Biochimica BSA: Biochimica dei Sistemi e degli Apparati

Esame di biochimica

Biochimica- modulo BSA

Biochimica dei Sistemi e degli Apparati

Meccanismi di omeostasi e

Metabolismo controllo delle vie

• La rete del metabolismo metaboliche

• La respirazione cellulare e metabolismo • Controllo del pH

glucidico tamponi biologici

•

Glicolisi

• • Membrane biologiche e sistemi di

Decarbossilazione ossidativa

• trasporto

Ciclo di Krebs

• • controllo delle vie metaboliche

Fosforilazione Ossidativa

• biosegnalazione

•

Gluconeogenesi

• recettori, molecole segnale, strategie

•

Glicogenolisi e glicogeno sintesi

• di segnalazione chimica

• metabolismo lipidico circuiti biochimici

•

La beta-ossidazione

• enzimi segnapasso

•

Biosintesi degli acidi grassi

• Regolazione trascrizionale/traduzionale

•

• Catabolismo degli amminoacidi Regolazione allosterica--> vedi appunti

• enzimologia

Ciclo dell’urea

• Regolazione covalente: reversibile ed

•

• Via dei pentosi e dei fosfati irreversibile

• chetogenesi e corpi chetonici • controllo della concentrazione ematica di

glucosio

• Ciclo di Cori iperglicemia

•

• Ciclo Gls-Ala via di biosegnalazione

•

• Sistemi navetta per il potere riducente dell'insulina

ipoglicemia

• via di biosegnalazione del

• glucagone

digiuno prolungato

•

• Metabolismo del tessuto adiposo

• Tessuto muscolare

• Digestione dei nutrienti e riserve di

energia metabolismo

La rete del metabolismo

La biosfera: cicli di materie e flussi di energia

Gli organismi sono sistemi aperti, NON all'equilibrio, che scambiano

costantemente materia ed energia con l'ambiente circostante.

Questo flusso, che gli organismi instaurano con l’ambiente, non può interrompersi in

nessun istante della una vita dell’organismo perché è ciò gli consente di mantenersi

lontano dall’equilibrio chimico. L’equilibrio chimico è quello che si può stabilire, per

esempio , tra una pietra/organismo morto e l’ambiente.

L’unico modo per mantenersi lontano dall’equilibrio chimico è quello di assicurare questo

flusso di materia e di energia, che possa consentire all’organismo di costruire gli elementi

e le molecole di cui è fatto/ di costruire gli ingranaggi molecolari che costituiscono le sue

cellule, quindi dare corpo alle diverse funzioni che un organismo vivente è in grado di fare,

assicurandosi la sopravvivenza e la proliferazione(riproduzione).

L'equilibrio termodinamico per un organismo vivente equivale alla morte.

L'equilibrio termodinamico è uno stato in cui il ΔG dei processi interni a quel sistema è

ΔG=0, quando equivale a 0 vuol dire che nell'organismo non vi è energia libera per

compiere alcun lavoro.

Energia - l’unità di misura dell'energia è il joule (J)-

L'energia misura l'attitudine di un sistema compie un lavoro.

Il lavoro necessario per muovere un oggetto di una certa distanza (spostamento)

contro una forza resistente si calcola moltiplicando la forza per lo spostamento:

L = forza x spostamento (1 J = 1 newton m = 1 kg m2 s-2)

Un joule è il lavoro svolto esercitando la forza di un newton per una distanza di un

metro (circa pari a quello necessario per sollevare da terra un oggetto di 102 grammi per

un metro).

Un’unità alternativa, non del SI, è la caloria (cal).

Una caloria è la quantità di energia necessaria a scaldare un grammo di acqua da 14,5 a

15,5 °C alla pressione di 1 atm.

1 cal = 4,184 joule.

1 metabolismo

La termodinamica è estremamente importante poiché ogni processo, comprese le

reazioni chimiche che si svolgono in ogni istante dentro i sistemi viventi, si accompagna a

una variazione dell’energia.

Se c’è un processo, c’è una variazione dell’energia.

Primo e secondo principio della termodinamica

1) Il primo principio della termodinamica afferma che in un sistema isolato l’energia

può essere convertita da una forma all’altra, ma non può essere né creata né distrutta.

L’energia è costante.

Primo vincolo imposto dalla natura alle trasformazioni :

Possono verificarsi soltanto quei cambiamenti che lasciano inalterata l'energia

totale dell'universo. Sono cioè impossibili eventi capaci di alterare la quantità totale di

energia dell’universo.

2) Il secondo principio della termodinamica afferma che in un sistema isolato l’energia

tende a disperdersi in modo disordinato aumentando la sua entropia fino ad un valore oltre

il quale non sono più possibili trasformazioni.

Secondo vincolo imposto dalla natura alle trasformazioni:

Nessun evento può portare come bilancio netto ad un aumento dell’ordine

dell’universo. Sono cioè impossibili eventi capaci di aumentare il grado di ordine

dell’energia dell’universo. L’S aumenta.

In un sistema isolato, l'energia si conserva e può presentarsi in forme differenti (primo

principio). Nei processi di trasformazione, parte dell’energia tende a disperdersi in modo

disordinato e non più disponibile per compiere lavoro (secondo principio).

Il primo principio della Energia interna U

termodinamica, ΔU = Q + L, L’energia interna (U) di un sistema è una grandezza estensiva che

può essere applicato a corrisponde alla somma dell’energia cinetica e dell’energia

potenziale di tutte le particelle che lo compongono.

qualunque sistema, quindi

anche ad un organismo, che è L’energia interna, U, misura la capacità di un sistema di compiere

un sistema aperto in quanto lavoro.

“deve” scambiare energia e In base al primo principio della termodinamica, la variazione di

materia con l’ambiente energia interna ΔU di un sistema può essere scritta come: ΔU = Q

circostante. + L

Quando un organismo svolge N.B. In condizioni di T ° e P costanti e in assenza di lavoro

espansivo, U = H

una qualsiasi attività

(camminare, correre, saltare,

volare, ecc.), svolge un lavoro sull’ambiente che fa diminuire l’energia interna del

suo corpo (-L). Le attività che un animale svolge producono anche energia termica

che andrebbe ad aumentare pericolosamente la temperatura del suo corpo, se non fosse

2 metabolismo

continuamente ceduta all’esterno sotto forma di calore (-Q). Anche la perdita di calore

determina una riduzione dell’energia interna dell’organismo: ΔU = -Q – L <0

Pertanto, per ripristinare la propria capacità di compiere lavoro un essere vivente

deve assorbire energia dall’ambiente.

❗ ’organismo non assorbe energia “biologicamente utile” né sotto forma di calore né di

lavoro.

Per chiarire: nelle giornate molto calde, in cui il corpo dell’animale riceve calore

dall’esterno, questo calore non può essere utilizzato per le attività biologiche. Né si può

trasferire energia “biologicamente utile” sollevando l’animale ad una certa altezza dal

suolo, compiendo quindi su di esso un lavoro meccanico.

La fonte di energia, che permette di ripristinare l’energia interna persa con il lavoro (-L) o

con il calore (-Q), proviene dall’alimentazione; quando un animale mangia, recupera

parte dell’energia chimica immagazzinata negli alimenti per aumentare la propria

energia interna e mantenerla costante.

" L’insieme delle reazioni biochimiche che avvengono nel corpo dei sistemi viventi,

e che permette di estrarre energia biologicamente utile dalle molecole alimentari,

prende il nome di metabolismo.

Gli organismi viventi possiamo considerarli delle macchine biologiche che per funzionare

devono estrarre energia dai nutrienti e trasformarla in una forma di energia che possa

essere utilizzata per compiere lavoro.

Negli organismi viventi il meccanismo che si occupa di catturare l’energia chimica

dal cibo è il catabolismo.

Nel caso specifico, gli “ingranaggi” della “macchina biochimica” sono gli enzimi del

catabolismo del glucosio che fanno prendere alla reazione di combustione del glucosio

una strada alternativa, più lunga e complessa, ma più utile dal punto di vista biologico.

L’energia in eccesso dei reagenti non viene liberata tutta insieme, come in un motore a

scoppio, ma in piccole quantità, attraverso una successione di trasformazioni chimiche

controllate da enzimi.

La logica di fondo è quella di estrarre un po’ alla volta l’energia del cibo in modo da

incanalarla –senza pericolo di brusche variazioni di T e P del sistema – nella sintesi di

ATP, un composto ricco di energia in grado di fornire l’energia necessaria per il lavoro

biologico.

Rendimento

Π rendimento di una macchina termica = energia trasformata in lavoro/ l’energia

chimica che si libera dalla combustione del combustibile

- Π > 100% non si può ottenere per il primo principio della termodinamica, l’energia si

conserva e non si può creare dal nulla

3 metabolismo

Π < 100% deve sempre essere inferiore per il secondo principio della termodinamica,

l’energia termica non può essere convertita integralmente in lavoro LQ ≠ 1

• Π macchina = 25 % il restante viene eliminata dalla macchina sotto forma di calore

• Πcellula muscolare = 70% (nel glucosio quindi il 70% dell’energia può essere trasformata

in energia di sintesi)

In base al primo principio, se una reazione libera energia, le molecole prodotte devono

possedere meno energia dei reagenti, in quantità pari a quella liberata.

La reazione biochimica più universale della biosfera:

Questa reazione è fortemente sposata verso i prodotti e quando ha raggiunto l’equilibrio

libera una quantità enorme di energia —> questa energia potrebbe essere utilizzata dalla

cellula per svolgere tutti i lavori di cui ha bisogno, questo è motivo per cui il glucosio è il

combustibile per eccellenza dei sistemi biologici.

Le diverse modalità in cui avviene la combustione:

- Mettiamo una mole di glucosio (180 g) in una stufetta e accendiamo questa massa di

⇢

glucosio si sviluppa una fiamma che testimonia il rilascio di una grossa quantità di

energia (G°’= -2867,5). Che lavora fa questa fiamma? Poichè si sviluppa del gas

(CO2) e anche del vapore acqueo, queste molecole si espandono e fanno un lavoro

espansivo nei confronti dell’aria, tutto il resto viene rilasciato sotto forma di calore.

Πstufa = L =0 quindi L/Q= 0 se noi facciamo avvenire la nostra reazione all’esterno, ad

esempio in un cammino, questo non è organizzato, non ha una modalità in cui la

reazione può avvenire in modo ordinato. La reazione porta al rilascio dell’energia

perché data dalla differenza dell’energia tra reagenti e prodotti (più stabili), per il primo

principio l’energia in più esce dal sistema, va nell’ambiente e poiché l’ambiente non è

equipaggiato per trasformarla in alcunché, questa energia si riversa sotto forma di

calore e non compie alcun lavoro utile.

- Ora immaginiamo di mettere una mole del glucosio (180 g) in una caldaia e di

⇢

accendere la massa del glucosio Si sviluppa una fiamma che va a scaldare l’acqua

contenuta nel serbatoio, il vapore acqueo che si sviluppa per il riscaldamento dell’acqua

fa muovere un pistone, legato all’albero motore della locomotiva, presente in uno

stantuffo. In questo modo l’energia può essere utilizzata per far muovere la locomotiva.

Per sfruttare l’energia presente nel combustibile c’è bisogno di una macchina che

contenga degli ingranaggi idonei;

Π = L/Q= 25% la maggior parte dell’energia viene liberata sotto forma di calore

4 metabolismo

Adesso vediamo il processo di combustione nelle cellule:

-Una mole di glucosio (180 g) viene convertita,ad

ΔG° = -2867.5 kJ/mol

opera di percorsi biochimici diversi, in 2 molecole di

NADH e 2 molecole di piruvato(Glicolisi)—> dal

piruvato si formano molecole ancora più semplici di

Negli organismi viventi il meccanismo che si occupa di catturare

acetile attivati dal CoA( acetil-CoA)

l’energia chimica dal cibo è il catabolismo.

Nel caso specifico, gli “ingranaggi” della “macchina biochimica” sono

(decarbossilazione ossidativa).

gli enzimi del catabolismo del glucosio che fanno prendere alla

reazione di combustione del glucosio una strada alternativa, più

Queste reazioni costituiscono una macchina con cui 2 CO

lunga e complessa, ma più utile dal punto di vista biologico. 2

L’energia in eccesso dei reagenti non viene liberata tutta insieme,

la cellula è in grado di liberare a pacchetti l’energia

come in un motore a scoppio, ma in piccole quantità, attraverso una 6 O 2

contenuta nel glucosio che verrà

successione di trasformazioni chimiche controllate da enzimi. La 6 H O

2

logica di fondo è quella di estrarre un po’ alla volta l’energia del cibo

smontato( comprende tante tappe, in ogni tappa si 4 CO

in modo da incanalarla senza pericolo di brusche variazioni di T e 2

verifica una modificazione).

P del sistema nella sintesi di ATP, un composto ricco di energia in

grado di fornire l’energia necessaria per il lavoro biologico.

L’obiettivo è di ricavare energia utilizzabile dal

punto di vista biologico (ATP): da una singola

molecola di glucosio si ricavano 32 molecole di ATP. Questo vuole dire che la cellula,

ΔG° = -30.5 kJ/mol

nel trasformare il glucosio in CO2 e H20, utilizzando l’ossigeno è in grado di produrre 32

moli di ATP. ΔG° = -30.5 x 32 kJ/mol = 976 kJ/mol

ATP ( ADP + Pi ) In condizioni standard:

Rendimento = Lavoro biochimico/Energia liberata =

G°’= 976/2867.5 = 34%

- 30.5 • 32 KJ/mol = -976 KJ/mol (corrisponde all’energia utile)

In condizioni fisiologiche il rendimento è circa del 70%!

Π = (976/2867) * 100 = 34% G°’, G

Questo valore sembra così basso perché si riferisce al MA è il di reazione che

ci informa sulla quantità reale dell’energia contenuta nella cellula.

Tutte le reazioni chimiche sono processi reversibili, cioè alla fine giungono ad un

particolare punto chiamato equilibrio chimico.

È la posizione all’equilibrio che ci indica se la G°’ aspetto teorico, non è

reazione reversibile(G =0) è completa o incompleta. il parametro più utile per

capire cosa sta succedendo

G.

- L’equilibrio della reazione è definito dal nella cellula;

G0 è l’aspetto più utile,

- La posizione dell’equilibrio chimico dipende dal dipende dalla reale

valore della costante di equilibrio che a sua volta dipende

G’°.*La concentrazione delle

dal concentrazione iniziale dei R o dei P è molecole (dei reagenti e dei

irrilevante. prodotti);

5 metabolismo

ESEMPIO: Reazione di combustione dell’idrogeno molecolare;

all’equilibrio la reazione è spostata verso i reagenti o verso i prodotti?

2H2+ O2 2H20 ∆G’°<< 0

Se poniamo in una stanza due moli di Idrogeno molecolare e una mole di Ossigeno

molecolare e accendiamo una sigaretta la reazione procede molto rapidamente (reazione

esplosiva) e si raggiunge l’equilibrio .

La reazione è molto spostata verso i prodotti ciò significa che il ∆G’° è MOLTO

NEGATIVO

(Al contrario se avessimo una reazione con ∆G’° POSITIVO. La reazione sarebbe

spostata verso i reagenti.)

Il valore del ∆G’° di ogni reazione è una costante ed è tabulato, indica la posizione

dell’equilibrio.

❗ a cambiare è il rapporto [P]/[R] rappresentato dalla lettera Q e chiamato “rapporto di

massa” o “quoziente di massa”. In base a questo rapporto la reazione può aumentare o

diminuire il suo ∆G , il quale determina se la reazione è spontanea o meno in una certa

direzione e se la reazione ha raggiunto l’equilibrio (∆G=0).

6 metabolismo

Se una reazione ha un ∆G’°<0, ma andando a calcolare la quantità di reagenti e

prodotti vediamo che la quantità dei primi è maggiore della quantità dei secondi,

significa che la reazione non è avvenuta o non è all’equilibrio dunque è irreversibile.

Molte reazioni che avvengono nel nostro corpo sono NON SPONTANEE, tendono

dunque a non realizzarsi nella direzione che ci interessa.

Queste reazioni sono sfavorite dal punto di vista termodinamico in quanto hanno un

∆G’°>0 ma i relativi prodotti sono necessari per la cellula.

Per esempio, la sintesi delle proteine è la condensazione tra amminoacidi standard ed è

un processo non spontaneo che richiede energia. Questa energia deve essere fornita

dall’esterno, altrimenti la proteina non verrebbe prodotta. L’energia necessaria proviene da

reazioni che liberano energia in grandi quantità e queste reazioni sono reazioni del

catabolismo.

Le cellule utilizzano Glucosio e Acidi Grassi come nutrienti energetici in quanto sono

molecole instabili dal punto di vista termodinamico, ricche di energia chimica e la loro

combustione in presenza o in assenza di Ossigeno libera energia la quale serve per

alimentare tutto ciò che la richiede.

Questo discorso è riferibile alla sintesi di qualsiasi prodotto a partire da molecole più

semplici.

7 metabolismo

Che cosa spinge in avanti le reazioni