Propedeutica Biochimica 13/01 PDF

PROPEDEUTICA BIOCHIMICA 13/01 Sbobinatori: Lorena Lipari e Noemi Navarra I GLUCIDI I glucidi sono composti ternari formati da carbonio, idrogeno e ossigeno, con formula chimica generale dove n può essere diverso a seconda del carboidrato....

PROPEDEUTICA BIOCHIMICA 13/01 Sbobinatori: Lorena Lipari e Noemi Navarra I GLUCIDI I glucidi sono composti ternari formati da carbonio, idrogeno e ossigeno, con formula chimica generale dove n può essere diverso a seconda del carboidrato. Questi composti sono abbondanti nel regno vegetale perché vengono sintetizzati dalle piante attraverso la fotosintesi clorofilliana. I glucidi hanno diverse funzioni: Energetica: forniscono energia di rapido utilizzo. 1 g di glucidi fornisce in media 4 kcal Riserva: si accumulano sottoforma di glicogeno nei muscoli e nel fegato, in caso di necessità il glicogeno è idrolizzato e libera il glucosio. Plastica: es. il ribosio costituisce lo zucchero degli acidi nucleici, quindi funzione strutturale Protettiva: sono necessari per un corretto utilizzo dei grassi in carenza di glucidi il fegato non riesce a smaltire i grassi che si ossidano, dando luogo ai cosiddetti corpi chetonici, tossici per il nostro organismo. I carboidrati si classificano in semplici e complessi. I semplici sono i monosaccaridi formati da un’unica unità glucidica, come il glucosio e fruttosio, i complessi possono essere costituiti da due unità monosaccaridiche (disaccaridi), da 3 a 10 (oligosaccaridi), più di 10 (polisaccaridi). Monosaccaridi Sono solubili in acqua, hanno aspetto cristallino e colore bianco, sono dolci, hanno la formula generale del glucosio perché esso è il monosaccaride per eccellenza. I carboidrati sono una classe di composti organici costituiti da aldeidi e chetoni poliossidrilati, cioè contenenti più gruppi ossidrilici (-OH). se il carbonile è sul primo carbonio abbiamo gli aldosi (poliidrossialdeidi), mentre se è nel secondo abbiamo i chetosi (poliidrossichetoni). A seconda del numero di atomi di carbonio, si distinguono in treosi, tetrosi, pentosi, esosi ecc. I monosaccaridi, tranne il diidrossiacetone, presentano un carbonio asimmetrico, cioè presentano 4 sostituenti diversi e sono quindi molecole chirali; esso è stereocentrico cioè può generare due molecole (enantiomeri) tra loro speculari, che non sono sovrapponibili perché hanno un sostituente in posizione spaziale diversa. Il riferimento è l'aldotrioso gliceraldeide, che possiede un solo stereocentro (C*). Il gruppo -OH può essere a destra: configurazione D, o a sinistra: configurazione L (si intende rispetto al piano dell’osservatore). All’aumentare del numero di carboni chirali, aumentano esponenzialmente gli stereoisomeri (2n) perciò per convenzione si considera solo un carbonio, quello più lontano dal gruppo carbonilico. Gli stereoisomeri ruotano in maniera differente il piano della luce polarizzata, se la rotazione avviene verso destra si ha la serie D, se ruota verso sinistra si ha la serie L. Quasi tutti gli zuccheri naturali appartengono alla serie D. Si definiscono zuccheri della serie sterica D tutti quelli che hanno la stessa configurazione della d-gliceraldeide nel carbonio chirale a numerazione più alta, cioè in quello più lontano dal gruppo carbonilico. Tutti i monosaccaridi di origine naturale sono della serie sterica D. In natura non esistono zuccheri della serie L. Tuttavia, se volessimo scrivere uno zucchero della serie L, dovremmo invertire la configurazione di tutti gli atomi di carbonio chirali, non solo quello a numerazione più alta. È importante definire gli epimeri perché alcuni enzimi avranno come substrati preferibilmente epimeri di alcuni composti percè questi devono soddisfare legami all’interno del sito attivo. Gli epimeri sono due monosaccaridi che differiscono solo per la configurazione di un carbonio chirale. Per esempio, il mannosio e il galattosio sono epimeri del glucosio, il mannosio differisce per la configurazione al C-2 mentre il galattosio al C-4. Tra i pentosi da ricordare ci sono il ribosio e il desossiribosio, che formano gli acidi nucleici. Tra gli esosi ricordiamo il fruttosio, il galattosio (sintetizzato dalla ghiandole mammarie dei mammiferi) e il glucosio (principale combustibile della respirazione cellulare. Il glucosio è il monosaccaride più importante. In presenza di acqua, il glucosio e altri monosaccaridi, da forma lineare, assumono una forma ad anello per la reazione tra il carbonio 1 e il carbonio 5 e tendono ad assumere questa forma emiacetalica. Il legame tra i due carboni forma un nuovo stereocentro e gli isomeri che si formano sono chiamati anomeri α e β: il primo sarà caratterizzato dal gruppo -OH in basso, il secondo avrà il gruppo -OH in alto, in entrambi i casi rispetto al C1. Gli anomeri sono importanti perché quando i monosaccaridi si andranno a legare per formare i polisaccaridi, si andrà a distinguere il legame α-glicosidico da quello β-glicosidico. In realtà la forma ad anello non è la rappresentazione reale della struttura, perché essa tende ad assumere una conformazione a sedia, in modo tale da renderla più stabile. In soluzione acquosa gli anomeri tendono a passare dalla struttura lineare a quella ciclica e viceversa, questo fenomeno si chiama mutarotazione. Disaccaridi Sono formati dall’unione tra due monosaccaridi, uniti da un legame glicosidico che si forma tra l’ossidrile di un carbonio anomerico della prima unità zuccherina e un qualsiasi ossidrile della seconda unità; tale legame comporta una reazione di condensazione con eliminazione di una molecola d’acqua. Tra i disaccaridi ricordiamo il saccarosio, il lattosio, il maltosio. Il saccarosio è un disaccaride costituito da un’unità di glucosio e una di fruttosio tenute insieme da un legame α-1,2-glicosidico: ciò significa che il legame avviene tra il C-1 del glucosio e il C-2 del fruttosio. Il lattosio è un disaccaride costituito da un’unità di galattosio e una di glucosio tenute insieme da un legame β-1,4- glicosidico, quindi tra il C-1 del galattosio e il C-4 del glucosio. Il lattosio è uno zucchero riducente. Il lattosio si ricorda anche per l’intolleranza. Interviene l’enzima lattasi. Nei soggetti senza intolleranza l’enzima lattasi scinde il lattosio in glucosio e galattosio nell’intestino tenue e gli zuccheri semplici verranno assorbiti dall’enterocita, immessi nel circolo sanguigno e poi sottoposti a processi metabolici. Nei soggetti intolleranti la lattasi non è presente, quindi il lattosio subirà un processo di fermentazione batterica e produrrà una serie di gas e metaboliti che provocheranno i sintomi tipici di questa intolleranza. Il maltosio è un disaccaride costituito da due unità di glucosio tenute insieme da un legame α-1,4-glicosidico. Il maltosio è quello che si trova nei carboidrati come pasta, pane ecc. Polisaccaridi I polisaccaridi si distinguono in: omopolisaccaridi, contengono solo una singola specie monomerica, ed eteropolisaccaridi, contengono 2 o più specie monomeriche. Funzioni dei polisaccaridi: La cellulosa, l’amido e il glicogeno sono polisaccaridi e sono polimeri del D-glucosio. La cellulosa costituisce il principale materiale di sostegno delle piante; l’amido è la principale riserva alimentare delle piante; il glicogeno è la riserva di carboidrati degli animali. Nella cellulosa i legami sono β-1,4-glicosidici, nell’amido e nel glicogeno sono α-1,4-glicosidici. L’amido è composto da due polimeri, l’amilosio e l’amilopectina. L’amilosio è in forma lineare, l’amilopectina è in forma ramificata; l’amilopectina ha delle ramificazioni che non sono α-1,4 ma α-1,6. In particolare le ramificazioni permettono all’amido di legare molte molecole di glucosio per assolvere la funzione energetica. La cellulosa ha una struttura lineare. La disposizione dei carboni anomerici in beta obbliga le catene di cellulosa a essere essenzialmente lineari, o a esporre gruppi - OH verso l’esterno. Ciò conferisce rigidità alla struttura, rendendola il materiale ideale per la costruzione delle pareti cellulari vegetali. La cellulosa è anche importante perché costituisce la fibra alimentare: essa è essenziale per l’alimentazione, apporta molti benefici come regolare le funzioni intestinali e prevenire l’accumulo di sostanze tossiche, ma è anche irritante per cui si devono assumere massimo 30 g di fibra al giorno ed essa deve essere limitata per chi soffre di irritazione al colon. Quindi le funzioni della fibra alimentare sono diverse e molto efficaci, ma bisogna bilanciarle. Il glicogeno è uno zucchero di riserva animale e ha la stessa struttura dell'amido. Però ci sono delle differenze e risiedono non nei legami, la struttura dell'amilosio e dell'amilopectina è sempre presente: nell’amilosio, ovvero nelle singole unità di glucosio legati insieme, si hanno legami alfa 1,4 e le ramificazioni alfa 1,6, ma il glicogeno ha un numero di ramificazioni superiore rispetto l'amido. Il glicogeno rappresenta la prima fonte di energia che viene immagazzinata nel fegato, anche se abbiamo riserve di glicogeno nel muscolo, perché il muscolo deve avere la possibilità di contrarsi anche in assenza di glucosio e quindi deve avere una fonte immediata. L'organo che lo immagazzina è il fegato, cioè l'organo in cui avviene la regolazione del metabolismo glucidico, ovvero quando c'è carenza il glicogeno tende ad essere idrolizzato e dal fegato avverrà un processo attraverso il quale si può avere a disposizione le molecole di glucosio. Diversamente quando dopo un pasto viene assunto troppo glucosio, verrà immagazzinato nel fegato. Quindi è una fonte di energia diretta. Nel muscolo è presente in una concentrazione minore rispetto il fegato. - GLI ETEROPOLISACCARIDI Tutti i polimeri sono omopolimeri e c'è sempre la presenza di glucosio ed in realtà ci sono anche gli ETEROPOLISACCARIDI e oltre le unità di glucosio ci sono zuccheri legati insieme: Proteoglicani Glicoproteine Glicolipidi Nucleosidi  La differenza tra un proteoglicano e una glicoproteina: un proteoglicano è un ETEROPOLISACCARIDE che presenterà all'interno della struttura tracce di proteina e con una concentrazione bassa, mentre il 95 % è caratterizzato da zuccheri. Nelle glicoproteine la concentrazione di zuccheri è inferiore rispetto la struttura proteica. Le glicoproteine sono molto diffuse, subisce un processo di glicazione per poi essere complessato (insieme alla proteina) lo zucchero stesso. Tra le glicoproteine esempi sono lectine e le mucine (la struttura è proteica e a questa viene associata una componente glucidica) naturalmente sono quelle che formano il muco. I proteoglicani sono costituiti da una parte proteica e sono anche formati da una parte di zuccheri più preponderante. Quindi si trovano negli animali, nei batteri, nelle piante e si possono trovare in una forma solforata e non solforata. Facendo un esempio, tra i proteoglicani c’è l'acido ialuronico con funzione soprattutto strutturale nella matrice cellulare, perché (insieme alle fibre collagene) serve a dare consistenza e struttura alla matrice, perché poi questi con l'invecchiamento cellulare vengono meno e quindi tutto il processo interessa la degradazione di queste strutture che vengono in sostegno vero e proprio alla cellula stessa. EDULCORANTI Questi zuccheri hanno una funzione energetica. Sono stati prodotti chimicamente degli zuccheri come la saccarina e l’aspartame, che hanno un potere edulcorante di gran lunga superiore rispetto i dolcificanti naturali: la saccarina è impiegata da più tempo come sostitutiva dello zucchero. Però con il tempo è stato ascritto alla saccarina un’incidenza di tumore alla vescica; quindi, sono stati sintetizzati altri tipi di edulcorante come l'aspartame. A differenza con la saccarina, è che presenta comunque un contenuto energetico di base, anche questo è sulle 4 kcal-mole, però siccome il quantitativo che necessita l’impiego dell’aspartame per avere lo stesso potere edulcorante rispetto lo zucchero da cucina è veramente molto basso, non si prende in considerazione questo suo apporto energetico, perché il quantitativo che si utilizza è veramente basso. Quindi l’aspartame è in grado di conferire quella sensazione dolce che ha un'intensità superiore rispetto il saccarosio (130/250 volte rispetto al saccarosio) quindi di conseguenza se ne deve utilizzare molto poco. Gli edulcoranti di sintesi vengono impiegati nelle diete dei soggetti che devono controllare l'assunzione di zuccheri. Come vengono prima digeriti e poi successivamente assorbiti questi zuccheri?  Secondo sempre quelli che sono i piani della sana e corretta alimentazione ci sono delle linee guida che servono affinché la nostra nutrizione possa essere quella più giusta possibile, si consiglia un'assunzione di carboidrati di circa 55/60% rispetto a quelle che sono le calorie totali. Apporto calorico corretto: 15/20%di proteine e poi il resto quindi 25/30% di lipidi. Quello che dovremmo assumere nella nostra dieta sono di più gli zuccheri rispetto a tutto il resto. Facendo attenzione a che cosa? Di questi 55/60 soltanto il 10 % sono gli zuccheri semplici che danno il picco glicemico e di questa percentuale devono essere assunti polisaccaridi e (amidi) sono quelli che presentano una lavorazione prima che questi vengano assorbiti e dunque non danno il cosiddetto picco glicemico. Quindi l'eccesso di glucidi naturalmente indicati come zuccheri semplici porta all'obesità, invece la carenza alla perdita di peso è al catabolismo che interesserà gli altri principi nutritivi, primo tra tutti è la proteina. Quindi nel processo digestivo, lo zucchero viene subito digerito nella bocca, perché nella saliva è contenuta l’amilasi salivare, quell'enzima che è preposto alla scissione dei legami glicosidici. Per cui quando vengono assunti dei polisaccaridi, la masticazione e quindi la secrezione della saliva (in cui è contenuta l’amilasi salivare) comincia la scissione dei polisaccaridi, per cui noi avremo la formazione di oligosaccaridi. Quindi, zuccheri sempre complessi che però continuano a presentare unità di glucosio molto elevate. Scendendo nello stomaco (il ph cambia) l'enzima viene disattivato, per cui noi non c’è una fase digestiva che interessa gli zuccheri a livello dello stomaco. La digestione degli zuccheri continua nell'intestino, dove grazie alla secrezione di succhi pancreatici e del succo enterico ci sono gli enzimi necessari a completare la scissione delle oligosaccaridi, che passeranno a disaccaridi e poi, grazie all'enzima dedicato (maltosio=maltasi; saccarosio=saccarasi ecc..), questi saranno scissi in unità monosaccaridiche e sarà proprio in questa forma di monosaccaride che lo zucchero potrà essere assorbito dall’enterocita in forma di glucosio, di fruttosio e maltosio, per poi essere assorbiti e passare nel circolo sanguigno. Per renderli più digeribili è importante esporli alle alte temperature, perché questi granuli possano essere più attaccabili dagli enzimi digestivi. Infatti, se consideriamo il granulo, ogni singolo amido presenta la sua porzione di amilosio, la sua porzione di amilopectina (molto ramificata). Quindi bisogna esporli ad alte temperature ed in presenza di acqua (assorbendola) aumenta le sue dimensioni e viene meno la consistenza ramificata di amilosio e amilopectina. Avviene un processo di gelatinizzazione e la perdita di questa struttura complessa. Ma quando la temperatura non è più alta, avviene la riorganizzazione strutturale, ossia il processo di retrogradazione, ma non si recupera la struttura originale e rimane sempre alterata. È proprio per questo motivo che gli enzimi digestivi procedono in modo più semplice. Nella fase di digestione avviene la scissione del polisaccaride al monosaccaride. Nell'intestino tenue e quindi nell’enterociti ci sono liquidi preposti all’assorbimento e sono formati delle celluline (responsabili dell’assorbimento). Attraverso la membrana dell’enterocita, lo zucchero nella forma monosaccaridica, deve attraversare la membrana. Nel caso del glucosio è importante che ci siano dei carrier che trasportino le unità monosaccaridiche all’interno della cellula. Non avviene una semplice diffusione, ma è necessaria la presenza del carrier che trasporti il glucosio dall’esterno dell’interno. Nel caso del glucosio prevede un carrier che però deve agire con cotrasporto con il sodio e prende il nome di SGLUT1. Nel caso del glucosio saranno presenti diversi trasportatori, anche a seconda dell'organo in cui il glucosio deve entrare. Si vede che nella prima fase è il sodio che si va a legare. Quando il sodio si lega c'è un cambio di conformazione della proteina carrier che adesso può accogliere il glucosio, lo lega e poi lo trasporta verso l'interno del lume cellulare. A questo punto si stacca il sodio e si stacca il glucosio; quindi, il glucosio viene trasportato all'interno della cellula. Mentre il glucosio e per il galattosio, il trasportatore è SGLUT 1, per il fruttosio cambia e sarà il GLUT 5. Il fruttosio riesce ad attraversare la membrana per diffusione ed attraverso sempre il trasportatore. In uscita la situazione cambia, quando dalla cellula deve passare al circolo sanguigno il trasportatore cambia, non abbiamo più SGLUT1 ma il GLUT2, attraverso il quale possono passare per diffusione facilitata. Il glucosio viene assorbito, ma per passare dal lume intestinale al circolo sanguigno deve essere veicolato ad una serie di trasportatori. I trasportatori sono diversi a seconda dell’organo in cui deve andare. Quando il glucosio viene assorbito nel circolo sanguigno, si innesca una distribuzione di glucosio nei vari distretti. Quando il glucosio viene assorbito viene immediatamente veicolato al cervello, poi viene veicolato nel muscolo, perché il muscolo deve avere l'opportunità di lavorare e contrarsi e di usare energia. Viene immediatamente trasportato al fegato, perché li deve essere immagazzinato (qualora l'assunzione fosse fatta in concentrazioni maggiori rispetto del fabbisogno) e poi quello che non viene impiegato, viene convogliato nel tessuto adiposo. Il glucosio viene distribuito in questi distretti perché ognuno di questi lo possa utilizzare. Il GLUT 4 Si trova a livello del muscolo e nel tessuto adiposo ed è importante perché è soggetto a regolazione in particolare dell'insulina. L'insulina insieme al glucagone dovranno regolare la concentrazione di glucosio nel sangue che deve rimanere costante e non può trovarsi in maniera alterata. Quindi questi due ormoni uno ipoglicemizzante (insulina) e iperglicemizzante (glucagone) andranno a regolare il metabolismo del glucosio legandosi al recettore. Risente della regolazione dell'insulina il GLUT 4, perché in seguito alla presenza dell'insulina, il carrier verrà attivato per favorire l'ingresso del glucosio a livello cellulare. Infatti, un soggetto diabetico, la concentrazione di glucosio nel sangue è superiore rispetto ad un soggetto normale. Questo perché il trasportatore non funziona. Quando l'insulina si lega al suo recettore questa stimola e promuove l'esocitosi del trasportatore del glucosio. Il trasportatore si lega alla membrana cellulare per legare le molecole di glucosio in modo che queste possono essere introdotte all'interno della cellula. Se l'insulina non si lega al recettore non viene promossa l'esocitosi di questo trasportatore e quindi il glucosio non entra nella cellula. L'insulina ha la funzione di diminuire la concentrazione di glucosio nel sangue ed ecco perché è definito ipoglicemizzante. Per tutti soggetti, sia sani che diabetici, ci sono una serie di strumenti che possono aiutare a regolare la concentrazione di glucosio nel sangue. Uno strumento rapido ed efficace è il glucometro Il glucometro usa una piccola goccia di sangue che ne da la concentrazione. Usa la reazione di ossidazione di glucosio e poi, nel primo processo in cui si forma il perossido di idrogeno,e grazie alla presenza di un colorante e alla perossidasi, ci da una reazione colorimetrica che può essere convertita in concentrazioni. Nei casi in cui si volesse monitorare la concentrazione di glucosio e come non varia nel momento in cui viene misurata, ma per più tempo, in quel caso si usa un'altra tipologia di esame: la misura dell'emoglobina glicata. L'emoglobina è una proteina che di trova all'interno globulo rosso; quindi, nel sangue ed è a stretto contatto del glucosio (qualora questa concentrazione aumentasse di gran lunga). L'emoglobina in particolare grazie ai residui amminoacidici e nella sua porzione amminica formerebbe dei legami con il glucosio e quindi la struttura della proteina si altererebbe.A questo punto si misura la concentrazione di emoglobina glicata, anche perché questo è un indice di quel valore di glucosio che è meno costante dei 30 giorni. Bisogna considerare che l'emivita di un globulo rosso è di 30-60 giorni. Un coagulo da un valore di glucosio alterato in tempo più lungo. Si misura la concentrazione di questa emoglobina glicata grazie a un processo di separazione (processo elettroforetico) che consente, grazie alla misura della concentrazione della proteina alterata rispetto l'emoglobina normale e poi in base alla separazione, un’analisi in termini di concentrazione per vedere quanto glucosio c'è. Se il soggetto è diabetico allora è predisposto ad un aumento di glicemia e si riscontrerà un aumento della  concentrazione dell'emoglobina glicata superiore rispetto al soggetto normale. Si il test per monitorare i soggetti predisposti ad essere diabetici e come sostegno per le terapie usate per contrastare il diabete. Quindi è un monitoraggio che da un valore di glucosio che cambia nel tempo. Quando il glucosio entra all'interno della cellula la prima reazione a cui questo è sottoposto (affinché la cellula la possa utilizzare) è una fosforilazione, perché quando il glucosio è fosforilato e si viene ad appiccicare il gruppo fosfato nella struttura non può uscire fuori dalla cellula, perché il trasportatore non lo lega più. Questo poi consentirà tutto un processo che interessa la respirazione cellulare (prima di glicolisi e poi tutti quelli che sono i processi che avvengono all'interno del mitocondrio) affinché il glucosio possa essere convertito o trasformato in ATP. La prima reazione in assoluto è la fosforilazione, perché l'alterazione della struttura fa in modo che il trasportatore non possa riconoscere lo zucchero e quindi il glucosio non esce più dalla cellula.