Biochimica - parte 1

BIOCHIMICA

La biochimica è una materia di fondamentale importanza per l’esercizio fisico in

quanto sta alla base di qualsiasi teoria di allenamento.

1 Membrane biologiche e trasporto

La biochimica cerca di descrivere le leggi alla base della vita degli organismi

viventi. Gli organismi viventi sono basati sull’unità biologica che è la CELLULA.

La di conseguenza le e i che governano

biochimica descrive strutture meccanismi

le scendendo nei particolari.

funzioni cellulari

LE MEMBRANE

Funzioni:

Definire i confini cellulari

 Regolare traffico delle molecole

il

 Dividere lo spazio interno compartimenti

in (negli eucarioti), segregando in

 essi specifici componenti e processi biologici

Proprietà: (per consentire i movimenti alla cellula senza rompersi)

Resistenti e flessibili

 (in quanto entrano ed escono vescicole di endocitosi e esocitosi)

Autosigillanti

 (ex. citosol, mitocondri, ..) una serie

Delimitano dei comparti che contengono

 di proteine specializzate – – che insieme collaborano in una

enzimi specifica

funzione o via metabolica cellulare

Sono in generale ma possono essere

impermeabili alle molecole POLARI,

 Na, K, Ca

– – permettendo di

selettivamente permeabili ad alcuni di loro

potenziale di membrana)

accumularli all’interno della cellula (K, o in

contrazione muscolare)

comparti cellulari (Ca, e di rilasciarli per svolgere

propagazione dell’impulso lungo la

una determinata funzione cellulare (K,

membrana; Ca, spostamento della tropo miosina -> aggancio miosina)

Le membrane creano compartimenti che svolgono funzioni specialistiche,

permettendo di:

Separare vie metaboliche altrimenti non compatibili: la biosintesi dei lipidi

 avviene nel citosol, ma la degradazione dei lipidi avviene nei mitocondri

Produrre proteine modificate: la biosintesi delle proteine cellulari avviene

 nel citosol, ma quelle che devono essere esportate vengono modificate

all’interno del RE e del complesso del Golgi prima di essere riversate

all’esterno della cellula (ex. la doppia membrana che

 Creare gradienti chimici ed elettrochimici:

riveste i mitocondri crea uno spazio in cui vengono immagazzinati i protoni

necessari alla produzione di ATP)

costituite da:

Le membrane sono (sottoforma di

lipidi polari, proteine, carboidrati

glicoproteine e glicolipidi).

Le membrane biologiche hanno una denominata .

struttura A MOSAICO FLUIDO

le interazioni tra i suoi componenti non sono covalenti.

Fluidità:

I fosfolipidi formano una membrana a doppio strato fosfolipidico

 Le proteine sono sono vincolate dalla

immerse o appoggiate ad essa,

 membrana

Le proteine e i lipidi sono liberi di muoversi lateralmente nel piano nel

 (mosaico fluido), ma il movimento da un foglietto all’altro è

doppio strato

limitato

Gli zuccheri ( ) di membrana sono presenti solo sul

glicoproteine e glicolipidi

 lato extracellulare

a - LIPIDI POLARI

I lipidi polari ( – testa polare e coda apolare – in più il

fosfolipidi e colesterolo

colesterolo ha anche un corpo rigido di anelli steroidei tra testa e coda) sono i

. Essi sono e quando entrano in

costituenti principali delle membrane anfipatici

contatto con l’acqua si dispongono con la porzione carica a contatto

con essa e la porzione idrofobica il più lontano possibile da essa,

per formare un (micelle) o un

MONOSTRATO DOPPIO STRATO

(liposoma). – le catene idrofobiche degli acidi grassi sono

MICELLE

sequestrate all’interno della sfera, lontano dall’acqua.

– i lipidi si dispongono a doppio strato che racchiude una cavità

LIPOSOMI

riempita d’acqua; all’interno del doppio strato le catene lipidiche sono protette

dall’interazione con l’acqua, mentre le loro teste polari entrano in contatto con

essa.

Il colesterolo nelle membrane ha la funzione di regolare la fluidità della membrana

in base alla temperatura:

- Aumenta la fluidità a temperature basse

- Riduce la fluidità a temperature alte

La delle membrane non è regolata solo dalla presenza di colesterolo e

fluidità

dalla sua quantità, ma , in modo

è regolata anche dal tipo di fosfolipide presente

particolare il tipo di catena di acido grasso presente nel fosfolipide. Quando la

, ciò che sono gli

temperatura esterna tende ad aumentare aumenta acidi grassi a

; mentre quando la , tendono a gli

catena satura temperatura diminuisce prevalere

. Quindi anche la saturazione dei lipidi permette di

acidi grassi a catena insatura

mantenere costante la fluidità della membrana al variare della temperatura

esterna.

I presenti nella membrana sono confinati nel loro strato; è quindi

fosfolipidi non

possibile la diffusione trasversale spontanea da uno strato del doppio strato

(o meglio è molto lenta e quindi non avviene).

all’altro

Tuttavia, è possibile che passino

i fosfolipidi da uno strato all’altro utilizzando

immerse nel doppio strato fosfolipidico

(enzimi) che

delle proteine sfruttano

per portare un fosfolipide dallo

l’energia fornita da una molecola energetica (ATP)

– – o per portarlo

strato esterno allo strato interno dallo strato

ENZIMI FLIPPASE

– . Esistono anche gli

interno alle strato esterno ENZIMI FLOPPASE ENZIMI

– che muovono i fosfolipidi in entrambe le direzioni in modo

SCRAMBLASE

bilanciato.

Gli enzimi più importanti sono comunque i e , soprattutto per

FLIPPASE FLOPPASE

creare curvature nella membrana plasmatica; sono importanti quindi nei processi

di endo ed esocitosi per aumentare le dimensioni dello strato interno e diminuire

quello dello strato esterno o viceversa.

per cui gli enzimi flippase e floppase sono importanti sono:

Altri fenomeni

 : le cellule hanno una loro vita; le cellule anziane quindi devono

APOPTOSI

lasciare spazio alle cellule di nuova sintesi. Il meccanismo di apoptosi

comincia da un’estroversione, quindi con lo spostamento di un fosfolipide

La cellula da eliminare

(fosfatidilserina) verso lo strato esterno (flopping).

viene quindi contraddistinta dalla presenza di fosfatidilserina sulla

membrana esterna, dato che di norma sta dalla parte della membrana

interna; questo permette al sistema immunitario di rimuovere queste cellule.

le piastrine si aggregano solo dopo che sul lato esterno della loro

:

 TROMBI

membrana è stata spostata la fosfatidilserina; quindi sempre secondo il

flopping

processo di è possibile far avvenire la formazione del trombo.

b – PROTEINE proteine integrali o

Le proteine della membrana plasmatica possono essere

proteine periferiche.

- : quando sono integrate all’interno del doppio strato

INTEGRALI

fosfolipidico, quindi quando lo attraversano completamente;

- : sono solo appoggiate alla membrana.

PERIFERICHE alla membrana

Le proteine associate possono essere legate da legami covalenti con

e in questo modo rimangono saldamente ancorate allo

i lipidi della membrana

strato lipidico e solitamente queste proteine si trovano sul lato citosolico della

membrana. integrali

, quindi quelle (recettori), invece, sono

Le proteine transmembrana

formate da fortemente , che permettono a

nella parte centrale amminoacidi lipofili

rimanere all’interno del doppio strato lipidico.

queste proteine di Hanno poi una

, formata da , e sul

parte terminale amminoacidi idrofilici lato esterno della

hanno altri a cui molto spesso risultano legati in

membrana amminoacidi idrofilici

modo covalenti dei saccaridi (quindi spesso i recettori si presentano sottoforma di

glicoproteine).

Le proteine specializzate presenti sulle membrane sono:

spostano da un lato all’altro della membrana

:

Trasportatori e canali

 o permettono il passaggio di molecole

(proteine trasportatrici) SPECIFICHE

cariche o piccoli ioni, che NORMALMENTE NON LA POTREBBERO

ATTRAVERSARE

interagiscono con specifici ligandi

: (ormoni, citochine, ..). tramite

Recettori

 questa interazione accadono una cascata di eventi molecolari a catena che

produce modificazioni all’interno della cellula

alla fine tengono adese le cellule ad una matrice cellulare

: (ex.

Molecole di adesione

 integrine con il collagene)

Complessi enzimatici: (ex. la catena di trasporto degli elettroni)



TIPI DI TRASPORTO E DI CANALI soluto è attraversare

1. : se il può

DIFFUSIONE SEMPLICE APOLARE

membrana

tranquillamente la Il

SECONDO GRANDIENTE DI CONCENTRAZIONE.

flusso avviene da dove il soluto è presente in maggiore concentrazione a

dove è invece presente in minore, fino a quando la concentrazione del

soluto risulta uguale in entrambi i lati

soluto attraversare la

2. : se il è può

DIFFUSIONE FACILITATA POLARE

membrana l’aiuto dei

con trasportatori che gli consentono il

CANALI

movimento netto

passaggio. Il di un soluto elettricamente carico verso il lato

a carica opposta avviene fino

SECONDO GRADIENTE ELETTRO-CHIMICO,

all’equilibrio delle cariche.

I (sono buchi che si aprono sulla membrana), che permettono il

canali

passaggio dei soluti polari, (poiché quando sono aperti

non sono saturabili

consentono il flusso massimo) e quindi garantiscono flussi molto elevati

(paragonabili alla diffusione libera)

: sono più veloci dei trasportatori e non sono saturabili,

CANALI IONICI

quindi vengono usati per innescare delle modificazioni repentine di un

. .

soluto CANALI IONICI DIFETTOSI POSSONO CAUSARE PATOLOGIE

si legano ai soluti polari li trasportano all’altro lato della

3. : e

TRASPORTATORI

membrana. Sono , in quanto possono trasportare solo un soluto

saturabili

per volta, o al massimo pochi soluti.

Le tre classi principali di trasportatori sono:

– trasportatori che consentono a di passare in

UNIPORTO

a) UN SOLUTO UN

SOLO SENSO;

b) – trasportatori che consentono l’entrata simultanea di

SIMPORTO 2 TIPI

nella ;

DIVERSI DI SOLUTO STESSA DIREZIONE

c) – trasportatori che consentono l’entrata simultanea di

ANTIPORTO 2 TIPI

in ;

DIVERSI DI SOLUTO DIREZIONE DIVERSA

Ci sono due tipi di trasportatori:

3.1 Trasportatori passivi (non utilizzano ATP) – consentono la diffusione

(ex. cloruro-bicarbonato, ATP sintasi,..)

di soluti a favore di gradiente.

Un importante tipo di trasportatore passivo è quello per il GLUCOSIO

nelle fibre muscolari. Esistono 4 trasportatori per il glucosio e sono

tutti trasportatori passivi:

1- GLUT 1

2- : ! Nel rene cotrasporta e glucosio e sodio (simporto); il sodio

GLUT 2

uscito grazie alla pompa ATPasica Na/K, rientra nelle cellule secondo

gradiente e cotrasporta il glucosio contro gradiente (diventa quindi t.

)

ATTIVO

3- : consente l’afflusso di glucosio nei neuroni

GLUT 3

4- : permette la diffusione facilitata del glucosio circolante lungo

GLUT 4

il suo gradiente di concentrazione in cellule muscolari e adipose.

3.2 Trasportatori attivi primari e secondari (utilizzano ATP) –

consentono la diffusione di soluti contro gradiente, quindi di creare

accumuli di un determinato soluto all’interno di un compartimento

cellulare piuttosto che in un altro.

= quando lo stesso trasportatore è una proteina che è in

PRIMARI

 grado di far passare il soluto e anche di scindere l’ATP in ADP per

prelevare l’energia necessaria affinchè il processo avvenga.

Es. Pompa sodio ATPasica in grado di scambiare sodio Na e potassio

+

K ; 3 molecole di sodio (cariche negative) escono e al contempo 2

+

molecole di potassio (cariche positive) entrano – ciò provoca la

polarizzazione della membrana.

= quando un trasportatore attivo è abbinato a un

SECONDARI

 trasportatore passivo (simporto in modo particolare).

Es. Trasportatori che utilizzano i batteri E. coli del nostro intestino per

trasportare il lattosio all’interno delle cellule.

2 Mioglobina ed Emoglobina

Sono entrambe delle molto importanti, soprattutto nell’esercizio fisico.

proteine,

MIOGLOBINA

= consente di

all’interno del muscolo conservare l’ossigeno e tenerlo a disposizione

– serve soprattutto durante quelle attività che utilizzano un tipo

per quando serve

di metabolismo ossidativo; è contenuta in tutti i muscoli del nostro corpo, infatti

è una .

PROTEINA MUSCOLARE

Struttura terziaria

È una costituita da globina (catena di 153 amminoacidi) che è

proteina globurale

la proteina che lo forma, ma non solo: anche da un gruppo EME. Il è

gruppo EME

grazie alla

attaccato alla proteina catena laterale di due amminoacidi “istidina”

posti una su un lato e una sul lato opposto; l’istidina è importante per il

meccanismo attraverso il quale l’ossigeno

meccanismo di , ossia il

CAPTAZIONE

rimane legato al gruppo EME.

La maggior parte degli si trovano (quindi

AA idrofobici all’interno della molecola

lontano dall’acqua); al contrario, gli si trovano più

AA idrofilici sulla superficie

(quindi più verso il citosol della cellula). , in realtà

della molecola 2 AA idrofilici

non si trovano sulla superficie, bensì .

all’interno, ed essi sono i 2 AA istidina

Essendo che la mioglobina all’interno è un ambiente lipofilo, permette al gruppo

che è centrale,

EME, formato da un ATOMO DI FERRO di mantenerlo nella forma

altrimenti verrebbe ossidato alla forma 3+ che non consente

ridotta alla forma 2+,

al ferro di captare. Lo scheletro della mioglobina è formato da 8 segmenti ad alfa

in modo da

elica, interrotte tra loro da porzioni che non hanno struttura

permettere il ripiegamento.

Gruppo EME

È una formata da un (unità ciclica a 5

molecola protoporfilina anello tetrapirrolico

4 anelli pirrolici, all’interno

atomi, di cui 1 è un atomo di azoto); ci sono quindi dei

un atomo di ferro.

quali è presente è in grado di formare , di cui 4 vengono

L’atomo di ferro 6 legami di coordinazione

usati per formare un legame con i 4 atomi di azoto dei 4 anelli pirrolici; per gli

altri 2 legami di coordinazione, il 5° legame prende contatto con un atomo di

azoto contenuto all’interno di un amminoacido (istidina), che fa parte della

globina – in questo modo il gruppo EME viene saldato covalentemente (= con

legami che non si possono rompere) all’interno della proteina; il 6° legame serve

invece per legare l’ossigeno: l’ossigeno si lega al 6° legame di coordinazione con

un legame ANGOLATO rispetto al piano dell’EME per cui il legame è INSTABILE.

Il secondo AA istidina serve per stabilizzare la posizione dell’ossigeno sul gruppo

EME, tramite un legame idrogeno (debole).

! Quando la mioglobina viene “intossicata” dal monossido di carbonio (che al

contrario dell’ossigeno, si riesce a legare con il 6° legame tramite un legame

STABILE in quanto il legame non è angolato bensì in asse) essa non potrà mai più

essere riutilizzata; questo in quanto il legame diventa covalente e quindi non si può

più rompere.

Come lega l’ossigeno alla mioglobina?

Al variare della pressione dell’ossigeno presente nell’ambiente in cui si trova la

legata o slegata all’ossigeno.

, essa è in grado di essere La

mioglobina curva di

dell’ossigeno alla mioglobina è una curva .

legame iperbole

Nel muscolo (dov’è di solito presente la mioglobina) a riposo è presente una

pressione di 4 kPa (chilo Pascal) – 4 p0 . Alla pressione di 4 kPa praticamente il

2

è nella forma SATURA di ossigeno, cioè è nella forma

100% della mioglobina

.

LEGATA all’ossigeno

Al contrario, quando il muscolo è in attività, l’ossigeno libero presente nella fibra

muscolare tende a ridursi di concentrazione; questo perché l’ossigeno viene

consumato attraverso il metabolismo ossidativo. In condizioni di esercizi intenso

la pressione presente nel muscolo può arrivare addirittura a 0.26 kPa. A questa

pressione corrisponde che solo il 50% di mioglobina è legata mentre l’altro 50% è

slegato dall’ossigeno.

Dal punto di vista biochimico è possibile verificare la capacità di una proteina di

captare l’ossigeno, utilizzando dei metodi che impiegano l’utilizzo di

spettrofotometri.

EMOGLOBINA

= serve a , quindi anche al muscolo.

trasportare l’ossigeno dai polmoni ai tessuti

L’emoglobina è una .

proteina eritrocitaria contenuta all’interno dei globuli rossi

L’emoglobina va a , quando il sangue arriva ad essi.

captare l’ossigeno dai polmoni

In quel momento l’emoglobina si satura al 98% di ossigeno. (globuli

Gli eritrociti

rossi) , e poi tornano indietro verso il

arrivano ai tessuti, rilasciando l’ossigeno

circolo sanguigno per tornare al polmone. Nel momento in cui tornano nel circolo

sanguigno, la % di emoglobina ancora satura è del 60%.

L’emoglobina all’interno dei globuli rossi è molto rappresentata (34% di tutte le

molecole proteiche all’interno del globulo rosso).

Struttura

L’emoglobina è una proteina multimerica, dotata cioè di struttura quaternaria, in

Ogni monomero ha una struttura molto simile a

.

cui 4 monomeri la compongono

quella della mioglobina ma sono .

differenti per l’affinità per l’O 2

alfa)

L’emoglobina è forma