Che materia stai cercando?

Biochimica

Introduzione alla biochimica, catalisi enzimatica, fattori che influenzano la velocità di reazione, cinetica enzimatica, inibizione attività enzimatica, introduzione al metabolismo, catabolismo, anabolismo, organismi fototrofi, chemiolitotrofi, eterotrofi, aerobi, anaerobi facoltativi, anaerobi obbligati, ossidazioni biologiche. Metabolismo glicidico: glicolisi anaerobia, gluconeogenesi,... Vedi di più

Esame di Biochimica generale docente Prof. P. Cascio

Anteprima

ESTRATTO DOCUMENTO

Un enzima produce un ambiente ideale affinché una determinata reazione sia energeticamente favorita grazie

alla presenza di una tasca chiamata sito attivo dell’enzima (sito di legame per il substrato), che contiene le

catene laterali degli aminoacidi dell’enzima che partecipano al legame del substrato e alla sua catalisi. Il

legame enzima -substrato è la chiave dell’azione catalitica.

Oltre a questa cavità specifica per il substrato ci possono essere altri siti in cui si adattano specificamente

coenzimi o cofattori che partecipano alla reazione catalizzata.

Ci sono enzimi:

- ENZIMI COSTITUTIVI: sono permanentemente presenti nelle cellule. Quando sono necessari alla cellula

si ha l’attivazione enzimatica e l’attività dell’enzima aumenta.

- ENZIMI INDUTTIVI: compaiono solo se necessari (es. presenza di un determinato substrato) e vengono

prodotti mediante il processo di induzione enzimatica (innesco della sintesi di un enzima). È un

meccanismo di adattamento un po’ più lento rispetto al precedente.

L’induzione enzimatica regola la quantità di un enzima presente nella cellula modificandone la velocità di

sintesi che può essere aumentata (induzione enzimatica) o ridotta (repressione enzimatica). Riguarda

normalmente enzimi necessari solo in un determinato stadio dello sviluppo o in particolari condizioni

fisiologiche; è una modalità di regolazione che avviene lentamente, a differenza dei processi di

attivazione/inibizione che sono molto veloci.

La direzione di una reazione è determinata dal fatto

che l’energia tende sempre a diminuire.

Le reazioni termodinamicamente favorite (spontanee)

sono quelle in cui alla fine si ha una diminuzione

dell’energia (ΔG < 0).

L’energia (G) delle molecole che vanno incontro alla

reazione (Reagenti “R”) deve essere maggiore di quella

delle molecole che si producono nella reazione

(Prodotti “P”). ΔG

G(P) – G(R) = (variazione di energia)

- ΔG < 0 la reazione decorre da sinistra a destra

- ΔG = 0 la reazione è all’equilibrio (la quantità di R → P è = P → R nella stessa unità di tempo).

Reazione reversibile all’equilibrio.

- ΔG > 0 la reazione decorre da destra a sinistra

➢ ΔG

Quando il è negativo la reazione è ESOERGONICA (termodinamicamente spontanea o favorita).

➢ ΔG

Quando il è positivo la reazione è ENDOERGONICA (termodinamicamente NON spontanea, necessita

di apporto energetico per avvenire da sx a dx

→ accoppiamento con reazioni che liberano energia).

ΔG ΔG

Il valore di non fornisce indicazioni sulla velocità della reazione. Un valore di anche molto negativo ci

indica che la reazione da un punto di vista termodinamico può avvenire spontaneamente, ma poi la velocità

della reazione può essere bassissima e quindi da un punto di vista biologico è praticamente come se non

avesse luogo.

Ogni reazione catalizzata procede attraverso la formazione di un complesso attivato (enzima+substrato) la

cui energia corrisponde all’energia di attivazione (differenza di energia tra lo stato basale e quello di

transizione). C’è un primo salto energetico quando si forma il complesso attivato, un secondo salto energetico

4

quando si forma il complesso enzima - prodotto e un terzo salto quando enzima e prodotto si staccano. Solo

nel caso più semplice ci sono tre salti energetici, nella maggior parte delle reazioni si formano numerose

specie chimiche transitorie chiamate intermedi di reazione. Il fattore critico (limitante) non è il numero di stati

intermedi di transizione ma il passaggio con l’energia di attivazione più elevata.

In presenza di un catalizzatore si ha una diminuzione dell’energia di attivazione.

La velocità di una reazione dipende dal numero di molecole che possiedono un livello energetico pari a quello

dello stato di transizione. Se l’energia di attivazione viene abbassata, un numero maggiore di molecole

raggiunge lo stato di transizione. La reazione sarà perciò più veloce.

In che modo gli enzimi abbassano così drasticamente l’energia di attivazione?

TEORIA DELLA CHIAVE E DELLA SERRATURA (Emil Fisher, 1894)

Per permettere la formazione di tutti questi legami e forze di interazione, è necessario che la tasca dell’enzima

si adatti molto bene al substrato. Esistono diverse teorie riguardanti la struttura della tasca; la prima fu quella

formulata da Fisher:

 “Il substrato si combina con il sito attivo dell’enzima con lo stesso grado di specificità con cui una chiave

entra nella serratura”;

 “Il riconoscimento (spesso tridimensionale) deve avvenire in modo da rispettare rigorosi criteri di

complementarietà di struttura e di carica fra enzima e substrato” → formazione di legami non covalenti

tra enzima e substrato.

La teoria non spiega però perché poi l’enzima trasformi il substrato, che si adatta perfettamente alla sua tasca,

in prodotto, che cambia almeno in parte la sua struttura e quindi sarà meno compatibile con la tasca.

TEORIA DELL’ADATTAMENTO INDOTTO (“induced fit”- Koshland, 1958)

Variante della teoria precedente è quella dell’adattamento indotto, che sostiene che un enzima modifica in

modo dinamico e reversibile la propria conformazione in seguito alla combinazione con il substrato → il sito

attivo assume una forma perfettamente complementare a quella del substrato solo dopo che il substrato si

è legato. Questo adattamento si è reso necessario quando ci si è accorti che, studiando la tasca di un enzima

libero, questa aveva conformazione differente rispetto a quando l’enzima era legato al substrato. Questa

teoria ancora non spiega però la catalisi.

Oggi si ritiene che il numero delle interazioni tra il substrato e l’enzima sia massimo solo quando il substrato

si trova nello stato di transizione, cioè che la tasca dell’enzima non sia perfettamente complementare né col

substrato ne col prodotto ma con gli stadi intermedi del substrato, cioè con gli stadi di transizione. La massima

liberazione di energia di legame (che può essere usata per abbassare l’energia di attivazione) si ha nello stato

di transizione.

La massima interazione tra enzima e substrato si verifica nello stato di transizione che però è intrinsecamente

instabile perché i vecchi legami si stanno rompendo e se ne stanno formando di nuovi, quindi si trasforma

velocemente nel prodotto (visto che il ∆G complessivo è negativo) che si stacca dall’enzima.

N.B. Sia l’enzima che il substrato subiscono una distorsione conformazionale.

FATTORI CHE INFLUENZANO LA VELOCITA’ DELLE REAZIONI ENZIMATICHE

 pH

 T °

 Concentrazione dell’enzima

 Concentrazione del substrato 5

pH:

Il pH influenza:

• struttura terziaria dell’Enzima (pH estremi posso denaturare l’enzima).

• ionizzazione del sito attivo (specifici gruppi del sito attivo devono essere ionizzati oppure non ionizzati

affinché possano interagire con il substrato).

• grado di dissociazione di eventuali gruppi acidi e basici sulle molecole di substrato

Il pH ottimale: intervallo di valori di pH in cui la reazione viene catalizzata con la massima efficienza (varia a

seconda dell’enzima). Es. pepsina: attiva in ambiente acido; tripsina: attiva a pH basico.

Temperatura:

Aumentando la temperatura aumenta la velocità di una reazione perché aumenta il numero di molecole che

possiedono un’energia sufficiente a superare la barriera energetica (stato di transizione).

Gli enzimi sono però termolabili (es. acqua bollente → denaturazione). essendo proteine si denaturano col

calore, perciò entro certi limiti, un aumento di T ° ha effetto positivo sulla velocità di catalisi, oltre una certa

soglia l’enzima si inattiva.

► Curva a campana con un massimo vicino alla T ° corporea.

Gli E a basse T° di solito non vengono denaturati; possono aumentare la loro attività aumentando di nuovo

la T °.

APPLICAZIONI:

 < T° → conservazione degli alimenti, per rallentare i processi di maturazione o degradazione.

 >T° → pastorizzazione e sterilizzazione.

Concentrazione dell’E

:

La velocità di una reazione è direttamente proporzionale alla concentrazione

dell’enzima fino a quando tutto il substrato non è stato consumato (a quel punto

la reazione si arresta).

NOMENCLATURA ENZIMI

In passato il nome degli enzimi teneva conto della loro natura di proteina e ne manteneva la desinenza es.

pepsina, tripsina, papaina

In seguito ci si riferì al substrato, aggiungendo la desinenza – asi (es. ureasi)

La commissione per gli enzimi dell’Unione Internazionale di Biochimica e Biologia Molecolare (IUBMB) ha

proposto già dal 1961 un sistema EC (“Enzyme Commission”) basato:

→ sul tipo di reazione catalizzata.

→ sul nome del substrato di ciascun enzima.

Si istituirono 6 classi enzimatiche, suddivise a loro volta in sottoclassi, sottosottoclassi e singoli enzimi. Le sei

classi sono:

1. ossidoriduttasi

2. transferasi

3. idrolasi

4. liasi

5. Isomerasi

6. ligasi 6

1. OSSIDORIDUTTASI

Catalizza reazioni di ossidoriduzione (deidrogenasi, ossidasi, reduttasi, perossidasi) con la partecipazione di

+ +

cofattori es. NAD , NADP , FAD. Nelle reazioni catalizzate da ossidoriduttasi si ha il trasferimento di elettroni

-

da un substrato all’altro (es. trasferimento di OH ).

Es. Lattato deidrogenasi (vecchia nomenclatura).

L’acido lattico riveste un ruolo importante in molti processi biochimici, tra i quali quelli coinvolti nello sforzo

muscolare. Viene prodotto nei muscoli durante la degradazione anaerobica (cioè in assenza di ossigeno) del

glucosio. Quando si parla di acido lattico è inevitabile parlare di lattato; molto spesso acido lattico e lattato

vengono considerati sinonimi; in realtà il lattato è una sostanza che si differenzia dall’acido lattico in quanto

+

è priva di uno ione H .

2. TRANSFERASI

Catalizza il trasferimento di un raggruppamento chimico da una molecola ad un’altra. A seconda del gruppo

che trasferisce, prende nome diverso:

- carbossile transcarbossilasi;

- acile transacilasi;

- glicosile transglicosilasi;

- gruppo amminico transaminasi;

- gruppo fosforico transfosforilasi; Es. alanina transaminasi

3. IDROLASI

Catalizza reazioni di scissione idrolitica (rottura di legami covalenti per introduzione di una molecola d’acqua).

idrolisi del legame estereo

Esterasi: catalizzano la reazione di .

R-CO-O-R' + H O ⇄ R-COOH + HO-R'

2

La categoria delle esterasi comprende diverse sottocategorie, tra cui lipasi e colinesterasi.

rimozione di gruppi fosfato

Fosfatasi: catalizzano la . Sono i catalizzatori della reazione di defosforilazione e

in relazione al pH in cui operano, si distinguono fosfatasi acida e fosfatasi alcalina.

rottura del legame peptidico

Proteasi: catalizzano la tra il gruppo amminico e il gruppo carbossilico delle

proteine.

Es. pirofosfatasi. 7

4. LIASI

Catalizza la lisi non idrolitica di legami C-C, C-N, C-S spesso introducendo doppi legami.

Es. piruvato decarbossilasi.

5. ISOMERASI

Catalizza reazioni monomolecolari, cioè a carico di un solo substrato, che viene trasformato in un prodotto

di reazione suo isomero.

Isomerasi: catalizza l'interconversione tra due isomeri;

Epimerasi: catalizza l’interconversione tra due epimeri (i diastereoisomeri che presentano una differente

configurazione presso un solo stereocentro);

Racemasi: catalizza l'inversione della configurazione stereochimica su un atomo di carbonio asimmetrico in

un substrato avente solo centro di asimmetria.

Mutasi: (non tutte) catalizza il trasferimento di un gruppo funzionale da una posizione a un'altra nella stessa

molecola. Nella seconda tappa della glicolisi interviene la glucosio-6-

fosfato isomerasi che converte il glucosio-6-fosfato nel suo

isomero, fruttosio-6-fosfato.

6. LIGASI

Catalizza la formazione di legami covalenti (C-C, C-S, C-N, C-O), è una reazione fortemente endoergonica,

può avvenire grazie alla rottura dell’ATP o di un suo analogo.

Es. sintetasi, carbossilasi (piruvato carbossilasi) 8

Ogni enzima risulta individuato da quattro numeri:

• classe

• sottoclasse

• sotto-sottoclasse

• n° progressivo di ciascun enzima nella sottosottoclasse

Glucoso-6-fosfato fosfatasi (D-glucoso-6-fosfato fosfoidrolasi)

Classificata come EC 3.1.2.9

3 → III classe (idrolasi)

1 → I sottoclasse (esterasi)

2 → II sotto-sottoclasse (fosfatasi)

9 → nell’ambito di questa sotto-sottoclasse è il nono enzima

N.B. Molti enzimi continuano ad essere indicati con i vecchi nomi entrati nell’uso comune.

La valutazione di determinati enzimi può rivelarsi uno strumento molto utile nella diagnosi clinica.

Gli enzimi presenti nel sangue appartengono a due classi:

• Enzimi attivamente secreti da certi tipi di cellule nel sangue dove svolgono una funzione fisiologica (es. il

fegato secerne nel sangue gli enzimi della coagulazione).

• Enzimi liberati nel sangue durante il turnover delle cellule e dei tessuti.

La presenza di un’accresciuta attività nel sangue degli enzimi derivati dal turnover cellulare piò essere indice

di un danno tissutale.

Es. se il fegato va in contro ad una patologia, ad esempio gli epatociti muoiono più del dovuto e sarà presente

una maggiore quantità di enzima. L’enzima aminotransferasi (ALT) è abbondante nel fegato. In condizioni

normali la sua concentrazione nel sangue è bassa.

La comparsa di elevati livelli plasmatici di ALT è un chiaro indice di danno epatico.

CINETICA ENZIMATICA

Studia la velocità delle reazioni catalizzate dagli enzimi.

(V)

Velocità di reazione = indica l’andamento della formazione di un prodotto (o del consumo di un reagente)

di una reazione chimica in funzione del tempo.

Si misura in: moli (di prodotto formato o di reagente consumato) per litro al secondo

-1

(mol/L) s

Poiché: mol/L = Molarità (M)

→ V = Variazione della concentrazione molare (M) del reagente o del prodotto nell’unità di tempo (s).

Reazione: A → B

Il grafico mostra l’andamento della velocità di reazione

(V) = formazione del prodotto B in funzione del tempo.

V = velocità iniziale della reazione.

0 andamento

In questa fase iniziale la reazione ha un

lineare all’aumentare del tempo si ha un aumento

(

proporzionale e costante della quantità del prodotto di

reazione). 9

Questa fase viene definita stato stazionario durante la quale la concentrazione del complesso E-S (Enzima

legato al Substrato) è costante.

stato stazionario

Ad un certo punto lo termina perché la

concentrazione del substrato comincia a diminuire,

quindi diminuisce anche la concentrazione del

complesso E-S e di conseguenza diminuisce anche la

velocità della reazione.

Alla fine per le reazioni che vanno a completamento (= il

substrato viene interamente convertito in prodotto) la

concentrazione del substrato diventa quasi nulla e la

reazione si arresta (V = 0). Concentrazione del Substrato

Tenendo costante la [E], in un primo momento esisterà una

correlazione tra l’aumento della [S] e la V → aumento

0

proporzionale di [E-S] (= reazione di primo ordine, la V è

0

direttamente proporzionale alla prima potenza della

concentrazione del reagente).

Oltre a una certa concentrazione di S però non si ha più un

aumento proporzionale di [E-S] poiché la [E] diventa il fattore

limitante (tutto l’enzima disponibile si trova nella forma associata con il substrato).

• Quando la [S] riesce a mantenere tutto l’E in forma [E-S], l’ulteriore aumento di [S] non ha più effetto sulla

V .

0

• A questo punto l’E è saturato ed ha raggiunto la sua massima azione catalitica (V = velocità massimale).

max

La Vmax si ha quando tutto l’E è complessato con il S e quindi si ha la massima concentrazione possibile

di E-S mentre la concentrazione di E (libero) è praticamente nulla.

Equazione di Michaelis-Menten

variazione della velocità di reazione al variare della

Descrive la (V quando la reazione è allo stato stazionario)

0

concentrazione del substrato . E + S ⇄ ES → E + P E enzima, S substrato, P prodotto

Si assume che: E + S ⇄ ES reazione più veloce.

ES → E + P reazione più lenta (limita la velocità complessiva del processo).

V : velocità della reazione.

0

V : velocità massima di catalisi in condizioni di saturazione dell’Enzima.

max

K : costante di Michaelis-Menten.

m

[S]: concentrazione del substrato.

Ogni enzima ha una caratteristica K relativa ad uno specifico substrato il

m

cui valore rifletta l’affinità dell’enzima per quel substrato. 10

La velocità iniziale di una reazione è pari alla velocità massimale per la concentrazione del substrato, fratto la

K più la concentrazione del substrato.

m

La curva che è generata dall’equazione di Michaelis-Menten

è un’iperbole rettangolare.

La V viene estrapolata in quanto V si avvicina ma non

max 0

raggiunge mai la velocità massima (V = asintoto

max

dell’iperbole).

Quando V è esattamente ½ di V

0 max

Allora [S] = K

m

N.B. K è la concentrazione del substrato alla quale V è

m 0

esattamente ½ di V max

K riflette l’affinità dell’enzima per il substrato.

m

K piccola → alta affinità dell’enzima per il substrato. Basta una bassa concentrazione di S per emisaturare

m

l’enzima.

K grande → bassa affinità dell’enzima per il substrato. Ci vuole un’elevata concentrazione di S per

m

emisaturare l’enzima. -1 -7

La Km della maggior parte degli enzimi varia tra 10 e 10 M.

• Quanto minore è l’affinità dell’E per il suo S, tanto maggiore sarà la K .

m

• Il valore della K è:

m

→ indipendente dalla quantità di E presente.

→ caratteristico di ogni E per un determinato substrato, in condizioni definite di reazione.

La K è un parametro molto utile che può essere utilizzato per confrontare sia l’affinità di enzimi diversi per

m

uno stesso substrato che l’affinità di un dato enzima per 2 o più substrati diversi. Enzimi con K diversa per

m

lo stesso substrato possono avere la stessa V o anche V diverse e non è detto che l’enzima con K più

max max m

grande debba per forza avere una V minore (però sicuramente raggiungerà la sua V a concentrazioni di

max max

substrato maggiori). REGOLAZIONE DEGLI ENZIMI

L’attività enzimatica può essere regolata a seconda dei fabbisogni metabolici della cellula mediante diversi

meccanismi:

1. Controllo a livello del substrato

2. Regolazione a feedback

3. Modificazione covalente della molecola enzimatica

4. Induzione o repressione genica della biosintesi della proteina enzimatica

1.Controllo a livello del substrato

A → B

Alte concentrazioni di substrato favoriscono la formazione del prodotto. Quando una reazione enzimatica A

viene trasformata in B, se B tende ad accumularsi troppo impedisce il legame del substrato (agisce da inibitore

competitivo). Esochinasi

Glucosio + ATP glucosio-6-fosfato + ADP

Questa reazione è la prima tappa della glicolisi. L’Esochinasi è inibita dal suo prodotto (G6P) → se la glicolisi

è per qualche ragione bloccata si accumula G6P che rallenta l’ingresso di ulteriore glucosio nella glicolisi. 11

2. Regolazione a feedback feedback negativo

A → B → C → D → E → F (F inibisce l’enzima che trasforma A in B)

inibisce

L’accumulo del prodotto finale (F) di una via metabolica l’enzima che catalizza la prima tappa della

via stessa.

3. Modificazione covalente della molecola enzimatica

→ legame covalente di specifiche molecole alle catene laterali di determinati residui aminoacidici dell’enzima

(che determina attivazione o inattivazione dell’enzima).

Sono state descritte più di 500 modificazioni covalenti diverse delle proteine!

Es: gruppi fosforilici, acetilici, adenilici, uridilici, metilici, ammidici, carbossilici, solforici ecc…

Tutti questi gruppi vengono inseriti negli enzimi ad opera di altri enzimi specifici allo scopo di modificare

l’attività dell’enzima.

La fosforilazione è il tipo più diffuso di modificazione covalente: circa 1/3 di tutte le proteine eucariotiche è

fosforilato. Consiste nel legare un gruppo fosfato al gruppo Oh

delle proteine; il gruppo fosforico deriva dall’ATP che fornisce

energia idrolizzandosi.

Gli enzimi che attaccano il fosforo si chiamano chinasi (o cinasi);

γ

trasferiscono il fosfato in di un nucleotide trifosfato (di solito

ATP) ad un residuo di Ser, Thr, Tyr o His → si forma un residuo

aminoacidico voluminoso e carico negativamente. Si modifica la

conformazione tridimensiomnale dell’enzima (e del sito attivo)

→ variano il legame con il substrato e/o l’efficienza della catalisi.

Tra le modificazioni covalenti possiamo anche includere la trasformazione:

Proenzima (zimogeno) → enzima

Ad opera di proteasi che rimuovono una parte della catena polipeptidica del proenzima.

Es:

Enzimi digestivi: pepsina, tripsina, chimotripsina, carbossipeptidasi

Fattori della coagulazione: fibrina, protrombina, fattore VIII

4. Induzione o repressione genica della biosintesi della proteina enzimatica

Regola la quantità di un enzima presente nella cellula modificandone la velocità di sintesi.

induzione enzimatica repressione enzimatica

La velocità di sintesi può essere aumentata ( ) oppure ridotta ( ).

Riguarda normalmente enzimi necessari solo in un determinato stadio dello sviluppo o in particolari

condizioni fisiologiche.

È una modalità di regolazione che avviene lentamente, a differenza dei processi di attivazione/inibizione che

sono molto veloci.

INIBIZIONE DELL’ATTIVITA’ ENZIMATICA

L’attività dell’enzima può essere modificata da inibitori o attivatori della proteina stessa.

INIBITORI: composti chimici capaci di rallentare o bloccare una reazione enzimatica.

reversibile irreversibile

L’inibizione enzimatica può essere o .

Reversibile: l’inibitore si lega con un legame NON covalente con l’Enzima, teoricamente può essere sempre

rimossa allontanando (es. tramite dialisi) l’inibitore. 12

Irreversibile: l’inibitore si lega con un legame covalente forte con l’Enzima, e in questo modo lo inattiva

realmente ed irreversibilmente.

Inibitori irreversibili (inattivatori)

Si legano covalentemente ed irreversibilmente con le catene laterali di aminoacidi nel SITO ATTIVO

dell’enzima, indispensabili per l’attività catalitica o per l’associazione con il substrato.

E + I → E - I (enzima inattivato)

Inibitori irreversibili sono spesso veleni e tossine che provocano la morte inibendo irreversibilmente degli

enzimi chiave.

Spesso hanno un gruppo di atomi in una configurazione molto simile a quella dello stato di transizione del

substrato fisiologico dell’enzima.

Un tipo particolare di inibitori irreversibili sono gli inibitori suicidi:

→ iniziano la reazione enzimatica normalmente, ma, invece di essere trasformati nel prodotto della reazione,

vengono convertiti in composti molto reattivi che si legano in modo irreversibile con l’enzima.

L’enzima “si suicida” → inattiva sé stesso trasformando l’inibitore.

Inibitori reversibili

Si combinano per mezzo di legami deboli all’enzima e possono sempre venirne allontanati, lasciandolo

nuovamente attivo.

L’inibizione reversibile più comune avviene con un meccanismo di tipo Competitivo.

Inibizione reversibile competitiva .

Quando l’Inibitore e il Substrato si legano entrambi al sito

attivo catalitico.

Quello che si lega di più è quello presente in quantità

maggiore.

L’inibitore, però, non va incontro al processo catalitico e

rimane per un certo tempo nel sito attivo → porta via

tempo all’enzima.

Essendo però il legame tra inibitore ed enzima non

covalente, l’inibitore può staccarsi ed essere sostituito

dal substrato. Si instaura un equilibrio dinamico nel

quale substrato ed inibitore competono fra loro per

legarsi al sito attivo dell’enzima.

L’Enzima raggiunge la V ma con ritardo, poiché

max

occorre una maggior [S] per “scacciare, spiazzare”

l’inibitore dal sito attivo → aumenta la K (come s e l’affinità dell’E per il S diminuisse).

m 13

La Vmax non cambia, la Km (detta

Km apparente) aumenta.

Circa la metà dei farmaci di uso più comune agiscono come inibitori di particolari enzimi.

(N.B. Farmacologicamente è molto più facile inibire un enzima piuttosto che attivarlo).

Aspirina: inibisce in modo irreversibile l’enzima cicloossigenasi e blocca quindi la sintesi delle

prostaglandine e dei trombossani (che sono mediatori della risposta infiammatoria) → Azione

antiinfiammatoria.

Inibitori dell’enzima (ACE) che converte l’angiotensina I in angiotensina II (potente vasocostrittore). Gli

inibitori di ACE danno vasodilatazione e sono tra i farmaci più comunemente usati per abbassare la

pressione sanguigna.

Penicillina: inibisce l’enzima chiave per la sintesi della parete batterica → provoca la morte dei batteri.

Statine: Inibiscono un enzima chiave nella sintesi del colesterolo → diffusissimi farmaci per ridurre il livello

ematico di colesterolo. INTRODUZIONE AL METABOLISMO

METABOLISMO: L’insieme delle reazioni con cui gli esseri viventi ricavano e utilizzano energia libera per

svolgere le loro funzioni.

Si distinguono:

• Catabolismo: degradazione dei nutrienti e dei costituenti cellulari per riutilizzarne i componenti e/o

per produrre energia Sostanze nutrienti → CO2 + H2O + energia

• Anabolismo: sintesi delle molecole biologiche a partire da componenti più semplici.

Energia + piccole molecole → molecole complesse

Le reazioni cataboliche sono principalmente delle ossidazioni, reazioni esorgoniche (ΔG < 0) che liberano

moltissima energia che può essere utilizzata per effettuare processi endoergonici quali: 14

 reazioni anaboliche

 lavoro meccanico (contrazione muscolare e movimenti cellulari)

 trasporto attivo di ioni e molecole contro gradiente

Processi esoergonici ed endoergonici nella cellula sono generalmente accoppiati tra loro tramite la sintesi

Trasportatore di energia

intermedia di un composto ad “alta energia” che svolge la funzione di .

I principali di questi composti ad alta energia sono:

• ATP + +

• Cofattori (FAD, NAD , NADP )

Tutti gli organismi presenti sulla terra ricevono energia per poter svolgere le reazioni endorgoniche

(processi anabolici) mediante due modalità:

fototrofi

Dalla luce → Organismi , grazie alla fotosintesi clorofilliana utilizzano le radiazioni solari per

sintetizzare carboidrati a partire da CO e H O.

2 2

N.B. I fototrofi ossidano poi in un secondo tempo loro carboidrati per ricavare energia

chemiolitotrofi

Da reazioni di ossidazione → Organismi , ricavano energia dall’ossidazione di semplici

++

composti inorganici (NH , H S, Fe ).

3 2

Organismi eterotrofi , ricavano energia dall’ossidazione di composti organici (carboidrati, lipidi, proteine)

prodotti dai fototrofi o da altri eterotrofi

Nella reazione di ossidazione vengono sottratti elettroni a dei composti organici; a seconda dell’agente

ossidante impiegato per demolire le sostanze nutrienti gli organismi possono poi essere classificati in:

• Aerobi obbligati che possono utilizzare solo O

2

• Anaerobi (es. batteri): utilizzano solfati o nitrati.

o anaerobi facoltativi: possono vivere in assenza o in presenza di O

2

o anaerobi obbligati: avvelenati dalla presenza di 0 2

Perché gli organismi viventi ricevono così tanta energia dalle reazioni di ossidoriduzione?

Sono dette reazioni di ossidoriduzione o redox le reazioni che comportano un trasferimento di elettroni tra

due specie chimiche.

Se una specie chimica (RIDUCENTE, che può essere un atomo isolato, un composto, uno ione) cede uno o

più elettroni in una reazione chimica, si dice che si ossida e la reazione si chiama "reazione di ossidazione".

Se invece una specie chimica acquista uno o più elettroni (OSSIDANTE) si dice che si riduce e la reazione si

chiama "reazione di riduzione".

Perché una specie chimica possa ossidarsi è necessario che, contemporaneamente, ci sia una specie chimica

che possa ridursi (e viceversa): gli elettroni vengono perciò trasferiti da una specie chimica, che si ossida, ad

un'altra specie chimica, che si riduce. trasferimento di elettroni

Una reazione di ossidoriduzione è quindi un e nella cellula vi sono quattro modi

principali di farlo:

1. Trasferimento diretto di elettroni da una coppia redox.

++ + ++ +++

Esempio: Cu /Cu cede un elettrone alla coppia redox Fe /Fe secondo l'equazione:

+ +++ ++ ++

Cu + Fe → Cu + Fe

2. Trasferimento di un atomo di idrogeno (H) ricordando che esso è in definitiva composto da un elettrone

+

e un protone (•H ). 15

- +

AH (ridotto) → A (ossidato) + 2e + 2H

2

AH può cedere gli elettroni ad un altro composto B che si riduce:

2 AH (ridotto) + B (ossidato) → A (ossidato) + BH (ridotto)

2 2 -

3. Trasferimento di elettroni sotto forma di ione idruro H-, formato da due elettroni e un protone (:H ).

+ +

AH (ridotto) + NAD (ossidato) → A (ossidato) + NADH (ridotto) + H

2

4. Trasferimento di elettroni a seguito della combinazione diretta di un riducente organico con l’ossigeno

a formare un composto in cui l’ossigeno è legato covalentemente.

Es. ossidazione di un idrocarburo ad alcool:

CH - CH + ½ O → CH – CH -OH

3 3 2 3 2

In questa reazione il carbonio dell’idrocarburo (etano) è il donatore di elettroni e l’ossigeno (nell’etanolo)

l’accettore.

L'elettronegatività è una misura relativa della capacità di un atomo di attrarre elettroni.

Un elettrone tende perciò a passare spontaneamente da un atomo meno elettronegativo (più

elettropositivo) ad uno più elettronegativo. → A si è ossidato (ha ceduto il suo elettrone) mentre B

si è ridotto (lo ha guadagnato). -

→ L’energia che si libera quando e si associa con B è

maggiore di quella che si libera quando si associa con

A.

Durante le ossidazioni biologiche si ha un graduale e

strettamente regolato passaggio (flusso) di elettroni (e) da

-

specie chimiche con minore affinità per gli e (che si ossidano)

-

a specie chimiche con maggiore affinità per gli e (che si

riducono) con progressiva liberazione di Energia (→ è un

processo termodinamicamente favorevole = spontaneo).

L’elettronegatività degli atomi che compongono la stragrande maggioranza delle molecole biologiche

cresce nell’ordine: H < C < S < N < O 16

ESEMPI: -

etano

Nell’ il C è molto ridotto (perché condivide gli e con

l’H che è poco elettronegativo) → può essere ossidato

liberando tantissima energia.

etanolo

Nell’ il C è già stato leggermente ossidato (perché è

legato anche all’O che è molto elettronegativo) → può, però,

essere ulteriormente ossidato liberando ancora molta

energia.

Man mano che il C si lega ad un numero maggiore di atomi

di O il suo stato di ossidazione aumenta e quindi diminuisce

l’energia che può essere liberata a seguito di sue ulteriori

ossidazioni.

Alla fine si otterrà CO che è la forma più ossidata del C

2

(perché è legato solo a 2 atomi di O che sono molto più

elettronegativi di lui). A questo punto non è più possibile

liberare energia ossidando ulteriormente il C.

Negli organismi aerobi la maggior parte dell’energia

biologica deriva dall’ossidazione dei metaboliti ridotti in una

serie di reazioni, in cui l’ossigeno è l’accettore finale degli elettroni (l’ossidante finale).

L’energia potenziale conservata nei substrati organici viene rilasciata in piccole aliquote rendendo più

agevoli il controllo

dell’ossidazione e la cattura

dell’energia.

Le vie anaboliche e

cataboliche sono

strettamente connesse → Le

vie cataboliche generano

energia (chimica) sotto

forma di ATP, NADH,

NADPH, FADH , che sono

2

poi utilizzate nelle vie

anaboliche per convertire

piccoli precursori in

macromolecole.

Le diverse vie cataboliche

finiscono per convergere sull’acetil coenzima A (CoA) che viene poi metabolizzato in una via ossidativa

Ciclo dell’acido citrico

centrale ( ).

• Stadio I (Digestione): idrolisi delle molecole complesse nelle loro unità costitutive. Fase preparatoria, non

libera energia.

• Stadio II: conversione delle unità costitutive in acetil CoA. Si generano piccole molecole che svolgono poi

un ruolo centrale nel metabolismo. Si generano piccole quantità di ATP.

• Stadio III: Generazione di grosse quantità di ATP dall’ossidazione completa delle unità acetiliche dell’acetil-

CoA (che vengono completamente ossidate a CO ).

2 17

catabolismo convergente

Il è un processo : una grande varietà di molecole diverse si trasforma in pochi

prodotti finali comuni.

anabolismo divergente

L’ è un processo : pochi precursori biosintetici formano una grande varietà di prodotti

polimerici o comunque complessi.

Le cellule eterotrofe utilizzano molta dell’energia libera rilasciata durante il catabolismo delle molecole di

sostanze nutrienti per produrre ATP a partire da ADP + P .

i

L’ATP immagazzina questa energia libera e ne cede poi una parte per "spingere" i processi endoergonici

(reazioni accoppiate).

Perché l’ATP è un composto ad alta energia (molecola centrale di tutto il metabolismo energetico)?

Nucleotide trifosfato che viene fosforilato. Un legame fosfoesterico e due legami anidridi.

L’idrolisi dei legami fosfoanidridici dell’ATP è un

ΔG

processo altamente esoergonico con un molto

negativo (-31 kj/mol per ciascun legame).

I legami fosfoanidridici dell’ATP sono legami ad alta

energia.

N.B. Nei sistemi biologici l’ATP funge da principale

fornitore immediato di energia, non da deposito di

energia per lunghi intervalli di tempo.

→ Tipicamente in una cellula una molecola di ATP

viene idrolizzata entro 1 minuto dalla sua sintesi.

Durante l’esercizio fisico la velocità di utilizzo

dell’ATP può arrivare a 0,5 kg/min.

Durante una corsa di 2 ore vengono utilizzati anche

__________________________________________________________ 60 kg di ATP.

__________________________________________________________ L’organismo deve costantemente rigenerare l’ATP a

___________________________________________________________partire da ADP + Pi utilizzando l’energia prodotta

___________________________________________________________con l’ossidazione dei nutrienti. 18

METABOLISMO DEI CARBOIDRATI

Le cellule intestinali sono capaci di assorbire solo i monosaccaridi.

→ i carboidrati alimentari sia polisaccaridi (amido, glicogeno e destrine) che disaccaridi (lattosio e saccarosio)

idrolasi glicosidiche

vengono preliminarmente digeriti in monosaccaridi da enzimi noti come (glicosidasi).

Endoglicosidasi → degradano poli e oligo saccaridi

Disaccaridasi → degradano i tri e disaccaridi

I prodotti finali della digestione dei carboidrati sono glucosio, fruttosio

e galattosio che vengono assorbiti dalle cellule dell’intestino tenue.

α-1,4

I legami glucosidici dei polisaccaridi vengono idrolizzati dalle:

α-amilasi

- salivare: agisce in bocca e viene rapidamente inattivata

nello stomaco.

α-amilasi

- pancreatica: agisce a livello intestinale.

Entrambe sono Endoglicosidasi.

Principali polisaccaridi di deposito introdotti con la dieta:

Amido (di origine vegetale): α-D-glucosio α α

Polimero ramificato di (legami: 1→4 e 1→6 ogni 24-30

80% Amilopectina unità di glucosio) con P.M. fino a 108 Da.

α-D-glucosio α

Polimero lineare di (legami: 1→4) con P.M. tra 103 e 106

20% Amilosio Da.

Glicogeno (di origine animale, abbondante in muscolo e fegato):

α-D-glucosio α α

Polimero ramificato di (legami: 1→4 e 1→6 ogni 8-10 unità di glucosio) con P.M. fino a

108 Da. β

I mammiferi non possiedono 1→ 4 endoglicosidasi e pertanto non sono in grado di digerire la cellulosa

β

(polisaccaride lineare di origine vegetale formato da residui di glucosio uniti da legami 1→ 4 glicosidici).

Oligosaccaridi derivanti dai polisaccaridi e disaccaridi alimentari sono idrolizzati a monosaccaridi da

disaccaridasi e oligosaccaridasi intestinali.

Saccarosio Saccarasi Glucosio + Fruttosio

Lattosio Lattasi Glucosio + Galattosio

Trealosio Trealasi Glucosio

Destrine limite Maltasi e Isomaltasi Glucosio

Queste disaccaridasi e oligosaccaridasi sono glicoproteine ancorate alla membrana delle cellule della

mucosa intestinale (digiuno superiore) con il sito attivo rivolto verso il lume intestinale.

Assorbimento intestinale dei monosaccaridi → I monosaccaridi sono assorbiti nel duodeno e nel digiuno

superiore ad opera di trasportatori specifici (molecole di membrana che attraversano la membrana

citoplasmatica legando i monosaccaridi) :

Glucosio e Galattosio trasportati nell’enterocita da SGLT-1 (cotrasportatore-1 del glucosio

dipendente dal sodio).

Fruttosio Trasportato nell’enterocita da GLUT5. 19

Dall’enterocita glucosio, galattosio e fruttosio passano in circolo

passivamente per diffusione facilitata ad opera del carrier GLUT2.

Immessi nel circolo portale i monosaccaridi raggiungono il

fegato. Galattosio e fruttosio vengono qui convertiti in glucosio.

In base allo stato nutrizionale e alle esigenze energetiche

dell’organismo nel fegato il glucosio viene o depositato in forma

di glicogeno (e in trigliceridi dopo essere stato trasformato in

acidi grassi) oppure immesso nel circolo generale.

Gli epatociti presentano nella loro membrana cellulare GLUT2

(trasportatore bidirezionale)

→ se la glicemia è elevata (dopo un pasto) il glucosio viene

trasportato nelle cellule.

→ Se la glicemia è bassa (digiuno) il glucosio viene trasportato

dagli epatociti al sangue.

Principali trasportatori del glucosio: β

presente sulla superficie del fegato, cellule del pancreas, rene, intestino. Effettua un trasporto

GLUT-2 continuo a velocità costante. Nel fegato effettua un trasporto bidirezionale, dal fegato al sangue e

viceversa. Ha una bassa affinità per il glucosio (elevata Km), che entra nelle cellule solo quando la

sua concentrazione nel sangue è elevata. Regola la secrezione pancreatica di insulina.

GLUT-4 presente in muscolo, tessuto adiposo, cuore; non sono sempre tutte attive e nei periodi di digiuno

rimangono all’interno di vescicole nel citoplasma delle cellule in cui sono presenti; emergono a

livello della membrana plasmatica sotto stimolo dell’insulina che segnala un’elevata

concentrazione di glucosio ematico (aumenta di 6-10 volte il n° dei siti attivi), incrementando la

velocità di assunzione del glucosio nel muscolo e nel tessuto adiposo.

GLUT-5 presente nell’intestino tenue (nelle membrane degli enterociti); trasporta il fruttosio

Il glucosio occupa una posizione centrale nel metabolismo di piante, animali e molti microorganismi.

- È ricco di energia potenziale → la completa ossidazione del glucosio a CO e H O libera 2840 kJ/mole.

2 2

- È un precursore versatile capace di fornire molti intermedi metabolici utilizzabili per le biosintesi

(es. E. coli ricava dal glucosio tutti gli aminoacidi, nucleotidi coenzimi, acidi grassi).

GLICEMIA: concentrazione ematica di glucosio

Uomo 5 mM 90 mg/100 ml

Cane: 3.6-6.5 mM 65-118 mg/100 ml

Gatto: 2.8-4.2 mM 50-75 mg/100 ml

Uccelli: 14 mM 250 mg/100 ml

Ruminanti: 2.5-4.2 mM 45-75 mg/100 ml

I livelli di glucosio nel sangue sono mantenuti costanti grazie all’azione coordinata di due ormoni peptidici,

l’insulina e il glucagone che (supportati anche da adrenalina e noradrenalina) controllano il metabolismo

energetico di molti tessuti ed in particolare di fegato, tessuto adiposo e muscolo. L’insulina segnala ai

tessuti che la concentrazione di glucosio nel sangue è più alta del necessario; il glucagone avverte che la

disponibilità di glucosio è limitata. 20

INSULINA β

- Secreta dalle cellule degli isolotti di Langerhans del pancreas.

- Formata da 51 a.a. suddivisi in 2 catene polipeptidiche, A (21 a.a.) e B (30 a.a.) unite da 2 ponti disolfuro

(S-S).

- Conservata in granuli citoplasmatici → messa in circolo per esocitosi.

- La sequenza amminoacidica cambia nei mammiferi → tenerne conto nella terapia del diabete.

- È ipoglicemizzante → prodotta quando la glicemia è elevata

- Agisce su tutti i tessuti

Secrezione regolata dalla concentrazione di glucosio nel sangue:

β

- Aumento glicemia, il glucosio entra nelle cellule tramite GLUT-2 → rilascio insulina.

- In misura un po’ minore anche un aumento [ ] amino acidi nel sangue (dopo pasto) → rilascio insulina.

- In caso di stress Adrenalina e Noradrenalina per mobilitare le riserve energetiche bloccano per brevi

periodi il rilascio di insulina (anche in presenza di elevate [ ] ematiche di glucosio.

Effetti metabolici dell’Insulina (rilasciata dopo il pasto):

 aumenta l’assunzione del glucosio (muscolo, tessuto adiposo) e stimola la sintesi della glucochinasi

(l’enzima che imprigiona il glucosio dentro all’epatocita).

 nel fegato e nel muscolo stimola la sintesi del glicogeno (polisaccaride di riserva) e riduce la sua

degradazione (glicogenolisi).

 incrementa l’attività di alcuni enzimi intracellulari coinvolti nel catabolismo del glucosio (stimola la

glicolisi).

 inibisce alcuni enzimi necessari per la sintesi del glucosio (gluconeogenesi).

 favorisce la sintesi degli acidi grassi (nel fegato, a partire da Acetil-CoA) e poi l’esterificazione degli acidi

grassi in trigliceridi, specie nel tessuto adiposo. In questo modo parte del glucosio in eccesso viene

trasformato in lipidi (trigliceridi) che vengono immagazzinati (conservazione dei combustibili metabolici

in eccesso).

 Facilita l’ingresso degli aminoacidi nelle cellule e incrementa la sintesi proteica, soprattutto nel fegato e

nel muscolo. Gli amminoacidi non vengono catabolizzati e non originano precursori per la

gluconeogenesi. Se catabolizzati → AcetilCoA → acidi grassi (no glucosio).

CARENZA DI INSULINA causa diabete mellito (→ iperglicemia, glicosuria).

GLUCAGONE α

- Secreto dalle cellule del pancreas.

- Polipeptide di 29 amminoacidi

- Insieme ad adrenalina, noradrenalina, cortisolo e ormone della crescita contrasta gli effetti dell’insulina.

- Agisce soprattutto su fegato e tessuto adiposo.

- Favorisce il rilascio in circolo di glucosio (quando la [ ] è troppo bassa) attivando la glicogenolisi epatica

e la gluconeogenesi.

La secrezione di glucagone è stimolata da:

→ basso livello ematico di glucosio (es. digiuno notturno o digiuno prolungato).

→ aminoacidi (dopo un pasto ricco di proteine bilancia gli effetti dell’insulina → meccanismo protettivo per

garantire che i livelli ematici di glucosio siano mantenuti).

→ adrenalina e noradrenalina (nei periodi di stress, indipendentemente dai livelli di glucosio).

Al contrario:

→ elevati livelli ematici di glucosio o di insulina bloccano la secrezione di glucagone. 21

Effetti metabolici del Glucagone (rilasciato lontano dai pasti):

 iperglicemizzante (stimola a livello epatico la glicogenolisi e la gluconeogenesi e inibisce la sintesi di

glicogeno e la glicolisi).

 nel tessuto adiposo stimola la degradazione dei trigliceridi: si liberano acidi grassi (esportati nel fegato e

in altri tessuti come combustibile metabolico) e glicerolo (utilizzato per la gluconeogenesi epatica).

 stimola l’ossidazione epatica degli acidi grassi e ne inibisce la sintesi. Si forma Acetil-CoA che viene in

parte ossidato dal fegato (per produrre energia) e in parte convertito in corpi chetonici che vengono

esportati verso altri organi come fonte energetica (fondamentali per il cervello a digiuno).

 aumenta l’ingresso degli a.a. nelle cellule epatiche (catabolizzati forniscono i precursori per la

gluconeogenesi) e la degradazione proteica (liberazione a.a per gluconeogenesi).

Meccanismo d’azione generale dell’insulina e del glucagone

recettori di membrana

Da un punto di vista molecolare agiscono grazie a dei , proteine integrali di

membrava con una porzione extracellulare che lega l’ormone; il recettore modifica allora la sua forma che si

trasmette fino alla parte del recettore presente nel versante intracellulare.

L’informazione viene così trasmessa dall’esterno verso l’interno.

Insulina → Recettore dell’Insulina (INSR) = Recettore ad alta affinità presente sulla membrana plasmatica delle

cellule della maggior parte dei tessuti

Glucagone → Recettori adrenergici, presenti soprattutto sulla membrana plasmatica degli epatociti.

Quando il recettore si lega all’insulina fosforila sé stesso e poi altre proteine aggiungendo o togliendo gruppi

fosforici. l’attivazione l’inibizione

Il legame dell’ormone con il suo recettore determina o (tramite fosforilazione o

esclusivamente fosforilazione per il glucagone

defosforilazione nel caso dell’insulina ed ) di enzimi regolatori

fondamentali per il metabolismo dei carboidrati e dei lipidi.

A seguito di questi processi la glicemia si abbassa.

- Se un enzima viene fosforilato dal glucagone l’attività di questo enzima sarà di aumentare la glicemia.

Questo stesso enzima dall’insulina verrà defosforilato.

- Se un enzima viene fosforilato tenderà ad alzare laglicemia e quindi defosforilato tenderà ad abbassare.

La prima tappa del metabolismo energetico del glucosio è costituita da una serie di reazioni che prendono il

glicolisi glucosio piruvato

nome di . Il viene trattato a formare un composto, il , tramite ossidazione e

liberazione di energia. Il piruvato è un composto a 3 atomi di carbonio e viene trasformato in un altro

AcetilCoA

composto chiamato . Questo processo prende il nome di “decarbossilazione ossidativa del piruvato”:

viene eliminata una molecola di CO .

2

L’acido acetico ha ancora molta energia da essere liberata, la reazione prosegue con il Ciclo di Krebs (Acido

acetico → CO ).

2

Gli elettroni del carbonio passato ai cofattori ridotti NAD, FAD. Composti che prendono elettroni al C e lo

trasferiscono a l’O.

Fosforilazione ossidativa → processo in cui gli elettroni del carbonio vanno all’ossigeno passando da

intermediari come NAD e FAD. Gli elettroni liberano una grossa quantità di energia formando ATP.

L’AcetilCoA non può mai tornare indietro a piruvato. 22

Il glucosio penetra all’interno della cellula e gli viene legato un gruppo fosfato (viene fosforilato) così che

venga bloccato all’interno della cellula non potendo più

passare attraverso la membrana (viene reso polare); si

forma il glucosio-6-fosfato.

L’ingresso del glucosio nella cellula → è reso irreversibile

dalla sua immediata fosforilazione.

Gli zuccheri fosforilati sono troppo polari per

attraversare la parte idrofobica interna della membrana

cellulare e non esistono trasportatori specifici.

N.B. Solo nel fegato (e in minore misura nel rene) è presente una glucoso-6P-fosfatasi che catalizza la

reazione inversa: G6P + H O → Glucosio + P

2 i

La reazione di fosforilazione del glucosio è catalizzata da un enzima chiamato esochinasi del quale esistono

4 isoforme (I, II, III, IV) codificate da geni diversi, che variano a seconda di:

• Localizzazione tissutale (in quale organo si trovano).

• Caratteristiche cinetiche.

• Funzioni fisiologiche.

È uno degli enzimi regolatori della glicolisi ed ha un’ampia specificità di substrato (fosforila anche altri esosi

oltre al glucosio).

Vi è un solo organo in grado di prendere il glucosio all’interno e liberarlo all’esterno, il fegato. Solo il fegato

è in grado di staccare il fosforo dal glucosio 6 fosfato e portarlo fuori grazie all’enzima glucosio-6-fosfato

fosfatasi. ESOCHINASI I, II, III

• Variamente distribuite in tutti i tessuti.

• Elevata affinità per il glucosio quindi bassa Km

(< 1mM) e bassa V , per questo non fosforila più

max

glucosio di quello che la cellula può utilizzare.

• Inibite da G6P (prodotto della reazione) con un

meccanismo di feedback negativo.

ESOCHINASI IV (“glucochinasi” GK)

livello epatico β

• Presente solo a e nelle cellule del

pancreas.

• Bassa affinità per il glucosio ma V maggiore e

max

K maggiori (K = 10 mM).

m m

• Non è inibita da G6P e ci permette di produrne

tanto per poi sintetizzare glicogeno.

• Necessita di elevate [ ] glucosio per mettersi in azione, in quanto se c’è poco glucosio è necessario che

vada agli altri organi, se invece la glicemia è alta è necessario che l’esochinasi IV si attivi e che il glucosio

venga immagazzinato all’interno del fegato.

Esercitando la loro funzione in organi diversi, pur essendo responsabili di una reazione identica, le

esochinasi I,II, III e l’esochinasi IV hanno Km e V diverse per potersi attivare in momenti diversi.

max 23

Le esochinasi I-III hanno affinità elevata, velocità massimale più bassa e sono inibite dal G6P →

• Se il G6P si accumula (diminuisce il suo utilizzo metabolico) l’enzima evita di produrne altro.

• Il glucosio viene fosforilato (e quindi metabolizzato) anche quando la sua [ ] nel tessuto è molto bassa (in

caso di necessità la cellula riesce ad utilizzare tutto il glucosio disponibile).

• Ha una velocità massimale bassa quindi anche per questo non fosforila più glucosio di quello che la cellula

può effettivamente utilizzare.

A valori normali di glicemia (lontano dai pasti):

- Le esochinasi I-III sono completamente saturate e la loro attività è massima.

- La glucochinasi è sola parzialmente saturata (la sua attività è molto al di sotto di quella massima). Il

fegato non solo non rimuove glucosio dal circolo sanguigno ma anzi lo rilascia (il glucosio prodotto nel

fegato a seguito del catabolismo del glicogeno viene fosforilato poco efficacemente e può così

fuoriuscire dall’epatocita).

A valori elevati di glicemia (dopo un pasto abbondante di carboidrati):

- In tutti i tessuti la [ ] di G6P aumenta → inibizione dell’esochinasi I-III.

- Nel fegato la GK si attiva (perché aumenta negli epatociti la [ ] di glucosio) e quindi grazie alla sua

elevata V rimuove efficacemente dal circolo l’eccesso di glucosio (che nel fegato verrà utilizzato per

max

formare glicogeno = polisaccaride di riserva).

In questo modo il fegato concorre a stabilizzare la glicemia dopo un pasto abbondante.

A digiuno le riserve di glicogeno sono a livello del fegato, queste vengono fatte uscire e fatte arrivare al

cervello.

GUCONEOGENESI

 La gluconeogenesi è un processo a molte tappe che produce glucosio a partire da lattato, piruvato,

ossalacetato o qualunque altro composto compresi gli intermedi del ciclo del acido citrico) che possa

essere convertito in uno di questi precursori. Sette reazioni della gluconeogenesi, tutte reversibili, sono

catalizzate dagli stessi enzimi della glicolisi.

 Tre reazioni irreversibili della glicolisi vengono sostituite nella gluconeogenesi da reazioni catalizzate da

enzimi specifici della gluconeogenesi: (1) la conversione del piruvato in PEP con formazione intermedia

di ossalacetato, catalizzata dalla piruvato carbossilasi e dalla PEP carbossilasi. (2) la deforforilazione del

fruttosio 1,6-bisfosfato catalizzata dalla FBPasi-1. (3) la desosforilazione del fruttosio 6-fosfato, catalizzata

dalla glucosio 6-fosfatasi.

 La formazione di una molecola di glucosio dal piruvato richiede 4ATP, 2GTP e 2 NADH; quindi la

gluconeogenesi richiede energia.

 Nei mammiferi la gluconeogenesi, che avviene nel fegato, nei reni e nell’intestino tenue, fornisce glucosio

necessario per cervello, muscoli ed eritrociti.

 L’acetil-CoA stimola la piruvato carbossilasi, provocando un aumento della velocità della gluconeogenesi

se le cellule hanno un’adeguata disponibilità di altri substrati (acidi grassi) per la produzione di energia.

24

GLICOLISI

È un processo catabolico ossidativo durante il quale uno zucchero a 6C viene ossidato ad un composto a 3C.

Una molecola di glucosio viene convertita in 2 molecole di piruvato con la concomitante produzione di 2

molecole di ATP (da 2 ADP + 2 P ).

i

Durante le reazioni in sequenza della glicolisi parte dell’energia rilasciata dal glucosio viene recuperata sotto

forma di ATP e di NADH.

anaerobico

È un processo (non richiede O2) perché

probabilmente è comparso già 3,5 miliardi di anni fa

quando i primi organismi unicellulari vivevano in

un’atmosfera priva di ossigeno.

Destino del Piruvato:

La trasformazione del glucosio in piruvato (che avviene

Glicolisi anaerobica

in assenza di O ) viene chiamata .

2

La glicolisi anaerobica costituisce il nucleo centrale del

catabolismo ossidativo del glucosio comune a varie vie

metaboliche.

Nei microorganismi anaerobici il piruvato viene

ulteriormente convertito in altri composti quali l’acido

lattico (il processo complessivo glucosio → lattato è

detto Fermentazione lattica) o l’etanolo (glucosio →

etanolo = Fermentazione alcolica).

Negli organismi aerobici il piruvato in generale viene

Glicolisi

completamente ossidato a CO e H O →

2 2

aerobica .

In questo caso si libera una grande quantità di energia.

La quantità di energia liberata con la glicolisi anaerobica, nelle sue varianti di fermentazione alcolica e

fermentazione lattica, è infinitamente minore di quella che può essere liberata durante un’ossidazione

aerobica.

La glicolisi fino alla formazione del piruvato avviene nel citosol della cellula, mentre la restante parte della

defosforilazione, Ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa avviene negli organelli deputati al metabolismo

ossidativo, ossia nei mitocondri. La glicolisi aerobica può avvenire solamente nelle cellule che presentano

mitocondri.

In certe condizioni fisiologiche (es. nel muscolo scheletrico sotto intenso sforzo) e in certi tessuti

scarsamente vascolarizzati o in cellule prive di mitocondri (es. cornea, cristallino, midollare rene, testicoli,

Glicolisi

leucociti, globuli rossi) anche negli organismi aerobici il piruvato viene trasformato in lattato (→

anaerobica

).

La demolizione del glucosio mediante la glicolisi è l’unica fonte di energia metabolica in alcuni tessuti di

mammifero e in alcuni tipi di cellule (es. cervello, eritrociti, midollare rene, spermatozoi).

Nelle cellule eucariotiche ha luogo nel citoplasma.

Lo scopo della glicolisi è quello di produrre AcetilCoA, Ciclo di Krebs e energia. Tutti gli organi sono capaci

di fare la glicolisi, ad eccezione del cervello che ha quindi un’elevata necessità di glucosio. 25

È una via metabolica che consta di 10 tappe e che da un punto di vista energetico può essere suddivisa in

due stadi:

Stadio 1 (Tappe 1 → 5).

Investimento energetico.

Fase di intrappolamento del glucosio

e di preparazione alla sua

demolizione. vengono

In questo primo stadio

consumate 2 molecole di ATP il

e

glucosio è scisso in due frammenti a

tre atomi di carbonio .

Stadio 2 (Tappe 6 → 10).

Recupero energetico. ossidazione dei

In questa fase si ha l’

due frammenti a tre atomi di carbonio

(generati nella fase precedente) con

produzione di 4 molecole di ATP .

Bilancio netto:

Con la glicolisi (anaerobica)

dall’ossidazione di 1 molecola di

2 molecole di

glucosio si ottengono

ATP .

Durante una delle reazioni della

glicolisi (tappa 6) si ha però anche la

+

riduzione di 2 molecole di NAD a

+

NADH + H . +

Nelle cellule la disponibilità di NAD

(che deriva dalla vitamina B3 o PP) è

+

limitata. Il NADH + H deve pertanto

+

essere ri-ossidato a NAD altrimenti la

glicolisi si arresterebbe presto.

→ la tappa finale della glicolisi consiste nella rigenerazione del NAD+ attraverso il metabolismo del piruvato.

Il destino metabolico del piruvato varia a seconda degli organismi e della situazione funzionale degli organi.

26

1. Piruvato → Lattato (Fermentazione lattica)

Avviene normalmente nei microorganismi anaerobi ma anche nelle cellule degli organismi superiori

quando la quantità di O2 disponibile è limitata (es. muscolo durante attività fisica intensa) o in cellule

prive di mitocondri (es. eritrociti).

2. Piruvato → Etanolo (Fermentazione alcolica)

Avviene nei lieviti e in altri microorganismi in assenza di O2.

3. Piruvato → CO + H O

2 2

In presenza di ossigeno, negli organismi pluricellulari e in molti unicellulari il piruvato viene

2 2

completamente ossidato a CO e H O (tramite la decarbossilazione ossidativa e il ciclo dell’acido citrico).

+

In questo caso le 2 molecole di NADH + H vengono riossidate dall’O nella catena respiratoria

2

+

(→ l’energia liberata dall’ossidazione del NADH + H viene così utilizzata per sintetizzare una grossa

quantità di ATP).

La glicolisi anaerobica e le fermentazioni lattica ed etilica forniscono solo una piccola frazione dell’energia

che si ottiene con l’ossidazione completa del glucosio in presenza di O (glicolisi aerobica):

2

→ da 1 molecola di glucosio 2 molecole di ATP (glicolisi anaerobica/fermentazioni) contro 38 (glicolisi

aerobica).

Perché le fermentazioni/glicolisi anaerobica sono così diffuse?

- Non necessitando di O permettono a molti organismi di adattarsi ad ambienti inospitali: sottosuolo,

2

fondo del mare, pori della pelle.

- Le fermentazioni possono essere 100 volte più veloci rispetto alla glicolisi aerobica. Si produce meno ATP

ma molto più velocemente.

- Il muscolo scheletrico può funzionare anaerobicamente per brevi periodi. Sforzo molto intenso e breve

→ la richiesta di ATP supera la capacità dell’organismo di fornire O ai muscoli → per brevi periodi l’ATP

2

viene prodotto dalla glicolisi anaerobica con trasformazione del piruvato in lattato. 27

GLICOLISI

Da Glucosio a Piruvato → 10 reazione (Tappe) CITOPLASMATICHE

Vi sono due ATP che vengono consumati.

1° Fosforilazione del Glucosio (→ Glucosio 6-fosfato, G6P)

Il glucosio viene fosforilato a livello del suo atomo C-6 e

diviene glucosio 6-fosfato, G6P. (si consuma il primo

ATP)

2° Isomerizzazione del G6P a Fruttosio 6-fosfato (F6P)

Il glucosio 6-fosfato (aldoso) viene trasformato in un

isomero

suo , uno zucchero chetoso che si presta

meglio ad essere ossidato nelle fasi successive →

fruttosio fosforilato in 6, F6P.

L’enzima che sintetizza questa reazione si chiama

fosfoesosio isomerasi (fosfoglucoisomerasi).

3° Fosforilazione del F6P a Fruttosio 1,6-bisfosfato (F1,6BP)

(N.B. bi = 2 gruppi fosforici legati separatamente, di = 2 gruppi fosforici uniti tra di loro).

Il fruttosio 6-fosfato diventa uno zucchero fosforilato

due volte → fruttosio 1,6-bisfosfato, (F1,6BP).

La reazione avviene ad opera del fosfofruttochinasi-1

(PFK-1).

Reazione essenzialmente irreversibile (ΔG molto

negativo), può essere considerata la prima reazione "di

comando della glicolisi", controlla la velocità e non

permette alla via metabolica di tornare indietro.

Viene consumato il secondo ATP.

La PFK-1 è un enzima tetramerico sottoposto a controllo

allosterico ad opera di molti effettori:

ATP Citrato

Se nella cellula vi è molto e molto vuol dire

che nella cellula c’è un’abbondanza di composti ad alta

inibiscono

energia → la glicolisi rallenta perché PFK-1.

AMP ADP P

, , indicano che nella cellula c’è scarsità di

i

composti ad alta energia → la glicolisi viene attivata. 28

4° Scissione del F1,6BP

Avviene la scissione del fruttosio 1,6-bifosfato che forma due

composti a tre atomi di carbonio entrambi fosforilati:

diidrossiacetone fosfato (chetoso) + gliceraldeide 3-fosfato

(aldoso).

5° Isomerizzazione dei triosofosfati

Dei due composti formati uno solo può far continuare la glicolisi, la gliceraldeide 3-fosfato. Ma essendo due

isomeri anche la diidrossiacetone fosfato viene quindi rapidamente e reversibilmente convertito in

gliceraldeide 3P dalla triosio fosfato isomerasi. Sarà quindi un’isomerasi.

La gliceraldeide 3-fosfato si potrà ossidare e liberare energia per formare gli ATP.

Fine tappe di investimento energetico inizio tappe di recupero energetico

6° Ossidazione della gliceraldeide 3P a 1,3-bisfosfoglicerato

La gliceraldeide 3P viene fosforilata una seconda volta a 1,3-bisfosfoglicerato.

Quando si ossida un gruppo aldeidico questo può essere

ossidato ancora a acido carbossilico; nella cellula però il gruppo

aldeidico della gliceraldeide 3P passa tramite un intermedio in

cui si inizia a legare il fosforo, viene ossidato ma non a formare

un gruppo carbossilico libero (-COOH) ma un’anidride tra un

gruppo carbossilico e l’acido fosforico.

N.B il fosfato è fosfato inorganico quindi non serve ATP da

aggiungere.

Questa reazione catalizzata dalla gliceraldeide 3-

fosfato deidrogenasi è la prima delle due reazioni della glicolisi

in cui viene recuperata l’energia necessaria alla sintesi di ATP.

Questo tipo di anidride (chiamato acil fosfato) ha un’elevatissima

energia di idrolisi (ΔG= -49,3 kJ/mol) → quando si idrolizza libera energia sufficiente per la sintesi di 1

molecola di ATP.

L’1,3-bifosfoglicerato (così come il fosfoenolpiruvato, PEP) è un composto con un’energia di idrolisi molto

elevata (→ la liberazione di energia della reazione di idrolisi è molto grande perché l’energia dei prodotti è

molto più bassa di quella del reagente).

1,3-bisfosfoglicerato reagisce con ATP, il fosforo si stacca liberando tantissima energia e questo fosfato si lega

ad ADP e forma la prima ATP.

A partire dal glucosio a questo punto : quando il glucosio si rompe si formano due composti a 3C, uno solo

continua ma se ne formano due, quindi per ogni molecola di glucosio questa reazione si ripete due volte → 2

ATP.

La glicolisi fino ad ora non ha né formato ATP né consumato.

Nella cellula vi sono due maniere per produrre ATP: la prima è la reazione enzimatica vista sopra, vi sono due reagenti (1,3

bisfosfoglicerato e ATP) e un enzima (fosfoglicerato chinasi) e si forma un composto e dell’ATP → viene chiamata fosforilazione a livello

di substrato (i batteri fanno solo questo); le cellule eucariotiche sintetizziamo un po’ di ATP in questa maniera e

un altro po’ a livello dei mitocondri in maniera completamente diversa che si chiama fosforilazzione ossidativa. 29

7° Trasferimento del gruppo fosforico del 1,3 bisfosfoglicerato all’ADP.

L’enzima fosfoglicerato chinasi trasferisce all’ADP il gruppo

fosforico ad alta energia del gruppo carbossilico dell’1,3-

bisfosfoglicerato per formare ATP e 3-fosfoglicerato.

L’energia rilasciata durante l’ossidazione di un gruppo aldeidico a

gruppo carbossilico (tappe 6° e 7°) viene conservata attraverso la

reazione accoppiata di sintesi di ATP da ADP e Pi.

La formazione di ATP per trasferimento di un gruppo fosforico da

un substrato (quale l’1,3 bisfosfoglicerato) all’ADP è detta

Fosforilazione a livello di substrato per distinguerla dalla

fosforilazione accoppiata alla catena respiratoria (Fosforilazione

ossidativa mitocondriale).

Fosforilazione a livello di substrato:

→ coinvolge enzimi solubili e intermedi chimici (es. l’1,3

bisfosfoglicerato).

Fosforilazione dipendente dalla catena respiratoria:

→ coinvolge enzimi legati alla membrana e gradienti protonici

transmembrana.

8° Conversione del 3P-glicerato in 2-fosfoglicerato

L’enzima fosfoglicerato mutasi catalizza lo scambio reversibile

del gruppo fosforilico tra il C-2 e il C-3 del glicerato.

9° Deidratazione del 2-fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato

L’enzima enolasi catalizza la rimozione reversibile di una

molecola d’acqua dal 2-fosfoglicerato per generare

fosfoenolpiruvato (PEP).

10° Trasferimento del gruppo fosforico dal fosfoenolpiruvato all’ADP.

Il PEP viene ossidato a piruvato e si libera così tanta energia che il

fosforo si può legare ad ADP e si forma una nuova molecola di ATP.

*L’enzima piruvato chinasi opera una seconda fosforilazione a livello

del substrato dell’ADP ad ATP.

Il piruvato prodotto compare prima nella sua forma enolica e poi

tautomerizza rapidamente e spontaneamente (a pH 7) nella forma

chetonica. 30


PAGINE

60

PESO

2.98 MB

AUTORE

mango13

PUBBLICATO

5 mesi fa


DESCRIZIONE APPUNTO

Introduzione alla biochimica, catalisi enzimatica, fattori che influenzano la velocità di reazione, cinetica enzimatica, inibizione attività enzimatica, introduzione al metabolismo, catabolismo, anabolismo, organismi fototrofi, chemiolitotrofi, eterotrofi, aerobi, anaerobi facoltativi, anaerobi obbligati, ossidazioni biologiche. Metabolismo glicidico: glicolisi anaerobia, gluconeogenesi, glicogenolisi e glicogenosintesi, metabolismo del lattoso. Metabolismo lipidico: catabolismo degli acidi grassi, chetogenesi e chetolisi, sintesi dell’acido grasso, sintesi e catabolismo di trigliceridi e fosfolipidi. Catabolismo generale degli aminoacidi: transaminazione, desaminazione ossidativa, destino dell’ammoniaca, ciclo dell’urea.


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in produzioni e gestione degli animali in allevamento e selvatici
SSD:
Università: Torino - Unito
A.A.: 2018-2019

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher mango13 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Biochimica generale e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Torino - Unito o del prof Cascio Paolo.

Acquista con carta o conto PayPal

Scarica il file tutte le volte che vuoi

Paga con un conto PayPal per usufruire della garanzia Soddisfatto o rimborsato

Recensioni
Ti è piaciuto questo appunto? Valutalo!

Altri appunti di Corso di laurea in produzioni e gestione degli animali in allevamento e selvatici

Anatomia animale
Appunto
Microbiologia
Appunto
Biochimica
Appunto