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BIOCHIMICA La biochimica è lo studio della chimica della vita focalizzandosi sulla composizione chimica e trasformazioni chimiche. Un organismo è sano quando si ha il corretto svolgimento di reazioni chimiche e la giusta composizione chimica. La biochimica cerca di spiegare come le eccezionali carat...

BIOCHIMICA La biochimica è lo studio della chimica della vita focalizzandosi sulla composizione chimica e trasformazioni chimiche. Un organismo è sano quando si ha il corretto svolgimento di reazioni chimiche e la giusta composizione chimica. La biochimica cerca di spiegare come le eccezionali caratteristiche degli organismi viventi derivino dalle migliaia di differenti biomolecole. es. il diabete comporta un organismo non sano dato che si ha un’alterazione strutturale dell’insulina e quest’ultima non viene prodotta in maniera corretta. Molte molecole sono polifunzionali poiché contengono due o più gruppi funzionali ciascuno con caratteristiche specifiche. La “personalità ” chimica di un composto deriva dalla chimica dei suoi gruppi funzionali e dalla loro disposizione nello spazio. Tutti gli esseri viventi obbediscono alle leggi della chimica ovvero: - gli organismi viventi sono sistemi aperti ossia scambiano energia e materia con l’ambiente - sono possibili le reazioni veloci grazie alla presenza di enzimi - reazioni non all’equilibrio per rendere disponibili elevate quantità di energia Gli elementi maggiormente presenti nel corpo umano sono 6: C,N,O,H,Ca,P e costituiscono circa il 98% del nostro organismo. La restante percentuale è composta da altri elementi presenti in tracce che risultano comunque fondamentali anche se presenti in piccolissime quantità. es. il ferro è presente in piccolissime quantità ma risulta fondamentale per trasportare il sangue al cuore. Fluoro elemento più elettronegativo della tavola periodica Le molecole biologiche sono costruite da un numero limitato di elementi idrogeno, ossigeno, azoto, carbonio: - sono i più piccoli atomi che raggiungono una configurazione stabile condividendo 1,2,3,4 elettroni rispettivamente - formano legami covalenti forti di qualunque altro elemento con le stesse valenze - O,N,C sono i soli elementi a formare legami multipli forti Le molecole costitutive della materia vivente si suddividono in 4 categorie 1. 20 amminoacidi, dove troviamo proteine, ormoni, porfirine, substrati energetici 2. 5 basi nucleotidiche, dove troviamo DNA,RNA, coenzimi e trasportatori di energia 3. meno di 10 tipi di zucchero, dove troviamo substrati energetici, elementi di riconoscimento cellulare 4. lipidi, costituenti delle membrane e substrati energetici e sono quelli più complessi Le macromolecole sono composti multimerici assemblati a partire da un certo numero di subunità più semplici. Ogni macromolecola è formata da una serie di monomeri. ACQUA il nostro organismo è composto per il 70% di acqua infatti è la sostanza più abbondante in tutti gli esseri viventi. quest’ultima condiziona la reattività e la maggior parte delle reazioni biochimiche avviene in soluzione acquosa. Ossigeno e idrogeno non sono in grado di stare da soli e quindi si uniscono formando il legame covalente, ovvero una condivisione tra atomi. Ossigeno ha raggiunto la stabilità come anche l’idrogeno con i suoi due atomi. L’ossigeno ha 2 doppietti elettronici che renderanno la molecola polare Acqua si trova allo stato liquido per il legame ponte idrogeno il quale si posiziona tra due atomi elettronegativi (come ossigeno, fluoro, fosforo) e si comporta da ponte. Il legame a idrogeno è debole, intermolecolare ed è un'interazione tra molecole. I legami idrogeno conferiscono all’acqua proprietà insolite sono una conseguenza delle forti attrazioni tra molecole di acqua adiacenti che generano nell’acqua allo stato liquido una grande coesione interna. Ogni atomo di idrogeno di una molecola di acqua condivide una coppia di elettroni con l’atomo di ossigeno. La distribuzione inuguale di elettroni provoca la formazione di due dipoli elettrici, ogni atomo di idrogeno porta una parziale carica positiva e l’atomo di ossigeno ha quindi una parziale carica negativa venendo a generare così un’attrazione elettrostatica. Gli organismi viventi sono ben adatti all’ambiente acquoso e hanno evoluto sistemi per sfruttare le speciali proprietà dell’acqua. Acqua agisce come un tampone termico mantenendo la temperatura di un organismo relativamente costante. ENERGIA L’energia è di molteplici tipologie: è la capacità di un corpo di compiere un lavoro ma anche la capacità di compiere una trasformazione. L’energia è fondamentale nel nostro organismo e si trasforma da una tipologia ad un’altra. Le cellule non sono in grado di utilizzare calore come fonte di energia e devono trasformare quindi l’energia contenuta negli alimenti sfruttando i legami in una forma da loro utilizzabile. Un metodo per conservare energia è tramite ATP. ATOMO DI CARBONIO Il carbonio si trova nel secondo periodo e ha 4 elettroni di valenza che gli permettono di formare 4 legami identici grazie al salto elettronico.Può formare 4 legami covalenti perché nel suo stato eccitato presenta quattro orbitali semioccupati e può formare legami semplici, doppi o tripli. C Z=6 (numero atomico) Le proprietà chimiche di un elemento dipendono dagli elettroni presenti nel livello elettronico esterno ( configurazione elettronica esterna ). Inoltre è un elemento particolarmente adatto a fungere da scheletro per molecole di grandi dimensioni poiché i legami C-C sono forti e non vengono rotti facilmente ( non così forti da non essere rotti dalle cellule). perchè il carbonio? L’atomo di carbonio, diversamente dagli altri atomi, ha la possibilità di formare legami covalenti con un gran numero di elementi e può inoltre formare legami con altri atomi di carbonio generando catene di varia lunghezza, lineari o ramificate, aperte o chiuse su se stesse. Il carbonio può formare legami singoli con gli atomi di idrogeno e un legame singolo o un legame doppio con l’ossigeno e con l’azoto. Di grande significato in biologia è la capacità del carbonio di formare legami stabili con fino a quattro altri atomi di carbonio. Gli atomi di carbonio legati covalentemente nelle biomolecole possono formare catene lineari o ramificate e strutture cicliche. Nessun altro elemento chimico può formare una varietà così vasta di molecole diverse per grandezza, forma, composizione. IBRIDAZIONE Gli orbitali si fondono tra di loro rendendoli tutti uguali. esistono diversi tipi di ibridazione: - sp3 : deriva dal mescolamento di un orbitale s e di 3 orbitali p. Il carbonio forma quattro legami covalenti e gli atomi che le lega si dispongono secondo i vertici di un tetraedro. Geometria tetraedrica: i quattro orbitali ibridi sono diretti lungo i vertici di un tetraedro con angolo di 109,5°. Inoltre sono isoenergetici dato che hanno la stessa energia. Formano 4 legami semplici ed un esempio sono gli alcani. - sp2 : deriva dal mescolamento di un orbitale s e di 2 orbitali p e si formano tre orbitali atomici ibridi sp2 isoenergetici. Hanno una geometria trigonale ovvero i tre orbitali ibridi sono diretti lungo i vertici di un triangolo equilatero (120°) e l’orbitale p rimanente è perpendicolare al piano di questo triangolo. Atomi di carbonio con questa ibridazione possono formare tra loro doppi legami ( formato dall’orbitale p libero). Hanno due legami sigma e un legame pigreco ed un esempio di questa ibridazione sono gli alcheni. - sp: deriva dal mescolamento di un orbitale s e di un orbitale p e si formano due orbitali atomici ibridi sp isoenergetici. Hanno una geometria lineare (180°) e i due orbitali p rimanenti sono perpendicolari. Possono formare tripli legami ( caratteristica di alchini). Nei composti del carbonio possiamo trovare -> formula molecolare ovvero quanti e quali atomi sono presenti nella molecola -> formula di struttura ovvero in che modo sono disposti gli atomi nello spazio, sono scritte in modo lineare e non danno una rappresentazione reale della disposizione nello spazio dei singoli atomi -> ISOMERI ovvero composti con la stessa formula molecolare ma diversa formula di struttura e possono differire o per la concatenazione degli atomi o per la disposizione di questi nello spazio IDROCARBURI Sono i composti formati da carbonio + idrogeno e si suddividono in: - IDROCARBURI ALIFATICI suddivisi a loro volta in saturi ( contengono solo legami singolo carbonio-carbonio) e in insaturi ( contengono legami doppi o tripli carbonio-carbonio) e possono essere lineari, ramificati o ciclici. - IDROCARBURI AROMATICI sono composti ciclici insaturi con particolare struttura elettronica. Hanno questo nome perché furono individuati a causa dell’aroma e il BENZENE è il loro capostipite. ALCANI - sono idrocarburi saturi - ibridazione sp3 - non hanno doppi legami - formano catene semplici o ramificate - sono molecole apolari, non solubili in acqua - le uniche forze di interazione che si generano tra loro sono forze di Van der Waals che aumentano all’aumentare delle dimensioni delle molecole - Gli alcani da C1 a C4 sono gas alla temperatura ambiente, da C5 a C17 sono liquidi mentre gli altri sono solidi ALCHENI - ibridazione sp2 - sono idrocarburi insaturi e presentano un doppio legame - i tre orbitali sp2 sono disposti sullo stesso piano con angolo di legame di 120° - L’orbitale p non ibrido si trova perpendicolare al piano, dalla sovrapposizione dei due orbitali p dei due atomi di C adiacenti si forma il doppio legame - elettroni del doppio legame sono responsabili della reattività - il doppio legame è un legame rigido, non può ruotare - quando sono presenti su C coinvolto nel doppio legame sostituenti diversi si hanno ISOMERI CONFIGURAZIONALI CIS-TRANS ALCHINI - sono idrocarburi insaturi - presentano almeno un triplo legame - sono denominati usando suffisso -ino - non hanno una apprezzabile rilevanza in campo biologico COMPOSTI AROMATICI Il benzene è il capostipite dei composti aromatici. Presenta 6 atomi di C ibridizzati sp2 e di conseguenza ha una struttura planare e angoli di legame di 120°. Ogni atomo di C completa l’ottetto mediante legame con un atomo di H. Fu il chimico inglese Kekulè che per primo ha identificato la struttura del benzene nel 1865, prima di allora qualsiasi composto che avesse un aroma era considerato aromatico. - ogni atomo di C usa orbitali ibridi sp2 per formare i legami sigma con gli altri atomi ci C e con atomi di H - ad ogni atomo di C resta 1 orbitale p con 1 elettrone - Gli orbitali p sono perpendicolari al piano dell’anello e paralleli tra loro: possono sovrapporsi e formare una nuvola carica elettronica - questo sistema presenta una notevole stabilità - La lunghezza dei legami è intermedia tra quella dei legami singoli C – C (1.54 Å) e quella dei doppi legami C = C (1.33 Å) Le proprietà chimiche delle biomolecole dipendono dalla presenza di piccoli gruppi di atomi particolarmente reattivi chiamati gruppi funzionali. ALCOLI Hanno gruppo funzionale ossidrile con desinenza -olo R-OH Molte molecole biologiche come glicerolo (trialcol composto da 3 gruppi ossidrilici), zuccheri (presentano tanti gruppi ossidrilici) e colesterolo (1 gruppo ossidrilico) contengono dei gruppi ossidrilici. Caratteristiche chimico-fisiche: - sono dovute per la maggior parte alla possibilità di formare legami H  - Legame idrogeno o ponte a idrogeno: forza che si forma tra molecole diverse quando H è legato con legame covalente ad un atomo X molto elettronegativo (O;N,F..). In questo caso H acquista una carica parziale positiva con un'elevata densità che gli permette di fare da ponte con atomi a parziale carica negativa di molecole circostanti. pur non avendo la forza di un legame covalente e’ relativamente forte (2-10 Kcal/mol). La sua forza e’ dovuta alle piccole dimensioni di H.E’ un legame direzionale in quanto gli atomi che formano il legame devono essere allineati. - Un atomo di H forma al massimo un legame - Si può instaurare anche all’interno di una molecola. Legame fondamentale nelle strutture biologiche come proteine e DNA. - Il legame O-H è fortemente polarizzato e H ha una parziale carica positiva che gli consente di stabilire interazione “legami H “ con molecole vicine TIOLI se il gruppo OH viene sostituito con il gruppo sulfidrilico ovvero SH abbiamo i tioli Un esempio è la cisteina. Sono fondamentali per il trasporto di energia e li troviamo nelle proteine. Troviamo la cisteina delle proteine e il Coenzima A. ALDEIDI E CHETONI Come gruppo funzionale presentano entrambi il gruppo carbonilico C=O Il legame C=O è un legame molto polarizzato e presenta formule di risonanza. Il carbonio ha 4 legami ed è ibridato sp2 con un legame sigma e un legame pigreco. L’ossigeno è più elettronegativo e la nube elettronica è quindi spostata verso l’ossigeno e la molecola è polare. Questo legame non ha né lunghezza né energia di un legame singolo ma nemmeno di un legame doppio. ACIDI CARBOSSILICI Presentano il gruppo carbossilico e hanno ibridazione sp2 con una geometria planare. Il gruppo carbossilico ha 3 formule di risonanza → il nome deriva dall’alcano con lo stesso numero di atomi di C al quale si aggiunge la desinenza -OLO. → gli acidi carbossilici formano tra loro e con le molecole d’acqua legami H → punti di ebollizione più alti degli idrocarburi corrispondenti →gli acidi carbossilici a corta catena sono completamente solubili in acqua; quando la catena R si allunga la solubilità in acqua diminuisce perché prevalgono le forze di Van der Waals dovute a R. Acido laurico (C11) è completamente insolubile Gli acidi carbossilici sono composti acidi e danno reazione acido basa. - REAZIONE ACIDO BASE comporta un trasferimento di protoni da una specie all’altra e questo processo è di tipo dinamico. - Una sostanza agisce da acido solo in presenza di una base e viceversa. CH3COO- (acetato) è la base coniugata di CH3COOH (acido acetico); H3O+ (ione idronio) è l’acido coniugato di H2O La forza di un acido è rappresenta la tendenza a cedere H+, più un acido è forte più cede H+. La forza di una base è rappresentata la tendenza a acquistare H+, più una base è forte più acquista H+. Gli acidi carbossilici danno origine a: - ESTERE: acido carbossilico + alcol - TIOESTERE: acido carbossilico + tiolo il legame tioestere è un legame ad alta energia dalla sua rottura per idrolisi si libera molta energia. Molte reazioni dell’organismo avvengono grazie alla presenza di molecole che contengono legami tioestere ( acetil coenzima A) - ANIDRIDE: acido carbossilico + acido carbossilico sono dei composti ad alta energia che tendono a riprendersi H2O e staccare le due funzioni acide. - AMMIDE: acido carbossilico + ammoniaca/ammina presenta una geometria planare e struttura rigida come un legame polarizzato dando legame ad idrogeno e sono dei composti presenti in natura. AMMINE Sono dei composti organici derivati formalmente dall’ammoniaca per sostituzione di 1, 2 o 3 idrogeni con gruppi organici. Il suo gruppo funzionale è -NH2. Gli orbitali dell’atomo di azoto delle ammine sono ibridati sp3, geometria quasi tetraedrica. Tre degli orbitali ibridati sono impegnati in legami con gruppi alchilici o con l’idrogeno mentre il quarto ha un doppietto elettronico disponibile. → Le ammine hanno un comportamento da base → Molti composti di origine naturale presentano gruppi amminici. Molto spesso questi composti giocano un ruolo chiave nel metabolismo cellulare. STATO DI OSSIDAZIONE DEI COMPOSTI OSSIGENATI Dall’ossidazione dei composti ossigenati l’organismo ricava la maggior parte dell’energia. → REAZIONI REDOX: - ossidazione: perdita di elettroni, la specie che si ossida viene definita riducente - riduzione : acquisto di elettroni, la specie che si riduce viene definita ossidante Numero di ossidazione: rappresenta la carica formale di un elemento quando si associano gli elettroni di legame all’atomo più elettronegativo. Una reazione di ossidoriduzione è formata da due semireazioni che avvengono contemporaneamente (ossidazione e riduzione). Nell’ossidazione una specie chimica cede elettroni (aumenta il suo n.o.) e si ossida; nella reazione di riduzione un’altra specie acquista elettroni (diminuisce il suo n.o.) e si riduce → Per i composti organici: - ossidazione: rimozione di atomi di idrogeno o introduzione di eteroatomi - riduzione: addizione di atomi di idrogeno o rimozione di eteroatomi Aldeidi e chetoni hanno all’incirca lo stesso stato di ossidazone.  AMMINOACIDI E PROTEINE Le proteine sono macromolecole di peso molecolare compreso tra 5000 e 1.000.000 daltons costituite da unità monomeriche dette amminoacidi legate fra loro in modo covalente in sequenze lineari caratteristiche. ➔ le proteine differiscono le une dalle altre per la sequenza con cui gli amminoacidi si succedono nella catena polipeptidica ➔ ogni proteina ha una sequenza unica ➔ La lunghezza della catena può variare notevolmente: da due soli amminoacidi (dipeptide) a molti più di 1000 (anche se è spesso < 2000) Abbiamo le proteine semplici ( solo amminoacidi) e proteine complesse (parte non proteica). Parliamo di proteine perché sono le molecole con più funzioni biologiche possibili. Le proteine mediano praticamente tutti i processi che hanno luogo nelle cellule e svolgono un numero enorme di funzioni. Le proteine sono le macromolecole biologiche più abbondanti e sono gli strumenti molecolari con cui si esprime l’informazione genetica e le unità monomeriche relativamente semplici sono alla base della struttura delle migliaia di differenti proteine. Le proteine sono formate sempre dalla stessa serie di 20 amminoacidi uniti covalentemente in caratteristiche sequenze lineari. Poiché ogni amminoacido ha una catena laterale con specifiche proprietà chimiche, i venti amminoacidi possono essere considerati come l’alfabeto con cui è scritto il linguaggio della struttura delle proteine. AMMINOACIDI Gli amminoacidi presenti nelle proteine appartengono tutti allo stesso gruppo di 20 amminoacidi, detti amminoacidi proteici o primari. Occasionalmente si possono incontrare alcuni amminoacidi modificati (idrossiprolina, fosfoserina, acido γ-carbossiglutammico, etc.); le modifiche sono tuttavia sempre successive alla biosintesi del peptide (post-traduzionali). I composti che hanno almeno un gruppo carbossilico e un gruppo amminico sono amminoacidi. Le funzioni carbossiliche (-COOH) e amminica (-NH2) sono legate allo stesso atomo di carbonio che, in base alla convenzione usata per numerare la catena di un acido carbossilico, si definisce appunto alfa. Presentano quindi 1 gruppo carbossilico, 1 gruppo amminico, 1 idrogeno e 1 catena laterale ( R ) che fa la differenza tra i 20 amminoacidi che vanno a definirlo. A pH fisiologico in soluzione acquosa gli aa sono presenti come zwitterioni, molecole neutre ma che presentano sia carica positiva che negativa (sono ioni dipolari). Sono acidi e basi deboli. Le proprietà di ciascun amminoacido dipendono dalle catene laterali, i gruppi funzionali responsabili della struttura, delle funzioni e della carica elettrica delle proteine. Le catene laterali R differiscono per: - STRUTTURA - DIMENSIONE - CARICA ➔ Gli amminoacidi possono essere classificati in base alle proprietà delle loro catene laterali, considerando la loro polarità o non polarità al pH fisiologico e quindi la tendenza ad interagire con l’acqua. Il COOH perde il suo idrogeno e lo cede a NH2 e la molecola è neutra. Il carbonio centrale è ibridato sp3 con geometria tetraedrica regolare e angoli di legame di 109,5°. Possono essere: - non polari (idrofobici) - polari neutri - polari carichi ( acidi e basi ) ➔ Gli amminoacidi con catene laterali cariche, idrofiliche, sono generalmente esposti sulla superficie delle proteine ➔ I residui idrofobici, non polari, si trovano in genere all’interno delle proteine, protetti dal contatto con l’acqua. Possono partecipare tutti ad interazioni idrofobiche ➔ I gruppi -OH della catena laterale di alcuni aa (tirosina, serina) ed NH2 possono formare legami a idrogeno ➔ I residui degli amminoacidi nelle molecole proteiche sono tutti stereoisomeri ed è degno di nota che tutti i residui amminoacidi delle proteine abbiano la configurazione assoluta. Tutti gli amminoacidi tranne la glicina hanno l’atomo di carbonio legato a 4 gruppi diversi e quindi viene considerata una molecola CHIRALE ( un carbonio con 4 sostituenti diversi è asimmetrico ed è detto centro chirale. OGGETTO CHIRALE → sono l’immagine speculare dell’altro ma non sono sovrapponibili. In una molecola che contiene un C chirale non è possibile individuare un piano di simmetria. ( se presenta doppi legami non si ha chiralità)  MOLECOLA CHIRALE OGGETTO SIMMETRICO NON CHIRALE → oggetto simmetrico sovrapponibile alla sua immagine speculare Una molecola che contiene un carbonio chirale esiste in due forme diverse (stereoisomeri) che sono immagini speculari l'una dell’altra ma non sovrapponibili e vengono chiamate ENANTIOMERI. I quattro gruppi si possono disporre nello spazio in modo diverso. Per ogni aa sono possibili due stereoisomeri. Questi stereoisomeri sono immagini speculari l’uno dell’altro non sovrapponibili e vengono detti enantiomeri. Due enantiomeri hanno le stesse proprietà chimico-fisiche come punto di fusione, la solubilità etc... Presentano proprietà diverse dipendenti dalla chiralità quali: - proprietà ottiche diverse, hanno capacità opposta di ruotare il piano della luce polarizzata - reattività in alcuni casi diversa Gli enantiomeri possono avere due configurazioni, L e D. La convenzione di Fischer descrive la configurazione dei centri asimmetrici. Non fornisce indicazioni sulle proprietà ottiche della molecola. La configurazione dei gruppi intorno al centro asimmetrico è confrontata con quella della gliceraldeide che contiene un centro chirale. Gli amminoacidi possono comportarsi da acidi o da basi e dipendono dalla soluzione in cui si trovano ( quindi dipendono dal pH ). Il valore del pH al quale un amminoacido si trova nella forma con carica netta zero è detta “punto isoelettrico” (pI). - Valori del pH inferiori al punto isoelettrico abbiamo carica netta dell’amminoacido positiva - Valori del pH superiori al punto isoelettrico abbiamo una carica netta dell’amminoacido negativa. A seconda del pH la catena laterale R può essere diversamente carica. Amminoacidi diversi si legano tra loro mediante legami ammidici per formare strutture più complesse dette proteine. La sequenza lineare di aa legati contiene tutta l’informazione necessaria a generare una molecola proteica con una forma tridimensionale esclusiva. ❖ LEGAME PEPTIDICO - Una coppia di amminoacidi può legarsi attraverso una reazione di condensazione (eliminazione di una molecola di acqua) fra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico dell'altro, in modo da formare un dipeptide eliminando H2O. - il legame peptidico ha parziali caratteristiche di doppio legame mentre il doppio legame C=O si comporta in parte come un legame singolo.  - Le parziali caratteristiche di doppio legame rendono il legame peptidico una struttura planare e rigida. La rigidità è fondamentale per le catene molto lunghe. - La libera rotazione attorno al legame peptidico, C-N, è quindi impedita creando così punti di rigidità della catena polipeptidica. - Abbiamo 4 atomi coinvolti nella sua geometria, non si tratta di un legame singolo o doppio ma presenta della FORME DI RISONANZA dovute al movimento degli elettroni e abbiamo le molecole neutre - I gruppi -C=O ed -NH del legame peptidico partecipano alla formazione di legami a idrogeno. - E’ rigido planare - La conformazione del peptide è definita dagli angoli diedri , detti anche angoli di torsione, chiamati phi, psi che riflettono la rotazione intorno a ciascuno dei tre legami che si ripetono nello scheletro del peptide. LIVELLI DI ORGANIZZAZIONE DI UNA PROTEINA Una proteina può assumere numerose strutture tridimensionali (conformazioni) ma solo una o poche di esse hanno attività biologica; queste sono le conformazioni native. Per le molecole di grandi dimensioni come le proteine, la descrizione e la comprensione della loro struttura richiedono approcci di vari livelli di complessità in una sorta di gerarchia concettuale. In genere vengono riconosciuti 4 livelli di struttura delle proteine. La conformazione nativa di una proteina è responsabile della sua funzione. Le conformazioni possibili di una proteina corrispondono a tutte le strutture che la proteina può assumere senza rottura di legami covalenti. Quando si trovano in uno dei loro stati conformazionali funzionali le proteine sono dette native. La stabilità di una proteina non è semplicemente la somma delle energie di formazione delle molte interazioni deboli all’interno della proteina stessa. Le interazioni idrofobiche sono importanti per stabilizzare la conformazione. Per raggiungere la conformazione nativa una proteina deve assumere vari livelli di struttura: ➔ STRUTTURA PRIMARIA: sequenza Sequenza amminoacidica della proteina a partire dall’estremità N- terminale; è determinata dal codice genetico e si basa sul legame covalente fra gli aminoacidi. La struttura primaria condiziona la conformazione spaziale tridimensionale che le proteine assumono sia in ambiente acquoso che in quello lipidico (proteine di membrana). La funzione della proteina dipende dalla sua struttura primaria. ESTREMITA’ CARBOSSI TERMINALE ➔ STRUTTURA SECONDARIA: ripiegamento locale dello scheletro polipeptidico Descrive la conformazione dello scheletro carbonioso di brevi sequenze della catena polipeptidica. Dipende ( come anche struttura terziaria e quaternaria) dalle interazioni deboli non covalenti come legami idrogeno, interazioni idrofobiche. E’ l’organizzazione regolare e ricorrente nello spazio di residui di aa vicini. La struttura secondaria corrisponde quindi a tratti di catena polipeptidica che assumono un ripiegamento regolare e ripetitivo. Esistono due tipologie si struttura secondaria delle proteine ( se non è possibile individuare una struttura regolare, la struttura viene definita random coil): - ALFA-ELICA: Struttura ad a-elica: lo scheletro della proteina è strettamente arrotolato intorno ad un immaginario asse. L’elica è stabilizzata da legami H che si formano tra l’ossigeno carbonilico di un legame peptidico e l’idrogeno ammidico di un legame peptidico situato a 4 residui. 3.6 residui per giro, alfa-elica è destrorsa (senso orario)e i gruppi R degli amminoacidi sporgono verso l’esterno dell’elica. La struttura è stabilizzata da legami idrogeno che si formano tra l’atomo di idrogeno legato all’azoto parzialmente positivo di un legame peptidico e l’atomo di ossigeno carbonilico del quarto amminoacido successivo nella direzione dell’estremità. Ogni giro dell'alfa elica è collegato a giri adiacenti da tre o quattro legami idrogeno che conferiscono una buona stabilità alla struttura. Tutti gli NH e i C=O dei legami peptidici sono impegnati in legami a ponte di idrogeno Alfa- elica è molto stabile  L'avvolgimento di un’alfa elica può generare anche interazioni tra una catena laterale amminoacidica e un’altra distante tre ( talvolta 4 ) residui. Vi sono quindi 4 tipi principali di restrizioni che alterano la stabilità di un’alfa elica: 1. la propensione intrinseca di un residuo amminoacidico a formare un alfa elica 2. interazione tra i gruppi R, specialmente quelli che si trovano lontani 3-4 residui 3. ingombro sterico di gruppi R adiacenti 4. la presenza di residui di Pro e Gly - BETA-FOGLIETTO: conformazione più estesa stabilizzata da legami idrogeno fra segmenti adiacenti della catena polipeptidica e la proteina ha un andamento a zig zag. Il foglietto beta è costituito da due o più regioni differenti di almeno 5-10 amminoacidi ed è stabilizzato da legami H tra H legato all’N e O del gruppo carbonilico di legami peptidici di segmenti adiacenti. I legami idrogeno sono perpendicolari allo scheletro della proteina. I beta sheet sono pieghettati, i carboni alfa del legame si alternano tra sopra e sotto i piani del foglio e possono essere paralleli o antiparalleli. Si possono formare tra segmenti di una stessa catena polipeptidica o tra segmenti di catene diverse. I legami idrogeno si formano tra regioni adiacenti delle catene polipeptidiche. Le catene polipeptidiche adiacenti di un foglietto beta possono essere parallele o antiparallele e i gruppi R dei residui amminoacidici delle superfici di contatto devono essere relativamente piccoli. I ripiegamenti beta sono molto frequenti nelle proteine. ➔ STRUTTURA TERZIARIA: ripiegamento complessivo 3D Rappresenta un livello di organizzazione superiore e si riferisce all’organizzazione nello spazio della catena proteica nella sua completezza, comprendendo cioè sia le regioni di catena ordinate in strutture periodiche che quelle prive di regolarità. Si avvale di interazioni fra aminoacidi che si trovano in posizioni anche lontane nella sequenza amminoacidica ed è strettamente dipendente dai gruppi R e in particolare dalla loro polarità. La struttura terziaria tiene conto delle relazioni a lungo raggio nella sequenza amminoacidica.  La struttura terziaria è stabilizzata da 4 tipi di interazioni: 1.INTERAZIONI IDROFOBICHE: gli amminoacidi con catene laterali non polari tendono a localizzarsi all’interno della molecola dove si associano con altri residui idrofobici. 2.INTERAZIONI IONICHE : i gruppi con carica negativa (- COO-) possono interagire con gruppi carichi positivamente (-NH3+) 3.LEGAMI A IDROGENO 4.LEGAMI DISOLFURO Viene stabilizzata principalmente da interazioni idrofobiche interne alla molecola ( amminoacido con R idrofobico) e da interazioni deboli ( legami H, interazioni ioniche ) sulla superficie della molecola. PONTE DISOLFURO è un legame covalente che si forma tra i gruppi SH di due cisteine e stabilizzano la struttura unendo parti di una stessa proteina o di proteine diverse. Le due cisteine possono essere molto lontane nella stessa catena polipeptidica o appartenenti a due diverse catene. ➔ STRUTTURA QUATERNARIA: associazione di più catene polipeptidiche E’ la disposizione delle subunità in complessi tridimensionali.i E’ propria delle proteine costituite da più catene polipeptidiche. Più subunità proteiche infatti possono associarsi a formare dimeri, trimeri, tetrameri. Le subunità interagiscono grazie ad interazioni non covalenti quali legami idrogeno, legami ionici e interazioni idrofobiche. La conformazione tridimensionale di una proteina dipende da: -SEQUENZA DEGLI AMMINOACIDI essendo le catene laterali degli amminoacidi di natura chimica diversa, le interazioni tra di essi si formeranno a seconda del loro ordine nella catena polipeptidica -CONCENTRAZIONE DEGLI IONI E DAL PH della soluzione in cui si trova. Il pH perché se lo abbasso (dovrebbe essere intorno a 7,4 ) oltre il 6.8 il tessuto e organismo non funziona più perché le proteine perdono la loro struttura. In ambiente acquoso la proteina assume una conformazione tale da disporre tutti i gruppi R idrofilici verso l’esterno e quelli idrofobici all’interno. In ambiente idrofobico le proteine integrali di membrana contengono delle sequenze continue (15 aa o più) di amminoacidi non-polari che si inseriscono nel doppio strato lipidico della membrana. In questi casi, i gruppi R idrofobici degli aa possono stabilire interazioni idrofobiche con le code idrocarburiche dei lipidi e assumere conformazioni più lineari di tipo elicoidale. Il polipeptide dopo la sintesi proteica, fluttua in ambiente acquoso in una forma definita nascente per poi assumere istantaneamente la forma strutturale definitiva, chiamata nativa. L’assunzione della forma nativa è un fenomeno cooperativo istantaneo (millisecondi), favorito dalle interazioni idrofobiche delle catene laterali degli aminoacidi che si collocano internamente, lontano dall’acqua, dai legami deboli che si instaurano fra R polari e dai ponti disolfuro instaurati fra residui di cisteina. La forma nativa sarà la forma più stabile e in molti casi l’assunzione della struttura terziaria e quaternaria è guidata da proteine di accompagnamento di strutturazione chiamate chaperon molecolari che impediscono percorsi di strutturazione scorretti. Alcune patologie derivano da proteine che non sono in grado di raggiungere la loro struttura funzionale e che tendono a formare grossi aggregati (fibrille o forme amiloidi). Fra esse: Alzheimer, Parkinson, encefalopatia spongiforme, diabete di tipo II.  PROTEINE Le proteine si possono dividere in due grandi famiglie: 1. FIBROSE: sono delle lunghe catene polipeptidiche disposte in modo lineare e presentano una struttura primaria e secondaria. 2. GLOBULARI: le catene polipeptidiche si ripiegano e la proteina assume la struttura pseudosferica. Presentano una struttura primaria, secondaria, terziaria e in alcuni casi quaternaria. Presentano catene polipeptidiche ripiegate e assumono forme globulari o sferiche. I due gruppi differiscono anche funzionalmente per il fatto che le proteine che determinano la resistenza, la forma e la protezione esterna delle cellule dei vertebrati sono fibrose mentre gli enzimi e le proteine regolatrici sono per la maggior parte globulari. L’unità strutturale di base è un semplice elemento di struttura secondaria ripetuto. FIBROSE come collagene e cheratina → hanno catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci o in foglietti → in genere presentano un unico tipo di struttura secondaria → sono solubili in H2O per la presenza di elementi idrofobici → le catene polipeptidiche si associano in complessi sopramolecolari in modo da nascondere al solvente le superfici idrofobiche. → Sono adatte a ruoli strutturali (p.es. -cheratina, collagene). → Hanno proprietà tali da conferire resistenza e / o elasticità alla struttura di cui fanno parte. COLLAGENE SI vede bene la sua organizzazione strutturale e costituisce il 25% del totale delle proteine del corpo umano (presente in matrice extracellulare, tessuto connettivo). E’ una proteina fibrosa con la funzione di sostegno e ha una composizione particolare dove circa 1/3 sono glicina (Gly-X- Y), sono presenti due aa l’idrossiprolina e in minor quantità idrossilisina. La struttura secondaria ad elica è diversa dall’alfa elica classica, si ha un avvolgimento sinistrorso con tre residui amminoacidi per giro. Tre catene polipeptidiche si avvolgono a formare una tripla elica destrorsa (tropocollagene). - Il tropocollagene, è una struttura elicoidale superavvolta (coiled-coil). Gly (rosso) per le sue piccole dimensioni si trova all’interno della tripla elica. - La struttura della triplice elica è stabilizzata da legami di idrogeno intermolecolari fra i gruppi NH- e CO- del legame peptidico delle tre catene polipeptidiche e dalla presenza di molti residui di prolina e idrossiprolina. Dato che la prolina e idrossiprolina sono aminoacidi ciclici rigidi, essi limitano la rotazione dell’impalcatura polipeptidica e perciò contribuiscono alla stabilità della triplice elica. Diverse catene di tropocollagene si associano formando fibrille e fibre. Fra le fibre si instaurano legami crociati covalenti che aumentano di numero con l’età, rendendo fragili i tessuti. A seconda del ruolo che svolge assume o una conformazione ordinata della fibra di collagene (es: tendini) oppure si trova disperso a formare un gel che sostiene il tessuto stesso (es: matrice extracellulare dell’umor vitreo). Il collagene è una proteina glicosilata Glicosilazione del collagene: -Aggiunta di carboidrati (glucosio e galattosio) ai residui di idrossilisina, conferiscono rigidità alla molecola: 0.5% nella pelle, 4% nella cartilagine e >10% nella lamina basale. La 4-idrossiprolina si forma dopo la sintesi proteica grazie alla presenza di acido ascorbico (vitamina C); la sua carenza causa lo scorbuto, sindrome caratterizzata dalla produzione difettosa dei tessuti connettivi contenenti il collagene non correttamente conformato. I sintomi sono: gengive gonfie e sanguinanti, ematomi sotto-pelle, articolazioni poco salde. La 4-idrossiprolina è presente in elevata percentuale esclusivamente nel collagene e costituisce un ottimo marcatore tissutale: le variazioni della sua concentrazione nell’urina, per esempio, indicano chiaramente lo stato fisiologico o patologico del metabolismo del collagene. GLOBULARI come mioglobina ed emoglobina che legano l’ossigeno → vari segmenti della catena si avvolgono gli uni sugli altri formando strutture compatte → possono contenere più tipologie di struttura secondaria → hanno funzioni molto diversificate all’interno della cellula, tale funzione è strettamente correlata alla struttura. Ossigeno non è solubile in acqua ed esistono due proteine che permettono il trasporto di O2 nel corpo: - EMOGLOBINA ( Hb ) che si trova nei globuli rossi e trasporta inoltre CO2 e H+ - MIOGLOBINA ( Mb ) che si trova nei muscoli, proteina di conservazione dell’ossigeno principalmente nelle fibre muscolari. L’ossigeno viene legato poi dal gruppo EME non proteico ed è formato da una parte organica con 4 anelli pirrolici e 1 atomo di ferro. Il Fe (II) forma 6 legami di coordinazione dove Fe lega 4 atomi di N, un residuo di istidina della catena polipeptidica e il sesto legame del ferro viene occupato in modo reversibile da una molecola di 02. Abbiamo una struttura planare e per ogni anello abbiamo 1 Fe. Fe 2* lega ossigeno in maniera reversibile, per avere attività biologica il ferro deve essere ridotta in Fe2+. Nella forma ossidata Fe3+ il ferro non è in grado di legare ossigeno ma una molecola di acqua. METAEMOGLOBINA ( Fe3+): Un po’ di metaemoglobina si forma continuamente negli eritrociti perché piccoli movimenti della tasca proteica dove è contenuto l’eme lasciano entrare acqua a contatto del ferro, che si ossida. L’enzima metaemoglobina reduttasi continuamente rigenera il Fe2+ utilizzando NADH come donatore di elettroni. In seguito all’ossigenazione lo ione ferro si avvicina al piano dell’eme. Questo cambiamento conformazionale non ha alcun effetto sulla funzione dell'emoglobina, mentre influenzerà la funzione dell’emoglobina. Quando il ferro non è legato all’ossigeno ha un cambio di disposizione, quando si lega all'ossigeno abbiamo l’azoto che si tira su. La metaemoglobina riesce solo a legare acqua e non l’ossigeno. Altre molecole come CO, NO e H2S si possono legare al gruppo eme spesso con affinità maggiore di quella dell’ossigeno. Per esempio CO ha un’affinità per il gruppo eme 200 volte maggiore di O2. MIOGLOBINA La mioglobina è la proteina che lega l’ossigeno ed è presente in tutti i mammiferi, in particolare nel tessuto muscolare. E’ rappresentata nella struttura primaria da un’unica catena polipeptidica formata da 153 amminoacidi, nella struttura secondaria da 8 alfa-elica e la struttura terziaria è globulare. Lega un gruppo eme e rilascia solo quando la quantità di ossigeno è molto bassa. La funzione della mioglobina è quella di facilitare il trasporto dell’O2 nel muscolo e conservarlo per i momenti in cui la domanda energetica è elevata. La curva di saturazione per l’ossigeno è di tipo IPERBOLICO. E’ una proteina globulare relativamente piccola che lega l’ossigeno. La posizione delle catene laterali degli amminoacidi è dovuta a una struttura la cui stabilità dipende in gran parte da interazioni idrofobiche. La maggior parte dei gruppi idrofobici si trova all’interno della molecola lontano dal contatto con l’acqua. Il gruppo eme relativamente piatto è confinato in una tasca della molecola della mioglobina e l’atomo di ferro posto al centro del gruppo eme ha due legami. EMOGLOBINA L’emoglobina è formata da 4 catene polipeptidiche simili alla catena della mioglobina. L’emoglobina è un tetramero ed è composta da due catena alfa formate da 141 amminoacidi e due catene beta formate da 146 amminoacidi e ogni catena lega un gruppo eme. L’emoglobina ha il ruolo di trasportare ossigeno dai polmoni ai tessuti e trasporta anche CO2 dai tessuti ai polmoni e ai reni dove viene eliminata. L’emoglobina per funzionare deve per forza avere una struttura quaternaria. Il legame di O2 all’emoglobina è di tipo cooperativo. Le quattro subunità dell’emoglobina interagiscono influenzando a vicenda, aumentando progressivamente l’affinità della proteina per l’ossigeno (cioè la facilità con cui l’ossigeno si lega). Il legame del primo ossigeno all’eme della prima subunità favorisce il legame del secondo ossigeno all’eme della seconda subunità; ciò favorisce il legame del terzo ossigeno e quindi del quarto. Questo comportamento è detto cooperatività positiva. 1.La curva di saturazione di Hb è di tipo sigmoidale dove il legame dell O2 all’Hb ( proteina allosterica) avviene in modo cooperativo. 2.La P50 di Hb è circa 10 volte maggiore di quella di Mb 3.Hb lega efficacemente ossigeno nei polmoni e lo rilascia nei tessuti. L’emoglobina è una proteina allosterica: proteina allosterica è una proteina in cui il legame di un ligando ad un sito modifica le proprietà di un altro sito sulla stessa proteina. L’affinità dell’ossigeno per le singole subunità dipende fortemente dallo stato di ossigenazione delle altre. La prima molecola si lega in modo lento, determina cambiamenti di conformazione che rendono più forti i legami successivi provocando una curva sigmoide e ossigeno è un effettore allosterico positivo. Una curva di tipo sigmoide è indicativa della presenza di interazioni cooperative tra i siti di legame, ovvero il legame di un ligando a un sito modifica le proprietà di legame di un altro ligando e così via. La mioglobina ed emoglobina hanno un diverso significato fisiologico: La mioglobina è un ottimo sistema di immagazzinamento dell’ossigeno. L’emoglobina è un ottimo sistema di trasporto dell’ossigeno. Molti fattori allosterici positivi o negativi influenzano l’affinità dell’Hb per l’ossigeno: - effettori allosterici positivi → ossigeno - effettori allosterici negativi: diminuisce l’affinità per l’ossigeno e sposta la curva di saturazione a destra: ➔ aumento di [ H+ ] ➔ aumento di pCO2 ➔ aumento di [ 2,3 bifosfoglicerato ] Se questi spostamenti sono moderati, l’effetto è positivo perché con la stessa saturazione di Hb nei polmoni viene ridotta la saturazione di Hb per ossigeno nei tessuti con conseguente aumento della quantità di ossigeno ceduto. PH → Il metabolismo dei tessuti periferici produce ioni H+ e CO2 che contribuiscono a far rilasciare O2 dall’Emoglobina. → Hb trasporta anche la CO2 e gli ioni H+ dai tessuti periferici ai polmoni. CO2 si lega ad Hb in modo inversamente proporzionale rispetto a O2. →Nei capillari dei polmoni CO2 viene eliminata e si verifica un aumento del pH del sangue; l’affinità O2 aumenta. → Protoni, CO2 ed ossigeno non si legano allo stesso sito di Hb. L’ossigeno si lega all’eme, i protoni si legano alle catene laterali dei residui aa dell’emoglobina e la CO2 al gruppo N-terminale delle globine. Il legame di H+ e CO2 all’emoglobina è inversamente proporzionale al legame di O2. [2,3 BISFOSFOGLICERATO ]- BPG → BPG abbassa l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno; è un effettore allosterico negativo → BPG è un intermedio normalmente presente nelle cellule molto abbondante nei globuli rossi → BPG è una molecola carica negativamente e si lega all’emoglobina in un sito distante distante da quello dell’ossigeno Il BPG abbassa l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno, è un effettore allosterico negativo. L’emoglobina fetale è un tetramero formato da due catene dette e due catene dette (22) L’emoglobina fetale ha un’affinità per l’ossigeno più elevata di quella materna in quanto le sue catene non sono in grado di legare BPG ENZIMI Sono i catalizzatori delle reazioni che avvengono nei sistemi biologici e sono delle proteine altamente specializzate dotate di straordinarie proprietà. Gli enzimi hanno un notevole potere catalitico e hanno un alto grado di specificità per i loro substrati, accelerano enormemente le reazioni chimiche e agiscono in soluzione acquosa in condizioni molto blande di temperatura e di pH. Alcuni enzimi hanno bisogno di componenti chimici addizionali chiamati cofattori. Un coenzima o uno ione metallico legato covalentemente alla proteina enzimatica viene detto gruppo prostetico. Nella medicina moderna rivestono un’importanza notevole: ➔ PATOLOGICO: molte patologie dovute ad un malfunzionamento di un enzima, anche causato da infezioni batteriche o virali. Malattie genetiche ereditarie in molti casi causati da una deficienza o assenza di un determinato enzima ➔ DIAGNOSTICO: la valutazione del livello di certi enzimi nel plasma sanguigno o in campioni di tessuto è essenziale per le diagnosi cliniche ➔ FARMACOLOGICO: l’attività di molti farmaci si basa sulla interazione con enzimi La velocità di una reazione è una misura sperimetale. La velocità di una reazione è rappresenta la variazione di concentrazione nell’unità di tempo. A+B→C+D velocità = k x [A] [B] dove la costante di velocità k è indipendente alla concentrazione ma che dipende dalla tipologia di reazione e dalla temperatura. Il valore di k aumenta all’aumentare della temperatura e al diminuire dell’energia di attivazione. CATALIZZATORI sono delle sostanze che aumentano la velocità di una reazione senza essere consumati dalla reazione e favoriscono un meccanismo di reazione diverso che comporta un energia di attivazione minore. I catalizzatori non promuovono reazione termodinamicamente sfavorite ossia reazioni con G>0. Gli enzimi sono i catalizzatori delle reazioni chimiche negli organismi viventi e sono per la maggior parte proteine. Caratteristiche comuni a tutti gli altri catalizzatori chimici: - Non fanno avvenire reazioni che non siano termodinamicamente possibili - Non alterano l'equilibrio della reazione - Si ritrovano inalterati alla fine del processo di catalisi Gli enzimi si distinguono dai catalizzatori chimici per molti aspetti: ➔ Sono straordinariamente efficienti La velocità delle reazioni catalizzate dagli enzimi sono almeno di alcuni ordini di grandezza più veloci della corrispondente reazione catalizzata chimicamente ➔ Sono spesso altamente specifici Gli enzimi hanno un elevato grado di specificità nel riconoscimento di substrati e prodotto; alcuni sono stereospecifici ➔ Sono modulabili L’attività catalitica può essere regolata in maniera fine e selettiva, sia in senso positivo che negativo. ➔ Condizioni di reazione meno drastica Le reazioni catalizzate dagli enzimi avvengono in condizioni relativamente moderate Gli enzimi si combinano in modo SPECIFICO con il substrato e abbassano l’energia di attivazione della reazione generando vie di stadi alternativi ciascuno caratterizzato da energie di attivazione molto inferiori rispetto all'energia di attivazione globale della reazione non catalizzata. E + S ←→ ES ←→E + P L’enzima interagisce con il substrato e promuove un meccanismo di reazione diverso. → Nella prima tappa di una reazione enzimatica i substrati si legano all'enzima in un sito specifico dell’enzima stesso. → Tale legame Enzima -Substrato avviene mediante legami deboli (legami ad idrogeno, di Van Der Waals, ionici) a bassa energia ma altamente stereospecifici. L'azione catalitica degli enzimi avviene grazie ad una interazione altamente specifica tra l'enzima ed il substrato che porta a facilitare la rottura di vecchi legami delle molecole e ne favorisce la formazione di nuovi. Le reazioni enzimatiche avvengono in una cavità dell’enzima detta sito attivo formata da un numero relativamente piccolo di amminoacidi. Nel SITO ATTIVO sono presenti: - amminoacidi responsabili del riconoscimento del o dei substrati, l’enzima stabilisce con il substrato numerose interazioni (legami a idrogeno, interazioni idrofobiche e dipolari) transitorie. - amminoacidi responsabili della rottura e formazione dei legami, alcuni gruppi chimici di aa specifici presenti nel sito attivo sono responsabili direttamente dell’evento Il sito attivo è costituito da una tasca (o fenditura) tridimensionale e occupa una parte relativamente piccola del volume totale di un enzima e sono dei micro ambienti unici. I substrati si legano all’enzima mediante un certo numero di interazioni deboli e la specificità del legame dipende dalla disposizione degli atomi nel sito attivo. Il sito attivo e il substrato devono essere complementari sia da un punto di vista geometrico che elettrostatico come una chiave e serratura. Inoltre in seguito al legame enzima substrato si generano cambiamenti conformazionali che ri-orientano i gruppi catalitici dell’enzima nei confronti dei gruppi reagenti del substrato con un andamento indotto. In assenza di glucosio e ATP la regione del sito attivo è accessibile ad H2O e molecole idrofile. In presenza dei substrati il sito attivo subisce una modificazione conformazionale che comporta la chiusura intorno al substrato impedendo l’accesso all’H2O. Al termine della reazione l’enzima torna alla configurazione sterica di partenza. Un enzima può utilizzare diversi meccanismi di catalisi per facilitare la rottura o la formazione di un legame, sfruttando i suoi gruppi funzionali catalitici opportunamente disposti. Tali processi coinvolgono: - interazioni covalenti transitorie con il substrato - il trasferimento di gruppi dal o al substrato I meccanismi di catalisi degli enzimi sono finalizzati a stabilizzare lo stato di transizione della reazione catalizzata. Molti enzimi per essere attivi richiedono l’intervento di cofattori e coenzimi. COFATTORE: ioni metallici come Cu2+, Fe3+, ,Zn2+, Ca2+ Gli ioni metallici prendono parte al processo catalitico secondo tre modalità principali: → Legano i substrati per orientarli correttamente ai fini della reazione. → Mediano reazioni di ossido-riduzione attraverso modificazioni reversibili del loro stato di ossidazione. → Stabilizzano o schermano cariche di segno opposto, spesso in modo analogo ad un protone neutralizzando cariche negative. COENZIMA: molecole organiche come NAD+, FAD, eme → Sono trasportatori di gruppi. → Possono essere legate transitoriamente all’enzima o permanentemente (gruppi prostetici). I coenzimi spesso partecipano direttamente alla reazione ritrovandosi alla fine chimicamente modificati. Perché si completi un ciclo catalitico il coenzima deve essere rigenerato ossia ritornare al suo stato iniziale. Questo può avvenire anche grazie all’intervento di un altro enzima Alcuni importanti coenzimi sono dei derivati di vitamine idrosolubili, di cui rappresentano le forme metabolicamente attive. Le vitamine idrosolubili sono molecole organiche essenziali per l’uomo e per gli animali in quanto non possono essere sintetizzate a partire da molecole più semplici, ma devono essere assunte con l'alimentazione. Sono necessarie piccole quantità giornaliere. Le vitamine idrosolubili sono assorbite dall’intestino tenue con meccanismi di trasporto passivo o con carrier specifici, e attraverso il circolo sanguigno raggiungono le cellule. Raramente danno problemi di accumulo perché se sono in eccesso vengono eliminate con le urine. Vitamine liposolubili (A, D, E e K) sono assorbite con i grassi nel primo tratto dell’intestino e accumulate in alcuni organi come il fegato o il tessuto adiposo. Se accumulate in eccesso possono dare luogo a fenomeni di ipervitaminosi e hanno funzioni diverse: - precursori di ormoni (A e D) - un ruolo nella visione (A) - antiossidanti (E) La velocità delle reazioni enzimatiche dipende dalla concentrazione di substrato nella fase iniziale Vmax: velocità massima della reazione catalizzata da un enzima Km: costante di Michaelis-Menten, indica la quantità di substrato con la quale si ottiene la metà della velocità massima di un enzima Ogni enzima ha una caratteristica Km ad un substrato dove → Km piccola = alta affinità dell’enzima per il substrato → Km grande = bassa affinità dell’enzima per il substrato Il buon funzionamento di una cellula richiede che le varie reazioni enzimatiche possano essere regolate a seconda delle esigenze metaboliche. L’attività enzimatica viene regolata : 1. VARIANDO LA CONCENTRAZIONE DEL SUBSTRATO 2. VARIANDO LA CONCENTRAZIONE DI ENZIMA ATTIVO: - sintesi proteica - controllo della disponibilità della forma attiva dell'enzima (zimogeni) Uno zimogeno è un precursore inattivo dell’enzima che può essere trasformato irreversibilmente in enzima attivo mediante scissione dei legami covalenti. Tagli mirati e selettivi della catena polipeptidica, catalizzati da proteasi specifiche. Alcuni enzimi digestivi proteolitici, quali tripsina e chimotripsina sono sintetizzati in forma di precursori inattivi (zimogeni) nel pancreas; vengono poi attivati attraverso proteolisi specifica nel distretto dove devono operare. Sono attivati attraverso un meccanismo analogo anche altre proteine, quali l'insulina e diverse proteine della coagulazione del sangue (ad es. protrombina-trombina, fibrinogeno-fibrina). - degradazione degli enzimi 3. VARIANDO L’ATTIVITA’ DI UN ENZIMA: L’attività di un enzima varia al variare: - del pH : Ogni enzima raggiunge il valore massimo di attività ad un pH ottimale che dipende dall’ambiente in cui si trova l’enzima. La variazione di pH influenza la ionizzazione (protonazione) dei residui presenti nel sito attivo ( esempio la pepsina ha pH ottimale intorno a 2). Gli enzimi hanno un pH ottimale o un ambito di pH ottimale in cui la loro attività diventa massima. Le catene laterali degli amminoacidi possono agire da acidi e da basi deboli e possono quindi svolgere funzioni che dipendono dal loro stato di ionizzazione. - temperatura: All’aumentare della temperatura la velocità di reazione aumenta perché aumenta il moto browniano delle molecole e quindi le interazioni tra enzima e substrato diventano più probabili. Oltre un certa T si osserva un brusco calo dell’attività in conseguenza alla denaturazione dell’enzima. - modificazioni covalenti: modificazioni covalenti della proteina enzimatica → Fosforilazione/defosforilazione della catena polipeptidica. I residui amminoacidici coinvolti sono la serina, la tirosina o la treonina, ai quali si lega, mediante un legame estere, un gruppo fosforico.  → Le modificazioni di questo tipo sono reversibili e sono catalizzate da enzimi specifici: → proteina-chinasi provocano la fosforilazione dell'enzima; → proteina-fosfatasi provocano la defosforilazione. La fosforilazione può avere sia l'effetto di attivare, sia quello di inattivare un enzima. Generalmente, questo tipo di regolazione è diretto su un enzima-chiave di una via metabolica ed è chiaramente finalizzato a regolare l'intera via, in maniera razionale e funzionale. - effetti allosterici: Gli effettori allosterici si legano all’enzima in un sito diverso dal sito attivo. Il legame con effettori allosterici induce modificazioni conformazionali nell’enzima che convertono l’enzima in una forma più o meno attiva. Si tratta di piccoli metaboliti o cofattori. - inibizione enzimatica: L’attività degli enzimi è viene inibita tramite alcune molecole dette inibitori, sostanze che si legano agli enzimi formando complessi che non sono più in grado di legare il substrato e di catalizzare la reazione e questi tipi di regolazione sono: REVERSIBILI, una volta rimossa la molecole che funge da inibitore l’attività enzimatica viene mantenuta intatta. L’inibizione enzimatica reversibile è il principio d’azione di molti farmaci infatti molti farmaci (FANS, ipocolesterolemizzanti, sedativi ecc.) agiscono inibendo reversibilmente gli enzimi. Essi inibiscono temporaneamente un enzima della via metabolica ma, una volta metabolizzato il farmaco, la funzione enzimatica viene ripristinata. Molti agenti antimicrobici, tipo sulfamidici, antibiotici e antivirali, agiscono secondo lo stesso principio. In questi casi vengono inibiti gli enzimi di vie metaboliche essenziali per la sopravvivenza di questi microrganismi ma che non sono presenti negli organismi superiori. Esistono più tipologie di inibizioni reversibili: - competitiva → compete con il substrato per il sito attivo dell’enzima e quando inibitore occupa il sito attivo, impedisce il legame del substrato con l’enzima formando complessi EI senza dar luogo alla catalisi. Poichè l’inibitore si lega reversibilmente all’enzima, la competizione può essere superata semplicemente aumentando la concentrazione del substrato - non competitivo → si lega ad un sito distinto da quello del substrato e, contrariamente all’inibitore competitivo , solo al complesso ES.  - misto → si lega d un sito diverso dal sito attivo ma può legarsi sia ad E che a ES IRREVERSIBILI, l’enzima non può ritornare alla sua normale funzionalità. si legano in modo stabile all’enzima modificando alcuni amminoacidi essenziali per la sua attività catalitica. Molte sostanze tossiche sono inibitori irreversibili. Composti organofosforici: sostanze tossiche utilizzate come gas nervini si legano all’acetilcolina esterasi, enzima che catalizza l’idrolisi dell’acetilcolina, inibendo la sua attività. Si accumula in questo modo molto neurotrasmettitore interferendo con la regolare trasmissione nervosa il 5-fluorouracile un chemioterapico inibisce in modo irreversibile un enzima chiave della sintesi della timidina con conseguente blocco della biosintesi del DNA e morte della cellula. Una particolare classe di inibitori irreversibili sono gli inattivatori suicidi dove questi composti sono relativamente stabili fino a che non si legano al sito attivo di uno specifico enzima, essendo convertiti in composti molto reattivi che si combinano irreversibilmente con l’enzima. Questi inattivatori hanno un ruolo importante nella progettazione razionale dei farmaci. L’inibizione enzimatica deve essere: - RAPIDA: La regolazione da parte di un inibitore viene definita "a breve termine", per sottolineare l'immediatezza della risposta. - SPECIFICA: Ogni enzima risponde selettivamente solo ad un ristretto numero di inibitori - RAZIONALE: Accade spesso che il prodotto finale di una via metabolica sia un potente inibitore del primo enzima della via stessa. In questo modo la cellula può realizzare un notevole risparmio di energia, bloccando l'intera sequenza di reazioni, quando vi sia ampia disponibilità del prodotto finale di quella. SGUARDO D’INSIEME AL METABOLISMO Il metabolismo è la somma di tutte le trasformazioni chimiche che avvengono in una cellula o in un organismo, avviene attraverso una serie di reazioni catalizzate ed enzimi che costituiscono le vie metaboliche. Il termine metabolismo intermedio viene spesso usato per indicare tutte le attività di quelle vie metaboliche che interconvertono precursori, metaboliti e prodotti con una massa molecolare relativamente bassa. Il catabolismo è la fase degradativa del metabolismo in cui le molecole organiche dei nutrienti vengono convertite in prodotti finali più semplici e sono vie convergenti. Nell’anabolismo chiamato anche biosintesi, i precursori semplici vengono uniti tra loro per costruire molecole complesse più grandi come lipidi, polisaccaridi, proteine e gli acidi nucleici e sono vie divergenti. Il metabolismo è l’insieme di reazioni chimiche attraverso le quali un organismo produce e consuma energia. Lo stato di equilibrio chimico si raggiunge quando: - la velocità della reazione diretta e quella della reazione inversa sono uguali. - la concentrazione dei reagenti e dei prodotti non varia nel tempo Le proprietà macroscopiche del sistema si mantengono costanti in determinate condizioni  i processi microscopici continuano ma le proprietà macroscopiche non cambiano in quanto i processi opposti si bilanciano l’equilibrio è una situazione dinamica nella quale la concentrazione dei reagenti e dei prodotti non varia nel tempo Legge dell’azione di massa: all’equilibrio, per ogni valore di temperatura, esiste un rapporto costante tra il prodotto delle concentrazioni delle sostanze formate e il prodotto delle concentrazioni delle sostanze reagenti, ciascuna elevata a una potenza pari al proprio coefficiente stechiometrico. Questo rapporto viene definito COSTANTE DI EQUILIBRIO: ➔ prevede il verso nel quale la reazione si svolge ➔ dice se all’equilibrio la miscela contiene una elevata o bassa quantità di prodotto ( rese nei processi industriali) ➔ non fornisce informazioni sulla velocità necessaria per raggiungere l’equilibrio Se il valore della costante di equilibrio è molto basso → la reazione è spostata a sinistra Se il valore della costante di equilibrio è intermedio → l’equilibrio non favorisce fortemente nè i prodotti nè i reagenti Se il valore della costante di equilibrio è elevato → la reazione è spostata verso destra. PRINCIPIO DI LE CHATELIER: quando un sistema all’equilibrio viene perturbato ( P, C di reagenti o prodotti ), il sistema reagisce in modo da opporsi alla perturbazione. Si ottiene un nuovo equilibrio in cui sono cambiate le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti ma non il valore di Keq. Una variazione della P o delle Concentrazioni provocherà una variazione nelle concentrazioni all’equilibrio, per mantenere invariata la Keq. La temperatura è l’unico parametro che influenza la posizione dell’equilibrio perché fa variare il valore della costante di equilibrio. Durante una trasformazione un sistema può scambiare energia con l’ambiente circostante e viene considerata POSITIVA l’energia che passa dall’ambiente al sistema e NEGATIVA quella che passa dal sistema all’ambiente Ogni sistema viene definito da: - pressione - temperatura - volume - composizione ENERGIA E UNITA’ DI MISURA Le cellule e l'organismo devono produrre lavoro per vivere, per crescere e per riprodursi. Essi usano l’energia chimica presente nelle sostanze nutrienti per favorire i processi di sintesi delle molecole complesse partendo da precursori semplici e producendo macromolecole con strutture altamente ordinate. La bioenergetica è lo studio quantitativo delle trasduzioni energetiche che avvengono nelle cellule, e della natura e delle funzioni dei processi chimici alla base di queste conversioni di energia. Joule (J): è il lavoro richiesto per esercitare una forza di un newton per una distanza di un metro Caloria (cal): quantità di calore richiesto per innalzare di un grado Celsius la temperatura di un grammo di acqua. Il multiplo della caloria più utilizzato è la kilocaloria che corrisponde a 1000 cal. 1 cal corrisponde a 4.18 J I carboidrati, i grassi e le proteine sono i tre principali alimenti che producono energia per il nostro organismo. L'ossidazione di 1 g di carboidrati produce 4 kcal, l'ossidazione di 1 g di grassi produce 9 kcal, l'ossidazione di 1 g di proteine genera 4 kcal. Gli organismo viventi usano due strategie per produrre energia: 1. assumono combustibili chimici dell’ambiente e ossidandoli ne estraggono energia 2. assorbono energia dalla luce In ogni trasformazione fisica o chimica la quantità totale di energia deve rimanere costante anche se la forma di energia cambia ( principio di conservazione dell’energia ) dove le cellule sono degli ottimi trasduttori di energia in grado di convertire l’energia da una forma all’altra. In tutti i processi naturali l’entropia tende ad aumentare secondo la seconda legge della termodinamica. ENERGIA LIBERA DI GIBBS Esprime la quantità di energia in grado di produrre lavoro durante una reazione a temperatura e pressione costanti.Nelle reazioni endoergoniche il sistema guadagna energia libera e il deltaG è positivo. Durante una reazione chimica che avviene a temperatura e pressione costante la variazione di energia che si ha quando il sistema passa dallo stato iniziale a quello finale viene chiamata variazione di energia libera deltaG G = H - TxS dove il g rappresenta quella frazione di energia che è disponibile per compiere un lavoro utile. La funzione di stato non dipende dal cammino della trasformazione ma solo dal suo stato finale ed iniziale. deltaG < 0 abbiamo una reazione spontanea → ESOERGONICA se una reazione è spontanea quel valore di deltaG è l’energia che si libera durante il processo e rappresenta il massimo lavoro sfruttabile deltaG > 0 abbiamo una reazione non spontanea → ENDOERGONICA deltaG = 0 abbiamo la reazione all’equilibrio → EQUILIBRIO energia libera standard = è l’energia misurata in condizioni standard T= 298 K , 1 mol/L e P=1 atm energia libera standard trasformata = energia misurata in condizioni standard da un punto di vista biochimico P=1atm, T =298K , pH=7 , dell’acqua 55,5 M. Gli animali sono organismi chemiotrofi cioè ottengono energia necessaria al loro metabolismo per via chimica, nello specifico da molecole organiche complesse.  Tutti i costituenti cellulari vengono costantemente prodotti e degradati allo scopo di produrre da un lato nuove molecole e dall’altro energia. Il metabolismo si divide in: 1. CATABOLISMO detta anche fase degradativa del metabolismo ed è l’insieme di reazioni di degradazione ossidativa del materiale nutriente o dei componenti cellulari. I processi catabolici sono per lo più esoergonici e lo scopo è quello di produrre ATP, o altri composti ad alta energia, e composti ridotti come NADH, FADH2 Proteine, carboidrati e grassi vengono convertiti in molecole semplici (piruvato-lattato, CO2, H2O). L’energia libera rilasciata viene conservata direttamente sotto forma di molecole ad alta energia (ATP) o indirettamente come potenziale riducente mediante trasportatori di elettroni (NADH, NADPH e FADH2) 2. ANABOLISMO detta anche fase biosintetica del metabolismo ed è l'insieme di reazioni di sintesi a partire da composti semplici. Sono per lo più reazioni endoergoniche delta G>0 e consumano energia. Precursori relativamente semplici vengono utilizzati per costruire molecole complesse (lipidi, polisaccaridi, proteine, acidi nucleici). Le reazioni anaboliche richiedono energia (ATP) e potere riducente (NADH, NADPH e FADH2) Le migliaia di reazioni chimiche del metabolismo cellulare non avvengono contemporaneamente ma sono organizzate in vie metaboliche. In una via metabolica il reagente (o i reagenti) viene trasformato in prodotto attraverso una serie di reazioni chimiche, tutte catalizzate da enzimi. Ad ogni reazione, la sostanza di partenza subisce solo piccole modificazioni chimiche (in genere la rimozione, l’aggiunta o il trasferimento di un atomo o di gruppi funzionali) generando prodotti che saranno substrati per l’enzima successivo. Dopo un certo numero di reazioni consecutive, si ottiene il prodotto desiderato. Le molecole generate in questa serie di reazioni sono denominate intermedi di reazione o METABOLITI. La produzione di energia all’interno della cellula avviene grazie a processi con valori di deltaG fortemente negativo. Al contrario, la biosintesi di molecole complesse a partire da semplici precursori è caratterizzata da valori di deltaG positivi, che richiedono un contributo energetico esterno per poter avvenire. Quasi tutte le reazioni metaboliche della cellula accoppiano reazioni favorite energeticamente con quelle non favorite sfruttando un intermedio comune che funge da trasportatore di energia. La prima reazione della glicolisi è fortemente endoergonica e per poter avvenire viene accoppiata all’idrolisi di ATP fortemente esoergonica e il risultato finale è una reazione spontanea con deltaG < 0. Le vie metaboliche procedono mediante accoppiamento di reazioni catalizzate da enzimi in modo che la variazione di energia libera complessiva della via assuma un valore negativo. Come può l’energia biologica liberata da una reazione esoergonica essere trasferita ad una reazione endoergonica? - la disponibilità di una forma di energia a rapido scambio  - composti ad alta energia ATP ADENOSINA TRIFOSFATO Un organismo produce circa 40 kg di ATP in un giorno. L’ATP è una molecola ad elevato contenuto energetico in quanto il gruppo trifosforico contiene due legami fosfoanidridici. ANIDRIDE → due acidi carbossilici FOSFOANIDRIDE → due acidi fosforici REAZIONE DI IDROLISI DI ATP Le cellule eterotrofe ottengono energia libera in forma chimica mediante il catabolismo delle molecole di sostanze nutrienti e usano questa energia per produrre ATP a partire da ADP e Pi. ATP dona poi una parte della sua energia libera nei processi endoergonici. E’ una reazione fortemente esoergonica con deltaG < 0 L’ATP è definita una “molecola ad alta energia di idrolisi”; la rottura di uno o due legami fosfoanidridici in seguito al trasferimento di un gruppo fosforico o pirofosforico (due fosfati) ad un altro substrato libera grandi quantità di energia. ATP + H2O → ADP + P + energia ATP + H2O → AMP + PP + energia ATP fornisce energia per il trasferimento del gruppo. Il gruppo fosforico viene trasferito al substrato o a un amminoacido dell’enzima partecipando alla reazione a cui deve fornire energia. ATP nelle cellule eucariotiche viene prodotto con due meccanismi diversi: 1. fosforilazione a livello del substrato Un intermedio metabolico fosforilato cede il fosfato all’ADP secondo lo schema generale:  XP + ADP →← X + ATP Nella cellula esistono composti fosforilati e tioesteri ad alta energia: hanno una energia libera di idrolisi molto elevata che viene utilizzata per sintetizzare ATP a partire da ADP - Fosfoenolpiruvato: composto fosforilato - 1,3 bifosfoglicerato: composto fosforilato - Fosfocreatina: composto fosforilato 2. fosforilazione ossidativa riossidazione dei composti che sono stati ridotti durante l’ossidazione dei nutrienti. Viene consumato ossigeno e prodotta acqua. Nelle cellule la maggior parte dell’ATP viene prodotta per fosforilazione ossidativa. Nelle cellule la maggior parte dell’ATP viene prodotta per fosforilazione ossidativa. La riossidazione dei composti che sono stati ridotti durante l’ossidazione dei nutrienti. Negli organismi aerobici l’accettore finale degli elettroni è O2, tuttavia gli elettroni non vengono trasferiti direttamente dalle sostanze nutrienti all’O2. Nella cellula esistono molti enzimi che catalizzano le redox. Questi enzimi trasferiscono gli elettroni dei loro substrati su pochi tipi di trasportatori universali. Le coppie NADH/NAD+ e NADPH/NADP e il FADH2/FAD sono i principali trasportatori di elettroni nelle reazioni di ossidoriduzione. Il NAD, nicotinammide adenin dinucleotide, è un coenzima presente in tutte le cellule. Il NAD+ è la forma ossidata del coenzima ed è il principale accettore di elettroni nelle ossidazioni delle biomolecole, la sua parte reattiva è data dall'anello nicotinammidico e in genere opera nelle ossidazioni cataboliche. Il NADH è la sua forma ridotta ed è solitamente il coenzima delle riduzioni nelle reazioni anaboliche. FLUSSO DI UNA VIA METABOLICA: La termodinamica stabilisce la direzione delle vie metaboliche 1. nessuna reazione metabolica è all’equilibrio infatti il deltaG è diverso da zero 2. la maggior parte sono vicine all’equilibrio, la velocità della reazione e la direzione risentono della concentrazione dei substrati. Saranno gli stessi substrati e prodotti a determinare il verso del flusso metabolico 3. Le reazioni molto esoergoniche, ovvero deltaG < 0, sono praticamente irreversibili. Se una reazione di questo tipo è parte di una via metabolica a più tappe, essa conferisce una direzione precisa all’intera via. Solitamente queste reazioni sono posizionate all’inizio dell’intera via metabolica. In questo caso, la variazione della concentrazione dei metaboliti ha scarso effetto sulla reazione, solo le variazioni dell’attività enzimatica avranno effetto sulla reazione. 4. Le vie cataboliche e quelle anaboliche non sono mai l’inverso l’una dell’altra o meglio esiste sempre almeno una tappa diversa. Nonostante l’elevato consumo di metaboliti, la cellula si trova in una condizione di stato stazionario ossia la concentrazione dei vari metaboliti è pressoché costante. La velocità delle reazioni di sintesi e demolizione dei metaboliti sono regolate in modo che queste sostanze si trovino dentro la cellula ad una concentrazione costante. Qualsiasi perturbazione della concentrazione di queste sostanze mette in atto un insieme di processi che si riflettono sull’intera via metabolica così da ripristinare la concentrazione. Effetti biologici dell’insulina sul metabolismo degli zuccheri: -aumenta la glicolisi, ossia il consumo di glucosio -aumenta la deposizione del glucosio come glicogeno (glicogenosintesi) -blocca la glicogenolisi e la gluconeogenesi, ossia diminuisce la sintesi di glucosio. REGOLAZIONE DEL METABOLISMO: le vie metaboliche devono essere coordinate e facilmente regolabili per far sì che la produzione di energia o la sintesi di prodotti rispondano ai bisogni delle cellule 1. Le vie metaboliche hanno una precisa localizzazione cellulare 2. Regolazione dell’attività enzimatica Sono modulati soprattutto gli enzimi che controllano la tappa limitante dell’intera via metabolica. Molti enzimi sono regolati in modo allosterico da effettori che spesso sono substrati o prodotti o coenzimi della stessa via, ma non necessariamente dell’enzima in questione. Altri sono regolati in modo covalente, ad esempio presentano siti di fosforilazione 3. Regolazione della quantità di un enzima Non solo viene modulata l’attività di un enzima ma può essere regolata la quantità mediante controllo genetico.  4. Ormoni interagendo con specifiche molecole bersaglio stimolano o inibiscono un intero processo metabolico attraverso il controllo dell’attività degli enzimi o della loro biosintesi 1° Fase (digestione): scissione delle macromolecole in molecole più semplici principalmente monosaccaridi, aa, acidi grassi e glicerolo 2° Fase: reazione ossidative diverse raggruppate in più vie metaboliche portano alla produzione di un intermedio comune l’ acetil-CoA con produzione diretta di ATP 3° fase: degradazione finale ad acqua, anidride carbonica e ammoniaca Acetil-CoA viene ossidato nel ciclo di Krebs a CO2 con la contemporanea riduzione di NAD+ a NADH e FAD a FADH2. Nei mitocondri la riossidazione di NADH e FADH2 ad opera di O2 durante la fosforilazione ossidativa e la catena respiratoria porta alla produzione di H2O e di ATP. Serve inoltre come elemento base per costruire nuovi aa, zuccheri, ac. grassi e glicerolo che saranno utilizzati per produrre macromolecole.Le proteine, i carboidrati, i lipidi ingeriti con la dieta non sono gli stessi che compongono l’organismo ma sono degradati e rielaborati secondo il codice genetico della cellula. METABOLISMO CARBOIDRATI I carboidrati sono le molecole biologiche più abbondanti sulla Terra. Sono costituiti da C, H e O combinati secondo la formula generale (C・H2O)n con n≥3. - funzione energetica ( catabolismo glucosio), non ne ricaveremo una quantità abbondante ma comunque sono importanti. - funzione strutturale, entrano a far parte delle membrane, matrice extracellulare Possiamo parlare di monosaccaridi ( le molecole più semplici) o polisaccaridi ( polimeri costituiti da numerose unità monosaccaridiche uguali o diverse tra loro). → I carboidrati nel nostro organismo sono una riserva → sono composti polifunzionali ovvero che posso distinguere più gruppi funzionali → Poliidrossialdeidi ( tanti gruppi OH) o Poliidrossichetoni I carboidrati conterranno gruppo ossidrilico e carbonilico: MONOSACCARIDI vengono classificati in: 1. numero di atomi di carbonio presenti  - TRIOSI, - TETROSI - PENTOSI - ESOSI 2. tipi di gruppo carbonilico - aldosi → aldeidico - chetosi → chetonico - La gliceraldeide è l’aldoso più semplice, negli aldosi la catena viene numerata a partire dal carbonio aldeidico. Il capostipite dei chetoni invece avrà il carbonio in posizione 2 e si tratta del diidrossiacetone. In tutti i chetosi il carbonile è in posizione 2. Aldosi e chetosi a più di 3 atomi di carbonio derivano dalla gliceraldeide o dal diidrossiacetone per aggiunta di un CHOH. i carboidrati contengono molti gruppi datori e accettori di ponti idrogeno e sono molto solubili in H20. All’aumentare del numero di atomi di carbonio nello zucchero aumenta il numero di carboni chirali e quindi di possibili stereoisomeri → molecole nelle quali gli atomi sono legati tra loro nello stesso modo, ma differiscono per la loro disposizione spaziale. ➔ una molecola con centri chirali ha 2n stereoisomeri ➔ la gliceraldeide ha 1 centro chirale, quindi 2 stereoisomeri, sono due isomeri ottici quindi enantiomeri ➔ gli aldosi con 3 C chirali hanno 8 stereoisomeri, quelli con 4 ne hanno 16 D-GLUCOSIO è un aldoesoso Convenzione di Fischer: in corrispondenza del centro chiralico più lontano dal gruppo carbonilico, gli zuccheri della serie D hanno configurazione uguale alla D gliceraldeide quindi presentano OH a destra. Quattro atomi di carbonio chirale permettono l’esistenza di 16 stereoisomeri dove ne abbiamo 8 stereoisomeri della serie D e 8 della serie L : Gli stereoisomeri di una stessa famiglia di monosaccaride possono essere divisi in due gruppi che differiscono solo per la configurazione del centro chirale più lontano dal carbonile. Gli zuccheri che hanno configurazione di questo centro chirale uguale alla D gliceraldeide appartengono alla serie D (OH a destra); quelli con configurazione uguale alla L gliceraldeide appartengono alla serie L. Fruttosio presenta sempre 6 atomi di carbonio ed è un chetone, il suo carbonio carbonilico sarà in posizione 2 e presenta 3 carboni chirali. STRUTTURE CICLICHE: in soluzione acquosa i monosaccaridi assumono una struttura ciclica dove la funzione aldeidica o chetonica reagisce con un ossidrile della catena. I monosaccaridi in soluzione acquosa hanno in realtà una struttura ciclica a causa della reazione intramolecolare tra gruppo aldeidico o il gruppo chetonico ed un ossidrile in posizione adeguata. Due unità di monosaccaridi unite da un legame covalente costituiscono i disaccaridi. Il legame ( legame glicosidico) si forma tramite una reazione di condensazione tra il gruppo -OH legato al carbonio anomerico e uno dei gruppi alcolici della seconda molecola. Legame alfa 1-4 Polisaccaridi: → contengono più unità di monosaccaridi legate tra loro → presentano catene di varia lunghezza con pesi molecolari diversi → possono essere formati dallo stesso monosaccaride ( più frequenti) o da monosaccaridi diversi → le unità di monosaccaridi possono essere legate a formare catene continue, oppure catene ramificate I polisaccaridi assolvono due funzioni principali: - riserve di energia: principale forma di immagazzinamento dei carboidrati. - ruolo strutturale: costituenti di sostanze extracellulari con funzioni strutturali di sostegno o collegamento. GLICOGENO è il polisaccaride di riserva delle cellule animali e ha una struttura simile all’amilopepctina Le molecole di glucosio sono unite da legami 1,4 alfa-glicosidici ( catena principale ) 1,6 alfa-glicosidici (ramificazioni). La struttura è molto ramificata ( si ha una ramificazione ogni 8-12 unità di glucosio) e la massa molecolare è molto elevata dove si hanno fino a 100000 unità di glucosio. Il glicogeno forma dei granuli che si accumulano soprattutto nelle cellule del fegato presente anche nel muscolo scheletrico e nelle cellule del rene. Abbiamo diverse fonti di glucosio: → dieta : amido ( cereali, legumi, patate), saccarosio ( frutta ), lattosio ( circa 50 g/litro latte vaccino) → riserve : glicogeno epatico → biosintesi: gluconeogenesi epatica a partire da precursori non glucidici Queste fonti permettono una costante disponibilità di glucosio nel sangue, che è mantenuta entro una concentrazione (4,5-5 mM) strettamente regolata. Prima fase è la digestione ed è la scissione delle macromolecole in molecole più semplici, principalmente glucosio, aminoacidi, acidi grassi e glicerolo. La maggior parte del glucosio e il galattosio vengono assorbiti velocemente nelle membrane dei ville intestinali mediante un trasporto attivo che consuma ATP. Il fruttosio viene recuperato più lentamente con una diffusione passiva. I monosaccaridi sono trasportati attraverso l’organismo e vengono utilizzati principalmente come fonte di energia e di atomi di carbonio per i processi anabolici. Se viene ingerita una grande quantità di zuccheri, una parte degli atomi di carbonio viene trasformata in grassi. L’ingresso del glucosio nella cellula è reversibile, ma la reazione di fosforilazione catalizzata dall’esochinasi è endoergonica e praticamente irreversibile. Il G6P viene praticamente “intrappolato” all’interno della cellula. GLUT regolano la captazione del glucosio da parte dei vari tessuti in funzione dei livelli ematici >12 isoforme GLUT. - GLUT1 → eritrocita, ubiquitario - GLUT2 → epatociti, cellule beta pancreas - GLUT3 → cervello ( membrane plasmatiche ) , placenta ( insulina indipendenti) - GLUT4 → muscolo scheletrico ( vescicole nel citoplasma) e cardiaco ( insulina dipendente), tessuto adiposo riserva intracellulare. Nel muscolo e nel tessuto adiposo: rimuove l’eccesso di glucosio dopo pasto abbondante. MUSCOLO: GLUT 4 immagazzinato dentro vescicole intracellulari In seguito allo stimolo dell’insulina e/o dell’esercizio fisico, GLUT4 viene traslocato sulla membrana, con aumento dei trasportatori sulla superficie ed aumento dell’attività di trasporto. L’insulina stimola anche la sintesi ex novo alterata risposta all’insulina: ridotta assunzione del glucosio da parte dei tessuti periferici ed iperglicemia  GLICOLISI → E’ una via catabolica e abbiamo rottura di glucosio. → Abbiamo la trasformazione di 1 molecola di glucosio a due molecole di piruvato tramite l’ossidazione del glucosio. → Per ogni molecola di glucosio produco 2 molecole di NADH ( coenzima trasportatore di elettroni, forma ridotta) e 2 molecole di ATP. → Via citoplasmatica di demolizione del glucosio, che conduce alla formazione di acido piruvico (piruvato). → La glicolisi è una via metabolica universale presente non solo negli animali e nelle piante, ma anche nella maggior parte dei microrganismi. → La sua universalità e il fatto di essere anaerobica fanno pensare che sia una via metabolica che si è sviluppata agli inizi della vita sulla terra in organismi procarioti anaerobi, che vivevano quando l’atmosfera era ancora povera di O2. → La glicolisi è rimasta poi inalterata durante tutta la storia evolutiva grazie alla sua semplicità ed efficienza. La glicolisi è una via metabolica formata da 10 reazioni che trasformano una molecola di glucosio in 2 di piruvato. Abbiamo 10 reazioni e quindi avremmo 10 enzimi differenti. Il glucosio è una forma più ridotta del piruvato, e la sua ossidazione libera una certa quantità di energia. La PRIMA FASE preparatoria è formata da 5 reazioni → FASE ENDOERGONICA dove vengono consumate 2 ATP  La prima e la terza sono delle reazioni non reversibili mentre la seconda e quarta sono delle reazioni reversibili e questa è la fase di investimento La SECONDA FASE è formata da 5 reazioni → FASE ESOERGONICA dove viene liberata energia e produco 4 ATP Abbiamo due vie reversibili e abbiamo da 6 atomi di carbonio ne abbiamo 3 per ciascuna molecola di piruvato. Solo guardando NADH sappiamo che si ossida. La glicolisi è strettamente regolata per mantenere costanti i livelli di ATP e per rifornire metaboliti per le biosintesi. Tre reazioni della glicolisi sono così esoergoniche da essere praticamente irreversibili e sono quelle catalizzate dalla esochinasi (prima reazione), della PFK-1 (terza reazione) e dalla piruvato chinasi (decima reazione), sono tre enzimi allosterici ( enzimi che hanno sito di legame effettore lontano dal sito attivo) inibiti da ATP ed attivati da AMP o da ADP. Elevati livelli di ATP e citrato indicano che le necessità energetiche e la richiesta di metaboliti per le vie biosintetiche sono soddisfatte, al contrario AMP ed ADP sono segnali di bassa energia e tali segnali agiscono in maniera opposta sulla glicolisi e sulla gluconeogenesi. Il glucosio è il monosaccaride più utilizzato nella glicolisi. Anche altri monosaccaridi vengono utilizzati come importanti combustibili metabolici. I più abbondanti in natura, fruttosio, mannosio e galattosio, vengono incanalati nella via glicolitica. Il nicotinammide adenin dinucleotide è un coenzima presente in tutte le cellule. Il NAD+ è la forma ossidata del coenzima e NADH la sua forma ridotta. Il NAD+ è il principale accettore di elettroni nelle ossidazioni delle biomolecole; la sua parte reattiva è l’anello nicotinammidico. NAD+ + 2H+ + 2e- →← NADH + H+ In CONDIZIONI ANAEROBICHE, quindi in assenza di ossigeno,si avrà la FERMENTAZIONE dove con il termine fermentazione si intende ogni processo in cui viene estratta energia sotto forma di ATP senza alcun consumo di ossigeno. In condizioni anaerobiche il piruvato formato nella fase finale della glicolisi viene ossidato ad acetato ( acetil-coA) che entra nel ciclo dell’acido citrico per essere ossidato a CO2. L’obiettivo è quello di riossidare l’enzima attraverso la fermentazione, ne esistono di due tipologie ma l’obiettivo è sempre uno. 1. FERMENTA