Corsi di Laurea delle professioni sanitarie: in Infermieristica Polo Didattico Ospedale San Luigi Gonzaga di Orbassano e Ospedale Santa Croce di Cuneo Corso di Biochimica. Prof. Luca Primo Materiale didattico di complemento agli appunti e alle diapositive del corso

Questo materiale, di sicuro aiuto nello studio di un argomento cos vasto quale la Biochimica in un corso di poche ore, vuole essere una guida agli argomenti trattati, non sostituisce gli appunti e le diapositive provenienti dalla didattica frontale, che rimangono il riferimento per le prove desame.

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BIOCHIMICACENNI DI CHIMICA ORGANICA Lo studio dei composti del carbonio e delle loro propriet va sotto il nome di chimica organica. La chimica organica svolge un ruolo fondamentale per la comprensione dei sistemi viventi. I composti organici sono i composti degli organismi viventi, sono le molecole della vita. Comprendono i carboidrati (zuccheri), i lipidi, le proteine e gli acidi nucleici (RNA e il DNA). Contengono carbonio e a volte non metalli, hanno legami covalenti, hanno bassi punti di fusione, bassi punti di ebollizione, bruciano in presenza di ossigeno (sono quindi combustibili), sono solubili in solventi non polari (lacqua non li scioglie completamente), formano polimeri o grosse molecole. Questi composti organici quando si combinano con ossigeno formano una famiglia di composti chiamati alcoli, alcani, eteri, aldeidi e chetoni. Al contrario i composti inorganici contengono metalli, hanno legami ionici e polari, hanno alte temperature di fusione, alte temperature di ebollizione, non bruciano in presenza di ossigeno e sono solubili in solventi polari (acqua)

Gli ALCANI. Sono composti organici che contengono atomi di carbonio e di idrogeno, contengono legami covalenti singoli (C-C) e sono non polari. Il carbonio ha sempre quattro legami, mentre lidrogeno ne ha sempre uno: es. metano CH4 H

H H C H H

H:C:H H

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Il carbonio ha la possibilit di formare 4 legami covalenti. Altri esempi di alcani: Metano Etano Propano Butano Pentano esano Eptane 1 2 3 4 5 6 7 CH4 CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3

Aldeidi e chetoni sono caratterizzati dal gruppo funzionale carbonilico e sono pertanto raggruppati sotto il nome di composti carbonilici. Le aldeidi hanno un H attaccato ad un gruppo carbonilico . I chetoni hanno due gruppi carboniosi attaccati ad un gruppo carbonilico. Gli elettroni del doppio legame C=O, unendo due atomi di elettronegativit molto diversa, sono addensati sull'atomo pi elettronegativo, l'ossigeno. In effetti il gruppo carbonilico fortemente polarizzato: stato calcolato che la carica positiva sull'atomo di carbonio rappresenta circa il 47% di una carica intera.

Ossidazione: consiste nellaggiunta di ossigeno o perdita di idrogeno. Riduzione: consiste invece nella perdita di ossigeno o aggiunta di idrogeno Gli alcoli possono essere ossidati ad aldeidi e chetoni, viceversa gli aldeidi e i chetoni vengono ridotti ad alcoli. I gruppi carbossilici COOH (con doppio legame tra C e O) si comportano come acidi deboli in acqua (rilasciano latomo di H) I gruppi amminici (-NH2) si comportano da basi deboli e possono accettare un protone) Molecole della vita

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Esistono 4 classi di molecole che sono fondamentali per la vita di ogni essere vivente: i carboidrati, i lipidi, le proteine e gli acidi nucleici. Tutte queste molecole costituiscono i mattoni , i monomeri, e si organizzano in catene o meglio in polimeri . I monomeri dei carboidrati (che un polimero) sono i monosaccaridi. I monomeri dei lipidi (polimero) sono gli acidi grassi I monomeri delle proteine (polimeri) sono gli aminoacidi I monomeri degli acidi nucleici (polimeri) sono i nucleotidi Carboidrati Sono composti che contengono C, H e O in rapporto 1:2:1. (es. glucosio). Sono utilizzati per immagazzinare energia e per struttura (es. cellulosa delle piante). I monomeri dei carboidrati sono i monosaccaridi. Due monosaccaridi costituiscono un disaccaride (2 molecole di glucosio formano ad esempio il maltoso). Pi monosaccaridi messi insieme formano i polisaccaridi, i quali possono avere catene lineari o catene ramificate. Ad esempio il glicogeno un polisaccaride di riserva energetica negli animali immagazzinato nei muscoli e nel fegato ed ramificato.La cellulosa un polisaccaride delle piante con funzione strutturale, non ha funzione energetica. Acidi grassi Gli acidi grassi sono i componenti comuni e fondamentali dei lipidi. Chimicamente, i pi diffusi in natura sono costituiti da un gruppo carbossile seguito da una catena di atomi di carbonio lineare legata ad atomi di idrogeno. Pi semplicemente contengono atomi di C (carbonio), H (idrogeno) e O (ossigeno). Sono utilizzati come riserva energetica e molecole di struttura, generalmente sono idrofobici rifiutano lacqua non si sciolgono in essa. Gli acidi grassi sono saturi quando presentano tutti legami semplici (-C-C-), monoinsaturi quando hanno un doppio legame (-C=C-) e polinsaturi quando hanno pi doppi legami (-C=C=C-). Questa suddivisione molto importante poich a seconda del grado di insaturazione gli acidi grassi cambiano le loro propriet fisiche, chimiche e soprattutto biologiche. Gli acidi grassi in natura non si presentano quasi mai in forma libera, ma sono sempre legati per formare lipidi semplici o composti. Gli acidi grassi negli alimenti sono sempre

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sottoforma di trigliceridi. I trigliceridi rappresentano il 95% di tutti gli acidi grassi, contengono uno scheletro di glicerolo con 3 acidi grassi legati. Propriet fisiche Gli acidi grassi saturi hanno una configurazione spaziale lineare che gli consente di disporsi in modo ordinato: questa disposizione facilita le interazioni molecolari (ponti di idrogeno) e di conseguenza essi hanno un punto di fusione elevato. Gli acidi grassi mono e polinsaturi, invece, hanno le molecole "piegate" (a causa del doppio legame che crea uno squilibrio elettrostatico): non riuscendo a disporsi in modo ordinato, i legami tra le molecole sono inferiori e quindi la temperatura di fusione pi bassa. Maggiore il numero di doppi legami, pi bassa la temperatura di fusione. Questa caratteristica ci consente di distinguere facilmente i diversi tipi di acidi grassi: i saturi sono solidi a temperatura ambiente (pensiamo al burro o al grasso della carne), i monoinsaturi e i polinsaturi sono liquidi (es. gli olii). Se raffreddiamo un alimento grasso allo stato liquido, il primo a solidificare sar costituito da monoinsaturi. Infatti se mettiamo in frigorifero l'olio di oliva solidifica ( costituito principalmente da monoinsaturi), mentre l'olio di girasole (costituito principalmente da polinsaturi) rimane liquido. Ovviamente non mancano le eccezioni: esistono grassi saturi liquidi a temperatura ambiente e grassi polinsaturi solidi. Propriet chimiche La stabilit degli acidi grassi, ovvero la loro tendenza a subire alterazioni chimiche, varia di molto a seconda del grado di insaturazione. La presenza dei doppi legami rende un acido grasso molto pi soggetto ad alterazione (soprattutto ossidazione), se soggetto a luce, ossigeno (aria), calore. Un acido grasso tanto pi stabile quanto pi saturo. Questa caratteristica, in pratica, ha due implicazioni. 1- Conservazione: maggiore la percentuale di grassi insaturi di un alimento, pi delicata la sua conservazione. Tutti gli oli, di oliva o di semi, andrebbero conservati al riparo dalla luce e dal calore, ben chiusi per evitare il contatto con l'aria. A tal proposito, l'olio di semi andrebbe conservato in frigorifero mentre l'olio di oliva no. Chi consuma abitualmente l'olio di semi dovrebbe conoscere l'odore pungente di olio racido che si sviluppa vicino al tappo dopo qualche settimana dall'acquisto. 2- Utilizzo in cucina: un alimento contenente acidi grassi polinsaturi non andrebbe

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utilizzato ad alte temperature (oltre i 100 gradi). Per questo motivo non bisogna friggere con olio di semi, ma meglio utilizzare lo strutto o l'olio di oliva. Propriet biologiche Gli acidi grassi saturi hanno due caratteristiche negative: tendono a depositarsi con pi facilit sulle pareti delle arterie e tendono ad innalzare il livello di colesterolo nel sangue. Gli acidi grassi polinsaturi, se ben conservati ovvero se non hanno subito ossidazione a causa di una conservazione o a una preparazione errata, tendono ad abbassare il livello di colesterolo nel sangue e a fluidificare lo stesso. Di contro, un consumo eccessivo di grassi polinsaturi associato a immunosoppressione e l'insorgenza di neoplasie. Metabolismo lipidico I lipidi sono rappresentati dai trigliceridi (TG), colesterolo, esteri del colesterolo ed i fosfolipi. I TG sono formati dal glicerolo esterificato con gli acidi grassi, costituiti da idrocarburi attaccati a gruppi COOH, nei quali gli atomi di carbonio possono essere attaccati da un legame semplice (ac. grassi saturi) o doppi (insaturi, monoinsaturi es. ac.oleico, pi insaturazioni, ac.grassi poliinsaturi). La presenza di doppi legami rende la molecola meno flessibile, pi voluminosa, per cui i TG composti da ac.grassi poliinsaturi occupano pi spazio; inoltre il corpo umano non pu sintetizzare gli ac.grassi polinsaturi,; questi si definiscono essenziali perch si introducono solo con lalimentazione. I TG sono la principale causa di accumulo degli ac.grassi e costituiscono la maggior riserva energetica nei mammiferi; in un uomo di 70Kg garantiscono 140.000 Kcal, contro i 900 Kcal del glicogeno. Il colesterolo un componente delle membrane biologiche e si inserisce nel doppio strato fosfolipidico, precursore dei sali biliari e di tutti gli ormoni steroidei, inclusa la Vit. D, si pu trovare nellorganismo in forma libera o esterificata con acido grasso. I fosfolipidi sono esteri del glicerolo con due molecole di acido grasso ed una molecola di acido fosforico, cosi ch la molecola assume propriet anfotere; essa formata da una estremit idrofobica ed una idrofila (gruppo fosforico).

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GLI ACIDI NUCLEICI

Ci sono due tipi di acidi nucleici, l'acido desossiribonucleico (DNA) e l'acido Ribonucleico (RNA). Entrambi sono degli eteropolimeri. I monomeri del DNA si chiamano desossiribonucleotidi mentre quelli dell'RNA si chiamano ribonucleotidi. Entrambi sono costituiti dei seguenti tre gruppi. 1. Basi . Le basi puriniche adenosina e guanina si ritrovano sia nel DNA che RNA.Le basi pirimidiniche Citosina e Timina si ritrovano nel DNA, mentre nell'RNA troviamo citosina e Uracile2. 2. Zucchero a 5 atomi di carbonio Il DNA contiene il D-2 desossiribosio RNA contiene il D- ribosio3. 3. Gruppi Fosfato Nel DNA, le basi sono legate al 2'desossiribosio con un legame N1'glucosidico a formare un desossinucleoside. Nell' RNA, le basi sono legate al ribosio per formare un nucleoside con un legame N1'glicosidico I desossiriibonucleotidi sono degli esteri fostorici in posizione 5' dei desossinucleosidi I ribonucleotidi sono dei monoesteri fosforici dei nucleosidi

Gli acidi nucleici sono polimeri dei fosfati dei nucleotidi. I polimeri DNA e RNA sono formati da legami fosfodiestere tra gli OH 5' di un nucleotide e il 3' di un idrossile seguente.

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Struttura primaria degli acidi nucleici Come per le proteine, gli acidi nucleici hanno una struttura primaria, costituita dalla sequenza di basi e una direzionalit con una estremit 5' libera da un lato ed una 3' libera dall'altro. Per convenzione le sequenze degli acidi nucleici sono scritte a partire dalla 5' finendo alla 3'. Secondo questa convenzione i legami fosfodiesteri vanno dal 3' al 5'

Le Proteine Ogni cellula contiene oltre 9000 proteine diverse. Ogni individuo umano ha ben olltre 100000 proteine. Per esempio il corpo di un adulto contiene circa 10 Kg di proteine di cui circa 300 grammi viene rimpiazzato giornalmente dal corpo. Le proteine possono avere svariate funzioni (vedi tabella).

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Tipo strutturale

Funzione supporto

Esempio Insetti e ragni usano fibre di seta per costruire il bozzolo e ragnatele. Collagene e elastina forniscono una rete fibrosa nei tessuti connettivi come tendini e legamenti. La cheratina la proteina dei capelli, corna, penne Ovalbumina : proteina dellalbume usata dallembrione. La caseina: principale proteina del latte. Le piante sintetizzano grandi quantit di proteine di deposito nei loro semi Lemoglobina trasporta ossigeno in tutto il corpo. Altre proteine trasportano molecole attraverso la membrana cellulare insulina

Deposito

Deposito di aminoacidi

Trasporto

Trasporto di elementi essenziali Coordinazione delle funzioni di un organismo Risposta di una cellula a stimoli diversi Movimento

Ormonale

recettoriale

Receettori per citochine, fattori di crescita, lipidi Actina e miosina. Proteine contrattili nelle cilia e flagelli per propulsione Anticorpi Enzimi digestivi

contrattile

Difesa Enzimatica

Protezione da malattie Accelerare le reazioni chimiche

Le proteine sono costituite da unit strutturali monomeriche dette aminoacidi, dal cui tipo e dalla cui sequenza dipendono in gran parte le propriet biologiche delle proteine. Tutti gli amminoacidi possiedono un gruppo carbossilico - COOH e un gruppo amminico

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- NH2, legati entrambi allo stesso atomo di carbonio: ci che li differenzia il gruppo R, anch'esso legato al carbonio, che pu essere di venti tipi diversi.

R O H2 N C H C O H

Tutti gli aminoacidi tranne la glicina possiedono il carbonio asimmetrico. In natura ci sono due tipi di aminoacidi, la forma L e la forma D . Tutte le proteine del nostro corpo sono in forma L

RH N

H

CHCarbonio asimmetrico un atomo di carbonio con quattro diversi sostituenti legati

CO

H H

H

L'enorme numero di possibili combinazioni tra i venti tipi di amminoacidi (aa) spiega la grande variet di proteine esistenti. A secondo del gruppo R presente, gli aminoacidi possono essere polari, non polari, basici e acidi:

R

Nonpolari

(8 aa)

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Polari Basici Acidi Totale Nonpolari

(7 aa) (3 aa) (2 aa) 20 aa

R = H, CH3, gruppi alchilici, aromatici

O Polari ll R = CH2OH, CH2SH, CH2CNH2, (gruppi polari con O-, -SH, -N-) Polari/Acidi (hanno un secondo gruppo carbossilico) R = CH2COOH, o -COOH Polari/ Basici (hanno un secondo gruppo amminico) R = CH2CH2NH2

Le proteine vengono sintetizzate nella cellula a livello dei ribosomi, mediante un processo in cui singoli amminoacidi sono allineati e assemblati tra loro in base alle istruzioni fornite dal DNA (sintesi proteica ). Negli animali, gran parte degli amminoacidi necessari derivano dalle proteine contenute negli alimenti e demolite durante la digestione.

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Dei 20 amino acidi fondamentali per la vita, 10 non possono essere sintetizzati a partire da semplici atomi di N, O, C e H nel nostro corpo. Questi 10 amino acidi vengono perci classificati come essenziali e devono essere somministrati con la dieta. Essenziali Arginina* Istidina* Isoleucina Leucina Lisina Metionina Fenilalanina Treonina Triptofano Valina Non essenziali Alanine Asparagine Acido Aspartico Cisteina Acido glutammico Glutamina Glicina Prolina Serina Tirosina

* non essenziali per gli adulti umani, solo per i giovani

I cibi contenenti tutti gli amminoacidi essenziali sono detti completi e sono rappresentati dalle proteine animali (carni, pesce, latte e derivati): le proteine vegetali ne contengono solo alcuni e sono dette incomplete. Gli amminoacidi in eccesso, non utilizzati nella sintesi proteica, costituiscono i precursori per la sintesi di acidi grassi e glucosio (gluconeogenesi) che avviene nel fegato. Il gruppo amminico - NH 2 viene invece escreto sotto forma di ammoniaca negli animali acquatici, di acido urico negli uccelli e nei rettili e di urea negli altri animali, uomo compreso. A seconda che siano o meno legate a un gruppo non proteico (gruppo prostetico), le proteine possono essere coniugate o semplici: al primo tipo appartengono le nucleoproteine (istoni e protamine, legati all'acido nucleico strutturali (per esempio, actina e miosina nei muscoli, collagene nel tessuto connettivo, DNA ), le glicoproteine (associate a carboidrati), le lipoproteine (associate a lipidi), le cromoproteine (legate a pigmenti); al secondo tipo appartengono gli ormoni, gli enzimi, varie proteine vo, e infine proteine di membrana nella struttura della membrana plasmatica). Ciascun tipo di proteina pu essere coinvolto in una o pi funzioni.

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Quindi, ricapitolando gli aminoacidi sono caratterizzati dalla presenza contemporanea, nella molecola, del gruppo amminico - NH2 (basico) e del gruppo carbossilico - COOH (acido), i quali tendono a scambiarsi il protone (H+). La formula del pi semplice degli amminoacidi, la glicina, solitamente scritta come H2N- CH2- COOH, va dunque pi correttamente scritta sotto la forma+

H3N- CH2- COO-, per evidenziare la presenza di

uno ione dipolare che pu cedere o assumere protoni a seconda del pH dell'ambiente (tale comportamento detto anfotero). Gli amminoacidi si classificano in aminoacidi acidi, quando nella molecola presente un altro gruppo carbossilico, e aminoacidi basici, quando nella molecola presente un altro gruppo aminico. Tutti gli altri aminoacidi sono detti neutri. Gli zwitterioni sono aminoacidi che hanno sia una carica positiva (+) che negativa (), gli zwitterioni sono globalmente neutri NH 2CH2COOH glicina H3NCH2COO Zwitterione della glicina+

basso pH H+ H3NCH2COOH ione Positivo+

pH neutro

pH elevato OH

+

H3NCH2COO zwitterione

H2NCH2COO ione negativo

Legame peptidico Il legame tra due amminoacidi detto peptidico e si forma mediante combinazione del gruppo carbossilico di uno con il gruppo a minico di un altro ed eliminazione di una molecola d'acqua. Per tale motivo le proteine sono anche denominate polipeptidi. Legame di due amino acidi - Dipeptide Legame di tre amino acidi - Tripeptide 5 - 30 amino acidi Polipeptide

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H2O

30 - 50+ - Proteine

O

OH 2N CH CH 3 C OH

O OH H N H CH CH2 SH O O N H CH CH2 SH C OH C OH

H 2N

CH CH3

C

Ala

OH 2N CH CH3 C

H N H

CH CH2

C

OH

Amide

Val

SH

Ala Val

Lordine o sequenza degli aminoacidi nella catena proteica chiamata struttura primaria, convenientemente indicata usando codici di tre lettere per gli aminoacidi (es. glicina=gly;alanina=ala) da cui si comprende che il carbossile (COOH) terminale si trova a destra mentre il gruppo terminale amminico a sinistra: per esempio una sequenza possibile per un tripeptide contenente gli aa alanina, valina e glicina :

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O H 2N CH C CH3

O H N CH C CH2 SH

O H N CH2 C

OH

Con la notazione abbreviata: lys-ala-leu.

STRUTTURA DELLE PROTEINE La struttura primaria determina la forma delle proteine, cio la sequenza di aminoacidi delle sue catene peptidiche. Ogni proteina ha una sequenza unica. Anche una piccola variazione della sequenza degli aa provoca seri difetti genetici. La struttura secondaria il risultato del ripiegamento della proteina dovuto allo scheletro della stessa o meglio larrangiamento spaziale dello scheletro peptidico lasciando da parte la conformazione delle catene laterali. Ci sono due tipi di strutture secondarie: 1. struttura secondaria ad alfa-elica: piega a spirale (come una molla). Determinata da legami idrogeno intramolecolari tra i gruppi C=O ed N-H 2. struttura secondaria a foglietto-beta -: allineamento di catene polipetidiche parallele o antiparallele adiacenti. Legami idrogeno intramolecolari dovuti ai ripiegamenti ad U della catena. La struttura terziaria la struttura tridimensionale (conformazione globale) della catena polipetidica dovuta alle interazioni dei gruppi R. Le interazioni possono avvenire attraverso:

1. Legami covalenti es. ponti disolfuro 2. Legami idrogeno tra gruppi R 3. Ponti salini 4. Interazioni idrofobiche (interazioni non polari)51

La struttura quaternaria il livello pi alto di organizzazione proteica. Si riferisce alla disposizione delle subunit (cio catene) e dei gruppi prostetici (cio la porzione non aminoacidica) come una struttura complessa.

Es. Lemoglobina ha quattro catene polipeptidiche. Le catene sono simili a due a due (catene a e due catene b) . I dischi piatti sono le molecole di eme .

Proteine fibrose e globulari. Le proteine, come si gi detto svolgono diverse funzioni. Esistono proteine fibrose e proteine globulari. Le proteine cosiddette fibrose concorrono a dare forma (ruolo quindi strutturale) e resistenza a molti tipi di tessuti e sono i principali componenti dei muscoli, dei capelli e della cartilagine. La maggior parte della catena polipeptidica organizzata in parallelo ad un singolo asse ,spesso sono meccanicamente resistenti e normalmente sono insolubili Le proteine globulari invece sono chiamate cos per la loro forma approssimativamente sferica. Sono le molecole operaiedel corpo. Queste proteine trasportano ed

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immagazzinano ossigeno e sostanze nutrienti, agiscono da catalizzatori per migliaia di reazioni che rendono possibile la vita. I residui pi polari si affacciano allesterno della proteina e interagiscono col solvente; la maggior parte dei residui idrofobici si affaccia allinterno della proteina e interagiscono tra loro ; limpaccamento dei residui stretto; Ci sono alcuni principi che regolano limpaccamento delle proteine: 1. la catena peptidica deve soddisfare le costrizioni inerenti alla propria struttura 2. la catena peptidica deve anche piegarsi per nascondere i residui idrofobici, minimizzando il contatto con lacqua

MIOGLOBINA ed EMOGLOBINA

Emoglobina L'emoglobina e' una proteina del sangue (da qui il suo nome), contenuta nei globuli rossi serve a trasportare l'ossigeno dai polmoni ai tessuti e, nel senso inverso, una parte dell' anidride carbonica prodotta dai tessuti. Il colore rosso del sangue dovuto proprio all'emoglobina. La produzione dei globuli rossi e dell'emoglobina controllata positivamente dall'eritropoietina e richiede ferro. Quando un globulo rosso "muore" l'emoglobina che esce viene a sua volta degradata e genera bilirubina. Le perdita (o produzione insufficiente) di emoglobina chiamata anemia Mioglobina La mioglobina e' una proteina che si trova invece nei tessuti (in particolare nel muscolo, da qui il suo nome) ed e' molto simile all'emoglobina e come l'emoglobina capace di legare ossigeno. La mioglobina, infatti, "prende" dall'emoglobina l'ossigeno per darlo alla cellula. L'ossigeno richiesto per il metabolismo aerobico e per la produzione di energia nella maggior parte delle cellule.

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L'ossigeno viene usato per ossidare i substrati introdotti dall'alimentazione a produrre Anidride Carbonica ed Acqua con un risultato netto di energia. I vertebrati usano l'emoglobina (Hb) per trasportare l'Ossigeno ai tessuti dai polmoni o dalle branchie e per trasportare la CO2 verso i polmoni o le branchie. In alcuni tessuti la Mioglobima (Mb) viene usata come una riserva di Ossigeno, essenzialmente i muscoli. . La mioglobina una proteina monomerica, mentre la Emoglobina un tetramero. Comunque, ogni unit di Hb ha una struttura terziaria molto simile alla struttura terziaria della Mb. Sia nella Mb che nella Hb l'ossigeno viene trasportato in modo complessato ad un gruppo ferro-porfirina chiamato EME. Il Fe si trova nello stato di ossidazione +2 ed ad esso si lega l'Ossigeno reversibilmente che per non ne causa l'ossidazione. L'emoglobina o la mioglobina il cui Fe sia stato ossidato a Fe3+ non sono capaci di legare l'ossigeno in modo reversibile. Il gruppo eme sepolto in una sacca idrofobica della proteina Il legame dellossigeno allemoglobina si definisce cooperativo in quanto dopo il legame di una molecola di ossigeno ad una delle subunit il legame delle successive molecole di ossigeno facilitato (vedere curva di saturazione ossigeno-emoglobina)

Saturazione Ossigeno /Emoglobina /mioglobinaCome anticipato, quasi tutto lO2 trasportato nel sangue sistemico legato allemoglobina. Lemoglobina contiene 4 molecole eme in grado di legare lossigeno. Per ogni litro di sangue, lemoglobina in esso contenuta, pu combinarsi con circa 200ml di O2 (100% di saturazione dellemoglobina, ovvero quantit massima di ossigeno legabile). Il legame ossigeno-emoglobina (HbO2) dipende dalla pressione di O2 con cui lemoglobina si mette in equilibrio, secondo una determinata curva di equilibrio. Lemoglobina legata reversibilmente allossigeno viene denominata ossiemoglobina e, i tempi di legame tra lemoglobina e lossigeno sono nellordine di pochi millesimi di secondo. La normale saturazione dellemoglobina del sangue arterioso sistemico del 97,5% per una PaO2 pari a 100 mmHg, quella del sangue

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venoso

dellarteria

polmonare

75%

quando lo

la

PvO2

40

mmHg.

Aumenti della temperatura favoriscono la dissociazione del legame HbO2, viceversa un abbassamento ematico. Tale situazione viene promuove. con lausilio di 3 meccanismi: La CO2 non ha nessuna molecola specifica per il suo trasporto allinterno del torrente risolta - soluzione fisica: avendo la CO2 una solubilit in acqua di circa 20 volte maggiore rispetto allossigeno, circa il 10% della sua produzione viene trasportato in soluzione fisica nel sangue venoso sistemico; - carboamino-emoglobina: considerata la grande quantit di emoglobina presente nel sangue sono disponibili molteplici gruppi aminici (NH2). Circa il 25% dellemoglobina (in situazioni di riposo) viene desossigenata nel suo transito attraverso i capillari sistemici. Lemoglobina desossigenata un acido pi debole rispetto all HbO2, pertanto, parte della CO2 circolante reagisce per formare carboamino-emoglobina. Tali composti si dissociano istantaneamente per formare NHCOO- e H+ e consentendo il trasporto di circa il 30% della CO2 circolante; - bicarbonato di sodio: la principale forma di trasporto della CO2. Quando lanidride carbonica viene a contatto con lacqua del sangue reagisce formando acido carbonico (CO2 + H2O = H2CO3) che si dissocia istantaneamente per formare ioni H+ e bicarbonato (HCO3-). A questo punto i cloruri (Cl-) diffondono allinterno dei globuli rossi bilanciando luscita di HCO3- (scambio dei cloruri).

Lossigeno legato alla mioglobina.La cinetica di legame dell'Ossigeno alla Mioglobina una semplice curva di saturazione iperbolica. La frazione saturata data da queste equazioni, dove PO2 la pressione parziale di O2 e P50 la pressione parziale richiesta per avere una saturazione del 50%. [Mb] la frazione di Mioglobina libera, [Mb-O2] la frazione di mioglobina complessata con O2.

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L'ossigeno legato alla emoglobina

Il simbolo rappresenta la frazione di molecole legate allossigeno.

L Ossigeno legato allemoglobina.La curva di saturazione della Emglobina sigmoidale ed stata descritta come una cinetica di interazione cooperativa tra il legante O2 e la proteina. Inizialmente Hb si trova in uno stato T a bassa affinit. Il legarsi dell'O2 causa dei cambiamenti di conformazione nella Emoglobina che si converte nello stato R. Perci la sigmoidale composta di curve a bassa affinit ed alta affinit. Questo caso un tipico esempio di effetto allosterico in cui il legarsi di un legante influenza l'affinit dei rimanenti siti non legati.I leganti possono essere gliu stessi o differenti.

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Il significato della curva di legame sigmoidale dell'OssigenoSi pu apprezzare il significato di questa curva dal grafico seguente. Mentre entrambe Hb e Mb sono saturate con O2 alla pressione parziale di O2 nei polmoni, solo l'emoglobina rilascer significative quantit di O2 alla pressione parziale dell'O2 nei tessuti. Infatti l'O2 rilasciato da Hb pu essere assunto da Mb per immagazzinarlo nei tessuti come i muscoli che hanno una quantit significativa di mioglobina.

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Come si vede la mioglobina non modifica la sua affinit per cui il numero di molecole legate dipende dallaumento di O2, mentre la linea che rappresenta la affinit della emoglobina cambia pendenza in maniera netta nel senso di un deciso aumento. NB. Ricordiamo che l emoglobina una proteina Allosterica cio la formazione di un legame modifica la sua conformazione spaziale. Le proteine allosteriche possono avere due o pi conformazioni ognuna delle quali ha propriet differenti.

Equilibrio acido - base del sangue Il passaggio dell' ossigeno dal sangue (emoglobina) alle cellule (mioglobina) e dell' anidride carbonica nel senso opposto viene regolato da diversi fattori, primo fra tutti il livello di acidit o basicit (il pH) del sangue. Situazioni devianti dalla norma sono dette rispettivamente acidosi ed alcalosi. Piccole variazioni del pH ematico sono tamponate con vari meccanismi (es aumentando la respirazione), invece variazioni significative possono avere gravi ed immaginabili conseguenze, la gravita' e la durata della variazione determina le conseguenze. Fisiologia: Hb deve legare ossigeno nei polmoni

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Hb deve rilasciare ossigeno nei capillari se Hb si comportasse come Mb, pochissimo ossigeno verrebbe rilasciato nei capillari

la curva sigmoidale, cooperativa di legame allossigeno di Hb rende questo possibile ! EFFETTO BOHR Nei tessuti il pH pi basso a causa dell'equilibrio che causa una perdita di O2. Questo noto come effetto Bohr e serve a far crescere la cessione di O2 verso i tessuti. L'origine sta nel fatto che la deossiemoglobina un acido pi debole della ossiemoglobina Competizione tra ossigeno e H+ il legame di protoni diminuisce il legame dellossigeno il legame dellossigeno diminuisce il legame dei protoni

Lanidride carbonica diminuisce il legame dellossigeno lidratazione di CO2 nei tessuti e estremit porta alla produzione di protoni questi protoni vengono legati da Hb dopo la dissociazione dell ossigeno

nei polmoni avviene lopposto

ENERGIA Sappiamo che esistono organismi autotrofi ed eterotrofi. Gli autotrofi sono in grado di nutrirsi da soli, essi infatti ottengono il carbonio (CO2), usano lenergia proveniente dal sole, dalla luce (fotosintesi), oppure dalle reazioni chimiche utilizzando composti inorganici (chemiosintetica). Gli eterotrofi utilizzano altri organismi come fonte di energia. Si nutrono di autotrofi, di altri eterotrofi e composti inorganici. Il carbonio e lenergia entrano nel ciclo della vita per fotosintesi (autotrofi) e vengono rilasciati per glicolisi e respirazione cellulare (eterotrofi).

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Energia Grandezza fisica che esprime la capacit di un sistema fisico di compiere lavoro. Nell'ambito puramente meccanico si distinguono due forme diverse di energia: un corpo in movimento possiede energia cinetica per effetto del moto (l'energia cinetica direttamente proporzionale alla massa del corpo e al quadrato della sua velocit) e pu possedere una determinata quantit di energia potenziale in relazione alla posizione che esso occupa all'interno di un campo di forze conservativo, ad esempio il campo gravitazionale o quello elettrico. Ad esempio un corpo tenuto sospeso e sottoposto alla forza di gravit ha un'energia potenziale associata alla sua posizione in quanto, nel processo di caduta, la forza peso produce lavoro. Nel corso del moto in un campo di forze, l'energia potenziale si trasforma in energia cinetica e viceversa, ma la loro somma costante. Cos, un pendolo oscillante ha energia potenziale massima agli estremi dell'oscillazione, possiede energia potenziale e cinetica in proporzioni variabili nei punti intermedi, e raggiunge il valore massimo dell'energia cinetica nei punti di elongazione minima (la velocit massima). In generale, l'energia esiste in molte forme diverse che possono trasformarsi in parte o totalmente l'una nell'altra: si parla infatti di energia termica (Termodinamica), chimica (Reazione chimica), elettrica (Elettricit), di radiazione (Radiazione) e atomica (Energia nucleare), energia biochimica (= si occupa dellenergia chimica cio lenergia potenziale immagazzinata nei legami delle molecole dei nutrienti)

Energia potenziale Energia posseduta da un sistema come conseguenza della sua posizione in un campo di forze conservativo. Ad esempio, una palla sollevata da terra possiede energia potenziale di tipo gravitazionale perch sottoposta all'effetto del campo gravitazionale terrestre; il valore dell'energia potenziale dipende in questo caso dall'altezza della palla rispetto al suolo. Un elastico teso dotato di energia potenziale elastica, e una carica elettrica posta in un campo elettrico di energia potenziale elettrostatica.

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Ricordiamo che: Prima legge della temodinamica: lenergia totale di un sistema e dellambiente circostante rimane costante Seconda legge della termodinamica: Un processo pu avvenire spontaneamente solo se la somma delle entropie del sistema e del suo ambiente aumenta. Entropia: il grado di casualit o disordine di un sistema. Reazioni esoergoniche ed endoergoniche Le reazioni che avvengono allinterno degli organismi sono divise in endoergoniche ed esoergoniche in base alle variazioni di energia tra i reagenti e i prodotti della reazione. Vengono chiamate esoergoniche quelle reazioni in cui il contenuto di energia dei prodotti diminuito rispetto a quello dei reagenti: si avuta quindi una liberazione di energia verso l'esterno. Un esempio di reazione esoergonica pu essere quello della demolizione del glucosio, ma pi in generale ogni reazione del catabolismo. Nel grafico riportato landamento della variazione di energia in funzione del tempo di reazione. In questo caso i reagenti hanno un contenuto energetico superiore a quello dei prodotti: l'energia mancante stata liberata nell'ambiente. Le reazioni che avvengono allinterno degli organismi sono divise in endoergoniche ed esoergoniche in base alle variazioni di energia tra i reagenti e i prodotti della reazione. Vengono chiamate esoergoniche quelle reazioni in cui il contenuto di energia dei prodotti diminuito rispetto a quello dei reagenti: si avuta quindi una liberazione di energia verso l'esterno. Un esempio di reazione esoergonica pu essere quello della demolizione del glucosio, ma pi in generale ogni reazione del catabolismo. Nel grafico riportato landamento della variazione di energia in funzione del tempo di reazione. In questo caso i reagenti hanno un contenuto energetico superiore a quello dei prodotti: l'energia mancante stata liberata nell'ambiente.

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Vengono chiamate endoergoniche quelle reazioni in cui il contenuto di energia dei prodotti aumentato rispetto a quello dei reagenti: si avuta quindi un assorbimento di energia dell'esterno. Un esempio di reazione endoergonica pu essere quello della sintesi del glucosio, ma pi in generale ogni reazione dell'anabolismo. Nel grafico si osserva che il contenuto energetico dei prodotti superiore a quello dei reagenti: c' stato un assorbimento di energia.

Lenergia libera Lenergia libera certamente la funzione di stato pi significativa per quanto riguarda i fenomeni chimici: essa congloba in s i contenuti del primo e del secondo principio della termodinamica ed alla base dello studio di ogni equilibrio chimico. In una reazione esotermica che comporti un aumento dellordine, la variazione di entalpia tende a rendere la reazione spontanea, mentre la variazione di entropia tende ad ostacolare la reazione stessa. Come possibile stabilire se una reazione del genere pu avvenire oppure no? Lo stesso problema sorge quando una reazione endotermica d luogo a disordine: in questo caso, la variazione di entropia favorisce una reazione spontanea, al contrario della variazione di entalpia. La soluzione stata fornita da J.W.

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Gibbs, il quale introdusse una grandezza definita energia libera, che indica se una reazione pu avvenire. Lenergia libera di Gibbs costituisce lenergia di una reazione libera di essere utilizzata; una funzione di stato, rappresentata dal simbolo G, quindi, G rappresenta una variazione dellenergia libera di Gibbs, che viene definita in termini di entalpia ed entropia secondo lequazione: G = H TS G = H - TS Dove T la temperatura espressa in Kelvin ( temperatura assoluta). In una trasformazione spontanea G sempre negativa; se G < 0 la reazione definita esoergonica; una reazione con G > 0 invece definita endoergonica. Se una reazione avviene a bassa temperatura e comporta una piccola variazione di entropia, il termine TS sar trascurabile e G dipender in gran parte da H, la variazione di entalpia. La maggior parte delle reazioni chimiche che avvengono spontaneamente a temperatura ambiente hanno di conseguenza un H negativo. Reazioni fortemente endotermiche possono avvenire soltanto se il termine TS elevato e questo si verifica quando la temperatura elevata o se vi un considerevole aumento di entropia. Nella reazione endotermica tra il carbonio e il vapor dacqua si verificano ambedue queste condizioni: S positivo poich la disposizione ordinata del carbonio nel solido si trasforma nella situazione disordinata presente nel CO gassoso, e T elevata dal momento che la reazione avviene al calor rosso (600-900 C). Se la temperatura diminuisce, la reazione si blocca e prende il via la reazione inversa. Se H e S hanno il medesimo segno, esister una temperatura alla quale H e TS saranno numericamente identici e G sar esattamente uguale a zero: tale stato la definizione termodinamica di un sistema allequilibrio. Allequilibrio, il valore dellenergia libera di Gibbs corrisponde a un minimo per il sistema in esame. Le trasformazioni in natura tendono verso uno stato a minore energia ( elevati valori negativi di H) e verso uno stato ad alto grado di disordine (elevati valori positivi di S): la maggior parte delle trasformazioni avvengono grazie ad alcune combinazioni di queste tendenze. Tutti i processi spontanei procedono verso un equilibrio. Per esempio una palla rotola gi lungo una collina e non sale verso la cima. Ai piedi della collina la palla si trova al

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minimo di energia potenziale. Lenergia potenziale chimica, cio termodinamicamente lenergia libera, minima quando un sistema si trova allequilibrio. Reazioni accoppiate: Una reazione termodinamicamente sfavorevole pu essere guidata da una termodinamicamente favorevole mediante accoppiamento. (vedi slide delle lezioni).

Metabolismo Tutti i viventi, nel corso della loro vita, devono procurarsi continuamente fonti di energia e materiali per poter sopravvivere e raggiungere il momento della riproduzione. Questo continuo scambio di materia ed energia con l'esterno prende il nome di metabolismo; possiamo meglio dire che il metabolismo l'insieme di tutte le reazioni chimiche che deve compiere un organismo per mantenersi in vita. I substrati vengono trasormati in prodotti. La maggior parte delle reazioni reversibile a meno che siano regolate dalle cellule. A sua volta le reazioni che formano il metabolismo di un organismo possono essere distinte in anabolismo, cio l'insieme delle reazioni di sintesi, e in catabolismo, l'insieme delle reazioni di demolizione. Tutte queste reazioni vengono controllare e catalizzate da specifici enzimi che garantiscono un'alta efficienza dei processi metabolici in condizioni compatibili per la vita. Ad esempio, la demolizione del glucosio, in assenza di specifici enzimi, provocherebbe una liberazione di energia cos grande da uccidere le cellule; in realt, questa reazione, viene suddivida in numerose tappe intermedie che consentono la liberazione di piccole quantit di energia.

ATP, il trasportatore universale di energia

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In tutti i viventi esiste una molecola, chiamata adenosin trifosfato (ATP) che ha il compito di assorbire l'energia prodotta dalle reazioni esorgoniche di demolizione e di renderla disponibile per i lavori cellulari. L'ATP costituita dalla base azotata adenina, da uno zucchero a cinque atomi di carbonio e da tre gruppi fosfato.

I legami presenti tra questi gruppi fosfato racchiudono l'energia utilizzabile dalla cellula. Continuamente, nel nostro organismo, si realizzano queste due reazioni: 1) ATP --> ADP + Pi + E 2) ADP + Pi + E --> ATP La (1) la reazione di liberazione di energia che cede energia per le reazioni dell'anabolismo, mentre la (2) quella che avviene durante l'assorbimento di energia che si libera in seguito alla rottura di legami chimici nella cellula. Queste due reazioni sono sempre accoppiate a reazioni in cui la variazione di energia ha verso opposto.

Osserviamo le due reazioni accoppiate:

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C6H12O6 + 6 O2 --> 6 CO2 + 6 H2O + Energia ADP + Pi + Energia --> ATP L'energia che si libera durante la demolizione del glucosio viene immagazzinata, sotto forma di legame chimico nell'ATP. ATP --> ADP + Pi + Energia 6 CO2 + 6 H2O + Energia --> C6H12O6 + 6 O2

L'energia necessaria per la fotosintesi viene dalla rottura del legame all'interno della molecola di ATP.Quindi lATP ha un ciclo di caricamento e scaricamento. La conversione da ADP ad ATP si chiama fosforilazione e richiede energia; mentre la conversione da ATP ad ADP si chiama defosforilazione e rilascia energia. Esistono altri composti ad alta energia: la fosfocreatina e la fosfoarginina. Oltre all' ATP, che si forma per rendere disponibile alle reazioni anaboliche l'energia chimica necessaria, occorrono altre molecole che si incarichino di raccogliere altre eventuali sottoprodotti delle reazioni metaboliche, in genere atomi di idrogeno ed elettroni. Due di questi trasportatori sono il NAD+ e il FAD. Questi coenzimi si legano agli atomi di idrogeno e raccolgono gli elettroni trasformandosi in NADH + H+ e in FADH2. In altre reazioni si libereranno di ci che hanno legato chiudendo i cicli metabolici cellulari

GLI ENZIMI Gli enzimi sono i catalizzatori delle reazioni biologiche, la maggior parte di essi sono delle proteine e intervengono nel metabolismo. Gli enzimi finiscono con asi, quindi se un enzima ad esempio lavora sul saccarosio si chiamer saccarasi, se lavora su un lipide si chiamer lipasi. I nomi di alcuni enzimi che

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intervengono nella digestione finiscono invece con ina (es. pepsina, tripsina)Gli enzimi a seconda della loro funzione e della loro attivit possono essere classificati in: Ossidoreduttasi (reazioni di ossidazione-riduzione) Transferasi (trasferiscono gruppi di atomi) Idrolasi (svolgono idrolisi): aggiungono acqua Liasi (aggiungono o tolgono atomi a o da un doppio legame) Isomerasi (riarrangiono atomi) Ligasi (combinano le molecole di DNA utilizzando ATP): es carbossilasi quando aggiungono CO2. Gli enzimi permettono alle cellule di esercitare controllo cinetico sulle potenzialit termodinamiche , se non ci fossero le reazioni pur essendo esotermiche non avverrebbero ad una velocit significativa. Gli enzimi velocizzano le reazioni abbassando lenergia di attivazione, cio quella energia necessaria affinch una reazione possa avvenire. Mettono le molecole che devono reagire tra di loro che normalmente non si incontrerebbero o si incontrerebbero in maniera errata ad interagire Essi possono accelerare le reazioni fino a 1016 volte. Gli enzimi riconoscono selettivamente i giusti substrati rispetto ad altre molecole, sono specifici reagiscono specificatamente con i substrati cio con i reagenti. La cinetica enzimatica quella scienza che studia la velocit delle reazioni. Ricordiamo che gli enzimi non vengono consumati nelle reazioni e catalizzano le reazioni in intrambi i sensi, cio catalizzano reazioni che vanno dai reagenti ai prodotti e viceversa. Senza di essi non ci sarebbe vita, le reazioni sarebbero troppo lente,, e il metabolismo cellulare sarebbe un processo disordinato.

SINTESI DELLATP In un motore a scoppio la benzina viene ossidata a CO2 e H2O (idealmente) in un processo esplosivo => energia cinetica. I viventi non possono sfruttare tale energia ma esistono dei meccanismi che coinvolgono reazioni distinte con produzione di intermedi ad energia progressivamente minore.

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Lenergia delle molecole nutritizie viene liberata in parte come calore recuperata sotto forma di ATP.

e in parte

Durante la demolizione dei nutrienti (molecole organiche complesse) aumenta lentropia e viene rilasciata energia libera. Legami chimici: forze che tengono assieme gruppi di atomi e li fanno agire come nuove entit Energia di legame: energia necessaria a rompere il legame Quando si formano legami chimici si ottiene energia, rompere il legami costa quindi energia. La variazione di energia netta di una reazione lenergia ottenuta - costo energetico. Si libera energia ogni volta che un riducente cede elettroni ad un ossidante che e piu elettronegativo (cioe ha piu affinita per gli elettroni) del riducente si libera energia quando gli e- passano da un composto ad una data pressione elettronica ad uno con pressione elettronica inferiore Organismi anaerobi: sono quegli organismi che vivono in assenza di ossigeno (es alcuni batteri). Possono essere anaerobi facoltativi (che possono vivere sia in presenza che in assenza di ossigeno) e obbligati (vivono solo in assenza di ossigeno). Organismi aerobi: sono gli organismi che per poter vivere necessitano di ossigeno. Essi sono tutti i vertebrati e la maggior parte degli invertebrati. Il metabolismo aerobio implica la produzione di CO2 e H20 mentre quello anaerobio implica la produzione di acido lattico. Ricordiamo che lenergia dei nutrienti viene recuperata solo in parte nel metabolismo anaerobio. Nelle cellule animali tutte le reazioni anaerobiche avvengono nel citoplasma (glicolisi). Nei mitocondri (centrali energetiche delle cellule ) avviene il metabolismo aerobico (ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa)

GLICOLISI

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Il glucosio d energia a tutte le nostre cellule. E' una molecola combustibile conveniente perch stabile e solubile, quindi facile da trasportare attraverso il sangue. Il glucosio viene immagazzinato nel fegato sotto forma di glicogeno e da qui viene trasportato in tutte le cellule che lo possono utilizzare rapidamente per ricavarne energia. Il glucosio pu essere bruciato all'aria in una provetta formando anidride carbonica, acqua, luce e calore. Anche le nostre cellule bruciano glucosio, ma lo fanno in una serie di tappe piccole e ben controllate, cos possono catturare l'energia della reazione in una forma pi facilmente utilizzabile, come ATP (adenosina trifosfato). La glicolisi (scissione dello zucchero) il primo processo nella combustione cellulare del glucosio La glicolisi, come dice il termine stesso, un processo di rottura (lisi) di una molecola di glucosio a 6 atomi di carbonio (6C) in due molecole di un composto, il piruvato, a 3 atomi di carbonio ciascuna (3C). La reazione non necessita di ossigeno infatti comune ai meccanismi aerobi ed anaerobi. Negli organismi aerobi, la glicolisi il preludio al ciclo dellacido citrico e alla catena respiratoria, i due processi che insieme estraggono la maggior parte dellenergia contenuta nel glucosio. In condizioni aerobie il piruvato entra nei mitocondri dove completamente ossidato a CO2 e acqua. Se non c abbastanza ossigeno come nel muscolo che si contrae, il piruvato convertito in lattato. In alcuni organismi aerobi, come il lievito, il piruvato convertito in etanolo. La glicolisi sottopone una molecola di glucosio ad una serie di dieci trasformazioni chimiche in sequenza che alla fine producono due molecole di acido piruvico, 2 ATP e 2 NADH (nicotinamide adenina dinucleotide in forma ridotta) secondo la seguente reazione semplificata:

Glucosio + 2 ADP + 2 NAD+ + 2 Pi -----> 2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ Durante questo processo, il glucosio dapprima viene legato a due fosfati (consumando due molecole di ATP), Il glucosio, entrato nella cellula, viene attivato nel citoplasma con un gruppo fosfato (P) e quindi trasformato in fruttosio fosfato. L'aggiunta di un altro

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gruppo fosfato (unaltra molecola di ATP) , che rende il fruttosio difosfato, permette la rottura di questo in due molecole di fosfogliceraldeide; questa, infine, viene trasformata in piruvato (o acido piruvico) (C3H3O3)-. Per ottenere il piruvato, gli atomi delle due molecole di gliceraldeide devono subire un riarrangiamento. Questo comporta l'allontanamento di atomi di idrogeno che vengono ceduti a 2 molecole di NAD+< che si riduce a NADH. Si ottengono cos due molecole di acido piruvico e vengono liberate quattro molecole di ATP. In totale, la glicolisi produce due molecole di ATP nuove usando l'energia di questa demolizione parziale del glucosio. L'ATP viene usato per dare energia ai processi molecolari in tutta la cellula. Inoltre, una delle reazioni della glicolisi estrae anche due ioni idruro (ioni idrogeno negativi) dalle molecole di zucchero, sotto forma di due NADH, che possono essere usati per riduzioni biochimiche o per creare nuova energia chimica. In condizioni anaerobiche, dove non disponibile ossigeno, il piruvato viene ridotto a lattato per produrre NAD+ per la glicolisi

O || CH3C COO- + NADH + H+ piruvato

OH | CH3CH COO- + NAD+ lattato

Questo accade ad esempio nei muscoli sotto sforzo, quando non arriva pi ossigeno. Lo stesso lattato pu essere riconvertito in piruvato nel fegato.

Il ciclo di krebs

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Il piruvato sin qui prodotto passa dal citoplasma nel mitocondrio per il ciclo di Krebs, o ciclo dellac. Citrico . Prima dellingresso nel ciclo di Krebs il piruvato viene trasformato in Acetil CoA, dal complesso enzimatico della Piruvato Deidrogenasi, con liberazione di una molecola di CO2. Il gruppo acetile dellacetil CoA deriva dal piruvato. Acetil-CoA e' un trasportatore di gruppi acetilici, cosi' come l'ATP di gruppi fosfato ed il NAD di elettroni. Acetil-CoA puo' essere anche formato dal metabolismo lipidico, dove gli acidi grassi sono trasferiti nel mitocondrio sotto forma di Acetil-Carnitina. Il ciclo di Krebs e' produttore di e-: da NAD forma NADH e da FAD FADH . Acetil-CoA viene infatti ossidato in questo ciclo, dove acetil CoA prima reagisce con Ossalacetato e alla fine del ciclo si ritrova Ossalacetato, pronto per reagire con nuovo Acetil-CoA. . I coenzimi ridotti NADH e FADH2 , contengono ora la maggior parte dell energia ricavata dal glucosio sotto forma di elettroni e possono cederla alla catena di trasporto degli elettroni. La catena di trasporto degli elettroni e' un insieme ben strutturato di proteine contenenti gruppi redox (capaci di ossidarsi e ridursi ciclicamente) che rendono possibile il trasporto graduale di una coppia di e- da donatori, come il NADH ed il FADH2, all' O2 molecolare, che la funzione cardiocircolatoria pone a disposizione della cellula. Il complesso proteico del trasporto elettronico e' suddiviso in quattro unita' o complessi, che possono essere considerate come delle catene di trasporto di lunghezza limitata. Ciascuno dei quattro complessi e' una struttura integrata contenente una serie di proteine con gruppi ossidoriduttori disposti in una ben precisa successione. Il complesso 1 catalizza l'ossidazione del NAD ridotto (o NADH) per mezzo del Coenzima il complesso 2, l'ossidazione del FADH2 per mezzo del Q CoQ;

il complesso 3, l' ossidazione del CoQ ridotto per mezzo del citocromo C; il complesso 4, l'ossidazione del citocromo C ridotto per mezzo dell' ossigeno molecolare. Associato al trasporto di elettroni vi , in tre punti della catena, il passaggio di protoni dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana, creando un gradiente. Questo gradiente viene sfruttato dallenzima ATP sintetasi per la produzione di ATP, nel processo della fosforilazione ossidativa.

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Particolari veleni metabolici bloccano la catena di trasporto degli elettroni in diversi punti, dissipano il gradiente di protoni, oppure bloccano lATP sintetasi. Globalmente la resa energetica in ATP da una molecola di glucosio di 30 ATP. Destino degli acidi grassi . Gli acidi grassi, principali componenti dei trigliceridi, vengono demoliti nel mitocondrio delle cellule attraverso cicli successivi di beta-ossidazione sono: energia. Ossidazione degli amminoacidi e produzione dellurea distacco di due atomi di carbonio con I prodotti della produzione di acetil CoA. Il processo si chiama beta ossidazione. Carbonio ad un elevato stato di riduzione,

acetil CoA , FADH2, NADH. Gli acidi grassi contengono e sono di conseguenza una ottima fonte di

Gli aminoacidi, provenienti dalle proteine ingerite con lalimentazione o da proteine intracellulari, possono essere impiegati al fine di fornire energia metabolica alla cellula. Gli aminoacidi possono andare incontro a fenomeni di degradazione ossidativa in tre differenti situazioni: - quando la cellula si trova ad avere amminoacidi non necessari durante le fasi si sintesi e degradazione delle proteine cellulari; - in presenza di diete particolarmente ricche di proteine che apportano quantitativi di aminoacidi superiori al fabbisogno plastico dellorganismo; - durante il digiuno o il diabete mellito, situazioni in cui i carboidrati non sono disponibili o non appropriatamente utilizzati.

Gli aminoacidi sono molecole caratterizzate dalla presenza di un particolare gruppo aminico e, la loro degradazione, non pu prescindere da una preventiva separazione di

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questo gruppo dallo scheletro carbonioso. Il gruppo aminico verr inviato in vie specializzate per la sua metabolizzazione. La degradazione delle proteine ad amminoacidi avviene in diverse tappe enzimatiche. Nella prima fase la pepsina frammenta nello stomaco le proteine, nel tratto intestinale, i frammenti, vengono aggrediti da altri enzimi secreti dal pancreas (tripsina, chimotripsina ecc.). Le aminopeptidasi concludono la digestione delle proteine, sempre nellintestino. I prodotti finali della degradazione sono gli aminoacidi liberi. Le aminotransferasi (o transaminasi) sono gli enzimi che, nel fegato, promuovono il distacco del gruppo aminico di diversi aminoacidi che viene trasferito allatomo di carbonio dell acido -chetoglutarato producendo laminoacido glutammato (o acido glutammico). Questultimo il substrato dellenzima glutammato deidrogenasi che ne stacca il gruppo aminico producendo ammoniaca (NH3) . La produzione di ammoniaca, crea il problema della sua tossicit organica. Diversi organismi hanno scelto modalit diverse di eliminare questo composto. La maggior parte degli animali terrestri, incluso luomo, eliminano lammoniaca attraverso lurea. Il ciclo dellurea Lammoniaca accumulata nei mitocondri nel fegato viene convertita in urea mediante il ciclo dellurea. Il ciclo ha inizio nel mitocondrio per poi proseguire nel citosol della cellula. Lammoniaca libera viene legata allHCO3- nella matrice mitocondriale e a spese dellATP, formando carbamil fosfato. Il carbamil fosfato entra nel ciclo dellurea, dona il suo gruppo carbamilico allornitina formando citrullina con il rilascio di Pi. La citrullina esce dai mitocondri ed il ciclo continua nel citosol. Nel citosol laspartato fornisce un secondo gruppo amminico mediante condensazione fra il suo gruppo amminico ed il gruppo carbonilico della citrullina, generando il composto argininosuccinato, operazione possibile grazie ad un enzima e allATP. Largininosuccinato viene scisso reversibilmente in arginina e fumarato. Il fumarato

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entra nel ciclo dellacido citrico, mentre larginina scissa in urea e ornitina. Lornitina, rigenerata, riprende il suo ciclo. Il ciclo dellurea unisce cos due gruppi amminici ed uno ione bicarbonato formando una molecola di urea che diffonde dal fegato nel circolo sanguigno per essere infine eliminata con le urine. La sintesi di una molecola di urea utilizza 4 legami fosforici ad alta energia. Si calcolato che, per eliminare lazoto sottoforma di urea invece che di ammoniaca, venga consumato circa il 15% dellenergia che pu essere ricavata dagli stessi amminoacidi.

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