Appunti biochimica 1 (172 pg)

ALDOSI

CHETOSI

In realtà, la struttura lineare degli zuccheri fino ad ora rappresentata è presente solo in una % limitatissima; infatti, la

reazione intramolecolare tra un’aldeide (o chetone) ed un alcol origina un SEMI-ACETALE (SEMI-CHETALE), senza

eliminazione di acqua:

In soluzione acquosa, i monosaccaridi con 5 o più atomi di carbonio assumono una forma ciclica, EMIACETALICA α e β, che

si trova in equilibrio con la forma a catena lineare aperta:

Quando il C1 si lega all’O del C5, ha legati quattro gruppi diversi e pertanto si origina un nuovo atomo di C asimmetrico

(anomerico), che può formare due stereoisomeri (α e β, in base alla disposizione dell’-OH in C1 della forma lineare), detti

ANOMERI.

REAZIONI

OSSIDAZIONE:

ha un’importante azione detossificante perché forma esteri solubili con (funzioni alcoliche di) sostanze tossiche (farmaci,

metaboliti).

RIDUZIONE:

SINTESI DI ESTERI:

Qualsiasi gruppo alcolico (o semi-acetalico) può reagire con un acido per dare ESTERI.

Cruciali nel metabolismo sono quelli fosforici: Monosaccaridi fosforilati, prodotti mediante esterificazione con acido

fosforico.

Rivestono un ruolo primario nel metabolismo glucidico e partecipano alla struttura degli acidi nucleici e di alcuni

coenzimi.

SPETTROFOTOMETRIA

Ogni molecola ha una serie propria di livelli di energia associati alla sua costituzione di legami chimici e masse atomiche,

quindi assorbirà luce di lunghezze d’onda (energie) specifiche producendo qualità spettrali uniche.

Così come esistono molecole ad alto potenziale di trasferimento del gruppo fosforico (ATP), ci sono molecole (coenzimi) ad

alto potenziale di trasferimento elettronico, che hanno il ruolo di accettare e (ri)donare elettroni:

FMN, FAD e NAD(P) Spettro visibile FMN.

In viola la forma ossidata,

in rosso la forma ridotta. + +

Gli elettroni passano dai diversi intermedi metabolici a trasportatori di elettroni specializzati (NAD , NADP , FMN, FAD) in

reazioni catalizzate da enzimi. Questi trasportatori donano a loro volta gli elettroni ad accettori con un’alta affinità per gli

elettroni.

Nelle reazioni di ossido-riduzione (reazioni redox) insieme agli elettroni vengono trasferiti da una molecola all’altra anche

uno o due protoni: EQUIVALENTI RIDUCENTI.

Le cellule ossidano i composti ricchi di carbonio ridotto, in diverse tappe, che comprendono trasportatori specializzati di

elettroni.

Il FAD (flavin-adenin-dinucleotide) è un coenzima ce deriva dalla vitamina B (riboflavina).

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Il ruolo è identico a quello del NAD: di accettare elettroni dai substrati ridotti e di cederli alla catena respiratoria (più a valle

del NADH deidrogenasi).

NAD (nicotinamide-adenin-dinucleotide) e NADP sono coenzimi che derivano dalla vitamina B o PP (acido nicotinico).

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Seppure con struttura molto simile ed eguale capacità di ossidarsi/ridursi, il significato fisiologico dell’NADH e dell’NADPH

è diverso:

• NADH cede, alla catena respiratoria mitocondriale, gli elettroni acquistati nelle reazioni cataboliche ossidative.

• NADPH serve principalmente nella biosintesi, i.e. per ridurre i precursori delle macromolecole.

È chiaro che gli enzimi che sfruttano l’una o l’altra molecola hanno siti di legame specifici tali per cui quelli ossidativi legano

solo l’NADH, quelli riduttivi solo l’NADPH.

La forma ridotta, NADH, trasferisce poi gli elettroni all’ossigeno, ma in maniera indiretta, li cede infatti al NADH

deidrogenasi, il primo componente della catena respiratoria mitocondriale.

+

NAD e FAD “raccolgono” gli elettroni in punti diversi del catabolismo e li “portano” alla catena respiratoria della membrana

mitocondriale interna, la cui attività, oltre a ridurre l’ossigeno, permette il processo di fosforilazione ossidativa che porta

- +

O + 4e + 4H 2H O

alla sintesi di ATP. 2 2

IL FLUSSO ELETTRONICO MITOCONDRIALE: LA CATENA

RESPIRATORIA

FUNZIONI DEI MITOCONDRI:

• Hanno ruolo nel generare ATP, usato per la maggior parte delle attività della cellula, anche nelle cellule vegetali,

nei tessuti non fotosintetici o nei tessuti fotosintetici in periodi di oscurità;

• Sono siti di sintesi di numerose sostanze, come amminoacidi e gruppi eme;

• Ruolo nella cattura e rilascio di ioni calcio, omeostasi calcio assieme al reticolo endoplasmatico;

• Eventi che regolano il processo di morte cellulare, apoptosi.

METABOLISMO OSSIDATIVO:

Dopo l’ossidazione del glucosio nel citosol, da parte di enzimi glicolitici, si ottengono 2 molecole di ATP, una molecola di

piruvato ed una di NADH (con una coppia di elettroni ad alta energia).

In presenza di ossigeno, organismi aerobi sono in grado di ottenere 30 molecole di ATP, prodotte nei mitocondri.

Piruvato e acidi grassi entrano nel mitocondrio, nella matrice.

Il piruvato viene decarbossilato a gruppo acetile a 2 atomi di carbonio, il quale forma un complesso con il coenzima A,

derivante dalla vitamina acido pantotenico, l’acetil-coenzima A, catalizzato dal complesso multienzimatico gigante della

piruvato-deidrogenasi.

Nel ciclo dell’acido citrico gli atomi di C del gruppo acetile sono convertiti in CO .

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Nel processo vengono generati elettroni ad alta energia, associati al NADH o al FADH che vengono trasferiti attraverso una

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serie di specifici trasportatori di elettroni (i quali costituiscono la catena di trasporto degli elettroni – catena respiratoria),

legati alla membrana interna dei mitocondri.

Esistono cinque tipi di trasportatori di elettroni: flavoproteine, citocromi, atomi di rame, ubichinone e proteine ferro-zolfo,

i quali sono componenti di quattro complessi distinti, asimmetrici, che attraversano completamente la membrana, definiti

come complessi I, II, III, IV. Sono disposti spazialmente in ordine di potenziale redox crescente. Ogni trasportatore è ridotto

dall’acquisto di elettroni dal precedente e ossidato dalla cessione degli elettroni al successivo, così gli elettroni proseguono,

perdendo energia, in discesa lungo la catena. L’accettore finale è l’O che accetta elettroni privi di energia e viene ridotto

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ad acqua.

Durante il trasporto degli elettroni, l’energia libera rilasciata viene conservata dalla traslocazione di protoni dalla matrice,

attraverso la membrana interna, allo spazio intermembrana, grazie ai complessi proteici che fungono da pompe protoniche.

Si genera così un gradiente protonico ai lati della membrana, che può essere sfruttato per produrre lavoro, per attuare

diverse attività, ad esempio la sintesi di ATP.

Il gradiente totale generato tra i due lati della membrana mitocondriale interna ha due componenti: il potenziale di

membrana e il gradiente di concentrazione. Queste due forze si combinano per dare una forza motrice protonica che spinge

+

gli H nella matrice.

Per mantenere la forza proton-motrice la membrana interna è altamente impermeabile ai protoni (altrimenti il gradiente

si dissiperebbe immediatamente).

I protoni rientrano nella matrice mitocondriale seguendo il gradiente di concentrazione e di pH attraverso il complesso

enzimatico della ATP sintasi che catalizza la reazione di sintesi dell’ATP: ADP + Pi →ATP (la direzione della reazione dipende

dalle condizioni prevalenti → reversibilità teorica delle reazioni catalizzate da enzimi).

L'ATP sintasi è una proteina di grandi dimensioni, a forma di fungo, composta di molte subunità che costituiscono:

• una testa sferica, detta F1, formata da 5 polipeptidi α, β, γ, δ, ϵ e contiene 3 siti catalitici. La subunità γ si estende

e congiunge con la base F0.

• una sezione basale, inclusa nella membrana, detta F0, formata da 3 polipeptidi a, b, c e contiene un canale per il

passaggio dei protoni.

• Le due porzioni sono connesse da uno stelo centrale e da uno stelo periferico.

Versioni omologhe dell’ATP sintasi si trovano sulle membrane plasmatiche di batteri aerobi, sulle membrane tilacoidali nei

cloroplasti nelle cellule vegetali e nella membrana interna dei mitocondri.

La formazione dell’ATP avviene secondo meccanismo del cambio di legame:

l’energia data dal gradiente protonico non viene usata direttamente per la fosforilazione dell’ADP, ma viene sfruttata per

variare l’affinità del sito attivo dell’ATP sintasi per reagenti, infatti una volta che ADP e P si trovano legati all’interno del sito

catalitico, i due reagenti condensano rapidamente, senza bisogno di ulteriore energia (richiesta invece per il rilascio del

prodotto).

Ogni sito attivo dell’enzima si trova, in ogni istante, in una conformazione diversa, che li porta ad avere diversa affinità per

i nucleotidi. Ognuno opera identicamente, ma passano in sequenza rotazionale da una conformazione alle altre:

• Conformazione L (lassa): nella quale ADP e P sono legati in maniera lassa.

• Conformazione T (stretta): nella quale i nucleotidi sono legati strettamente.

• Conformazione O (aperta): che ha bassa affinità per i nucleotidi e permette il rilascio di ATP.

Le subunità α e β della testa F1, che formano un anello all’interno, ruotano rispetto all’asse centrale. Lo stelo sfrega contro

le proteine della testa F1 che rimane ferma, alterandone la conformazione. Il movimento è impresso dal passaggio degli

elettroni e permette la catalisi rotazionale. (energia elettrica → energia meccanica → energia chimica).

ESTERI FOSFORICI

sono cruciali nel metabolismo:

monosaccaride + acido fosforico → monosaccaride fosforilato

I monosaccaridi fosforilati sono composti piuttosto acidi, con un valore di pKa per le due ionizzazioni del gruppo fosfato

intorno a 1-2 e 6-7: in condizioni fisiologiche sono quindi presenti come miscele di monoanioni e dianioni.

Da un punto di vista funzionale, uno zucchero caricato negativamente può allacciare una forte interazione elettrostatica

con il sito attivo di un enzima carico positivamente, inoltre, la carica negativa fornita alla molecola dal gruppo fosforico

impedisce a questi zuccheri di attraversare il doppio strato lipidico della membrana e permette quindi di mantenere queste

molecole all’interno della cellula.

Alcuni OH dei monosaccaridi possono essere sostituiti da gruppi chimici diversi, producendo zuccheri biologicamente

importanti, come i derivati del glucosio:

Il radicale semi-acetalico o semi-chetalico è particolarmente reattivo con:

– OH alcolico.

– OH semi-acetalico/semi-chetalico.

– NH .

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il legame coinvolge almeno il C1 (C2) e si chiama O-glicosidico o N-glicosidico (anche se la molecola legante NON è uno

zucchero (come nei nucleosidi)). Legame O-glicosidico

Legame N-glicosidico

POLISACCARIDI

AMIDO

AMILOSIO

AMILOPECTINA

GLICO