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Biochimica generale

Appunti completi del corso con immagini integrate. In particolare sono presenti proteine e loro strutture, enzimi, metabolismo glucosio, grassi e proteine, DNA e RNA. 102 pagine totali. Appunti basati su appunti personali del publisher presi alle lezioni del prof. Bonomi.

Esame di Biochimica generale docente Prof. F. Bonomi

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ESTRATTO DOCUMENTO

- tutti i legami a idrogeno sono allineati

lungo la generatrice di questo cilindro

- tutte le catene laterali degli

amminoacidi sporgono verso l'esterno

di questo cilindro

2. Struttura a beta-foglietto → le

principali differenze con la struttura ad

alfa-elica sono:

- i legami tra CO e NH non sono sulla

generatrice del cilindro ma sono nel

piano.

- non c'è più la necessità di rispettare la

cadenza ordinata dei legami dell'alfa-

elica, infatti gli amminoacidi che

formano la struttura possono essere

lontanissimi.

- questo tipo di struttura non comporta

l'avvicinamento di due catene polipeptidiche ma può essere fatta da una serie di catene

polipeptidiche affiancate. La stabilità è data dal numero di legami a idrogeno che si

formano.

Come si realizza una struttura con dei fili affiancati

partendo da un filo solo? Esistono due strutture.

1. Struttura beta-foglietto a filamenti antiparalleli

→ i fili decorrono in verso opposto

2. Struttura beta-foglietto a filamenti paralleli → i

fili decorrono nello stesso verso

Per realizzare la prima ci basta fare una curva e per

questo la chiamiamo beta-turn; per realizzare la

seconda dobbiamo fare giri più lunghi che

chiamiamo beta-loop → il risultato è sempre con la

stessa stabilità. Più sequenze partecipano a formare

questi accoppiamenti più la struttura è stabile.

Una struttura secondaria per poter essere stabile deve rispettare alcune condizioni:

1. Nella sequenza non deve esserci la prolina altrimenti non si possono girare le piastrine.

NB: Le proteine del latte sono piene di proline per un motivo specifico → le proline

impediscono la formazione di strutture complesse perché impediscono la rotazione → sono

più digeribili e attaccabili dall'organismo.

2. Questi residui devono essere sufficientemente grossi da impedire l'accesso dell'acqua perché

altrimenti si crea competizione nella formazione dei legami.

3. Nella sequenza non devono essere presenti residui con le stesse cariche. In questo caso

significherebbe che tutte le catene porterebbero un carbossile, e a pH=7 i carbossili sono

carichi negativamente. Il risultato è che se entrambi sono negativi, si respingono a vicenda

→ instabilità legata alla repulsione di carica- Se ci fosse stato pH=2, non sarebbero stati

carichi quindi non ci sarebbe stata repulsione.

4. Nella sequenza non devono essere presenti amminoacidi ramificati (valina e isoleucina) → il

loro ingombro sterico impedisce la stabilità

Esempio del rapporto tra struttura e funzione

La presenza di un certo tipo di struttura è in grado di impartire alle proteine alcune proprietà fisiche

fondamentali. Il caso più clamoroso di proteina con proprietà fisiche fondamentali è la fibroina.

Essa si trova in alcuni secreti di invertebrati come la bava del baco da seta e la bava dei ragni.

Questa proteina quando si asciuga l'acqua in cui è disciolta comincia a formare delle strutture

compattissime. La resistenza a carico di rottura è di circa 800 kg per mm quadrato mentre l'acciaio

ad esempio ha un carico di rottura di 600 kg per mm quadrato.

Queste proteine hanno tutte struttura a foglietto ripiegato

ma ciò che ne determina la resistenza è la regolarità della

struttura. Nella sequenza si susseguono glicina alanina e

ogni tanto una prolina che permette il ripiegamento del

sistema. Succede che quando queste proteine si sbarazzano

dell'acqua si dispongono nel modo più stabile possibile e i

residui di alanina si intercalano con i residui di glicina che

sporgono da un'altra struttura esattamente come i dentini di

una cerniera. Si ottiene una struttura compatta in cui l'acqua

non entra e che è impossibile quasi deformare per trazione

→ grande resistenza allo scorrimento.

LA STRUTTURA TERZIARIA

La struttura terziaria delle proteine comprende tutti i tipi di legami chimici che hanno il compito di

stabilizzare la struttura secondaria. Non esiste un solo tipo di legame ma diverse interazioni, alcune

forti e altre più deboli. Queste interazioni di norma non coinvolgono gli atomi che partecipano al

legame peptidico ma coinvolgono le catene laterali dei singoli amminoacidi.

Analizziamo i tipi di interazione in ordine di energia di legame, dal più forte al più debole.

1. Il principale agente stabilizzante della struttura secondaria è anche l'unico legame covalente

che si può stabilire tra catene laterali di amminoacidi. Si tratta del legame disolfuro che

nasce da un passaggio di ossidazione per cui il tiolo di una cisteina reagisce con il tiolo di

un'altra cisteina in presenza di un agente ossidante → il risultato è la formazione di un

legame disolfuro tra due catene laterali di cisteina.

La sua particolarità risiede nel fatto che è facile da formare ma altrettanto facile da rompere.

Considero una proteina che contiene due ponti disolfuro e un tiolo → se due proteine di

questo tipo interagiscono si verifica uno scambio di disolfuri (disulfide-exchange); infatti

il tiolo di una delle due proteine va a ridurre un legame disolfuro dell'altra proteina e come

conseguenza qualcosa si deve ossidare → quello che risulta è la transizione del legame di

solfuro da una condizione intramolecolare, ossia presente in una molecola soltanto, a una

condizione intermolecolare, ossia che collega più molecole tra loro. → tuttavia il numero

totale di disolfuri e tioli non è cambiato. → si tratta di una reazione redox interna.

In ambito alimentare il legame disolfuro è importante ad esempio nel mantenimento della

struttura a barile della betalattoglobulina. La disulfide-exchange è invece quella che entra in

gioco nella cottura del bianco dell'uovo. Inoltre ci sono proteine molto piccole con grande

abbondanza di legami disolfuri e per questo sono estremamente compatte → sono

impossibili da srotolare e arrivano nel nostro tratto digerente intatte. Esse si trovano soltanto

nei vegetali e il nostro organismo se la riconosce produce degli anticorpi contro di esse → il

risultato è che le LTP sono i più potenti allergeni alimentari. Ad esempio sono presenti nelle

nocciole.

2. Il secondo agente stabilizzante in ordine di solidità di legame è rappresentato dalle

interazioni idrofobiche tra le catene di amminoacidi non polari. Le catene laterali di

questi amminoacidi non si legano con l'acqua, perciò il sistema tende a minimizzare le

interazioni tra queste catene laterali e il solvente acqua. Quest'ultima costringe queste

molecole a stare vicine tra loro per formare un core idrofobico della proteina lontano dal

solvente acquoso.

Es 1: Considerando sempre la betalattoglobulina si può notare che tutti i residui idrofobici

sono affacciati verso l'interno della molecola proteica con lo scopo di catturare molecole

idrofobiche per trasportarle. Infatti i nutrienti come gli acidi grassi essenziali e le vitamine

passano dalle ghiandole mammarie al latte e da queste al vitellino veicolati da questa

proteina all'interno di questo barile idrofobico.

La figura a destra mi mostra la

proteina come una struttura legata

da un lato e un'alfaelica dall'altro.

L'alfaelica presenta le sue regioni

idrofobiche rivolte verso il barile

idrofobico e non verso l'acqua che

esercita una spinta entropica

sull'alfaelica impedendole di cambiare la sua posizione. Se alzo la temperatura la capacità

dell'acqua di ordinarsi attorno ai residui idrofobici viene meno e il risultato è che l'alfaelica

si stacca dal resto. → ciò è importante perché al di sotto dell'alfaelica vi è la cisteina che

partecipa a queste reazioni e se io la libero essa può reagire con diverse altre molecole. Se

essa reagisce con altre molecole di betalattoglobulina si forma la ricotta → noi scaldiamo il

siero di latte che contiene la betalattoglobulina e facciamo la ricotta. Se scaldiamo il latte a

temperature molto elevate il sistema proteico si apre, il tiolo esce allo scoperto e interagisce

con altri tioli → il risultato è che se si tratta il latte con il metodo UHT non si riesce più a

farci il formaggio perché le proteine non sono più le stesse e hanno interagito a causa

dell'esposizione del gruppo -SH.

Es 2: Nel caso dell'albumina serica, la

proteina più abbondante nel nostro

plasma sanguigno (70 g/litro), 34

residui di catena formano 17 ponti

disolfuro. La loro presenza impedisce

il collasso delle regioni idrofobiche

allineate lungo l'evidente solco apolare

nella sua struttura, che le consente di

esercitare la sua funzione fisiologica,

ossia il trasporto ematico di acidi

grassi.

3. Un altro tipo di interazione che può avvenire è quella ionica per cui amminoacidi carichi

positivamente interagiscono con amminoacidi carichi negativamente per pure ragioni

idrostatiche. Come posso intervenire in queste situazioni?

• Modificazione del pH → Se alzo il pH aumento le specie cariche negativamente ma

diminuisco quelle cariche positivamente, se lo abbasso viceversa → perciò posso

modulare la forza di questo tipo di interazione. È questo il motivo per cui alcuni

alimenti si conservano sotto aceto, ossia per inibire il funzionamento di alcune proteine.

• Modificazione della forza ionica del mezzo → Posso inoltre intervenire su queste

interazioni cambiando la forza ionica del mezzo, cioè aggiungendo ioni. Essi inibiscono

le interazioni perché se ho due proteine, una carica positivamente e una carica

negativamente, e aggiungo ad esempio NaCl succede che Cl- si lega con le cariche

positive e Na+ con quelle negative realizzando un fenomeno di schermatura di queste

cariche → rivestendo le due proteine le possibilità di interazioni si abbassano.

C'è un caso più complesso perché le interazioni ioniche possono entrare in gioco anche

quando ci sono una serie di cariche negative nella mia struttura. Immaginiamo di avere una

regione della proteina con una nuvola di cariche negative, come si tiene insieme questa

proteina? Può succedere che in quella zona si inserisca uno ione bivalente, solitamente

calcio e magnesio. Essi vanno a formare un ponte tra queste zone cariche negativamente e

impediscono la rottura della proteina.

Es 3: Nell'ambito pratico ciò che abbiamo detto si traduce nell'aggiunta del succo di limone

al latte per produrre la ricotta. Esso causa l'abbassamento del pH e protono alcuni di questi

carbossili → la struttura non sarà più in grado di legare il calcio e sarà perciò molto meno

stabile di una soluzione di latte che non contiene limone.

4. Nelle metalloproteine, una classe di proteine coniugate, il legame tra metallo e proteina non

è elettrostatico ma è un legame di coordinazione → esso è più robusto perché c'è una

partecipazione di elettroni alla sfera di legame.

La proteina in figura ha una struttura molto stabile e

proviene da un batterio, il Pirococcus Fogliosus che

vive a 141 °C. Essa è cosi stabile perché contiene un

metallo, il ferro, che lega con quattro legami di

coordinazione. Per noi alimentaristi ciò significa che

molte proteine degli alimenti sono metallodipendenti e

per

funzionare

hanno

bisogno di

avere questi metalli coordinati al loro sito attivo.

Es 4: Proteine che contengono metalli ma che

sono associate ad essi per dare strutture complesse. Nella figura a sinistra c'è la ferredossina

in cui quattro atomi di ferro formano legami di coordinazione con quattro residui di cisteina

→ struttura interessante dal punto di vista evolutivo perché sono le più antiche

metalloproteine.

5. Le catene laterali degli amminoacidi possono stabilire tra di loro o con gli atomi coinvolti

dei legami a idrogeno. In questo caso per intervenire sui legami a idrogeno posso:

• Usare il calore → un legame a idrogeno per essere stabile deve avere i tre atomi che

partecipano perfettamente allineati. Se ciò non accade il legame idrogeno perde

stabilità. Scaldando introduco una mobilità a livello molecolare e le possibilità che gli

atomi siamo allineati tra loro diminuisce.

• Sfruttare l'azione di alcuni agenti chimici → I più noti tra essi sono gli agenti caotropi

che comprendono urea e guanidina. Esse sono dei caotropi perché sono perfettamente in

grado di interagire con l'acqua. Se gli sciolgiamo a concentrazioni elevate sono i grado

da un lato di proporsi come candidati alternativi per la formazione di legami a idrogeno

e dall'altro sono in grado di disordinare la struttura dell'acqua → In presenza di questi

agenti caotropici i legami idrofobici si rompono perché l'acqua non riesce a esercitare la

sua azione entropica.

NB: Il passaggio dalla struttura secondaria a quella terziaria può avvenire per sotto strutture

assemblate a crearne una sola → la struttura terziaria deriva in molti casi dall'assemblaggio di

diversi domini strutturali di proteine. Essi sono unità strutturali indipendenti accoppiate in

un'unica catena polipeptidica. Questo fatto ha portato a un grande vantaggio evolutivo perché i

domini possono essere interscambiati per compiere funzioni biologicamente diverse.

I modi in cui le proteine possono essere assemblate a partire dai domini sono molteplici:

• Se una proteina nasce dalla fusione di domini di proteine diverse è detta proteina di fusione.

• Un dominio interessante può essere ripetuto nella proteina un numero n di volte e poi essere

utilizzato.

STRUTTURA QUATERNARIA

Una struttura quaternaria è una mega struttura terziaria stabilizzata dalle stesse interazioni sopra

illustrate in cui partecipa più di una catena polipeptidica. Se sono presenti catene polipeptidiche

tutte uguali si parla di oligomeri e di omopolimeri mentre se sono presenti catene diverse si parla di

subunità, ossia di proteine diverse che si associano in modo permanente per rispondere a certe

funzioni fisiologiche.

IL FOLDERING

L'acquisizione da parte degli amminoacidi di strutture proteiche di ordine superiore prende il nome

di processo di folding → per noi alimentaristi conoscere come avvengono i processi di

ripiegamento è fondamentale poiché alcune celebri patologie alimentari derivano dall'assunzione di

proteine non propriamente ripiegate. Il caso più celebre è quello del morbo della mucca pazza

(encefalopatia spongiforme bovina) che deriva dalla forma scorrettamente ripiegata (misfolding) di

una certa proteina. Questo processo è alla base di molte altre patologie, ad esempio il morbo di

Alzheimer.

Le modalità con cui si può attuare il processo di folding sono molteplici:

• Folding spontaneo → è la modalità più semplice. In questo caso gli eventi che portano il

polipeptide ad attuare un certo tipo di ripiegamento sono tutti favoriti dal punto di vista

termodinamico. Poiché la forma ripiegata rappresenta in assoluto quella più stabile, accade

che nel tempo il polipeptide si ripiega fino a formare la struttura nativa, ossia quella che ha

quando è attivo e funzionale dentro l'organismo. Il caso classico per spiegare tale

processo è l'esperimento di Anfinsen.

L'esperimento consisteva nella

denaturazione e rinaturazione della

ribonucleasi, proteina che facilita

l'inserimento del materiale genetico

degli spermatozoi. La proteina veniva

denaturata in urea con un agente

ossidante, il betamercaptoetanolo →

in queste condizioni si rompono i

quattro ponti disolfuro degli otto

residui di cisteina e si scindono le

interazioni idrofobiche ottenendo una molecola destrutturata. Allontanando poi l'urea e

l'agente ossidante e facendo si che la proteina si asciugasse all'aria, essa riacquista

spontaneamente la sua struttura.

• Folding assistito → A causa di questo esperimento per anni si è pensato che tutte le proteine

attuassero spontaneamente il processo di folding, fino a quando non si è cominciato a

produrre le proteine artificialmente scoprendo che tali processi sono in realtà assistiti da

altre proteine. Alcune di queste proteine lavorano senza utilizzare energia, altre invece

lavorano con dispendio di energia chimica. Della prima famiglia appartengono la PRO

isomerasi, che ha il compito di isomerizzare la prolina, e la PDI (proteina disolfuro

isomerasi) che ha due funzioni principali. La prima è quella di intervenire nella sua forma

ridotta prendendo una proteina sbagliata e attuando uno scambio di disolfuri → prende il

disolfuro intramolecolare e lo trasforma in un disolfuro intermolecolare con lo scopo di

formare un nuovo disolfuro, questa volta corretto. La seconda è quella di intervenire nella

sua forma ossidata catalizzando la formazione di legami disolfuro sulla proteina che non li

forma.

Della seconda famiglia, ossia quella delle

proteine che lavorano con dispendio di

energia fanno parte i chaperoni e i

co-chaperoni. Essi sono delle enormi strutture

macromolecolari che servono per ripiegare le

proteine agendo come presse e costringendole

ad assumere una certa forma.

La struttura in figura a destra è formata da circa 8000 amminoacidi. La parte che lavora come pressa

è quella rossa che contiene una cavità idrofobica dove c'è la proteina che voglio raddrizzare.

Quest'ultima è deformata in quanto sbagliata ma quando entra nella cavità i suoi residui idrofobici si

legano ai residui idrofobici della cavità e così vengono distesi. A questo punto si uniscono la

sezione verde e quella gialla → essa usa l'energia chimica per far ruotare le parti sottostanti → il

processo ha lo scopo di riportare la proteina nello stato nativo.

I DIVERSI LIVELLI DI STRUTTURA AL LAVORO

IL COLLAGENO

Il collageno è la principale proteina del tessuto connettivo. Esso nel nostro organismo forma i

tendini, la copertura delle articolazioni e delle pareti interne di vasi e arterie e consente la

trasmissione della forza esercitata dai muscoli. Negli alimenti carnei esso impartisce le

caratteristiche di resistenza. Esso si articola in diversi livelli strutturali:

• La struttura primaria è fatta dal ripetersi del motivo molto semplice di -X-Pro-Gly- e l'unica

variazione è la presenza di idrossiprolina al posto della prolina.

• Nessuno di questi amminoacidi è compatibile con la

formazione di una struttura secondaria, tuttavia

osservando la struttura del collageno notiamo come

essa sia molto ordinata → tre singoli polipeptidi si

uniscono tra di loro a dare un segmento di elica tripla;

successivamente molte di queste strutture a elica

tripla si assoceranno tra loro per creare una

microfibrilla. Cosa tiene insieme questa struttura?

Principalmente i legami gialli in figura → si tratta di

pochi legami a idrogeno tra il CO e gli NH del

legame peptidico. Questo impartisce al collageno una

prima particolarità interessante sfruttata in

gastronomia, ossia il fatto che facendo bollire il

collageno i legami a idrogeno si rompono e il

collageno passa in soluzione → possiamo fare il

brodo. Se esso raffredda si gelatinizza → questo fatto

mostra che il processo di rottura e formazione del legame a idrogeno è reversibile.

Tuttavia la stabilizzazione della tripla elica da soli legami a idrogeno rende la struttura

fragile e per questo, se il tessuto che contiene il collageno deve sopportare sforzi meccanici

di una certa intensità, occorre irrobustire la struttura formando legami covalenti trasversali

(cross-links) tra i singoli filamenti di tropocollageno → più numerosi sono questi legami

trasversali più elevata è la resistenza meccanica di questa proteina e inoltre il numero di

questi legami cresce col crescere dell'età dell'individuo → Questo fatto è spiegato da due

considerazioni; la prima è che i neonati hanno le ossa molto più elastiche di quelle degli

adulti e la seconda riguarda la carne di vitello → essa è molto più tenera rispetto a quella del

bovino adulto perché nella sua carne i legami del collageno non si sono ancora formati.

Inoltre in gastronomia la gelatina si ricava quasi sempre dalla colla di pesce, questo perché

la forza meccanica che deve sostenere un pesce nell'acqua è inferiore rispetto a quella

sostenuta da un essere nell'aria → perciò i legami trasversali nel collageno di un pesce

saranno minori di quelli nel collageno di un uomo.

Chi forma i legami trasversali? Nella struttura primaria del collageno può essere presente una

lisina che viene ossidata da un enzima detto lisino-ossidasi → questa proteina per lavorare ha

bisogno di un cofattore, ossia l'acido

ascorbico (vitamica C) → si chiama

così perché previene lo scòrbuto = è

una malattia causata da una grave e

prolungata carenza di vitamina C. In

tal caso l'organismo non riesce a

formare legami trasversali tra i fili del

collageno che rimane molle. I sintomi

visibili sono la facilità di perdita dei

denti, il sanguinamento delle gengive,

la persistenza prolungata degli

ematomi e anche la rottura di vasi

sanguigni e capillari. → è la prima

volta che troviamo un nesso causale

tra alimentazione – stato patologico –

biochimica.

Come avviene il processo per la

formazione della tripla elica? La

formazione della tripla elica del

tropocollageno è un processo non

spontaneo, che prevede una serie di

modificazioni post-traduzionali in diversi comparti della cellula.

L'assemblaggio delle triple eliche del

tropocollageno nella fibrilla capace di

sopportare sollecitazioni meccaniche

avviene nello spazio extracellulare,

dove vengono formati i legami covalenti

trasversali. La proteina viene fabbricata

sui ribosomi e quando esce da essi

subisce una prima modificazione post-

traduzionale. Infatti alcune delle

proteine presenti nella sequenza sono

trasformate in idrossiprolina che può

attaccarsi a degli zuccheri ottenendo una

glicoproteina, ossia una proteina

coniugata in cui ci sono, oltre agli

amminoacidi, anche degli zuccheri. A

questo punto le proteine cominciano a

intrecciarsi → per fare questo è necessario tenere ferma una parte della molecola per intrecciare

l'altra. Per questo l'estremità C-terminale dei peptidi modificati viene annodata con due legami

disolfuro. Una volta completata la treccia e formati i legami a idrogeno che stabilizzano la struttura,

le code all'estremità N-terminale e il nodo all'estremità C-terminale vengono tagliati → la proteina

viene rilasciata nello spazio extracellulare dove incontra altre molecole sue simili e andrà a formare

le triple eliche che conferiscono ulteriore stabilità alla struttura.

NB: Cosa succede se combino

più di un residuo di allisina

modificato? In questo caso si

forma una struttura a quattro

catene che si combinano

formando una rete che è

deformabile a differenza di una

struttura a fascia. Questa struttura

si trova in tutti i tessuti che

servono da ammortizzatore, ad

esempio quelli che stanno sotto i

nostri denti o che ci consentono di saltare senza che ci rompiamo le ginocchia. Dal punto di vista

alimentare il tessuto a rete è quello che conferisce gommosità alla carne. Certi tagli li avvertiamo

come gommosi perché hanno strutture aggrovigliate e quindi deformabili → in queste strutture ci

sono residui di desmosina che connettono delle strutture reticolate.

IL TRASPORTO INTERTESSUTALE DI OSSIGENO MOLECOLARE

EMOGLOBINA E MIOGLOBINA

Analizziamo l'esempio più famoso di relazione struttura –

funzione in una proteina → le diverse caratteristiche

strutturali delle proteine interessate consentono il trasporto

di ossigeno dagli organi responsabili ai tessuti. La proteina

di cui ci occupiamo è quella responsabile del trasporto di

ossigeno dall'atmosfera ai

principali utilizzatori, ossia i

mitocondri dentro i tessuti.

Come arriva l'ossigeno

dall'aria ai mitocondri? Di

questo processo si occupano due proteine: la prima circola nei globuli

rossi ed è l'emoglobina e la seconda si trova nei muscoli e si chiama

mioglobina → e

sse sono simili dal punto di vista strutturale poiché

hanno una massa di 16000 Da (160 aa) ed entrambe contengono un gruppo non proteico detto

eme. Tuttavia l'emoglobina (nel sangue) possiede una struttura quaternaria, e la mioglobina (nei

muscoli) no.

L' eme è una struttura porfirinica eterociclica planare idrofobica . Dalla catena laterale sporgono

alcune cariche e in mezzo a questa struttura c'è uno ione ferro che funziona solo nello stato di

ossidazione +2 (ferro ferroso). Nel caso in cui esso si ossida e diventa ferro +3 si parla di

metmioglobina e metemoglobina → questa ossidazione impedisce al ferro di legarsi alla struttura e

visivamente ad esempio la carne cambia colore da rossa a marrone.

Il ferro centrale si lega con 6 legami di coordinazione:

• Quattro legami di coordinazione li forma con 4 azoti pirolici presenti nell'eme → ci sono 4

strutture a cinque atomi disposti a croce e ciascuna di queste presenza un N che coordina col

Fe.

• Un legame di coordinazione viene fatto con un altro N che si trova nella catena laterale di

un'istidina, un residuo della proteina, che contatta direttamente il ferro → per questo viene

chiamata istidina prossimale. In realtà c'è un'altra istidina che chiamiamo distale e serve per

orientare correttamente la molecola di ossigeno.

• Il sesto legame di coordinazione è con l'ossigeno che entra di punta nella molecola. Un

secondo ossigeno è poi legato all'istidina distale.

Cosa trattiene questa struttura nella proteina?

La struttura planare formata dall'anello porfirinico è

infilata in una 'tasca' idrofobica nella struttura proteica.

Questa 'tasca' è formata da due molecole di istidina (His),

che è quella che noi roviniamo quando aggiungiamo il

succo di limone → in questo caso infatti essa si protona e

smette di interagire con il ferro.

Una prima molecola di istidina, quella prossimale,

interagisce direttamente con lo ione ferroso al centro

dell'eme. Una seconda istidina, quella distale, assicura il

corretto posizionamento della molecola di ossigeno

rispetto allo ione ferroso. I due residui di

istidina

(prossimale e

distale) si

trovano su

elementi diversi di struttura secondaria, in particolare su

due diverse alfaeliche. → perciò la struttura terziaria

serve a tenere fermo il gruppo eme e ad assicurare che

l'ossigeno si disponga in un certo modo.

Dopo aver capito a cosa serve la struttura

terziaria dobbiamo capire come funziona e

il motivo per cui le strutture terziarie di

emoglobina e mioglobina sono una

monomerica e l'altra tetramerica

→ per fare ciò dobbiamo innanzitutto

capire come si lega il loro ossigeno.

Il grafico a destra mostra le curve di

saturazione di mioglobina e emoglobina.

Sull'asse delle ordinate c'è Y che

O2

rappresenta la frazione di gruppi eme

presente in una certa proteina che porta

legato l'ossigeno (frazione saturata). Sull'asse delle ascisse c'è invece pO , ossia la pressione

2

parziale dell'ossigeno espressa in torr.

Se osserviamo la curva parabolica in nero della mioglobina essa ci dice che essa si riempie di

ossigeno soprattutto a basse concentrazioni di O e inoltre perché lo rilasci sono necessarie

2

concentrazioni di ossigeno veramente basse → comportamento ideale per una proteina muscolare.

Se osserviamo invece il comportamento dell'emoglobina essa lega bene O quando è presente in

2

grande quantità ma lo rilascia facilmente quando c'è bassa concentrazione di ossigeno → se Hb si

comportasse come Mb la cessione di ossigeno sarebbe molto inefficiente → fortunatamente la

struttura tetramerica dell'emoglobina le consente di cambiare la sua affinità per l'ossigeno e il

trasporto avviene in maniera efficiente.

Come si cambia la qualità di una proteina? Per ottimizzare la funzione dell'emoglobina occorre che

la sua affinità per l'ossigeno cambi in funzione della disponibilità (alta nei polmoni, bassa a livello

muscolare) → questo si realizza con un meccanismo di controllo allosterico dell'affinità.

Vediamo come esso si realizza nell'emoglobina.

Nella figura (a) l'istidina distale (in alto) crea tensione nella

struttura. Nella figura (b) l'ossigeno si lega a una delle quattro

molecole proteiche che costituiscono l'emoglobina e questo

provoca il cambiamento della struttura dell'eme che diviene

perfettamente piatto → ho un sistema equilibrato perché

l'ossigeno tira dal basso e bilancia la tensione dell'istidina

distale. L'eme è piatto tuttavia è in contatto con i residui

idrofobici che lo tengono fermo e con l'istidina distale → il

risultato è che il raddrizzamento dell'eme provoca lo

spostamento di tutta l'alfaelica su cui poggia l'istidina

prossimale. → Il modesto movimento dell'istidina prossimale

si traduce in un ampio movimento dell'elica F, che porta

all'esposizione di alcuni residui idrofobici. L'esposizione dei

residui idrofobici porta a un ampio riarrangiamento strutturale

che coinvolge la subunità adiacente, che a sua volta cambia

leggermente la sua struttura. Questa modificazione

conformazionale si ripercuote sulla molecola vicina e ne

aumenta la capacità di legare l'ossigeno. Questa legherà più

ossigeno e trasmetterà la notizia alla molecola vicina e cosi

via → grazie a ciò la molecola di emoglobina passa da uno

stato a bassa attività a uno ad alta attività.

L'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno cambia anche in funzione dei cambiamenti del pH ematico.

Infatti nel sangue esiste una variazione di 0.2 sul pH se questo viene calcolato a livello polmonare

oppure a livello del tessuto muscolare. Tale differenza di pH esiste perché, a differenza del tessuto

polmonare, il tessuto muscolare funziona usando l'ossigeno come comburente e il materiale

carbonioso (zuccheri, grassi) come combustibile → tramite il processo di combustione si forma CO 2

che si scioglie in acqua formando acido carbonico che abbassa il pH a livello muscolare.

Tramite uno studio Bohr ha scoperto che il

rilascio di ossigeno è facilitato dal pH basso e

viene invece impedito dal pH alto → più è alto

il pH più l'emoglobina è affine all'ossigeno.

Questo processo è detto effetto Bohr. Dal

punto di vista grafico questo effetto comporta

uno spostamento della curva di saturazione

dell'emoglobina.

NB: La struttura eme ha la capacità di legare diversi composti e non solo l'ossigeno. Tra i più

significativi ricordiamo il cianuro e il monossido di carbonio. Quest'ultimo si lega al posto

dell'ossigeno sia che il ferro sia +2 o +3 e inoltre una volta legato ad esso non è possibile che si

stacchi → per questo motivo è molto pericoloso per l'uomo.

Nell'industria alimentare tuttavia il legame tra monossido di carbonio e ferro del gruppo eme viene

sfruttato poiché questo legame conferisce alle carni un attraente colore rosso ciliegia che inganna il

consumatore. Per questo motivo molti supermercati americani conservano le carni in contenitori

trattati con monossido di carbonio.

CATALISI ENZIMATICA

Una tra le più importanti funzioni delle proteine è la catalisi, ossia la regolazione delle reazioni che

avvengono all'interno delle cellule. Ovviamente l'esito di ogni trasformazione chimica è governato

da processi termodinamici, in altre parole una reazione avviene solo se la variazione di energia

libera all'interno del sistema è di segno negativo → ciò significa che il sistema passa da uno stato ad

alto contenuto di energia (instabile) a uno stato a minore contenuto di energia (più stabile).

Tuttavia, perché una reazione avvenga, non è sufficiente una variazione negativa dell'energia libera,

infatti occorre spesso superare una barriera di attivazione anche in una reazione

termodinamicamente possibile → l'energia necessaria al superamento di tale barriera è detta energia

di attivazione. Il numero di molecole che riescono a superare tale barriera dipende da due fattori: la

quantità di energia somministrata e l'altezza della barriera da superare. Tutti i catalizzatori,

comprese le proteine, alterano la

velocità (e NON l'equilibrio!) di

una reazione diminuendo la sua

energia di attivazione → ciò

significa che a parità di energia

somministrata e di tempo, il

numero di molecole che

reagiscono aumenta.

Come funziona un catalizzatore?

Per quanto riguarda la proteina, essa presenta una struttura complessa

che consente di avvicinare tra loro il composto che deve reagire

(substrato) con l'enzima (catalizzatore). Una volta che il legame si è

creato a livello del sito attivo, substrato e enzima si trovano vicini a dei

residui amminoacidici che sono in grado di accelerare la reazione → il

complesso enzima-substrato viene così convertito in un complesso

enzima-prodotto. Poiché la stabilità del complesso enzima-prodotto è

di norma inferiore a quella del complesso enzima-substrato, una volta

che il catalizzatore ha svolto la sua funzione, il prodotto si stacca e

l'enzima può tornare a svolgere la sua funzione senza essere stato

consumato nel corso del processo catalitico.

Es: Osserviamo il sito attivo della chimotripsina, un enzima

pancreatico che catalizza la rottura del legame peptidico nel tratto digerente. In particolare essa

agisce sugli amminoacidi idrofobici → ciò significa che nella struttura terziaria della chimotripsina

c'è una tasca idrofobica che riconosce i residui idrofobici. Quando arriva un residuo di chirosina

viene legato con un orientamento preciso, in modo che il suo carbossile si ponga in modo adiacente

ai tre amminoacidi colorati Ser, His, Asp. Essi si trovano vicini nello spazio anche se sono

lontanissimi nella sequenza grazie alla presenza della struttura terziaria della proteina. I tre

amminoacidi sono definiti triade catalitica e la loro combinazione costituisce il sito attivo

dell'enzima proteolitico.

Un altro importante enzima proteolitico che svolge la stessa funzione nel nostro organismo è la

tripsina. La differenza con la chimotripsina consiste nel fatto che i residui idrofobici della tripsina

riconoscono gli amminoacidi basici e non quelli idrofobici.

Ciò che è importante soprattutto per noi alimentaristi, è che un enzima per essere funzionante

deve avere la sua struttura terziaria intatta. Su questo concetto sono basati tutti i meccanismi

per la sanificazione delle superfici alimentari.

Cosa succede quando

aggiungiamo un enzima a un

substrato?

Quello che succede lo si vede

nella diapositiva in cui c'è un

sistema stabile, ad esempio il

saccarosio. Se aggiungiamo alla

soluzione di acqua e saccarosio l'enzima invertasi accade che il disaccaride saccarosio si scinde in

fruttosio e glucosio e via via il saccarosio scompare. Le curve il figura non sono lineari perché la

quantità di enzima in grado di funzionare dipende dalla concentrazione di substrato, per cui al

diminuire della concentrazione di substrato, la formazione del complesso enzima-substrato diventa

più difficile → il risultato è la non linearità della velocità della reazione.

Formalizziamo il processo:

• L'enzima E lega il substrato S

• Si forma il complesso enzima-substrato ES

• Si converte in complesso enzima-prodotto EP

• EP si separano in E + P

Se definiamo la velocità della reazione v, essa dipende da due parametri, ossia la concentrazione

del complesso enzima-substrato e il valore k che rappresenta la capacità catalitica intrinseca

cat

dell'enzima ed è un termine estremamente variabile. Ad esempio l'enzima catalasi, che catalizza la

4

reazione del perossido di idrogeno ossia 2H O → H O + O ha una velocità di reazione di 10 moli

2 2 2 2

di substrato convertite al secondo ed è la catalizzazione più veloce conosciuta.

Inoltre la velocità di formazione del prodotto dipende

dall'affinità dell'enzima con il substrato. Questo paramentro

è descritto da K , ossia la costante di dissociazione del

d

complesso enzima-substrato → più bassa è K più è alta

d

l'affinità tra enzima e substrato.

L'equazione di Michaelis-Menten consente di combinare l'abilità dell'enzima nel catturare il

substrato e quella nel convertirlo, e descrive dal punto di vista fenomenologico la reazione tra

velocità iniziale di una reazione enzimatica e la concentrazione del substrato. Essa afferma che la

velocità di una reazione enzimatica, ossia il numero di moli di prodotto formate nell'unità di tempo,

è funzione lineare della concentrazione dell'enzima e funzione non lineare della quantità di

substrato presente e dell'abilità dell'enzima di catturarlo.

V = [E] k [S]/([S] +K ) v = V [S]/([S] + K )

cat m max m

V = velocità di formazione del prodotto quando l'enzima è tutto presente come ES. Essa dipende

max

da k e dalla concentrazione dell'enzima. Il rapporto k / K esprime l'efficienza catalitica di un

cat cat m

enzima.

Il grafico di Michaelis-Menten correla la velocità V della reazione enzimatica con la concentrazione

del substrato [S] → la costante K coincide dal punto di vista fenomenologico con la

m

concentrazione di substrato a cui la velocità di reazione è metà di quella massima.

Il grafico a destra mostra la dipendenza

velocità/concentrazione del substrato per tre diverse

concentrazioni di enzima (1E, 2E, 3E) → si vede che la

velocità di reazione cresce in modo linearmente

proporzionale alla quantità di enzima presente.

Questa relazione vale qualunque sia la concentrazione

del substrato.

Può darsi che la stessa reazione sia svolta da più forme enzimatiche. In questo caso tali proteine

sono dette isoenzimi e presentano differenze a livello di k oppure in termini di affinità per il

cat

substrato. La cellula usa gli isoenzimi quando si trova in condizioni metaboliche diverse.

Il 90% degli enzimi noti può modificare il suo k o K in funzione di determinati meccanismi di

cat m

controllo. → possiamo modulare in una cellula la velocità a cui avviene una reazione enzimatica

senza cambiare la quantità di enzimi presenti.

Le reazioni catalizzate dagli enzimi avvengono lentamente e in più tappe per 3 motivi:

1) ottenere intermedi utili—es. Dallo zucchero che assumiamo, otteniamo gli amminoacidi che

costituiscono le proteine.

2) Conservare energia che ricavo da queste reazioni e utilizzarla in modo utile; es. Ricavo energia

dalla consumazione della fetta di torta: uso questa energia per compiere movimento, ecc..

3) Regolare in modo indipendente la velocità delle tappe

Come regolo l’attività enzimatica

1)La quantità di enzima presente nella cellula dipende dalla velocità con la quale viene prodotto e

smontato l’enzima.

Non tutte le cellule producono enzimi, non per una questione genetica ma per mancanza di

espressione.

Ma il fatto che sia presente l’enzima nella cellula non è sufficiente ad ‘aprire il rubinetto’; tutte le

proteine hanno un tempo di emivita: dopo un po’ devono essere smontate e ricostruite.

Es. La vita media di un globulo rosso è di 3 giorni

2) presenza di sufficiente substrato per permettere il funzionamento dell’enzima; molto spesso il

substrato e l’enzima si devono trovare nello stesso posto.

3)molte volte ci sono enzimi diversi che lavorano in condizioni diverse

Ammesse che tutte queste condizioni siano soddisfatte (c’è l’enzima, c’è il substrato), abbiamo a

disposizione dei meccanismi per regolare la velocità degli enzimi, cioè modificarne in positivo o in

negativo la quantità, QUINDI intervenire nella cellula modificando l’efficienza catalitica (kcat/km)

dell’enzima—posso diminuire km o aumentare kcat, accelerando l’attività enzimatica OPPURE

posso aumentare km e diminuire kcat, interrompendo l’attività dell’enzima.

Posso fare il controllo dell’efficienza catalitca attraverso 3 sistemi:

1)modificazione covalente—attacco/stacco qualcosa all’enzima e in questo modo lo potenzio/lo

rendo normale

2) utilizzo di inibitori =molecole negative, che sono in grado di rallentare l’attività dell’enzima.

Queste molecole si distinguono concettualmente dagli effettori che possono essere negativi

(rallentano l’enzima) o positivi (velocizzano l’enzima).

Es. Modificazione covalente—abbiamo delle cellule che secernono degli enzimi che tagliano

proteine (PROTEASI)— questi enzimi lavorino solo fuori dal nostro organismo e non dentro le

cellule del nostro organismo: tagliano le proteine della carne, non quelle del nostro fegato—questo

perchè quando vengono fabbricati, vengono fabbricati sotto forma di PRECURSORI INATTIVI—

per poter diventare attivi bisogna rimuoverne un pezzetto.

Il primo pezzetto che rimuoviamo, diventa attivo su un altro sito—si instaura una reazione a catena.

INIBITORI

-ho enzima (C) + substrato (O)à il substrato si inserisce perfettamente nell’enzima e viene

convertito in prodotto. Questo è un legame PRODUTTIVO

MA se invece è presente un substrato diverso, l’enzima lo percepisce ma non lo converte in niente

—enzima invece di legarsi col substrato a dare il complesso enzima-substrato, si lega con questa

molecola che non può essere trasformata a dare un complesso enzima-inibitore. Questo è un legame

improduttivo.

È come se avessimo rubato un po’ di enzima, perchè quando l’inibitore si lega all’enzima, non può

più legarsi al substratoàper questo motivo chiamiamo questo inibitore ‘COMPETITIVO’.

L’inibitore più comune nei processi cellulari è il PRODOTTO DELLA REAZIONE—parliamo in

questo caso di inibizione competitiva da prodotto. L’enzima non funziona perchè legato a sè c’è il

prodotto e non il substrato

Questo è un primo esempio di controllo a retroazione/a feedback in cui il prodotto di una reazione

regola la velocità in cui si produce.

Es. Enzima prende l’acido succinico e lo trasforma in acido fumarato. L’inibitore di questo enzima ,

il succinato-deidrogenasi, si lega allo stesso sito a cui si lega l’acido succinico, ma non può venir

trasformato.

EFFETTORI

-effettori allosterici (=in un altro posto)--> si legano in un sito apposito nella struttura terziaria della

proteina che non è nè il sito catalitico nè il sito di legame del substrato, modificando la struttura

terziaria e quaternaria della proteina e quindi alterandone la capacità catalitica.

-possono essere postivi o negativi –abbassano la capacità catalitca OPPURE potenziano l’attività

catalitica.

Abbiamo quindi uno strumento per regolare l’attività dell’enzima usando molecole molto differenti

dal punto di vista chimica rispetto alle molecole dell’enzima.

Torniamo a sequenza A-->B-->C ecc

Se prendo il prodotto K e lo uso come effettore positivo dell’enzima 5, una volta formato lo invita a

una maggiore produzione del prodotto stesso, dato che è presente in grandi quantità nella cellula e

dovrà combinarsi con altri prodotti.

Ma K potrebbe essere ad esempio un metabolica pericoloso per la cellula! Supponiamo che

rappresenti il colesterolo—la cellula percepisce la presenza e invita a produrne di menoà k si

comporta da effettore negativo

Questo è un controllo a retroazione in cui i livelli cellulari di un certo metabolica agiscono su

enzimi molto distanti dalla strada che porta alla formazione di questi composti, di modo da fermare

in tempo la via che porta alla loro formazione.

Ci sono altri fattori che intervengono sull’ attività dell’enzima:

nel caso in cui li utilizziamo in vitro (su un sistema alimentare, non dentro le cellule)-->

1) temperatura—di norma, maggiore è la temperatura, migliore è il funzionamento dell’enzima,

fino a una certa soglia. Al di sopra di questa, infatti, l’enzima di sfascia e cessa di funzionare.

2)pH—stesso discorso della temperatura. Tutti gli enzimi sono caratterizzati da un optimum di pH

per il loro funzionamento.

Per il funzionamento dell’enzima, devono essere presenti cariche + e -.

3)forza ionica del mezzo—se ho enzima in cui sono presenti 2 cariche (1 positiva e 1 negativa) e

aggiungo NaCl, l’interazione con il sale indebolisce l’interazione tra quelle cariche.

4) presenza di agenti chelanti nel prodotto alimentare—es.. Quando faccio Macedonia, non metto

HCl per acidificare, ma l’acido citrico (succo di limone), perchè esso impedisce che il ferro e il

àsottrae

rame presenti nei frutti collaborino tra loro per dare colore nero i frutti metalli necessari al

funzionamento.

Utilizzo di enzimi nelle produzioni alimentari (non nelle cellule, ma al di fuori):

1) finalità produttive

A-enzimi sono molecole in grado di rompere dei legami, utilizzando l’ h2o, quindi di catalizzare

una reazione idrolitica—utilizziamo gli enzimi per Idrolisi del lattosio ad esempio, viene scisso

dall’enzima beta-galattosidasi in glucosio e galattosio--> questo processo rende il latte digeribile.

Gli enzimi sono in grado di effettuare idrolisi dei polimeri (amido, proteine) per produrre i prodotti

da forno (pane, panettone, pizza)---tagliando l’amido, i tempi di crescita del lievito vengono

accorciati e dunque anche i tempi di produzione; tagliando l’amido, esso non cristallizza, e quindi il

prodotto non diventa

B-isomerasi—=enzima che converte un isomero in un altro

Es. HFCS (=sciroppo ad alto contenuto di fruttosio)—per produrlo, si prende lo sciroppo di

glucosio, lo si tratta con un enzima, metà di quel glucosio si converte in fruttosio. il fruttosio è 5

volte più dolce del glucosio, e 2 volte più dolce del saccarosio alla stessa concentrazione; dunque

sono la base delle bibite gasate.

C-ossidoreduttasi—sono enzimi che strappano elettroni da un composto e li trasferiscono—tutti i

composti colorati che si formano negli alimenti derivano da queste reazioni ossido-riduttive,

controllabili attraverso il controllo degli enzimi es. Il rosso del vino

2) finalità analitiche e marcatori di processi

A-enzimi come MARCATORI DI QUALITÀ--Per conoscere quali enzimi sono contenuti negli

alimenti. Se troviamo un enzima che non ci doveva essere, c’è qualcosa che non va

Es. Signore ha fatto ravioli, li ha venduti negli USA e dopo un mese gli sono tornati indietro perchè

diventavano neri. Diventavano neri perchè dentro vi era un enzima che ossidava il ripieno. Si è

scoperto che nella farina era presente un enzima che derivava da una contaminazione fungina, che

non ci doveva essere-->

B-enzimi come MARCATORI DI PROCESSO—gli enzimi sono molto sensibili (ad es. Alla

temperatura), per cui vedendo quanto ne è rimasto, possiamo capire quanto è stato severo il

trattamento subito dall’enzima.

-enzimi come strumenti analitici: posso sapere cosa è presente in un certo alimento---> gli enzimi,

proprio perchè sono proteine, sono specifici per un certo substrato (metabolizzano solo il glu, se

sono specifici per quello zucchero e non andranno a metabolizzare il fruttosio).

Come si fa a dosare (=misurare) il glucosio presente in alimento

-si ricorre a una sequenza di enzimi. C’è un primo enzima (esochinasi) che prende una molecola dei

glucosio e si forma la forma fosfolirata del glucosio. Questo glucosio, solo se etichettato, viene

riconosciuto da un altro enzima, che prende il C in posizione 1 e lo trasforma il un carbonio

carbossilico (--l’ha ossidato)—gli elettroni e i protoni che avanzano dalla reazione vanno su una

molecola, NADP, che li prende e da ossidata diventa ridotta. Questa molecola, quando si riduce,

cambia colore.

Posso misurare la quantità di colore che si è formata—l’intensità di colore è correlata alla quantità

di glucosio presente nell’alimento in modo direttamente proporzionale.

Questo è il principio su cui si basano tutti gli analizzatori di glucosio.

Es. Supponiamo di avere succo di frutta—voglio sapere se è genuino (contiene solo fruttosio),

oppure se è costituito dall’aggiunta di sciroppo di glucosio, o di sciroppo di barbabietola (contiene

saccrosio).

Come faccio? Utilizzo un Kit enzimatico—prendo la soluzione liquida e vedo come cambia il

colore quando aggiungo gli enzimi, dato dalla trasformazione del glucosio in una forma ossidata.

Se voglio ottenere informazioni sulla quantità di fruttosio presente nel succo--Al mio enzima

aggiungo l’ enzima ISOMERASI, che isomerizza il fruttosio al glucosio. A questo punto si forma

dell’ altro colore. Questo perchè l’enzima ha preso il fruttosio che c’era in soluzione e l’ha

trasformato in glucosio. Un enzima—ha attaccato un fosfato al glucosio; l’altro enzima ha ossidato

il glucosio etichettatoàil risultato è che il colore che ho è stato formato dal secondo enzima a

partire dal fruttosio ed è proporzionale alla quantità di fruttosio presente nel succo.

Enzimi come marcatori di processi

-al fine di sapere quanto è rimasto alla fine del processo, sapendo quale enzima c’è all’interno di

una certa materia prima. In base alla maggiore o minore presenza dell’enzima, assume diversi nomi.

Questo tipo di studio è interessante perchè ci consente di predire il comportamento di un materiale

alimentare sottoposto ad un processo.

Es. Voglio sapere come cambia la velocità di morte al cambiare della temperatura—> dal punto di

vista pratico, misuro l’attività dell’enzima non ancora trattato, lo metto a bagno (ad es nell’acqua

bollente)ed esso inizia a distruggersi; dopo un tot di tempo effettuo un’altra misura per vedere

quanto enzima è rimasto vivo dopo averlo esposto per un certo tempo a una certa temperatura ---più

alta è la temperatura, più velocemente e radicalmente l’enzima si distruggerà.

A 45° si distrugge lentamente, a 65° si distrugge più rapidamente e a 85° l’enzima si ustiona.

Questo tipo di andamento, ossia di decremento progressivo dell’attività di un enzima, segue la legge

cinetica di primo ordine.

Il rapporto tra l’attività al tempo t (At) e l’attività iniziale (Ao) è funzione esponenziale di 2

parametri:

1) T (tempo)

2) K1 (costante di velocità della reazione)

2 osservazioni pratiche:

1) La Costante di velocità ha come dimensioni TEMPO elevato alla -1 (andrà più veloce una

reazione con costante di velocità 10 sec^-1 piuttosto che 10 min^-1--- questi dati vanno letti come :

‘quanti eventi succedono nell’unità di tempo? Quante cellule muoiono nell’unità di tempo?’ nel

primo caso, muoiono 10 cellule al secondo; nel secondo caso muoiono 10 cellule al minuto, quindi

muoiono 60 cellule in meno)

Da questa relazione, si passa alla sua forma logaritmica:

-pendenza retta: -k1

Cosa curiosa:

Quanto tempo ci vuole perchè l’attività iniziale si dimezzi (quindi che il rapporto valga 0.5)?

-c’è un tempo di dimezzamento : ci consente sei stimare la stabilità di una molecola proteica.

Es. Se T ½= 1 min—mi è rimasto 0.5, ossia il 50%

Dopo T ½ = 2 min—mi è rimasto la metà: 0.25, ossia il 25% e così via..

Strumenti predittivi

In realtà questo tipo di approccio viene utilizzato nel campo dei processi alimentari in funzione

della sua capacità predittiva—infatti, se effettuò uno studio su come si inattiva un enzima, posso

prevedere come si comporta l’enzima a temperature che non posso esplorare dal punto di vista

alimentare; questa previsione dettata dalla termodinamica: l’equazione di Arrhenius afferma che la

costante di velocità di qualsiasi reazione dipende dalla temperatura:

A)in modo esponenziale

B)coinvolge 2 termini (energia di attivazione + costante dei gas e il reciproco della temperatura

assoluta)

Quindi posso costruire un grafico semplice in cui mettiamo il reciproco della T assoluta e il log

della costante di velocità della nostra reazione (in questo caso di inattivazione) –siamo in grado di

dire come si comporta il sistema a 110° o a 4°--ho misurato precedentemente quanto si distrugge

l’enzima a certe temperature, adesso posso predire come si comporta

Noi siamo dei sistemi viventi sensibili alla temperatura

Pensiamo al sistema vivente umano—se la temperatura corporea viene mantenuta a 37°C possiamo

vivere per molto tempo, es.80 anni

Se la temperatura corporea fosse di 42°C, vivrebbe 8 ore

Se la temperatura fosse di 4°C, vivrebbe 20 minuti

Il che vuol dire che i tempi di dimezzamento variano da pochi minuti, a ore, ad anni.

Conseguenza: Nel caso di noi essere umani,e in molti sistemi biologici, questo comportamento non

è rettilineo ma spezzato.

Tutti i sistemi biologici hanno una temperatura, chiamata temperatura di transizione, al di sopra

della quale il processo (in questo caso di perdita di vita) viene enormemente accelerato.

A quella temperatura cambia il meccanismo della reazione che causa l’inattivazione degli enzimi e

quindi la sensibilità alla temperatura.

Stabilità enzimi

-più stabile—ha la velocità di attivazione più bassa(in cui muoiono di meno)

-Concetto di stabilità dipende dall’intervallo di temperatura che stiamo considerando

LIPIDI

-Secondo componente importante dei sistemi biologici

-Dal punto di vista chimico si dividono in 2 categorie:

1)saponificabilià di cui fanno parte i derivati degli acidi grassi: TRIGLICERIDI + FOSFOLIPIDI

+ SFINGOLIPIDI; la loro struttura è caratterizzata dalla presenza di un legame estere tra una

funzione alcolica e il carbossile dell’acido grasso.

2)non saponificabiliàdi cui fanno parte CERE + STEROLI; anche nelle cere avviene

l’esterificazione, tuttavia coinvolge 2 molecole idrofobiche: l’ acido grasso e un alcol a lunga

catena, che le rendono impermeabili.

A) ACIDI GRASSI SAPONFICABILI

Caratteristiche chimico-fisiche

1)lunghezza—si parla di acidi grassi a partire dall’acido butirrico (4 atomi di C) fino a quelli molti

lunghi che arrivano a possedere 28 atomi di C.

I più comuni nel materiale alimentare e nelle cellule sono quelli molto corti, come il butirrico,

appunto, fino a quelli che vanno dai 16 ai 24 atomi di C.

Più lunghi sono, più sono idrofobici.

2) presenza dei doppi legami—se è presente un solo doppio legame, parliamo di acidi grassi mono-

insaturi, se ce ne sono più di uno parliamo di acidi poli-insaturi.

La presenza/assenza di doppi legami nella catena degli idrocarburi degli acidi grassi porta alla

transizione tra una geometria lineare e una geometria con punti di deviazione della linearità.

Negli acidi grassi naturali monoinsaturi il doppio legame è sempre presente in conformazione CIS,

e quindi presenta una piega.

TRIGLICERIDI

-compongono buona parte dei lipidi alimentari, quali burro, olio...

-l’ olio è liquido a temperatura ambiente mentre il burro è solido. Il burro è ricco di acidi grassi a

corta catena (C16) rispetto all’olio (C18)—ci aspetteremmo che più è lunga la catena, più è facile

fondere il materiale; in realtà i C18 dell’olio sono acidi grassi monoinsaturi. Risultato=se ho un

trigliceride con acidi grassi tutti saturi (glicerolo) esterificato dagli acidi grassi, ottengo una struttura

dritta molto facile da impaccare; ecco perché la (composto formato dall’esterificazione del

glicerolo con 3 molecole di acido palmitico) è solida a temperatura ambiente.

Tuttavia, se anche solo uno degli acidi grassi in considerazione contiene un’insaturazione, avremo

una struttura incapace di impaccarsi.

Gli oli che contengono acidi grassi insaturi sono di norma liquidi a temperatura ambiente; gli oli che

contengono acidi grassi più o meno della stessa lunghezza saturi, sono di norma solidi.

Questo spiega perchè certi prodotti alimentari vengono prodotti solo con certe famiglie di oli es.

Nutella.

Spiega anche perché, se prendo dell’ olio d’oliva e lo metto in cantina, ossia in ambiente freddo,

vedo che si formano dei fiocchetti bianchi all’interno del prodotto, che corrispondono ad acidi

grassi saturi che si separa sotto forma di solido, poiché cristallizzano più facilmente. L’olio che

avanza (che non solidifica) è la parte ricca in acidi grassi insaturi.

Es. Olio migliore per un fritto leggero(=che non ha assorbito olio quando si raffredda) =olio di

girasole/arachide--questi sono molto fluidi e ricchi in acidi grassi insaturià risultato= anche se

abbasso la temperatura, la frittella avrà modo di scolare più completamente.

FOSFOLIPIDI

=molecola di glicerolo esterificata da 2 acidi grassi (uno saturo e uno insaturo) e da un gruppo

fosfato in posizione 3.

L’acido fosforico è interessante: se noi esterifichiamo con acido fosforico, ci restano 2 funzione

acide del fosfato disponibili + 2 cariche disponibili.

Le cariche non consentono ai composti di svolgere la loro principale funzione: associarsi a dare

delle strutture. Essi si associano perché, a differenza di trigliceridi, c’è qualcosa che può interagire

con l’acqua: è infatti una molecola anfifilicaà presente una porzione IDROFOBICA (le code di

idrocarburi + acidi grassi) e una porzione POLARE (testa con il fosfato).

Le strutture anfifiliche possono unirsi a formare MICELLE, strutture nelle quali le code

idrocarburiche sono lontane dall’acqua, mentre le teste polari sono r ivolte verso l’ambiente

acquoso. Se sulle teste polari abbiamo però un groviglio di cariche negative, queste micelle non

sono stabili, proprio perché quelle cariche si respingeranno. Soluzione= prendere l’acido

fosfatidico, che costituisce l’unità fondamentale, e abbassarne la carica—come si fa? Si neutralizza

una delle cariche esterificandoci un generico R (es. polialcolo)—diminuisco così le cariche negative

sul fosfato da 2 a una sola.

Altro metodo: supponiamo di esterificare il residuo di acido fosforico con qualcosa di carico

positivamente—> es. etanolammina.

Questa molecola è un’ammina, quindi a tutti i pH al di sotto di 12 porta una carica positiva sul suo

amminogruppo. Risultato= la carica positiva bilancia quella negativaà il composto ha carica netta

uguale a 0 e a questo punto formare una micella diventa molto più facile—non ho più repulsione

elettrostatica né capacità di attrarre l’acqua.

Soffermiamoci su quest’ultimo metodo, su cui si basano interessanti

-sostituire etanolammina, che è un’ammina primaria, con un ammina quaternaria (=sull’atomo di N

insistono 4 atomi di C). Questa porta una carica positiva qualunque sia il valore di pH, quindi

sicuramente è sostanzialmente neutro a tutti i pH di interesse sia per la fisiologia della cellula che il

à

trasformatore di alimenti. Il composto di cui parliamo è la Leticina costituisce uno dei principali

agenti emulsionanti utilizzati nell’ambito alimentare. Si tratta di un agente emulsionante perché

forma delle micelle che includono al loro interno delle goccioline di grasso le ricopre di un mono-

strato formato da queste molecole di leticina. Questo consente a tutte le emulsioni alimentari

(nutella, maionese, ecc) di stare in piedi.

Sul tema dell’esterificazione del fosfato “con qualcosa “esistono numerose varianti: vedi tabella a

destraà varianti con cui posso esterificare il fosfato

SFINGOLIPIDI

-sono i principali costituenti delle strutture lipidiche in alcuni tessuti importanti per il

funzionamento del nostro organismo, tra cui il tessuto nervoso.

-sono molecole formate da un nucleo di acido grasso che non esterifica il glicerolo.

L’acido grasso non fa un legame estere, ma un legame ammide con un particolare ammino-alcol

chiamato sfingosina.

Questa possiede una funzione alcolica e una porzione ammidica; la molecola fa un legame ammide

con la porzione amminica di questa struttura, mentre la funzione alcolica viene esterificata dal

fosfato. Anche in questo caso, vengono neutralizzate le cariche negative del fosfato aggiungendo

una molecola di colina, che è un’ idrossiamina.

La stessa unità di base (sfingosina +acido grasso) viene utilizzata per costituire un’ulteriore famiglia

di lipidi, rappresentata dai glicolipidi.

GLICOLIPIDI

-sono molecole in cui l’ossidrile presente sulla molecola di sfingosina, forma un legame con degli

zuccheri.

Gli zuccheri sono molecole molto più polari della colina e tendono a formare catene più o meno

ramificate.

I glicolipidi sono dunque molecole da cui sporgono delle unità zuccherine, spesso complesse perché

ramificate.

Questi fenomeni di glicosilazione sono interessanti perchè sono dei segnali importanti nel caso dei

glicolipidi, poichè sporgono verso l’esterno comportandosi come ETICHETTE, che danno

informazioni sull’identità delle cellule.

Questo sistema è molto importante soprattutto nel tessuto nervoso perchè la presenza degli

sfingolipidi assicura che le connessioni tra le fibre nervose siano corrette evitando così conseguenze

fisiologiche severe.

B) ACIDI GRASSI NON SAPONIFICABILI

COLESTEROLO

-molecola complessa formata da un sistema di anelli che costituiscono la parte apolare e da un solo

piccolo gruppo polare (rappresentato dall’ossidrile nel semicerchio azzurro).

Consideriamo la struttura vista precedentemente, dotata di etichette

Es. gocciolina di nutella contenente costerolo.

Il colesterolo andrà a posizionarsi al centro della strutturaà se il colesterolo tende a legarsi a

qualsiasi cosa idrofobica, avrò due problemi:

A) il colesterolo, se si infila al centro della struttura, rende la struttura stessa estremamente rigida,

poiché non ha nessun punto di flessibilitàà quindi le macrostrutture che esse formano perdono a

loro volta flessibilità

B) pensiamo al colesterolo che si lega alla parete di un’arteria. Questa arteria subisce una lesione.

L’organismo, in particolare l’epidermide, reagisce formando una crosta. Questa crosta non si

ammorbidiva, veniva via tutta intera—questo perché la crosta è fatta di proteine idrofobiche

impaccate una sulle altre andando a sigillare la lesione. Il problema è che sono idrofobiche, quindi

dal momento che lì circola del sangue, e nel sangue ci sono molecole di colesterolo, esse andranno a

posizionarsi sopra le proteine idrofobiche ed iniziano ad impaccarsi.

Risultato= grumo di colesterolo che copre questa lesione.

Conseguenze= il lume del vaso si restringe, innalzando la pressione + a forza di pompare sangue, il

blocco di proteine e colesterolo si stacca e inizia a circolare nel sangue e se raggiunge un capillare

sufficientemente stretto, lo tappa, impedendo il flusso di sangueà abbiamo un’ ischemia, che può

essere fatale.

I lipidi presentano la risorsa energetica più importante per il nostro organismo e, per questo motivo,

è importante che vengano trasferiti dai tessuti dove vengono assorbiti (FEGATO) agli organi in cui

vengono utilizzati.

Per questa ragione nel nostro sistema circolatorio, diviso in 2 parti (sistema del sangue e sistema

linfatico) circolano una serie di proteine che hanno lo scopo preciso di associare questi componenti:

acidi grassi da un lato e trigliceridi+colesterolo dall’altro.

Acidi grassi

-vengono trasportati nel circolo sanguigno, dai tessuti al fegato –e viceversa- attraverso l’albumina

serica (70 g/L di sangue)

Trigliceridi + steroli

-circolano sotto forma di lipoproteine ematiche— strutture in cui le goccioline non sono isolate, ma

sono rivestite o associate a proteine.

Quanta proteina e quanto grasso c’è?

Più grasso c’è, più bassa è la densità delle proteine—quindi esse vengono distinte in base alla loro

densità.

Le meno dense, più ricche di grasso, sono i CHILOMICRONI—essi circolano principalmente nel

sistema linfatico, si occupano di portare i grassi assorbiti dall’intestino al fegato.

Il fegato trasforma queste proteine che arrivano via chilomicroni in una classe di proteine

importanti, chiamate VLDL (VERY LOW DENSITY LIPOPROTEIN)–> poche proteine che

hanno associate a se una miscela di lipidi rielaborata dal fegato; questa è costituita in parte da

trigliceridi, in parte da fosfolipidi, e in parte da colesterolo.

Le VLDL vengono portate dal circolo sanguigno ai tessuti ed essi scelgono le cose utili come

combustibili (trigliceridi) o come materiale da costruzione (fosfo/colesterolo).

La parte proteica non gli serve, quindi dopo aver scaricato una parte dei propri lipidi, le VLDL

ritornano al fegato, ormai più ricche di proteine e meno ricche di grassi-- quindi non sono più

VLDL ma LDL (LOW DENSITY LIPOPROTEINS).

In compenso è diventato importante il colesterolo presente nella proteina di ritorno verso il fegato;

questo viene dalle cellule che sono state smontate. Il problema è che il colesterolo è legato alle LDL

ma NON SI TRATTA DI UN LEGAME STABILE

Si tratta di un guscio di lipidi contente la gocciolina idrofobica. Quando questo sacchetto si sgonfia,

è più facile che il colesterolo scappi dalla gabbia strutturaleà per questo si conoscono le LDL come

‘colesterolo cattivo’ .

Fortunatamente, nel nostro plasma circola un’ulteriore classe di lipoproteine: le HLD (HIGH

DENSITY LIPOPROTEIN)

- Qui il contenuto di proteine è molto più importante (circa 35%); non contengono trigliceridi, non

portano il combustibile ai tessuti, ma allontanano dal circolo sanguigno gli scarti cellulari,

soprattutto il colesteroloà per questo si riconoscono come ‘proteine spazzino’ che riportano al

fegato il colesterolo circolante (che definiamo come il ‘colesterolo buono’).

Membrane biologiche: struttura formata dall’associazione permanente di:

A)lipidi polari

B) proteine

-le membrane sono costituite da un doppio strato di fosfolipidi e colesterolo in cui galleggiano le

proteine; questa barriera non separa solo le cellule dall’ambiente esterno, ma le cellule le une dalle

altre.

-notiamo 3 tipi di proteine presenti sulla membrana:

1)perifericheàappoggiate alla membrana

2)integraliàinfilate in una parte della membrana

3)trans-membranaàsporgono da una parte e dall’altra nella membrana; attraversano il doppio strato

lipidico.

2 considerazioni:

1) Queste proteine possono traslare, muovendosi nel piano, ma non possono ribaltarsi e quindi

attraversarlo—>struttura a mosaico fluido

Per facilitare questo meccanismo, alcune proteine hanno legato degli zuccheri (le chiamiamo

proteine glicosinate) --> gli Zuccheri hanno la funzione di etichetta di riconoscimento. Il fatto che ci

sia lo zucchero impedisce alle proteine di ribaltarsi perché lo zucchero, essendo polare, si volta

verso l’acqua.

Nelle membrane sono presenti anche glicolipidi, che tipicamente si trovano verso l’esterno della

membrana.

Alcune proteine associate alla membrana sono interessanti perchè sono CONIUGATE (=hanno

legate a se qualcosa che non è proteico), in questo caso una coda lipidica formato da un acido

grasso. Questa coda finisce nella regione idrofobica del proprio strato lipidico—la proteina può solo

muoversi lateralmente.

TIPI DI MEMBRANA

Dentro una cellula ci sono diversi tipi di membrana:

• Dall'esterno la prima che si incontra è la membrana cellulare che separa la cellula

dall'ambiente esterno. Di norma si tratta di una struttura semplice formata da un solo doppio

strato fosfolipidico ed è l'unica che trasporta i residui di zuccheri.

• Anche gli organelli intracellulari sono rivestiti da membrane simili a queste ma che

presentano differenze importanti. Ad esempio nel mitocondrio ci sono due membrane, una

esterna poco selettiva e con poche proteine e una interna più selettiva e ricchissima in

proteine (circa il 70% del suo peso).

Il mitocondrio non è l'unico organello rivestito da membrane infatti esse si trovano anche nei

lisosomi, nel reticolo endoplasmatico e nel nucleo. Quest'ultimo ha una membrana diversa

da tutte le altre in quanto formata da due doppi strati lipidici e la sua grande differenza è che

la struttura presenta dei pori di dimensioni molto grandi con nessuna selettività.

Le membrane cellulari hanno la principale funzione di consentire o vietare il passaggio di alcune

specie chimiche. Esistono due principali tipologie di trasporto attraverso le membrane:

• Il trasporto per diffusione → Esso viene attuato da molecole in grado di attraversare il

doppio strato diffondendo. Esse devono soddisfare due condizioni. La prima è quella di

essere molecole apolari (liposolubili) → ciò è fondamentale per permettere loro il passaggio

nella regione della membrana dove sono presenti le catene idrocarburiche degli acidi grassi.

La seconda è che il trasporto avviene solo se la concentrazione della specie che voglio

trasportare è minore all'interno della cellula di quanto lo sia fuori → non posso spostarla

contro gradiente di concentrazione.

Le molecole di questo tipo che ci interessano sono i gas come l'ossigeno o gli anestetici tipo

etere, cloroformio o benzene che sono molecole liposolubili che si infilano nelle membrane

tipo quelle del sistema nervoso e ne alterano la sensibilità.

• Il trasporto mediato → Esso viene attuato da molecole dette trasportatori che sono in grado

di selezionare e accompagnare alcune specie nel loro transito attraverso la membrana.

Questo trasporto può essere passivo se avviene senza consumo di energia e secondo

gradiente di concentrazione, oppure attivo se avviene con consumo di energia e contro

gradiente di concentrazione.

Entrambi questi tipi di trasporto possono svolgersi con tre modalità diverse:

1. UNIPORTO → è il trasporto di una specie che entra e passa da sola da un compartimento a

un altro

2. SIMPORTO → è il trasporto contemporaneo di due specie che si muovono nella stessa

direzione attraverso la membrana. Le due specie chimiche si avvalgono di un trasportatore

che non funziona se non sono presenti entrambe le specie chimiche.

3. ANTIPORTO → è il trasporto contemporaneo di due specie che si muovono in direzione

opposta attraverso la membrana.

Un esempio di come diversi tipi di trasporto siano coinvolti in un evento apparentemente semplice è

quello dell'assunzione del glucosio dal bolo alimentare. I responsabili dell'immissione del

glucosio nel circolo sanguigno sono i villi intestinali. Inizialmente il glucosio entra nell'enterocita,

ossia la cellula di rivestimento del lume intestinale, in simporto con una molecola di sodio → infatti

nel lume intestinale c'è poco glucosio e molto sodio che deriva dal bolo alimentare, mentre nella

cellula non c'è sodio ma c'è molto glucosio che quindi non ha necessità di essere assunto. Il risultato

è che senza usare energia e sfruttando l'effetto di accompagnamento del sodio il glucosio può

entrare. Quando entrambi si trovano nella cellula, il glucosio è così abbondante da uscire verso il

capillare (porzione basale dell'enterocita) con un meccanismo di uniporto, mentre il sodio, che non

deve essere presente nella cellula, viene fatto uscire in antiporto con lo ione potassio. È un processo

tutt'altro che semplice poiché il nostro sangue è ricco di sodio mentre la cellula è ricca di potassio

→ si tratta di un trasporto contro gradiente in cui la sodio potassio ATPasi utilizza l'energia

chimica dell'ATP per consentire il trasporto.

Nelle cellule non entrano solo piccole molecole come glucosio o sodio ma anche macromolecole o

interi virus e batteri. Per poterle assorbire è necessario un sistema speciale formato da due tipi di

molecole, le prime rivolte verso l'esterno che hanno il compito di riconoscere la specie da portare

dentro e le seconde sono dei recettori che catturano la specie. Nel caso della lipoproteina in figura,

poiché la struttura della membrana è flessibile si crea una invaginazione che è rivestita sulla parte

interna da una famiglia di proteine contrattili (clatrine) in grado di cambiare la loro geometria in

base a certi stimoli. Esse si contraggono fino a che l'invaginazione si trasforma in una vescichetta

che entra dentro il citoplasma della cellula. La porzione dei recettori si stacca perché una pompa

manda dei protoni dentro la vescichetta. A questo punto il pH cambia così come la struttura delle

proteine e i recettori si staccano tornando a fondersi con la membrana. Ciò che c'è nella vescichetta

acidificata viene sfoldato da proteine specifiche e alla fine una parte di questa proteina viene

riciclata riunendosi alla parete cellulare mentre una parte è usata per gli scopi della cellula.

10 novembre 2017

IL METABOLISMO

Il metabolismo è l'insieme di reazioni chimiche che avvengono in un qualunque essere vivente.

Esso ha due finalità principali:

• Catabolismo → Degradazione dei nutrienti per

ricavare energia sotto forma di molecole

chimicamente instabili delle altoenergetiche e sotto

forma di molecole ridotte che servono da

accumulatore di questa energia dentro la cellula. Il

processo avviene con una serie di trasformazioni

che producono una serie di intermedi di reazione. Essi nelle vie cataboliche (vie di

demolizione) sono convertiti in molecole semplici detti prodotti di scarto.

• Anabolismo → Formazione di composti complessi

a partire da composti semplici. Infatti i prodotti

intermedi sono trasformati in qualcosa di utile per la

cellula come proteine e amminoacidi grazie a una

serie di reazioni che usano a scopi biosintetici le

stesse molecole energetiche e ridotte prodotte nelle

vie cataboliche.

GLICOLISI

Studiamo gli aspetti cruciali di questi eventi attraverso la glicolisi, ossia la via di conversione del

glucosio in energia. Ad esempio la digestione della pasta prevede che gli zuccheri contenuti siano

trasformati in glucosio che entra nel circolo sanguigno arrivando al fegato. Esso lo trasforma

smontandolo da 6 a 3 atomi di carbonio e infine ossidando il composto. Tuttavia se osserviamo più

nel dettaglio cosa accade al glucosio dentro l'epatocita, la vicenda è molto più complessa.

Per prima cosa in tutti questi processi è necessario contrassegnare il glucosio come 'glucosio

destinato alla demolizione' → questa è la prima reazione della sequenza di trasformazione e prevede

la trasformazione del glucosio nel suo estere in posizione 6 → ho esterificato l'ossidrile alcolico in

posizione 6 sul glucosio. Questa reazione apparentemente semplice è in realtà

termodinamicamente difficile e per avvenire necessita di un enzima in grado di accoppiare

questa reazione con un'altra, ossia quella dell'idrolisi di ATP in ADP + Pi

→ essa avviene sullo stesso enzima che catalizza la prima reazione.

L'idrolisi di glucosio in glucosio-6-fosfato è facile e quindi significa che la sua sintesi è

estremamente difficile; l'idrolisi dell'ATP è facilissima perciò la variazione di energia libera è

estremamente negativa → accoppiando le due reazioni riesco a fare la sintesi del glucosio-6-fosfato,

partendo da glucosio e ATP, con l'equilibrio di reazione tutto spostato verso la produzione di

glucosio-6-fosfato. → perciò ho reso termodinamicamente possibile una reazione molto

improbabile, ossia la fosforilazione del glucosio. Il glucosio-6-fosfato rappresenta il 'glucosio

etichettato', ossia quello destinato alle vie cataboliche (demolizione del glucosio).

Come mai l'ATP è una molecola così instabile? Che cos'è l'ATP?

L'ATP è l'adenosintrifosfato ed è il più universale tra i composti alto energetici prodotti dai processi

catabolici. Questa molecola è un nucleotide trifosfato composto da tre parti:

1. Base azotata → non ha una funzione specifica ma viene riconosciuta dagli enzimi

specificatamente.

2. Ribosio → zucchero a 5 atomi di carbonio. La base azotata si lega con un legame

glicosidico al carbonio 1 di questo zucchero. → L'unione della base azotata con lo zucchero

forma un nucleoside che è un adenosina.

3. Il carbonio 5 presenta un ossidrile libero che forma un legame estere con una prima

molecola di fosfato. Questo composto dove c'è un solo fosfato attaccato al ribosio è detto

AMP (adenosinmonofosfato) → il legame estere non è facile da rompere. L'instabilità della

molecola comincia quando si aggiunge un secondo gruppo fosfato, perciò si parla di ADP

(adenosindifosfato). Esso è instabile perché il legame è un legame anidride (non metallo-

ossigeno-non metallo). Per formarlo abbiamo rimosso una molecola d'acqua, cosa che non

succede per la formazione del legame estere. La conseguenza è che nel legame estere

abbiamo un acido e un alcolo, mentre nel legame anidride abbiamo due acidi.

→ Se noi stacchiamo un fosfato da questa molecola gli diamo la possibilità di risuonare,

perciò i prodotti sono stabilizzati dalla risonanza. Questo fatto conta per circa il 5 %

dell'instabilità, mentre il 95 % dell'instabilità di questa struttura è legato alla presenza di

cariche negative che si respingono tra di loro. Legando un terzo gruppo fosfato si ottiene

ATP e aumenta il numero delle cariche negative e di conseguenza aumenta la repulsione e

quindi l'instabilità.

Rompendo i legame dell'ATP possiamo avere a disposizione dell'energia chimica che alcuni

enzimi riescono a utilizzare per fare accoppiamenti tra la reazione di idrolisi dell'ATP e la

formazione di un legame su qualcosa che altrimenti non potrebbe reagire. → Gli enzimi che

usano l'ATP per attaccare un fosfato a dei substrati si chiamano chinasi e nel caso specifico del

glucosio si parla di esochinasi e glucochinasi.

Un'importante considerazione riguarda il concetto di carica energetica. Infatti la carica energetica

della cellula, ossia la capacità della cellula di compiere un lavoro, è definita dai rapporti tra le

diverse forme fosforilate dell'ATP. La carica energetica ha un valore compreso tra 0 e 2 e si indica

con CE, in simboli: CE= ([ADP]+2[ATP]) / ([ATP]+[ADP]+[AMP])

La cosa curiosa è che nelle cellule che lavorano molto c'è la possibilità di recuperare sotto forma di

ATP l'energia che rimane → suppongo di avere usato tutta ATP e di essere rimasti solo con ADP.

Nessuna chinasi utilizza ADP in quanto serve ATP → perciò in questo caso c'è un enzima che può

fare una reazione dismutasica che fa

2 ADP → ← ATP + AMP

cambiando la fruibilità di questi legami. Un enzima che attua questo processo è una chinasi che

chiamiamo AdK (adenilatochinasi).

QUINDI il glucosio reagisce con ATP

rompendo uno di questi legami alto

energetici e lo stesso enzima usa questa

energia per fosforilare il glucosio in

posizione 6. nella cellula questa reazione

può essere realizzata da due enzimi,

glucochinasi e esochinasi, che sono più o

meno attivi in relazione alla

concentrazione di substrato → a basse

concentrazioni di substrato l'esochinasi è

il più efficacie perché è in grado di catturare anche piccole quantità di glucosio. Se invece abbiamo

a disposizione grandi quantità di glucosio entra in funzione la glucochinasi, molto meno affine ma

con una maggiore capacità catalitica che gli permette di smaltire meglio il glucosio.

Passiamo alla seconda reazione. Prendiamo il

glucosio-6-fosfato che reagisce col secondo enzima

dentro il citoplasma dell'epatocita → esso prende il

glucosio-6-fosfato e lo isomerizza a fruttosio-6-

fosfato. Dal punto di vista epimerico non ci sono

grandi differenze tra i due composti; quello che

cambia è che il glucosio è un piranosio (struttura a 6

C) mentre il fruttosio è un furanosio (struttura a 5 C)

→ come conseguenza si ha che il carbonio 1 del

glucosio, che era un carbonio aldeidico, adesso è

diventato un carbonio alcolico. Nella cellula il fruttosio-6-fosfato è poco presente perché viene

subito attaccato da un enzima che fa una reazione. Esso stacca un fosfato da una molecola di ATP e

lo attacca al fruttosio-6-fosfato in posizione 1 → conversione in fruttosio-1,6-difosfato. L'enzima

che catalizza quest'ultima reazione è PFK-1 (fosfofruttochinasi) → enzima fondamentale per la

regolazione della velocità di queste trasformazioni e sensibile alle regolazioni da feedback e alle

concentrazioni di ATP e AMP → se nella cellula c'è tanto ATP questo enzima rallenta, mentre se c'è

tanto AMP questo enzima sarebbe accelerato a causa della necessità di 'ricaricare le batterie'.

Passiamo alla terza fase. Il composto fruttosio-1,6-bifosfato non è molto stabile a causa della

presenza dei due fosfati vicini e della struttura ciclica costretta → di questa instabilità trae

vantaggio un enzima (tetramero che contiene zinco nel suo sito attivo) che taglia il fruttosio-1,6-

bifosfato in due molecole senza usare acqua → gli enzimi di questo tipo, che tagliano molecole

senza usare acqua, normalmente sono detti liasi. Un'eccezione a questa nomenclatura è il nostro

enzima che infatti è detto aldolasi e catalizza la reazione di scissione di uno zucchero a sei atomi di

C in due zuccheri a 3 atomi di C. Come funziona questo enzima aldolasi?

L'enzima possiede una funzione amminica nel suo sito attivo (una lisina) che forma una base di

schiff tra il carbonile chetonico del fruttosio e la lisina presente sull'enzima. Questo provoca un

riarrangiamento della struttura e il distacco di una porzione di gliceraldeide-3-fosfato. A questo

+

punto succede che il metallo (B nella figura) catalizza l'addizione di una molecola d'acqua a questa

base di schiff. Il risultato è che l'enzima torna con il suo amminogruppo libero e il chetone si stacca

→ esso si chiama didrossiacetonfosfato.

Riassumendo, ho tagliato la molecola di fruttosio-1,6-bifosfato in due triosi fosforilati → la

gliceraldeide-3-fosfato è un aldoso (GAP) mentre il diidrossiacetone fosfato è un chetoso

(DHAP).

Due considerazioni importanti:

• Questo punto della glicolisi rappresenta il primo momento in cui posso sottrarre

intermedi di reazione dalla sequenza metabolica. Infatti DHAP può essere trasformato

in glicerolo in modo semplice, mentre GAP è importante per ottenere energia.

• Gliceraldeide-3-fosfato e diidrossiacetone fosfato sono chimicamente simili → la

somiglianza viene sfruttata da un enzima, la triosofosfatoisomerasi, che catalizza la

conversione tra i due. Perché ciò ci interessa? Perché se dal glucosio ottengo due triosi

fosforilati è da questi che procedono le tappe successive. → CONCETTO DI

EQUILIBRO DINAMICO.

La prima trasformazione di questi composti che vediamo è la seguente.

Formalmente la reazione non sembra complessa, infatti prendo la gliceraldeide-3-fosfato, la ossido

ad acido, ossido il carbonio aldeidico a carbonio carbossilato (C1) e simultaneamente fosforilo

questo carbossile → il prodotto che ottengo è l'acido-1,3-fosfogliceride

(PGA).

L'agente ossidante della reazione è il NAD +. Infatti la reazione

avviene su un enzima detto gliceraldeide-3-fosfato-deidrogenasi

(GAPDH) che richiede per funzionare un cofattore (qualcosa che

prenda gli elettroni) → nella cellula le famiglia di cofattori che entra in

gioco è detta nucleotidi piridinici, poiché contengono un residuo

azotato attaccato allo zucchero e al fosfato.

Questa molecola è un derivato della vitamina PP ed è un dinucleotide poiché è formata dall'unione

di due nucleotidi; nella figura quello in basso è adenosina-ribosio-fosfato e quello in alto è

nicotilammide-ribosio-fosfato → essi sono legati con un legame anidridico (due fosfati con in

mezzo un'ossigeno). Le porzioni funzionanti di questa

molecola sono due:

• la porzione adenosina-ribosio-fosfato serve per

legarsi all'enzima

• la porzione nicotilammide-ribosio-fosfato serve

per prendere o cedere elettroni → infatti essa prende facilmente dall'ambiente 1 protone e 2

elettroni

Questa macchinetta che assorbe/cede protoni ed elettroni esiste in due varianti:

• quella per acquistare protoni ed elettroni nelle reazioni cataboliche

• quella che viene usata dagli enzimi per montare qualcosa nelle vie anaboliche

Come fanno gli enzimi a distinguere le due varianti?

• Se c'è il fosfato che nella figura si trova in basso a destra, la molecola si chiama NADP e

serve per le reazioni anaboliche.

• Se non c'è quel fosfato si chiama NAD e serve per gli enzimi coinvolti nelle vie cataboliche.

Siccome noi stiamo guardando una via cataboliche, stiamo usando NAD che di solito viene

scritto come NAD + perché sull'anello piridinico in alto aleggia una frazione di carica

positiva.

Torniamo alla reazione della gliceraldeide-3-fosfato che è l'unico composto che useremo. Di fatto il

diidrossiacetone fosfato non viene utilizzato tal quale poiché man mano che consumiamo la

gliceraldeide esso si converte a sua volta in gliceraldeide per effetto dell'equilibrio dinamico.

Il nostro substrato, la gliceraldeide-3-fosfato, si adagia sull'enzima

dove trova la funzione tiolica di una cisteina. Quest'ultima vede un

carbonile e va a formare con esso un legame tio-emiacetalico, ossia

un legame diretto tra il carbonio aldeidico e lo zolfo della cisteina.

In questa situazione arriva l'agente ossidante NAD + che si lega

all'enzima con la parte di AMP e la parte con l'anello piridinico

rimane vicino al legame emiacetalico. Il NAD + sottrae elettroni e

protoni al carbonio aldeidico coinvolto nel legame emiacetalico e il

risultato è che NAD + si riduce diventando NADH. Invece l'altro

forma un legame tio-estere.

Il legame tio-estere è un legame alto-energetico la cui rottura comporta la liberazione di una grande

quantità di energia. L'instabilità di questo legame è dovuta a due ragioni:

1. L'acidità del secondo prodotto → mentre un'ossidrile alcolico non sarà mai carico

negativamente, infatti a pH fisiologico non otterremo mai etanolo negativo, il pK del gruppo

tiolico è circa 8 e ciò significa che a pH fisiologico buona parte del tiolo contiene una carica

negativa. Tuttavia anche l'altro prodotto dell'idrolisi tiolica contiene una carica negativa,

perciò si ha una repulsione.

2. La risonanza → sul carbonio dell'estere normale sono presenti due atomi con la stessa

elettronegatività (sono due ossigeni) e facendo la sua idrolisi ottengo il prodotto sopra

disegnato.

→ in sintesi il composto è instabile perché è più difficile farlo ed è molto più acido, e perché

non è stabilizzato dalla risonanza.

Cosa fa l'enzima?

È riuscito a creare grazie all'ossidazione

il legame tio-estere che non idrolizza

(rottura del legame con uso di acqua) ma

attua una fosfrolisi (rottura con uso di un

gruppo fosfato). A seguito di ciò il tiolo

torna ad essere un banale tiolo ma dall'altra parte si forma un'anidride mista, ossia un composto

formato da due acidi: l'acido fosforico (acido inorganico) e l'acido fosfogliceride → per questo

viene anche detto acido-1,3-fosfogliceride. Si tratta di un intermedio alto-energetico che possiede

un legame anidridico che mi permette di

recuperare l'energia depositata, trasformando

il composto nella moneta universale di

scambio, ossia l'ATP. → la reazione con cui

ciò avviene prevede che l'1,3-fosfoglicerato

reagisce con un ADP, ottenendo ATP e acido 3-fosfoglicerico (3-PGA).

Siamo quindi riusciti a produrre ATP. Le reazioni come questa, in cui si fabbrica ATP utilizzando

un composto in giro per la cellula, si chiamano FOSFORILAZIONE A LIVELLO DI

SUBSTRATO e l'enzima che realizza questa trasformazione si chiama fosfoglicerato-chinasi.

Siamo arrivati a pareggiare il bilancio energetico di queste reazioni di demolizione del glucosio

sfruttando la fosforilazione a livello di substrato che utilizzava l'acido 3-fosfoglicerico (3-PGA)

prodotto dalla reazione di ossidazione. A questo punto abbiamo ancora un composto fosforilato

poco interessante dal punto di vista energetico poiché c'è un legame estere che non può essere

idrolizzato per fabbricare ATP. Una cosa che si può invece fare è di isomerizzare l'acido da acido

3-fosfoglicerico a acido 2-fosfoglicerico (2-PGA) → in pratica si sposta il fosfato dalla posizione 3

alla posizione 2 ottenendo il 2-fosfoglicerato. Quest'ultimo

va incontro a una reazione di eliminazione di una molecola

d'acqua grazie a un enzima detto enolasi → in questo modo

si ottiene il fosfo-enol-piruvato, in cui il legame -OP è il

legame più instabile che esiste in natura. Perchè questo

composto è così instabile?

• Se proviamo a staccare il fosfato si verificano due reazioni fortemente esoergoniche

→ reazioni con una costante di equilibrio molto spostata verso la formazione dei prodotti.

• Il legame non è un legame estere perché l'ossidrile non è alcolico ma chetonico e si

deprotona perché subisce la forza del doppio

legame → se stacchiamo il fosfato da 2-PGA

rimane la forma enolica dell'acido piruvico (a).

Questa forma enolica tautomerizza e forma la

forma chetonica (b) dell'acido piruvico che è molto

più stabile → ciò sposta l'equilibrio di reazione

verso la rottura del legame e quindi la separazione del fosfato dal piruvato. Ovviamente

nella cellula l'energia ricavata dall'idrolisi viene accoppiata su un apposito enzima alla

sintesi di ATP secondo la reazione:

Siamo arrivati in fondo al processo di glicolisi ed è il momento di tirare il bilancio del processo. Per

quanto riguarda lo scheletro carbonioso abbiamo preso una molecola di glucosio e l'abbiamo

trasformata in due molecole di piruvato, ossia:

Durante il processo abbiamo utilizzato 2 ATP per etichettare il glucosio prima e il fruttosio poi,

abbiamo ricavato 2 ATP nella fosforilazione a livello di substrato che convertiva

1,3-difosfoglicerato in 3-fosfoglicerato, abbiamo ricavato altre 2ATP nella parte che concerne la

piruvico-chinasi che prende 2-fosfo-enol-piruvato e lo converte in piruvato → il risultato netto è 2

ATP.

Tuttavia un altro componente essenziale per svolgere questa funzione è il NAD che si trasforma in

NADH cedendo elettroni e protoni → il glucosio nella cellula è tantissimo mentre il NAD è

pochissimo. Ciò significa che se nella cellula non troviamo un sistema per rigenerare questo

composto tutto il ciclo per produrre energia non è percorribile e la glicolisi si ferma. Come posso

riciclare il NAD nella forma ossidata? Ci sono due strade:

• negli organismi aerobi il NAD riduce l'ossigeno per formare acqua → questo di norma

avviene nei mitocontri ed è la rigenerazione del NAD in condizioni aerobie

• negli organismi anaerobi ci sono due sistemi di riciclo del NAD.

1. Il primo è la fermentazione lattica → l'enzima lattico-deidrogenasi che prende il piruvato

che residua dalla glicolisi e lo trasforma nel suo equivalente ridotto che è l'acido lattico.

Questa reazione ci interessa come esseri umani perché se non c'è un sufficiente apporto di

ossigeno ai muscoli essi per sopravvivere devono fare glicolisi e produrre acido lattico. Esso

si stanzia nei muscoli e abbassa il pH dei muscoli che smettono di funzionare e sono soggetti

ai crampi. L'acido lattico viene smaltito nel fegato che lo elabora → è per questo che gli

atleti devono fare una dieta sana di modo da mantenere un fegato sano e funzionante.

L'acido lattico ci interessa anche come alimentaristi perché ad esempio se macelliamo un

animale stressato il pH sarà basso e la carne sarà dura perché il muscolo è contratto e andrà

incontro a perdita di acqua perché essa non sarà associata alle proteine. L'altro aspetto per

cui questa storia ci interessa è perché la fermentazione lattica è sfruttata dall'industria

lattero-casearia.

2. Il secondo è la fermentazione alcolica → utilizza l'enzima piruvico-decarbossidasi che

trasforma il chetoacido nell'aldeide corrispondente. Questo composto ora lo uso per ossidare

il NAD ridotto per produrre l'etanolo. Gli eventi particolari della fermentazione alcolica

sono la formazione di anidride carbonica e quella di etanolo → esso rimane nel vino e nella

birra mentre evapora nel pane.

Come controlliamo questa serie di eventi? La cellula può regolare la velocità delle reazioni?

Ovviamente si infatti alcuni enzimi controllano la velocità di queste reazioni tramite 3 reazioni:

1. fosforilazione del glucosio → essa da avvio alla glicolisi e può essere inibita dal prodotto

della reazione stessa che è un inibitore competitivo

2. fosfofruttochinasi → enzima che converte il fruttosio 6 fosfato in fruttosio 1,6 bisfosfato

3. l'enzima che trasforma il fosfo-enol-piruvato in piruvato con simultanea produzione di ATP.

23 novembre 2017

DEGRADAZIONE DI DISACCARIDI E POLISACCARIDI

Non tutti gli zuccheri che assumiamo sono monosaccaridi come il glucosio, infatti assumiamo

anche disaccaridi e polisaccaridi.

SACCAROSIO

Il primo zucchero di cui ci occupiamo è il saccarosio.

È uno zucchero bizzarro perché sono uniti tra loro

carboni anomerici con un legame abbastanza fragile. Ci

sono due modi per rompere tale legame:

1. il primo è una semplice idrolisi che spezza il saccarosio in fruttosio e glucosio. È un sistema

non efficiente perché il legame aldeide-aldeide ha un po' di energia che può essere

recuperata.

2. I nostri epatociti del fegato (a differenza ad esempio delle api) effettuano invece una

fosforolisi per cui rilascia il fruttosio e ottiene il glucosio-1-fosfato.

LATTOSIO

Un altro zucchero importante è il

lattosio. È il principale zucchero

del latte e viene metabolizzato con

un sistema interessante.

Inizialmente, quando arriva nel

tratto digerente umano, il legame

beta-1,4-galattosidico viene rotto

da un enzima detto

beta-galattosidasi ottenendo galattosio e glucosio che vengono assorbiti e portati al fegato che li

processa. Il problema qui è che la quantità di beta-galattosidasi è altissima nell'eta infantile quando

il latte materno è la principale fonte energetica, e decresce con l'età. Tale decremento è blando in

alcune razze umane come quelle caucasiche, mentre è evidente nei neri e negli asiatici → il

fenomeno che li colpisce è l'intolleranza al lattosio = se esso non viene tagliato non può essere

assorbito e va incontro alla microflora che smonta il lattosio. Dato che siamo in ambiente

anaerobico si genera fermentazione con produzione di gas come anidride carbonica e altri composti

che causano gonfiore e flatulenza. In commercio esistono i latti delattosati e quindi ad alta

digeribilità in cui il lattosio è stato precedentemente scisso.

Sembra facile trasformare il galattosio in qualcosa di metabolizzabile ma non è così. La differenza

tra galattosio e glucosio sta nella conformazione a livello del carbonio in 4 della struttura di questo

esoso. Toccare il C 4 è difficile e bisogna usare degli accorgimenti → il galattosio che entra nel

fegato viene contrassegnato come galattosio da smontare da una molecola di fosfato → essa viene

attaccata in posizione 1. Il galattosio 1-fosfato reagisce con un derivato del glucosio:

Esiste un enzima detto fosfoglucomutasi che fa la reazione soprastante → il glucosio 6-fosfato è

molto più stabile del glucosio 1-fosfato e per stabilizzare questo intermedio si usa un trucco →

faccio reagire l'intermedio di reazione con UTP che fa si che il glucosio 1-fosfato si converta in una

cosa molto interessante grazie all'enzima transferasi → il comporto è detto uridin-di-fosfato ed è

interessante perché non viene smontato! Questa specie viene riconosciuta da una famiglia di enzimi

diversa rispetto a quella che riconosce i primi due intermedi di reazione. Inoltre dal punto di vista

della stechiometria della reazione si vede che nella UTP ci sono 3 fosfati mentre nel glucosio

1-fosfato c'è un fosfato → 3+1 fa 4 ma nell'ultimo composto ci sono solo 3 fosfati → 2 se ne sono

andati sottoforma della molecola pirofosfato (ione dell'acido pirofosforico).

Questo meccanismo si chiama rottura pirofosforica di un nucleotide trifosfato ed è fondamentale

per spingere tutta questa catena di reazioni verso la produzione di ciò che realmente mi interessa

ossia UDP – Glucosio. L'UDP – Glucosio scambia il suo UDP con il fosfato del galattosio 1-P per

ottenere UDP – Galattosio → esso in questo modo può essere utilizzato.

Infatti l'UDP-Galattosio è il substrato per la prossima reazione catalizzata dall'enzima UDP-

galattosio-isomerasi. Questo enzima può funzionare soltanto se c'è attaccato UDP perché esso lo

tiene fermo e in questo modo l'enzima può lavorare sul galattosio. Che cosa fa precisamente?

Prima si forma una funzione chetonica che viene ridotta da NAD ottenendo una forma più stabile,

infatti il prodotto della reazione dell'UDP-galattosio-epimerasi è UDP-Glucosio → quest'ultimo può

essere rimesso in gioco e metabolizzare un'altra molecola di galattosio 1-fosfato che produce

glucosio 6-fosfato che poi rientra nella glicolisi. In questo modo il meccanismo diventa

autosostenuto, ossia produce da sè le specie che servono per farlo procedere.

GLICOGENO

Il glicogeno è un polisaccaride di riserva contenuto nei nostri tessuti, principalmente nel fegato ma

anche nei muscoli. Esso è necessario perché ci permette di avere a disposizione delle riserve di

zuccheri che sono velocemente utilizzabili a differenza delle riserve lipidiche. Il motivo per cui

l'organismo conserva gli zuccheri all'interno di un polisaccaride è di tipo osmotico → il glucosio è

una molecola piccola a differenza del glicogeno che è più grande. Uno stesso peso di glicogeno e di

glucosio corrisponde perciò a una concentrazione diversa e quindi a una diversa pressione osmotica.

→ Se nelle nostre cellule avessimo glucosio esse scoppierebbero perché l'eccessiva presenza di

glucosio richiamerebbe acqua dall'ambiente per fenomeno osmotico.

Il glicogeno è reso rapidamente

disponibile grazie alla sua struttura.

Esso ha una struttura classica ad

albero in cui un polimero formato da

unità di glucosio unite fra loro con

legami alfa 1,4 glicosidici a un certo

punto di ramifica. Il punto di

divaricazione corrisponde alla

presenza di legami alfa 1,6

glicosidici.

Come viene degradata questa molecola?

Partendo dall'estremità ramificata una molecola di glucosio alla

volta viene staccata dall'enzima glicogeno-fosforilasi tramite una

reazione di fosforolisi → l'uso di un fosfato invece che una

molecola d'acqua permette di staccare la molecola di glucosio

direttamente come glucosio 1-fosfato, perciò gia fosforilato! Questo

è un grande vantaggio perché ho risparmiato una molecola di ATP

perciò la resa di glicolisi non è più di 2 ATP ma di 3 ATP → ho

migliorato la resa del 30%.

Al punto di ramificazione interviene l'enzima deramificante. Esso

rimuove i residui di glucosio legati con legame alfa 1,6 glicosidico

e li trasferisce sulla catena adiacente → quella che prima era una

ramificazione diventa qualcosa che l'enzima glicogeno-fosforilasi

può degradare.

Questo ci spiega perché il glucosio depositato come glicogeno

rappresenta una sorgente di energia importante e di facile accesso → la sua struttura lassa


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8 mesi fa


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in scienze e tecnologie alimentari
SSD:
Università: Milano - Unimi
A.A.: 2018-2019

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher melanie1996 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Biochimica generale e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Milano - Unimi o del prof Bonomi Francesco.

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