Biochimica agraria

Biochimica.

LE CELLULE.

Ogni organismo vivente è costituito da cellule, gli organismi più piccoli sono formati da un'unica cellula ed

hanno dimensioni microscopiche, i più grandi sono formati da moltissime cellule (multicellulari). Gli

organismi multicellulari contengono molti tipi diversi di cellule, caratterizzate da forme e dimensioni

diverse e da funzioni specializzate. Le cellule si dividono in cellule procarioti ed eucariotiche.

Le cellule procariote sono microrganismi unicellulari con un singolo cromosoma senza involucro nucleare e

senza organelli rivestiti da membrana plasmatici, queste ultime sono tipiche dei batteri. Il corpo umano

invece, è composto da cellule eucariotiche.

I procarioti possono essere divisi in due grandi gruppi:

• Gli eubatteri vivono nel suolo, sulle superfici acquose o nei tessuti di altri organismi viventi o in via

di decadimento.

• Gli archeobatteri, di scoperta più recente sono di solito presenti in ambienti estremi: nell’acqua

salata, sorgenti calde, paludi, e nelle profondità degli oceani.

Tutti gli organismi, compresi i batteri, possono essere classificati in due categorie in base alla loro modalità

di procurarsi energia:

• fototrofi se prendono energia dalla luce.

• chemiotrofi se prendono energia dalla ossidazione di sostanze chimiche.

I fototrofi a loro volta possono essere suddivisi in:

• autotrofi che ottengono tutto il carbonio di cui hanno bisogno dalla CO ;

2

• eterotrofi, che richiedono come nutrienti sostanze organiche.

Nessun chemiotrofo può usare esclusivamente la CO , e si classificano con un diverso criterio:

2

• I litotrofi, se i combustibili ossidati sono di natura inorganica;

• Gli organotrofi, se ossidano sostanze organiche.

Le cellule eucariotiche sono molto più grandi delle cellule procarioti. Le caratteristiche degli eucarioti sono

il nucleo circondato da una doppia membrana, e la presenza di organelli circondati da membrana.

Molecole e macromolecole.

Il termine molecola deriva da “moles” che significa mole, piccola quantità. Per molecola si intende un

insieme di atomi (dello stesso elemento o di elementi diversi) uniti da un legame chimico. Una molecola

può essere caratterizzata da più atomi di un solo elemento chimico o da atomi di elementi diversi. Esistono

le molecole semplici e le molecole complesse. Una porzione di materia costituita da molecole tutte facente

parte dello stesso elemento, viene denominata sostanza o composto chimico. Di poco più complicati sono i

composti binari, alla cui molecola partecipano atomi di due tipi di elementi diversi, e alquanto più

complicati sono i composti ternari o di ordine superiore quando composti da tre o più elementi.

Gli amminoacidi.

Importante classe di composti organici, caratterizzati dalla presenza di un gruppo amminico (-NH2) e di

un gruppo carbossilico (-COOH). Venti di questi composti (alanina, arginina, istidina, asparagina, acido

aspartico, cisteina, acido glutammico, glutammina, glicina, isoleucina, leucina, lisina, metionina,

fenilalanina, prolina, serina, treonina, triptofano, tirosina e valina) sono chiamati alfa-amminoacidi e

costituiscono le unità fondamentali di costruzione delle proteine. La loro formula generale è: Pag. 1 a 14

Il gruppo amminico e quello carbossilico sono entrambi legati allo stesso atomo di carbonio, detto

carbonio alfa, che porta un gruppo (R) variabile. Nel più semplice degli amminoacidi, la glicina, il gruppo R

è costituito da un solo atomo di idrogeno, mentre tutti gli altri amminoacidi presentano gruppi R più

complessi, che possono contenere atomi di carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto e zolfo. Durante la sintesi

delle proteine, che avviene all'interno delle cellule, il gruppo carbossilico di un amminoacido reagisce con

il gruppo amminico di un altro, formando il cosiddetto legame peptidico. Questa reazione avviene per un

gran numero di amminoacidi, che formano così una lunga catena, detta catena polipeptide. Un

polipeptide può contenere un numero di amminoacidi variabile fra 50 e varie centinaia. Le proteine sono

in genere costituite da una singola catena polipeptidica o da più catene, unite fra loro da deboli legami

molecolari. I gruppi R presenti in una catena polipeptidica determinano la forma tridimensionale della

proteina e le sue proprietà chimiche. I cosiddetti amminoacidi essenziali (lisina, triptofano, valina,

istidina, leucina, isoleucina, fenilalanina, treonina, metionina e arginina) non possono essere sintetizzati

dall'organismo e pertanto devono essere assunti con l'alimentazione. Gli aminoacidi sono formati da

atomi e a seconda della posizione di questi atomi si possono avere delle conformazioni di tipo D (right) e

di tipo L (left), a seconda che l’atomo di idrogeno sia a sinistra o a destra.

Codice genetico.

L'RNA messaggero (mRNA) è la molecola che funge da stampo nella sintesi proteica ed è costituito da

una serie di nucleotidi, ciascuno contenente una delle quattro basi azotate, Uracile, Citosina, Adenina e

Guanina. Tre nucleotidi consecutivi codificano un amminoacido, e il loro ordine lungo un tratto di mRNA

ne determina l'ordine nella proteina da sintetizzare. Le macromolecole è una molecola di dimensioni

molto grandi e di peso molecolare molto elevato, caratteristica della materia vivente e dei polimeri. Le

macromolecole si possono classificare in vario modo:

per natura chimica con Carboidrati (monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi), Proteine

- (amminoacidi) e Acidi nucleici (nucleotide come Dna ed Rna).

ed una parte di lipidi. (acidi grassi).

-

In una cellula del nostro organismo vi sono più di 100.000 tipi diversi di molecole che aggregati fra di loro

formano il complesso macromolecolare.

Acidi nucleici, proteine, polisaccaridi hanno caratteristiche comuni e sono:

• Struttura modulare, cioè, che sono costituiti da “mattoncini”(monomeri) legati chimicamente

l’uno agli altri, questo è un fenomeno dinamico, così come il nostro organismo è in grado di

costruire, allo stesso modo è in grado di demolire conservando i “mattoncini” e riutilizzandoli per

costruire nuove macromolecole;

• I monomeri che costituiscono questa enorme quantità di molecole sono molto pochi, tutte le

proteine sono costituite soltanto da 20 aminoacidi, tutti gli acidi nucleici sono costituiti da 8

diversi tipi di nucleotidi;

Le vie metaboliche.

Nel nostro corpo le vie metaboliche, cioè, le trasformazioni chimiche che una molecola subisce per

diventare un certo prodotto, sono tutte strettamente interconnesse fra loro. Le reazioni necessarie per

arrivare dal glucosio ai prodotti finali sono molte e complesse: Pag. 2 a 14

1. Fosforilazione del glucosio: alla molecola di glucosio vengono aggiunti due gruppi fosfato, forniti

da due molecole di ATP che cedono anche l'energia necessaria al procedere delle reazioni. Si

forma così glucosio-1,6-bisfosfato.

2. Il glucosio -1,6-bifosfato viene trasformato in fruttosio-1,6-bifosfato, un composto intermedio a

sei atomi di carbonio, il quale viene a sua volta scisso in due composti più semplici, contenenti

ciascuno tre atomi di carbonio: il Diidrossiacetone fosfato e la gliceraldeide-3-fosfato.

3. Attraverso vari passaggi intermedi, questi due composti vengono entrambi trasformati in acido

piruvico. Nel corso di queste reazioni vengono sintetizzate quattro molecole di ATP, che

rappresentano un guadagno netto di due molecole di ATP, dato che altre due molecole di ATP

sono state utilizzate nel primo passaggio. Inoltre, vengono prodotte due molecole di NADH

(nicotinammide adenina dinucleotide) che è un coenzima ossidoriduttivo e in condizioni

aerobiche, possono essere ossidate, dando sei molecole di ATP. Così, in condizioni aerobiche

dalla glicolisi si ottengono sei molecole di ATP per molecola di glucosio, mentre in condizioni

anaerobiche se ne ottengono solo due.

In condizioni aerobiche le due molecole di

acido piruvico prodotte entrano, dopo

conversione in acetil Coenzima A, nel ciclo di

Krebs, che ha luogo in particolari organuli

cellulari, chiamati mitocondri. Vengono così

prodotte altre 36 molecole di ATP, che

sommate alle 2 precedenti, producono un

totale di 38 molecole di ATP.

In condizioni anaerobiche il piruvato, anziché

essere trasformato in acetil Coenzima A ed

entrare nel ciclo di Krebs, viene trasformato in

acido lattico (fermentazione lattica) o in

etanolo (fermentazione alcolica). In entrambi i

casi, tuttavia, vengono prodotte soltanto 2

molecole di ATP, rispetto alle 38 che si

ottengono in condizioni aerobiche. Pag. 3 a 14

Tutte le molecole che intervengono ad una via metabolica vengono detti metabolici.

Una via metabolica può essere definita:

Lineare, se da un composto si passa alla produzione del metabolita successivo.

- Ciclica, se un composto viene ogni volta consumato e rigenerato, consumato e rigenerato.

-

Tutto questo flusso continuo è finemente regolato, cioè, nelle cellule i livelli di qualsiasi sostanza (zuccheri

ecc.) sono grossomodo sempre costanti, altrimenti andiamo nel caso patologico.

Il ciclo di Krebs.

Serie di reazioni chimiche che avvengono all'interno della cellula, responsabili della trasformazione in

anidride carbonica, acqua ed energia delle molecole provenienti dalla glicolisi. Questo processo, favorito

da sette enzimi, è detto anche ciclo degli acidi tricarbossilici o dell'acido citrico. Nelle cellule eucariotiche

il ciclo avviene in un organello chiamato mitocondrio, che è la "centrale energetica" della cellula. La

scoperta di questo ciclo è attribuita al biochimico britannico Hans Adolf Krebs, che nel 1937 ne descrisse i

passaggi principali. Al termine della glicolisi si formano due molecole di piruvato, che entrano nei

mitocondri e vengono trasformate in gruppi acetilici. Ciascun gruppo acetilico, contenente due atomi di

carbonio, si lega a un coenzima, formando l'acetilcoenzima A. Questo si combina, a sua volta, con una

molecola a quattro atomi di carbonio, l'ossalacetato, per formare un composto a sei atomi di carbonio,

l'acido citrico. Nei successivi passaggi del ciclo la molecola di acido citrico viene gradualmente

riarrangiata, perdendo così due atomi di carbonio che vengono eliminati sotto forma di anidride

carbonica. In questi passaggi vengono, inoltre, liberati quattro elettroni, che passano nella catena di

trasporto degli elettroni, fornendo l'energia per la sintesi di adenosina trifosfato (ATP). L'ATP è una

molecola ad alta energia, che viene utilizzata dalla cellula in gran parte delle reazioni metaboliche. Alla

fine del ciclo si riforma ossalacetato, che può combinarsi con un'altra molecola di acetilcoenzima A e

dare così inizio a un nuovo ciclo. Posto tra la glicolisi e la catena di trasporto degli elettroni, il ciclo di

Krebs rappresenta un efficiente sistema di trasformazione delle molecole organiche in energia

utilizzabile. Solo i gruppi acetilici vengono distrutti nel ciclo: i sette enzimi che catalizzano le diverse

reazioni e i composti intermedi su cui agiscono gli enzimi possono, infatti, essere riutilizzati più volte.

Molti dei composti intermedi prodotti nel ciclo hanno ruoli importanti anche in altre reazioni

dell'organismo, come la sintesi di amminoacidi, di carboidrati e di altri prodotti cellulari.

Il metabolismo.

Tutti i processi dell’organismo che richiedono produzione, consumo o accumulo di energia e che ci

mantengono in vita sono detti nel loro complesso metabolismo, quando i processi metabolici si arrestano,

il corpo muore. Il metabolismo si può suddividere in:

• anabolismo che comprende tutti gli processi che usano energia per far accrescere, mantenere e

riparare l’organismo.

• catabolismo che comprende tutti i processi in un cui vengono demolite delle sostanze per liberare

energia.

I processi anabolici e catabolici avvengono costantemente. Le sostanze alimentari che costituiscono il

nostro nutrimento si dividono in tre categorie principali: CARBOIDRATI, GRASSI e PROTEINE. Carboidrati,

grassi e proteine sono costituiti da minuscole particelle, le molecole, a loro volta formate di particelle

ancora più piccole, gli atomi: nei legami che tengono uniti gli atomi nella molecola è imprigionata energia.

Nel metabolismo sia ha quindi un passaggio di energia dagli alimenti all’organismo.

I carboidrati sono formati da grandi molecole, come l’amido, non possono passare direttamente

dall’apparato digerente al sangue, ma devono esse