Biochimica 1

Biochimica

L'esercizio aerobico (con O2) è prolungato e costante, ad esempio la camminata, quello anaerobico

(SENZA o2) richiede invece potenza, ad esempio i 100 metri.

Kl/h Kcal

4 200

Camminata in piano → 5,2 240

6 267

Camminata in pendenza →

6% 4 405

6 540

12% 4 600

6 720

Una camminata aduna pendenza del 12% segue una biomeccanica non fisiologica.

Chi ha il diabete dovrebbe svolgere 3 sedute settimanali da 700 Kcal per perdere in un anno circa 4

Kg.

Se la cellula (del muscolo scheletrico) viene stimolata, modifica la propria struttura e funzione.

Dopo 3 settimane il muscolo riesce a sostenere un'intensità più alta.

Inizialmente non andiamo a consumare gli zuccheri, dopo 9/12 di allenamento passiamo però agli

acidi grassi.

Aumentando i mitocondri aumentiamo l'energia a disposizione e quindi l'intensità.

Il DNA mitocondriale ha 16580 basi azotate, quello muscolare ne ha 3,5 miliardi.

Per bruciare ogni volta 700 Kcal (persone di 55 anni), bisogna andare gradualmente (fase di

riscaldamento 18 minuti), in modo da evitare errori biochimici e fisiologici, servono 84 minuti a

pendenza 8% a 6 Km/h. Nella fase di riscaldamento bruciamo 50% zuccheri e 50% acidi grassi,

350 Kcal / 9 Kcal = 38 g. Per bruciare 1 Kg di acidi grassi servono quasi 2 mesi, questi si bruciano

biochimicamente, utilizzando l'ossigeno e svolgendo esercizio aerobico (non saune, massaggi ecc.)

Negli esercizi intensi di breve durata si bruciano gli zuccheri e dopo un po si è stimolati dalla fame.

Se l'energia che introduciamo è maggiore rispetto a quella che bruciamo, viene convertita in acidi

grassi e accumulata a livello di tessuto adiposo.

Una persona è da considerare obesa se il suo peso è il 20% in più rispetto a quello standard.

Ossidare = Metabolizzare

Ricavo energia elettrica attraverso le vie metaboliche, degradando le molecole principali. Questa

energia non è conservabile pertanto la devo produrre solo quando è necessario. Durante il

metabolismo l'energia elettrica viene accumulata dai coenzimi (NADH2 e FADH2).

Il Metabolismo è la somma di tutte le trasformazioni chimiche che avvengono in una cellula o in un

organismo, avviene attraverso una serie di azioni catalizzate da enzimi che costituiscono le vie

metaboliche. Ognuna delle tappe di una di queste via produce una piccola, ma specifica

modificazione chimica, di solito la rimozione, il trasferimento o l'aggiunta di uno specifico atomo e

gruppo funzionale.

Il catabolismo è la fase degradativa del metabolismo, in cui le molecole organiche denutrienti

(Carboidrati, grassi e proteine) vengono convertite in prodotti finali più semplici ( es. acido lattico,

CO2, NH3). Le vie cataboliche rilasciano energia, parte della quale viene conservata mediante la

produzione di ATP e di trasportatori di e- in forma ridotta (NADH, NADPH e FADH2), la parte

rimanente viene rilasciata sotto forma di calore.

Nell'anabolismo (o biosintesi) i precursori semplici vengono uniti tra loro per costruire molecole

complesse più grandi, come i lipidi, i polisaccaridi, le proteine, gli acidi nucleici.

Le reazioni anaboliche hanno bisogno di un rifornimento di energia, in genere sottoforma del

potenziale di trasferimento del gruppo fosforico dell'ATP e del potere riducente di NADH, NADPH

e FADH2.

Glucosio

Nel glucosio, nel C 3 il gruppo OH è a sinistra (mentre negli altri è a destra). Se in un atomo di C i 4

legami riguardano 4 gruppi chimici diversi, quell'atomo di C è detto assimmetrico.

Se l'asimmetria è a destra (OH – C) allora avrò D-.... se invece si trova a sinistra (C – OH) sarà L-...

Glucosio, Mannosio e Galattosio sono isomeri, più esattamente EPIMERI (ossia diasteroisomeri

che presentano una differente configurazione presso un solo stereocentro)

La formula del glucosio in forma lineare non è vera, ma è ciclica. Se nel C, l'H è sopra e OH è sotto

si parla di alfa, in caso contrario di beta.

Gli aldosi hanno la struttura a esagono (Pirannosi).

I chetosi hanno una struttura pentagono (Furanosi).

La Glicolisi

Nella glicolisi una molecola di glucosio viene degradata mediante una serie di reazioni catalizzate

da enzimi che produce 2 molecole di un composto a tre atomi di carbonio, il Piruvato.

Durante le reazioni in sequenza della glicolisi parte dell'energia rilasciata dal glucosio viene

recuperata sotto forma di ATP e di NADH.

Avviene in 10 tappe; le prime 5 costituiscono la fase preparatoria, nella quale viene spesa energia (2

molecole di ATP) per aumentare il contenuto in energia libera degli intermedi della via metabolica.

Il guadagno energetico inizia nella fase di recupero energetico 6 – 10 ( 4 ATP e 2 NADH).

1 FOSFORILAZIONE DEL GLUCOSIO

Nella prima tappa abbiamo il trasferimento di un gruppo fosfato, il quale viene legato

coovalentemente ad un substrato.

Da una molecola di glucosio passiamo ad una molecola di glucosio 6 – fosfato

È una reazione irreversibile ed è catalizzata dall'esochinasi, il quale è un enzima altamente

specifico che riconosce solo gli esosi (compresi i stereoisomeri) in questo caso il D – glucosio.

L'esochinasi ha bisogno di ioni Mg 2+ per la sua attività catalitica, dato che il vero substrato non è

l'ATP 4-, ma il complesso MgATP 2- .

Ioni Mg 2+ proteggono le cariche negative dei gruppi fosforici dell'ATP rendendo l'atomo di fosforo

terminale un bersaglio più accessibile all'attacco nucleofilico da parte di un – OH del glucosio.

P.S. L'enzima è in genere una proteina che fa si che una reazione possa avvenire in condizioni

fisiologiche. Non altera mai l'equilibrio chimico della reazione, ma ne accelera la velocità. Avvicina

e orienta i substrati.

Le chimasi sono enzimi che catalizzano il trasferimento del gruppo fosforico dell'ATP (quindi

molecole donatrici ad alta energia) ad un accettore nucleofilico (substrato). Tale processo è definito

come fosforilazione.

Una reazione è irreversibile quando vi è una grossa differenza di energia tra substrati e prodotti.

2 CONVERSIONE DEL GLUCOSIO 6 – FOSFATO A FRUTTOSIO 6 – FOSFATO

L'enzima fosfoglucosio isomerasi catalizza l'isomerizzazione reversibile del glucosio 6 – fosfato

(aldosio) a fruttosio 6 – fosfato (chetosio).

La reazione procede in entrambe le direzioni (è reversibile), come è suggerito dalla variazione

relativamente piccola dell'energia libera standard.

Questa isomerizzazione ha un ruolo fondamentale nella chimica complessiva della vita glicolitica; il

riarrangiamento dei gruppi carbonilici e ossidrilici in C – 1 e C – 2 è la premessa necessaria alle due

tappe successive.

3 FOSFORILAZIONE DEL FRUTTOSIO 6 – FOSFATO A FRUTTOSIO 1, 6 – FOSFATO

In questa tappa l'enzima fosfofruttochinasi (PFK -1) catalizza il trasferimento di un gruppo

fosforico dall'ATP al fruttosio 6 – fosfato per formare il Fruttosio 1,6 – bifosfato.

È una reazione irreversibile.

Quando il glucosio entra nelle cellule avviene spendendo energia (trasporto attivo), un trasportatore

lega degli ioni sodio al glucosio in modo da aprire la cellula e far si che essi vengano rilasciati al

suo interno. Il glucosio uscirebbe spontaneamente dalla membrana, per impedire ciò si lega un

gruppo fosfato, il quale essendo altamente carico negativamente fa si che la molecola venga legata

dall'acqua e diventi molto più grande.

Il ruolo della fosfofruttochinasi è quello di indirizzare il glucosio nella direzione della glicolisi.

Il glucosio se è fosfato può essere accumulato sotto forma di riserva e per questo è il primo

regolatore del ciclo glicolitico.

La fosfofruttochinasi -1 è soggetta ad una complessa regolazione allosterica.

La sua attività aumenta quando la quantità di ATP cellulare diminuisce e quando prodotti della

demolizione dell'ATP, l'ADP e l'AMP si accumulano. L'enzima viene inibito quando i livelli di ATP

sono elevati, in quanto viene generato anche dal metabolismo di altri combustibili.

P.S. I composti che contengono due gruppi fosforici legati in posizioni diverse nelle molecole sono

chiamati BIFOSFATI, se i due gruppi invece sono uniti uno all'altro in un unico gruppo

pirofosforico sono detti DIFOSFATI.

4 SCISSIONE DEL FRUTTOSIO 1,6 – BIFOSFATO

L'enzima fruttosio 1,6 – bifosfato aldolasi, o più semplicemente aldolasi, catalizza una

condensazione aldolica reversibile.

Il fruttosio 1,6 – bifosfato viene scisso in due diversi triosi fosforilati, le gliceraldeide 3 – fosfato

(un aldosio) e il didrossiacetone fosfato (un chetosio).

Anche se la reazione aldolesica ha una variazione di energia libera standard positiva nella direzione

della scissione del fruttosio 1,6 – bifosfato, alle basse concentrazioni dei reagenti presenti nella

cellula la variazione di energia è modesta, perciò la reazione ?aldolasica? è facilmente reversibile.

5 INTERCONVERSIONE DEI TRIOSI FOSFATO

solo uno dei due triosi fosfato formati dal'aldolasi può essere degradato direttamente nelle tappe

sucessive della glicolisi, questo è la gliceraldeide 3 – fosfato.

Il diidrossiacetone viene rapidamente e reversibilmente convertito in gliceraldeide 3 – fosfato

dall'enzima triosio fosfato isomerasi.

Ha ora inizio la fase di recupero energetico della glicolisi, la quale comprende le tappe della

fosforilazione che conservano parte dell'energia della molecola del glucosio sotto forma di ATP e

NADH.

Una molecola di glucosio genera due molecole di gliceraldeide 3 – fosfato e le due metà della

molecola di glucosio vengono metabolizzate allo stesso modo nella seconda fase della glicolisi.

La conversione di due molecole di gliceraldeide 3 – fosfato in due molecole di piruvato è

accompagnata dalla formazione di 4 molecole di ATP dall'ADP.

La resa netta in ATP per molecola di glucosio è quindi di due molecole di ATP perche 2 sono state

consumate nella fase preparatoria.

6 OSSIDAZIONE DELLA GLICERALDEIDE 3 – FOSFATO A 1,3 – BIFOSFOGLICERATO

La prima tappa della seconda fase è l'ossidazione della gliceraldeide 3 – fosfato a 1,3 –

bifosfoglicerato, catalizzata dalla gliceraldeide 3 – fosfato deidrogenasi.

Questa è la prima delle due reazioni della glicolisi, in cui viene recuperata l'energianecessaria alla

formazione di ATP.

Il gruppo aldeico della gliceraldeide 3 – fosfato viene ossidato (perde e-), formando un'anidride tra

un gruppo carbossilico e l'acido fosforico.

Questa anidride è detta acil fosfato e ha un'elevata energia libera standard di idrolisi,

ΔG = 49,3 KJ/mole. Gran parte dell'energia libera dell'ossidazione del gruppo aldeidico della

gliceraldeide 3 – fosfato viene conservata con la formazione dell'acil fosfato nella posizione C – 1

dell'1,3 – bifosfoglicerato.

Il coenzima NAD+ accetta (si riduce) temporaneamente gli e- e si va a formare il NADH

(NAD+ + H- = NADH).

Vi sono ora 4 cariche negative, le quali avvicinandosi si respingono provocando instabilità.

7TRASFERIMENTO DEL GRUPPO FOSFIRICO DALL'1,3 – FOSFOGLICERATO ALL'ADP

L'enzima fosfoglicerato chinasi trasferisce all'ADP il gruppo fosforico ad alta energia del gruppo

carbossilico dell'1,3 – bifosfoglicerato formando ATP e 3 – fosfoglicerato.

Senza la molecola di fosfato la molecola è più stabile.

La formazione di ATP per trasferimento di un gruppo fosforico da un substrato (come 1,3 –

bifosfoglicerato) è detta fosforilazione a livello del substrato. In questa tappa vengono prodotte 2

molecole di ATP, pareggiando quindi quella usata nella prima e nella terza tappa.

P.S. ADP → ATP – 7,3 KJ/mole

8 CONVERSIONE DEL 3 – FOSFOGLICERATO IN 2 – FOSFOGLICERATO

L'enzima fosfoglicerato mutasi catalizza lo scambio del gruppo fosfolirico tra il C – 2 e il C – 3 del

Il gruppo fosfato passa da C – 3 a C – 2.

9 DEIDRATAZIONE DEL 2 – FOSFOGLICERATO A FOSFOENOLPIRUVATO

L'enalasi rimuove una molecola d'acqua dal 2 – fosfoglicerato, generando il fosfoenolpiruvato

(PEP).

La reazione converte un composto con un potenziale di trasferimento del gruppo fosforico

relativamente basso (il ΔG di idrolisi del 2 – fosfoglicerato è -17,6 KJ/mole) in uno con un'elevato

potenziale di trasferimento (il ΔG di idrolisi del PEP è -61,9 KJ/mole).

10TRASFERIMENTO DEL GRUPPO FOSFORICO DAL FOSFOENOLPIRUVATO ALL'ADP

L'ultima tappa della glicolisi è il trasferimento del gruppo fosforico dal fosfoenolpiruvato all'ADP

catalizzato dalla piruvato chinasi, che richiede K+ e Mg 2+ oppure Mn 2+.

La reazione complessiva ha una variazione di energia libera standard fortemente relativa, dovuta in

gran parte alla conversione spontanea della forma enolica del piruvato nella forma chetonica.

L'ATP è un nucleotide costituito da adenina, ribosio e 3 molecole di fosfato. Nonostante possieda 4

cariche negative (poste nei gruppi fosfati) che si respingono tra loro causando così una condizione

di instabilità, la molecola è stabile.

Nel passaggio da ATP ad ADP le cariche negative diventano 3.

4- 3- 42-

⇆ +

ATP + H O ADP + HPO + H ΔG = -30,5 Kj/mole

2 +

L'idrolisi dell'ATP oltre a produrre ADP, produce anche un gruppo fosfato e uno ione H , il quale va

nel mezzo ed è importante per le reazioni successive.

Attraverso questa reazione vengono liberate 7,6 Kcal.

All'ATP e all'ADP si può legare il magnesio (il quale funge da attivatore), che forma delle

-

interazioni elettrostatiche con 2 ioni O : - -

O O

2+

Mg

2- -

Formando MgATP o l'MgADP 2-

L'energia ricavata dall'idrolisi dell'MgATP è uguale a quella dell'ATP normale.

Il metabolismo del glicogeno negli animali

Nei diversi organismi, dai batteri, alle piante, ai vertebrati, l'eccesso di glucosio viene convertito in

forme polimeriche di deposito, cioe il glicogeno nei vertebrati e in molti microorganismi e l'amido

nelle piante.

Nei vertebrati il glicogeno si trova sopratutto nel fegato e nel muscolo scheletrico.

Il glicogeno muscolare costituisce una riserva di energia immediatamente disponibile per il

metabolismo aerobico e anaerobico e può essere totalmente consumato in meno di un'ora di

esercizio fisico intenso.

Il glicogeno epatico, invece, può essere considerato una riserva di glucosio per gli altri tessuti

quando non è disponibile il glucosio della dieta (tra un pasto e l'altro o durante il digiuno).

Questo è particolarmente importante per i neuroni, che non possono utilizzare gli acidi grassi come

combustibile metabolico. Il glicogeno del fegato può essere consumato in 12 – 24 ore.

Nell'uomo l'energia totale immagazzinata sotto forma di glicogeno è nettamente inferiore a quella

conservata sotto forma di grassi, ma queste sostanze non possono essere convertite in glucosio o

essere catabolizzate anaerobicamente.

I meccanismi generali deputati all'immagazzinamento e alla mobilizzazione del glicogeno sono gli

stessi nel muscolo e nel fegato ma gli enzimi differiscono per alcune importanti proprietà che

riflettono i differenti ruoli del glicogeno nei due tessuti.

Glicogenolisi o demolizione del glucosio

Nel muscolo scheletrico e nel fegato, le unità di glucosio delle ramificazioni del glicogeno entrano

nella glicolisi per azione di 3 enzimi: la glicogenofosforilasi, l'enzima deramificante e la

fosfoglucomutasi.

Il primo catalizza una reazione, nella quale un legame (α 1 → 4) glicosilico tra due residui di

glucosio alle estremità non riducente di una ramificazione viene scisso usando il fosfato inorganico

(Pi), con formazione di α – D – glucosio 1 – fosfato.

Il piridossol fosfato è un cofattore essenziale della glicogeno fosforilasi:

il suo gruppo fosforico agisce come un catalizzatore acido generale, promuovendo l'attacco da parte

del Pi sul legame glicosidico.

La glicogeno fosforilasi agisce ripetitivamente sulle estremità non riducenti delle ramificazioni del

glicogeno, fino a che non raggiunge un punto che dista quattro residui di glucosio da una

ramificazione (α 1 → 6), dove la sua azione si blocca.

L'ulteriore degradazione da parte della glicogeno fosforilasi può avvenire solo dopo che l'enzima

deramificante, oligo (α 1 → 6) (α 1 → 4) glucan-trasferasi, catalizza altre due reazioni di

trasferimento delle ramificazioni.

Una volta avvenuto il trasferimento della ramificazione e l'idrolisi del residuo di glucosio in C-6,

l'azione della glicogeno fosforilasi può continuare.

Il glucosio 1-fosfato, il prodotto finale della glicogeno fosforilasi, viene convertito in glucosio 6-

fosfato dalla fosfoglucomutosi, che catabolizza la reazione reversibile:

⇆

Glucosio 1-fosfato glucosio 6-fosfato

L'enzima, inizialmente fosforilato a livello di un residuo di ser (serina, un amminoacido polare,

chirale), dona il suo gruppo fosforico all'atomo C-6 del substrato e quindi accetta il gruppo

fosforico dell'atomo C-1.

Questa reazione è divisa in due tappe:

1) l'enzima cede il suo gruppo fosforico al glucosio 1-fosfato, producendo glucosio 1,6 –

bifosfato.

2) Il gruppo fosforico sull'atomo C – 1 del glucosio 1,6 bifosfato viene riportato sull'enzima,

riformando il fosfoenzima e producendo glucosio 6 – fosfato.

Il glucosio 6 – fosfato, formato dal glicogeno nel muscolo scheletrico può entrare nella glicolisi e

servirà come fonte energetica per la contrazione muscolare. Nel fegato la scissione del glicogeno ha

un ulteriore scopo: il rilascio del glucosio nel sangue, quando il livello di glucosio tende a

diminuire, come nell'intervallo tra due pasti.

La scissione ric