Indice - Zanichelli

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Prefazione, xv
PARTE PRIMA IL DISEGNO MOLECOLARE
DELLA VITA
Sezione I LA BIOCHIMICA CI AIUTA A
COMPRENDERE IL NOSTRO MONDO
1. La biochimica e l’unità della vita, 2
1.1. Gli organismi viventi richiedono un numero finito
di atomi e molecole, 3
1.2. Esistono quattro classi principali di biomolecole, 4
Le proteine sono le biomolecole più versatili, 4; Gli acidi
nucleici sono le molecole di informazione della cellula, 4;
I lipidi sono forme di riserva energetica e hanno funzione
di barriera, 5; I carboidrati sono combustibili e molecole
di informazione, 6
1.3. Il dogma centrale descrive i principi base del trasferimento dell’informazione biologica, 6
1.4. Le membrane delimitano la cellula e svolgono
funzioni essenziali, 7
Le funzioni biochimiche sono segregate in compartimenti cellulari, 9; Gli organuli facilitano i processi biochimici, 11; Alcuni organuli modificano e separano le proteine
e scambiano materiale con l’ambiente esterno, 11
Un funzionamento difettoso degli
organuli è causa di patologie, 13
APPROFONDIMENTI CLINICI
Riepilogo, 14 䊏 Termini chiave, 14 䊏 Risposte ai quesiti, 14
䊏 Problemi, 14
2. Acqua, legami deboli e generazione di
ordine dal caos, 15
2.1. I moti termici attivano le interazioni biologiche, 16
2.2. Le interazioni biochimiche avvengono in soluzione acquosa, 16
2.3. Le interazioni deboli sono proprietà biochimiche
importanti, 17
Le interazioni elettrostatiche si generano tra cariche elettriche opposte, 17; I legami idrogeno si formano tra un
atomo elettronegativo e l’idrogeno, 18; Le interazioni di
van der Waals dipendono da una asimmetria transitoria
della distribuzione elettronica, 19; I legami deboli permettono interazioni ripetute, 20
2.4. Le molecole idrofobiche tendono a formare degli
aggregati, 20
Le molecole anfipatiche possono formare compartimenti
in presenza di acqua, 21; Il ripiegamento delle proteine è
favorito da interazioni idrofobiche, 21; I gruppi funzionali hanno specifiche proprietà chimiche, 23
2.5. Il pH è un importante parametro dei sistemi biochimici, 23
L’acqua ionizza in piccole quantità, 24; Un acido è un donatore di protoni, mentre una base è un accettore di protoni, 24; Gli acidi hanno tendenze diverse a ionizzare, 24;
I tamponi resistono ai cambiamenti di pH, 25; I tamponi hanno un’importanza cruciale nei sistemi biologici, 26
Riepilogo, 27 䊏 Termini chiave, 27 䊏 Risposte ai quesiti, 27
䊏 Problemi, 27
Sezione II COMPOSIZIONE E STRUTTURA
DELLE PROTEINE
3. Gli amminoacidi, 30
3.1. Le proteine sono costituite da un repertorio di 20
amminoacidi, 30
La maggior parte degli amminoacidi esiste sotto forma di
due immagini speculari, 31; Tutti gli amminoacidi hanno
almeno due gruppi carichi, 31
3.2. Gli amminoacidi contengono una vasta gamma di
gruppi funzionali, 32
Gli amminoacidi idrofobici hanno generalmente catene
laterali idrocarburiche, 32; Gli amminoacidi polari hanno catene laterali che contengono un atomo elettronegativo, 33; Gli amminoacidi carichi positivamente sono idrofilici, 34; Gli amminoacidi carichi negativamente hanno
catene laterali acide, 35; Le catene laterali ionizzabili di un
amminoacido aumentano la sua reattività e capacità di formare legami, 35
3.3. Gli amminoacidi essenziali devono essere assunti con la dieta, 36
APPROFONDIMENTI CLINICI Se non viene garantito un giusto
apporto proteico con la dieta si instaurano condizioni patologiche, 36
Riepilogo, 37 䊏 Termini chiave, 37 䊏 Risposte ai quesiti, 38
䊏 Problemi, 38
4. La struttura tridimensionale delle proteine,
39
4.1. La struttura primaria: gli amminoacidi sono uniti
da legami peptidici per formare catene polipeptidiche, 39
IV
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Le proteine hanno sequenze amminoacidiche uniche, specificate dai geni, 41; Le catene polipeptidiche sono flessibili, ma hanno restrizioni conformazionali, 42
4.2. La struttura secondaria: le catene polipeptidiche
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66; Gli analoghi dello stato di transizione sono potenti inibitori degli enzimi, 67
Riepilogo, 68 䊏 Termini chiave, 68 䊏 Risposte ai quesiti, 68
䊏 Problemi, 68
si ripiegano formando strutture regolari, 44
L’␣-elica è una struttura avvolta, stabilizzata da legami idrogeno intracatena, 44; I foglietti ␤ sono stabilizzati da legami idrogeno tra le catene polipeptidiche, 45; Le catene
polipeptidiche possono invertire la loro direzione mediante
ripiegamenti o anse, 47; Le proteine fibrose forniscono un
supporto strutturale alle cellule e ai tessuti, 47
4.3. La struttura terziaria: le proteine solubili in acqua
si ripiegano in strutture compatte, 49
La mioglobina e i principi della struttura terziaria, 49; La
struttura terziaria di molte proteine può essere divisa in
unità strutturali e funzionali, 50
4.4. La struttura quaternaria: più catene polipeptidiche possono associarsi in una sola proteina, 51
4.5. La sequenza degli amminoacidi di una proteina
determina la sua struttura tridimensionale, 52
Le proteine si ripiegano per progressiva stabilizzazione degli intermedi, e non per scelte casuali, 52
Il deficit di vitamina C causa lo
scorbuto, 48; Ripiegamenti proteici non corretti e aggregazioni fra proteine sono alla base di alcune patologie
neurologiche, 54
APPROFONDIMENTI CLINICI
Riepilogo, 55 䊏 Termini chiave, 56 䊏 Risposte ai quesiti, 56
䊏 Problemi, 56
Sezione III GLI ENZIMI: CONCETTI DI BASE E
CINETICA
5. I concetti fondamentali dell’attività
enzimatica, 60
5.1. Gli enzimi sono catalizzatori altamente specifici e
molto efficienti, 60
5.2. Molti enzimi richiedono cofattori per svolgere la
loro attività, 61
5.3. L’energia libera è una funzione termodinamica
utile per comprendere il funzionamento degli enzimi, 61
La variazione di energia libera fornisce informazioni sulla
spontaneità di una reazione, ma non sulla sua velocità, 62;
La variazione di energia libera standard è correlata alla costante di equilibrio di una reazione, 63; Gli enzimi alterano solo la velocità delle reazioni, non l’equilibrio, 64
5.4. Gli enzimi facilitano la formazione dello stato di
transizione, 64
La formazione del complesso enzima–substrato è la prima
tappa nella catalisi enzimatica, 65; I siti attivi degli enzimi hanno alcune caratteristiche comuni, 65; L’energia di
legame tra enzima e substrato è importante per la catalisi,
6. Cinetica e regolazione, 70
6.1. La cinetica studia la velocità delle reazioni, 70
6.2. Il modello di Michaelis-Menten descrive la cinetica di molti enzimi, 71
I valori di KM e Vmax possono essere determinati in vari
modi, 73; I valori di KM e Vmax sono importanti caratteristiche degli enzimi, 74; Il rapporto kcat/KM è una misura dell’efficienza catalitica, 75; La maggior parte delle reazioni biochimiche ha più substrati, 75
6.3. Gli enzimi allosterici sono catalizzatori e sensori
di informazioni, 77
Gli enzimi allosterici sono regolati dai prodotti delle vie
metaboliche regolate da loro stessi, 77; Gli enzimi regolati allostericamente non seguono la cinetica di Michaelis–Menten, 79; Gli enzimi allosterici dipendono dalle alterazioni nella loro struttura quaternaria, 79; Le molecole di segnale modulano l’equilibrio tra la forma T e la forma R, 80; Anche il modello sequenziale spiega gli effetti
allosterici, 81
Variazioni nella KM possono avere
implicazioni fisiologiche, 73; La perdita della regolazione
allosterica può causare patologie, 81
APPROFONDIMENTI CLINICI
Riepilogo, 82 䊏 Appendice: Derivazione dell’equazione di Michaelis–Menten, 82 䊏 Termini chiave, 83 䊏 Risposte ai quesiti, 83 䊏 Problemi, 83
7. I meccanismi catalitici e l’inibizione
enzimatica, 86
7.1. Gli enzimi utilizzano poche strategie catalitiche,
86
7.2. L’attività enzimatica può essere modulata da
temperatura, pH e molecole inibitorie, 87
La temperatura aumenta la velocità delle reazioni catalizzate da enzimi, 87; La maggior parte degli enzimi ha un
pH ottimale, 88; Gli enzimi possono essere inibiti da specifici composti, 89; I vari tipi di inibizione reversibile sono
cineticamente distinguibili, 90; Gli inibitori irreversibili
possono essere usati per individuare il sito attivo, 91
7.3. La chimotripsina illustra i principi fondamentali
della catalisi e dell’inibizione, 94
La chimotripsina per svolgere la sua azione necessita del
residuo di serina 195, 94; L’azione delle chimotripsina procede in due fasi, interconnesse da un intermedio legato covalentemente, 95; Il ruolo catalitico dell’istidina 57 è stato dimostrato mediante marcatura per affinità, 96; La serina fa parte di una triade catalitica composta da istidina
e acido aspartico, 96
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La penicillina inattiva irreversibilmente un enzima chiave della sintesi della parete batterica, 93
V
APPROFONDIMENTI CLINICI
Le lectine promuovono le interazioni tra le cellule, 128
Riepilogo, 98 䊏 Termini chiave, 99 䊏 Risposte ai quesiti, 99
䊏 Problemi, 99
APPROFONDIMENTI CLINICI I proteoglicani sono importanti
componenti delle cartilagini, 124; L’ormone eritropoietina è una glicoproteina, 125; Gli errori nella glicosilazione possono provocare condizioni patologiche, 127; Le
lectine facilitano lo sviluppo embrionale, 128; Il virus
dell’influenza si lega a residui di acido sialico, 128
8. L’emoglobina: una proteina allosterica, 101
8.1. L’emoglobina presenta un comportamento cooperativo, 101
8.2. La mioglobina e l’emoglobina legano l’ossigeno a
APPROFONDIMENTI BIOLOGICI I gruppi sanguigni sono caratterizzati da un differente grado di glicosilazione, 126
Riepilogo, 129 䊏 Termini chiave, 129 䊏 Risposte ai quesiti, 130 䊏 Problemi, 130
livello del gruppo eme, 102
8.3. L’emoglobina lega l’ossigeno con un meccanismo
cooperativo, 103
8.4. Regolazione allosterica dell’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno, 105
8.5. Gli ioni idrogeno e il biossido di carbonio promuovono il rilascio di ossigeno, 107
La risonanza magnetica funzionale
per immagini rivela le aree cerebrali implicate nell’elaborazione dell’informazione sensoriale, 103; L’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno viene modulata in base alle
necessità, 106; L’anemia falciforme è una malattia causata da una mutazione nella molecola dell’emoglobina, 106
10. I lipidi, 132
10.1. Gli acidi grassi sono una delle fonti principali di
sostanze nutrienti, 132
Gli acidi grassi si differenziano per la lunghezza della loro
catena idrocarburica e per il grado di insaturazione, 134;
Il grado e il tipo di insaturazione sono molto importanti per la salute, 135
APPROFONDIMENTI CLINICI
Gli adattamenti dell’emoglobina
permettono il trasporto dell’ossigeno in condizioni estreme, 106
APPROFONDIMENTI BIOLOGICI
Riepilogo, 109 䊏 Termini chiave, 110 䊏 Risposte ai quesiti,
110 䊏 Problemi, 110
Sezione IV CARBOIDRATI E LIPIDI
9. I carboidrati, 114
9.1. I monosaccaridi sono i carboidrati più semplici,
114
Molti zuccheri comuni esistono in forme cicliche, 116; I
monosaccaridi sono legati ad alcoli e ad ammine mediante legami glicosidici, 119
9.2. I carboidrati complessi si formano dall’unione di
più monosaccaridi, 120
Enzimi specifici catalizzano la sintesi degli oligosaccaridi,
120; Il saccarosio, il lattosio e il maltosio sono i disaccaridi più comuni, 120; Il glicogeno e l’amido sono riserve di
glucosio, 121; La cellulosa, il più importante componente strutturale delle piante, è costituita da catene lineari di
unità di glucosio, 122; I proteoglicani, costituiti da polisaccaridi e proteine, svolgono importanti ruoli strutturali, 123
9.3. I carboidrati si legano alle proteine per formare
10.2. Gli acidi grassi vengono immagazzinati sotto
forma di triacilgliceroli, 135
10.3. Esistono tre tipi di lipidi di membrana, 137
I fosfolipidi sono la classe principale di lipidi di membrana, 137; I lipidi di membrana possono essere legati a
carboidrati, 138; Gli steroidi sono lipidi che svolgono
varie funzioni, 139; I lipidi di membrana sono molecole anfipatiche contenenti una porzione idrofilica e una
idrofobica, 140; Alcune proteine vengono modificate
mediante il legame covalente di gruppi idrofobici, 141
APPROFONDIMENTI BIOLOGICI Le membrane degli estremofili
sono costituite da catene ramificate di lipidi contenenti
legami etere, 140
APPROFONDIMENTI CLINICI L’invecchiamento precoce può
essere causato da modificazioni idrofobiche non corrette in una proteina, 141
Riepilogo, 142 䊏 Termini chiave, 142 䊏 Risposte ai quesiti, 142 䊏 Problemi, 142
Sezione V MEMBRANE PLASMATICHE,
CANALI, POMPE E RECETTORI
11. Struttura e funzione delle membrane
plasmatiche, 146
11.1. Fosfolipidi e glicolipidi formano foglietti bimolecolari, 147
Il doppio strato lipidico è totalmente impermeabile agli
ioni e alla maggior parte delle molecole polari, 148
11.2. Le proteine sono responsabili dei principali pro-
glicoproteine, 124
cessi biologici delle membrane, 148
I carboidrati possono legarsi alle proteine attraverso residui di asparagina, di serina o di treonina, 125
Le proteine si associano in vari modi al doppio strato lipidico, 148
9.4. Le lectine sono proteine che legano
specificamente i carboidrati, 127
11.3. I lipidi e molte proteine di membrana diffondono
lateralmente lungo il piano della membrana, 151
VI
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11.4. La fluidità della membrana è controllata dalla
sua composizione in acidi grassi e dal suo contenuto in colesterolo, 152
11.5. Il ruolo principale delle proteine di membrana è
di comportarsi da trasportatori, 153
Naⴙ–Kⴙ
La
ATPasi è una pompa molto importante per
molte cellule, 154; La multiresistenza ai farmaci ha messo in evidenza una famiglia di proteine di membrana con
domini che legano l’ATP, 155; I trasportatori secondari
utilizzano l’energia di un gradiente di concentrazione per
generarne un altro, 156; Alcuni tipi di canale trasportano velocemente gli ioni attraverso le membrane, 156; La
struttura del canale del potassio spiega la specificità ionica, 157; La struttura del canale del potassio spiega la
sua elevata velocità di trasporto, 159
I fosfolipidi possono formare vescicole lipidiche, 147; L’associazione della prostaglandina H2 sintasi-1 con la membrana è essenziale per l’azione dell’aspirina, 151; La digitale inibisce specificamente
la pompa Naⴙ–Kⴙ bloccandone la defosforilazione, 155;
L’ittiosi arlecchino è la grave conseguenza di una mutazione di un trasportatore ABC, 156
APPROFONDIMENTI CLINICI
Riepilogo, 160 䊏 Termini chiave, 160 䊏 Risposte ai quesiti, 161 䊏 Problemi, 161
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12.4. Lo ione calcio è un messaggero citoplasmatico
ubiquitario, 174
12.5. I difetti nelle vie di trasduzione del segnale possono causare malattie, 175
Colera e pertosse sono causati
da un’alterazione dell’attività delle proteine G, 168; Gli
inibitori delle proteina chinasi possono diventare efficaci farmaci antitumorali, 175
APPROFONDIMENTI CLINICI
Riepilogo, 176 䊏 Termini chiave, 176 䊏 Risposte ai quesiti, 176 䊏 Problemi, 177
PARTE SECONDA TRASDUZIONE E
CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA
Sezione VI CONCETTI FONDAMENTALI E
SCOPI DEL METABOLISMO
13. La digestione: la conversione di un
pasto in molecole biochimiche per la
cellula, 180
13.1. La digestione prepara le grandi biomolecole a
essere utilizzate nel metabolismo, 180
13.2. Le proteasi digeriscono le proteine in amminoacidi e peptidi, 181
12. Le vie di trasduzione del segnale, 162
13.3. I carboidrati introdotti con la dieta sono digeriti
12.1. La trasduzione del segnale dipende dai circuiti
13.4. La digestione dei lipidi è resa più complicata
molecolari, 162
12.2. I recettori proteici trasmettono l’informazione
all’interno della cellula, 164
I recettori a sette eliche transmembrana cambiano conformazione in seguito all’associazione con il ligando e attivano le proteine G, 164; Il legame del ligando ai recettori 7TM determina l’attivazione delle proteine G, 165;
Le proteine G attive trasmettono segnali ad altre proteine, 166; L’AMP ciclico stimola la fosforilazione di molte proteine bersaglio, attivando la proteina chinasi A, 166;
Le proteine G ritornano spontaneamente allo stato inattivo iniziale, idrolizzando il GTP legato, 167; L’idrolisi
del fosfatidilinositolo bisfosfato mediata dalla fosfolipasi C genera altri secondi messaggeri, 168; Alcuni recettori dimerizzano dopo essersi associati al ligando e reclutano tirosina chinasi, 169; Alcuni recettori contengono
tirosina chinasi all’interno delle loro strutture covalenti,
171; La proteina Ras appartiene a un’altra classe di proteine G di segnale, 172
12.3. Il metabolismo nel contesto: la via di trasduzione del segnale dell’insulina regola il metabolismo, 172
Il recettore dell’insulina è un dimero che si chiude intorno a una molecola di insulina, 173; Il recettore dell’insulina attivato inizia la trasduzione del segnale, 173;
Il segnale dell’insulina viene spento dall’azione di fosfatasi, 174
dall’␣-amilasi, 183
dalla loro idrofobicità, 184
13.5. Il metabolismo nel contesto: i segnali cellulari
facilitano la digestione, 186
APPROFONDIMENTI BIOLOGICI
I veleni dei serpenti digerisco-
no dall’interno, 186
Riepilogo, 187 䊏 Termini chiave, 188 䊏 Risposte ai quesiti, 188 䊏 Problemi, 188
14. Il metabolismo: concetti di base e scopi,
189
14.1. Il metabolismo è composto da molte reazioni
accoppiate e tra loro correlate, 190
Il metabolismo consiste di reazioni che liberano energia
e di reazioni che richiedono energia, 190; Una reazione
termodinamicamente sfavorita può essere resa possibile
da una reazione favorita, 191
14.2. L’ATP è la moneta di scambio energetico universale in tutti i sistemi biologici, 191
L’idrolisi dell’ATP è esoergonica, 192; L’idrolisi dell’ATP
favorisce il metabolismo spostando l’equilibrio delle reazioni accoppiate, 192; L’elevato potenziale di trasferimento del gruppo fosforico dell’ATP deriva dalle differenze strutturali tra l’ATP e i prodotti della sua idrolisi,
193; Il potenziale di trasferimento del gruppo fosforico
è un’importante forma di trasformazione dell’energia cellulare, 194
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14.3. L’ossidazione delle sostanze nutrienti è una importante fonte di energia cellulare, 196
L’ossidazione del carbonio è accoppiata a una riduzione,
196; I composti ad alto potenziale di trasferimento del
gruppo fosforico possono accoppiare l’ossidazione di un
atomo di carbonio alla sintesi dell’ATP, 197
14.4. Le vie metaboliche contengono molti motivi ricorrenti, 198
I trasportatori attivati sono un esempio del disegno modulare e dell’economia del metabolismo, 198; Molti trasportatori attivati sono derivati dalle vitamine, 202
14.5. I processi metabolici sono regolati in tre modi prin-
VII
15.5. Il metabolismo nel contesto: la glicolisi favorisce la sensibilità al glucosio delle cellule ␤ del
pancreas, 228
APPROFONDIMENTI CLINICI Molti adulti sono intolleranti al
latte per una carenza di lattasi, 222; Il galattosio diventa
fortemente tossico se manca l’uridil trasferasi, 223; Il
cancro e l’esercizio fisico influenzano la glicolisi in un
modo molto simile, 228
Riepilogo, 229 䊏 Termini chiave, 230 䊏 Risposte ai quesiti, 230 䊏 Problemi, 230
16. La gluconeogenesi, 232
16.1. Il glucosio può essere sintetizzato da precursori
cipali, 204
non glucidici, 233
Le quantità degli enzimi sono controllate, 204; L’attività
catalitica è regolata, 204; L’accessibilità dei substrati è regolata, 205
La gluconeogenesi non è l’inverso della glicolisi, 233; La
conversione del piruvato in fosfoenolpiruvato inizia con
la formazione dell’ossalacetato, 235; L’ossalacetato viene
trasferito nel citosol e convertito in fosfoenolpiruvato,
236; La defosforilazione del fruttosio 1,6-bisfosfato a
fruttosio 6-fosfato e ortofosfato è una tappa irreversibile, 237; La produzione di glucosio libero è un importante punto di controllo, 237; La sintesi del glucosio a
partire dal piruvato comporta la spesa di sei gruppi fosforici ad alto potenziale di trasferimento fosforico, 237
L’esercizio fisico dipende dai vari
modi di generare ATP, 195; Il coenzima A e la pratica
medica dei nazisti, 201
APPROFONDIMENTI CLINICI
Riepilogo, 206 䊏 Termini chiave, 206 䊏 Risposte ai quesiti, 206 䊏 Problemi, 206
Sezione VII GLICOLISI E GLUCONEOGENESI
15. La glicolisi, 210
15.1. La glicolisi è una via metabolica deputata alla
conversione dell’energia, 210
L’esochinasi intrappola il glucosio all’interno della cellula e dà inizio alla glicolisi, 212; Il fruttosio 1,6-bisfosfato è generato dal glucosio 6-fosfato, 213; Lo zucchero a
sei atomi di carbonio viene scisso in due frammenti a tre
atomi di carbonio, 213; L’ossidazione di un’aldeide favorisce la formazione di un composto che ha un elevato
potenziale di trasferimento del gruppo fosforico, 214;
L’ATP si forma durante il trasferimento del gruppo fosforico dall’1,3-bisfosfoglicerato, 215; La formazione del
piruvato comporta una ulteriore sintesi di ATP, 216; Nella conversione del glucosio in piruvato si formano due
molecole di ATP, 217
15.2. Il NADⴙ viene rigenerato dal metabolismo del
16.2. La gluconeogenesi e la glicolisi si regolano reciprocamente, 238
La carica energetica determina se sarà più attiva la glicolisi o la gluconeogenesi, 238; I livelli ematici del glucosio mantengono il bilancio tra la glicolisi e la gluconeogenesi epatiche, 239; I cicli del substrato amplificano i
segnali metabolici, 241
16.3. Il metabolismo nel contesto: i precursori formati dal
muscolo vengono utilizzati dagli altri organi, 242
16.4. La glicolisi e la gluconeogenesi sono correlate
evoluzionisticamente, 243
APPROFONDIMENTI CLINICI Nel diabete di tipo 2 l’insulina
non è in grado di inibire la gluconeogenesi, 241
Riepilogo, 243 䊏 Termini chiave, 244 䊏 Risposte ai quesiti, 244 䊏 Problemi, 244
piruvato, 218
Sezione VIII IL CICLO DELL’ACIDO CITRICO
Le fermentazioni sono un modo per ossidare il NADH,
218; La fermentazione fornisce energia utilizzabile in assenza di ossigeno, 219
17. La preparazione al ciclo, 248
15.3. Il fruttosio e il galattosio sono convertiti in intermedi glicolitici, 220
15.4. La via glicolitica è strettamente controllata, 223
Nel muscolo la glicolisi è regolata per soddisfare le richieste di ATP, 224; La regolazione della glicolisi epatica riflette la versatilità funzionale del fegato, 225; Una
famiglia di trasportatori permette al glucosio di entrare
e uscire dalle cellule animali, 227
17.1. La piruvato deidrogenasi forma acetil coenzima
A dal piruvato, 249
La sintesi dell’acetil coenzima A dal piruvato richiede tre
enzimi e cinque coenzimi, 250; Bracci flessibili permettono alla lipoamide di spostarsi tra diversi siti attivi, 251
17.2. Il complesso della piruvato deidrogenasi è regolato da due meccanismi, 253
17.3. L’alterazione del metabolismo del piruvato è la
causa del beriberi, 255
VIII
Indice
APPROFONDIMENTI CLINICI Una regolazione difettosa della
piruvato deidrogenasi sfocia in uno stato patologico,
255
Riepilogo, 256 䊏 Termini chiave, 257 䊏 Risposte ai quesiti, 257 䊏 Problemi, 257
18. La raccolta degli elettroni dal ciclo, 258
18.1. Il ciclo dell’acido citrico consiste di due tappe,
258
18.2. La prima tappa ossida unità a due atomi di carbonio, 259
La citrato sintasi forma citrato da ossalacetato e acetil
coenzima A, 259; Il meccanismo della citrato sintasi previene reazioni indesiderate, 260; Il citrato viene isomerizzato a isocitrato, 261; L’isocitrato viene ossidato e decarbossilato ad ␣-chetoglutarato, 261; Il succinil coenzima A si forma dalla decarbossilazione ossidativa dell’␣chetoglutarato, 262
18.3. La seconda tappa rigenera l’ossalacetato e raccoglie gli elettroni ricchi di energia, 262
Dal succinil coenzima A si genera un composto ad alto
potenziale di trasferimento del gruppo fosforico, 262; La
succinil coenzima A sintetasi interconverte due tipi di
energia biochimica, 263; L’ossalacetato si rigenera per ossidazione del succinato, 263; Il ciclo dell’acido citrico
produce elettroni ad alto potenziale di trasferimento, un
nucleoside trifosfato e biossido di carbonio, 264
18.4. L’ingresso nel ciclo dell’acido citrico e il metabolismo attraverso di esso sono controllati, 266
Il ciclo dell’acido citrico è controllato a livello di più punti, 266; Il ciclo dell’acido citrico è una fonte di precursori per le biosintesi, 267; Il ciclo dell’acido citrico deve
poter essere prontamente rifornito di intermedi, 268
18.5. Il ciclo del gliossilato permette ai batteri e alle
piante di convertire i grassi in carboidrati, 268
Le mutazioni della succinato
deidrogenasi sfociano in una molteplicità di patologie,
264
APPROFONDIMENTI CLINICI
Riepilogo, 270 䊏 Termini chiave, 271 䊏 Risposte ai quesiti, 271 䊏 Problemi, 271
Sezione IX LA FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA
19. La catena di trasporto degli elettroni, 274
19.1. Negli eucarioti la fosforilazione ossidativa avviene nei mitocondri, 274
I mitocondri sono delimitati da una doppia membrana,
275
19.2. La fosforilazione ossidativa dipende dal trasferimento degli elettroni, 276
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gradiente protonico, 278; La catena di trasporto degli
elettroni è costituita da una serie di reazioni accoppiate
di ossidazione–riduzione, 279
19.3. La catena respiratoria è costituita da pompe
protoniche e da un collegamento fisico con il
ciclo dell’acido citrico, 281
Gli elettroni ad alto potenziale del NADH entrano nella catena respiratoria a livello della NADH-Q ossidoriduttasi, 282; L’ubichinolo è il punto di entrata degli elettroni provenienti dal FADH2 delle flavoproteine, 283;
Gli elettroni fluiscono dall’ubichinolo al citocromo c attraverso la Q-citocromo c ossidoriduttasi, 283; Il ciclo di
Q incanala gli elettroni da un trasportatore a due elettroni a un trasportatore a un solo elettrone e pompa protoni, 284; La citocromo c ossidasi catalizza la riduzione
dell’ossigeno molecolare ad acqua, 285; I derivati tossici dell’ossigeno molecolare come i radicali superossido
sono trasformati in composti non tossici da enzimi protettivi, 288
APPROFONDIMENTI BIOLOGICI I mitocondri sono il risultato di
un evento di endosimbiosi, 276; La zona morta: troppa
respirazione, 288
Riepilogo, 289 䊏 Termini chiave, 290 䊏 Risposte ai quesiti, 290 䊏 Problemi, 290
20. La forza motrice protonica, 291
20.1. Un gradiente protonico promuove la sintesi di
ATP, 291
L’ATP sintasi è composta da una unità di conduzione
protonica e da una unità catalitica, 292; Il flusso dei protoni attraverso l’ATP sintasi provoca il rilascio dell’ATP
legato: il meccanismo di modificazione del legame, 293;
La catalisi rotazionale è il più piccolo motore molecolare esistente al mondo, 294; Il flusso dei protoni intorno
all’anello c favorisce la sintesi di ATP, 295
20.2. I sistemi navetta permettono il movimento attraverso le membrane mitocondriali, 296
Gli elettroni del NADH citoplasmatico entrano nei mitocondri mediante sistemi navetta, 297; L’ingresso dell’ADP nei mitocondri è accoppiato con l’uscita dell’ATP,
298; I trasportatori mitocondriali permettono lo scambio dei metaboliti tra il citoplasma e il mitocondrio, 299
20.3. La respirazione cellulare è regolata dal fabbisogno di ATP, 300
La completa ossidazione del glucosio rende circa 30 molecole di ATP, 300; La velocità della fosforilazione ossidativa è determinata dal fabbisogno di ATP, 300; La fosforilazione ossidativa può essere inibita in molti punti,
302; La trasmissione di energia mediante gradienti protonici è un motivo centrale della bioenergetica, 305
APPROFONDIMENTI BIOLOGICI
Il potenziale redox è una misura del potenziale di trasferimento degli elettroni, 277; Gli elettroni che fluiscono
attraverso la catena di trasporto degli elettroni creano un
Il disaccoppiamento regolato
genera calore, 301
Condannato a morte: droghe illecite, morbo di Parkinson e mitocondri avvelenati, 303; Il
APPROFONDIMENTI CLINICI
Indice
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numero di malattie dovute ai mitocondri che vengono
scoperte è in aumento, 304
Riepilogo, 305 䊏 Termini chiave, 306 䊏 Risposte ai quesiti, 306 䊏 Problemi, 306
Sezione X LE REAZIONI ALLA LUCE DELLA
FOTOSINTESI E IL CICLO DI CALVIN
21. Le reazioni alla luce, 310
21.1. La fotosintesi avviene nei cloroplasti, 311
21.2. La fotosintesi trasforma l’energia della luce in
energia chimica, 312
La clorofilla è l’accettore primario della luce in molti sistemi fotosintetici, 313; I complessi che catturano la luce
migliorano l’efficienza della fotosintesi, 314
21.3. Due fotosistemi generano un gradiente protonico e NADPH, 315
Il fotosistema I utilizza l’energia della luce per generare
ferredossina ridotta, un potente riducente, 316; Il fotosistema II trasferisce elettroni al fotosistema I e genera
un gradiente protonico, 317; Il citocromo bf collega il
fotosistema II al fotosistema I, 318; Dall’ossidazione dell’acqua si ottiene un bilanciamento nell’ossidazione–riduzione e un contributo in protoni al gradiente protonico, 319
21.4. Un gradiente protonico favorisce la sintesi di
IX
La via del C4 delle piante tropicali accelera la fotosintesi, concentrando il biossido di carbonio, 334; Il metabolismo acido delle crassulacee permette la crescita in
ecosistemi aridi, 336; La rubisco è attivata dalle variazioni fotodipendenti della concentrazione dei protoni e
degli ioni magnesio, 336; La tioredossina svolge un ruolo essenziale nella regolazione del ciclo di Calvin, 337
Una eruzione vulcanica può
avere effetti sulla fotosintesi in tutto il mondo, 332; Perché il pane diventa raffermo: il ruolo dell’amido, 333
APPROFONDIMENTI BIOLOGICI
Riepilogo, 338 䊏 Termini chiave, 338 䊏 Risposte ai quesiti, 338 䊏 Problemi, 338
Sezione XI IL METABOLISMO DEL
GLICOGENO E LA VIA DEL PENTOSIO
FOSFATO
23. La demolizione del glicogeno, 342
23.1. La demolizione del glicogeno richiede l’intervento di numerosi enzimi, 343
La fosforilasi scinde il glicogeno e rilascia glucosio 1-fosfato, 343; Per la demolizione del glicogeno è necessario
anche un enzima deramificante, 343; La fosfoglucomutasi converte il glucosio 1-fosfato in glucosio 6-fosfato,
344; Il fegato contiene la glucosio 6-fosfatasi, un enzima
idrolitico assente nel muscolo, 345
23.2. La fosforilasi è regolata da un’interazione allo-
ATP, 320
sterica e da una fosforilazione reversibile, 345
L’ATP sintasi dei cloroplasti è molto simile a quella dei
mitocondri, 320; Il flusso ciclico degli elettroni attraverso il fotosistema I porta alla produzione di ATP anziché di NADPH, 321; L’assorbimento di otto fotoni genera una molecola di O2, due molecole di NADPH e tre
molecole di ATP, 321; I componenti della fotosintesi
hanno un alto grado di organizzazione, 322
La glicogeno fosforilasi muscolare è regolata dalla carica
energetica intracellulare, 346; La fosforilasi epatica produce glucosio, che sarà utilizzato da altri tessuti, 347; La
fosforilasi chinasi è attivata dalla fosforilazione e dagli
ioni calcio, 348
I cloroplasti, come i mitocondri,
derivano da un evento simbiotico, 312; La clorofilla nelle
patate indica la presenza di una tossina, 314; Molti erbicidi inibiscono le reazioni alla luce della fotosintesi, 323
23.3. L’adrenalina e il glucagone segnalano quando il
glicogeno deve essere demolito, 349
APPROFONDIMENTI BIOLOGICI
Riepilogo, 324 䊏 Termini chiave, 324 䊏 Risposte ai quesiti, 325 䊏 Problemi, 325
22. Il ciclo di Calvin, 327
22.1 Il ciclo di Calvin sintetizza gli esosi a partire da
biossido di carbonio e acqua, 327
Il biossido di carbonio reagisce con il ribulosio 1,5-bisfosfato formando due molecole di 3-fosfoglicerato, 328;
Il fosfoglicerato è il precursore per la sintesi degli esosio
fosfati e per la rigenerazione del ribulosio 1,5-bisfosfato,
329; Per convertire il biossido di carbonio in un esosio
sono necessarie tre molecole di ATP e due di NADPH,
331; L’amido e il saccarosio sono le principali riserve di
carboidrati nelle piante, 332
22.2. Il ciclo di Calvin è regolato dalle condizioni ambientali, 334
Le proteine G trasmettono il segnale che dà inizio alla
via di degradazione del glicogeno, 349; Quando è necessario, la degradazione del glicogeno deve cessare rapidamente, 351
APPROFONDIMENTI CLINICI La malattia di Hers è dovuta a
una carenza di fosforilasi, 349
Riepilogo, 351 䊏 Termini chiave, 351 䊏 Risposte ai quesiti, 352 䊏 Problemi, 352
24. La sintesi del glicogeno, 353
24.1. Il glicogeno viene sintetizzato e degradato da
due vie metaboliche diverse, 353
L’UDP-glucosio è una forma attivata di glucosio, 354;
La glicogeno sintasi catalizza il trasferimento del glucosio dall’UDP-glucosio a una catena in crescita, 354; Un
enzima ramificante forma legami ␣-1,6, 355; La glicogeno sintasi è l’enzima regolatore più importante nel processo di sintesi del glicogeno, 355; Il glicogeno è una efficiente forma di riserva di glucosio, 356
X
Indice
24.2. Il metabolismo nel contesto: la degradazione e
la sintesi del glicogeno sono reciprocamente
regolate, 356
La proteina fosfatasi 1 inverte gli effetti regolatori delle
chinasi sul metabolismo del glicogeno, 356; L’insulina
stimola la sintesi del glicogeno, inattivando la glicogeno
sintasi chinasi, 358; Il metabolismo del glicogeno nel fegato regola il livello del glucosio ematico, 359
Il diabete mellito è causato da
una carenza di insulina e da un eccesso di glucagone,
360; Le malattie da accumulo del glicogeno possono
essere spiegate a livello biochimico, 361
APPROFONDIMENTI CLINICI
Riepilogo, 362 䊏 Termini chiave, 363 䊏 Risposte ai quesiti, 363 䊏 Problemi, 363
25. La via del pentosio fosfato, 365
25.1. La via del pentosio fosfato genera NADPH e
zuccheri a cinque atomi di carbonio, 367
Durante la conversione del glucosio 6-fosfato in ribulosio 5-fosfato si generano due molecole di NADPH, 367;
La via del pentosio fosfato e la glicolisi sono collegate
dalla transchetolasi e dalla transaldolasi, 367
25.2. Il metabolismo nel contesto: la glicolisi e la via
del pentosio fosfato sono regolate in modo
coordinato, 370
La velocità della via del pentosio fosfato è controllata dai
livelli di NADPⴙ, 370; Il destino del glucosio 6-fosfato
dipende dal fabbisogno di NADPH, ribosio 5-fosfato e
ATP, 370
25.3. La glucosio 6-fosfato deidrogenasi riduce gli
stress ossidativi, 372
APPROFONDIMENTI CLINICI La carenza di glucosio 6-fosfato
deidrogenasi causa un’anemia emolitica indotta da farmaci, 372
In alcune circostanze la carenza di glucosio 6-fosfato deidrogenasi conferisce un vantaggio evolutivo, 373
APPROFONDIMENTI BIOLOGICI
Riepilogo, 373 䊏 Termini chiave, 374 䊏 Risposte ai quesiti, 374 䊏 Problemi, 374
Sezione XII IL METABOLISMO DEGLI ACIDI
GRASSI E DEI LIPIDI
26. La degradazione degli acidi grassi, 376
26.1. Gli acidi grassi sono metabolizzati in tre tappe,
376
I triacilgliceroli sono idrolizzati da lipasi stimolate dagli
ormoni, 377; Gli acidi grassi si legano al coenzima A prima di essere ossidati, 378; L’ossidazione degli acidi grassi genera acetil CoA, NADH e FADH2, 379; L’ossidazione completa del palmitato produce 106 molecole di
ATP, 380
26.2. La degradazione degli acidi grassi insaturi con
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un numero dispari di atomi di carbonio richiede
ulteriori passaggi, 381
L’ossidazione degli acidi grassi insaturi richiede l’intervento di una isomerasi e di una riduttasi, 382; Gli acidi
grassi a numero dispari di atomi di carbonio producono
propionil CoA nell’ultima tappa di tiolisi, 383
26.3. I corpi chetonici sono un’altra fonte di energia
derivata dai grassi, 383
La sintesi dei corpi chetonici avviene nel fegato, 384; Gli
animali non sono in grado di convertire gli acidi grassi
in glucosio, 384
26.4. Il metabolismo nel contesto: il metabolismo degli acidi grassi è occasione di approfondimento
in diverse situazioni patologiche, 385
Il diabete può portare a un eccesso di produzione di corpi chetonici potenzialmente mortale, 385; I corpi chetonici sono una importante fonte di combustibile durante il digiuno, 386
Se gli acidi grassi non riescono a
entrare nei mitocondri si verificano situazioni patologiche, 379
APPROFONDIMENTI CLINICI
Riepilogo, 387 䊏 Termini chiave, 388 䊏 Risposte ai quesiti, 388 䊏 Problemi, 388
27. La sintesi degli acidi grassi, 390
27.1. La sintesi degli acidi grassi avviene in tre tappe,
391
Il citrato trasporta gruppi acetilici dai mitocondri al citoplasma, 391; Il NADPH necessario per la sintesi degli
acidi grassi è fornito da fonti diverse, 391; La formazione di malonil CoA è la tappa vincolante nella sintesi degli acidi grassi, 392; La sintesi degli acidi grassi consiste
in una serie di reazioni di condensazione, riduzione, deidratazione e riduzione, 393; La sintesi del palmitato richiede 8 molecole di acetil CoA, 14 molecole di NADPH
e 7 molecole di ATP, 395; Negli animali gli acidi grassi
sono sintetizzati da un complesso enzimatico multifunzionale, 395
27.2. L’allungamento e l’insaturazione degli acidi
grassi sono catalizzati da sistemi enzimatici accessori, 396
Gli enzimi legati alla membrana generano acidi grassi insaturi, 396; Gli ormoni eicosanoidi derivano da acidi
grassi poliinsaturi, 397
27.3. L’acetil CoA carbossilasi svolge un ruolo chiave
nel controllo del metabolismo degli acidi grassi,
397
L’acetil CoA carbossilasi è modulata dalle condizioni metaboliche cellulari, 398; L’acetil CoA carbossilasi è regolata da diversi ormoni, 399
27.4. Il metabolismo nel contesto: l’etanolo altera il
metabolismo energetico del fegato, 399
Indice
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Gli inibitori dell’acido grasso sintasi possono essere farmaci utili, 396; Un acido grasso a
catena corta che causa grossi problemi, 396; L’aspirina
esplica il suo effetto modificando covalentemente un
enzima chiave, 397
APPROFONDIMENTI CLINICI
Riepilogo, 401 䊏 Termini chiave, 401 䊏 Risposte ai quesiti, 401 䊏 Problemi, 402
28. La sintesi dei lipidi: lipidi di riserva,
fosfolipidi e colesterolo, 403
28.1. Il fosfatidato è un precursore dei lipidi di riserva
e di molti lipidi di membrana, 403
Il triacilglicerolo è sintetizzato dal fosfatidato in due tappe, 404; La sintesi dei fosfolipidi richiede precursori attivati, 404; Gli sfingolipidi sono sintetizzati dal ceramide, 405
28.2. Il colesterolo è sintetizzato in tre fasi a partire
dall’acetil coenzima A, 407
La sintesi del mevalonato dà inizio alla sintesi del colesterolo, 408; Lo squalene (C30) è sintetizzato a partire da
sei molecole di isopentenil pirofosfato (C5), 408; Lo squalene ciclizza formando il colesterolo, 409
28.3. La biosintesi del colesterolo è regolata a diversi
livelli, 410
28.4. Le lipoproteine trasportano il colesterolo e i triacilgliceroli nei diversi distretti dell’organismo,
411
Le lipoproteine a bassa densità hanno un ruolo centrale
nel metabolismo del colesterolo, 412
28.5. Il colesterolo è il precursore degli ormoni steroidei, 414
I sali biliari favoriscono l’assorbimento dei lipidi, 415;
Gli ormoni steroidei sono molecole di segnale molto importanti, 415; La vitamina D è prodotta dal colesterolo
usando l’energia fornita dalla luce solare, 416; I composti steroidei sono ossigenati dalle citocromo P450 monoossigenasi, 417; Il metabolismo nel contesto: anche
l’etanolo è trattato dal sistema del citocromo P450, 417
I gangliosidi servono da siti di
legame per gli agenti patogeni, 407; La sindrome da
sofferenza respiratoria e la malattia di Tay-Sachs sono
causate da alterazioni nel metabolismo dei lipidi, 407;
Le concentrazioni nel sangue di alcune lipoproteine
possono avere un valore diagnostico, 412; L’assenza del
recettore delle LDL causa ipercolesterolemia e aterosclerosi, 413; La vitamina D è necessaria per un corretto
sviluppo delle ossa, 416; Gli androgeni possono essere
utilizzati per incrementare artificialmente le prestazioni
atletiche, 417
APPROFONDIMENTI CLINICI
Riepilogo, 418 䊏 Termini chiave, 418 䊏 Risposte ai quesiti, 419 䊏 Problemi, 419
Sezione XIII IL METABOLISMO DELLE
MOLECOLE AZOTATE
29. La sintesi degli amminoacidi, 422
XI
29.1. L’azoto è fissato dal complesso della nitrogenasi, 423
Il cofattore molibdeno–ferro della nitrogenasi lega e riduce l’azoto atmosferico, 424; Lo ione ammonio è incorporato negli amminoacidi tramite il glutammato e la
glutammina, 424
29.2. Gli amminoacidi sono sintetizzati dagli intermedi delle più importanti vie metaboliche, 425
L’uomo è in grado di sintetizzare alcuni amminoacidi e
deve assumerne altri con la dieta, 426; Alcuni amminoacidi possono essere sintetizzati per mezzo di semplici reazioni di transamminazione, 426; Il 3-fosfoglicerato è il precursore della serina, della cisteina e della glicina, 426; Il tetraidrofolato trasporta unità monocarboniose attivate, 427; L’S-adenosilmetionina è il donatore
principale di gruppi metilici, 428
29.3. La biosintesi degli amminoacidi è regolata per
inibizione retroattiva, 430
La tappa di comando di una via biosintetica è un sito di
regolazione, 430; Le vie metaboliche ramificate richiedono regolazioni più sofisticate, 430
APPROFONDIMENTI CLINICI Elevati livelli di omocisteina sono
associati a patologie vascolari, 429
Riepilogo, 431 䊏 Termini chiave, 432 䊏 Risposte ai quesiti, 432 䊏 Problemi, 432
30. Il metabolismo dei nucleotidi, 434
30.1. Una panoramica sulla biosintesi e sulla nomenclatura dei nucleotidi, 435
30.2. L’anello pirimidinico è prima costruito e poi unito a un ribosio, 435
La CTP viene formata dall’amminazione dell’UTP, 437;
Le chinasi convertono i nucleosidi monofosfato in nucleosidi trifosfato, 437
30.3. L’anello purinico è costruito sul ribosio fosfato,
438
L’AMP e il GMP si formano a partire dall’IMP, 438; Le
basi possono essere riciclate attraverso vie di recupero,
439
30.4. I ribonucleotidi sono ridotti a deossiribonucleotidi, 440
Il timidilato si forma per metilazione del deossiuridilato, 441
30.5. La biosintesi dei nucleotidi è regolata per inibizione retroattiva, 443
La biosintesi delle pirimidine è regolata dall’aspartato
transcarbamilasi, 443; La sintesi dei nucleotidi purinici è controllata in diversi punti dall’inibizione retroattiva, 443; La sintesi dei deossiribonucleotidi è controllata dalla ribonucleotide riduttasi, 444
XII
Indice
30.6. Le alterazioni del metabolismo nucleotidico
possono causare condizioni patologiche, 444
APPROFONDIMENTI CLINICI Alcuni farmaci anticancro largamente utilizzati inibiscono la sintesi del timidilato, 442;
La mancanza di adenosina deamminasi provoca la sindrome da immunodeficienza grave combinata, 445; La
gotta è indotta da un elevato livello sierico di urato, 445;
La sindrome di Lesch–Nyhan è una rilevante
conseguenza delle mutazioni in un enzima delle vie di
recupero, 446
Riepilogo, 446 䊏 Termini chiave, 447 䊏 Risposte ai quesiti, 447 䊏 Problemi, 447
31. La degradazione degli amminoacidi e il
ciclo dell’urea, 449
31.1. La prima tappa della degradazione degli amminoacidi è la rimozione dell’azoto, 450
I gruppi ␣-amminici sono convertiti in ioni ammonio
tramite la deamminazione ossidativa del glutammato,
450; I tessuti periferici trasportano l’azoto al fegato, 451
31.2. La maggior parte dei vertebrati terrestri converte lo ione ammonio in urea, 452
Il ciclo dell’urea è collegato alla gluconeogenesi, 454
31.3. Gli atomi di carbonio provenienti dagli
amminoacidi degradati sono utilizzati come intermedi metabolici, 455
Il piruvato è un punto di ingresso nel metabolismo, 456;
L’ossalacetato è un altro punto di ingresso nel metabolismo, 457; L’␣-chetoglutarato è ancora un altro punto di
ingresso nel metabolismo, 457; Il succinil coenzima A è
un punto di ingresso per alcuni amminoacidi non polari, 458; Gli amminoacidi ramificati formano acetil coenzima A, acetoacetato o succinil coenzima A, 458; La degradazione degli amminoacidi aromatici richiede l’intervento delle ossigenasi, 459; La metionina è degradata a succinil CoA, 460
APPROFONDIMENTI CLINICI Il metabolismo nel contesto: i
difetti genetici ereditari del ciclo dell’urea causano iperammoniemia, 454; Gli errori congeniti del metabolismo
possono alterare le vie di degradazione degli amminoacidi, 461
La formazione dell’urea non è
il solo modo per eliminare l’eccesso di azoto, 455
APPROFONDIMENTI BIOLOGICI
Riepilogo, 462 䊏 Termini chiave, 463 䊏 Risposte ai quesiti, 463 䊏 Problemi, 463
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DNA e RNA differiscono per lo zucchero e una delle
basi, 466; I nucleotidi sono le unità monomeriche degli
acidi nucleici, 468; Le molecole di DNA sono molto lunghe, 468
32.2. Le catene degli acidi nucleici possono formare
una struttura a doppia elica, 470
La doppia elica del DNA è stabilizzata da legami idrogeno e da interazioni idrofobiche, 470; La doppia elica
facilita la trasmissione accurata dell’informazione genetica, 471; Meselson e Stahl dimostrarono che la replicazione del DNA è semiconservativa, 471; I filamenti della doppia elica possono essere separati reversibilmente,
472
32.3. Le doppie eliche di DNA possono assumere diverse forme strutturali, 472
Il DNA-Z è una doppia elica sinistrorsa in cui i gruppi
fosforici dello scheletro covalente sono disposti a zigzag,
473; I solchi maggiore e minore sono delimitati da gruppi specifici di sequenze che potenzialmente possono formare legami idrogeno, 473; Il DNA a doppio filamento
può avvolgersi su se stesso per formare strutture superavvolte, 474
32.4. Il DNA eucariotico è associato a proteine specifiche, 476
I nucleosomi sono complessi molecolari costituiti da
DNA e istoni, 476; Il DNA eucariotico è avvolto intorno agli istoni a formare i nucleosomi, 477
32.5. L’RNA può assumere strutture complesse, 478
Il danneggiamento del DNA può
inibire la crescita delle cellule tumorali, 478
APPROFONDIMENTI CLINICI
Riepilogo, 479 䊏 Termini chiave, 480 䊏 Risposte ai quesiti, 480 䊏 Problemi, 480
33. La replicazione del DNA, 482
33.1. Il DNA è replicato dalle polimerasi, 483
La DNA polimerasi catalizza la formazione del legame
fosfodiestere, 483; La specificità della replicazione è dettata dalla complementarietà delle basi, 484; La separazione dei due filamenti di DNA richiede elicasi specifiche e l’idrolisi di ATP, 485; Le topoisomerasi permettono alla doppia elica del DNA di srotolarsi, 486; Molte
polimerasi verificano la correttezza delle basi incorporate nel DNA ed eliminano gli errori, 487
PARTE TERZA LA SINTESI DELLE MOLECOLE
DELLA VITA
33.2. La replicazione del DNA è un processo altamen-
Sezione XIV LA STRUTTURA DEGLI ACIDI
NUCLEICI E LA REPLICAZIONE DEL DNA
La replicazione del DNA nell’Escherichia coli inizia da
un sito unico, 488; Un primer di RNA sintetizzato dalla primasi consente l’inizio della sintesi del DNA, 488;
Un filamento di DNA è sintetizzato in maniera continua, l’altro a frammenti, 488; La replicazione del DNA
richiede l’azione di polimerasi altamente operative, 489;
Il filamento guida e quello ritardato sono sintetizzati in
32. La struttura delle macromolecole
dell’informazione: il DNA e l’RNA, 466
32.1. Un acido nucleico consiste di basi legate a uno
scheletro di zucchero–fosfato, 466
te coordinato, 488
Indice
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modo coordinato, 490; La sintesi del DNA è più complessa negli eucarioti che nei procarioti, 492; I telomeri
sono strutture uniche che si trovano alla fine dei cromosomi lineari, 492; I telomeri sono replicati dalla telomerasi, una polimerasi specializzata che possiede un proprio
stampo di RNA, 493
La topoisomerasi batterica è un
bersaglio terapeutico, 486
APPROFONDIMENTI CLINICI
Riepilogo, 494 䊏 Termini chiave, 495 䊏 Risposte ai quesiti, 495 䊏 Problemi, 495
34. Riparazione e ricombinazione del DNA,
496
34.1. Durante la replicazione del DNA si possono verificare errori, 496
Le basi possono essere danneggiate da agenti ossidanti,
alchilanti e della luce, 498
34.2. I danni al DNA possono essere individuati e riparati, 499
La presenza della timina al posto dell’uracile permette di
riparare la deamminazione della citosina, 501; Molti potenziali cancerogeni possono essere identificati per mezzo della loro azione mutagena sui batteri, 502
34.3. La ricombinazione del DNA ha un ruolo importante nella replicazione e nella riparazione, 503
La proteina RecA dà inizio alla ricombinazione mediante invasione del filamento, 504; Alcune reazioni di ricombinazione formano intermedi detti giunzioni di Holliday, 504
Alcune malattie genetiche sono
causate dall’espansione di ripetizioni di trinucleotidi,
497; Molti tumori sono causati da difetti nella riparazione del DNA, 502
APPROFONDIMENTI CLINICI
Riepilogo, 505 䊏 Termini chiave, 506 䊏 Risposte ai quesiti, 506 䊏 Problemi, 506
Sezione XV SINTESI, MATURAZIONE E
REGOLAZIONE DELL’RNA
35. Sintesi e regolazione dell’RNA nei
procarioti, 508
35.1. Nella cellula l’RNA è sintetizzato dall’RNA polimerasi, 508
I geni sono le unità trascrizionali, 509; L’RNA polimerasi è composta da più subunità, 510
35.2. La sintesi dell’RNA avviene in tre fasi, 510
La trascrizione inizia a livello dei siti promotori sul DNA
stampo, 510; Le subunità sigma dell’RNA polimerasi riconoscono i siti promotori, 510; Le catene di RNA crescono in direzione 5ⴕ n 3ⴕ, 512; L’allungamento avviene in corrispondenza delle bolle di trascrizione che si spostano lungo il DNA stampo, 512; Una molecola di RNA
con struttura a forcina seguita da molti residui di uracile rappresenta un segnale di terminazione della trascri-
XIII
zione di alcuni geni, 513; La proteina Rho aiuta a terminare la trascrizione di alcuni geni, 514; I precursori
dell’RNA transfer e ribosomiale sono tagliati e modificati chimicamente dopo la trascrizione, 515
35.3. L’operone lac è un esempio di controllo dell’espressione genica nei procarioti, 516
Un operone è composto da elementi regolatori e da geni
che codificano proteine, 517; Il legame del ligando può
indurre cambiamenti strutturali nelle proteine regolatorie, 517; La trascrizione può essere stimolata da proteine che interagiscono con l’RNA polimerasi, 518
APPROFONDIMENTI CLINICI
Alcuni antibiotici inibiscono la
trascrizione, 516
Riepilogo, 519 䊏 Termini chiave, 519 䊏 Risposte ai quesiti, 519 䊏 Problemi, 519
36. L’espressione genica negli eucarioti, 521
36.1. Le cellule eucariotiche possiedono tre tipi di
RNA polimerasi, 522
36.2. L’RNA polimerasi II richiede una elaborata regolazione, 524
Il complesso proteico TFIID inizia l’organizzazione del
complesso di trascrizione attivo, 524; Le sequenze enhancer possono stimolare la trascrizione da siti d’inizio lontani migliaia di basi, 525; Più fattori di trascrizione interagiscono con i promotori e gli enhancer degli eucarioti, 525
36.3. L’espressione genica è regolata dagli ormoni,
526
I recettori nucleari degli ormoni hanno domini con strutture simili, 526; I recettori nucleari degli ormoni reclutano coattivatori e corepressori, 527
36.4. L’acetilazione degli istoni determina il rimodellamento della cromatina, 528
La istone acetiltrasferasi attacca un gruppo acetilico ai
residui di lisina degli istoni, 528; Le istone deacetilasi intervengono nella repressione della trascrizione, 530
APPROFONDIMENTI CLINICI Il funzionamento inappropriato
degli enhancer può causare il cancro, 525; I recettori
degli ormoni steroidei sono un bersaglio farmacologico,
528
Riepilogo, 530 䊏 Termini chiave, 531 䊏 Risposte ai quesiti, 531 䊏 Problemi, 531
37. La maturazione dell’RNA negli eucarioti,
533
37.1. La maturazione dell’RNA ribosomiale avviene
per taglio di una molecola precursore, 534
37.2. L’RNA transfer subisce profonde modificazioni,
535
37.3. L’RNA messaggero viene modificato e subisce
splicing, 535
XIV
Indice
Le sequenze situate alle estremità degli introni indicano
i siti di splicing nei precursori degli mRNA, 536; I piccoli RNA nucleari degli spliceosomi catalizzano lo splicing dei precursori dell’mRNA, 537; La trascrizione e la
maturazione dell’mRNA sono accoppiate, 538; La maggior parte dei pre-mRNA dell’uomo può subire splicing
alternativi generando proteine diverse, 539
37.4. L’RNA può avere attività catalitica, 540
Le mutazioni che interessano il
meccanismo di splicing del pre-mRNA possono causare
malattie, 538
APPROFONDIMENTI CLINICI
Riepilogo, 541 䊏 Termini chiave, 542 䊏 Risposte ai quesiti, 542 䊏 Problemi, 542
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Durante la formazione del complesso d’inizio 70S il formilmetionil-tRNAf si posiziona nel sito P del ribosoma,
558; I fattori di allungamento trasportano l’amminoacil-tRNA al ribosoma, 558; La peptidil trasferasi catalizza la formazione del legame peptidico, 559; La formazione del legame peptidico è seguita dalla traslocazione
dei tRNA e dell’mRNA mediata dal GTP, 559; La sintesi proteica termina con l’intervento dei fattori di rilascio che leggono i codoni di stop, 560
39.2. La sintesi proteica degli eucarioti differisce da
quella dei procarioti principalmente nella fase
d’inizio della traduzione, 561
39.3. Molte biomolecole sono inibitori della sintesi
proteica, 563
Sezione XVI LA SINTESI PROTEICA
38. Il codice genetico, 544
38.1. Il codice genetico mette in relazione l’informazione degli acidi nucleici con quella delle proteine, 544
Il codice genetico è praticamente universale, 546; Le molecole di RNA transfer hanno un disegno strutturale comune, 546; Alcune molecole di tRNA riconoscono più
di un codone a causa di oscillazioni nell’appaiamento
delle basi, 547; La sintesi di proteine di grandi dimensioni richiede una bassa frequenza di errore, 548
38.2. Gli amminoacidi sono attivati dal legame a un
RNA transfer, 549
Gli amminoacidi sono attivati per adenilazione, 549; Le
amminoacil-tRNA sintetasi hanno siti di attivazione altamente specifici per gli amminoacidi, 550; La correzione di bozze da parte delle amminoacil-tRNA sintetasi
aumenta la fedeltà della sintesi proteica, 550; Le sintetasi riconoscono le anse degli anticodoni e gli steli accettori degli RNA transfer, 551
38.3. Un ribosoma è una particella ribonucleoproteica
39.4. I ribosomi legati al reticolo endoplasmatico sintetizzano le proteine secretorie e le proteine di
membrana, 565
La sintesi proteica inizia sui ribosomi liberi nel citoplasma, 566; Le sequenze segnale contraddistinguono le proteine che devono attraversare la membrana del reticolo
endoplasmatico, 566
39.5. La sintesi proteica è regolata da molti meccanismi, 567
La traduzione dell’RNA messaggero è soggetta a regolazione, 568; Anche la stabilità dell’RNA messaggero è
soggetta a regolazione, 568; Piccole molecole di RNA
possono regolare la stabilità e la traduzione dell’mRNA,
569
Le mutazioni nel fattore d’inizio 2
causano una singolare condizione patologica, 563; Alcuni antibiotici inibiscono la sintesi proteica, 563; La tossina difterica blocca la sintesi proteica negli eucarioti inibendo la traslocazione, 564; La ricina modifica l’RNA
ribosomiale 28S con esiti fatali, 564
APPROFONDIMENTI CLINICI
Riepilogo, 569 䊏 Termini chiave, 570 䊏 Risposte ai quesiti, 570 䊏 Problemi, 570
costituita da due subunità, 551
Gli RNA ribosomiali hanno un ruolo chiave nella sintesi proteica, 552; L’RNA messaggero è tradotto in direzione 5⬘ n 3⬘, 552
Appendici
Riepilogo, 554 䊏 Termini chiave, 554 䊏 Risposte ai quesiti, 555 䊏 Problemi, 555
B. Le costanti di acidità, 574
A. Costanti fisiche e conversioni delle unità di misura,
573
C. Lunghezze standard di alcuni legami chimici, 575
39. Il meccanismo della sintesi proteica, 556
D. Caratteristiche delle vitamine e dei coenzimi, 576
39.1. La sintesi proteica decodifica l’informazione
E. Abbreviazioni e simbologia, 579
contenuta nell’RNA messaggero, 556
I ribosomi hanno tre siti di legame per i tRNA che mettono in comunicazione le subunità 30S e 50S, 556; Il segnale d’inizio è AUG (o GUG) preceduto da alcune basi
che si appaiano con l’rRNA 16S, 557; La sintesi proteica nei batteri è iniziata dal formilmetionil-tRNA, 558;
Glossario, 581
Soluzioni dei problemi, 596
Indice analitico, 621