Biochimica e biologia molecolare

Sbobine biochimica: prima lezione Greco

Lunedì 28 Ottobre

Cos’è la respirazione cellulare?

La respirazione cellulare comprende tutte le vie metaboliche che consumando ossigeno producono ATP (quindi 1) produzione di ATP 2) consumazione di ossigeno).

Questa prima parte riguarda il “catabolismo” ovvero la degradazione di macromolecole per produrre energia.

Al contrario i processi “anabolici” riguardano la sintesi delle macromolecole.

Cos’è il metabolismo?

Il metabolismo riguarda i processi biochimici, ovvero tutte le reazioni chimiche implicate nel sistema biologico finalizzate alla produzione di energia e rivolte a portare l’omeostasi nel sistema, cioè l’equilibrio.

Implica quindi reazioni chimiche, meccanismi che regolano le attività biologiche dell’organismo.

Significa che ogni fattore esogeno può andare a rompere l’equilibrio del sistema.

Come reagisce l’organismo a questi cambiamenti?

Attivando le vie metaboliche.

(Esempio di fattore esogeno è l’azione del mangiare, in cui l’organismo assume ed introduce macromolecole complesse).

Qual è il polisaccaride che introduciamo di più?

L’amido (carboidrati complessi). Saccarosio per carboidrati più semplici (altri c. semplici sono il lattosio e il maltosio).

Quali lipidi introduciamo con l’alimentazione?

Trigliceridi (per lo più colesterolo), proteine.

Quindi introducendo le macromolecole, queste (glucosio, acidi grassi, amminoacidi) verranno poi degradate e andranno incontro processo catabolico (quindi per reazioni di ossidazione) da una liberazione di energia di legami alla formazione finale di molecole di ATP a carattere energetico.

Anche non integrando ogni ora alimenti, l’organismo va comunque incontro vie cataboliche, il “metabolismo basale”: finalizzato per la produzione di ATP per sostenere le funzioni basali dell’organismo.

Per “funzioni basali” si intende per lo più il minimo dispendio energetico necessario a mantenere le funzioni vitali dell’organismo tramite produzione di ATP, abbracciando così il sistema respiratorio, cardiovascolare (cellule del muscolo: miociti, permetteranno anche la contrazione delle cellule muscolari del cuore) e il sistema nervoso (necessita di ATP, ricavato dalla gran quota di glucosio che ingeriamo. Il sistema nervoso focalizza tutto sul suo metabolismo sull’utilizzo del glucosio).

Una quota di ATP viene utilizzata e risponde a quelli che sono dei fabbisogni, delle richieste energetiche da parte dell’organismo stesso.

Qual è l’unità di misura per l’ATP?

Chilo joule o chilo caloria.

Le calorie introdotte sono potenziali di energia utilizzate nella sintesi di ATP.

Il metabolismo attiva reazioni specifiche in risposta ad uno stimolo esterno specifico e che può:

• Essere sempre diverso.
• Nel momento in cui facciamo a favore di carboidrati, di lipidi o di proteine si attiveranno metabolismi diversi.

Per quale motivo?

Perché l’organismo è finalizzato da varie vie metaboliche che devono portare all’omeostasi.

In biochimica, al fine di mantenere questo equilibrio, il principale assioma che detta legge sono le concentrazioni del glucosio nel sangue, definendo quella che si chiama ‘glicemia’.

Cos’è la glicemia?

Quindi concentrazione di glucosio nel sangue.

È l’unità elementare del carboidrato, ed è quindi la (non di zuccheri!) sangue.

Ciò che passa nel sangue dopo la degradazione nelle vie metaboliche e durante digestione è il glucosio.

Quindi la concentrazione di glucosio nel sangue definisce la glicemia.

Queste concentrazioni vengono rilevate tramite il prelievo: è quello che poi riflette come varia l’indice glucidico.

Inoltre è quello che permette l’attivazione delle due vie:

1. Cataboliche.
2. Anaboliche.

Per quale motivo è il glucosio però ad essere così importante per il metabolismo?

Perché è l’unità fondamentale che fornisce energia, sempre.

Il primo metabolismo che si attiva è tutto quello che riguarda il glucosio (metabolismo glucidico quindi).

Per ricavare energia sempre verrà attivato, per ordine di tempo, tutto quello che riguarda il metabolismo del glucosio.

Se introduciamo glucosio, acidi grassi e amminoacidi, il primo catabolismo riguarderà il glucosio, proprio perché non solo fornisce ATP a tutto l’organismo, ma anche perché il sistema nervoso funziona solo tramite il glucosio.

I neuroni ricavano energia solo dal glucosio, e se non abbiamo questa molecola le prime cellule che ne risentono saranno proprio quelle del sistema nervoso, andando così verso un blocco delle attività cellulari.

Il glucosio deve rimanere una condizione fondamentale per l’organismo.

Il range fisiologico tra un minimo e un massimo livello ematico di concentrazione che varia tra il 70/110 mg/dL, concentrazioni pari a 5 mmol/L nel sangue, stabilisce la normoglicemia nel sangue.

A volte, però, le concentrazioni di glucosio nel sangue possono variare sensibilmente, aumentando o diminuendo.

Introducendo più livelli di glucosio nell’organismo, si avrà il metabolita in eccesso che non verrà utilizzato, iperglicemia.

E da una condizione di normoglicemia si passa ad uno stato di iperglicemia.

L’iperglicemia porterà all’attivazione di due processi che cercheranno di abbassare le concentrazioni di glucosio, che riguarderanno altre molecole (ad esempio la sintesi dei trigliceridi).

Nel caso opposto, non assumendo quantità corrette di glucosio, la normoglicemia non rimarrà tale e diminuirà, passando ad una condizione di ipoglicemia.

In ipoglicemia bisognerà ricavare più energia per andare a soddisfare il fabbisogno energetico dalla degradazione di ulteriori molecole (in questo caso sono i trigliceridi e le proteine).

Perché trigliceridi e proteine si possono degradare?

Bisogna trovare un modo per ricavare ATP.

Se non stiamo mangiando perché degradiamo? Come facciamo a degradarli?

Nel nostro organismo sono presenti delle riserve.

Per i trigliceridi la riserva/fonte è il tessuto adiposo = tutto quello che riguarda la massa grassa.

Negli adipociti ci sono i trigliceridi racchiusi nelle goccioline lipidiche e queste sono la fonte di riserva energetica: se vengono mobilitate e degradate possono fornire ATP.

Per le proteine invece la principale riserva è il muscolo: tutto ciò che riguarda la massa magra.

Nella logica dell’organismo, il primo metabolismo favorito è quello glucidico, dopo di che il secondo metabolismo che si attiva sarà quello dei trigliceridi perché per preservare la sopravvivenza dell’organismo è preferibile degradare la massa grassa rispetto a quella magra. Le proteine muscolari andranno sì a svolgere e sostenere tutte le attività svolte dal sistema muscolo-scheletrico, ma in più le proteine vanno a comporre il sistema cardiovascolare, che verrà compromesso anche quello altrimenti.

La massa magra va a comporre tutto ciò che riguarda qualsiasi muscolo.

Quindi: metabolismo glucidico, primissima fase di esercizio muscolare intesa dove vengono degradate le proteine, metabolismo lipidico e dopo incomincia l’attivazione degli amminoacidi.

Tutti questi processi sono rivolti a riportare le concentrazioni di glucosio a livelli normali.

• La finalità è di mantenere l’omeostasi dell’organismo garantendo le concentrazioni di glucosio in normoglicemia.
• L’attivazione di ciascuna via metabolica, sia che riguardi il metabolismo glucidico, che quello delle proteine e di amminoacidi, è finalizzato ad avere concentrazioni in normoglicemia.

Due sono gli ormoni fondamentali che regolano le concentrazioni del glucosio nel sangue:

1. In condizioni di ipoglicemia, il glucagone, l’ormone iperglicemizzante, ed è prodotto in ipoglicemia la cui finalità, attraverso reazioni biochimiche, è quella di aumentare le concentrazioni di glucosio nel sangue.
2. In condizioni di iperglicemia, l’insulina, l’ormone ipoglicemizzante ed è prodotto in uno stato di iperglicemia che va a regolare tutte quelle reazioni biochimiche che hanno la finalità di abbassare le concentrazioni di glucosio nel sangue.

Ricapitolazione

• Concetto di metabolismo: attivazione e risposte di reazioni chimiche specifiche finalizzate alla produzione di energia con lo scopo di ristabilire l’omeostasi nell’organismo.
• Primo obiettivo è quindi quello di produrre energia/ATP.
• L’attivazione delle vie metaboliche dipende da un cambiamento esterno, da un fattore esogeno.

Con la digestione di tutte le macromolecole (glucosio, acidi grassi e amminoacidi), queste tre devono entrare o uscire tramite determinate vie: è necessario uno scambio quindi tra:

1. Cellula-cellula.
2. Un compartimento cellulare con un altro compartimento cellulare.

Essendo che siamo organismi eucarioti, la caratteristica principale è che la cellula è dotata di compartimenti, è delimitata da un ambiente esterno con una membrana fosfolipidica che regola gli scambi della cellula con l’ambiente esterno, oppure la membrana degli organuli interni andrà a regolare lo scambio dell’interno del singolo organulo con il citosol.

Il concetto principale quindi è la presenza di membrane che separano i diversi ambienti.

Perché è importante questa compartimentazione?

Non ci sarebbe più divisione, e mantenere la segregazione è fondamentale per due motivi:

1. Se c’è una membrana vuol dire che la via di comunicazione è regolata (le membrane infatti si definiscono “selettivamente permeabili” = non tutto passa) attraverso sistemi di regolazione che mantengono il contenuto dell’interno della cellula e il contenuto dell’ambiente esterno; è il passaggio di molecole, ioni, macromolecole o di metaboliti ben controllato.

Separa e regola gli scambi tra ambiente esterno e ambiente interno.

Questo riguarderà tutta la parte dei meccanismi di trasporto, dalla diffusione semplice alla diffusione facilitata, dal trasporto attivo al trasporto passivo.

Ad esempio la struttura del mitocondrio (l’organulo atto alla respirazione cellulare) è delimitata da membrane molto più regolate rispetto alla membrana fosfolipidica. È fatta da:

• Una membrana mitocondriale esterna.
• Una membrana mitocondriale interna.
• Quello che costituisce l’interno del mitocondrio ovvero le creste mitocondriali o matrice mitocondriale.

Vorrà dire che anche le membrane dei mitocondri saranno selettivamente permeabili al passaggio di metaboliti, soluti dal citosol all’interno del mitocondrio stesso o viceversa.

Saranno presenti dei meccanismi di trasporto che riguarderanno scambi tra organello e citosol.

Parleremo dunque di ambienti “extra cellulari” che sarà principalmente il torrente circolatorio (il sangue).

Allo stesso modo dal citosol (che rappresentano l’ambiente extra cellulare in questo caso) all’interno del mitocondrio.

2. In biochimica perché riguarda soprattutto gli enzimi all’interno di una cellula.

All’interno della cellula ci saranno specifici enzimi che avranno solo localizzazione citosolica o solo localizzazione specifica delle varie membrane mitocondriali.

La glicolisi (la prima via metabolica) ha tutti gli enzimi localizzati nel citosol, e la degradazione del glucosio avverrà quindi nel citosol; ciò permette di mantenere le concentrazioni di glucosio all’interno della cellula diverse da quelle dell’interno del mitocondrio.

Come è fatta la membrana fosfolipidica?

Da tre classi di componenti:

1. Lipidica.
2. Proteica.
3. Glucidica.

Rivedere dagli appunti di biologia applicata:

1. Struttura della membrana plasmatica.
2. Tipi di trasporti.

Proteine di membrana

A seconda di come interagiscono con la membrana biologica, possono avere una struttura diversa.

Le proteine quindi si divideranno in due grandi gruppi:

1. Proteine integrali di membrana quando attraversano (si immergono) il doppio strato fosfolipidico.

Sono delle strutture proteiche ad α elica.

Perché sono importanti?

Tra le diverse funzioni, le proteine integrali possono fungere anche da proteine trasportatrici, recettori e servono per introdurre i trasportatori e i canali che permettono il passaggio di metaboliti da un lato ad un altro. Permettono così la comunicazione con l’ambiente extra cellulare o nel citosol con il rispettivo ambiente interno.

2. Proteine estrinseche/periferiche, generalmente sono associate alla membrana in maniera transitoria.

Sono per lo più quelle finalizzate ad attivare la via di trasduzione del segnale reversibili.

• Il colesterolo regola la fluidità di membrana. È uno sterolo, e appartiene alla classe dei lipidi.

Perché il colesterolo regola la fluidità di membrana?

Ha un nucleo (nucleo steroideo) che si interpone tra le code idrofobiche andando a regolare i movimenti.

I fosfolipidi sono caratterizzati da un dinamismo (oscillano in due direzioni) e la molecola di colesterolo va a costituire di fatto quell’ingombro sterico che modera i movimenti tra un fosfolipide e quello adiacente (gli anelli idrofobici quindi si trovano nel doppio strato lipidico e interferiscono con i movimenti delle code dei fosfolipidi).

Fa sì che le catene di acido grasso si dispongano tra di loro in maniera tale da avvitare l’interposizione di molecole di acqua. Ottimizza come si possono disporre facendo sì che si utilizzi il più basso contenuto energetico.

La disposizione dei trigliceridi o dei fosfolipidi sono per cercare di organizzarsi tra di loro in modo tale da avere una disposizione al più basso livello energetico.

Il colesterolo andrà ad aumentare o a diminuire la fluidità di membrana in dipendenza di una variabile fondamentale: la temperatura, perché questa su una catena di acido grasso influenzerà il suo stato fisico sui legami C-C doppi o singoli.

Il legame doppio andrà a immettere nel doppio strato lipidico un punto di rigidità.

L’aumento di temperatura andrà a sciogliere questi doppi legami con liberazione di energia, aumentando la fluidità di membrana, motivo per cui c’è l’opposizione del colesterolo: questo invece conferisce rigidità e a contatto con le catene di acido grasso, anche ad aumento di temperatura non permette la rottura dei doppi legami.

• Quindi: la concentrazione in generale di lipidi, proteine e carboidrati dipendono dalle caratteristiche della membrana stessa (o dalla membrana dell’organello o dalla membrana plasmatica).
• All’interno dei fosfolipidi ci sono i glicero-fosfolipidi (si chiamano così perché nelle catene di acidi grassi un gruppo ossidrilico viene sostituito tra il legame glicero-fosfolipide con il glicerolo).

Cos’è il glicerolo?

È un alcol, caratterizzato da un gruppo OH che permette il legame con le catene di acido grasso.

• Lo sfingolipide invece ha la sfingosina.

Cos’è la sfingosina?

È un amminoalcol (doppio legame C-C di tipo trans).

Una caratteristica del doppio strato fosfolipidico è la asimmetria: nell’interfaccia verso ambiente extracellulare e ambiente citosolico non sarà mai presente la stessa composizione.

Le proteine estrinseche, per esempio, avranno distribuzione diversa sul versante extra cellulare e diversa sul versante intra cellulare.

Per quale motivo? Cosa può innescare l’assimetria?

Il fatto che ci siano diverse proteine da un lato all’altro implica che verranno attivati meccanismi diversi per ogni specifica proteina.

L’assimetria di membrana quindi dipende dalla caratteristica della cellula di aumentare la compartimentazione da una parte, e dall’altra di aumentare la specificità di funzione tra l’ambiente extra cellulare e l’ambiente intra cellulare, appunto tramite meccanismi di attivazione differenti.

• N.B.: le proteine integrali di membrana sono immerse nel doppio strato tramite legami covalenti, sono quindi integralmente associati alla membrana.

Le proteine integrali di membrana possono chiamarsi o “poliprotiche” o “trans-membrana” quando attraversano interamente il doppio strato, con una catena o più catene.

Struttura primaria: una sequenza di amminoacidi adiacenti tenuti insieme da legami peptidici (legami di tipo covalente = legame forte). Non determina la funzione di una proteina però perché una proteina per svolgere la propria attività deve essere una proteina “completa”, dovrà assumere quindi una specifica disposizione spaziale, determinata da quelle che si chiamano strutture secondarie, terziarie o quaternarie.

La struttura secondaria: sarà quindi la disposizione della struttura primaria con una sequenza ad α elica o β foglietto, in cui gli amminoacidi sono disposti secondo legami deboli.

Struttura terziaria: qui i legami presenti sono i ponti disolfuro, che determinano la maggior parte delle strutture terziarie siccome questi ponti sono formati da legami che avvengono tra amminoacidi che contengono un elemento fondamentale, lo zolfo.

Nella struttura della cisteina un tiolo è libero (gruppo SH, ed è in grado di acquistare elettroni) che interagendo con un’altra cisteina, essendo reattivo, darà una forma di cedere elettroni.

Sono in forma ossidata, perché quando due gruppi tiolici (-SH) che sono presenti nei residui di