Appunti di biochimica estremamente completi e che entrano nel dettaglio

APPUNTI DI BIOCHIMICA

DEI SEGUENTI ARGOMENTI:

1.METABOLISMO DEGLI ZUCCHERI: glicolisi,

fermentazione, 2,3-bifosfoglicerato, gluconeogenesi,

intermedi fosforilati, ciclo di cori, regolazione del

metabolismo del glucosio, glicogeno, insulina, via dei

pentoso fosfati…

2.RESPIRAZIONE CELLULARE: decarbossilazione ossidativa

del piruvato, ciclo di krebs, fosforilazione ossidativa.

3.METABOLISMO DEI LIPIDI: biosintesi e degradazione

acidi grassi, metabolismo trigliceridi, corpi chetonici…

4.METABOLISMO DEGLI AMMINOACIDI: ciclo dell'urea o

dell'ornitina, catabolismo della porzione carboniosa,

biosintesi degli amminoacidi non essenziali, catabolismo

della porzione amminica nel fegato...

5.PROPRIETA’ DEGLI AMMINOACIDI E DELLE PROTEINE

6.PROTEINE FIBROSE: fibroina della seta, collagene,

elastina, alfa-cheratine.

7.PROTEINE GLOBULARI: mioglobina, emoglobina, gruppo

eme, cooperatività, grafico ed equazione di Hill.

8.CINETICA FORMALE: reazione di ordine zero, reazione di

primo ordine, reazioni di secondo ordine, cinetica e

termodinamica all'equilibrio…

9.ENZIMI: classificazione degli enzimi, reazioni Bi-Bi,

cofattori, modelli di catalisi, saccarosio fosforilasi,

chimotripsina, transaminasi, anidrasi carbonica...

METABOLISMO DEGLI ZUCCHERI

1. CARATTERISTICHE GENERALI:

1.1 DEFINIZIONE DI METABOLISMO:

Insieme delle reazioni chimiche, catalizzate da enzimi, che avvengono all’interno della cellula.

1.2 CATABOLISMO:

Metabolismo degradativo, esoergonico, ossidativo.

Metaboliti ridotti e complessi (nutrienti) vengono ossidati dal NAD+ (che si riduce a NADH) a

formare metaboliti ossidati e più piccoli con liberazione di energia che viene immagazzinata

sottoforma di ATP.

1. Demolizione in subunità più semplici

2. Queste subunità vengono convertite in acetil-CoA con produzione di ATP e di NADH

3. L’acetil-CoA viene ossidato a H O e CO con produzione di ATP e di NADH.

2 2

1.3 ANABOLISMO:

Metabolismo di biosintesi, endoergonico, riduttivo.

Composti semplici e ossidati vengono ridotti dal NADPH (che si ossida a NADP+) grazie

all’apporto di energia, a formare molecole complesse e ridotte.

+

1.4 NAD (nicotinammide adenin dinucleotide):

Cofattore in forma ossidata (è un ossidante)

 E’ riconosciuto dagli enzimi che catalizzano reazioni di deidrogenazione (perdita di 2H)

 +

nelle vie cataboliche, poiché è in grado di accettare uno ione idruro (H-, cioè 2e- e 1H )

+

mentre un H è rilasciato dal substrato nell’ambiente.

Il gruppo funzionale è la nicotinammide: H- si pone sul C4.



1.5 NADPH:

Cofattore in forma ridotta (è un riducente).

 Viene riconosciuto dagli enzimi della via anabolica per la presenza di un gruppo fosfato al

 C2 del ribosio che lega l’adenina (4 cariche negative, mentre il NAD ne ha solo 2).

Il gruppo funzionale è la nicotinammide: H- si pone sul C4.



1.6 ATP (adenosina trifosfato):

Energia libera di idrolisi dei gruppi fosfato (potenziale di trasferimento del gruppo fosforico

 all’acqua):

In ɣ e in β = -7,3 Kcal/mol (legami fosfoanidridici, ad alta energia)

o In α = -4 Kcal/mol (legame fosfoestere, ad energia minore)

o

L’idrolisi diretta dell’ATP in genere non avviene, in quanto viene sfruttato il suo potenziale

 di defosforilazione che permette il trasferimento di un gruppo fosforico su un substrato,

facendone aumentare l’energia e quindi facendolo diventare più reattivo e più suscettibile

a subire reazioni; l’ATP è quindi usato per rendere possibili reazioni che altrimenti non si

svolgerebbero.

L’ATP è una molecola che ben si presta a questa fosforilazione in quanto la sua energia

libera di idrolisi occupa una posizione intermedia tra quelle degli altri composti metabolici

e quindi può essere facilmente rigenerato

(ri-fosforilato da composti fosforilati che hanno un’energia libera di idrolisi più negativa

dell’ATP).

Ciò avviene tramite le reazioni accoppiate: si sfrutta l’energia libera di idrolisi di un

composto (ΔG°’<0) per rendere possibile la fosforilazione di un altro composto, che

normalmente non potrebbe avvenire (ΔG°’>0), in quanto le 2 reazioni accoppiate hanno

ΔG°’<0.

Es: piruvato chinasi

2. GLICOLISI:

Unica via metabolica in grado di formare ATP anche in assenza di ossigeno.

Si realizza interamente nel citoplasma.

E’ composta da 10 reazioni e comporta la degradazione del glucosio in 2 molecole di piruvato,

un α-chetoacido a 3 atomi di carbonio (gli α-chetoacidi sono acidi carbossilici con un gruppo

chetonico in posizione α al carbossile).

Il glucosio può derivare da riserve endogene (= glicogeno) oppure viene immesso nella cellula

tramite trasporto passivo (trasportatori GLUT).

FASE PREPARATORIA: dal glucosio si formano 2 gliceraldeide-3-fosfato con consumo di 2

ATP.

Comprende le tappe dalla 1 ala 5: irreversibile

1. Fosforilazione del glucosio a glucosio-6-fosfato:

Esochinasi:

- Fa parte delle transferasi (EC 2: catalizzano il trasferimento di un gruppo funzionale da

una molecola donatrice ad una accettore) ed è una chinasi (catalizzano il trasferimento

del gruppo fosfato da una molecola ad alta energia a substrati in un processo definito

fosforilazione).

- Subisce un adattamento indotto dai substrati: è composto da 2 zone globulari unite da

1 regione flessibile che, solo quando i substrati entrano tra di esse, si avvicinano tra di

loro creando il sito attivo che circonda i substrati escludendo l’acqua (se l’acqua fosse

presente si avrebbe idrolisi dell’ATP). 2+

Meccanismo: i substrati dell’esochinasi sono glucosio e Mg-ATP, infatti gli ioni Mg

(cofattori) proteggono le cariche negative dei gruppi fosforici dell’ATP, rendendo l’atomo di

fosforo terminale (ɣ) un bersaglio più accessibile all’attacco nucleofilo da parte del gruppo

ossidrilico (-OH) in posizione 6’ del glucosio.

2. Isomerizzazione del glucosio-6-fosfato a fruttosio-6-fosfato:

Meccanismo della fosfoesoso isomerasi (fosfoglucosio isomerasi):

1. Apertura dell’anello catalizzata da un residuo di istidina (His) posto sul sito attivo.

2. Il residuo di glutammato (Glu), presente sul sito attivo, funge da base (B:) e rimuove

+

l’H in C2 portando alla formazione del cis-enediolo.

3. Catalisi acida da parte del glutammato protonato: Glu perde l’H+ che si lega al C1 del

cis-enediolo; si perde il doppio legame C=C e si forma C=O formando il fruttosio-6-

fosfato in forma aperta.

4. Chiusura dell’anello catalizzata da un residuo di istidina (His). irreversibile

3. Fosforilazione del fruttosio-6-fosfato in fruttosio-1,6-bisfosfato: Tale fosforilazione

è la prima reazione di

comando della

glicolisi.

4. Scissione del fruttosio-6-fosfato in gliceraldeide-3-fosfato e

diidrossiacetonfosfato:

Aldolasi:

- Fa parte delle liasi (EC 4: catalizzano la rottura di legami chimici in processi diversi

rispetto all’idrolisi e all’ossidazione spesso con formazione di un nuovo doppio legame).

- E’ caratterizzata da una forte azione di concertazione tra 3 lisine, un glutammato e un

aspartato presenti nel sito attivo dell’enzima, che consentono catalisi covalente

nucleofila coadiuvata anche da catalisi acida e basica.

Meccanismo:

1. Apertura dell’anello.

2. Attacco nucleofilo dell’N di una lisina dell’enzima sul carbonio carbonilico (C2) e

acquisizione di un protone dell’ambiente da parte dell’ossigeno legato al C2: si forma la

carbinolammina (un intermedio tetraedrico).

3. Il glutammato preleva un protone dal gruppo amminico della lisina e così il legame

covalente tra N e C2 diventa un doppio legame e si ha liberazione di H O in quanto l’-

2

OH legato al C2 preleva un H+ da un aspartato: si forma una chetoimmina (base di

Schiff protonata).

4. La deprotonazione dell’aspartato determina un cambiamento conformazionale

dell’enzima che fa avvicinare l’aspartato stesso al gruppo ossidrile del C4; l’aspartato

+

gli strappa l’H e si genera una delocalizzazione della carica che determina:

- Liberazione del primo prodotto: gliceraldeide-3-fosfato

- Formazione di un doppio legame tra C2 e C3

- Rottura del doppio legame tra Ne C2 (rimane un singolo legame covalente) con

formazione di un enammina.

5. L’enammina è in equilibrio con la chetoimmina carbanionione (base di Schiff) in quanto

il carbanione è stabilizzato dalla carica positiva di un’altra lisina presente sull’enzima.

+

6. Il C3 strappa un H dall’aspartato e si forma la chetoimmina (base di Schiff).

7. Entra una molecola di acqua che si lega al C2; il doppio legame tra N e C2 diventa

singolo: si forma la carbinolammina (intermedio tetraedrico). +

8. Si forma un doppio legame tra C2 e O con liberazione di un H nell’ambiente e l’N della

+

lisina si riprende l’H dal glutammato.

+

9. L’aspartato strappa l’H dall’O legato al C2; si rompe il legame tra N della lisina e il C2 e

si libera il secondo prodotto: diidrossiacetonfosfato.

5. Isomerizzazione del diidrossiacetonfosfato in gliceraldeide-3-fosfato:

Trioso-fosfato-isomerasi:

Catalizza una reazione di equilibrio, tuttavia, siccome la G3P viene usata dalle reazioni

successive, l’equilibrio è spostato verso destra.

FASE DI PAYOFF: dalle 2 molecole di G3P ottenute si formano 2 molecole di piruvato, 4 ATP,

+

2 NADH, 2 H e 2 H O.

2

Comprende le tappe dalla 6 alla 10:

6. Ossidazione (deidrogenazione) della gliceraldeide-3-fosfato a 1,3-

bisfosfoglicerato:

G3P-deidrogenasi:

- Fa parte delle ossidoreduttasi (EC 1: catalizzano il trasferimento di elettroni da una

molecola riducente ad una ossidante) ed è una deidrogenasi (catalizzano il distacco di

una coppia di atomi di H da un substrato specifico e il loro trasferimento a un composto

accettore).

- Opera una catalisi nucleofila covalente.

- E’ l’unica ossidazione della via glicolitica e porta alla formazione dell’1,3-

bisfosfoglicerato, un compsto ad alta energia perché presenta un legame anidridico.

- Il sito attivo dell’enzima presenta un residuo di cisteina (Cys) e uno di istidina (His) e

accoglie il NAD+. La presenza dell’istidina abbassa il pK di dissociazione del gruppo -SH

della cisteina (da 8 a 5,5) deprotonandola e rendendola così disponibile nella sua forma

attiva tiolata.

Meccanismo: -

1. Attacco nucleofilo da parte dell’:S della cisteina sul carbonio carbonilico della G3P (C1)

con formazione di un legame tioemiacetalico covalente (intermedio covalente:

tioemiacetale). +

2. Ossidazione dell’intermedio covalente ad opera del NAD (che si riduce) che preleva

uno ione idruro dal C1; si forma un doppio legame tra il C1 e l’O ad esso legato. Si

forma un legame tioestere (ad alta energia). Il NADH così formato esce.

3. Fosforolisi tramite legame del fosfato inorganico sul C1 del tioestere; tale legame è

permesso dal fatto che il legame tioestere è ad alta energia (se al posto della cisteina ci

fosse una serina, con un gruppo -OH, nella fase precedente si sarebbe formato un

estere al posto del tioestere, che è un legame a più bassa energia, e quindi tale legame

col fosfato non avverrebbe); si libera 1,3-bisfosfoglicerato.

7. Fosforilazione a livello del substrato:

Fosfoglicerato chinasi:

- Fa parte delle transferasi (EC 2: catalizzano il trasferimento di un gruppo funzionale da

una molecola donatrice ad una accettore) ed è una chinasi (catalizzano il trasferimento

del gruppo fosfato da una molecola ad alta energia a substrati in un processo definito

fosforilazione).

- L’enzima catalizza una fosforilazione al livello del substrato, cioè una fosforilazione in

cui l’energia necessaria per fosforilare l’ADP ad ATP è proprio quella del substrato, cioè

l’1,3-bisfosfoglicerato (che ha un’energia di idrolisi molto alta).

8. Isomerizzazione del 3-fosfoglicerato in 2-fosfoglicerato:

Fosfoglicerato mutasi:

- Fa parte delle isomerasi (EC 5: catalizzano reazioni di trasformazione di una molecola in

un suo isomero per trasferimento di gruppi all’interno della molecola stessa).

- Nel sito attivo ci sono due residui di istidina, una delle quali è fosforilata.

Meccanismo:

1. Il gruppo fosforico è trasferito dal residuo di His fosforilata all’O del C2 del substrato,

l’altro residuo di His si comporta da catalizzatore basico generale prendendo l’idrogeno

legato all’O al C2.

2. Il gruppo fosforico legato all’O del C3 è trasferito alla prima istidina, mentre la seconda

istidina si comporta come un catalizzatore acido generale.

9. Deidratazione del 2-fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato:

Enolasi:

- Fa parte delle liasi (EC 4: catalizzano la rottura di legami chimici in processi diversi

rispetto all’idrolisi e all’ossidazione spesso con formazione di un nuovo doppio legame).

- Opera catalisi elettrostatica da metalli e anche catalisi acido-base generale con

stabilizzazione dello stato di transizione.

- Il sito attivo presenta una lisina (Lys) e un glutammato (Glu) e la sua azione è possibile

2+

grazie alla presenza di 2 ioni Mg .

Meccanismo:

1. La lisina sottrae il protone del C2 mediante una catalisi basica generale; tale protone è

reso acido dalla delocalizzazione della carica sugli ossigeni legati al C1 che sono

2+

stabilizzati dai due ioni Mg : si forma l’enolato.

2. Il glutammato facilita l’eliminazione del gruppo -OH legato al C3 mediante catalisi acida

generale: esce acqua e si forma il fosfoenolpiruvato. irreversibile

10. Fosforilazione a livello del substrato: (+ tautomerizzazione)

Piruvato chinasi:

- Fa parte delle transferasi (EC 2: catalizzano il trasferimento di un gruppo funzionale da

una molecola donatrice ad una accettore) ed è una chinasi (catalizzano il trasferimento

del gruppo fosfato da una molecola ad alta energia a substrati in un processo definito

fosforilazione).

- L’enzima catalizza una fosforilazione al livello del substrato, cioè una fosforilazione in

cui l’energia necessaria per fosforilare l’ADP ad ATP è proprio quella del substrato, cioè

il fosfoenolpiruvato (che ha un’energia di idrolisi molto alta).

Tautomerizzazione: avviene in modo non enzimatico, è immediata e porta alla forma

chetonica del piruvato. Tale tautomerizzazione rende la reazione catalizzata dalla piruvato

chinasi fortemente irreversibile.

BILANCIO DELLA GLICOLISI: + +

Glucosio + 2 ATP + 4 ADP + 2Pi + 2 NAD 2 piruvato + 2 ADP + 4 ATP + 2 NADH + 2 H

 

+ 2 H O

2

Bilancio netto: + +

Glucosio + 2 ADP + 2Pi + 2 NAD 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H +

 

2 H O

2

3. FERMENTAZIONE:

In assenza di O , il piruvato prodotto dalla glicolisi va incontro a fermentazione, un processo

2 +

che presenta una tappa di riduzione nella quale viene rigenerato NAD a partire dal NADH

ottenuto nella tappa 6 della glicolisi (ossidazione della G3P in 1,3-BPG). Questo processo fa sì

+

che la glicolisi abbia sempre a disposizione il NAD per ossidare la G3P in 1,3-BPG,

permettendo il normale svolgimento della via glicolitica che porta alla produzione di 2 ATP.

Fermentazione lattica:

 - Avviene nel citosol del muscolo in attività anaerobica, degli eritrociti e di alcuni

mitocondri.

- Il piruvato viene ridotto a lattato tramite lattato deidrogenasi e NADH (che si ossida a

+

DAD ).

- Bilancio complessivo di glicolisi + fermentazione lattica:

Glucosio + 2 ADP + 2 Pi 2 lattato + 2 ATP + 2 H O

 2

- Durante un’intensa contrazione muscolare la massiccia idrolisi di ATP provoca rilascio di

+

H che acidifica il muscolo. Una massiccia quantità di glucosio permette, tramite

glicolisi e poi fermentazione lattica, di ottenere lattato, che è in grado di accettare un

+

H dall’ambiente (diventando acido lattico) tamponando l’acidità del muscolo,

rendendolo quindi meno acido. Il lattato, tramite il sangue, raggiunge il fegato dove,

tramite la gluconeogenesi, viene convertito in glucosio.

Fermentazione alcolica:

 - Processo che avviene nei lieviti, dove il piruvato viene decarbossilato dalla piruvato

decarbossilasi formando acetaldeide e poi questa viene ridotta ad etanolo tramite alcol

deidrogenasi (il NADH è l’agente riducente).

- Bilancio complessivo di glicolisi + fermentazione alcolica:

Glucosio + 2 ADP + 2 Pi 2 etanolo + 2 ATP + 2 H O + 2 CO

 2 2

4. VIE DI ALIMENTAZIONE DELLA GLICOLISI:

Oltre al glucosio, altri carboidrati, sia semplici che complessi, possono essere catabolizzati

attraverso la glicolisi, previa conversione enzimatica in uno degli intermedi della via

metabolica stessa.

Tra i più importanti si ritrovano:

Glicogeno e amido: due polisaccaridi di deposito.

 Diversi disaccaridi quali:

 saccarasi

Saccarosio: scisso dalla in glucosio e fruttosio.

o lattasi

Lattosio: scisso dalla in galattosio e glucosio. Spesso negli adulti si sviluppa

o intolleranza al lattosio perché la lattasi perde attività e il lattosio non può essere

digerito e passa quindi nel colon dove viene processato dai batteri in composti piuttosto

tossici che causano i problemi legati a questa intolleranza.

maltasi

Maltosio: scisso dalla in 2 molecole di glucosio.

o trealasi

Trealosio: scisso dalla in 2 molecole di glucosio.

o

I monosaccaridi galattosio e fruttosio; un terzo monosaccaride è il mannosio, meno

 comune rispetto ai precedenti.

L’amido ed i disaccaridi assunti con l’alimentazione devono essere idrolizzati a livello

intestinale nei rispettivi monosaccaridi prima di essere assorbiti. Una volta nel circolo venoso

raggiungono il fegato, attraverso la vena porta, ed è principalmente in questa sede che sono