Biochimica - Infermieristica

Biochimica

Processo di evoluzione dell'uomo

Tra l'uomo sapiens e l'uomo di ora non c'è nessuna differenza genetica, il metabolismo non è diverso.

Principali differenze

• L'uomo sapiens si procurava il cibo mentre l'uomo di ora trova il cibo già pronto.
• Cambia soprattutto l'alimentazione: uomo sapiens fonte principale le proteine mentre oggi la nostra alimentazione è basata sui carboidrati e i grassi ottenuti senza nessuno sforzo.

Sindrome metabolica: condizione che si crea nelle persone obese (soprattutto in Paesi particolari tipo gli USA), la sindrome metabolica indica quindi uno stato patologico multifattoriale che prevede la pressione alta, elevato rischio cardiovascolare e tante altre condizioni patologiche.

La vita media è di circa 80 anni in Italia mentre negli anni passati era circa la metà in quanto all'uomo sapiens mancava il progresso (ospedali, medicine, ecc.) e inoltre era altissima la mortalità infantile a differenza di oggi. Se non consideriamo questi due fattori anche l'uomo sapiens in sé aveva una lunga vita e non erano presenti alcune patologie come il tumore al pancreas, al fegato ecc., potevano però morire di malattie che per noi oggi sono normali come un raffreddore.

Valore di glicemia a digiuno → 70 - 100 mg/dL che corrispondono a circa 1g/L di sangue, valore nel quale il glucosio non diventa pericoloso.

Altro aspetto fondamentale della nostra alimentazione

• Le bevande gassate sono molto utilizzate e possono incidere nel nostro organismo. Informazioni nutrizionali: zuccheri. Se beviamo una coca-cola ad esempio introduciamo circa 35g di zuccheri (corrispondono circa a 10 bustine di zucchero), la nostra glicemia a questo punto sale di circa 7 g/L ovvero 10 volte la concentrazione minima di glucosio, se bevuta ogni tanto non crea danni al nostro organismo ma se diventa un'abitudine si può andare incontro a patologie come l'obesità.

Bioenergetica e biochimica

Cos'è il metabolismo?

Processo biochimico finalizzato a trasformare l'energia degli alimenti in energia metabolica usata dall'organismo per vivere e svolgere le varie funzioni.

Trasformazione energetica nei sistemi viventi

I sistemi metabolici del nostro organismo si basano sul:

• Primo principio della termodinamica: l'energia non si crea e non si distrugge ma semplicemente si trasforma.

Il percorso dai nutrienti ad altre forme di energie è calcolato in termini precisi attraverso l'equazione di Gibbs: G= H - TS. Prende in considerazione due grandezze che sono:

• L'entalpia (H): è la quantità e il tipo di legami che ci sono tra gli atomi e le molecole in una reazione chimica (energia contenuta nei legami).
• L'entropia (S): grado di disordine dell'universo, dentro la cellula si avrebbe un alto grado di disordine ma grazie ai vari meccanismi che introducono energia viene mantenuto un certo ordine.
• La temperatura (T): andrebbe tenuta in considerazione ma non in questo caso in quanto la temperatura all'interno dell'organismo umano essa rimane costante.

Il passaggio da uno stato di disordine ad uno stato di ordine non è una reazione spontanea ma che richiede energia. Il grado di disordine non può essere calcolato ma può essere calcolata la quantità di energia richiesta per diminuire quel grado di disordine, quindi si può applicare questa equazione ad una qualunque reazione, l'energia libera (G) dipende dall'entalpia e dall'entropia.

Reazioni spontanee e reazioni non spontanee

L'energia serve a compiere un lavoro (di tipo meccanico) o a far avanzare una reazione (di tipo chimico). Quando una reazione avviene senza l'utilizzo di energia il suo delta G sarà minore di 0 quindi negativo e di conseguenza la reazione è spontanea e di tipo esoergonica. Quando una reazione invece avviene solo grazie all'utilizzo di energia il suo delta G sarà maggiore di zero e di conseguenza la reazione non è spontanea e di tipo endoergonica.

Nei sistemi viventi ci sono moltissime reazioni endoergoniche che hanno bisogno di energia per procedere, l'energia gli viene data da altre reazioni del sistema che invece sono esoergoniche, quindi possiamo dire che nei sistemi viventi le reazioni non spontanee sono sempre accoppiate a reazioni spontanee. L'unità di misura con cui si calcola la variazione di energia libera è la caloria. La caloria è la quantità di energia necessaria per poter alzare la temperatura di 1 L di acqua da 15° a 16°C (quindi innalzarla di un grado).

Esempio di tipo chimico: Glicolisi. Nella prima reazione si ha la trasformazione del glucosio in glucosio 6-fosfato (reazione di fosforilazione) → reazione endoergonica avviene solo grazie all'energia che proviene dall'idrolisi dell'ATP → reazione esoergonica.

Quando parliamo di reazioni spontanee in realtà non significa che esse sono anche veloci, una reazione spontanea infatti può essere molto lenta e spesso non è compatibile con la vita per questo intervengono delle molecole che velocizzano le reazioni che prendono il nome di enzimi → catalizzatori chimici che aumentano la velocità di reazioni chimiche esoergoniche molto lente, abbassando l'energia di attivazione.

Metabolismo

È l'insieme di tutte le reazioni che avvengono in un sistema vivente per trasformare l'energia degli alimenti in energia metabolica per far funzionare il nostro organismo.

Il metabolismo può essere suddiviso in:

• Catabolismo: insieme delle vie degradative di molecole biologiche in molecole semplici. Alla fine di queste reazioni si avrà la formazione di ATP che servirà successivamente per tutte quelle reazioni di sintesi.
• Anabolismo: insieme di reazioni di sintesi di molecole semplici in molecole complesse (sintesi di glucosio, sintesi di proteine ecc.). Tutte queste reazioni consumano ATP.

ATP (Adenosina trifosfato)

È un nucleotide formato da uno zucchero pentoso, il ribosio (5 atomi di carbonio), a cui si lega una base azotata in questo caso l'adenina (purina) e al carbonio 5' invece si legano tre gruppi fosfati.

• Quando si rompe il legame che si trova tra un gruppo fosfato e l'altro si ha la liberazione di molta energia con la perdita di un gruppo fosfato.
• Se applichiamo la formula di Gibbs (G= H-TS) otterremo un valore di -7,5 Kcal.

La reazione di idrolisi dell'ATP è una reazione esoergonica e quindi spontanea.

Reazioni di ossido – riduzione

Il trasferimento dell'energia dagli alimenti all'ATP, quindi nelle vie cataboliche, avviene attraverso una serie di reazioni di ossido riduzione. Sono reazioni in cui vengono trasferiti degli elettroni da una sostanza che si ossida (dona elettroni) ad una che si riduce (accetta elettroni). Le reazioni di ossido riduzione nel metabolismo sono anche chiamate reazioni di deidrogenazione in quanto sono catalizzate da enzimi che prendono il nome di deidrogenasi.

In queste reazioni tutte le sostanze (substrato) possono andare incontro a ossidazione quindi possono donare elettroni mentre gli accettori di elettroni quindi le sostanze che si riducono sono sempre le stesse e sono due:

• NAD Trasportatori di elettroni
• FAD

NAD (Nicotinammide Adenin Dinucleotide)

È composto da due nucleotidi legati tra loro a livello dei gruppi fosfati: il primo nucleotide è l'AMP che come base ha l'adenina, il secondo è il nucleotide che ha come base eterociclica la nicotinammide.

• La nicotinammide è la parte del NAD che accetta gli elettroni.
• Il NAD ossidato viene indicato come NAD⁺ quindi con una carica positiva, mentre il NAD ridotto viene indicato come NADH + H⁺.
• Infatti, di due atomi di idrogeno (due protoni e due elettroni) ceduti dal substrato, il NAD accetta (a livello dell'anello della nicotinammide) due elettroni e un protone, il rimanente H⁺ viene rilasciato nel sistema.

La vitamina PP è un precursore del coenzima NAD, questa vitamina è rappresentata da due vitameri (forme diverse da un punto di vista chimico ma equivalenti da un punto di vista biologico): l'acido nicotinico e la nicotinammide che vengono anche chiamati con il nome complessivo di niacina o vitamina B3. È molto importante introdurre questa vitamina con l'alimentazione, essa è contenuta in grandi quantità nella carne mentre è scarsa nelle verdure.

La vitamina PP può anche essere sintetizzata nell'organismo (questa è un'eccezione per le vitamine) a partire da un amminoacido: il triptofano.

• Triptofano → Acido nicotinico.

Tuttavia però la quantità di vitamina PP sintetizzata dal triptofano non è sufficiente a coprire il fabbisogno giornaliero. La patologia che deriva da una carenza di vitamina PP si chiama Pellegra, una grave malattia caratterizzata da:

• Dermatite;
• Diarrea coleriforme; Definita anche la malattia delle 3D
• Demenza.

FAD (Flavin Adenin Dinucleotide)

È composto da due nucleotidi: AMP (contenente l'adenina come base azotata) e FMN, ovvero falvin mononucleotide (contenente la riboflavina) → vitamina B2 si trova in qualsiasi alimento quindi è difficile avere una alimentazione priva di questa vitamina.

Meccanismi di sintesi di ATP

Due sistemi per la sintesi dell'ATP:

• Fosforilazione ossidativa: (nei mitocondri) in cui si ha l'enzima ATPsintasi che prende energia dagli elettroni trasportati dal NAD e dal FAD e che trasportano l'energia fino all'accettore finale che è l'ossigeno. L'ossigeno proviene dall'aria quindi respirando, successivamente si lega ai globuli rossi (all'emoglobina) e viene trasportato in tutti i tessuti e in tutte le cellule dove ha come compito quello di essere l'accettore finale di tutti gli elettroni che lo riducono ad una molecola di acqua.
• Fosforilazione a livello del substrato: (è una reazione che avviene in assenza di ossigeno). Nel corso delle reazioni metaboliche si formano delle sostanze ad alta energia S - P dove S indica il resto della molecola del substrato e P indica il gruppo fosfato. La reazione per sintetizzare ATP partendo da una molecola ad alta energia consiste nel cedere il gruppo fosfato ad una molecola di ADP: S - P + ADP → S + ATP. L'energia per la sintesi di ATP deriva dalla reazione di rottura del legame ad alta energia del substrato.

Tutte le macromolecole che noi ingeriamo con gli alimenti vengono tutte degradate e trasformate in acetil-CoA (tipica fase catabolica del nostro metabolismo). Questa molecola subirà poi ulteriori trasformazioni ed entrerà nel ciclo di Krebs che è una via metabolica finalizzata alla produzione di trasportatori di elettroni sotto forma di NADH e FADH₂. I trasportatori di elettroni arrivano alla catena di trasporto degli elettroni che si trova all'interno dei mitocondri e che funziona solo in presenza di ossigeno. Il NAD e il FAD si riossidano cedendo tutti i loro elettroni alla catena di trasporto degli elettroni che avranno come accettore finale l'ossigeno per la formazione di acqua.

Nel frattempo i sistemi della catena di trasportano pompano fuori dei protoni (H⁺) che creano una fonte di energia che viene sfruttata dall'enzima ATPsintasi per sintetizzare, dall'ADP, l'ATP.

Fosforilazione ossidativa e glucosio

Il glucosio è la fonte principale di energia di tutti gli esseri viventi, esso viene trasformato in energia metabolica. Il carboidrato principale è proprio il glucosio che si trova nella maggior parte degli alimenti. I destini del glucosio:

1. Glicolisi (via metabolica specifica) → degradazione del glucosio a due molecole di piruvato, con riduzione di NAD e FAD per la catena di trasporto degli elettroni.
2. Via del pentoso fosfato → importante perché trasforma il glucosio a 6 atomi di carbonio in uno zucchero a 5 atomi di carbonio: Ribosio 5-fosfato che è la base di tutti i nucleotidi.
3. Conservato come riserva → conservato dentro le cellule muscolari e le cellule epatiche sotto forma di un polimero del glucosio: glicogeno; le piante lo conservano sotto forma di amido.

Un utilizzo eccessivo di glucosio fa sì che esso non entri in nessuna di queste tre vie e quindi si trasforma in acidi grassi. Il glucosio prima di entrare nella via della glicolisi resta per un po' di tempo nel circolo sanguigno (alti livelli di glicemia), successivamente il glucosio entra all'interno delle cellule seguendo il gradiente di concentrazione mediante un processo di diffusione facilitata mediata da carrier specifici, i trasportatori di glucosio.

Tali molecole, di natura proteica, sono localizzate nelle membrane cellulari e sono costituiti da una lunga catena polipeptidica transmembrana. Di questi carrier ce ne sono di diversi tipi e prendono il nome di GLUT (glucosio trasportatore). Il GLUT 4 è importante in quanto è sensibile anche all'insulina che fa aumentare la concentrazione di GLUT 4 sulla superficie della cellula e di conseguenza facilita l'entrata del glucosio nelle cellule, abbassando così i livelli di glicemia.

Il glucosio è un monosaccaride composto da 6 atomi di carbonio, la sua formula è C₆H₁₂O₆, che deriva dalla trasformazione di alimenti di natura glucidica, come ad esempio la pasta. Qualsiasi polisaccaride o disaccaride deve essere prima degradato a glucosio in quanto è l'unica molecola che il nostro corpo è in grado di degradare per ottenere energia.

Glicolisi

La glicolisi è un insieme di 10 reazioni che partendo da una molecola di glucosio a 6 atomi di carbonio avrà come prodotto finale due molecole di piruvato a 3 atomi di carbonio. La glicolisi può essere suddivisa in tre fasi:

• Fase endoergonica in cui è richiesta energia; 1-3 reazioni.
• Fase intermedia in cui la molecola si rompe in due; 4-5 reazioni.
• Fase esoergonica in cui le due molecole liberano una certa quantità di energia e si trasformano in piruvato (prodotto finale); 6-10 reazioni.

Le 10 reazioni

Fase endoergonica (-2 ATP)

1. Il glucosio viene fosforilato a glucosio 6-fosfato (consumo di un ATP).
2. Glucosio 6-fosfato viene isomerizzato a fruttosio 6-fosfato → nelle reazioni di isomerizzazione una molecola si trasforma in un'altra senza cambiare il numero di atomi, sono soltanto disposti in maniera diversa nello spazio.
3. Fosforilazione del fruttosio 6-fosfato in fruttosio 1,6-difosfato (consumo di un ATP).

Fase intermedia

4. Il fruttosio viene scisso in due molecole: diossiacetonfosfato, gliceraldeide 3-fosfato.
5. Isomerizzazione del diossiacetonfosfato in gliceraldeide 3-fosfato. Abbiamo quindi due molecole di gliceraldeide 3-fosfato.

Fase esoergonica (+4 ATP)

6. Due reazioni:
   • Reazione di ossido-riduzione in cui la gliceraldeide 3-fosfato si ossida (substrato) e il NAD si riduce a NADH.
   • Fosforilazione della gliceraldeide ovvero un'aggiunta di un gruppo fosfato portando alla formazione del 1,3-bifosfoglicerato.
7. Fosforilazione a livello del substrato: Il gruppo fosfato in posizione 1 del 1,3-bifosfoglicerato si stacca e viene trasferito all'ADP per la sintesi di una molecola di ATP grazie all'energia che deriva dalla rottura del legame del fosfato.
8. Formazione del fosfoenolpiruvato.
9. Seconda fosforilazione a livello del substrato: Il fosfoenolpiruvato cede un gruppo fosfato all'ADP che sfrutta l'energia liberata dalla rottura del legame per formare ATP. Si ha la formazione del piruvato.

Bilancio energetico della glicolisi

• Fase endoergonica: -2 ATP
• Fase esoergonica: +4 ATP

Guadagno energetico totale: 2 ATP.

Destini del piruvato

• In presenza di ossigeno:
  • Trasformato in Acetil-CoA subisce un'ulteriore ossidazione per la produzione di ATP durante la fosforilazione ossidativa (ciclo di Krebs).
• In assenza di ossigeno:
  • Fermentazione lattica→ lattato.
  • Fermentazione alcolica → etanolo (non la facciamo noi ma solo alcuni sistemi viventi, come i lieviti).

Fermentazione lattica

La fermentazione lattica è una condizione che si verifica quando ad esempio viene fatto uno sforzo fisico dopo un po' di tempo di non allenamento, respiriamo male e quindi i nostri muscoli non ricevono abbastanza ossigeno. In questo caso la catena di trasporto non potrà trasferire gli elettroni all'ossigeno molecolare e quindi il processo ossidativo si ferma e la ATPsintasi non sintetizza più ATP, così la cellula per riceve più energia entra nella via della fermentazione lattica.

Quando non è presente ossigeno l'energia viene presa direttamente dalla glicolisi, bruciando glucosio (produce 2 molecole di ATP), ma se non funziona la catena di trasporto degli elettroni la glicolisi non può andare avanti perché ha bisogno di NAD ossidati (vengono ossidati nella catena di trasporto) quindi a questo punto interviene la fermentazione lattica che in assenza di ossigeno riduce il piruvato a lattato e riossida il NAD → usato nella glicolisi.

Prodotto finale della fermentazione lattica: lattato.

Fermentazione alcolica

L'obiettivo della fermentazione alcolica è lo stesso di quella lattica ovvero di ridurre il piruvato in etanolo e riossidare i NAD per far procedere la glicolisi. Il piruvato prima di essere ridotto a etanolo subisce una decarbossilazione (viene tolto un atomo di carbonio sotto forma di anidride carbonica) e la molecola che ne deriva è l'acetaldeide, molecola molto tossica che se accumulata fa morire la cellula quindi viene subito trasformata attraverso la reazione di ossido-riduzione in etanolo.

L'acetaldeide si riduce a etanolo e il NADH si ossida a NAD. L'etanolo altera il metabolismo dell'uomo...

1L di vino con alcol al 13% → 130 ml di alcol ingeriti.