Appunti Di Biochimica (Scienze Motorie), Appunti di Biochimica. Libera Università Mediterranea Jean Monnet di Casamassima
Mimmo11
Mimmo1128 agosto 2010

Appunti Di Biochimica (Scienze Motorie), Appunti di Biochimica. Libera Università Mediterranea Jean Monnet di Casamassima

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appunti biochimica. Capitolo I: Introduzione al metabolismo pag. 1 1. Cenni elementari di termodinamica chimica 2. Catalizzatori ed enzimi 3. ATP: la principale fonte diretta di energia chimica nei processi biologici...
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CO2CO2

CO2

CO2 NADH+H +NADH+H +

NADH+H +

FADH 2

GTP

Acetil-CoAOssalacetato +

GLUCOSIO

PIRUVATO

ACIDI GRASSI

beta ossidazione

CO2CO2

CO2

CO2 NADH+H +NADH+H +

NADH+H +

FADH 2

GTP

Acetil-CoAOssalacetato +

GLUCOSIO

PIRUVATO

ACIDI GRASSI

beta ossidazione

Università degli Studi di Catania Corso di Laurea in Scienze Motorie

APPUNTI DI

BIOCHIMICA Prof. D.F. Condorelli

PREFAZIONE

La motivazione iniziale per la preparazione di questa raccolta di appunti è stata fornita da un ciclo di lezioni di Biochimica per il Corso di Laurea in Scienze Motorie che ho tenuto, ogni sabato mattina, nell’Anno accademico 2001-2002 presso il Polo Universitario di Enna. In quell’occasione il Dott. Mario Veca ha svolto il pesante compito di trasformare i propri appunti in una versione elettronica che potesse essere utilizzata dagli altri colleghi del corso. Sono particolarmente grato a Mario per la qualità e la costanza del suo lavoro che mi ha fatto sentire obbligato a partecipare con altrettanto impegno. In realtà, in quella fase, il mio compito è stato quello di correggere, integrare dove necessario, dare un organizzazione generale alla raccolta e renderla disponibile tramite il sito web dell’Università di Catania. Negli anni successivi la raccolta è stata messa a disposizione on line anche per gli studenti del Polo di Catania. La risposta positiva degli studenti e l’entusiasmo di un altro laureato in Scienze Motorie, la Dott.ssa Roberta Garozzo (docente di Educazione fisica e, attualmente, dottoranda di ricerca), che ha partecipato all’elaborazione di quest’ultima versione, sono stati gli elementi decisivi che mi hanno convinto a continuare questo lavoro. Roberta ha elaborato le formule chimiche con un software dedicato, ha controllato e sistemato le bozze che avevo preparato e completato il testo di alcuni capitoli, svolgendo le funzioni di co-autore. In ogni caso si è cercato sempre di mantenersi fedeli ai contenuti e allo spirito di un corso di lezioni di soli 4 crediti. Nonostante ciò la raccolta non è ancora completa e anche questa versione si deve considerare come una tappa intermedia. Alcuni appunti non sono stati trasformati in un formato utilizzabile (per esempio la descrizione ordinata degli eventi metabolici del ciclo-digiuno alimentazione) e la breve durata del corso di lezioni non ha consentito finora lo svolgimento di alcuni argomenti di grande importanza (meccanismi biochimici dell’espressione genica e loro regolazione, struttura molecolare del muscolo scheletrico, ecc.). Speriamo di poter integrare al più presto questi argomenti senza sovraccaricare di contenuti il corso. Bisogna precisare che il corso di Biochimica, che si tiene nel secondo semestre del I anno, è preceduto, nel primo semestre, da un corso di Chimica e propedeutica biochimica e da un corso di Biologia. Gli elementi fondamentali di chimica generale (legami chimici, cinetica chimica, reazioni di ossido-riduzione, equilibrio acido-base), di chimica organica (gruppi funzionali, zuccheri, lipidi, aminoacidi) e di propedeutica biochimica (catalisi enzimatica, struttura delle proteine e degli acidi nucleici) vengono esposti in questi corsi. Alcune nozioni fondamentali sono state introdotte in queste raccolta di appunti sotto forma di richiami. In alcuni capitoli sono state anche introdotte delle schede di approfondimento. I contenuti di queste schede non sono richiesti nella preparazione dello studente di Scienze Motorie. Si è ritenuto utile, tuttavia, aiutare chi avesse voluto affrontare una comprensione più approfondita fornendo una prima traccia per una visione più completa. Vorrei concludere ricordando agli studenti che questi appunti non sostituiscono nè il corso di lezioni nè il libro di testo. L’esposizione schematica non consente un apprendimento adeguato; inoltre, durante le lezioni, vengono svolti argomenti che non sono stati ancora riportati in forma di appunti.

INDICE Capitolo I: Introduzione al metabolismo pag. 1

1. Cenni elementari di termodinamica chimica 2. Catalizzatori ed enzimi 3. ATP: la principale fonte diretta di energia chimica nei processi biologici 4. Definizione di metabolismo 5. Le reazioni di ossido-riduzione 6. Struttura e funzioni del NAD 7. Struttura e funzioni del FAD 8. Meccanismi di sintesi dell’ATP

Capitolo II: Glicolisipag. 17

1. Definizione di zuccheri o glucidi 2. Il trasporto del glucosio attraverso le membrane cellulari 3. Glicolisi: fasi e reazioni 4. La glicolisi anaerobica e la riduzione del piruvato a lattato 5. Bilancio energetico della glicolisi 6. Schema riepilogativo della glicolisi

Capitolo III: Decarbossilazione ossidativa del piruvato e Ciclo di Krebspag. 36

1. Il mitocondrio 2. Destini metabolici del piruvato (nell’uomo) 3. Decarbossilazione ossidativa del piruvato 4. Il Coenzima A (CoA): struttura e funzione 5. Schema Generale del Ciclo di Krebs 6. Le 8 reazioni del Ciclo di Krebs 7. Bilancio energetico del ciclo di Krebs 8. Il significato catalitico del ciclo di Krebs 9. Convergenza delle principali vie metaboliche nel ciclo di Krebs

Capitolo IV: Catena di trasporto degli elettroni mitocondriale e fosforilazione ossidativa pag. 54

1. La riossidazione del NAD ridotto e la sintesi di ATP 2. Il potenziale di ossido-riduzione standard 3. I componenti della catena respiratoria 4. Il complesso II e gli altri punti di ingresso della catena respiratoria 5. La fosforilazione ossidativa e la teoria chemiosmotica 6. ATP sintasi o FoF1 ATPasi 7. Il rapporto P:O 8. Controllo respiratorio 9. Inibitori e disaccoppianti 10. Proteine disaccoppianti 11. Il genoma mitocondriale 12. La teoria dell’origine endosimbiotica dei mitocondri

Capitolo V: I radicali liberi pag. 74

1. Introduzione 2. Riduzione completa dell’ossigeno 3. Le forme parzialmente ridotte dell’ossigeno 4. Formazione dei radicali liberi nei mitocondri e negli eritrociti 5. Reazioni chimiche innescate dall’anione superossido nei tessuti: la

dismutazione, la reazione di Haber Weiss, la reazione di Fenton 6. Reazioni innescate dal radicale idrossile nelle membrane cellulari: la

lipoperossidazione 7. Sistemi di difesa enzimatici 8. La vitamina E 9. I radicali liberi nei processi infiammatori

Capitolo VI : Il glicogeno pag. 87

1. I polisaccaridi 2. L’ amido 3. Il glicogeno 4. I depositi di glucosio in forma di glicogeno e la pressione osmotica

intracellulare 5. Distribuzione tissutale del glicogeno e significato funzionale 6. Glicogenosintesi 7. Glicogenolisi 8. Schema riepilogativo

9. Regolazione della glicogenolisi 10. Schema del sistema dell’AMP ciclico e della cascata delle reazioni protein chinasiche nella regolazione della glicogenolisi 11. Le attività della glicogeno sintasi e della glicogeno fosforilasi sono regolate in modo speculare

Capitolo VII: La gluconeogenesi pag. 871. Definizione di gluconeogenesi epatica 2. Reazioni della gluconeogenesi 3. Bilancio energetico della gluconeogenesi da piruvato 4. Glucogenesi da lattato 5. Ciclo Lattato-Glucosio (Muscolo – Fegato, Eritrocita-Fegato) 6. Significato funzionale della gluconeogenesi durante il digiuno 7. Gluconeogenesi da glicerolo 8. Gluconeogenesi da aminoacidi e cenni sul catabolismo ossidativo degli

aminoacidi 9. Relazione fra gluconeogenesi e ciclo di Krebs negli epatociti 10. Aminoacidi essenziali

Capitolo VIII: Digestione, assorbimento e trasporto ematico dei lipidi pag. 124

1. Digestione dei lipidi 2. Assorbimento degli acidi grassi e dei trigliceridi 3. Il trasporto dei lipidi 4. Apporto alimentare, attività fisica e lipoproteine plasmatiche

Capitolo IX: Catabolismo lipidico: β-ossidazione degli acidi grassi e lipolisipag. 138

1. Gli acidi grassi 2. Attivazione degli acidi grassi 3. Il sistema della carnitina ed il trasporto mitocondriale degli acil-CoA 4. Le reazioni della β-ossidazione degli acidi grassi 5. Bilancio energetico della beta-ossidazione dell’acido palmitico 6. Catabolismo dei trigliceridi nel tessuto adiposo: la lipolisi

Scheda di approfondimento: perosisomi e β-ossidazione perossisomale

Capitolo X: Sintesi degli acidi grassi (lipogenesi) pag. 1511. Sintesi degli acidi grassi 2. Allungamento della catena dell’acido grasso 3. Desaturazione degli acidi grassi 4. Acidi grassi essenziali 5. Biosintesi dei trigliceridi 6. Funzione di riserva energetica dei trigliceridi 7. Distribuzione del grasso corporeo: grasso essenziale e grasso di deposito

Scheda di approfondimento:Biosintesi degli acidi grassi Capitolo XI: Metabolismo e funzione della creatina pag. 170

1. Struttura della creatina 2. Sintesi della creatina 3. Fosfocreatina 4. Tamponamento energetico temporale della fosfocreatina 5. Tamponamento energetico spaziale della fosfocreatina 6. Gli isoenzimi della creatina chinasi citosolica 7. Conversione della creatina in creatinina 8. Schema del metabolismo della creatina 9. Integrazione alimentare di creatina

Capitolo XII: Biochimica dell’esercizio fisico pag. 184

1. Le fonti energetiche della contrazione muscolare: meccanismi anaerobici alattacidi, meccanismi anaerobici lattacidi, meccanismi aerobici

2. Potenza, capacità e resa energetica delle vie metaboliche coinvolte nella sintesi di ATP

3. Equilibrio acido-base ed acido lattico 4. La famiglia dei trasportatori per i monocarbossilati (MonoCarboxylate

Transporter: MCT) 5. La produzione di lattato durante lo sforzo muscolare e la soglia anaerobica 6. La produzione di acido lattico nel singolo muscolo 7. Potenza e capacità lattacida 8. Debito di Ossigeno 9. Utilizzazione del lattato 10. Equivalente calorico degli alimenti 11. Il quoziente respiratorio

Richiami di Chimica generale: acidi e basi

OH OH

O H

H

CH2OH

H

OH

OH

H

H

COOH

CH3

C=O COOH

CH3

CHOH

!?!

!?! !?!

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Capitolo I

Introduzione al metabolismo

1) Cenni elementari di termodinamica chimica 2) Catalizzatori ed enzimi 3) ATP: la principale fonte diretta di energia chimica nei processi biologici 4) Definizione di metabolismo 5) Le reazioni di ossido-riduzione 6) Struttura e funzioni del NAD 7) Struttura e funzioni del FAD 8) Meccanismi di sintesi dell’ATP 1) Cenni elementari di termodinamica chimica Energia Libera: energia che può essere utilizzata per compiere un lavoro. In un processo a temperatura e pressione costante, una trasformazione è possibile solo se porta ad una diminuzione dell'energia libera del sistema in esame. Affinché una reazione chimica possa aver luogo l’energia libera (G) basale delle molecole che vanno incontro alla reazione (reagenti R) deve essere superiore a quella posseduta dalle molecole che si producono nella reazione (prodotti P). Come si calcola la variazione di ENERGIA LIBERA (G) di una reazione

G prodotti (P) – G reagenti (R) = G (variazione di energia libera)

GG(P) - G(R) =

G < 0 la reazione decorre spontaneamente da sinistra a destra ∆G = 0 la reazione è all’equilibrio (la quantità di R che si trasforma in P è uguale alla quantità di P che si trasforma in R nella stessa unità di tempo) ∆G > 0 la reazione decorre spontaneamente da destra a sinistra L’energia libera dei reagenti e dei prodotti dipende sia dalla loro struttura molecolare che dalle loro concentrazioni. Quando il ∆G viene calcolato a concentrazioni unitarie (1 molare) di reagenti e prodotti si parla di variazione di energia libera standard (G°). In biochimica si usa la variazione di energia libera standard a pH 7 (∆G°’). Ciascuna reazione chimica ha un caratteristico G°'. In biochimica i valori di ∆G° sono espressi in kcal per mole. La caloria, l'unità di energia più usata in biologia, è

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definita come la quantità di energia (calore) che può aumentare la temperatura di 1 g di acqua a 15°C di 1°C. Quando il ∆G° di una reazione è negativo la reazione è esoergonica o termodinamicamente spontanea o possibile, in quanto il raggiungimento del suo stato finale (prodotti) non richiede apporto di energia. Quando il ∆G° di una reazione è positivo la reazione è endoergonica, quindi termodinamicamente non spontanea, e necessita di apporto energetico per decorrere da sinistra a destra. Un elevato valore negativo di ∆ non fornisce, però, indicazioni sulla velocità di reazione. Una reazione può essere termodinamicamente spontanea (∆G° negativo), ma decorrere ad una velocità così lenta a temperatura corporea da essere incompatibile con i bisogni fisiologici. La velocità (cinetica chimica) di alcune reazioni termodinamicamente spontanee può essere così lenta da essere trascurabile rispetto alla durata della vita umana. Tali reazioni sono termodinamicamente possibili, ma cineticamente impossibili. Eppure tali reazioni decorrono nel nostro organismo a velocità elevata. Ciò è possibile grazie all’esistenza di catalizzatori biologici, detti enzimi, che accelerano la velocità delle reazioni. 2) Catalizzatori ed enzimi Nella reazione mostrata nel grafico seguente, l’energia libera dei prodotti (P) (indicata in ordinata) è più bassa dell’energia libera dei reagenti (R): la variazione di energia libera è dunque negativa (∆G<0) e la reazione è possibile dal punto di vista termodinamico. Tuttavia una seconda condizione da soddisfare per consentire il decorso di una reazione chimica è che le molecole reagenti raggiungano il livello energetico dello stato di transizione (vedi grafico). Definiamo energia di attivazione di una reazione la quantità di energia che bisogna fornire al sistema perché esso raggiunga il livello energetico dello stato di transizione (indicata come ∆G* in figura). Quanto più bassa è l’energia di attivazione, tanto maggiore sarà la probabilità che le molecole reagenti raggiungano il livello energetico dello stato di transizione e tanto maggiore sarà la velocità di reazione. Quindi la velocità di una reazione (numero di molecole trasformate nell’unità di tempo) dipende dal valore dell’energia di attivazione e non dal ∆G°. La maggior parte delle reazioni termodinamicamente possibili si svolge con estrema lentezza in quanto la maggior parte delle molecole reagenti non è in grado di raggiungere lo stato di transizione per carenza dell’energia necessaria. Un catalizzatore è in grado di accelerare una reazione chimica abbassando l’energia di attivazione (linea rossa nel grafico e ∆G* enz.).

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P

R

∆ G*

energia libera (G)

coordinata di reazione

−∆ G°'

∆ G*enz.

stato basale

stato di transizione

stato basale

reazione catalizzata

reazione non catalizzata

Un catalizzatore è un composto chimico che ha le seguenti proprietà: 1) accelera la velocità di una reazione chimica 2) nella reazione non compare né tra i reagenti né tra i prodotti 3) non viene consumato durante la reazione 4) non sposta l'equilibrio della reazione e non modifica il G. 5) è usato in quantità minime, non in quantità stechiometriche 6) agisce diminuendo l'energia di attivazione Gli enzimi sono dei catalizzatori biologici. Dal punto di vista strutturale sono delle proteine (anche se oggi conosciamo delle molecole di RNA ad attività catalitica, dette ribozimi). DEFINIZIONE DI ENZIMA: biocatalizzatore specifico di natura proteica Si denominano substrati le sostanze che vengono trasformate nella reazione enzimatica e prodotti della reazione quelle che si formano. Il meccanismo di azione degli enzimi è basato sulla formazione transitoria di legami con i substrati, cioè sulla formazione del cosiddetto complesso enzima-substrato.

E + S EPES E + P

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L’enzima entra nella reazione combinandosi con il substrato per formare il complesso ES. Questo si trasforma nel complesso EP che quindi si dissocia nel prodotto di reazione P rilasciando l’enzima E allo stato libero. Grazie a questo continuo riciclaggio gli enzimi sono attivi in piccolissime quantità. Il sito attivo, o sito catalitico, di un enzima è la regione della sua molecola che interagisce specificamente con il substrato. La specificità del sito attivo è stata simbolizzata dal concetto della “chiave-serratura”, che esprime l’adattamento perfetto del substrato al sito attivo. Attualmente si ritiene che tale adattamento non sia di tipo rigido, ma che il sito attivo si adatti al substrato mediante un cambiamento di conformazione che è indotto dal legame iniziale con il substrato stesso (teoria dell’adattamento indotto). Nomenclatura enzimatica. La denominazione degli enzimi viene fatta aggiungendo il suffisso –asi al nome che indica la reazione catalizzata; questo termine è preceduto dal nome del substrato. Esempio: lattato deidrogenasi. Gli enzimi sono stati raggruppati da una Commissione Internazionale in 6 classi: CLASSI AZIONE CATALITICA 1) ossidoreduttasi reazioni di ossido-riduzione 2) trasferasi trasferimento di gruppi atomici (es: transaminasi) 3) idrolasi rottura di legami per mezzo dell’acqua (esterasi-fosfatasi-proteasi) 4) liasi Rottura non idrolitica e formazione di legami covalenti (aldolasi) 5) isomerasi reazioni di isomerizzazione 6) ligasi formazione di legami accoppiati all’idrolisi dell’ATP (sintetasi e

carbossilasi) Isoenzimi Gli isoenzimi sono enzimi esistenti in forme molecolari diverse che tuttavia catalizzano la stessa reazione. Un tipico esempio è l’enzima lattato deidrogenasi di cui si parlerà in dettaglio nel capitoloII.

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3) ATP: la principale fonte diretta di energia chimica nei processi biologici. L’ATP è un nucleotide. In generale un nucleotide è formato da una base azotata eterociclica (purinica o pirimidinica), da uno zucchero (ribosio o deossiribosio) e da uno o più fosfati. Vengono detti nucleosidi i composti che si ottengono dall’unione (con legame N- glicosidico) tra la base azotata e il ribosio (ribonucleosidi) o il deossiribosio (deossiribonucleosidi). Gli esteri fosforici dei nucleosidi sono i nucleotidi. L’ ATP è formato da:

L’adenina e il ribosio formano l’adenosina, che è un nucleoside. L’adenosina più un fosfato forma una molecola di AMP (adenosin monofosfato) o acido adenilico. L’AMP può legare un altro fosfato diventando ADP (adenosin difosfato). Una molecola di ADP puo legare un altro fosfato diventando ATP (adenosin trifosfato).

N

N

N

N

NH2

O O

O O O

CH2

OHHO

O P O ~ P O ~ P

O O O

AMP

ADP

ATP

adenosina

adenina

ribosio

α β γ gruppi fosfato

ATP base azotata: ADENINA zucchero:

RIBOSIO

3 gruppi FOSFATO

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I tre fosfati dell’ATP vengono indicati con le lettere dell’alfabeto greco: alfa (quello legato al ribosio), beta e gamma gli altri due (beta il fosfato intermedio e gamma il fosfato terminale). Mentre il residuo fosforico alfa è legato al ribosio con legame estereo, i residui beta e gamma sono legati fra loro, e con l’alfa, mediante legami anidridici. Il legame tra il fosfato alfa ed il fosfato beta ed il legame tra il fosfato beta ed il fosfato gamma sono indicati con il simbolo ∼ (legame ad alta energia). Il distacco idrolitico dei fosfati beta e gamma libera 7,5 kcal per mole (mentre il distacco del fosfato alfa ne libera solo 3,5). L’ATP è un tipico esempio di un composto ad elevato contenuto energetico o ad alta energia. Possiamo dire che la reazione di distacco idrolitico del fosfato gamma dell’ATP decorre con una elevata variazione negativa di energia libera:

ATP + H2O ! ADP + Pi ∆G: - 7,5 kcal/mole

Nelle reazioni il fosfato inorganico è stato indicato con Pi. Come vedremo l’energia liberata nel corso di questa reazione verrà utilizzata in numerosi processi biologici per compiere diverse forme di lavoro. Anche il distacco idrolitico del fosfato beta dell’ADP decorre con una elevata variazione negativa di energia libera:

ADP + H2O ! AMP + Pi ∆G: - 7,5 kcal/mole In realtà le cellule utilizzano l’energia chimica contenuta nella molecola dell’ADP per sintetizzare ATP mediante la seguente reazione:

ADP + ADP ! ATP + AMP Si osserva il trasferimento di un fosfato beta dell’ADP ad un’altra molecola di ADP con formazione di ATP ed AMP. La reazione è catalizzata dall’enzima adenilato chinasi o miochinasi. Il distacco idrolitico del fosfato alfa dell’AMP decorre con una variazione negativa di energia libera di 3,5 kcal/mole e l’AMP non è considerato un composto ad alta energia.

AMP + H2O ! Adenosina + Pi ∆G = - 3,5 Kcal/moleUna molecola sarà definita un “composto ad alta energia” se la reazione di rottura idrolitica di uno specifico legame decorre con una variazione negativa di energia libera superiore a 7,5 kcal/mole.

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Esistono composti biologici che hanno una energia più elevata di quella dell’ATP, infatti in una scala energetica l’ATP assume una posizione intermedia:

Variazione dell’energia libera standard in alcuni composti di

interesse biologico Composto Legame ∆G°’ (kcal/mole)

fosfoenolpiruvato estereo -15 1,3-bisfosfoglicerato anidridico -12 fosfocreatina N-fosforico -10,3 acetil-CoA tioestereo -8,2 ATP anidridico -7,5 ADP anidridico -7,5 AMP estereo -3,4 glucosio-6-fosfato estereo -3,5

4) Definizione di metabolismo. L’insieme di tutte le reazioni chimiche che hanno luogo in un organismo vivente. Il metabolismo si divide in:

CATABOLISMO (degradazione di molecole biologiche) ANABOLISMO (sintesi di molecole biologiche)

Le reazioni cataboliche sono generalmente di natura ossidativa, producono energia ed alcune di esse sono accoppiate alla sintesi di ATP. Le reazioni anaboliche sono generalmente di natura riduttiva e richiedono energia (consumo di ATP). Questa suddivisione è una semplificazione didattica e spesso le stesse reazioni metaboliche hanno significato catabolico o anabolico a seconda dell’integrazione funzionale in una complessa rete metabolica. Si definisce via metabolica una serie di reazioni chimiche sequenziali dove il prodotto di una reazione è il substrato della reazione successiva. Ogni tappa di una via metabolica è catalizzata da un enzima, per cui ogni via metabolica risulta dall’attività sequenziale di una serie di enzimi che operano “in catena”. Cominceremo ad esaminare le reazioni del catabolismo ossidativo che permette di utilizzare l’energia contenuta negli alimenti per la sintesi dell’ATP. A tale scopo è necessario definire alcuni aspetti elementari delle reazioni di ossido-riduzione in biologia.

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5) Le reazioni di ossido-riduzione. Una reazione di ossido-riduzione consiste in un trasferimento di elettroni da una sostanza che si ossida (donatore di elettroni) ad una che si riduce (accettore di elettroni). Il trasferimento di atomi di idrogeno è equivalente al trasferimento di elettroni, per cui una sostanza può ossidarsi per trasferimento di idrogeni (deidrogenazione) ad una sostanza che si riduce. Una molecola può anche ossidarsi per incorporazione dell’ossigeno nella molecola del substrato (l’ossigeno possiede un valore elevato di elettronegatività e quando si combina con un altro elemento tende ad acquistare gli elettroni di legame) Nel corso del metabolismo sono molto comuni le reazioni di ossidazione di un substrato per deidrogenazione (catalizzate da enzimi chiamati deidrogenasi). Un sostanza S (donatore degli atomi di idrogeno) può ossidarsi per deidrogenazione solo se avviene la simultanea riduzione di un’altra molecola X (accettore degli idrogeni).

SH2 + X S + XH2

Mentre il substrato S è diverso nelle varie reazioni metaboliche l’accettore X degli atomi di idrogeno è quasi sempre rappresentato da due molecole biologiche indicate con le sigle:

NAD FAD

Quindi la riduzione del NAD e del FAD durante le reazioni di deidrogenazione di vari metaboliti è uno degli eventi chiave del catabolismo ossidativo. Infatti la successiva riossidazione del NAD e del FAD in un processo che richiede ossigeno (catena di trasporto degli elettroni mitocondriale) fornisce l’energia per uno dei meccanismi principali di sintesi dell’ATP (fosforilazione ossidativa; vedi avanti).

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6) Struttura e funzioni del NAD

STRUTTURA La sigla NAD indica il Nicotinamide Adenin Dinucleotide Il NAD è quindi composto da 2 nucleotidi (dinucleotide) legati tra loro a livello dei fosfati: il primo nucleotide è l’AMP il secondo è il nucleotide che ha come base eterociclica la nicotinamide

nicotinammide ribosio P P ribosio adenina

NH2 N

NN

OH

CH2O

OH

H

O

N

OH

CH2O

OH

H

O P OH

O

O

P OH

O

N

CONH2

AMP

+nicotinamide

nucleotide della nicotinamide

Conosciamo già uno dei due nucleotidi (AMP), mentre l’altro ha come base azotata eterociclica la nicotinamide. Dal punto di vista chimico l’acido nicotinico e la sua ammide (la nicotinammide) sono derivati della piridina. Per questo motivo il NAD (e il NADP che incontreremo più avanti) vengono chiamati coenzimi piridinici.

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NNN

CONH2COOH

piridina acido nicotinico nicotinammide

FUNZIONE Il NAD ha la funzione di accettore o donatore degli atomi di idrogeno in reazioni catalizzate da deidrogenasi (trasportatore di atomi di idrogeno). Quindi:

SH2 + NAD+ S + NADH+H+ Il NAD ossidato viene indicato con una carica positiva NAD+, mentre il NAD ridotto viene indicato come NADH+H+. Infatti, dei due atomi di idrogeno (cioè 2 protoni+ 2 elettroni) ceduti dal substrato ossidabile, il NAD accetta (a livello dell’anello della nicotinamide) 2 elettroni e un protone (cioè uno ione idruro H-); il restante protone (H+) viene rilasciato nel mezzo.

N R

H

N R

H H

R N

+

H H

H +

CONH2 CONH2 CONH2+

+

Il NAD come Coenzima

Alcuni enzimi sono proteine coniugate, formati cioè da una componente proteica (apoenzima) ed una non proteica (coenzima); il NAD è il coenzima di numerose deidrogenasi. Un enzima completo(Oloenzima) è formato da 2 parti:

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Il legame del coenzima NAD con l’apoenzima è un legame debole; il NAD può dissociarsi facilmente da un enzima ed associarsi ad un altro; quindi il NAD può essere definito nel seguente modo:

NAD: coenzima mobile di deidrogenasi.

La vitamina PP come precursore del coenzima NAD. Definizione generale di vitamina: le vitamine sono molecole organiche che devono essere introdotte in piccole quantità con la dieta per il normale funzionamento dell’organismo. La Vitamina PP come precursore del NAD La vitamina PP è un precursore del Coenzima NAD; questa vitamina è rappresentata da due vitameri (forme diverse da punto di vista chimico, ma equivalenti dal punto di vista biologico): l’ Acido Nicotinico e la Nicotinamide che vengono anche designati con il termine comprensivo di Niacina;. il fabbisogno giornaliero di Vitamina PP è di circa 20 mg; essa è contenuta in grande quantità nelle carni, mentre è scarsa nei vegetali. Sintesi della vitamina PP La vitamina PP viene sintetizzata nell’organismo umano (questa è un’eccezione per una vitamina!) a partire da un amminoacido: il Triptofano

Triptofano Acido Nicotinico

Tuttavia la quantità sintetizzata a partire dal triptofano non è sufficiente a coprire il fabbisogno giornaliero. La patologia da carenza di vitamina PP si chiama Pellagra; una grave malattia caratterizzata da:

Dermatite Diarrea coleriforme Demenza

La Pellagra è stata perciò definita la malattia delle 3 D.

Oloenzima

parte proteica Apoenzima

parte non proteica Coenzima NAD

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La dermatite è l’espressione più precoce e caratteristica della malattia, consiste in un ispessimento ed annerimento della pelle in corrispondenza delle parti generalmente esposte alla luce. La somministrazione di niacina è in grado di curare la pellagra (da ciò il nome di vit.PP = Pellagra Preventive) La pellagra si riscontrava in popolazioni con dieta ipoproteica e ricca di mais (dieta basata sulla polenta). Il mais, privo di nicotinamide, contiene come componente proteica la zeina, una proteina povera di triptofano. 7) Struttura e funzioni del FAD. La sigla FAD indica il Flavin Adenin Dinucleotide Il FAD è composto da 2 nucleotidi: AMP e FMN (flavin mononucleotide):

H

P O

OH OP

O

N

CH2

C

C

C

CH2

OH

H

OH

H

OH

H

O O OH

CH2

NH2 N

N N

N

H

OH

O

OH

C C N

C N

C C

C C C

C N H

CH3

CH3

O

O H

FMN AMP

FAD

riboflavina P P ribosio adenina

FMN AMP Anche il FAD ha la funzione di accettore o donatore degli atomi di idrogeno in reazioni catalizzate da deidrogenasi (coenzima trasportatore di atomi di idrogeno). Gli azoti 1 e 5 degli anelli flavinici (indicati in rosso nella figura) sono in grado di

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accettare reversibilmente 2 atomi di idrogeno; indicheremo il FAD in forma ridotta con la sigla FADH2

SH2 + FAD S + FADH2 A differenza del NAD il coenzima FAD è legato strettamente (legame covalente) con la porzione proteica (apoenzima) e viene, quindi, ossidato e ridotto in associazione con lo stesso enzima. La Vitamina B2 o Riboflavina precursore del FMN e del FAD Anche la Riboflavina è una vitamina (Vit. B2) e deve essere introdotta nell’organismo con l’alimentazione; la sua ampia diffusione sia nel regno animale che vegetale spiega la difficile evenienza di una avitaminosi da riboflavina; una carenza alimentare (rara) si manifesta con:

glossite stomatite angolare dermatite seborroica

Concludendo, i Coenzimi delle deidrogenasi possono essere:

Piridinici: NAD, NADP Flavinici: FMN, FAD

Similarità di struttura tra l’ATP e alcuni coenzimi

ATP NAD+ FAD CoA adenina adenina adenina adenina ribosio ribosio ribosio ribosio fosfato fosfato fosfato fosfato fosfato fosfato fosfato fosfato fosfato ribosio ribitolo acido pantotenico

niacina flavina b-mercaptoetilammina

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Vitamine: coenzimi derivati, distribuzione, fabbisogno e deficienza

Vitamina Coenzima Fonti alimentari

Dose giornaliera raccomandata

Sindrome carenziale

Nicotinamide (Vit.PP)

NAD e NADP carni 20 mg pellagra

Riboflavina (B2) FAD e FMN ubiquitaria 2 mg (rara) Glossite; stomatite angolare; dermatite seborroica

Tiamina (vit B1) Difosfotiamina o tiamina pirofosfato (es: coenzima della piruvato deidrogenasi)

Piselli- fagioli- lenticchie- lieviti

1,5 mg (0,5mg ogni 1000 Kcal introdotte con la dieta)

Beri-Beri

Acido pantotenico

Coenzima A

ubiquitaria

5-10 mg

assente

Biotina Coenzima di alcune carbossilasi (es: piruvato carbossilasi)

Fegato-rene e tuorlo d’uovo

0,1 mg Presente solo in soggetti che si alimentano con albume crudo (avidina)

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8) Meccanismi di sintesi dell’ATP. A) Composti ad alta energia e fosforilazione a livello del substrato Nel corso delle reazioni metaboliche si formano dei composti ad alta energia del tipo SP (vedi definizione di composti ad alta energia)dove S indica il resto della molecola del substrato e P indica il fosfato (dall’inglese Phosphate). Nella reazione successiva alla loro formazione l’ energia chimica viene utilizzata per la sintesi di una molecola di ATP. Nel caso dei composti S∼P la reazione consiste nel trasferimento del fosfato ad una molecola di ADP:

S P + ADP S + ATP

Questa modalità di sintesi di ATP è indicata come fosforilazione a livello del substrato. Per fosforilazione si intende una reazione in cui un gruppo fosforico viene legato ad un substrato. Nel corso dello studio della Biochimica incontreremo diversi tipi di fosforilazione. Nel caso specifico della “fosforilazione a livello del substrato” si fa riferimento alla fosforilazione dell’ADP che acquistando un fosfato si trasforma in ATP. L’energia per la sintesi dell’ATP deriva dalla reazione di rottura del legame ad alta energia () del substrato. B) Reazioni di deidrogenazione, coenzimi NAD e FAD ridotti e fosforilazione ossidativa. In reazioni di deidrogenazione nel corso del metabolismo si formano coenzimi NAD e FAD ridotti

SH2 + NAD+ S + NADH+H+ SH2 + FAD S + FADH2

La riossidazione dei Coenzimi NAD e FAD ridotti avviene mediante trasferimento degli idrogeni all’ossigeno con formazione di acqua.

NADH+H++1/2 O2 NAD++H2O

FADH2+1/2 O2 FAD+H2O

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Questo trasferimento avviene mediante una serie di reazioni nella cosiddetta “catena di trasporto degli elettroni mitocondriale” (processo della respirazione mitocondriale). L’energia che si libera durante la riossidazione del NAD consente la sintesi di ATP quindi: Il processo di sintesi dell’ATP accoppiato alla riossidazione del NAD e del FAD ridotto nella catena di trasporto degli elettroni mitocondriale prende il nome di: fosforilazione ossidativa. In conclusione abbiamo due meccanismi principali di sintesi dell’ATP:

la fosforilazione a livello del substrato (processo anaerobico) la fosforilazione ossidativa (processo aerobico)

NADH+H++1/2O2 NAD++H2O

ADP+Pi sintesi di ATP

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Capitolo II

Glicolisi 1) Definizione di zuccheri o glucidi 2) Il trasporto del glucosio attraverso le membrane cellulari 3) Glicolisi: fasi e reazioni 4) La glicolisi anaerobica e la riduzione del piruvato a lattato 5) Bilancio energetico della glicolisi 6) Schema riepilogativo della glicolisi 1) Definizione di zuccheri o glucidi. Gli zuccheri o glucidi sono derivati aldeidici o chetonici di polialcoli. I glucidi sono anche denominati carboidrati, poiché nella loro formula il rapporto idrogeno/ossigeno è di 2/1 come nell’acqua: (CH2O)n (formula bruta degli zuccheri) dove n può variare da 3 a 9, donde le denominazioni di triosi, tetrosi, pentosi, esosi, eptosi, ecc. Essi si distinguono in aldosi o chetosi: i primi contengono il gruppo carbonilico (C=O) in posizione terminale, mentre gli altri in posizioni intermedie. Il glucosio è una molecola a 6 atomi di carbonio che rientra tra gli aldosi in quanto, nella forma aperta, il gruppo aldeidico è presente in posizione C1, in C(2-3-4-5) sono presenti quattro gruppi alcolici secondari e in C6 il gruppo alcolico primario. Il gruppo aldeidico reagisce intramolecolarmente con il gruppo alcolico del carbonio 5 dando origine ad una struttura ciclica (semiacetale interno)

H CH2OH

OH

O

H

H

C H

C

C

OH C

H C O H

OH

O

H OH

H

H OH

C

C

COH

C

C

CH2OH

H OH

H

:

1

23

4

5

6

1

3

4

5

2

6

glucosio in forma

aperta “rettilinea”glucosio in forma aperta “ripiegata”

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In seguito a tale legame si ottiene uno spostamento dell’idrogeno dal gruppo alcolico in C5 al gruppo carbonilico in C1, che diventa così gruppo alcolico. C1 e C5 sono legati covalentemente all’ossigeno e viene stabilizzata la struttura ciclica del glucosio (forma piranosica). Nota: da questo momento in poi non verranno indicati gli atomi di carbonio: nelle strutture cicliche si intende siano espressi ai vertici dei poligoni che le rappresentano.

OH

OHO H

H

CH2OH

H

OH

OH

H

HOH OH

O H

H

CH2OH

H

OH

OH

H

H

Il fruttosio è sempre un esoso, ma rientra tra i chetosi, in quanto il gruppo carbonilico, nella forma aperta rettilinea, è in posizione C2. Anche nel fruttosio avviene una reazione intramolecolare che dà origine ad un anello pentaciclico (furanosico), in quanto il legame si stabilisce tra C2 e C5.

OH

OH

HO

H2OH

H

H

H

C

C

C

C

C

C

H2OH

O CH2OH

OH

O

H

OH

H

H

CH2

HO

HO

1

3

4

5

2

6

1

2

4

5

6

3

alfa-glucosio: il gruppo ossidrile in C1 è disposto al di sotto dell’anello piranosico

beta-glucosio: il gruppo ossidrile in C1 è disposto al di sopra dell’anello piranosico

Fruttosio: forma rettilinea “aperta”

Fruttosio: forma ciclica o “furanosica”

commenti (1)
sei grande ho capito finalmente tutto!!! Grazie
Questa è solo un'anteprima
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