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Biochimica 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 · 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. · Ripartizione dell’acqua nei vari distretti: 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 · Funzione di trasporto: come l’emoglobina in quanto trasporta ossigeno 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). · 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 · Attività enzimatiche: gli enzimi, catalizzatori biologici · 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). 1 NB: le proteine sono fondamentali per la vita, infatti proteios = di primaria importanza. COSTITUZIONE 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. Ogni amminoacido è costituito da un atomo di carbonio centrale detto asimmetrico a cui sono legati un gruppo carbossilico COOH, un gruppo amminico NH2, un atomo di idrogeno H e una catena laterale rappresentata dalla lettera R (vedere immagine) Ciò che differenzia un amminoacido dall’altro è la catena laterale R 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. Gli amminoacidi con catena laterale idrofobica sono incapaci di formare legami con l’acqua infatti tendono a raggrupparsi all’interno della catena polipeptidica tramite interazioni idrofobiche che avvengono tra le catene laterali dei vari amminoacidi. Questo tipo di amminoacidi sono : alanina,leucina,prolina,valina 2 Gli amminoacidi con catena laterale idrofolica possono formare dei legami con l’acqua, quando la catena si ripiega, sono rivolti verso l’esterno. Questo tipo di amminoacidi sono : serina,cisteina,asparagina,glutammina. NBcisteina: la cisteina è un amminoacido particolare perché nella catena laterale presenta un atomo di zolfo S e un atomo di idrogeno H. Quando due cisteine si incontrano , a seguito di ripiegamenti. Accade che perdono un atomo di idrogeno e si forma un ponte disolfuro, che tiene unita la proteina che in questo modo si stabilizza. La catena laterale influenzerà anche la forma della proteina infatti quando dal filamento di DNA viene trascritto un RNAm che ha una sequenza di nucleotidi che codifica per una proteina, questa potrà avere come catena laterale: Un anello aromatico: gli anelli aromatici sono ingombranti per cui il ripiegamento sarà lasso e la proteina sarà grande. Questo tipo di amminoacidi sono : fenialanina, da questo amminoacido si forma la tirosina (con anello aromatico), quest’ultima è importante infatti se manca l’enzima che catalizza tale reazione si ha una patologia, la fenilchetonuria. Dalla tirosina inoltre si formano i neurotrasmettitori. Triptofano, ha un doppio anello aromatico uno con 5 atomi di carbonio e uno con 6, da questo si forma la serotonina Una glicina: le glicine sono piccole per cui la proteina sarà piccola NBglicina: l’amminoacido più semplice di tutti è la glicina perché ha come catena laterale un atomo di H. AMMINOACIDI CON CARICA L’amminoacido presenta una struttura neutra, però vi sono alcuni amminoacidi che hanno catena laterale con carica, di conseguenza nella catena si possono incontrare amminoacidi con carica positiva e negativa che andranno a stabilire dei legami per attrazione elettrostatica e questo tiene la proteina ripiegata che mantiene la forma. Questo tipo di amminoacidi sono: istidina, arginina (con carica positiva) e aspartato e glutammato (con carica negativa) FORMAZIONE LEGAME PEPTIDICO 3 Il legame che unisce due o più amminoacidi è il legame peptidico che si forma tra il gruppo carbossilico (COOH) di un amminoacido e il gruppo amminico (NH2) di un amminoacido vicino. Accade che il gruppo amminico perde un atomo di idrogeno H mentre il gruppo carbossilico perde OH, si perde una molecola d’acqua H2O e si forma un legame di condensazione. 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 · Terziaria : data da un ulteriore ripiegamento della struttura ad alfa-elica · Quaternaria : data dalla disposizione spaziale di diverse sub unità proteiche STRUTTURA SECONDARIA Questo tipo di struttura si divide in · Alfa-elica; data dall’avvolgimento della catena polipeptidica intorno ad un asse con un movimento a spirale che si forma grazie a legami a idrogeno tra i gruppi C=O e N-H che si incontrano all’interno della catena. · Beta-foglietto; data da due o più catene polipeptidi che che si avvicinano e si ripiegano come se fossero un foglietto di carta 4 ALBUMINA È una proteina presente in elevate quantità nel sangue, con una concentrazione di 5g ogni 100mL e ha una struttura secondaria da alfa-elica. All’interno della sua struttura ci sono diversi siti di legame, ad esempio lega sostanze come acidi grassi, bilirubina ecc…… Questo perché, nel nostro sangue oltre ad essere presenti sostanze solubili come enzimi e alcune molecole, (grazie alla loro struttura che le rende tali), ci sono anche sostanze non solubili come gli acidi grassi che si legano all’albumina così vengono trasportati alle varie cellule e non si accumulano nel sangue. Questa proteina partecipa al mantenimento del Ph grazie al fatto che all’interno della sua struttura ci sono molti amminoacidi che hanno catena laterale negativa così da poter legare i protoni H+; (come vedremo successivamente sono molecole che si ottengono dal metabolismo e la loro presenza può abbassare il Ph del sangue, per questo devono essere eliminati) FIBRINOGENO Questa proteina è costituita da 3 catene polipeptidiche, ciascuna catena nella parte terminale va a legarsi con l’altra catena tramite legame polipeptidico. Nel punto in cui si legano, alcuni amminoacidi rimangono all’esterno, sporgono da queste catene e sono detti residui amminoacidici perché quando due amminoacidi si legano, entrambi perdono qualcosa, non saranno più come prima per cui prendono questa denominazione. I residui che sporgono sono: · Glicina · Tronina · Arginina 5 COAGULAZIONE Quando abbiamo una ferita, questa deve essere rimarginata attraverso la formazione di un coagulo, accade che: nel sangue viene rilasciato l’enzima trombina che va a tagliare i residui amminoacidici che sporgono dalle catene di fibrinogeno, in questo modo si creano delle zone appiccicose, i punti di 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 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), che taglia le molecole di fibrina legate tra loro così si riforma il fibrinogeno NB: il fibrinogeno è una proteina già presente nel sangue in forma solubile così da essere già presente quando necessario. PROTEINE CHE TRASPORTANO IL 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 · Per il metabolismo cellulare, infatti viene utilizzato per la catena di trasporto degli elettroni. Data la sua importanza, e il suo utilizzo, vi sono molte proteine che lo legano in modo da garantire una riserva per il nostro corpo. Tra queste abbiamo la transferrina, che lega il ferro nel sangue e poi lo cede ai tessuti in modo tale che possa entrare, grazie a dei recettori, all’interno delle cellule per esplicare le sue funzioni. Vi è un’ altra proteina che legga il ferro ,la ferritina,un complesso ferro- proteico che si trova in tutti i tessuti, ma particolarmente nel fegato nella milza , nel midollo osseo e nei muscoli scheletrici. Ritroviamo piccole quantità di ferritina anche 6 nel plasma, accumula il ferro in grandi quantità e poi lo rilascia all’organismo quando la concentrazione del ferro si abbassa, sotto forma di emosiderina. 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. 7 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 gli forma con l’azoto N dei 4 anelli pirrolici · Il 5 legame lo forma con l’azoto N dell’amminoacido istidina prossimale · Il 6 legame avviene con l’ossigeno O2 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. MIOGLOBINA La mioglobina è una proteina contenuta nei muscoli con la funzione di trasportare e immagazzinare ossigeno, costituendo così una riserva a cui il muscolo può attingere per produrre ATP necessario per la contrazione muscolare. La sua struttura è simile a quella dell’emoglobina però la mioglobina è formata da una sola catena polipeptidica (anziché 4) di conseguenza contiene solo 1 gruppo eme. Inoltre ha un’affinità per l’ossigeno pari a 6 volte in più rispetto all’emoglobina, lo cattura dal sistema circolatorio, lo trasporta nelle cellule muscolari e lo rilascia nei momenti in cui è necessario. CURVA SATURAZIONE: EMOGLOBINA E MIOGLOBINA 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) 8 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 sitalica. 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: 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. L’EMOGLOBINA LEGA O2 AD ALTE PRESSIONI 9 L’emoglobina si trova all’interno dei globuli rossi (eritrociti), non dispersa nel sangue. 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’RNAm 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. 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. Adesso gli analizziamo nel dettaglio. RILASCIO DI O2 MEDIANTE IONI 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 O2 che l’emoglobina rilascerà per poter legare questi ioni. L’emoglobina ossigenata HbO2, dai polmoni arriva ai tessuti attraverso il sangue,rilascia ossigeno O2 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 O2 rilascia gli ioni H+ per poter 10 legare ossigeno O2. I protoni si legano in un sito diverso rispetto all’ossigeno O2, si legano infatti nelle catene laterali di residui amminoacidici. HbO2 + H+ ↔HbH+ + O2 È una reazione reversibile che da sinistra verso destra avviene a livello dei tessuti e da destra verso sinistra a livello dei polmoni. FORMAZIONE IONI H+ I prodotti del metabolismo cellulare sono CO2 e H2O che reagiscono in una reazione catalizzata dall’enzima anidrasi carbonica e formano H2CO3, secondo questa reazione: H2O + CO2↔ H2CO3 Il prodotto ( H2CO3) è un acido forte, l’acido carbonico, ma essendo forte si dissocia subito, da solo in H+ e HCO3- (ione bicarbonato). Quando il sangue ricco di questi protoni arriva ai polmoni e gli rilascia per poter legare l’ossigeno O2, si verifica la reazione inversa NB: i protoni nell’emoglobina, non si legano al ferro ma alle catene laterali di diversi residui amminoacidici. RILASCIO DI O2 MEDIANTE CO2 Anche l’anidride carbonica CO2 viene trasportata dall’emoglobina. Nelle 4 catene polipeptidiche che la compongono, ciascuna presenta un residuo amminoacidico terminale. Abbiamo due tipi di residui amminoacidi: · Residuo amminoterminale, lo ritroviamo nell’amminoacido che ha fatto reagire il gruppo carbossilico · Residuo carbossiterminale, lo ritroviamo nell’amminoacido che ha fatto reagire il gruppo amminico L’anidride carbonica si legherà al residuo amminoterminale e non viene mai legata contemporaneamente ai protoni H+. Una volta legata l’emoglobina rilascia l’ossigeno O2. Quando il livello di anidride carbonica CO2 è alto, si forma la carbaminoemoglobina. 11 CO2 NEL SANGUE Nel sangue la CO2 può essere: · Disciolta · Sotto forma di ione bicarbonato · Legata all’emoglobina Come abbiamo già detto i protoni 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. 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 RILASCIO O2 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, un intermedio di una serie di reazioni porta alla sua formazione. È una molecola con cariche negative e si va a inserire tra le due catene beta 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 12 · A pressione bassa, viene prodotta in maggior quantità cos’ che l’emoglobina rilasci più O2 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…) 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. Questo implica che l’O2 viene tenuto più stretto e ciò fa sì che venga sottratto un po’ più di O2 al sangue materno per garantire lo sviluppo dei tessuti embrionali e maggior O2 per il feto. MONOSSIDO DI CARBONIO 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). EMOGLOBINA GLICATA L’emoglobina all’interno del globulo rosso (eritrocita), può legarsi al glucosio e prende il nome di emoglobina glicata. 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 13 molecole di glucosio che entra in tutte le cellule grazie all’insulina che viene subito rilasciata dopo un pasto favorendo il suo ingresso. 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 (che campano solo 120 giorni “meschini” e ne hanno disperatamente bisogno). Il glucosio entra così facilmente dentro i globuli rossi che la sua concentrazione al loro interno è pari alla concentrazione di glucosio nel plasma. 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. L’emoglobina glicata può essere misurata, e misura la glicemia del paziente negli ultimi due mesi perché l’emoglobina e il glucosio, una volta che si uniscono tra loro, non si separano più, mentre la glicemia che si misura mediante “buchino nel dito” ci dice il valore di glicemia in quel preciso momento. Come si misura l’emoglobina glicata ? Può essere misurata con 3 metodi diversi: · Via spettroscopica, sfrutta il fatto che l’emoglobina assorbe la luce ad una certa lunghezza d’onda rispetto l’emoglobina glicata 14 · 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. Vi è uno strumento, il densimetro che misura la loro quantità e la trasforma in valore numerico. · Con anticorpi specifici Varie sono le tecniche ma queste sono le principali. 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, 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. L’emoglobina glicata all’interno del globulo rosso, con il passare del tempo subisce tutta una serie di ripiegamenti molecolari e alla fine si trasforma in ages =prodotti finali di avanzata glicazione. Sono molecole chimiche che stanno dentro i globuli rossi e sono responsabili, quando si accumulano di diversi danni quando vengono rilasciati nei vari tessuti, (diabete, problemi ai reni, alla vista, ecc…). VARIANTI FISIOLOGICHE DELL’EMOGLOBINA 15 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. DERIVATI DELL’EMOGLOBINA La metaemoglobina è una emoglobina in cui il ferro si trova allo stato ossidato Fe+++. In particolar modo il ferro può essere ridotto Fe++ o ossidato Fe+++, affinchè leghi ossigeno, è necessario che sia ridotto, 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 Fe+++, allora interviene un enzima che lo trasforma nuovamente in ferro ridotto Fe++, questo enzima prende il nome di metaemoglobina riduttasi. La carbossiemoglomina si ha quando l’emoglobina si lega al monossido di carbonio, impedendo il suo normale funzionamento. La ciano metaemoglobina è l’emoglobina legata al cianuro, un veleno che impedisce all’emoglobina di svolgere il suo ruolo, può legarsi anche alla catena respiratoria, ma ciò che la rende è mortale è quando si lega all’emoglobina. 16 EMOGLOBINOPATIE ANEMIA A CELLULE CALCIFORMI Questo tipo di anemia è data da una emoglobina alterata che si altera a seguito di una mutazione genica sul filamento di DNA che di conseguenza si trasferisce sulla sequenza di RNAm che viene trascritta,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 e di conseguenza dei globuli rossi, 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 complesso polimero insolubile, (l’emoglobina è normalmente solubile), che precipita determinando una distorsione del globulo rosso. (in quest’ultima parte dell’amminoacido e la sua rientranza la prof era più confusa che persuasa, dobbiamo controllare in un libro). 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. A livello clinico si presentano diversi fattori, tra cui episodi di 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. 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: i pazienti che soffrono di questa patologia non possono contrarre la malaria perché il parassita che provoca la malaria (plasmodium falciparum), completa il suo ciclo vitale all’interno dei globuli rossi, ma siccome nei pazienti affetti da questa patologia i globuli rossi hanno vita breve, il plasmodium non arriva a completare il suo ciclo. 17 TALASSEMIE Le talassemie si dividono in : · Talassemia alfa · Talassemia beta Questa suddivisione dipende da una sintesi ridotta di catene alfa oppure di catene beta. Questa mancanza di una catena o dell’altra dipende da mutazioni sulla catena di DNA perché in condizioni normali la loro produzione è sincronizzata. Talassemie beta Sono caratterizzate da una ridotta sintesi di globine beta, mentre le globine alfa vengono sintetizzate normalmente. Il gene che codifica per le globine beta si trova sul cromosoma 11, sappiamo che il cromosoma è formato da due cromatidi e per tanto la mutazione può essere in eterozigosi (mutazione solo su un cromatidio e sull’altro no) e in questo caso verrà detta talassemia beta minore oppure in omozigosi (in tutti e due i cromatidi) e in questo caso verrà detta talassemia beta maggiore. Cosa succede quando si ha una ridotta sintesi di catene beta? Avremo più alfa e meno beta, e per questo rimarrà molta emoglobina fetale perché non essendo presenti le catene beta le catene alfa vanno a legarsi con le catene gamma dell’emoglobina fetale. Le catene alfa in più andranno ad aggregarsi tra di loro formando un precipitato di catene alfa che provoca una morte prematura delle cellule e ciò avviene nella fase di maturazione, muoiono i precursori dei globuli rossi. I pazienti affetti da questa patologia presentano un accumulo di emoglobina di Bart, è un emoglobina formata da 4 catene gamma in quanto l’eccesso di catene alfa ,come abbiamo detto, lega quelle gamma dell’emoglobina fetale, ma non tutte le catene gamma riescono a legarsi con le numerose catene alfa, allora si legano tra loro. Nel caso di talassemia beta minore (in eterozigosi) una certa quantità di catene beta viene prodotta mentre nella talassemia beta maggiore ( in omozigosi) le catene beta non sono quasi più presenti e gli individui sani alla nascita diventano gravemente anemici. Necessitano di trasfusioni, che però all’inizio causavano un accumulo di ferro che portava a gravi conseguenze , ma oggi grazie al trapianto di midollo osseo molti pazienti si salvano. 18 Talassemie alfa Questo tipo di talassemie sono date da una ridotta produzione di catene alfa e la sintesi di queste catene è più complicata rispetto a quelle beta, perché a differenza di quest’ultime che vengono sintetizzate a partire da un solo gene, le beta vengono sintetizzate a partire da due geni sul cromosoma 16,quindi il genoma di un individuo conterrà 4 copie del gene della globina, perciò si possono avere diverse mutazioni: Portatore silente: se il difetto colpisce solo uno dei quattro geni. Tratto talassemico a: se il difetto riguarda due delle quattro copie del gene (forma omozigote e forma eterozigote). Malattia da emoglobina H: se il difetto riguarda tre copie del gene.(clinicamente grave) Idrope fetale: se tutte e quattro le catene di globina a sono difettose.(mancata nascita del bambino per mancanza delle catene alfa, non si forma proprio l’emoglobina) Cosa succede se le catene alfa sono poche e le gamma e le beta sono tante ? (siamo nel caso di portatori silenti, o di eterozigosi ) una piccola quantità di emoglobina alfa si forma, poi si formano anche dei tetrameri solo di catene beta perché sono tanti, quest’ultime hanno un elevata affinità per l’ossigeno, infatti lo legano ma non lo rilasciano perciò non svolgono bene la loro funzione di trasporto. Inoltre possono formare un precipitato di catene beta che determina una morte prematura dei globuli rossi. ENZIMI CARATTERISTICHE GENERALI 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. 19 L’enzima esochinasi è un enzima presente in tutte le cellule,è formato da due catene polipeptidiche associate, è l’enzima che lega il glucosio quando entra all’interno della cellula. Una volta entrato, va incontro grazie a questo enzima ,in tutte le cellule, a una reazione, che è la reazione più comune, in seguito alla quale gli viene attaccato un gruppo fosfato e diventa glucosio-6- fosfato. Il glucosio si lega al sito catalitico dell’enzima, sito che serve al legare il substrato, che una volta legato si modifica formando il prodotto, l’enzima cambia forma, avvolgendo il glucosio per poi inserire il gruppo fosfato nell’atomo di carbonio 6. A cosa serve il gruppo fosfato attaccato? Quando il glucosio entra, per evitare che esca con la stessa facilità, gli viene attaccato questo gruppo fosfato (come la palla al piede dei detenuti che spaccano pietre). Gli enzimi sono oggetto di numerosi studi in quanto sono essenziali per comprendere il funzionamento del metabolismo ma anche le sue possibili disfunzioni dovute a un malfunzionamento degli enzimi. Per il nostro metabolismo,oltre agli enzimi che catalizzano le reazioni metaboliche, sono molto importanti, gli enzimi della detossificazione, che si trovano nel fegato e ci detossificano da tutte quelle sostanze nocive che possiamo ingerire attraverso alimenti, bevande o farmaci. Alcuni enzimi vengono definiti targets chemioterapici perché catalizzano le reazioni di sintesi dei nucleotidi di pirimidine e purine e quindi quei nucleotidi che contengono chimina, un enzima specifico per il DNA esegue questo tipo di sintesi. Vengono detti chemioterapici perché si utilizza un farmaco che blocca questo enzima in modo tale che non possa replicarsi il DNA nelle cellule tumorali che sono cellule che si replicano velocemente insieme alle cellule della mucosa gastrica, del cuoio capelluto, e cellule del sistema immunitario. Come vengono bloccati gli enzimi? Vengono utilizzati dei farmaci che hanno la stessa forma del substrato dell’enzima, cos’ l’enzima legherà il farmaco invece degli altri substrati. Permettono il monitoraggio terapeutico, basti pensare a quegli enzimi che si trovano nel sangue durante un infarto, gli enzimi si trovano sempre dentro le cellule, quando non lo sono ciò ci indica la morte dei tessuti. In ogni caso, qualunque sia l’enzima che esamineremo, per poter funzionare necessitano di un coenzima; tutti i coenzimi derivano da una vitamina. 20 Gli enzimi hanno la caratteristica di poter legare solo uno specifico substrato, non possono legare più substrati, perché sono altamente specifici il substrato avrà la stessa forma del sito attivo dell’enzima in cui deve inserirsi, questo sistema è stato paragonato a quello della chiave nella serratura, (basti pensare all’enzima esochinasi che lega il glucosio, non può legare altri zuccheri oltre questo). Una volta legato il substrato, formano il complesso enzima-substrato. Gli enzimi vengono regolati così che determinate reazioni non avvengono contemporaneamente come le reazioni cataboliche con quelle di sintesi COENZIMI Come abbiamo già detto, per funzionare hanno bisogno dei coenzimi. Sono moltissimi ma noi ci concentreremo solo sugli enzimi delle ossidoriduttasi molto importanti nelle reazioni metaboliche perché sono quei enzimi che si staccano gli atomi di idrogeno H alle molecole organiche. Quando noi ingeriamo molecole organiche come zuccheri o grassi queste molecole vengono ossidate ovvero perdono atomi di idrogeno grazie a questi enzimi detti appunto ossidoriduttasi. Questi atomi che vengono staccati dalla molecola, non possono rimanere in circolo perché potrebbero provocare un abbassamento del Ph, allora questi atomi (che vengono strappati due a due) vengono caricati sul coenzima che può essere NAD(nicotinammide adenina dinucleotide), FAD(flavina adenina di nucleotide). Quando il FAD acquista elettroni diventa FADH2, mentre il NAD non riesce a legare due atomi di H, quindi: · 1 atomo lo lega per intero, un protone e un elettrone 21 · Il 2 atomo lo lega a metà, cioè lega solo l’elettrone Quindi quando il NAD si riduce diventa NADH+H+. Perché succede questo? Perché poi questi coenzimi vanno nella catena di trasporto degli elettroni nei mitocondri e sintetizzano ATP, perciò più si formano, più ATP viene prodotto. SUBSTRATO DIVENTA PRODOTTO Come fa l’enzima a trasformare il substrato in prodotto? Se una reazione dovesse procedere senza un enzima, il substrato per diventare prodotto deve raggiungere uno stato di elevata energia ,(come se si dovesse riscaldare molto), detta energia di attivazione. Questo stato di elevata energia dal punto di vista chimico è dato dalla posizione dei legami e dalla disposizione degli elettroni nel substrato, dopo di che diventa prodotto (come un trasformer). Quando l’enzima è presente, catalizza la reazione accelerandola, perché lega il substrato e gli fa assumere la forma di stato di transizione che, senza l’enzima raggiungerebbe dopo molto tempo e con un aumento della temperatura,cambia i suoi legami all’interno e lo trasforma in prodotto. In questa maniera un enzima quando lega un substrato va a ridurre la sua energia di attivazione, così che possa raggiungere lo stato di transizione in poco tempo. Gli enzimi, perciò, agiscono catalizzando le reazioni abbassando l’energia di attivazione. Se andiamo a considerare un sistema di assi cartesiani dove da un lato abbiamo la concentrazione di substrato e dall’altro la velocità della reazione chimica, accadrà che man mano che aumenta la concentrazione del substrato, aumenta la velocità di reazione cioè si forma maggior quantità di prodotto. Ad un certo punto la velocità non aumenta più perché finiscono le molecole di substrato, si ottiene il prodotto e l’enzima si stacca. Riassumendo, accade che un enzima lega il substrato e con una certa velocità accade che si forma il complesso enzima-substrato che poi si trasforma in un enzima libero e un prodotto finale. Ciò è stato scoperto da Michaelis e Menten (in realtà l’ha scoperto sua moglie, ma suo marito ha messo comunque il suo nome prima, perché uomo scemo) Formularono un equazione chimica: 22 V0= velocità iniziale Vmax= velocità massima che può essere raggiunta a concentrazione infinita del substrato Km= costante di Michaelis-Menten, è la concentrazione di substrato richiesta per raggiungere ½ di Vmax. In parole più semplici ci indica l’affinità che ha un enzima per il suo substrato, perché quando un enzima lega il substrato, può farlo: · Velocemente,se presenta alta affinità · Lentamente, se presenta bassa affinità Quindi ogni enzima ha un affinità diversa per un dato tipo di substrato. Questa affinità viene indicata con Km. Dal punto di vista biochimico, Km indica la concentrazione di substrato a livello della quale la velocità della reazione è semimassimale (metà della velocità massima). Questo perché la velocità massima è un numero troppo grande quindi si va a considerare la velocità semimassimale. · Se Km ha un valore piccolo, ciò significa che all’enzima basta una piccola concentrazione di substrato per fare avvenire la reazione ad alta velocità,quindi l’affinità è alta 23 · Se Km ha un grande valore, ciò significa che all’enzima serve una grande quantità di substrato per far avvenire la reazione, quindi l’affinità è bassa Tutto questo processo è importante perché serve a spiegare ciò che avviene nel fegato: come abbiamo detto tutte le cellule del nostro corpo possiedono l’enzima esochinasi che presenta grande affinità per il glucosio. Il fegato è un organo glucostato, mantiene costante la glicemia,qui oltre all’enzima esochinasi troviamo l’enzima glucochinasi che ha la stessa funzione dell’enzima esochinasi con la differenza che presenta bassa affinità per il glucosio. In particolare, dopo un pasto, quando digeriamo, i nutrienti attraverso il sangue arrivano al fegato, che subito trasforma il glucosio ricevuto in glucosio-6-fosfato, così come tutti gli altri tessuti, però l’enzima glucochinasi in questo caso non lega il glucosio perché ha bassa affinità, lo lega soltanto se ingeriamo molti carboidrati e la quantità di glucosio che arriva al fegato è molto alta. Al contrario dell’enzima esochinasi, non viene inibito dal suo prodotto finale,perché sappiamo che in tutte le cellule quando le esochinasi producono glucosio-6-fosfato, questo entra nella glicolisi per formare ATP; quando vi è ATP in quantità sufficiente,il glucosio-6-fosfato si accumula e l’enzima viene inibito. Nel fegato grazie al fatto che questo enzima (glucochinasi) funziona solo quando il glucosio è presente in grandi quantità, il fegato può conservare il glucosio sotto forma di glicogeno,polimero formato da tante molecole di glucosio legate tra loro,(salvavita durante il digiuno). Il glicogeno epatico è fondamentale perché quando siamo a digiuno e si abbassa il livello di glicemia, il fegato scinde il glicogeno in glucosio e lo libera, così che il livello di glicemia nel sangue si mantiene costante. Ecco come due enzimi che attaccano lo stesso substrato, avente diversa affinità per quest’ultimo, agiscono in maniera differente. Se il digiuno si prolunga, il fegato esegue la gluconeogenesi, sintetizza glucosio ex novo. ENZIMI Tutte le reazioni del Metabolismo sono catalizzate da enzimi. La funzione degli enzimi è quella di accelerare le reazioni chimiche. Ciò avviene perché legano e inducono al substrato un cambiamento di forma aggiungendo o togliendo un gruppo in base all'attività dell'enzima questo viene poi trasformato in un prodotto che verrà rilasciato e l’enzima tornerà ad essere libero. 24 Questa é la cinetica degli enzimi. Gli enzimi sono delle proteine strutturate in modo tale che hanno un sito catalitico, cioè una rientranza nella loro molecola proteica dentro la quale si va ad agganciare un substrato, grazie al legame a livello del sito catalitico del substrato, l'enzima cambia la forma del substrato quindi dal punto di vista cinetico dispone in maniera diversa gli elettroni negli orbitali, i legami diventano più deboli fa assumere una forma tale che è la stessa forma che quel substrato avrebbe assunto se per esempio fosse stato soggetto a un aumento di temperatura (specificità del substrato). [Quando l'enzima lega il substrato a livello del sito catalitico determina un cambiamento della sua forma che è simile a quella che avrebbe assunto se per esempio fosse stato saturo o meno di temperatura] (ES: Se quel substrato doveva modificare la sua forma da rotondo a quadrata con l'aumento di Temperatura l'enzima legandolo gli fa cambiare forma senza l'aumento energia ) Quindi si dice che gli enzimi abbassano l'energia di attivazione. Ogni enzima ha per il substrato una affinità diversa, ci sono enzimi che si legano + facilmente mentre ci sono altri che ci stanno più tempo Gli enzimi si differenziano in base alla loro affinità e nell' equazione di Michaelis - Mententen viene espressa questa affinità con la costante Km Questo indica l'affinità di un enzima verso il substrato Nel primo schema ci sono due curve: quella in blu descrive la cinetica enzimatica di un enzima e quella in rosso che descrive la cinetica enzimatica di un altro enzima. Per il primo enzima, la Km é molto piccola e corrisponde ad una piccola concentrazione di substrato a livello della quale si ha una velocità pari alla metà della velocità massima. Questo vuol dire che per questo enzima bastano piccole concentrazione di substrato affinché l'enzima lo trasformi in prodotto. Quindi questo enzima ha un'elevata affinità per il substrato. Nel secondo enzima, invece, la concentrazione di substrato che corrisponde alla velocità semi-massimale (quindi Km) è più elevata e significa che questo enzima ha bisogno di elevate quantità di substrato per raggiungere una velocità pari a metà della velocità massima e questo enzima quindi ha una più bassa affinità per il substrato. Quindi bassa Km significa alta affinità, alta Km significa bassa affinità quindi di quel substrato c'è ne deve essere tanto affinché l'enzima lo trasformi in prodotto. Il valore di Km è molto importante e spesso varia anche per enzimi che catalizzano la stessa reazione. 25 Quando parliamo di Km, ci riferiamo alla concentrazione di substrato a livello della quale la velocità della reazione é semi-massimale. Prendiamo come punto di riferimento la metà della velocità massima perché é molto difficile dare un valore numerico alla velocità massima perché ad un certo punto aumenta e si stabilizza, non esiste un limite massimo in cui cambia di netto. E quindi per capire l'affinità di un enzima per il substrato si mette in relazione la velocità massima diviso due. Abbiamo visto che quando si prende nella curva v max 1/2 tratteggiata e poi si fa cadere sulla concentrazione di substrato sull asse delle x viene fuori che ha una Km con un valore. Invece il paragone con un altro enzima con diverso composizione proteica vedremo che la Km è più grande Questo vuol dire che il primo enzima che ho una Km bassa è quindi gli bastano poche quantità di substrato per modificarle velocemente in prodotto riepilogo= bassa km corrisponde ad un'affinita alta Mentre il secondo enzima ha una km alta questo vuol dire che per far andare la reazione velocemente ha bisogno di una maggiore quantità disubstrato quindi ha un affinità bassa. La km trova un riscontro importante nel fegato. Il fegato svolge un ruolo importante nel nostro organismo. Esso è un organo glucostato ovvero mantiene la glicemia costante ma nonostante ciò la glicemia può variare con oscillazioni che durante l'arco della giornata non sono prevedibili. La glicemia varia perche i tessuti del nostro organismo possono avere maggiore bisogno di glucosio e se questo non è disponibile la glicemia si abbassa e il fegato è pronto a rilasciarlo. Ma come fa il legato a svolgere questo ruolo di glucostato? Il fegato contiene all' interno delle sue cellule un' enzima che si chiama esochinasi e un enzima che si chiama glucochinasi. L'esochinasi attacca un gruppo fosfato al glucosio e lo trasforma in glucosio-6- fosfato. Questa reazione avviene quando c'è glucosio nel sangue, il glucosio entra in tutte le cellule e la prima reazione a cui va incontro é questa, affinché questo glucosio venga sequestrato all'interno della cellula in modo tale che quest'ultima lo possa usare come energia. 26 La glucochinasi svolge la stessa reazione della esochinasi ovvero attacca un gruppo fosfato al glucosio che diventa glucosio 6 fosfato pur facendo esattamente ciò che fa l'esochinasi questo ha una bassa affinità per il glucosio perché il fegato non utilizza mai il glucosio se prima non l'hanno utilizzato tutte le cellule dell'organismo e se ancora c'è elevata quantità di glucosio in circolo e questo entra dentro il fegato e la sua concentrazione é alta, la glucochinasi lega il gruppo fosfato al glucosio e quindi il fegato può utilizzare il glucosio e trasformarlo in glicogeno. Cos'è il glicogeno? E' un polissaccoride formato da Tante molecole di glucosio legate insieme grazie a questo enzima (riserva del glucosio) Regolazione degli enzimi Gli enzimi sono regolati o da metaboliti presenti all' interno della cellula (Vedono in piccolo se c'è o mero energia ) o sono regolati dagli ormoni che sono rilasciati lontani dalla cellula. regolazione ormonale =modifica covalente Ma in questa regolazione gli enzimi possono essere regolati dall'attacco o dal distacco di un gruppo fostato che funziona per gli enzimi come un'interruttore Gli enzimi che demoliscono le molecole organiche per ottenere ATP, Quindi del catabolismo, sono attivi quando hanno il gruppo fosfato attaccato Mentre gli enzimi di sintesi, quelli che sintetizzano glicogeno o acidi grassi, sono attivi quando non hanno il gruppo fosfato attaccato Esempio Supponiamo di aver appena mangiato, il pancreas rilascia insulina. Questa tramite il sangue arriva a tutte le cellule dell'organismo e l' insulina manda un messaggio di attivazione degli enzimi di sintesi a queste cellule. Questo messaggio lo da legandosi a un recettore (il recettore è fatto da una porzione che sta fuori dalla cellula e una che sta dentro) e successivamente si attiveranno degli enzimi che si chiamano fosfatasi che staccano il gruppo fosfato a tutti gli enzimi che stanno dentro a una cellula e quindi tutti gli enzimi sono defosforilati Cosa viene fuori? che gli enzimi che sintetizzano sono attivi e gli enzimi che demoliscono sono inattivi Mentre se invece siamo a digiuno il pancreas dalle sue cellule alfa scerne glucagone questo è un'ormone che tramite il sangue raggiunge la cellula epatica mentre altri ormoni raggiungono altre cellule. Un solo ormone è ipoglicemiazante (serve ad abbassare la glicemia ) ed è l'insulina ma molti ormoni sono iperglicemizzanti e servono a trovare delle vie alternative quando siamo a digiuno. 27 Di iperglicemia non si muore ma di ipoglicemia si e quindi vari ormoni quando siamo a digiuno vengono rilasciati anche se hanno nomi diversi e provengono da tessuti diversi però tutti loro quando si legano al loro recettore attivano dentro la cellula una via di segnale che attiva degli enzimi che si chiamano chinasi. A questo punto cosa succede? Che gli enzimi di sintesi con il gruppo fosfato sono spenti e gli enzimi del catabolismo sono attivi Questa è la regolazione degli enzimi da parte degli ormoni Alcuni enzimi hanno una doppia regolazione per esempio il glicogeno viene sintetizzato in due sedi diverse: ovvero il fegato e il muscolo Gli enzimi che lo sintetizzano in queste sedi si chiamano allo stesso modo hanno però una differente regolazione. Questo perché il glicogeno muscolare viene prodotto dal muscolo quando gli entra molto glucosio con l'esochinasi e lo conserva per poterlo utilizzare quando il muscolo stesso ne ha bisogno. Se un muscolo si deve contrarre e non abbiamo il prodotto alimenti può utilizzare il suo glicogeno per staccare glucosio che porta nella sua glicolisi per ottenere ATP. Nel muscolo l'enzima che demolisce il glicogeno viene regolato dalle riserve energetiche all'interno della cellula muscolare, perché se la cellula ha ATP non demolisce il glucogeno ma se lo conserva(perché utilizza ATP per la contrazione) ma se invece la cellula non ha ATP ma ha AMP questa va a legarsi al sito allosterico dell' enzima che demolisce il glicogeno (si chiama glicogenofosforilasi) e lo rende attivo perché siccome non stiamo mangiando l'unica possibilità che hanno i muscoli per contrarsi é demolire il glicogeno Oltre alla regolazione allosterica l'enzima che demolisce il glicogeno può essere attivato dal punto di vista ormonale e in particolare l'ormone che attiva la scissione del glicogeno nel muscolo é l'adrenalina Questa si lega a un recettore presente sulla cellula muscolare e attiva una via di segnale che attiva gli enzimi e grazie a questo l'enzima glicogenofosforilasi viene attivato e demolisce il glicogeno Un'ultima regolazione sta nella loro sintesi, ovvero gli enzimi non vengono prodotti sempre nella stessa quantità LA GLICOLISI Il glucosio è utilizzato da tutte le cellule, in tutte le cellule avviene infatti la glicolisi, anche negli eritrociti nonostante essi non siano considerati delle vere e proprie cellule poiché anucleate. Gli eritrociti all’inizio del loro processo di maturazione quando si formano a partire dalle cellule staminali del midollo osseo sono cellule 28 complete di organuli citoplasmatici e nucleo, che perderanno in seguito quando si caricano di emoglobina. La glicolisi è un processo che porta alla liberazione di ATP, seppur in quantità ridotte riesce a fornire alle cellule una buona quantità di ATP (adenosina trifosfato). Il glucosio entra nelle varie cellule dell’organismo con velocità diverse, questo dipende dall’affinità. Ad esempio il glucosio entra velocemente e con molta velocità negli eritrociti e nel cervello, questo grazie ai trasportatori che hanno un'elevata affinità con il glucosio. E’ fondamentale per il cervello avere una grande affinità con il glucosio, poiché esso utilizza gli zuccheri per il proprio metabolismo, stessa cosa vale anche per gli eritrociti, che utilizzano solo il glucosio per ottenere energia. I trasportatori di glucosio legano il glucosio che circola fuori dalla cellula (nel sangue) e lo rilasciano all’interno, questi trasportatori hanno un’affinità diversa a seconda delle cellule in cui si trovano. I muscoli e il tessuto adiposo hanno dei trasportatori che si trovano all’interno delle cellule di riserva: Subito dopo un pasto viene liberata l’insulina fa aumentare queste porte d’ingresso (trasportatori) perché questi trasportatori che sono conservati, quando l’insulina viene rilasciata, attraverso una via di segnale, migrano sulla superficie della membrana plasmatica, si incastrano e aprono queste porte d’entrata, che si chiamano GLUT4 (Glut=trasportatore del glucosio). Il trasportatore del fegato si chiama GLUT2, ed è un trasportatore a bassa affinità, perché il fegato fa entrare il glucosio per poi inviarlo successivamente agli altri tessuti. Quando è presente un’ elevata quantità di glucosio esso entra nel fegato per poi passare ai tessuti, questo processo avviene in modo costante. Quando il fegato deve liberare glucosio per alzare la glicemia, il glucosio esce fuori dalla cellula attraverso un trasportatore bidirezionale. Questa è una caratteristica unica del fegato ( e pancreas), tutti gli altri trasportatori sono unidirezionali (dal sangue alla cellula). per comprendere concetto di come e quando il pancrea secerne insulina (non ripetere così!!!): Il pancreas secerne l’insulina; il trasportatore per il glucosio del pancreas ha una bassa affinità, per cui se all’interno del pancreas è presente glucosio esso capisce che la glicemia è alta e bisogna secernere insulina. DA RIPETERE Il trasportatore del pancreas (GLUT2) rappresenta un sensore della glicemia, solo quando la glicemia è elevata il glucosio riesce ad entrare all’interno del pancreas, per questo motivo il trasportatore del pancreas secerne insulina nel momento in cui il glucosio entra all’interno di esso. 29 Il glucosio che entra produce ATP, un'elevata presenza di questa molecola riesce a depolarizzare la membrana e vengono rilasciati i granuli di insulina. La prima cosa che accade all’entrata del glucosio è la trasformazione da glucosio a glucosio-6 -fosfato. Questa reazione serve a mantenere all’interno della cellula il glucosio, poiché dopo questa reazione esso non potrà più uscire. La glicolisi è una via metabolica che serve a produrre ATP. questo processo è costituito da due fasi: -1° fase, FASE ENDOERGONICA : si ha un investimento di ATP; - 2° fase, FASE ESOERGONICA: si ha una resa di ATP, dunque viene prodotta adenosina trifosfato. 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). Nella glicolisi vengono prodotte delle molecole altamente energetiche, per questo motivo nella fase iniziale vengono investite due molecole di atp. Le molecole altamente energetiche prodotte dalla glicolisi hanno un gruppo fosfato attaccato,che viene successivamente staccato dall’enzima, liberando cosi energia successivamente utilizzata nella produzione di atp. fase endoergonica: -La prima molecola di atp viene investita per formare il glucosio-6-fosfato. -Il glucosio-6-fosfato viene isomerizzato (non si perde e aggiunge niente) e diventa fruttosio-6-fosfato, l’enzima di questo processo è un isomerasi. -la seconda molecola di atp investita viene utilizzata per staccare il fosfato che in seguito si lega al fruttosio 6 fosfato, diventando fruttosio 1,6 bisfosfato. Il fruttosio 1,6 bisfosfato è una catena a 6 atomi di carbonio che possiede sul primo e sul sesto carbonio un gruppo fosfato. Questa rezione è catalizzata dall’enzima che regola la glicolisi, ovvero: fosfofruttochinasi molecole a tre. Tutte le vie metaboliche del nostro organismo nella parte iniziale hanno un’ enzima regolatore, in questo modo il processo inizia e finisce solo se l’organismo ne ha bisogno. 30 fase esoergonica: -L’1,6 bisfosfato viene tagliato al centro in due molecole, ciascuna a tre atomi di carbonio con un gruppo fosfato all’estremità. queste due molecole si chiamano : gliceraldeide 3 fosfato (GAP) e Diidrossiacetone fosfato (dap). L’enzima che taglia questa molecola a sei atomi di carbonio in due a tre atomi di carbonio si chiama aldolasi. Da questo momento in poi il processo della glicolisi si divide in due processi uguali che avvengono contemporaneamente, ciascuno per ogni molecola a tre atomi di carbonio prodotta. Questa reazione segna il passaggio dalla fase endoergonica a quella esoergonica, perché da questo momento in poi tutte le reazioni che si verificano sono reazioni che poi porteranno alla liberazione di ATP. Le due atomi di carbonio che hanno un gruppo fosfato legato sono inter convertibili l’una nell’altra. Il diidrossiacetone fosfato si trasforma in gliceraldeide fosfato e viceversa. La molecola che continua la glicolisi continua è la gliceraldeide-3-fosfato. Da questo momento in poi tutto viene moltiplicato per 2 perché sono due molecole di gliceraldeide-3-fosfato che continuano la glicolisi. Nella reazione successiva le due molecole di gliceraldeide-3- fosfato subiranno una deidrogenazione e una fosforilazione. Ciò vuol dire che la gliceraldeide fosfato perderà due atomi di idrogeno e gli sarà attaccato un gruppo fosfato, che però non viene dall’ATP ma è fosfato inorganico presente all’interno 31 della cellula. Si forma una molecola che si chiama 1,3-bisfosfoglicerato (molecola altamente energetica). Questa reazione è anche una reazione di ossidazione, ovvero vengono staccati atomi di idrogeno. L’enzima che catalizza questa reazione è chiamata deidrogenasi, perché stacca due atomi di idrogeno. coenzimi NAD e FAD: enzimi che caricano gli atomi di idrogeno. La molecola si ossida e il coenzima si riduce, il coenzima è sempre associato alle deidrogenasi in modo tale che quando viene staccato l’atomo di idrogeno ossidando la molecola essi si caricano di idrogeno permettendo la produzione di atp nei mitocondri (ciclo di krebs). Nella successiva reazione un gruppo fosfato, quello in posizione 1 del carbonio 1 viene staccato, liberando una grande quantità di energia, perché l’1,3 bisfosfoglicerato è una molecola altamente energetica, quindi quando gli viene staccato un gruppo fosfato si libera energia che viene utilizzata per attaccare questo gruppo fosfato alla molecola dell’ADP che diventa così ATP. (ricorda: si formano due molecole di atp perchè bisogna duplicare questo passaggio per tutti e due i gliceraldeidi 3 fosfato). La molecola che rimarrà si chiama 3- fosfoglicerato, perché il fosfato in posizione uno lo ha perduto. Si sono formate due molecole di 3-fosfoglicerato e si sono liberate due molecole di ATP. Questa reazione che è una fosforilazione a livello del substrato è catalizzata dall’ enzima fosfoglicerato chinasi. Le chinasi sono enzimi che attaccano un gruppo fosfato in questo caso all’ADP che è diventato ATP. Questa è la prima fosforilazione a livello del substrato che si verifica, cioè per la prima volta si sono liberate due molecole di ATP. Il 3-fosfoglicerato in seguito ad una reazione di isomerizzazione catalizzata da una mutasi si trasforma in 2-fosfoglicerato. Niente si aggiunge e niente si perde, il 3- fosfoglicerato ha un gruppo fosfato legato al carbonio 3 e questo gruppo fosfato dal carbonio 3 si sposta al carbonio 2. Il 2- fosfoglicerato ( seconda molecola altamente energetica della glicolisi) che si è formato per spostamento del gruppo fosfato, in seguito ad una reazione deidratazione, cioè alla rimozione di una molecola d'acqua, viene trasformato in fosfoenolpiruvato. L’enzima che catalizza la reazione è l’enolasi.. Questa molecola altamente energetica perde il gruppo fosfato in una reazione catalizzata dall' enzima, che è una chinasi, piruvato chinasi. Questo enzima scinde il legame che ha il gruppo fosfato alla molecola di fosfoenolpiruvato e l’energia che si libera dalla scissione di questo legame viene utilizzata per attaccare il gruppo fosfato all’ADP che diventa ATP. Il fosfoenolpiruvato che ha perso il gruppo fosfato diventa piruvato. Le molecole di piruvato che si formano sono due come anche le molecole di ATP che vengono liberate. 32 dunque, nella prima fase sono state investite due molecole di atp e nella seconda fase sono state prodotte 4 molecole di atp, per un totale di resa della glicolisi di due molecole di atp. La glicolisi viene regolata dai metaboliti che stanno dentro la cellula, è quindi un enzima allosterico. 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. La regolarizzazione della glicolisi Troviamo una regolazione principale e una regolazione secondaria. Un esempio di regolazione è la regolazione interna che dipende dalla quantità di glucosio 6-fosfato che si libera dalla prima reazione. Infatti lo stesso prodotto finale (il glucosio 6- fosfato), se presente in alte concentrazioni, inibisce l'enzima esochinasi (responsabile della trasformazione del glucosio in glucosio 6-fosfato). Un altro tipo di regolazione (la principale) è quella che viene svolta dall’enzima fosfofruttochinasi 1. Questa enzima trasforma il fruttosio 6-fosfato in fruttosio 1,6-bisfosfato (aggiungendo un altro gruppo fosfato consumando ATP ad una molecola di fruttosio 6-fosfato). La fosfofruttochinasi 1, che viene indicato come l’enzima che principalmente governa la regolazione della glicolisi, viene inibito da molecole che indicano benessere energetico: 1. l’ATP (la glicolisi viene attivata perché serve ATP e quando ne viene prodotto in grandi quantità, si lega all'enzima fosfofruttochinasi 1 e rallenta la sua attività) 2. il citrato (è il primo prodotto del ciclo di Krebs. Nella prima reazione l'acetil coenzima A, che si forma dal piruvato o si può formare anche dagli acidi grassi, reagisce con ossalacetato e si forma il citrato. Se inizia il ciclo di Krebs la cellula otterrà energia, quindi il citrato rappresenta un'energia che sicuramente sta per arrivare, sottoforma di ATP). 3. pH acido (quando la glicolisi avviene tante volte, il piruvato deve essere ridotto, ogni volta, ad acido lattico che si accumula nel sangue e raggiunge il fegato. Quindi la presenza di grandi quantità di acido lattico che può essere dannoso per la cellula, inibisce l'enzima). Quando il NAD fa la glicolisi diventa NADH, ma se la cellula muscolare deve fare la glicolisi gli serve il NAD, quindi alla fine della reazione della glicolisi il nad stacca due atomi di idrogeno che si attaccano al piruvato diventando acido lattico, in questo modo è nuovamente presente il nad ossidato. 1 I fattori che, invece, attivano l'enzima sono: 1. la AMP che al contrario dell'ATP indica il bisogno di energia e quindi induce l'enzima a funzionare in modo che alla fine venga prodotta ATP. 33 REGOLAZIONE VIA GLICOLITICA La regolazione più importante sta a livello della fosfofruttochinasi 1, l’enzima che trasforma il fruttosio 6-fosfato in fruttosio 1-6 bisfosfato, catalizza questa reazione nella quale attacca un gruppo fosfato al fruttosio 6 che diventa fruttosio 1-6 bisfosfato. Questo è l’enzima più importante della glicolisi: regola l’intera via glicolitica, cioè se la glicolisi deve avvenire viene attivato, ma se la glicolisi non deve avvenire viene inibito (dunque la glicolisi non procede). Questo enzima è regolato da metaboliti che stanno dentro la cellula, e legandosi al sito esterno dell’enzima gli fanno percepire questa cellula, per cui se dentro la cellula c’è l’ATP (in grande quantità), si lega al sito attivo dell’enzima e lo inibisce (perchè fare la glicolisi e produrre ATP se già è presente in grande quantità?). Per lo stesso motivo, se la glicolisi sta continuando per via aerobica e si è formato citrato dalla prima reazione del ciclo di krebs (Acetil-CoA reagisce con ossalacetato per formare citrato) vuol dire che a breve verra rilasciata una gran quantità di energia, per cui come l’ATP anche il citrato inibisce la glicolisi. Oppure ancora il PH acido, quando il muscolo si contrae e si accumula acido lattico, il PH acido inibisce la glicolisi per evitare che l’acido lattico in grande quantità quando va nel sangue possa determinare un abbassamento del ph (quando non si è allenati dopo un esercizio intenso ad un certo punto non si ha la forza per andare avanti, questo perchè l’acido lattico rallenta la glicolisi). Invece gli effettori allosterici positivi (AMP) indicano, al contr ario dell’ATP, che c’è bisogno di energia. L’AMP attiva l’enzima. L’enzima è anche attivato da una molecola che si chiama fruttosio 2-6 bisfosfato. Questo enzima (fosfofruttochinasi 1) che regola la glicolisi, come abbiamo già detto, trasforma il fruttosio 6 fosfato in fruttosio 1-6 bisfosfato (perchè è un fruttosio che ha un gruppo fosfato sul carbonio 1 e sul carbonio 6), quando c’è dentro la cellula una grande quantità di fruttosio 6 fosfato, il fruttosio 6 fosfato oltre ad essere il substrato di questo enzima, diventa il substrato di un altro enzima che lo trasforma in un attivatore della glicolisi. Quando il fruttosio 6 è tanto si ha una sorta di deviazione e una piccola parte viene trasformato in un attivatore della glicolisi, si trasforma nell’enzima fosfofruttochinasi 2 (trasforma il fruttosio 6 fosfato in fruttosio 2-6 bisfosfato, attivatore della fosfofruttochinasi 1). Questo secondo enzima che forma l’attivatore della glicolisi è regolato dall’insulina, subito dopo un pasto a base di carboidrati l’insulina che viene rilasciata attiva l’enzima fosfofruttochinasi 2, di conseguenza questo enzima produce l’attivatore della glicolisi (attiva l’enzima fosfofruttochinasi 1). Al contrario quando siamo a digiuno il glucagone oppure 34 l’adrenalina inibiscono questo secondo enzima, e quindi non può più produrre l’attivatore della glicolisi. INTRODUZIONE CICLO DI KREBS Abbiamo detto che il piruvato, prodotto della glicolisi, può prendere la via anaerobica, viene ridotto a lattato in modo tale che la glicolisi possa riprendere, la quantità di ATP che viene rilasciata è poca però è veloce. Oppure il piruvato può essere trasformato in Acetil-CoA ed entrare nel ciclo di krebs. In Acetil-CoA non si trasforma solo il prodotto del metabolismo del glucosio (che è uno zucchero) ma quando assimiliamo grassi, che poi vengono ossidati, dalla loro ossidazione si producono molecole di Acetil-CoA, e quando facciamo un pasto proteico da molti amminoacidi che formano le proteine si forma Acetil-CoA. Quindi l’Acetil-CoA è la molecola nella quale si trasformano i prodotti che introduciamo con la dieta (carboidrati, grassi, proteine). Nel ciclo di Krebs queste molecole di Acetil- CoA rilasceranno una gran quantità di energia. IL CICLO DI KREBS (O CICLO DELL’ACIDO CITRICO) Il ciclo di Krebs è fatto da una serie di reazioni. Dopo la glicolisi il piruvato diventa acetil-coenzima A,attraverso la decarbossilazione ossidativa. Questa reazione è catalizzata dalla piruvato deidrogenasi e comprende due eventi: 1. Il piruvato (a tre atomi di carbonio) subisce decarbossilazione e ossidazione e diventa acetile (a due atomi di carbonio), viene liberata una molecola di Co2 e una molecola di NAD acquista elettroni diventando NADH 2. Si forma un legame tra gruppo acetile e il coenzima A per produrre acetil- coenzima A L’ acetil-coenzima A entra nel ciclo di Krebs. Il ciclo di Krebs si svolge all'interno dei mitocondri (matrice mitocondriale), porta alla sintesi di ATP. Il ciclo di Krebs inizia con l’ossalacetato che reagisce con acetil-coenzima A per formare citrato. Questo ciclo arriverà alla fine a formare di nuovo ossalacetato, quindi da ossalacetato si parte e ad ossa l’acetato si torna. 35 Perché il ciclo di Krebs che avviene nei mitocondri porta il rilascio di una grande quantità di ATP? Perché nel ciclo di Krebs vengono delle reazioni di ossidazione, cioè in quattro reazioni diverse questi substrati del ciclo di Krebs vengono ossidati, gli vengono strappati atomi di idrogeno. Questi atomi di idrogeno che vengono strappati dagli enzimi che operano una deidrogenazione o ossidazione vengono caricati su coenzima. Tre di queste quattro reazioni utilizzano come coenzima il NAD che diventa NADH+ H+. Ma come il NAD c’è un altro coenzima che deriva dalla vitamina riboflavina (si trova nella frutta) ovvero il FAD, una sorta di trasportatore di protoni ed elettroni.solo che il fad a differenza del NAD ha una struttura chimica tale che può caricare due atomi di idrogeno per intero, il FAD quando si riduce diventa FADH2 mentre il NAD quando si riduce non diventa NADH2 perché un atomo di idrogeno lo capta per intero (protone ed elettrone) mentre del secondo atomo di idrogeno capta solo l’elettrone lasciando fuori il protone. Per cui il NAD ridotto è NADH + H+ mentre il FAD ridotto diventa FADH2 Questo ciclo di Krebs alla fine rilascia 3 molecole di NADH + H+ e 1 molecola di FADH2, inoltre rilascia anche due molecole di anidride carbonica, perché dentro il ciclo in due reazioni differenti avvengono due decarbossilazioni, cioè due molecole di CO2 vengono rilasciate. Ci troviamo dentro il mitocondrio, nella matrice mitocondriale, all’interno della quale si introflette la membrana mitocondriale interna che forma le creste mitocondriali. Sulla membrana mitocondriale interna si trova la catena di trasporto degli elettroni, e quindi questi enzimi ridotti, che sono portatori di elettroni, rilasceranno ciò che trasportano (elettroni e protoni) sulla catena di trasporto degli elettroni.saranno di nuovo NAD e FAD ossidati, pronti a ricaricarsi e a rilasciare a livello della membrana mitocondriale. Il ciclo di Krebs è importante non soltanto perché rilascia i coenzima ridotti (nella catena di trasporto degli elettroni porteranno ciò che serve per la sintesi di ATP) ma il ciclo di Krebs è importante perché dagli intermedi del ciclo si possono formare altre molecole, e quindi dal citrato si possono formare gli acidi grassi, dal succinil-CoA si 36 forma il gruppo M dell’emoglobina e così via…, gli intermedi danno origine ad altre molecole. Il ciclo di Krebs inizia con l’ossalacetato che reagisce con acetil-coenzima A per formare citrato, il citrato tramite una reazione intermedia diventa isocitrato. A questo punto dall’isocitrato avviene la prima reazione di ossidazione (decarbossilazione ossidativa, perde CO2 e 2 atomi di idrogeno) e si forma alfa-chetoglutarato, avviene la stessa cosa e diventa succinil-CoA. Questa molecola altamente energetica perde il coenzima A (in questa reazione viene liberata una gran quantità di energia che viene utilizzata per sintetizzare il GTP) e diventa succinato. Il succinato viene ossidato (due atomi di idrogeno vengono staccati e si attaccano al FAD che diventa FADH2) e si trasforma in fumarato, il fumarato con l’aggiunta di una molecola d’acqua viene trasformato in malato, questo viene di nuovo ossidato (perde due atomi di idrogeno che vengono caricati sul NAD che diventa NAD+H+) e si forma di nuovo l’ossalacetato. Livello base Noi, quando viene chiesto il ciclo di krebs, dobbiamo ricordare: i prodotti che si liberano, quindi 2 molecole di anidride carbonica (reazione di decarbossilazione ossidativa), 1 molecola di GTP (è come dire ATP),poi 3 molecole di NAD+H+ e una molecola di FADH2 che con la catena di trasporto degli elettroni porteranno il rilascio di ATP. Oltre ad essere importante il ciclo di krebs perchè rilascia i coenzimi ridotti, che poi porteranno alla sintesi di ATP nella catena di trasporto degli elettroni, è importante anche perché dai suoi intermedi si possono formare molecole che servono al nostro organismo (ad esempio si può formare il gruppo eme dell’emoglobina, si possono formare amminoacidi, si possono formare anche gli acidi grassi). Livello più alto: ricordare gli intermedi Livello superiore superiore:ricordare le formule (che lei non chiede perchè si devono disegnare) REGOLAZIONE CICLO DI KREBS Della regolazione bisogna ricordare che: il ciclo di krebs viene regolato dai primi 3 enzimi (così o inizia o non inizia, non può capirlo a metà). La reazione negativa del ciclo è data dai prodotti che si liberano, se il ciclo produce NAD+H+ ma dentro la cellula è già presente in gran quantità, il NADH inibisce gli 37 enzimi del ciclo. Se dentro la cellula c’è ATP e naturalmente il ciclo di krebs avviene per rilasciare ATP, l’ATP inibisce il ciclo di krebs. Al contrario ADP è una molecola che stimola alcuni enzimi del ciclo di Krebs Proseguiamo seguendo il destino di questi coenzimi ridotti. Abbiamo detto che si formano tre NADH + H+ è un FADH2 e abbiamo già anticipato che nella catena di trasporto degli elettroni verrà sintetizzato ATP. Il ciclo di Krebs avviene nella matrice mitocondriale, cioè nella parte centrale del mitocondrio, ma sul mitocondrio ci sono queste creste mitocondriali ripiegate che contengono gli enzimi della catena di trasporto degli elettroni. CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI Come è fatta questa catena di trasporto degli elettroni? È formata da quattro complessi (primo secondo terzo e quarto). Questi quattro complessi sono fatti da proteine che sono inserite dentro la membrana e che sporgono alcune anche verso l’esterno, ma sicuramente verso l’interno. Al loro interno questi complessi contengono sia dei coenzimi come FAD e NAD sia delle proteine legate ad atomi di ferro un po’ come l’emoglobina, però l’emoglobina lega l’ossigeno, invece questo ferro che si trova legato a queste proteine che si chiamano centri ferro-zolfo (proteine che hanno legato il ferro allo zolfo), accetta gli elettroni (si può ridurre) e cede elettroni (si può ossidare), perché nella catena di trasporto degli elettroni avvengono delle reazioni di ossido riduzione Le reazioni di ossido riduzione sono le reazioni in cui un elemento accetta gli elettroni e si riduce. Per accettarli ha un potenziale di ossido riduzione, cioè una capacità di attirare gli elettroni più grande di quello con cui sta reagendo, per cui gli elettroni passano da un elemento a un altro perché questo secondo ha una maggiore attrazione per gli elettroni. Questa maggiore attrazione dal punto amministrativo si chiama potenziale di ossido riduzione. Più gli elettroni sono negativi, più questo potenziale di ossido riduzione è un po’ meno negativo di quello della molecola che lo precede, o tendente verso il positivo, maggiore è la sua capacità di attirare gli elettroni e questo è quello che succede nella catena di trasporto degli elettroni, cioè ogni complesso ha rispettivamente al complesso che lo precede un maggior potenziale di ossido riduzione un po’ meno negativo o più tendente al positivo per cui gli elettroni passano con delle reazioni di ossido riduzione. Come avviene in tutte le reazioni di ossido riduzione si libera energia. 38 Il passaggio di elettroni da un complesso all’altro libera energia e allora che succede dentro alcuni di questi complessi? L’energia che si libera fa cambiare forma queste proteine che formano i complessi e come per magia si apre al loro interno un canale. Sono passati gli elettroni portati dal NADH + H+ E i protoni? I protoni passano attraverso questi complessi dalla matrice nello spazio intermembrana, quindi il passaggio degli elettroni da un complesso all’altro libera energia Quando viene liberata energia questi complessi aprono un canale al loro interno e i protoni che sono gli ioni H+ dalla matrice passano nello spazio intermembrana e come passano non possono più tornare indietro Per cui nello spazio intermembrana si forma un gradiente protonico (cioè tanti ioni H + nello spazio intermembrana e meno nella matrice). Questo avviene perché l’energia che viene liberata dalle reazioni di ossido riduzione fa passare gli ioni H + contro gradiente in maniera unidirezionale dalla matrice nello spazio intermembrana e non riescono a tornare indietro. RIPETE DI NUOVO { Catena di trasporto degli elettroni vuol dire che ogni complesso ha al suo interno degli elementi che hanno per gli elettroni una affinità maggiore del complesso di prima, per cui come se fossero questi elettroni delle ranocchie che saltano da un secchiello all’altro, gli elettroni saltano da un complesso all’altro, perché ognuno di questi secchielli richiama le ranocchie in maniera più forte rispetto al secchiello di prima. C’è una differenza di carica che si chiama potenziale di ossido riduzione che significa che ciò che compone quel complesso ha per gli elettroni un’affinità più grande di quella che ha il complesso di prima, per cui questi elettroni passano da un complesso all’altro. Ma quando poi ce n’è un altro dopo che ha un’affinità per quello che li hai ricevuti più alta passano nell’altro e quando si trovano in quest’altro siccome il complesso dopo ha un’affinitá più alta passano nell’altro ancora. L’accettore finale di questi elettroni e l’ossigeno molecolare (l’ossigeno ha carica positiva, ha un potenziale di ossido-riduzione positivo quindi è l’accettore finale degli elettroni) e si riduce diventando O2- - Ogni volta che avvengono queste reazioni di ossido riduzione si libera energia Questa energia determina la formazione di un canale all’interno di alcuni complessi che si fa attraversare contro gradiente dai protoni che dalla matrice vanno nello spazio intermembrana e non possono ritornare perché il passaggio è unidirezionale Quindi nello spazio intermembrana ci sarà un’elevata concentrazione di protoni e invece nella matrice una bassa concentrazione di protoni 39 Vediamo come sono questi complessi C’è il complesso primo. Al complesso primo vanno a scaricare ciò che portano i NADH + H+ (complesso primo è la porta di “scarico” del NADH + H+ ) Il NADH + H+ cede due protoni e due elettroni (gli elettroni vengono ricevuti dal complesso primo) Il complesso primo non li dà al complesso secondo Il complesso secondo è la porta del FADH2 Il complesso primo e il complesso secondo sono due porte distinte, anzi il secondo complesso non è altro che è un enzima del ciclo di Krebs quello che libera FADH 2 E quindi se volessimo rappresentare le reazioni del ciclo di Krebs con un cerchietto, il ciclo di Krebs apparirebbe appeso alla membrana mitocondriale interna. Entrambi cedono ciò che portano; portano elettroni e rilasciano i protoni. Siccome avviene una reazione di ossido-riduzione, il primo complesso forma un canale e si fa attraversare da ben quattro protoni che stanno nella matrice, perché ogni volta che questi coenzimi rilasciano elettroni rilasciano tanti protoni nella matrice (non è che siccome ne rilasciano due elettroni passano due protoni, ne passano quattro, è stato calcolato perché la matrice è piena di protoni) Gli elettroni passano dal primo complesso al coenzima Q. ORA VEDIAMO IL VIDEO CHE È BELLO Il primo complesso li deve dare al terzo, solo che questi complessi sono incastonati dentro questa membrana e non si possono muovere, quindi gli elettroni per passare da un complesso all’altro utilizzano dei sistemi navetta. Il coenzima Q, il famoso Q 10, quello utilizzato nelle creme e nel dopo barba da uomini, è importante perché permette il trasferimento degli elettroni. Quando gli elettroni non vengono trasferiti come si deve (questo succede andando avanti nell’età), si liberano radicali liberi. I radicali liberi dell’ossigeno,quando la catena non avviene correttamente, sono responsabili dell’invecchiamento a seconda di dove si liberano (pelle = invecchiamento della pelle, cervello = Alzheimer ecc…). Questo coenzima Q è quello che riceve gli elettroni e protoni dal primo complesso e li da al terzo ( è una molecola mobile che si muove nella membrana mitocondriale interna) e li riceve anche dal secondo e li dà al terzo. Gli elettroni arrivano al terzo e devono andare al quarto e per andarci utilizzano un’altra navetta che si chiama citocromo C, che è una sferetta mobile, che non si muove però dentro la membrana come il coenzima Q, ma ruota nello spazio intermembrana (all’esterno della membrana mitocondriale interna). Anche il citocromo C riceve gli elettroni dal terzo complesso (perché ha un’affinità più grande) e li cede al quarto. 40 Al quarto complesso c’è una sorta di cavità dove si trova l’ossigeno. L’ossigeno che ha un’affinità più alta di tutti si carica di elettroni e diventa O 2- - e viene rilasciato nella matrice mitocondriale. Nel frattempo che sono avvenute queste reazioni di ossido riduzione, i protoni sono stati pompati attivamente contro gradiente nello spazio intermembrana. Alla fine c’è un enzima che si chiama F1 FO ATPasi (che è un ATP sintasi, un enzima che sintetizza ATP). FO si dice così perché è sensibile a un antibiotico che si chiama oligomicina , FO è la subunità che attraversa la membrana mitocondriale interna e contiene un canale aperto F1 è la parte che catalizza la reazione ADP + fosfato = ATP ed è una sferetta (tipo i camini con la parte in acciaio all’interno che ruota). Però l’ATP gli rimane appiccicato, lo sintetizza, ma non lo rilascia, così abbiamo uno spazio intermembrana pieno di protoni e una matrice povera di protoni. Siccome nella porzione FO questo enzima ha un canale, i protoni che non possono tornare indietro da nessun altra parte, l’unica via d’uscita che hanno è attraversare la porzione FO di questo enzima e l’attraversano come un flusso (come se fosse un ruscello d’acqua) e man mano che questi protoni la attraversano come un flusso, quella porzione che sporge (la sferetta) ruota (più i protoni passano più lei ruota) e rilascia ATP. Esempi: 1) assomiglia anche alla ruota del mulino quando sotto c’è un ruscello che scorre e la ruota che gira (il ruscello sono il flusso di protoni e la ruota che gira è la sferetta dell’enzima) 2) le porte girevoli di un albergo quando ci sono tante persone che stanno dentro la hall e devono andare fuori in strada, questo flusso di persone fa girare la porta girevole, questo giro della porta girevole rilascia ATP Noi mangiamo, quello che mangiamo viene ossidato, il prodotto dell’ossidazione (ossidazione = strappare atomi di idrogeno) si carica sul coenzima, i coenzimi rilasciano ciò che portano (elettroni e protoni) che si dividono in due strade: - gli elettroni compiono una serie di reazioni di ossido riduzione - i protoni creano un gradiente intermembrana Alla fine l’accettore finale degli elettroni è l’ossigeno. I protoni (che sono più concentrati nello spazio intermembrana e meno nella matrice), hanno come unica via d’uscita l’enzima, lo attraversano e man mano che questo flusso di protoni attraversa quel canale dell’enzima, l’enzima rilascia ATP e dentro la matrice mitocondriale l’ossigeno O2- - trova H+ in grande quantità per cui H+ e O2- - formano acqua H2O. 41 Questa è la sintesi di ATP con il modello chemiosmotico che spiega il gradiente protonico che ha scoperto Mitchell Questo è Boyer che ha scoperto il modello di catalisi rotazionale cioè l’enzima catalizza la sintesi di ATP e lo rilascia in seguito alla rotazione dell’enzima METABOLISMO DEL GLICOGENO Questo glucosio può essere utilizzato per sintetizzare il glicogeno. Il glicogeno è un polisaccaride fatto da tante molecole di glucosio legate insieme. Quali sono le cellule che sintetizzano il glicogeno? Le cellule muscolari sintetizzano il glicogeno così quando hanno bisogno di glucosio e non abbiamo ancora mangiato, staccano il glucosio dal glicogeno e lo utilizzano per ottenere energia per la contrazione muscolare. Oltre le cellule muscolari, la sintesi di glicogeno avviene anche nelle cellule epatiche. Anche il fegato utilizza il glucosio in eccesso per sintetizzare glicogeno, ma il fegato è un organo altruista, non lo fa per sé, come le cellule muscolari, ma quando siamo 42 a digiuno, per esempio durante la notte, il fegato stacca dal glicogeno molecole di glucosio e quando la glicemia si abbassa grazie a questo rilascio di molecole di glucosio, la glicemia torna ad essere nella norma. Il glicogeno viene sintetizzato nel muscolo e nel fegato con due scopi completamente diversi (nel muscolo per il muscolo, nel fegato per l’intero organismo). Vediamo come avviene questa sintesi di glicogeno Nel muscolo quando serve il glucosio, il muscolo stesso lo stacca dal glicogeno, lo fa diventare glucosio 6-fosfato e lo fa entrare nella glicolisi e quindi utilizza ATP in questo modo. Invece, nel fegato, questo glicogeno serve per rilasciare glucosio (il glucosio che viene rilasciato dal glicogeno o inserito nel glicogeno si chiama glucosio 1-fosfato) Quando viene rilasciato il glucosio 1-fosfato diventa 6-fosfato; il fegato ha un enzima che è la fosfatasi che stacca il gruppo fosfato al glucosio, il glucosio senza il gruppo fosfato attaccato è libero di uscire e ripristina nel sangue i valori della glicemia. Solo il fegato ha quest’enzima, tutte le altre cellule che hanno glucosio non glielo staccano il gruppo fosfato, non lo fanno uscire, ma lo utilizzano per il loro metabolismo. Grazie al fegato la glicemia si mantiene costante tra gli 80 e i 110 mg/100 ml. La molecola del glicogeno è una molecola ramificata, che permette quando c’è tanto glucosio di attaccare contemporaneamente più molecole di glucosio per formare la molecola di glicogeno. Al contrario, quando c’è bisogno di scindere glicogeno, più molecole di glucosio contemporaneamente vengono staccate dal glicogeno. 43 Se il glicogeno fosse una molecola lineare aggrovigliata, ci sarebbero solo due estremità, il fatto che sia ramificata permette che quando viene sintetizzato, più molecole di glucosio si legano, quando viene demolito più molecole di glucosio vengono rilasciate e questo glucosio può entrare nella glicolisi. Viene sintetizzato questo glicogeno utilizzando molecole di glucosio 1-fosfato, quindi il primo enzima che interviene è l’enzima esochinasi, che lo trasforma in glucosio 6- fosfato e va nella glicolisi, ma se quella cellula deve sintetizzare il glicogeno, il glucosio 6-fosfato, dopo la prima glucasi, diventa glucosio 1-fosfato (perché il glucosio che sta dentro il glicogeno è 1-fosfato). E in questo modo la cellula distingue il glucosio che serve per la glicolisi e il glucosio che serve per il glicogeno, perché sempre glucosio è, quindi si potrebbe creare il caos, invece il glucosio che va nella glicolisi è il 6-fosfato, mentre quello del glicogeno è l’1-fosfato. Questo glucosio 1-fosfato viene attivato, con una carica che si può poi appiccicare al glicogeno ingrandendolo e questa carica gli viene data che reagisce con l’UTP e diventa UTP glucosio quando poi l’UTP si stacca, il glucosio che rimane ha l’energia giusta (diventa attivo) per legarsi alla molecola di glicogeno che diventa così più grande. Poi il glicogeno ha delle ramificazioni, queste ramificazioni vengono fatte da un enzima che si chiama enzima ramificante, che quando un braccio del glicogeno diventa molto lungo, stacca un pezzettino di glicogeno fatto da 15 molecole di glucosio e lo attacca come ramificazione e in questa maniera viene sintetizzata la molecola del glicogeno. Ma quando dentro la cellula tutto il glicogeno viene consumato e viene sinterizzato di nuovo glicogeno, viene attivata una molecola che già esiste, ma se è stata tutta già consumata, il cuore del glicogeno è la proteina che si chiama glicogenina, se il glicogeno viene tutto consumato il cuore di questa molecola di glicogeno cioè la glicogenina rimane ed è su questa che vengono aggiunte altre molecole di glucosio e si riforma la molecola del glicogeno. Al contrario quando il glicogeno viene demolito, l’enzima che idrolizza (stacca) la molecole di glucosio dal glicogeno si chiama glicogeno fosforilasi, questo enzima rilascia le molecole di glucosio quando la cellula ha bisogno di energia. Man mano che questo enzima glicogeno fosforilasi rilascia molecole di glucosio, quando si avvicina alla ramificazione interviene un enzima deramificante che idrolizza il legame della ramificazione e rilascia molecole di glucosio. Questo glucosio è chiaramente il glucosio 1-fosfato, per entrare nella glicolisi deve diventare glucosio 6-fosfato e quindi c’è una mutasi ,che converte il glucosio 1- fosfato diventa glucosio 6- fosfato, questo glucosio 6-fosfato se ci troviamo nella cellula muscolare entra nella glicolisi, se ci troviamo nella cellula epatica l’enzima gli staccherà il gruppo fosfato e rilascerà glucosio. 44 REGOLAZIONE DELLA DEMOLIZIONE DEL GLICOGENO Come viene regolata la demolizione del glicogeno? A sinistra vediamo l'epatocita (cellula epatica) e a destra una cellula muscolare In entrambe le cellule la via di segnale, cioè l’attivazione degli enzimi che porta alla demolizione del glicogeno è identica, però viene innescata da ormoni diversi. Nella cellula muscolare è l’adrenalina che viene rilasciata quando il muscolo si deve contrarre, l’adrenalina si lega al suo recettore che è collegato alle proteine G e questo recettore attiva la sintesi del secondo messaggero che è l’AMP ciclico (secondo messaggero perché l’ormone non può entrare dentro la cellula quindi il messaggio glielo porta la seconda molecola che viene prodotta). Nel fegato tutto questo viene ad opera dell’ormone glucagone, anche il glucagone si lega al suo recettore e porta alla sintesi del secondo messaggero AMP ciclico Come vengono regolati gli enzimi? Ci sono ormoni che come messaggio portano attivazione delle chinasi, tutti gli enzimi dentro la cellula avranno il gruppo fosfato attaccato, gli enzimi che demoliscono saranno attivi, gli enzimi che sintetizzano, invece, saranno inattivi. Quando l’adrenalina nel muscolo o il glucagone nel fegato si legano al loro ricettore dicono dentro cellula di demolire il glicogeno. Fanno attaccare un gruppo fosfato a tutti gli enzimi, e l’enzima di cui stiamo parlando glicogeno fosforilasi con il gruppo fosfato attaccato è attivo, mentre l’enzima che sintetizza il glicogeno avrà pure il gruppo fosfato attaccato e sarà inattivo. Se invece l’ormone che si lega al suo recettore sulla membrana plasmatica della cellula epatica, oppure della cellula muscolare è l’insulina, essa come messaggio porta l’attivazione di enzimi che staccano il gruppo fosfato a tutti gli enzimi che stanno dentro la cellula. L’insulina porta un messaggio di benessere, abbiamo appena mangiato, allora il nostro enzima che demolisce il glicogeno senza il gruppo fosfato attaccato è inattivo, mentre l’enzima che sintetizza il glicogeno senza il gruppo fosfato attaccato è attivo, quindi l’insulina come messaggio porta sintesi del glicogeno (c’è tanto benessere 45 quindi il glucosio può essere utilizzato per formare il glicogeno), mentre l’adrenalina nel muscolo e il glucagone nel fegato come messaggio portano attacco di un gruppo fosfato a tutti gli enzimi, perché attivano le chinasi e quindi il glicogeno viene demolito. Il glicogeno che viene demolito nel muscolo andrà nella glicolisi per la contrazione muscolare, mentre il glicogeno che viene demolito nel fegato viene rilasciato nel sangue. Ci sono delle molecole che si chiamano ionofori che possono inserirsi nella membrana mitocondriale e creare dei fori, quando questi si formano, il gradiente protonico viene dissipato e non avverrà più la sintesi di ATP (perchè se il gradiente protonico non fluisce, non c’è un flusso di protoni dall’ATP SINTASI, non viene sintetizzato ATP, questi protoni ritornano alla matrice tramite i fori sulla membrana), e allora dentro le cellule ci saranno ADP, AMP… che spingono ulteriormente l’ossidazione delle molecole organiche, ma quando questi coenzimi arrivano al mitocondrio e la membrana è bucata, sempre il gradiente viene dissipato. Quando si scoprì questo concetto fece immaginare una farmaco per dimagrire, questo farmaco aveva una composizione tal

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