Principi
di
Biochimica
Materia: Atomi e Molecole
La materie è costituita da particelle elementari
chiamati Atomi che legandosi tra di loro
formano le Molecole.
Nelle molecole gli atomi sono tenuti assieme da
forze di vario tipo che formano i cosiddetti
legami chimici.
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Materia: Atomi e Molecole
Gli Atomi sono costituiti
da tre tipi di particelle:
Protoni (carica positiva),
Neutroni (carica neutra)
ed
Elettroni
(carichi
negativa). I protoni ed i
neutroni
formano
il
nucleo, attorno al quale
girano gli elettroni.
Materia: Atomi e Molecole
Gli atomi si associano spontaneamente tra loro
attraverso i legami chimici, formando le molecole
I legami chimici sono le forze che tengono uniti
gli atomi che formano le molecole.
Un legame è formato dalla condivisione o dal
trasferimento di elettroni tra atomi e
dall'attrazione elettrostatica tra protoni ed
elettroni
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Materia: Atomi e Molecole
Elementi:
sostanze composte da un solo
tipo di atomo es. H2 O2
H2
O2
Composti:
sostanze composte da
molecole che contengono
più specie atomiche es.
H2O.
Energetica
L’energia sfugge ad una definizione in termini di forma,
dimensioni e massa, ma implica una condizione dinamica
di cambiamento di stato: in realtà l’energia può essere
definita come “la capacità di compiere un
lavoro”.
In base al primo principio della termodinamica l’energia
non può essere né creata né distrutta, ma semplicemente
si trasforma da una forma all’altra.
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Legami Chimici
L’Energia di Legame è l’energia necessaria per
rompere un certo legame.
Più è forte un legame chimico più alta sarà la sua
energia di legame.
La stabilità di una molecola, quindi, è tanto
maggiore, quanto più alta è la sua energia di
legame.
Reazioni Chimiche
La propensione degli atomi a formare molecole
può essere ricondotto alla tendenza di un sistema
a raggiungere una situazione stabile, a minore
contenuto di energia (II principio della
Termodinamica).
Infatti l’energia della molecola così formata è
inferiore rispetto a quella dei due atomi isolati.
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Reazioni Chimiche
Allora, se due atomi posti a contatto reagiscono
tra loro spontaneamente, si potrà scrivere:
A + B = AB + energia
A
B
ENERGIA
+
Energia
-
AB
Reazioni Chimiche
Trasformazioni della materia in cui gli atomi, pur
restando inalterati si legano e si ridistribuiscono
in modo diverso da quello originario, formando
così sostanze diverse da quelle di partenza.
Le sostanze da cui si parte sono dette reagenti, le
sostanze ottenute al termine della reazione sono
dette prodotti.
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Reazioni Chimiche
Una reazione chimica del tipo A B avviene
perché una certa frazione della popolazione di
molecole della sostanza A possiede abbastanza
energia per raggiungere una condizione attivata
(Stato di transizione) in cui vi è un’alta
probabilità che avvenga la formazione o la
rottura di un legame chimico che ha come
risultato la formazione della sostanza B.
Reazioni Chimiche
Energia di Attivazione:
Il composto X è in uno stato metastabile perché
viene liberata energia quando è convertito nel
composto Y.
Affinché avvenga questa
trasformazione ad X deve
essere somministrata una
certa
energia
per
superare la barriera che
lo separa dal composto Y.
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Reazioni Chimiche
Reazioni esoergoniche:
L’energia dei prodotti è minore
rispetto a quella dei reagenti: si
ha una liberazione di energia
verso l'esterno.
Reazioni endoergoniche:
L’energia dei prodotti
è
maggiore rispetto a quella dei
reagenti: si ha un assorbimento
di energia dell'esterno.
Reazioni Chimiche
Reazioni Accoppiate:
A) Reazione spontanea che produce energia (calore);
B)L’energia prodotta da A viene in parte accumulata;
C)L’energia accumulata in B viene utilizzata per produrre lavoro
in un’altra reazione.
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Reazioni Chimiche
Idrolisi:
Rientrano sotto il generico nome di idrolisi
(dal greco ydor, acqua, e lyo, sciogliere)
diverse reazioni chimiche in cui una
molecola viene scissa in due o più parti
grazie all’intervento di una molecola di
acqua
Reazioni Chimiche
Condensazione:
Reazioni di unione di due o più molecole,
fra loro uguali o diverse, accompagnata
dall’eliminazione di una molecola d’acqua o
di altre molecole a basso peso molecolare
(alcool, ammoniaca ecc.).
8
Reazioni Chimiche
Ossidazione:
In senso ristretto, reazione di combinazione
dell’ossigeno con un elemento o un
composto.
In senso più generale, la trasformazione
durante la quale si ha perdita di elettroni da
parte di una specie chimica, in un processo
di ossidoriduzione (Redox).
Reazioni Chimiche
Velocità di Reazione:
La velocità con cui si svolge una reazione, ossia il
numero di reazioni che avvengono nell’unità di
tempo.
Si può esprimere come diminuzione della
concentrazione di un reagente (o aumento della
concentrazione di un prodotto) nell’unità di
tempo.
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Reazioni Chimiche
La velocità di una reazione ad una data
temperatura è proporzionale alla concentrazione
dei suoi reagenti (legge dell’azione di massa), ma
anche alla concentrazione della specie allo stato
di transizione.
La velocità di reazione è anche proporzionale alla
temperatura a cui si svolge (la temperatura
fornisce
energia
termica
ai
reagenti),
generalmente la velocità raddoppia ad un
aumento di 10°C della Temperatura .
Reazioni Chimiche
Catalizzatore:
Sostanza che modifica la velocità di una
reazione chimica, risultando inalterata al
termine del processo:
Catalisi positiva aumenta la
velocità di reazione.
Catalisi negativa diminuisce
la velocità di reazione.
10
Reazioni Chimiche
Pur rimanendo inalterato al termine della
reazione il catalizzatore prende parte alla
reazione chimica combinandosi con i reagenti
e formando un complesso intermedio attivato
che poi si separa nei prodotti e rilascia il
catalizzatore.
Enzimi
Gli enzimi sono molecole di natura proteica
che svolgono la funzione di catalizzatori
biologici,
facilitando
le
interazioni
biochimiche ed accelerando la velocità delle
reazioni di sintesi o di degradazione che
avvengono all'interno della cellula (la
velocità di tali reazioni può essere
aumentata fino a 10 milioni di volte).
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Enzimi
Ciascun enzima è specifico di una data
reazione o di un gruppo di reazioni simili.
Molti enzimi sono attivi solo se associati a
un cofattore (uno ione metallico come Fe2+ o
Mn2+) o a una struttura organica più
complessa, detta coenzima (che spesso è
una vitamina).
Enzimi
L’enzima ed i reagenti che in questo caso
prendono il nome di Substrato entrano in
contatto e si legano tra loro
Gli enzimi ed il substrato formano dei complessi
altamente instabili detti Stati di Transizione.
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Enzimi
In definitiva gli enzimi accelerano le reazioni
chimiche diminuendo l’energia di attivazione.
Enzimi
Le cellule riescono a operare con tanta
facilità le trasformazioni grazie alla presenza
degli enzimi che adeguano la velocità delle
reazioni alle necessità della cellula stessa.
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Monomeri
Polimeri
Monosaccaridi
Polisaccaridi
Aminoacidi
Proteine
Acidi Grassi
Grassi, Lipidi
Nucleotidi
Acidi Nucleici
Monomeri
Polimeri
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Bioenergetica
e
Metabolismo
Bioenergetica
Tutte le attività biologiche richiedono energia e questa energia
viene fornita dai nutrienti ed in particolare dai macronutrienti.
15
Bioenergetica
Gli stessi principi fisici che regolano la conservazione
dell’energia si applicano anche ai sistemi biologici.
Le molecole contenute negli alimenti contengono energia
potenziale che viene liberata attraverso le reazioni chimiche di
idrolisi e ossidazione del metabolismo energetico, seguendo il
secondo principio della termodinamica, passando cioè da
molecole a più alto contenuto energetico a molecole a minor
contenuto energetico con liberazione di energia (reazioni
esoergoniche).
Bioenergetica
L’energia prodotta da queste reazioni non viene trasferita
direttamente alle cellule che devono compiere lavoro, ma
viene utilizzata attraverso una reazione accoppiata per
sintetizzare un composto altamente energetico:
l’adenosintrifosfato (ATP).
L’energia potenziale contenuta nella molecola di ATP può
essere usata successivamente dalla cellula per ogni forma di
lavoro biologico, quindi le cellule sintetizzano continuamente
ATP e continuamente l’ATP libera energia quando le cellule
ne hanno bisogno.
16
Bioenergetica
Bioenergetica
Schema del ciclo ATP-ADP: L’ATP viene idrolizzato in ADP
liberando energia nei processi di sintesi e viene da esso
riformato, accumulando energia attraverso il catabolismo dei
nutrienti.
Libera
Energia
Accumula
Energia
ATP
P
P
P
Adenosina
Processi di
Biosintesi
(Anabolismo)
Catabolismo
dei Nutrienti
ADP + P
P
E
P
P
Adenosina
E
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Metabolismo: il complesso di tutte le reazioni
organiche di trasformazioni tra energia e materia.
Si divide in:
Anabolismo caratterizzato dalla sintesi di
molecole complesse con relativo consumo
energetico
Catabolismo caratterizzato dalla degradazione di
molecole complesse in molecole più semplici con
liberazione di energia.
Catabolismo
Primo stadio demolizione dei macronutrienti nei loro blocchi
costitutivi. Non si ha liberazione di energia
Secondo stadio
demolizione dei blocchi costitutivi in
intermedi fondamentali formati da pochi atomi di carbonio,
attraverso vie metaboliche specifiche per ogni tipo di composto. A
questo stadio è associata la liberazione di una parte relativamente
piccola dell’
dell’energia totale racchiusa nei legami delle biomolecole.
Terzo stadio
gli intermedi ottenuti precedentemente sono
incanalati in un unico processo ciclico terminale, il ciclo di Krebs
e la fosforilazione ossidativa. È in quest’
quest’ultimo stadio comune che
viene liberata e conservata la maggior quantità
quantità dell’
dell’energia
chimica presente nelle molecole da metabolizzare.
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Carboidrati
Lipidi
Proteine
Glicogenolisi
Lipolisi
Proteolisi
Monosaccaridi
Acidi Grassi
Amminoacidi
Glicolisi
-Ossidazione
Deaminazione
Piruvato
Acetil CoA
Ossalacetato
Ciclo di
Krebs
Fosforilazione
Ossidativa
Le varie vie del catabolismo dei nutrienti che convergono nel ciclo di Krebs che poi conduce
alla fosforilazione ossidativa .
GLICOLISI
Aerobica
Anaerobica
Glucosio
Gluconeogenes
i
2 ATP
Ciclo di
Cori
2 ADP
Fruttosio1-6P
NAD
2 ADP
NAD
NADH
2 ATP
NADH
Piruvato
Acetil CoA
Piruvato
Acido
Lattico
Ossalacetato
Ciclo di
Krebs
Fosforilazione
Ossidativa
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Ciclo di Cori
Muscolo
Fegato
Sangue
Glucosio
Glucosio
Glicolisi
ATP
ATP
Gluconeogenesi
Piruvato
Fermentazione
Piruvato
Lattato
Lattato
Sangue
Gluconeogenesi
Fegato
Glucosio
Glicolisi
Glucosio
Proteine
Lipidi
Lipolisi
Piruvato
ATP ADP
Gluconeogenesi
Glicerolo
Proteolisi
ATP
Amminoacidi
Glucogenetici
Piruvato
Fermentazione
Lattato
Acidi
Grassi
b-ossidazione
Ciclo di
Krebs
20
Catabolismo dei
Lipidi
Glucosio
Trigliceride
Gluconeogenesi
Glicolisi
Lipolisi
2 ADP
NAD
2 ATP
NADH
Glicerolo
Acidi
Grassi
ATP
Piruvato
-ossidazione
Acetil CoA
FAD
NAD
FADH 2
NADH
Ossalacetato
Ciclo di
Krebs
Fosforilazione
Ossidativa
Corpi Chetonici
Sono tre prodotti intermedi del metabolismo dei lipidi costituiti
acetone, acido
idrossibutirrico.
da
acetacetico,
acido
β-
I corpi chetonici derivano dal metabolismo epatico dei lipidi,
ATP
ma hanno caratteristiche
che li fanno assomigliare agli
zuccheri, in particolare elevata velocità di immissione e rapidità
di utilizzo.
Infatti sono molecole di piccole dimensioni, perciò vengono
veicolati molto velocemente, di più degli acidi grassi che,
invece, avendo bisogno di proteine trasportatrici come
l'albumina, sono veicolati assai lentamente.
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Corpi Chetonici
Sintetizzati nel fegato a partire dall’acetilCoA quando esso è
in eccesso rispetto all’ossalacetato.
In particolare la loro sintesi avviene in seguito a diete
sbilanciate molto ricche in grassi e con una bassa percentuale
di carboidrati, durante la gluconeogenesi, in seguito a digiuno
o dopo un’interso sforzo fisico.
Derivano prevalentemente dalla ossidazione degli acidi grassi,
anche se, in particolari condizioni metaboliche, possono
essere prodotti dal catabolismo di alcuni aminoacidi, per
questo detti chetogenici, (Leucina, Lisina, Fenilalanina,
Isoleucina, Triptofano e Tirosina).
Quando la velocità di sintesi dei chetoni aumenta, superando la
capacità di utilizzazione dei tessuti, si ha accumulo di chetoni
nel sangue e si determina la condizione patologica nota come
chetosi.
ATP
L’iperchetonemia dapprima è compensata da una aumentata
escrezione urinaria dei chetoni (chetonuria) e da
eliminazione dell’acetone, volatile, attraverso l’aria alveolare
(situazione presente spesso nei bambini piccoli).
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Se il processo non viene arrestato, si hanno gravi alterazioni
dell’equilibrio acido-base e si passa alla chetoacidosi, fino ad
arrivare al coma acidotico.
Le manifestazioni cliniche
dapprima appaiono di entità
ATP
modeste: astenia, malessere generale, eccessiva sensazione di
sete.
Mano a mano che si procede verso la chetosi, questi sintomi si
aggravano, insorge vomito, l’alito si fa chiaramente acetonico, si
ha disidratazione e si ha accumulo di CO2 nel sangue con
manifestazioni di iperpnea.
Catabolismo delle Proteine
Idrolisi delle proteine ad aminoacidi
Deaminazione – transaminazione
(Muscolo e Fegato)
Scheletri carboniosi entrano nel ciclo di Krebs
a vari livelli
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La maggior parte degli aminoacidi dopo
deaminazione dà origine ad intermedi della
gluconeogenesi e quindi può contribuire alla
formazione di molecole di glucosio, per tale
caratteristica sono detti glucogenici.
Altri chiamati chetogenici, dopo deaminazione,
possono portare alla produzione dei corpi chetonici
che sono poi usati come fonte di energia da vari
organi tra cui il muscolo ed anche il cervello quando
non ha più disponibilità di utilizzare glucosio.
Catabolismo delle Proteine
Fegato
Glucosio
Glicolisi
Glucosio
Proteine
Proteolisi
ATP
Piruvato
ATP ADP
Gluconeogenesi
Piruvato
Amminoacidi
Ciclo di
Krebs
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Catabolismo Delle
Proteine
ATP
Ciclo di Krebs
Membrana
Esterna
Cresta
Mitocondriale
Membrana
Interna (Catena
respiratoria)
Matrice (Ciclo di
Krebs)
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Ciclo di Krebs
Glucosio
Acidi Grassi
Amminoacidi
Glicolisi
-Ossidazione
Deaminazione
Piruvato
Acetil CoA
Ossalacetato
3 NADH
Citrato
Ciclo di
Krebs
3 NAD
GDP
FADH 2N
ADH
Catena di
trasporto
elettroni
GTP
FAD
Fosforilazione
Ossidativa
ATP
Fosforilazione Ossidativa
Il ciclo di Krebs,
Krebs, di per sé
sé, non necessita della presenza di
ossigeno.
Questo elemento è necessario nell'ultima tappa della
respirazione cellulare aerobica, cioè
cioè la catena di trasporto
degli elettroni accoppiata alla fosforilazione ossidativa.
Proprio in questo ultimo processo metabolico la gran parte
dell'energia liberata nelle varie tappe del ciclo di Krebs viene
sfruttata per sintetizzare l'ATP in grande quantità
quantità.
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Resa Energetica
In questo meccanismo a cascata ogni molecola di NADH e
FADH2 prodotta dal ciclo di Krebs e dalle vie cataboliche
iniziali dei nutrienti viene riossidata producendo ATP.
La resa di queste molecole è molto alta, potendo produrre
rispettivamente 2,5 e 1,5 molecole di ATP, per ogni molecola
di NADH e FADH2, valori questi assai più
più vicini alla realtà
realtà
dei valori stechiometrici teorici di 3 e 2, rispettivamente,
assegnati un tempo.
Il bilancio totale di un ciclo di Krebs è quindi di 10 molecole
di ATP ogni giro: 9 derivate dalla fosforilazione ossidativa (7,5
(7,5
dal NADH e 1,5 dal FADH2) ed 1 dalla produzione diretta di
GTP e successiva conversione,
Resa Energetica Carboidrati
Per la completa ossidazione una molecola di glucosio sono
necessari 2 giri del ciclo di Krebs.
Krebs.
Il bilancio totale è quindi dato da: glicolisi aerobica 7 ATP (2
prodotti direttamente e 5 derivati dalle due molecole di
NADH);
Carbossilazione ossidativa di due piruvati 5 ATP (derivati
dalle due molecole di NADH prodotte);
Due cicli di Krebs 20 ATP.
Totale 32 ATP
2 ATP servono per portare NADH della glicolisi nel mitocondrio
Bilancio netto sarà
sarà 3232-2= 30 molecole di ATP.
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Resa Energetica Lipidi
La resa della β-ossidazione dipende dal numero di carboni
che compongono l’
l’acido grasso interessato.
Prendiamo molecola di acido palmitico con 16 atomi di
carbonio, la sua ossidazione completa produce 8 AcetilCoA,
AcetilCoA, 7
NADH e 7 FADH2.
80 derivate dagli 8 cicli di Krebs innescati dagli AcetilCoA,
AcetilCoA,
17,5 dalle molecole di NADH e 10,5 dalle molecole di FADH2
ottenute dalla β-ossidazione = 108
Da queste vanno tolte 2 molecole di ATP necessarie per
attivare l’
l’acido grasso,
quindi la resa netta sarà
sarà 108108-2=106.
Resa Energetica Lipidi
Se poi teniamo conto che un trigliceride ha 3 molecole di
acido grasso ed una di glicerolo avremo
106x3=318 molecole di ATP
Più
Più 16 molecole ottenute dal glicerolo che entra nella
glicolisi e arriva a formare 1 molecola di piruvato.
318+16=334 molecole di ATP,
circa 11 volte la resa netta ottenuta dall’
dall’ossidazione di una
molecola di glucosio.
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Resa Energetica Lipidi
Se poi teniamo conto che un trigliceride ha 3 molecole di
acido grasso ed una di glicerolo avremo
106x3=318 molecole di ATP
Più
Più 16 molecole ottenute dal glicerolo che entra nella
glicolisi e arriva a formare 1 molecola di piruvato.
318+16=334 molecole di ATP,
circa 11 volte la resa netta ottenuta dall’
dall’ossidazione di una
molecola di glucosio.
Ciclo di Krebs = fornace metabolica
in cui confluiscono i prodotti del catabolismo glucidico,
lipidico e proteico per essere ossidati e produrre ATP.
Il catabolismo dei lipidi dipende dalla presenza di un certo
grado di catabolismo glucidico.
L’acetilCoA entra nel ciclo di Krebs legandosi ad una
molecola di ossalacetato per originare il citrato da cui ha
inizio il ciclo.
L’ossalacetato si forma dal piruvato originato dalla glicolisi.
Quindi se si riduce la disponibilità
disponibilità di glucosio di
conseguenza si riduce la concentrazione di ossalacetato ed il
metabolismo lipido non può procedere, da qui il detto che “i
grassi bruciano al fuoco dei carboidrati”
carboidrati”.
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In situazioni di carenza glucidica allora interviene in modo
preponderante il meccanismo della gluconeogenesi epatica
che comincia a produrre glucosio a partire prevalentemente
dagli scheletri carboniosi degli aminoacidi.
Se la situazione si protrae, come in caso di digiuno
prolungato o diete eccessivamente ipocaloriche, il calo del
pool aminoacidico porta alla degradazione delle proteine
tissutali per far fronte alla richiesta di substrato per la
gluconeogenesi.
gluconeogenesi.
In tali condizioni estreme di deplezione glucidica si verifica
inoltre un accumulo di acidi grassi liberi provenienti dal
tessuto adiposo e di acetilCoA prodotto dalla β-ossidazione,
poiché
poiché il ciclo di Krebs non può procedere per la scarsa
disponibilità
disponibilità di ossalacetato,
ossalacetato, creando una specie di
intasamento dei cicli catabolici.
Resa Energetica Lipidi
A questo punto i composti in eccesso vengono trasformati, a
livello epatico, in corpi chetonici che ben presto tendono ad
accumularsi con conseguente chetosi e acidosi.
acidosi.
La comprensione dei concetti base della biochimica del
metabolismo rende quindi chiaro come sia estremamente
sconsiderato seguire, o prescrivere, diete fortemente
ipocaloriche, sbilanciate, chetogeniche o ipoglucidiche, per
non parlare dei periodi di digiuno.
Tali pratiche, infatti, portano a dannose ripercussioni
fisiologiche, dettate dallo scompenso dei delicati meccanismi
biochimici che regolano le funzioni metaboliche.
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