Biochimica

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Page1 IL TRASPORTO DELL’OSSIGENO

Organismo per funzionare ossigeno.

Tutte le cellule dell'organismo devono

ricevere un'adeguata quantità di

ossigeno.

Sia in Hb che in Mb l’O si lega tramite

2

una struttura di nome eme a porzione

più importante di questa struttura è uno

ione di tipo Ferro 2+

Com'è fatto questo piccolo

gruppo che serve a legare

l'ossigeno?

La struttura eme senza Fe 2+ =

PROTOPORFIRINA IX.

 Questa struttura è legata

all'interno delle varie subunità e grazie Fe 2+ può legare O .

2

 Ogni subunità di Hb contiene 1 eme, quindi, ogni molecola di Hb può legare fino a 40 .

2

 La Mb ha 1 sola catena e un solo gruppo eme e potrà legare una sola molecola di O .

2 2+

Per poter avere questo legame con l'ossigeno, è necessario che l'atomo di ferro sia un Fe Il ferro può

.

esistere in due stati di ossidazione: 2+ e 3+. Il 3+ non può legare l'ossigeno. Quando Hb si ossida perde la

capacità di legare I’ O 2

Come funziona l’emoglobina?

L'emoglobina si carica di ossigeno dove è presente in maggiore quantità = polmoni. Lo trasporta fino ai tessuti

periferici e qui lo rilascia, per dare un’adeguata ossigenazione.

L'emoglobina che si trova nel torrente arterioso si chiama Ossi-emoglobina [perché ha legato l'ossigeno].

Dopo aver rilasciato l'ossigeno, che serve alle cellule per la respirazione cellulare, l'emoglobina torna, tramite

il torrente venoso, ai polmoni, dove può ricominciare il ciclo di trasporto.

CO Prodotti di scarto del metabolismo cellulare che deve essere eliminato. Ci sono diversi modi per

2

eliminarla:

 Uno è tramite la respirazione polmonare. l’Hb lega la CO2 tramite la parte proteica cioè con le

estremità N terminali delle proteine. La C02 reagisce con le estremità N terminali e forma un

composto che si chiama RESIDUO CARBAMMINO TERMINALE.

 Si possono legare 2 molecole di C0 per molecola di emoglobina. Cosi la C0 , tramite il torrente

2 2

venoso, torna ai polmoni e la reazione si Inverte: l'emoglobina rilascia la C0 , che viene eliminata

2

tramite la respirazione

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Hb ha quindi due funzioni diverse: 2+

1. Trasporto di O dai polmoni ai tessuti periferici, grazie al Fe e al gruppo EME

2

2. Trasporto di C0 ai polmoni. Il sito è diverso non avviene attraverso il legame con l’EME ma con la

2

parte proteica del Hb.

SATURAZIONE DI OSSIGENO la quantità di ossigeno legato all'emoglobina rispetto alla quantità di ossigeno

presente nell'ambiente circostante.

PRESSIONE PARZIALE DI OSSIGENO la quantità di O nel organismo. Concentrazione di O presente in un

2 2

particolare distretto cellulare del organismo PO 2

Mano a mano che Hb percorre il nostro organismo e passa dai polmoni ai tessuti periferici, la quantità di

ossigeno che troviamo nell'ambiente diminuisce, di diminuisce anche la quantità di ossigeno legata

all'emoglobina. Questa diminuzione segue un andamento sigmoide Significa che non c'è proporzionalità

(altrimenti vedremmo una retta).

Anche quando ci troviamo nei tessuti periferici, l'emoglobina non è mai

completamente scarica, com’è possibile?

LEGAME COOPERATIVO: significa che l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno è regolata dalla quantità di

ossigeno che l'emoglobina porta legato. Una emoglobina Senza ossigeno ha bassa affinità per l'ossigeno, fa

più fatica a legarlo. Più invece lega ossigeno, più aumenta l'affinità, cioè più facilmente lo legherà e lo terrà

legato, perché se l'Hb, quando si trova nei polmoni, legasse l'ossigeno e lo rilasciasse subito, l'ossigeno

continuerebbe a rimanere nei polmoni, Invece succede che nei polmoni c'è tanto ossigeno e le molecole si

legano all'hb, che si carica e continua a tenere legato l'ossigeno.

Man mano che si sposta, passa da una situazione dove abbiamo tanto ossigeno a situazioni in cui l'ossigeno è

sempre di meno; quindi l'ossigeno comincia ad essere rilasciato, se fosse rilasciato a mezza via, l'Hb

arriverebbe ai tessuti periferici avendolo già perso tutto. Al contrario, quando arriva ai tessuti periferici, dove

già di per sé l'ossigeno è scarso, allora l'emoglobina rilascia tutto l'ossigeno. È importante che, una volta

scaricato l'ossigeno, Hb diminuisca la sua affinità per l'ossigeno, perché altrimenti lo lascerebbe, ma lo

rilegherebbe, riportandoselo via.

L'affinità dell'Hb per l'ossigeno è regolata direttamente dalla quantità di ossigeno presente

nell'ambiente, per cui la cooperatività di legame consiste proprio nel fatto che meno ossigeno c'è,

meno facilmente l'Hb lega l'ossigeno.

Ma cosa vuol dire alta o bassa affinità? Cos'è che aiuta l'emoglobina a rilasciare

o a tenere l'ossigeno?

 Fondamentale è la conformazione della nostra molecola: le proteine hanno una struttura primaria (la

loro sequenza di amminoacidi); una struttura secondaria (es: alfa-elica); questa si ripiega a

formare dei gomitoli (la struttura terziaria) e, in molecole complesse come l'Hb che hanno più di una

parte, l'assemblaggio delle parti porta a una struttura tridimensionale: la struttura quaternaria.

Hb è costituita da 4 parti diverse che possono disporsi nello spazio in modo diverso una rispetto all'altra

conformazioni: T, che sta per tesa; e R, che sta per rilassata. Per legare o rilasciare l'ossigeno,

l'emoglobina deve formare o rompere dei legami (legame ferro- ossigeno). La capacità di legare in maniera

più forte o meno forte l'ossigeno è determinata dalla conformazione.

Semplificando: abbiamo che Hb è costituita da 2 e 2β.

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Come sono organizzate queste quattro subunità nella molecola di Hb? Abbiamo

prima la formazione di dimeri per associazione di 2 subunità, cioè sI formano i dimeri e i legami che

β1 β2,

tengono insieme i dimeri sono interazioni forti di natura idrofobica e i due dimeri si associano I 'uno all'altro

tramite legami ionici e legami idrogeno.

CONFORMAZIONE T: assume Hb senza ossigeno e, siccome è priva di ossigeno, si chiama

deossiemoglobina.

CONFORMAZIONE R: quando l'O si lega al ferro legato al gruppo eme, che è legato alla proteica

2

dell'emoglobina, provoca una sorta di stiramento di ogni subunltà che cambia forma. Quando tutti gli ossigeni

sono legati, i due dimeri cambiano disposizione l'uno rispetto all'altro e ruotano, parte dei legami idrogeno e

ionici si rompe e la struttura risulta più rilassata e più larga, perché ci sono meno legami che tengono uniti i

due dimeri.

Perché il primo ossigeno fa fatica a legarsi, poi il secondo ne fa meno e cosi

via?

Le 4 subunità dell Hb Sono tutte collegate tra loro, quando si lega il primo ossigeno, la prima subunità tende a

cambiare forma, ma fa fatica. Poi si lega il secondo ossigeno e anche la seconda subunità comincia a

cambiare. Quindi adesso ci sono due punti di tiraggio e la proteina comincia a cambiare forma. Ma più tira e

più cambiano forma le due subunità che hanno legato l'ossigeno. Questi legami si tirano dietro anche le altre

subunità legate (che non hanno ancora O ). Mano a mano che cambiano forma, l'ossigeno fa meno fatica a

2

entrare e si lega più facilmente. Dopo che abbiamo legato tre ossigeni, la quarta subunità si trova già nella

forma aperta e quindi l'ossigeno entra. Quindi l'ossigeno è il primo sensore, la prima molecola che

aiutal'Hb a legarne tanto e a rilascialo dove deve, attraverso una complessa serie di fenomeni

molecolari.

Quando l'ossigeno viene perduto cosa succede?

L'Hb torna in forma tesa, che lega molto meno ossigeno, arriva livello dei polmoni dove c’è tanto ossigeno e si

lega. L'Hb si apre, diventa una conformazione R, lega tutto l'ossigeno che può. Quindi si allontana dai polmoni

con l'ossigeno legato. Mentre percorre il nostro organismo, l'ossigeno comincia a diminuire e l'Hb comincia a

rilasciarlo, ma è ancora in forma R, finché non arriva nei tessuti periferici, dove l'ossigeno è meno e allora ne

viene rilasciato tanto e l'Hb diviene in forma T, cosicché l'ossigeno rilasciato può restare nei tessuti, LHb

ritornerà in forma R soltanto una volta arrivata nei polmoni.

Quali fattori modificano l'affinità dell’emoglobina per l'ossigeno?

LA QUANTITÀ STESSA DI OSSIGENO

1. che, regolando la forma dell'emoglobina, regola I 'affinità

di Hb per l'ossigeno.

L'EFFETTO BOHR

2. che diminuisce l'affinità dell'Hb per l'ossigeno, favorendone cosi il rilascio.

I nostri tessuti periferici producono C02, un prodotto di scarto che dev'essere eliminato. In parte si lega

all'Hb e viene eliminata con la respirazione. In parte la C02 prodotta, una volta all'interno del nostro

globulo rosso (in inglese RBC: red blood cell), reagisce con l'acqua del citoplasma del globulo rosso,

grazie a un enzima chiamato Anidrasi carbonica che sintetizza H CO (acido carbonico), un acido che

2 3

in acqua (e noi siamo in acqua, perché siamo nel citoplasma di una cellula) perde un protone e si

-

+ +

dissocia in protone H e ione HCO (bicarbonato), che torna nel plasma. Il protone H va invece a legarsi

3

alla parte proteica dell'emoglobina, cioè la protona.

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Ma quale forma di Hb protona?

L’ Hb in conformazione T, nella forma "deossi", senza l'ossigeno. Se noi abbiamo Hb in forma R, che sta

rilasciando l'ossigeno, la protonazione aumenta la facilità della conversione da R a T, cosicché viene

rilasciato ancora più ossigeno. Non è una sostituzione a livella dell'eme: l'ossigeno legato all'eme e

viene rilasciato; i protoni si legano invece alla parte proteica. Questo facilita il cambio di forma della

proteina, che passa alla forma T (bassissima affinità per l'ossigeno). Questo ha la funzione di

massimizzare la quantità di ossigeno rilasciata al livello dei tessuti.

L'emoglobina protonata rilascia l'ossigeno e si trova in forma deossi, rimane senza ossigeno legato, torna

ai polmoni e qui si deprotona, perché avviene l'effetto opposto a quello appena visto: nei polmoni la CO 2

viene eliminata attraverso la respirazione, e quindi, senza protone e in presenza di tanto ossigeno l'Hb si

ritrasforma in R carica l'ossigeno e ricomincia il giro.

LA TEMPERATURA

3. : se diminuisco la temperatura Hb aumenta la sua affinità per 0 , se aumento la

2

temperatura l’Hb diminuisce la sua affinità per O 2

2 3 BIFOSFOGLICERATO (2,3 BPG) [diminuisce l’affinità per O ]

4. . 2

 Formata da 3 atomi di carbonio.

 Viene sintetizzato nei RBC attraverso una ramificazione della GLICOLISI.

 Il 2,3 BPG si può legare all'emoglobina in rapporto 1:1 nel mezzo del foro della sola forma T. (Quindi

quando l'ossigeno non presente), quando è presente il passaggio alla forma R è più difficile perché

Hb deve rompere i legami con il 2,3 BPG ed espellerlo. Solo a quel punto l’ emoglobina può passare

in forma R.

 Ci sono delle situazioni in cui la quantità di ossigeno che l'individuo riesce a respirare è minore (per

esempio ad alta quota, o in presenza di certe patologie come asma o enfisema). Quando l'ossigeno

respirato meno della norma, è fondamentale il ruolo di questa piccola molecola, perché l'organismo

risponde a una diminuita quantità di ossigeno sintetizzando più 2,3 BPG (ad esempio nel caso di

adattamento ad alta quota). Immettendo meno ossigeno, ai tessuti ne dovrebbe arrivare di meno, ma,

producendo più 2,3 BPG, la nostra Hb, pur recuperando meno ossigeno, ne rilascia la stessa quantità

a livello dei tessuti (esempio: in condizioni normali ne lega 4 e ne rilascia 3; in altura ne lega solo 3,

ma le rilascia tutte).

MONOSSIDO CARBONIO (CO) 2+

5. Si lega al Fe del EME sostituendo con una forza 20.000 volte

O2

superiore a quella dell’O Anche se c’è meno CO rispetto a O , Co tende a legarsi di più di O . Il legame

.

2 2 2

di CO con Hb è irreversibile: l’unico modo di staccare CO è un trattamento in camera iperbarica. Se in Hb

anche solo un sito è legato con CO la molecola rimane in forma R e non rilascia più ossigeno

Diversi tipi di emoglobine

Esistono diversi tipi di Emoglobina. Alcune sono presenti nell'adulto, altre nel feto e nell'embrione.

β



HbA è la forma più comune: è il 90% del emoglobina totale dell’ individuo adulto costituita da 2

2

Le β possono essere vere e proprie, poi ci sono le catene δ (delta) che hanno sequenza amminoacidica

diversa. δ



Si possono avere anche delle HbA in percentuale 2-5% 2

2

2

 HbA che è diversa perché legata al glucosio chiamata Hb glicosilata e normalmente è presente tra il 3-9

1c

%. La quantità di HbA dipende dal glucosio presente nel nostro sangue e quindi, in individui diabetici, la

1c

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presenza di questa emoglobina è più elevata.

 HbF ("F" Sta per "fetale”) presente anche nel adulto 2%, costituita sempre da catene e da catene β, ma



quelle di tipo β sono di tipo γ (gamma).

Nel feto è l'emoglobina prevalente, un feto ha una emoglobina differente perché non respira direttamente.

Infatti l'HbF ha più affinità con l'ossigeno rispetto alla HbA c ciò le permette di prelevare I 'ossigeno dal

sangue materno a livello della placenta.

 Emoglobine patologiche. La più nota è Hbs ANEMIA FALCIFORME un amminoacido β è mutato; cioè è

mutato un nucleotide del gene e il glutammato diventa valina. Il glutammato è un amminoacido carico

negativamente, mentre la valina è un amminoacido idrofobico. I RBC diventano a falce e la loro membrana

è piu rigida è non trasporta bene O2

PERCHÉ ASSUMONO QUESTA STRANA FORMA? Perché quando l'emoglobina S è in forma T,

tende a formare delle fibre, delle catene: polimerizza e si formano delle lunghe catene di emoglobina.

Inoltre queste fibre tendono poi ad allinearsi e cristallizzarsi, cosi si formano fibre ancora più grosse di Hb

all'interno del citoplasma del RBC. Questo è il motivo per cui, da tondeggiante, il globulo rosso diventa poi

allungato, Stiamo parlando di un fattore irreversibile, che causa una scarsa ossigenazione a livello dei

tessuti. Inoltre questi globuli rossi, passando nei capillari, possono romperli o occluderli

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IL METABOLISMO

Il METABOLISMO è un insieme di funzioni del nostro organismo e delle nostre cellule che parte dai

NUTRIENTI, li digerisce e li trasforma in energia e componenti. Prende questa energia e questi componenti e li

usa per fare le sue cellule per far funzionare le sue cellule.

Nelle cellule ritroviamo poi carboidrati, grassi e proteine, ma non quelli che abbiamo mangiato, bensì quelli

adatti alle nostre cellule.

Tutto si riduce a rottura di legami e formazione di nuovi legami. Si parte da molecole complesse che noi

rompiamo, la rottura dei legami libera energia che noi immagazziniamo sotto forma di Atp, che viene poi

utilizzato per compiere altre azioni.

NUTRIENTE = tutto ciò che si introduce con la dieta.

PROTEINE AMMINOACIDI

ZUCCHERI –> MONOSACCARIDI

GRASSI ACIDI GRASSI E GLICEROLO

CATABOLISMO: fase degradativa e riduttiva, i composti vengono ulteriormente metabolizzati e viene estratta

l’energia contenuta negli alimenti di partenza. L’ energia viene raccolta sotto forma di ATP che viene usata

nella seconda fase del metabolismo, chiamata anabolismo

ANABOLISMO: fase in cui l’organismo sintetizza le macromolecole che gli servono, vengono prodotti ancora

proteine, zuccheri e grassi, che però pur appartenendo alla stessa categoria hanno una struttura diversa.

CARBOIDRATI

Si chiamano così perché contengono carbonio e acqua in egual misura. L’ acqua però non è esattamente

presente come H20 in realtà abbiamo carbonio, idrogeno e ossigeno. Oggi si scrive la formula bruta come

C H O .

n 2n n

Due grandi categorie: gli ALDOSI (gruppo Aldeidico C=O-H) e CHETOSI (gruppo C=O)

OSI ogni C lega OH più tutti gli H per suturare i legami

Lo zucchero più semplice è una molecola che contiene 3 atomi di C. Possiamo avere dai 3C ai 9C.

I più importati sono a 5C (pentosi, il RIBOSIO) e a 6C (esosi, GLUCOSIO)

RIBOSIO nel DNA come DESOSSIRIBOSIO (manca O2 in posizione 2) esiste una forma ciclica e lineare negli

acidi nucleici è sempre ciclica

GLUCOSIO monosaccaride (ricordiamo anche il fruttosio che è esoso monosaccaride)

DISACCARIDI formati da 2 monosaccaridi: LATTOSIO e SACCAROSIO legati da un LEGAME

GLICOSIDILICO

POLISACCARIDI: ( 1000 +) tante molecole di glucosio legate dal legame GLICOSIDILICO, amido, cellulosa,

glicogeno

Perchè se sono tutti costituiti da glucosio, li chiamiamo con nomi diversi? Perché cambia la loro forma. Ad

esempio nella cellulosa il legame glicosidico fa si che le molecole di glucosio siano perfettamente allineate,

che formino linee parallele. Invece nell'amido e nel glicogeno (l