2 (PFK 2 ) non partecipa direttamente alla glicolisi, ma regola l'attività della PFK-1, Catalizza la conversione di fruttosio-6-fosfato in fruttosio-2,6-bisfosfato, quest’ultimo (che è un attivatore allosterico della glicolisi) legandosi alla fruttochinasi 1 ne aumenta l’attività accellerando la glicolisi Inibitori: ATP: Quando l'energia è sufficiente, l'ATP si lega al sito allosterico dell'enzima PFK 1, rallentando la glicolisi. Citrato: Primo prodotto del ciclo di Krebs, indica abbondanza energetica e inibisce PFK-1; quindi il citr

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