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vengono scisse da destrasi e industrialmente usate per la preparazione di adesivi.

ha struttura simile all’amilopectina, ma

Il glicogeno

è molto più ramificato e ha più alto PM. Si trova

sotto forma di granuli nel fegato (glicogeno

epatico), dove mantiene costante la glicemia e nei

muscoli (glicogeno muscolare), a cui fornisce

energia. Il glucosio forma glicogeno per glicogenesi,

viceversa dal glicogeno per glicogenolisi si ottiene

glucosio.

Nell’animale morto il glicogeno si idrolizza

rapidamente a glucosio, poi ossidato ad acido

lattico, trasformazione indispensabile per frollatura e

conservazione della carne.

Tra i principali polisaccaridi strutturali vi è la

cellulosa, il principale polisaccaride delle piante.

Analogamente all’almilosio, La cellulosa è un

polimero lineare di D-glucosio, ma in questo caso, le

β-

unità monosaccaridiche, sono unite da legami

1,4glicosidici.

Questa differenza strutturale, permette alla cellulosa di esistere sotto forma di catene planari, in cui ogni

residuo di glucosio forma un angolo di 180° col residuo successivo. In questa forma le catene sono in grado

all’altra con una rete di legami H, tra ed entro

di costituire strutture a nastro che si dispongono una accanto

le catene stesse.

La cellulosa viene scissa dai batteri del rumine e intestinali che producono cellulasi.

Esistono dei carboidrati in cui uno o più gruppi ossidrilici sono sostituiti da un gruppo amminico (NH ); questi

2

si dicono amminozuccheri. I più diffusi in natura sono glucosammina e galattosammina, di cui sono

comuni anche le forme acetilate (N-acetilglucosammina e N-acetilgalattosammina). In particolare,

legami β-1,4

numerose unità di N-acetilglucosammina, unite con analogamente alla cellulosa, costituiscono il

principale polisaccaride strutturale degli artropodi: la chitina.

Ci sono proteine coniugate la cui quota glucidica varia dall’1 all’80%, dette glicoproteine o protoglicani.

Sono importanti costituenti di membrana cellulare, immunoglobuline, collagene, ormoni ed enzimi (pepsina e

colinesterasi). Determinano la specificità dei gruppi sanguigni. Possono avere legame O-glicosidico o N-

glicosidico.

LA PARETE CELLULARE

La parete cellulare è composta da polisaccaridi microfibrillari e di matrice, lignina, acqua, proteine e cere.

Ha la funzione di conferire e mantenere la forza meccanica. Inoltre serve a:

controllare l’espansione cellulare e il trasporto intercellulare;

-

- proteggere da microrganismi patogeni;

- produrre molecole segnale, in particolare in relazione ad attacchi di patogeni;

- accumulare sostanze di riserva.

La parete determina morfologia e parte delle funzioni della cellula. È coinvolta nella regolazione

dell’espansione cellulare.

I vegetali depongono la parete a strati, per cui si possono distinguere tre zone: lamella mediana (strato più

esterno che separa due cellule adiacenti), parete primaria (strato intermedio) e parete secondaria (strato

adiacente alla membrana). Quando nuovi strati di parete si formano adiacenti alla membrana cellulare, quelli

più vecchi vengono via via allontanati.

I polisaccaridi microfibrillari della parete, possono essere in forma cristallina (lunghe molecole in fasci) o

in forma non cristallina (matrice amorfa in cui sono immerse le microfibrille).

La cellulosa è il polisaccaride microfibrillare più comune. È un polimero con grado di polimerizzazione

compreso fra 2000 e 6000 nella parete primaria e fra 15000 e 16000 in quella secondaria. La catena è

β-glicosidici

costituita da molecole di glucosio legate con legami in posizione 1-4 (β-1,4glicosidici).

La struttura è costituita da una regione cristallina e una regione paracristallina. Lungo le fibrille si trovano

zone (micelle) con struttura altamente ordinata di tipo cristallino, alternate ad altre con aspetto meno

organizzato. A causa di tale organizzazione, la cellulosa presenta straordinaria resistenza alla trazione e agli

attacchi enzimatici.

I polisaccaridi di matrice, sono le emicellulose (solubili in basi concentrate a temp. ambiente) e le pectine

(estratte con ripetuti trattamenti in acqua calda).

Le emicellulose comprendono:

- xilani che si trovano nei legni duri di angiosperme e gimnosperme;

- mannani che si trovano nei legni teneri delle conifere;

- galattani nei legni duri e teneri dei larici.

Costituiscono il 40-45% delle pareti primarie e il 30-33% delle pareti secondarie. Svolgono spesso un ruolo

di accumulo di sostanze di riserva o di trattenimento dell’acqua.

Le pectine sono costituite principalmente da acidi poliuronici, oltre che da arabinani e galattani. La presenza

del gruppo carbossilico, conferisce alle pectine alcune proprietà caratteristiche: legando Ca++ e acqua,

possono formare dei graticciati stabili (a nido d’ape).

è una molecola con elevato peso molecolare, ottenuta dall’unione di differenti acidi e alcoli

La lignina

fenilpropilici (cumarilico, coniferilico e sinapilico). Il loro accoppiamento casuale, origina una struttura

tridimensionale caratteristica della lignina (polimero amorfo).

è il polimero naturale più complesso.

Mediante la ramificazione della lignina e eliminando l’acqua, si ha lignificazione, con cui si rafforza la parete

cellulare e vengono protette le microfibrille di parete dall’attacco di agenti chimici, fisici e biologici.

La parte di ogni monomero nella lignina varia in funzione di famiglia vegetale, specie, organo e tessuto

biologico.

Le proteine della parete cellulare hanno funzione strutturale ed enzimatica. Per quanto riguarda la funzione

strutturale abbiamo:

glicoproteine, ricche di idrossiprolina, serina, alanina e acido aspartico come l’estensina;

-

- arabino-galattano-proteine, ricche di idrossiprolina, piccole e molto solubili;

- proteine ricche di glicina, tipiche dei tessuti vascolari e delle risposte alle ferite;

- proteine di adesione, che mediano le interazioni fra la parete, la membrana e i microtubuli del citoscheletro.

Per quanto riguarda la funzione enzimatica, si citano idrolasi, glucasi, fosfatasi e laccasi.

L’acqua della parete cellulare svolge un ruolo:

chimico per l’idrolisi dei legami glicosidici nella fase di crescita della parete;

-

- solvente per effetti sulla permeabilità della parete a molecole e ioni.

Quando finisce la crescita, lo spazio dell’acqua viene occupato dalla lignina che conferisce rigidità.

Le cere sono rappresentate dalla cuticola, che ricopre la superficie della cellula esposta all’atmosfera e

riduce perdite e guadagni eccessivi di acqua dai tessuti sosttostanti.

La cuticola è composta da tre strati:

- cera epicutilare, una miscela di esteri, acidi grassi e alcoli a lunga catena, acidi grassi liberi, alcoli primari

e secondari e alcani. Sono presenti anche CaCO e CaSiO come sostanze incrostanti;

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- cutina, una miscela di idrossiacidi grassi tenuti insieme da legami esteri in un reticolo tridimensionale. È

mescolata a cera;

- cutina, costituita da cera polisaccaridi e tracce di proteine.

PROTEINE

Gli amminoacidi sono composti bifunzionali, perché hanno un gruppo amminico (-NH ) e uno carbossilico (-

2

COOH) e sono i costituenti delle proteine. La maggior parte degli amminoacidi di importanza biologica è

α-amminoacidi,

rappresentata da che hanno il gruppo amminico sul carbonio adiacente al gruppo

e l’altro acido. Questi composti

carbossilico. I due gruppi funzionali degli aminoacidi, sono uno basico (-NH )

2

esistono sotto forma di ioni dipolari o zwitterioni. In definitiva le principali proprietà degli amminoacidi sono:

- alti punti di fusione;

- solubilità in acqua;

- proprietà acido base, in quanto anfoteri.

α-amminoacidi tramite l’unione del gruppo carbossilico di uno col gruppo amminico di un altro,

Legando due

si ottiene un composto chiamato dipeptide. Aggiungendo man mano altri amminoacidi, il prefisso del peptide

cambia, esprimendo il numero di unita: tripeptide, tetrapeptide… fino a formare un polimero, chiamato

polipeptide (numero di a.a fra 10 e 50).

Il legame ammidico fra gli amminoacidi, è detto legame peptidico.

Si instaura un piccolo dipolo elettrico, in quanto l’ossigeno

carbonilico ha una parziale carica positiva, che determina

l’insorgenza di un parziale doppio legame tra C e N.

Le proteine sono catene polipeptidiche, con PM>5000, che si avvolgono in forme biologicamente attive. La

conformazione che la proteina assume in condizioni fisiologiche stabili si chiama conformazione nativa.

Le funzioni delle proteine sono:

modulare l’espressione dei geni;

-

- regolare il metabolismo di enzimi e ormoni (non nelle piante);

- trasportare ioni o molecole attraverso le membrane;

- formare deposito di principi nutritivi.

Si possono classificare in base alla funzione in enzimatiche, ormonali, di sostegno e di trasporto; in

base alle caratteristiche fisiche e funzionali in fibrose (allungate, resistenti e insolubili in acqua) e

globulari (sferiche, compatte con interno idrofobico e esterno idrofilico); in base alla composizione

chimica in semplici (con comp. Elementare costante, 50%C, 23%O, 16%N, 7%H, max3%S) e coniugate

(glicoproteine, lipoproteine, nucleoproteine, flavoproteine, metalloproteine).

La sequenza lineare degli amminoacidi che formano il peptide o la proteina, si dice struttura primaria.

Una catena polipeptidica può assumere differenti disposizioni spaziali. Il tipo di conformazione adottata è

α-elica

definita struttura secondaria. Le strutture secondarie più importanti delle proteine sono quelle ad e

quella a catena estesa a pieghe (β-foglietto).

α-elica,

Nella struttura ad la catena polipeptidica principale si attorciglia su sé stessa in una spirale, mentre

le catene laterali si proiettano verso l’esterno. A seconda che l’avvitamento avvenga in senso orario o

antiorario, si può avere un’elica destrorsa o sinistrorsa.

formare un’ α-elica

Non tutte le catene polipeptidiche possono stabile. La stabilità dipende dalle catene

laterali degli amminoacidi e dalla loro sequenza lungo la catena. Amminoacidi con catene laterali piccole e

α-elica;

senza carica si adattano bene alla struttura ad quelli con catene laterali cariche dello stesso segno

destabilizzano l’ α-elica.

tendono a respingersi e

Altro fattore che influisce sull’ α-elica è la presenza di prolina. In essa l’ α-amminogruppo, è parte di un ciclo

a cinque termini e ciò rende impossibile la rotazione attorno al legame C-N. Ne consegue che, quando è

catena, l’ α-elica

presente un residuo di prolina nella viene distrutta, dando luogo a un ripiegamento.

β-foglietto,

Nella struttura secondaria a la catena polipeptidica si estende linearmente a zig-zag e le catene

adiacenti sono legate insieme da legami H tra O carbonilico di un amminoacido di una catena e H ammidico

di un amminoacido di un’altra catena. Le due catene adiacenti possono essere parallele o antiparallele. Nel

vanno nella stessa direzione, dall’estremita N-terminale

foglietto pieghettato parallelo, le catene alla C-

terminale. Nel foglietto antiparallelo, le catene adiacenti vanno in direzioni opposte.

è un’ulteriore organizzazione tridimensionale compatta della molecola. Essa riguarda

La struttura terziara

le proteine globulari, ossia quelle che esplicano un’attività biologica specializzata (enzimi, ormoni, ricettori,

ecc.). L’insieme dei ripiegamenti delle catene della proteina che ne determinano la corretta geometria finale,

costituisce la struttura terziaria. Le interazioni che stabilizzano tale struttura sono:

- ponti disolfuro, ponti di zolfo tra cisteine non adiacenti e spesso distanti nella catena;

- legami H, sia fra i CO e gli NH dei legami peptidici che fra i gruppi polari delle catene laterali;

- legami ionici fra i gruppi carichi positivamente e negativamente;

- legami di van der waals, legame elettrostatico tra le catene laterali di due amminoacidi spazialmente vicini.

è data dall’associazione di più catene polipeptidiche

La struttura quaternaria che già presentano una

struttura secondaria o terziaria. Si ha quindi una molecola più complessa con maggiori potenzialità

biologiche (es. emoglobina, lattico deidrogenasi).

LIPIDI

I lipidi sono biomolecole organiche insolubil in H O e solubili in solventi organici non polari. Nelle cellule

2

eucariote svolgono importanti funzioni biologiche.

Si possono classificare dal punto di vista nutrizionale in:

- lipidi di deposito o trigliceridi (98%);

- lipidi cellulari (fosfolipidi, glicolipidi e colesterolo) con funzioni strutturali.

Dal punto di vista chimico si distinguono:

- lipidi complessi o saponificabili (gliceridi, fosfolipidi, sfingolipidi, glicolipidi, cere); i lipidi complessi

contengono acidi grassi legati covalentemente ad altre molecole, quali polialcoli, amminoalcoli e alcoli.

- lipidi semplici o insaponificabili (terpeni, steroidi).

Gli acidi grassi sono acidi carbossilici, a lunga catena (generalmente lineare), saturi e insaturi, a numero

pari di atomi di C, a partire da 12. Gli acidi grassi sono i componenti caratteristici di tutti i lipidi complessi.

Tutti sono acidi monocarbossilici contenenti una lunga catena idrocarburica ed un gruppo carbossilico

terminale, ma differiscono tra loro per la lunghezza della catena e per il numero e la posizione delle eventuali

insaturazioni. I doppi legami presenti possiedono configurazione cis e nella maggior parte degli acidi

monoinsaturi, si trovano in posizione C9 e C10.

Gli acidi grassi e i loro sali sono molecole anfipatiche, ossia contenenti nella stessa molecola porzioni

idrocarburiche e gruppi polari. Pertanto in soluzione acquosa, tali molecole si dispongono in modo tale da

avere la parte idrofila (testa polare) rivolta verso il mezzo acquoso, mentre le catene idrofobiche (porzioni

idrocarburiche), interagiscono fra loro originando caratteristiche formazioni di più molecole dette micelle.

Gli acidi grassi saturi possono impacchettarsi strettamente, pertanto presentano punti di fusione più alti e

una consistenza cerosa. Quelli insaturi non possono impacchettarsi per la presenza del doppio legame,

quindi hanno punti di fusione più bassi.

Alcuni esempi di acidi grassi saturi sono:

- acido butirrico (o butanoico, presente nel burro);

- acido capronico (o esanoico, presente in burro, cocco e palma);

- acido caprilico (o ottanoico, presente in burro, cocco e palma);

- acido caprico (o decanoico, presente in burro, cocco e palma);

- acido laurico (o dodecanoico, presente nel seme di lauro, parma e burro);

- acido miristico (o tetradecanoico, presente in noce moscata, animale o vegetale);

- acido palmitico (o esadecanoico, presente nel lardo e in tutti i grassi);

- acido stearico (o ottadecanoico, presente nel sego di montone e in tutti i grassi);

- arachico (presente in arachide e alcuni oli vegetali);

- behenico (presente nei semi di crucifere e altri);

- lignocerico (presente nei semi di arachide e altri);

Alcuni esempi di acidi grassi insaturi monoenoici sono:

- acido caproleico (presente in burro e latte umano e di capra);

- acido lauroleico (presente nel burro);

presente nell’olio d’oliva e tutti i grassi).

- acido oleico (cis-9-ottadecanoico,

Alcuni esempi di acidi grassi insaturi polienoici sono: di lino e negli oli vegetali);

- acido linoleico (ottadeca-9c, 12c-dienoico, presente nell’olio

- acido linolenico (ottadeca-6c, 9c, 12c-trienoico) molto diffuso negli oli vegetali).

sono acidi grassi polinsaturi che l’organismo umano non è in grado

Gli acidi grassi essenziali (AGE o EFA)

di biosintetizzare, per la mancanza di desaturasi attive per i primi sette legami CH2-CH2 (contando dal

metile terminale). È importante che gli AGE rappresentino il 3-6% delle calorie totali giornaliere per le

persone sane e giovani. Per le persone anziane sono auspicabili quantitativi più alti associati a sostanze

antiossidanti. Il ruolo degli AGE è strutturale e funzionale per molti tessuti. Sono, insieme ai loro derivati,

componenti essenziali delle strutture di tutte le membrane e una loro scarsa disponibilità determina danni.

Un’alimentazione carente di AGE porta a manifestazioni patologiche (sindrome di Burr), ossia ridotto

accrescimento, paracheratosi, aumentata permeabilità della cute all’acqua, più suscettibilità alle infezioni

batteriche e sterilità, e ancora diminuzione della sintesi di prostaglandine, ridotta contrattibilità del miocardio,

aggregabilità delle piastrine e rigonfiamento dei mitocondri del fegato. Gli AGE sono costituenti dei fosfolipidi

delle membrane, precursori di prostaglandine e regolatori dei lipidi ematici (colesterolo).

sono i prodotti dell’esterificazione delle tre funzioni alcoliche della glicerina con tre acidi grassi.

I trigliceridi

Sono la famiglia di lipidi più rappresentata costituendo una riserva energetica sia nelle cellule animali che in

quelle vegetali. Sono molecole ideali per questa funzione in quanto hanno alto contenuto energetico, sono

insolubili in H2O e durante le attività metaboliche, gran parte del glicerolo e degli acidi grassi, viene utilizzata

per produrre energia. Quando i gruppi acidi (acili, OCOR) sono uguali, il trigliceride è semplice. Se uno solo

è diverso, è misto. La posizione 2 è occupata preferenzialmente da acidi grassi insaturi.

I fosfolipidi sono digliceridi in cui due ossidrili del glicerolo, vengono esterificati con due acidi grassi; il

terzo ossidrile viene invece esterificato con acido ortofosforico, per mezzo di un legame fosfoesterico. Si

genera così l’acido fosfatidico e vengono eliminate tre molecole di H2O. L’acido fosfatidico, a livello di un

altro gruppo ossidrile del fosfato, viene poi esterificato con il gruppo ossidrile di un amminoalcol

(etanolammina o colina) o di un amminoacido (serina).

Nelle membrane biologiche i fosfolipidi contrappongono le code apolari idrofobiche nella parte intermedia,

mentre le teste polari idrofile sono rivolte verso gli ambienti ricchi di H O (esterno e citoplasma).

2

Gli sfingolipidi sono lipidi complessi contenenti come scheletro la sfingosina, un amminoalcol a lunga

catena che, tramite il suo gruppo amminico, forma un legame ammidico con un acido grasso saturo o

insaturo. I più diffusi sono le sfingomieline, presenti nel tessuto animale, nella guaina mielinica e nella

sostanza bianca del cervello, I ceramidi sono costituiti da una sfingolsina legata a un acido grasso e sono

fra i principali componenti lipidici delle membrane cellulari.

I glicolipidi sono molecole formate da carboidrati legati a lipidi. I più importanti sono i galattolipidi e i

glicosfingolipidi (di cui fanno parte i cerebrosidi). Si possono trovare sulle membrane cellulari.

Le cere sono esteri degli acidi grassi (C8-C36) con alcoli a lunga catena (C18-C36) o steroli. Possono

provenire da vegetali (cere carnauba e cera montana) o animali (cera d’api, lanolina, spermaceti). Sono

costiutenti degli strati protettivi dei vegetali, di pelle, peli e scheletro degli insetti.

Gli steroli sono derivati del ciclopentanperidrofenantrene (o stearano). Si trovano sia liberi che esterificati

con acidi grassi. Si dividono in:

- zoosteroli (ergasterolo che viene trasformato, con reazione ultravioletta, in vitamina D2 (o ergocalciferolo);

- fitosteroli (colesterolo, 7-deidrocolesterolo, acidi biliari, ormoni steroidei);

- micosteroli;

- steroli di origine marina.

Gli steroli si ritrovano in tutte le piante e in tutti i tessuti che hanno la capacità di sintetizzarli con velocità

dipendente sia dal tipo di sterolo che dall’età del tessuto. Nei tessuti più giovani la sintesi è più attiva, quindi

ne contengono di più. Durante la germinazione dei semi il contenuto in steroli aumenta, probabilmente come

conseguenza della nuova formazione di biomembrane, dove essi si ritrovano, insieme a fosfolipidi e

glicolipidi. Gli steroli liberi rappresentano immediati precursori di altri composti steroidici e di ormoni, oltre

che svolgere essi stessi, funzioni ormonali. Infine, sono componenti di membrana, infatti, interagendo coi

fosfolipidi, stabilizzano la struttura, controllandone la permeabilità.

Il colesterolo è un costituente di base delle membrane biologiche a cui conferisce rigidità, è precursore di

ormoni steroidei e acidi biliari. Può essere di origine esogena o endogena (da assumere <300 mg/d) o

endogena (con biosintesi inversamente proporzionale rispetto a quello introdotto con la dieta). Quando è in

eccesso, viene esterificato da acidi grassi saturi e insaturi e questi ultimi, poco solubili, si depositano nelle

arterie, provocando l’arteriosclerosi.

I terpeni sono costituiti da una o più unità isopreniche a 5

atomi di C, legate, l’una con l’altra, secondo un sistema

testa-coda.

Alcuni terpeni ciclici svolgono ruoli biologici ben definiti,

come ad esempio:

- acido abscissico e gibberelline, sono ormoni vegetali

- fitolo che costituisce la catena laterale aciclica delle

clorofille; tracce nell’olio d’oliva e in altri oli vegetali.

- lo squalene, che si trova in

Le membrane biologiche sono aggregati molecolari importanti per la sopravvivenza della cellula:

proteggono l’apparto cellulare;

-

- controllano ingresso e uscita di molecole e ioni.

I costituenti principali delle membrane sono alcuni lipidi: fosfolipidi, glicosfingolipidi e colesterolo.

Molto numerose sono le piante le cui riserve alimentari sono costituite da lipidi soli o associati a quantità

assai piccole di carboidrati. Nelle fanerogame i grassi sono presenti in tutti gli organi, ma essi vengono

accumulati essenzialmente nell'endosperma dei semi, e in quelli che, appunto per la loro ricchezza in

grasso, vengono detti oleaginosi, si può avere un contenuto del 50-70% di grasso sul peso secco. Così, ad

esempio, le mandorle ne contengono fino al 53%, l'endospema del cocco ne contiene fino al 67%. Anche nei

semi molto ricchi di idrati di carbonio si trovano in notevole quantità le materie grasse, come si verifica, ad

es., nell'arachide e nel cacao, e in modo caratteristico nelle cariossidi delle graminacee, le quali sono

ricchissime di amido nell'albume e di lipidi nell'embrione.

METABOLISMO DEI GLICERIDI E SINTESI DEGLI ACIDI GRASSI

I gliceridi si accumulano nei tessuti di riserva durante lo sviluppo dei semi, per essere consumati durante

la germinazione. La loro sintesi è diversa a seconda che si tratti di vegetali o animali. Nelle piante la

biosintesi degli acidi grassi si svolge nel plastidio, organello assente nelle cellule animali, partendo da esosi

provenienti da altre parti della pianta. Una volta completato l’accumulo delle riserve, i semi si disidratano ed

entrano in quiescenza. Durante la germinazione i lipidi e gli altri composti di riserva vengono mobilizzati per

fornire nutrimento alla pianta in crescita. In questa fase, in cui non avviene fotosintesi clorofilliana, i gliceridi

vengono consumati per soddisfare il bisogno energetico e materiale della plantula.

La demolizione dei gliceridi, comincia per azione delle lipasi, enzimi del gruppo delle idrolasi, che

catalizzano l’idrolisi del legame estere fra glicerolo e acidi grassi. Questa demolizione avviene per tappe

successive, con il distacco di un radicale acilico per volta.

attraverso reazioni ossidative comprendenti α, β, ω

Gli acidi grassi vengono demoliti ossidazione,

idrossilazioni e altri processi specifici come la lipossigenazione.

β-ossidazione,

La demolizione ossidativa più importante è la operata da alcuni enzimi presenti sia nei

tessuti animali che vegetali, che trasformano gli acidi grassi in frammenti bicarboniosi.

MEMBRANE CELLULARI

Le membrane cellulari definiscono i confini esterni di cellule e organelli cellulari e regolano il traffico di

molecole e ioni a traverso tali confini. Quindi sono: superfici di separazione fra compartimenti; superfici di

riconoscimento come recettori per ormoni; superfici catalitiche.

Strutturalmente sono simili a fogli (6-10 nm), costituite da lipidi e proteine (lipoproteiche) e non presentano

legami covalenti fra le molecole che le compongono. Inoltre sono asimmetriche e fluide.

In acqua le interazioni delle code idrofobiche e delle teste idrofiliche generano un doppio strato

Le teste sono dirette verso l’esterno, dove interagiscono con l’H

fosfolipidico. O che le circonda. Le code

2

sono rivolte verso l’interno.

La struttura e la funzione di tutte le membrane cellulari dipende dai fosfolipidi e da derivati degli steroidi. Il

principale è il colesterolo, componente importante della membrana plasmatica, di cui mantiene la fluidità.

Le funzioni di ogni membrana dipendono dai tipi di proteine presenti su di esse. Lipidi e proteine di

membrana possono essere glicosilati.

Ogni membrana cellulare ha un set specifico di proteine che le permettono di svolgere le proprie attività. Le

proteine di membrana possono essere integrali o periferiche. Quelle integrali transmembrana,

α-eliche

contengono una o più transmembrana. Altre proteine integrali sono ancorate alle membrane

attraverso catene di carboidrati. Le proteine periferiche sono associate alle membrane attraverso

interazioni con quelle integrali.

Molte proteine di membrana possono muoversi lateralmente nel piano del doppio strato, come anche le

molecole di fosfolipidi, dando alle membrane carattere di dinamicità e flessibilità (mosaico fluido).

Il trasporto dei nutrienti attraverso le membrane è governato da fattori cinetici e termodinamici. Può essere:

- trasporto passivo, non richiedente energia metabolica; questo a sua volta può distinguersi in diffusione

semplice (senza carriers) e diffusione facilitata (con carriers);

- trasporto attivo, richiedente energia metabolica, si distinguono trasporto attivo primario e secondario.

Il flusso attraverso la membrana si calcola con la formula F = k·C, in cui k è il coefficiente di permeabilità

e C la concentrazione delle sostanze. Alcune molecole piccole, come O , H O e alcol etilico, passano

2 2

facilmente perché il coefficiente k è elevato anche a C basse. Se k è troppo piccola rispetto a C, si pone un

problema cinetico e il flusso deve essere catalizzato dai carriers, che come gli enzimi hanno K e Vmax.

M

Molecole più grandi o più polari, come il glucosio o gli amminoacidi, hanno bisogno di trasportatori.

Nella cellula sono presenti molte proteine vettrici o trasportatrici che hanno la funzione di consentire il

passaggio di determinate sostanze attraverso le cellule. I tipi principali di proteine di trasporto sono:

- canali, che trasportano H2O e specifici tipi di ioni secondo gradiente di concentrazione. Le proteine che li

compongono, formano dei veri e propri canali che attraversano la membrana. Sono di solito regolati da

stimoli specifici;

- carrier, che legano ioni o molecole specifiche. Il legame con la molecola trasportata provoca un

cambiamento conformazionale e quindi il passaggio;

che utilizzano l’energia ottenuta dall’idrolisi dell’ATP per spostare ioni contro

- pompe, gradiente di

concentrazione.

Il trasporto passivo avviene quando la sostanza passa attraverso la membrana secondo gradiente.

Nel trasporto per diffusione semplice, una molecola non carica attraversa la membrana nella direzione

termodinamicamente favorita, ossia si muove spontaneamente da zone a concentrazione più elevata verso

zone a concentrazione più bassa. Il movimento procede fino a quando la concentrazione della molecola ai

due lati della membrana è uguale e si ha quindi equilibrio. Per una specie carica il movimento è più

complicato. Ciò perché la direzione del movimento dipende oltre che dal potenziale chimico, anche dal

potenziale elettrico, quindi in definitiva dal potenziale elettrochimico.

Nel trasporto per diffusione facilitata, vi sono delle proteine specifiche (carriers) a livello delle membrane,

che hanno il compito di facilitare il trasporto. Queste proteine hanno due caratteristiche:

- facilitano il movimento solo ed esclusivamente secondo gradiente (ΔG < 0);

- presentano specificità e affinità peculiari per le sostanze trasportate.

È possibile individuare una velocità di trasporto iniziale (V ), in funzione della concentrazione della sostanza

0

trasportata. A concentrazione saturante si raggiunge la Vmax.

Il trasporto attivo avviene nei casi in cui la sostanza trasportata si muove contro gradiente chimico,

passando cioè da una concentrazione più bassa a una più alta, o addirittura contro gradiente elettrochimico,

con la sostanza che si sposta verso zone aventi la stessa polarità. Tale passaggio è termodinamicamente

ΔG

sfavorito in quanto ha > 0. Quindi può avvenire soltanto se ad esso viene accoppiato un processo

ΔG

esoergonico (rappresentato da una reazione che consuma energia, quindi con < 0). Ciò in modo da far

ΔG

risultare il del processo complessivo minore di 0.

Si parla di trasporto attivo primario, quando il movimento contro gradiente elettrochimico è direttamente

dall’idrolisi dell’ATP,

accoppiato al consumo di energia che, nella maggior parte dei casi, viene fornita da

altre forme di energia metabolica (reazioni redox della catena di trasporto mitocondriale degli elettroni) o

dall’energia luminosa (catena di trasporto fotosintetica degli elettroni).

La funzione principale del trasporto attivo primario è quella di trasportare ioni, in genere Na+ o H+,

attraverso la membrana. Questi avranno successivamente una forte tendenza a tornare indietro attraverso la

membrana e questa forma di energia potrà essere utilizzata per attivare il trasporto di altre sostanze.

L’accoppiamento dell’idrolisi di ATP col movimento di una sostanza attraverso la membrana, viene espletato

da specifici trasportatori detti pompe ioniche o ATPasi. Queste sono costituite da una singola catena

polipeptidica che attraversa più volte lo spessore della membrana.

L’idrolisi dell’ATP avviene sul lato citoplasmatico con la formazione di un composto intermedio fosforilato e

Il movimento degli ioni da una parte all’altra della membrana sembra dovuto a

richiede la presenza di Mg++.

variazioni conformazionali della catena polipeptidica.

Le pompe ioniche possono essere elettrogeniche o elettroneutre:

- H+-ATPasi; la maggior parte dei microrganismi e le cellule delle piante, utilizzano un trasporto attivo

primario legato al movimento dei protoni attraverso l’apoplasto. Questo meccanismo è di tipo uniporto,

direzione. Il trasporto di protoni

ossia con movimento in un’unica è elettrogenico, cioè consente la

formazione di un gradiente elettrico attraverso la membrana. Passa 1 protone per ogni molecola di ATP

idrolizzata; accumulano all’interno K+. Tale

- Na+,K+-ATPasi; le cellule animali estrudono attivamente Na+ e

movimento accoppiato dei due cationi è determinato dall’Na+,K+ATPasi e avviene secondo il modello

ossia con movimento di uno ione nella direzione opposta rispetto all’altro. Anche in questo caso il

antiporto,

processo globale è elettrogenico in quanto tre ioni Na+ vengono estrusi e due ioni K+ vengono accumulati;

- Ca++-ATPasi; pur essendo un trasporto attivo primario, quello del Ca ha un ruolo diverso rispetto a quello

delle ATPasi precedenti. Mentre la funzione fondamentale del trasporto attivo primario è la generazione di

un gradiente elettrochimico (pompe elettrogeniche), utile per l’attivazione di trasporti secondari, la CA++-

ATPasi ha come unico ruolo il controllo omeostatico del Ca++ citoplasmatico (la concentrazione nel

citoplasma deve restare costante). L’estrusione di Ca++ risulterebbe fortemente endoergonica e non

potrebbe mai avvenire spontaneamente. L’antiporto CA++/2H+ non è quindi elettrogenico ma elettroneutro,

in quanto per due cariche positive in uscita (Ca++) ve ne sono due in entrata (2H+).

La funzione essenziale delle pompe ioniche di generare e mantenere un gradiente elettrochimico, consente

al’energia del gradiente stesso di divenire forza motrice, per attivare il trasporto attivo secondario. Questo,

assomiglia in parte alla diffusione facilitata, in quanto anche qui è necessaria la presenza di carriers. La

differenza sostanziale tra diffusione facilitata e trasporto attivo secondario è che quest’ultimo richiede la

presenza dello ione elettrogenico per attivare il trasporto.

ACIDI NUCLEICI

I nucleotidi sono composti ricchi di energia e svolgono diverse attività a supporto del metabolismo cellulare.

all’interno della

I polimeri dei nucleotidi sono gli acidi nucleici. Questi forniscono informazioni di tutti i tipi

cellula. La struttura di ogni proteina e di ogni componente cellulare è il risultato dell’informazione fornita dalla

sequenza nucleotidica degli acidi nucleici. β-N-

Ogni nucleotide è formato da un nucleoside (zucchero pentoso e base azotata con legame

glicosidico fra il C1 dello zucchero e l’N9 delle o l’N1 delle

purine pirimidine) e un gruppo fosfato con

legame estere al C5 del pentoso.

I derivati della pirimidina sono citosina, timina e uracile, quelli della purina sono adenina e guanina. Tutti

entrano a far parte degli acidi nucleici (DNA e RNA).

Le proprietà delle basi azotate influenzano la funzione degli acidi nucleici:

- sono moderatamente basiche;

- sono altamente coniugate (assorbono la luce UV a 260 nm);

a pH neutro (influenza sull’impilamento);

- sono idrofobiche

- possono formare legami a H, per la presenza di N e doppi legami C=O.

L’impilamento riduce l’assorbimento UV rispetto a una uguale concentrazione di nucleotidi liberi (effetto

ipocromico). delle basi consente la duplicazione dell’informazione genetica con la sintesi di

Lo specifico appaiamento

catene di acidi nucleici complementari.

è contenuto nei cromosomi, all’interno del nucleo protetto dalla membrana nucleare,

Il DNA ma anche nei

Contiene l’informazione genetica e la trasmette all’RNA. Guida la biosintesi di

mitocondri e nei cloroplasti.

tutte le molecole necessarie a un sistema vivente per l’espletamento di tutte le attività. È un biopolimero

costituito da deossinucleotidi legati fra di loro mediante legami 3’5’fosfodiesterei. all’avvolgimento

Strutturalmente è costituito da una doppia elica (α-elica di avvitamento destrogiro) dovuta

antiparallelo di due filamenti complementari attorno allo stesso asse. Lo scheletro esterno è costituito da

ed è a contatto con l’ambiente, mentre le impilate all’interno

ribosio e acido fosforico basi azotate sono

perpendicolarmente all’asse longitudinale. La doppia elica (duplex), viene tenuta insieme da legami a H tra

fra le basi successive nell’impilamento (legami di

le coppie di basi azotate complementari e da interazioni

van der Waals e dipolo-dipolo).

Nella doppia elica, le basi sono appaiate secondo complementarità A-T, G-C.

Il DNA ha PM 10^6 - 10^8 e per la presenza dei gruppi fosfati è un polianione, che può legarsi a cationi e

precipitare in etanolo.

Le basi del DNA hanno composizione caratteristica nei tessuti di ogni specie.

L’RNA è un polimero a filamento singolo di unità ribonucleotidiche, con PM 2.5·10^5-10^6.Si può trovare in

nucleo, mitocondri, clorplasti, parete cellulare e in fase solubile nel citoplasma. Se ne distinguono tre tipi:

- RNA ribosomiale (rRNA), 80% del totale, presente in filamenti non ramificati e flessibili;

meno del 5%, porta l’informazione contenuta nel DNA per la sintesi

- RNA messaggero (mRNA), proteica;

- RNA transfert (tRNA), 15%, è una molecola piccola con funzione di trasportatore di amminoacidi durante

la sintesi proteica (un tRNA per ogni amminoacido).

Nella replicazioni del DNA, ogni catena separata funge da stampo per la biosintesi di una catena figlia

complementare.

Il NAD (nicotinammide adenina dinucleotide) e il NADP (nicotinammide adenina dinucleotide fosfato)

sono biomolecole il cui ruolo è di trasferire gli elettroni, quindi di permettere le ossido-riduzioni. Si

comportano dunque da accettori di elettorni durante le ossidazioni biologiche, grazie alla presenza di una

carica positiva sull’anello della piridina, trasformandosi nelle corrispondenti forme ridotte NADH e NADPH.

il FAD (flavina adenina dinucleotide) è un importante fattore ossidante del ciclo di Krebs e interviene nel

trasporto degli elettroni nel processo biochimico detto catena di trasporto degli elettroni.

ENZIMI

Gli enzimi sono proteine (spesso associate ad un metallo o una molecola organica) che fungono da

catalizzatori nelle reazioni chimiche dei sistemi biologici. Vengono prodotti dalle cellule viventi ma sono

capaci di agire indipendentemente da esse. Determinano tutti i processi di degradazione, sintesi,

dell’energia nella formazione

trasformazione e conservazione ed evoluzione della materia vivente. Hanno

PM da 12000 a 10^6. La molecola su cui opera l’enzima si dice substrato.

Strutturalmente si distinguono enzimi semplici e enzimi complessi. I primi sono formati solo da

amminoacidi. I secondi, invece, oltre agli amminoacidi, hanno uno o due componenti di natura diversa,

In quest’ultimo caso, l’attività catalitica dipende anche da questi componenti, che possono

detti cofattori.

essere ioni inorganici (Fe, Mg, Mn, Zn, Mo, ecc.) o complesse molecole organiche (coenzimi). Il cofattore,

ione metallico o coenzima che sia, può essere legato debolmente alla proteina o legato saldamente ad

essa. In questo caso si dice gruppo prostetico.

l’ATP è il metabolita coenzimatico più comune.

I coenzimi più importanti sono:

- NAD+ e NADP+, coenzimi nucleotidici piridinici, associati a deidrogenasi, che catalizzano il trasferimento di

un H da un substrato al nucleotide, portandolo nella forma ridotta con rilascio di H+;

derivato dall’acido pantotenico,

- Coenzima A, coinvolto nel trasferimento dei gruppi acilici CH3CO-;

- Biotina, acido lipoico, vitamine A, D, E e K.

La velocità di una reazione chimica può essere accelerata

o aumentando la temperatura o aggiungendo

catalizzatori, che fanno aumentare la velocità della

reazione senza variazioni nette del loro ammontare nel

sistema. La funzione dei catalizzatori è di abbassare

l’energia di attivazione richiesta per la reazione.

La velocità, con l’intervento fondamentale di cofattori,

aumenta da 10^8 a 10^20 volte.

abbassare l’energia di attivazione

I catalizzatori fanno

richiesta per la reazione, stabilizzando le proprietà

chimiche del complesso attivato e/o favorendo, attraverso

un più corretto orientamento geometrico, la formazione

netto dell’azione del

del complesso stesso. Il risultato

catalizzatore è che la reazione procede lungo un percorso

a più basso contenuto energetico.

È importante ricordare che un catalizzatore può solo accelerare la reazione, senza alterare la posizione

dell’equilibrio o influenzare la termodinamica della reazione stessa. Infatti, la costante di equilibrio della

reazione, è uguale a quella della stessa non catalizzata. Ciò perché gli stadi iniziali e finali del sistema sono

gli stessi, essendo variato solo il percorso del reagente lungo la coordinata della reazione.

Se catalizzatore, reagenti e prodotti, sono in un'unica fase (es. soluzione acquosa), si ha catalisi omogenea.

Se il catalizzatore si trova in una fase diversa da quella in cui si trovano reagenti e prodotti, si ha catalisi

Questa avviene all’interfaccia tra le due fasi.

eterogenea.

Determinante nelle reazioni enzimatiche è la formazione di un complesso enzima-substrato e quindi deve

esistere una zona specifica nella struttura tridimensionale dell’enzima, in cui si creino le condizioni

microambientali favorevoli. Tale zona dell’enzima si dice sito attivo ed in esso va a legarsi il substrato per

formare il complesso enzima-substrato.

Fra un enzima e un substrato, avvengono delle interazioni non covalenti, dipendenti da complementarità

geometrica e complementarità elettronica. Per spiegare ciò, esistono due modelli:

- il modello chiave-serratura che prevede che gli enzimi siano strutturalmente complementari ai loro

substrati, nel senso che, il sito attivo dell’enzima possiede una precisa e rigida complementarità geometrica

e strutturale che permette l’adattamento e il legame del substrato;

modello dell’adattamento indotto,

- il secondo cui un enzima può modificare la sua conformazione nel

momento in cui si lega ad un substrato. Tale variazione conformazionale porterebbe i gruppi funzionali

specifici dell’enzima nel giusto orientamento per catalizzare la reazione.

Esempio

ATP + glucosio → ADP + glucosio-6-fosfato

Gli enzimi sono identificati da quattro numeri: Catalizzatore esochinasi (nome comune) o ATP-

- appartenenza a una delle classi relative al tipo glucofosfotransferasi (catalizza il trasferimento del P

di reazione catalizzata; da ATP a glucosio). Numero dell’enzima 2.7.1.1.

- appartenenza a una sottoclasse; 2. classe delle transferasi

- appartenenza a una sottosottoclasse; 7. sottoclasse fosfotransferasi

- posizione progressiva nella sottosottoclasse. 1.sottosottoclasse fosfotransferasi con OH come

gruppo accettore

1. glucosio come accettore del gruppo fosforico.

Gli enzimi presentano specificità. Un enzima può dirsi chirale in quanto è in grado di distinguere fra gruppi

della molecola stericamente non equivalenti. Risulta quindi altamente specifico e distingue due diversi

stereoisomeri. Esistono diversi gradi di specificità:

- specificità di legame (bassa specificità), che tiene conto del legame;

- specificità di gruppo, che tiene conto di una parte della molecola;

- specificità assoluta, che tiene conto delle due parti della molecola e il legame che le unisce.

I gruppi catalitici di enzimi, interagiscono col substrato attivandolo e preparandolo alla reazione, abbassando

l’energia di attivazione. Fra substrato e enzima si forma il complesso ES, la cui energia di legame serve per:

ridurre l’entropia

- (avvicinare e orientare il substrato);

- desolvatare il substrato;

- indurre adattamento indotto.

Dall’energia del legame ES dipendono catalisi e specificità.

Dopo la formazione del complesso ES, i reagenti sono già in prossimità l’uno dell’altro, pronti a reagire. Tale

situazione, porta a una perdita di entropia, che sarebbe sfavorevole per la reazione. Tuttavia questo evento

è controbilanciato dalla formazione del complesso ES, che determina un netto guadagno entalpico a causa

stabilisce con l’enzima. La corretta orientazione che si instaura fra

delle numerose interazioni che il substrato

due molecole quando esse devono reagire, porta a un’ulteriore perdita entropica, che viene compensata

dall’orientazione del substrato nel sito attivo dell’enzima.

che si stabiliscono fra i gruppi funzionali dell’enzima e il substrato, sostituiscono la

Le interazioni deboli

maggior parte dei legami a H esistenti fra substrato e molecole d’H O, con un effetto di desolvatazione del

2

substrato.

La catalisi acido base, prevede il trasferimento di un protone o di un ossidrile, da parte di una molecola di

H2O, o di protoni da parte di altri donatori deboli, al substrato o ad un intermedio, con conseguente

formazione di specie chimiche particolarmente reattive e instabili. Queste si trasformano molto più facilmente

in prodotti. Si può avere di due tipologie:

in cui l’aumento di velocità è proporzionale solo alle concentrazioni di ioni H+ o OH-;

- specifica,

- generale, la proporzionalità esiste con la concentrazione di acidi e basi intesi come donatori o accettori di

protoni (si ha sulle catene laterali degli amminoacidi ed è più comune a pH 7 della cellula).

coinvolge invece un legame covalente fra l’enzima e il substrato con un diverso

La catalisi covalente

percorso di reazione, che presenta energia di attivazione più bassa e avviene quindi più velocemente.

CINETICA ENZIMATICA

di una reazione catalizzata aumenta quasi linearmente all’aumentare della

La velocità iniziale

concentrazione di substrato. In tali condizioni, la velocità è direttamente proporzionale alla concentrazione

del substrato [S] e la reazione può considerarsi di primo ordine. V = k [S].

Quando la concentrazione di substrato aumenta, questa proporzionalità, progressivamente diminuisce e si

registrano solo minimi incrementi di velocità anche per elevate variazioni di substrato. In tal caso, la velocità

iniziale V diventa praticamente indipendente dalla concentrazione di substrato, ossia V indipendente [S] e

0 0

la reazione è di ordine zero rispetto al substrato.

La costante di Michaelis-Menten K rappresenta la concentrazione di substrato necessaria affinché la

m

reazione abbia velocità pari alla metà della V .

max

La costante di Michaelis-Menten è una grandezza caratteristica di ciascun

l’affinità fra un enzima e il suo substrato.

enzima. Indica quantitativamente

Più basso è il valore di K e più bassa è la concentrazione di substrato che

m

permette di raggiungere un valore di velocità di reazione pari alla metà della velocità massima, il che indica

una alta affinità dell'enzima per il substrato. Viceversa un alto valore di K indica che sarà necessario più

M

substrato per raggiungere una velocità di reazione pari alla metà della velocità massima, il che significa una

minore affinità dell'enzima per il substrato.

Si definisce unità internazionale, la quantità di enzima che catalizza la formazione di una micromole di

prodotto in un minuto.

o numero di turnover, è il numero di molecole di substrato convertite in prodotto nell’unità di tempo,

La k

cat

da una molecola di enzima quando è saturata con il substrato. La kcat identifica la costante della tappa

limitante la velocità dell’intera reazione. Di conseguenza, se una reazione si verifica secondo meccanismo a

due stadi come quello previsto da Michaelis-Menten, K =K . Pertanto si avrà

cat 2

V =K [E ]

max cat t

All’aumentare del valore di K , l’efficienza dell’enzima aumenta.

catalitica

cat

I parametri K , V e K possono determinarsi sperimentalmente con un grafico, una volta conosciute le

m max cat

velocità iniziali al variare di [S]. In effetti la velocità iniziale V , può determinarsi quantitativamente misurando

0

l’ammontare del prodotto o la concentrazione del substrato non trasformato in vari momenti. Portando la

concentrazione dell’uno o dell’altro, in funzione del tempo, si ha una curva. La pendenza di questa nella

parte iniziale, identifica proprio la V . Se queste determinazioni vengono ripetute a varie concentrazioni di

0

substrato [S], è possibile costruire una curva di V in funzione di [S] e calcolare la Vmax come l’asintoto per

valori alti di S e la Km come il valore di [S] quando V = V /2.

0 max

La costruzione di una curva asintotica richiede che le misure sperimentali siano corrette e precise e vengano

effettuate in un ampio intervallo di concentrazioni di S. Per ovviare a ciò, Lineweaver e Burk, trasformarono

l’equazione di Michaelis in forma lineare, mediante il reciproco di ciascun termine dell’equazione stessa.

opportunamente tale formula, si ottiene l’equazione:

Trasformando  

1 1 K 1

M  

   

 

V V V [S]

max max

Questa, riportata in grafico (grafico dei doppi

reciproci, dà una linea retta.

L’intercetta sull’asse y è pari a 1/Vmax, la pendenza

e l’intercetta sull’asse delle x è

è pari a Km/Vmax

pari a -1/Km.

REAZIONI CON PIÚ SUBSTRATI

Molte reazioni biochimiche importanti per il metabolismo prevedono la partecipazione di due o più substrati,

+ S2 ↔ P

con conseguente formazione di due prodotti. La reazione generale è del tipo S + P .

1 1 2

La cinetica di una reazione a due substrati è più complessa. In particolare, perché sia chiaro il meccanismo

della reazione, è necessario conoscere il modo in cui i due substrati si legano all’enzima, se in un certo

ordine sequenziale o in modo casuale. Si deve inoltre conoscere come si distaccano i prodotti della

reazione. Le vie più comuni di reazioni a più substrati sono:

- reazioni sequenziali con formazione di un complesso ternario di tipo ordinato;

- reazioni sequenziali con formazione di un complesso ternario di tipo casuale;

- reazioni non sequenziali o a ping-pong, senza formazione di complesso ternario.

i substrati si legano all’enzima

Nel meccanismo con formazione di complesso ternario di tipo ordinato,

in un ordine obbligato. È necessario che si leghi il primo substrato perché possa legarsi anche il secondo e

che distacchi il primo prodotto prima che si formi il secondo.

Esempi tipici di reazioni che seguono questo meccanismo sono le reazioni catalizzate dalle deidrogenasi

dipendenti dal coenzima NAD. Le deidrogenasi, solo dopo aver legato il NAD sono in grado di legare il

substrato ossidabile. i due substrati possono legarsi indipendentemente all’enzima. Possono

Nel meccanismo di tipo casuale,

quindi agire entrambi da substrato guida; questo implica che sull’enzima debbano esserci due distinti siti di

legame, uno per ogni substrato o prodotto. Lo schema che si avrà è:

Reazioni tipiche con questo meccanismo sono quelle catalizzate da varie fosfotransferasi.

Nel meccanismo a ping-pong, un prodotto si forma prima che si leghi il secondo substrato. Si forma quindi

un complesso binario con il primo substrato che rilascia il primo prodotto con conversione dell’enzima in una

forma diversa ma stabile, capace di legare il secondo substrato. Si forma successivamente un secondo

complesso binario e una volta che viene rilasciato il secondo prodotto, si ha la riconversione dell’enzima

nella sua forma originaria.

È tipico delle transaminasi, che presentano come coenzima il piridossalfosfato.

SISTEMI MULTIENZIMATICI

Nei cicli metabolici gli enzimi agiscono da catalizzatori in serie consecutive di reazioni, in cui il prodotto

diventa substrato per la reazione successiva. Tale azione è concertata più enzimi (da 2 a 20) e costituisce

un sistema multienzimatico. Esistono tre tipi di sistemi multienzimatici:

- sistemi multienzimatici solubili; in questo caso gli enzimi sono presenti in forma solubile nel citoplasma,

senza essere interdipendenti l’uno dall’altro. Tipico esempio è il sistema multienzimatico che catalizza la

trasformazione del glucosio in acido piruvico nella glicolisi anaerobica;

sistemi multienzimatici fisicamente associati l’uno all’altro;

- in questa tipologia, gli enzimi non sono

associati alle strutture cellulari (sono associati fisicamente fra loro); in questo modo vengono ridotti i problemi

di diffusione del substrato verso l’enzima. Ciò perché gli intermedi metabolici della sequenza di reazioni

catalizzata dal complesso, si trovano ciascuno a contatto col proprio enzima. Un esempio tipico è quello

dell’acido grasso sintetasi che catalizza la sintesi degli acidi grassi;

- sistemi multienzimatici associati a membrane o ribosomi; gli enzimi catalizzatori dei vari stadi di un

ciclo metabolico sono fisicamente associati a strutture cellulari come membrane o ribosomi, in sequenza

spaziale precisa e ordinata, tale da assicurare certe caratteristiche spaziali e temporali alla sequenza di

reazione. Esempio tipico è il sistema multienzimatico presente nella catena respiratoria, responsabile del

trasferimento degli elettroni da specie ridotte all’ossigeno molecolare.

UNITÁ DI MISURA

L’attività enzimatica non è altro che la misura della variazione di concentrazione di reagente o di prodotto

nel tempo. Si misura in UA (unità di attività, ed è, in altre parole, la quantità di enzima utile per trasformare

una micromole di substrato in prodotto in un minuto (a pH e [S] ottimali).

L’attività enzimatica dipende da T, pH, [S], [cofattori].

Le misure di attività vanno fatte in condizioni definite e controllate. Dopo aver calcolato dalla Michaelis-

Menten i valori di K e V , si sceglie una concentrazione di substrato saturante ([S] > 10 K ). La misura di

m max m

V a pH e T ottimali, dipende solo da [E]. La commissione internazionale ha suggerito di usare la T di 25°C e

0

nei paesi tropicali di 37°C. Si aggiungono gli eventuali cofattori indispensabili per la catalisi.

analitici più usati per il dosaggio misurano l’assorbanza del substrato o del prodotto nel tempo.

I metodi

Esistono anche metodi fluorimetrici, manometrici, polarografici o radioattivi per dosare l’attività enzimatica.

l’unità di enzima per mg di proteina (maggiore è la purezza dell’enzima, maggiore

Si dice attività specifica,

è l’attività specifica). L’attività specifica è più utile di quella totale se si desiderano seguire le fasi di

purificazione dell’enzima da una matrice reale.

l’unità per micromole di enzima alla [S] ottimale, ossia il numero di molecole di

Si dice attività molecolare,

substrato trasformate in un minuto da una molecola di enzima.

Il katal è un unità di misura che esprime la quantità di enzima capace di trasformare una mole di substrato in

un secondo (esistono sottomultipli come microkatal o nanokatal).

FATTORI CHE INFLUENZANO LA VELOCITÁ DELLE REAZIONI ENZIMATICHE

I parametri che influenzano la velocità delle reazioni enzimatiche sono: pH, temperatura, additivi (inibitori).

Gli enzimi presentano un intervallo di pH ottimale, al quale, poste costanti le altre condizioni, la velocità

iniziale V è la massima possibile.

0

Portando in grafico la V0 in funzione del pH, si ottiene

una curva della velocità di tipo gaussiano, con

individuazione di un massimo a un determinato valore di

pH che sarà quello ottimale. Generalmente tale valore si

osserva in campo neutro. Tale andamento a campana

non è riscontrabile in tutti gli enzimi. Infatti alcuni

presentano attività indipendente dal pH in un ampio

intervallo di esso; altri presentano andamenti costanti in

un certo intervallo di pH e decrescenti in altri.

A pH estremi si può:

alterare irreversibilmente la stabilità dell’E; ciò perché pH molto acidi o alcalini, denaturano le proteine;

-

- modificare la ionizzazione del S influenzando il legame ES;

modificare la ionizzazione dell’E modificandone l’affinità per il S; questo effetto e il precedente influenzano

- catalitici dell’E o del S

la K ; una variazione di forza ionica potrebbe influenzare la dissociazione dei gruppi

m

coinvolti nella catalisi e quindi indurre variazioni nella velocità di reazione;

- modificare la ionizzazione del complesso ES; ciò influenza la V .

max

La velocità di una reazione enzimatica aumenta all’aumentare della temperatura T. Nella catalisi

enzimatica, però, un aumento di temperatura può portare a una variazione di conformazione, con

conseguente perdita dell’attività catalitica. Si ha un massimo di attività alla temperatura ottimale, ossia fra

40°C e 60°C. Ad alte temperature (90-95°C) si ha la denaturazione, dovuta alle variazioni conformazionali

della proteina dell’enzima.

Lo studio dell’attività in base alla temperatura, permette di calcolare dall’equazione di Arrenius la costante

di velocità della reazione:

dove Ea (o ΔG) è l’energia di attivazione (più bassa nelle reazioni enzimatiche catalizzate),

K = A·e^-Ea/RT;

A è una costante di proporzionalità.

Con Q si intende il coefficiente termico, ovvero il fattore di cui aumenta la velocità quando la temperatura

10

aumenta di 10°C. Nelle reazioni non catalizzate, Q = 2; in quelle catalizzate, 1 < Q < 2.

10 10

L’attività di un enzima può essere inibita da due tipi essenziali di inibitori: irreversibili e reversibili.

Gli irreversibili sono in grado di reagire chimicamente, con legame spesso covalente con uno o più gruppi

funzionali dell’enzima, essenziali per l’attività catalitica. La formazione di legami covalenti, impedisce il

semplice allontanamento dell’inibitore.

Esistono ad esempio inibitori suicidi o inattivatori, che portano avanti le prime tappe della reazione

enzimatica normalmente, ma danno prodotti molto reattivi che si legano irreversibilmente all’enzima.

Si ha inibizione da prodotto quando si ha un prodotto che compete con il substrato al sito attivo

dell’enzima, formando EP. che si legano all’enzima mediante legami fisici (non covalenti) e in cui con

Esistono inibitori reversibili,

l’allontanamento dell’inibitore si ripristina l’attività enzimatica. Esistono quattro tipologie di inibizione

reversibile: in cui l’inibitore I, compete col substrato S nel legame col sito attivo dell’enzima E.

- competitiva, E + S ↔ ES ↔ E + P; E + I ↔ EI

Questo tipo di inibizione si può ridurre aumentando la [S]. Quando la [S] è molto elevata, l’equilibrio della

formazione del complesso ES è tutto spostato verso destra e l’inibizione è praticamente rimossa. Ciò vuol

per la presenza dell’inibitore. Sii ha invece, un aumento della

dire che la Vmax della reazione non cambia

Km perché apparentemente l’affinità dell’enzima per il substrato diminuisce, in quanto diminuiscono le

molecole di enzima disponibili al legame col substrato;

in cui l’inibitore I si lega sia all’enzima E che al complesso ES, in quanto il legame

- non competitiva,

avviene in un complesso differente dal sito attivo.

E + S ↔ ES ↔ E + P; E + I ↔ EI + S ↔ ESI; ES + I ↔ ESI

In questo caso la Vmax si abbassa ma non si modifica la K quando la K non è influenzata dalla presenza

m I

di substrato sull’enzima:

- mista, è un tipo speciale di inibizione non competitiva e si ha quando S può legarsi al complesso EI e I può

legarsi al complesso ES, formando in entrambi i casi un complesso ternario ESI. Inoltre il complesso EI

presenta un’affinità nel legarsi ad S, minore di quella che presenta l’enzima libero E. In questo caso le

costanti di inibizione sono influenzate dalla presenza del substrato.

in cui l’inibitore è in grado di legarsi soltanto

- incompetitiva, al complesso ES.

E + S ↔ ES ↔ E + P; ES + I ↔ ESI e l’aumento della

In questo caso entrambi i parametri cinetici vengono modificati, con diminuzione della V max

K .

m

ENZIMI REGOLATORI

sono capaci di modulare l’attività catalitica

Gli enzimi regolatori in risposta a certi segnali. Essi sono spesso

coinvolti nel controllo dei principali metabolismi e catalizzano reazioni chiave dei processi metabolici,

regolandone l’intero andamento. Normalmente, un enzima regolatore catalizza la prima reazione di una

sequenza metabolica e quindi costituisce il primo enzima di un sistema multienzimatico.

La regolazione può essere: l’azione di questi viene regolata dal legame reversibile con un

- allosterica, con enzimi allosterici;

metabolita regolatore detto modulatore. Questo legame determina una modificazione transitoria e reversibile

della conformazione dell’enzima;

- per modificazione da legame covalente (es. AMP, P e gruppi metile).

Sia gli enzimi allosterici che quelli modificati da legame covalente, sono proteine quaternarie che spesso non

presentano sito attivo e sito regolatore sulla stessa subunità.

Quando il substrato si comporta da modulatore, l’enzima è detto omotropico; se si tratta di molecola

diversa, si dice eterotropico.

Gli enzimi regolatori non seguono il modello di Michaelis-Menten. Si osserva un andamento sigmoidale

invece che iperbolico della curva di V0 f [S], dovuto a interazioni cooperative tra le subunità di enzimi.

MECCANISMI DI INDUZIONE E REPRESSIONE

Un altro tipo di regolazione dell’attività enzimatica prevede dei meccanismi che operano sulla sintesi

dell’enzima regolandone la produzione nelle diverse condizioni metaboliche. Esistono due meccanismi di

sintesi proteica, con formazione di:

- enzimi costitutivi, prodotti a velocità costante e con concentrazione costante indipendentemente dallo stato

metabolico dell’organismo che li produce. Sono presenti permanentemente nella cellula;

- enzimi inducibili, prodotti in piccolissime quantità in condizioni normali. La produzione aumenta β-

considerevolmente in risposta a speciali sostanze che generalmente fanno da substrato alla reazione (Es.

galattosidasi nel batterio E. coli, la cui produzione aumenta notevolmente quando è costretto a vivere in

presenza di solo lattosio come fonte di C ed energia).

La repressione può essere indotta da particolari sostanze che fanno scomparire dal corredo enzimatico gli

enzimi che servirebbero a produrre la sostanza stessa.

I meccanismi di induzione e repressione che interessano i processi di sintesi proteica e coinvolgono

fenomeni genetici, sono due esempi di regolazione dell’attività enzimatica e di risparmio energetico che le

cellule mettono in atto in particolari condizioni metaboliche.

ZIMOGENI

Gli zimogeni sono dei precursori inattivi di molti enzimi. La loro attivazione avviene mediante scissione

proteolitica di una parte di essi.

Esempi sono la chimotripsina e la tripsina, presenti nello stomaco e nel pancreas. Sono enzimi caratteristici

All’occorrenza, la rottura di

del metabolismo proteico, prodotti dalla cellula in forma inattiva di zimogeni.

legami peptidici ad opera di altri enzimi proteolitici, trasforma gli zimogeni in enzimi cataliticamente attivi.

ISOENZIMI

Gli isoenzimi sono forme multiple di un enzima, che differiscono nella composizione in amminoacidi,

essendo codificati da geni diversi.

Catalizzano tuttavia lo stesso tipo di reazione, pur presentando una diversa cinetica. Hanno parametri

cinetici Km e Vmax molto diversi fra loro.

Un esempio è l’enzima lattico deidrogenasi che presenta cinque isoenzimi diversi.

ENZIMI NEL TERRENO

Gli enzimi nel terreno si trovano soprattutto liberi ed extracellulari. Possono rimanere stabili e attivi per

migliaia di anni.

Nel suolo esiste un’attività catalitica inorganica ed enzimatica. Quest’ultima è più efficiente ma si può

eliminare con trattamenti termici energici (110-150°C per 15-30 h per la distruzione totale).

Esistono due grandi categorie di enzimi; proliiferanti e accumulati (liberi o immobilizzati). Per distinguerli si

o ossido di etilene o radiazioni UV) che estingue l’attività

può usare un agente sterilizzante (toluene

microbica ma non modifica quella degli esoenzimi.

Gli enzimi immobilizzati non sono altro che attività enzimatiche extracellulari associate a costituenti colloidali

organici (humus) e inorganici (argille e ossidi) del suolo. Gli enzimi vengono trasformati da catalizzatori

omogenei a catalizzatori eterogenei mediante il loro ancoraggio o immobilizzazione su supporti solidi.

L’immobilizzazione di un enzima consente di sfruttare le sue particolari proprietà in processi industriali e

biotecnologici. Un enzima immobilizzato ha diversi vantaggi, in quanto può essere riutilizzato, utilizzato in

processi continui e può presentare minore sensibilità agli agenti disattivanti.

L’immobilizzazione porta a vantaggi e svantaggi:

- maggiore resistenza termica;

- maggiore resistenza proteolitica, agli inibitori e ai metalli pesanti;

- possibilità di riutilizzo con separazione e allontanamento dei prodotti di reazione;

- cambiamenti di conformazione che possono rendere il sito attivo meno acceessibile;

riduzione della concentrazione effettiva dell’enzima;

-

- effetti microambientali di diversità di intorno del sito attivo rispetto alla soluzione.

Un enzima immobilizzato ha Km più alta, diversa specificità di substrato e diversi optimum di pH e T.

Nel suolo vi sono quattro classi di enzimi: ossidoreduttasi, idrolasi, liasi e transferasi.

Le prime due sono predominanti:

- polisaccaridasi e proteinasi (idrolasi), demoliscono macromolecole come carboidrati e proteine e sono

essenziali per i cicli biologici del C e dell’N;

- fosfatasi e solfatasi (idrolasi extracellulari) producono P e S nutrienti per le piante;

- altre idrolasi demoliscono fitofarmaci e xenobiotici;

(ossidoreduttasi intracellulari), danno informazioni sull’attività biologica delle popolazioni

- deidrogenasi

microbiche.

Gli enzimi del suolo sono usati come indicatori di fertilità. Nel suolo c’è una correlazione tra sostanze umiche

e attività enzimatiche (attività esterasica proporzionale al contenuto di sostanza organica).

L’attività enzimatica nel terreno riguarda alcune delle più importanti trasformazioni nei cicli di C, N, P, S.

Il terreno contiene ad es. ureasi che condizionano la fertilizzazione ureasica.

Ogni tipo di terreno è caratterizzato dal suo patrimonio di attività enzimatica, che si mostra efficiente anche

quando le condizioni ambientali sono proibitive per i microrganismi. In casi limite può aiutare la ripresa

vegetativa e l’avvio delle attività microbiche con ripristino delle condizioni favorevoli.

FOTOSINTESI è un processo di trasduzione dell’energia luminosa in energia chimica. Con essa le piante

La fotosintesi

sintetizzano composti organici da materiali inorganici, in presenza di luce solare. Non fornisce solo i

composti organici dai quali piante e animali ricavano energia ma costituisce anche la via principale

attraverso cui il C rientra nella biosfera, rifornendo nello stesso tempo l’atmosfera terrestre di ossigeno.

O →

CO + 2H [CH O] + H O + O

2 2 2 2 2

L’intero processo fotosintetico viene suddiviso in due fasi:

- fase luminosa, che può avvenire solo in presenza di luce. In questa fase, i pigmenti fotosintetici assorbono

l’energia radiante del sole e la trasformano in energia chimica sotto forma di legami fosfato nelle molecole di

luminosa viene utilizzato l’H dell’H

ATP e come potere riducente nel NADPH H+. Nella fase O e rilasciato

2

O2 come sottoprodotto;

- fase oscura, che non necessita di luce e può avvenire indifferentemente in presenza o in assenza di luce.

Nella fase oscura l’ATP e il NADPH, formati nella prima fase, riducono la CO , utilizzandola per la sintesi dei

2

carboidrati.

CICLO DELLA CO :

2 dell’atmosfera è la fotosintesi. Tutte le piante e gli

Il solo meccanismo naturale noto per utilizzare la CO 2

animali sono in grado di respirare attraverso un processo che avviene nel mitocondrio, e nel quale viene

consumato O2 atmosferico e si produce CO , H O e ATP.

2 2

La luce è la sorgente energetica per ogni processo vitale nella biosfera. È una forma di radiazione

elettromagnetica con proprietà d’onda e di particella (fotone). Ogni fotone, contiene una determinata quantità

L’energia di un fotone

di energia detta quanto. si calcola con la seguente:

ν ν = c/λ

E = h · con

h è la costante di Planck, pari a 6,63 · 10^-34 J·s. Nel vuoto la velocità della luce per tutte le lunghezze

d’onda è una costante, indicata generalmente con c.

L’atmosfera del sole consiste principalmente di H. Dalla fusione di 4 nuclei di H a formare un nucleo di

deriva l’energia del sole. Il processo di fusione avviene attraverso una serie di reazioni nucleari che si

He, 4H → He +

possono semplificare h·ν (energia). La massa del nucleo di He è minore della massa totale di 4

H; la massa perduta durante la fusione viene convertita in energia. Ed è emessa come fotoni o quanti.

Parte dell’energia radiante è incidente sulla terra e solo una piccola frazione è assorbita dalle piante.

con caratteristiche d’onda e particella, può

Sapendo che la luce è una forma di radiazione elettromagnetica

essere rappresentata come un’onda elettromagnetica che può viaggiare, in un solido, in un liquido , in un

gas e nel vuoto. Tuttavia, le radiazioni differiscono nella lunghezza d’onda, ossia nella distanza fra due

successivi picchi dell’onda. Le regioni di lunghezza d’onda λ interesse sono l’ultravioletto

di maggiore (UV),

e l’infrarosso

il visibile, (IR). λ Il limite inferiore è arbitrario ma nell’atmosfera sono

La regione UV è quella al di sotto di circa 400 .

nm

assenti radiazioni con lunghezze d’onda inferiori a 150. λ

La regione visibile (spettro visibile) si estende da 400 a circa 740 e si suddivide in varie bande (blu,

nm

verde, rosso). In tale intervallo vari organismi fotosintetici, sia procarioti che eucarioti, utilizzano parte

dell’energia raggiante disponibile, in funzione dei tipi di pigmenti che corredano il proprio apparato

fotosintetico. ha lunghezze d’onda maggiori rispetto allo spettro del visibile, estendendosi fino a circa

La regione IR

λ

100000 .

nm di luce impattante l’atmosfera terrestre è di 30MJ m^-2

La quantità giornaliera giorno^-1. Della luce

impattante l’atmosfera, il 5% sono raggi UV, 28% raggi visibili, 67% raggi IR. Di questa, solo il 58% arriva

sulla superficie terrestre. Ciò perché:

la maggior parte assorbita dall’O3 (ozono);

- la componente UV viene per

- la componente IR viene per la maggior parte assorbita dal vapore.

Quindi la quantità di energia solare che arriva sulla terra si suddivide: 2% UV, 45% visibile, 53% IR, con

atmosferiche, angolo d’incidenza, altitudine.

variazioni dipendenti dalle condizioni

L’energia della radiazione visibile, è fotosinteticamente attiva ed è utilizzabile dalle strutture molecolari

degli organismi fotosintetici.

può alterare l’organizzazione molecolare.

La radiazione UV

La radiazione IR accelera le reazioni chimiche e aumenta la mobilità molecolare.

La maggior parte dell’energia solare assorbita da una foglia, viene riemessa come radiazione IR e dissipata

come calore e perduta nell’evaporazione dell’H O. Pertanto, l’energia conservata è relativamente bassa ed è

2

quella che conduce la fotosintesi, gli altri processi metabolici ed i cambiamenti della temperatura fogliare.

L’efficienza fotosintetica è dello 0,14%.

I parametri luminosi fondamentali sono:

quantità di energia che colpisce l’unità di superficie nell’unità di tempo (W·m^-2

- radianza (o irradianza),

oppure J·s^-1·m^-2);

moli di fotoni che colpiscono l’unità di superficie nell’unità di tempo (moli·s^-1·m^-2

- radianza fotonica,

oppure E ·s^-1·m^-2);

- radiazione fotosinteticamente attiva (PAR), porzione dello spettro elettromagnetico utile ai processi

fotosintetici (400 nm - 700 nm). Ha le stesse dimensioni della radianza (W·m^-2).

I principali organi fotosintetici delle piante sono le foglie.

dell’attività fotosintetica I cloroplasti occupano l’8% del volume cellulare

La sede principale è il cloroplasto.

totale delle piante; hanno in genere forma lenticolare e sono in grado di riprodursi per semplice divisione. Si

trovano in numero da 1 a più di 100 per cellula.

Il cloroplasto è circondato da una doppia membrana detta involucro. La membrana esterna è relativamente

permeabile, quella interna si comporta da barriera selettiva, regolando il passaggio dei diversi soluti. Lo

spazio intermembrana regola il movimento dei prodotti intermedi del C in entrata e uscita dai cloroplasti ed è

la sede della biosintesi dei galattolipidi. L’involucro non contiene clorofilla ma carotenoidi.

I cloroplasti possiedono un terzo sistema di membrane dette tilacoidi, formatesi da invaginazioni della

membrana interna. Lo spazio interno dei tilacoidi si dice lume.

In determinate regioni vi è un sistema di tilacoidi appiattiti o lamelle organizzate in pile, detto grana. Un

grana è formato da almeno due o tre tilacoidi fino a oltre cento. Le piante superiori contengono circa

cinquanta grana per cloroplasto.

I grana sono immersi in una matrice priva di colore detta stroma, che circonda i tilacoidi e costituisce la sede

reazioni della fase oscura della fotosintesi. All’interno del cloroplasto, i grana sono uniti fra loro da un

delle

sistema di membrane dette lamelle stromatiche.

La substruttura dei tilacoidi dei grana è utile per la localizzazione dei diversi complessi proteici, sia integrali

che periferici. In molti casi le proteine integrali della membrana tilacoidale, presentano una parte orientata

verso lo stroma della membrana e l’altra parte verso il lume (interno del tilacoide).

I lipidi costituiscono non solo una matrice di supporto per i complessi proteici periferici e integrali, ma

funzionano anche come mezzo fluido che consente il verificarsi di processi di diffusione. I lipidi acilici

comprendono circa il 50% della massa del tilacoide. Sono prevalentemente galattolipidi elettricamente neutri

(MGDG e DGDG) e in percentuale inferiore fosfolipidi e solfolipidi. La membrana del tilacoide contiene poco

niente sterolo e i suoi lipidi presentano acidi grassi altamente insaturi (linolenico soprattutto) che

caratterizzano membrane più fluide.

I cloroplasti hanno un proprio DNA. Molte delle proteine presenti sono codificate da geni nucleari e vengono

sintetizzate, tutte o in parte, nel citoplasma come precursori e poi trasportate nel cloroplasto.

richiede un’espressione concertata di geni nucleari e geni cloroplastici. I prodotti

La biogenesi dei cloroplasti

di questi sono assemblati a formare complessi funzionali come i fotosistemi.

1/3 delle proteine ribosomiali del cloroplasto sono codificate dal DNA cloroplastico.

Nei tilacoidi sono presenti tre classi di pigmenti fotosintetici: clorofille, carotenoidi e ficobiline.

Le clorofille costituiscono il 4% del peso secco del cloroplasto.

Sono noti diversi tipi di clorofille:

- clorofilla a, presente in tutti gli organismi fotosintetici eccetto

batteri verdi e porpora, ossia in tutte le specie in cui la fotosintesi

porta all’evoluzione dell’ossigeno. La sua struttura è costituita da

un anello porfirinico (tetrapirrolico) idrofilo e una catena idrofoba.

L’anello è formato da 4 eterocicli collegati da ponti CH e con i 4 N

rivolti all’interno, che coordinano lo ione metallico (Mg) al centro.

Legata alla testa vi è una coda di un alcol terpenico a lunga

catena (fitolo);

- clorofilla b, che differisce dalla a per avere un gruppo formile

(CHO) al posto del gruppo metile sul secondo anello. È negli

organismi fotosintetici verdi (piante vascolari, briofite, alghe verdi

e euglenoidi);

- clorofille c1 e c2, pigmenti accessori in diversi gruppi di alghe,

come diatomee e feofite;

- clorofille d, che si trovano nelle alghe rosse;

- batterioclorofille presenti nei batteri verdi e porpora.

I carotenoidi sono presenti in piante verdi, alghe e batteri

fotosintetici. Sono terpenoidi e isoprenoidi a 40 atomi di C. Si

suddividono in caroteni (idrocarburi) e xantofille (idrocarburi

β-

ossigenati). Il carotene più rappresentato nelle piante è il

carotene, con 40 atomi di C e 9 doppi legami.

Le tre xantofille più abbondanti nelle piante verdi sono luteina,

violaxantina e neoxantina, con gruppi OH negli anelli terminali.

Le ficobiline sono presenti nelle alghe rosse e nei cianobatteri.

Presentano una struttura tetrapirrolica come le clorofille ma a

catena aperta, non ciclica.

Le ficobiline principali sono ficocianobiline e ficoeritrobiline.

La combinazione dei diversi cromofori (capaci di assorbire la

luce) permette alle piante di catturare gran parte dell’energia della

radiazione del visibile. Tutti i fotoni che raggiungono i pigmenti

assorbiti o dall’uno o dall’altro di essi.

vengono

Lo spettro di assorbimento della clorofilla a, presenta una banda

blu e una rossa e non assorbe il verde che viene riflesso (colore

caratteristico delle foglie).

L’assorbimento nel blu ha il suo massimo a 400 nm per la

clorofilla a solubilizzata in etere.

Quello nel rosso a 662 nm.

Sempre in etere, la clorofilla a presenta alcune bande minori, per esempio a 615 nm (banda arancio).

che provocano l’assorbimento

I raggi solari avviano delle reazioni fotochimiche di fotoni da parte dei

pigmenti fotosintetici. Secondo la legge di Stark-Einstein, una molecola può assorbire un solo fotone per

volta e quindi si ha un solo elettrone eccitato per volta.

I pigmenti contengono un elevato numero di doppi legami coniugati, che li rende capaci di eccitarsi

reversibilmente alle lunghezze d’onda nel visibile.

Un fotone di lunghezza d’onda appropriata eccita il pigmento, innalzando la sua energia di un valore che

ν).

corrisponde al quanto di luce assorbito (E = h ·

La clorofilla nello stato fondamentale è un singoletto, come quasi tutti i pigmenti importanti in biologia.

π

Quando un fotone viene assorbito, un elettrone su un orbitale di legame (il più esterno) salta ad un orbitale

π*).

di maggior livello energetico (orbitale di antilegame Si possono avere due tipi di stati di eccitazione:

L’energia del fotone assorbito determina il livello energetico dello stato

- stato di singoletto eccitato.

eccitato. Per la clorofilla esistono due principali stati di singoletto eccitato, che differiscono significativamente

nell’energia. Uno può essere raggiunto con l’assorbimento di luce rossa (662 nm), l’altro, a più alta energia,

è determinato dall’assorbimento di luce blu (430 nm)

in cui oltre al passaggio dell’elettrone

- stato di tripletto, a un orbitale di maggior livello energetico, deve

l’orientamento del suo spin. Lo stato di tripletto è più stabile ma molto più raro, in quanto c’è

essere invertito

bisogno di maggiore energia per poterlo provocare.

Una molecola eccitata non è stabile e gli elettroni ritornano rapidamente al loro stato fondamentale

dissipando l’eccesso di energia dello stato eccitato in modi diversi:

- convertendola in calore (diseccitazione non radiante);

- emettendola come fluorescenza, con emissione di luce, passando dallo stato eccitato di singoletto allo

stato fondamentale;

- emettendola come fosforescenza, con emissione di luce, passando dallo stato eccitato di tripletto allo

stato fondamentale;

- trasferendola per risonanza;

- con diseccitazione per reazione fotochimica.

Il trasferimento per risonanza si può avere secondo due vie: il dipolo elettrico dell’elettrone nello

- TRASFERIMENTO PER RISONANZA DIPOLO-DIPOLO (tipo Förster); con l’elettrone in stato

stato eccitato (donatore D*), crea un campo elettrico oscillante, entrando in risonanza

fondamentale di una seconda molecola (accettore A). L’energia del donatore viene trasferita all’accettore.

Completato il trasferimento l’elettrone donatore cessa di oscillare, mentre l’elettrone A diventa oscillante

risultando così eccitato (A*);

- TRASFERIMENTO PER RISONANZA DI SCAMBIO (tipo Dexter); le due molecole di pigmento coinvolte

formano un complesso di collisione in cui le loro nuvole elettroniche si sovrappongono. Ciò porta l’elettrone

all’accettore A (diventando A*

eccitato a spostarsi dal donatore D* eccitato eccitato), mentre un altro

si sposta dll’accettore A a D* che da eccitato diventa non eccitato D.

elettrone

Perché avvenga il trasferimento per risonanza, le due molecole del pigmento devono essere fisicamente

vicine, lo spettro di assorbimento dell’accettore deve sovrapporsi almeno in parte allo spettro di emissione

λ

del donatore e il pigmento accettore deve avere un picco di assorbimento maggiore di quello del pigmento

donatore.

La diseccitazione per reazione fotochimica, avviene per un trasferimento elettronico in un processo di

l’elettrone eccitato alla

fotossidazione. La molecola di pigmento che aveva assorbito il fotone, trasferisce

forma ossidata di una coppia di ossidoriduzione, che si comporta da molecola accettore e viene ridotta.

I pigmenti fotosintetici sono organizzati con proteine e altre molecole a formare i fotosistemi, costituendo i

complessi antenna e il centro di reazione.

Il centro di reazione è il sito del fotosistema dove si trova il pigmento fotoossidabile (dimero di clorofilla a).

La maggior parte dei pigmenti funziona da antenna. Solo uno su 250 è fotoossidabile e trasforma l’energia

radiante in energia chimica. Questo si trova nel centro di reazione.I complessi antenna captano la luce

solare e trasferiscono l’energia al centro di reazione dove avviene la reazione fotochimica primaria. L’energia

assorbita dai pigmenti antenna, viene progressivamente convogliata da pigmento a pigmento verso il centro

di reazione. Avvicinandosi ad esso, i pigmenti assorbono a lunghezze d’onda maggiori (verso il rosso).

L’energia dello stato di eccitazione che arriva al centro di reazione è ovviamente minore di quella alla

periferia del complesso antenna.

FASE LUMINOSA

Si definisce unità fotosintetica, una struttura altamente organizzata con circa 500 molecole di clorofilla e

altri pigmenti inseriti in complessi multiproteici di membrana, grazie ai quali si realizza al fase luminosa.

L’unità fotosintetica è ripartita in due blocchi:

- Fotosistema I (PSI), capace di assorbire fino alla luce rossa lontana (700nm). Il PSI si trova nelle lamelle

dello stroma ed è costituito da 250 pigmenti, di cui 200 clorofille e 50 carotenoidi. Il nucleo è costituito da

P700 (un dimero di clorofilla a) con un massimo di assorbimento intorno ai 700 nm. Rappresenta il pigmento

del centro di reazione nel quale tutta l’energia luminosa incidente di lunghezza d’onda superiore a 680 nm

viene catturata e utilizzata per le reazioni fotochimiche primarie.

- Fotosistema II (PSII), che assorbe fino alla luce rossa a 680 nm e molto poco la luce rossa lontana. Il PSII

si trova nei grana ed è costituito da 250 pigmenti (200 clorofille e 50 carotenoidi). Il nucleo è costituito da

P680 (un dimero di clorofille a con proteine) con massimo di assorbimento a 680 nm.

Ad entrambi i fotosistemi è associato un complesso LHC, che cattura la luce funzionando come antenna.

Questo nel PSI contiene clorofille e xantofille, nel PSII contiene clorofille e carotenoidi.

I due fotosistemi sono collegati dal complesso del citocromo b -f.

6

PSII:

L’antenna del PSII presenta due grossi polpeptidi trans-membrana detti CP43 e CP47, che contengono

clorofilla a.

C’è un complesso Mn associato al lato del lume tilacoidale ai peptidi D1, D2 e CP47 e protetto da proteine.

I polipeptidi D, sono proteine D1 e D2 integrali alla membrana tilacoidale. La D1 contiene P680, feofitina e il

sito per l’accettore chinonico secondario QB. D1 e D2 condividono il sito per QA.

Il citocromo b559 è integrato nelle membrane tilacoidali e consiste di due peptidi con due gruppi eme a

differente potenziale. Il cit b 559 è associato alle proteine D1 e D2.

è l’assorbimento della luce da parte dei pigmenti antenna. Poiché le

La prima fase della fotosintesi

reazioni fotochimiche avvengono solo nei centri di reazione, le eccitazioni devono essere trasferite per

risonanza alla speciale clorofilla presente al centro di reazione. Il trasferimento di energia a questo punto

termina. Le molecole speciali di clorofilla ai centri di reazione P680, sono pigmenti che tendono ad assorbire

a lunghezza d’onda più alta di quanto facciano gli altri tipi di clorofilla a.

Quando l’energia di eccitazione migra al P680, la molecola speciale di clorofilla a si porta ad uno stato di

trasferimento di elettroni per cui l’e-

singoletto eccitato. Avviene quindi un presente nello stato eccitato del

P680* passa ad un accettore di elettroni vicino, che fa parte della catena di trasportatori di e- dei cloroplasti.

Il P680, avendo perduto un elettrone, presenta un orbitale vuoto, ossia un buco elettronico, e una carica

L’accettore di e-

positiva (P680+). invece acquista una carica negativa (si riduce).

L’elettrone perso dal P680 deve essere rimpiazzato in modo da poter catturare l’energia di un altro fotone. È

a questo punto che interviene l’OEC (complesso evolvente ossigeno).

L'OEC è parte integrante del centro di reazione del PSII e presenta un sito attivo, il complesso Mn costituito

da quattro ioni Mn. Il complesso Mn può esistere in 5 stati S di ossidazione: da S a S

0 4

Questo è in grado di catalizzare la scissione di 2 molecole di H O (donatore iniziale) in 4 e-, 4 p+ e una

2

molecola di O .

2 +

I 4 elettroni passano uno alla volta al P680 per mezzo delle seguenti reazioni:

- un residuo di tirosina appartenente alla subunità D1 del PSII, chiamata Tyr , perde un elettrone ed un

z +

elettricamente neutro •Tyr. L'elettrone viene donato al P680

protone generando il radicale libero che così

torna allo stato di P680.

il •Tyr

- quindi, recupera l'elettrone perso ossidando uno dei quattro Mn del complesso Mn. In questo modo il

complesso diventa, elettrone dopo elettrone, sempre più ossidato passando progressivamente dallo stato

S allo a S .

0 4

- in questo stato di ossidazione il complesso Mn acquisisce 4 elettroni da 2 molecole di H O, rilasciando così

2

4 protoni ed 1 O nel lume tilacoidale.

2

Ad oggi però, la struttura del complesso Mn non è ancora del tutto chiara e questo impedisce la completa

comprensione del meccanismo che sta alla base della reazione 3.

Il citocromo b -f è un complesso proteico integrale di membrana contenente un citocromo f e un

6

citocromo b con due gruppi eme (b e b ) e una ferro-zolfoproteina di Rieske. Collega i due

6 6h 6l

fotosistemi e attraverso esso si ottiene l’ossidazione completa del PQH (plastochinolo) e la traslocazione

2

di protoni dallo stroma al lume (H+). Si ipotizzano un lato p (a basso potenziale) e un lato n (ad alto

potenziale) della membrana.

All’interno del complesso citocromo b f avviene il ciclo Q: una molecola di plastochinolo (PQH ) presente al

6- 2

lato p della membrana, viene ossidata (cede un elettrone) dalla ferro-zolfoproteina di Rieske. Questa a sua

l’elettrone a una proteina estrinseca (plastocianina) attraverso il citocromo f. Il PQH

volta cede inoltre, cede

2

liberandoli direttamente all’interno del lume.

due H+ Si forma così un semichinone PQ, il quale trasferisce un

suo elettrone all’eme b l’e-

sul lato p della membrana. Rapidamente e spontaneamente passa al lato n

6h

all’eme b ad alto potenziale. Successivamente si ha la riduzione di un semichinone PQ legato al lato n con

6h

l’elettrone del b . Il ciclo Q si completa con l’ossidazione di una seconda molecola di PQH2 al sito p

6h

seguendo la stessa serie di reazioni, con liberazione di altri due H+ nel lume.

In definitiva dal ciclo Q:

- per ogni e- trasferito attraverso il complesso citocromo b6f vengono rilasciati due H+ sul lato p;

- si ha una riduzione del citocromo b6;

- il trasferimento di e- dal citocromo b6 (lato p) al citocromo b6 (lato N) genera un potenziale di membrana;

Il citocromo f cede l’elettrone ricevuto alla PC (plastocianina) e questa, lo cede al P700 attraverso un

processo esoergonico.

PSI:

Il P700 consiste di clorofilla a dimerica (una sola si ossida).

Nel PSI è presente l’accettore A , è costituito da una molecola di clorofilla a (monomerica) e agisce da

0

accettore immediato dell’elettrone dal P700.

Vi è inoltre un accettore secondario A , costituito da due molecole di fillochinone (vitamina K1).

1

Nel PSI si trovano anche delle ferrozolfoproteine integrali della membrana tilacoidale: PsaA e PsaB. Queste

costituiscono un dimero che non è altro che il nucleo del fotosistema 1. PsaA e PsaB sono legate al centro di

reazione P700, gli accettori A e A e 40 clorofille a e 6 carotenoidi ciascuna. Fra le proteine PsaA e PsaB vi

0 1

è un ponte interpolipeptidico, costituito da un centro ferro-zolfo Fe4S4, noto come FX.

Importante è la PsaC, proteina non integrale, che possiede due centri Fe S detti FA e FB. Altre proteine

4 4

sono la PsaD che aggancia la ferredossina sul lato stromatico e la PsaF che aggancia la plastocianina sul

lato luminale.

Le proteine red-ox che interagiscono col fotosistema 1 (PSI) sono:

- plastocianina (PC), cuproproteina (contenente rame) periferica che agisce come donatore per il P700+ e

accettore diretto per il citocromo f;

- ferredossina (Fdx), è una ferro-zolfo proteina non emica. Si trova nello stroma e può aderire al PSI

tramite la PsaD;

- ferredossina-NADP+riduttasi (FNR), che è una flavoproteina;

- complesso antenna LCH I di cloforille-proteine associate al PSI.

Partendo dalla plastocianina, gli e- vengono trasferiti attraverso i componenti fotoattivi alla ferredossina sul


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MarcoP87

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Corso di laurea: Corso di laurea in scienze e tecnologie agrarie
SSD:
Università: Bari - Uniba
A.A.: 2015-2016

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher MarcoP87 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Biochimica Agraria e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Bari - Uniba o del prof Spagnuolo Matteo.

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