Appunti di Biochimica - ITAS V.Luparia

ITAS Vincenzo Luparia – Appunti per lo studio della Biochimica – Classe III – A.S. 2012-2013
Appunti biochimica
Fotosintesi
Il processo fondamentale della fotosintesi consiste nella trasmissione di energia radiante (quanti
di luce) fornita dalla luce solare che viene trasformata in energia chimica. L’assorbimento della
luce e il trasferimento dell’eccitazione degli elettroni è garantita dalla clorofilla.
La clorofilla di tipo A si trova in tutti gli organismi foto sintetici ad esclusione dei batteri;
chimicamente è formata da quattro anelli pirrolici con uno ione magnesio al centro della
molecola. Segue una lunga catena di idrocarburi non solubili che rappresenta la struttura di
aggancio alla membrana del cloroplasto.
Quando un fotone di energia luminosa colpisce la molecola della clorofilla, l’atomo di magnesio
mette in eccitazione gli anelli pirrolici. Questo processo però richiede una notevole quantità foto
energetica per il quale provvede un sistema di raccolta formato da: carotenoidi, clorofilla B e
infine la clorofilla A. I carotenoidi recuperano energia luminosa nella fascia dello spettro
compresa tra 600-660 nm. Questa quantità di energia stimola la clorofilla B che inizia ad
assorbire energia luminosa tra i 450-480 nm. Questo flusso energetico può così avviare la
stimolazione della clorofilla B che assorbe energia nella fascia dei 700 nm.
Gli elettroni eccitati nella clorofilla B diventano accettatori di protoni (H+) che permettono la
ricarica di molecole organiche quali NADPNADPH e ADPATP entrambe necessarie a formare
il glucosio nel corso del ciclo di Calvin.
Il protone (H+) viene assorbito dalla molecola d’acqua nel seguente modo:
H20+E°+NADPNADPH+1/2 O2 . Il trasferimento degli elettroni sugli orbitali molecolari è a
carico di proteine enzimatiche (ferrodossina, sistema citocromi, plastochinone). Gli avvenimenti
elettrici avvengono tra le membrane del tilacoide. In seguito, mediante un effetto pompa
(trasporto attivi) nel quale i protoni (H+) vengono spinti mediante proteine carrier verso
l’interno dello stroma, gli elettroni sono spinti verso l’esterno dello stroma.
I carotenoidi servono per eccitare la clorofilla B e sono presenti in tutte le piante verdi, nei
batteri foto sintetici, nelle alghe (hanno la struttura dell’isopropene).
I carotenoidi sono immersi nelle membrane dei cloroplasti, e sono
anche accumulati nei cromoplasti. Le xantofille sono abbondanti nelle
piante veri presenti nelle seguenti molecole: leuteina, viola xantina, neoxantina. La loro
funzione è quella di proteggere la clorofilla dall’ossidazione atmosferica. Le ficobiline sono
pigmenti che hanno un colore simile quello della bile e sono caratteristici degli organismi
vegetali inferiori.
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Ciclo di Calvin
Il ciclo di Calvin ha lo scopo di produrre, in fase di sintesi, il glucosio e altre sostanze utili alla
pianta. Il glucosio viene inviato alle radici per il nutrimento e la crescita.
Fase 1 6 molecole di ribulosio-difosfato (enzima rubisco) a cinque atomi di carbonio
assorbono 6 molecole gassose di CO2. In questo processo viene consumata ATP.
Fase 2 Si forma una sostanza intermedia che ha il compito di modificare il setting
molecolare organizzando 12 molecole ci carbonio. Il composto che si ottiene è
l’acido fosfoglicerico il quale deve utilizzare 12 molecole di ATP per il suo
assemblaggio.
Fase 3 Il carico energetico acquisito serve per modificare le molecole di acido
fosfogliecerico in tri-fosfoglicerato e, mediante l’aggiunta di protoni forniti
dall’NADPH in glicerolo-trifosfato (12 molecole)
Fase 4 A questo punto 2 molecole di glicerolo-trifosfato vengono trasformate in
gliceraldeide-trifosfato e successivamente in glucosio, mentre 10 molecole di
gliceraldeide-trifosfato con l’apporto di energia da ATP tornano ad essere
ribulosio-disfosfato.
Catabolismo degli zuccheri
Il glucosio che utilizza l’organismo si ottiene per idrolisi dell’amido e per isomerasi del fruttosio.
Una volta ottenuto il glucosio l’organismo può produrre ATP. La demolizione di una molecola di
glucosio per ossidazione produce 686Kcal, ma non è possibile ottenere questo rilascio energetico
se non attraverso una serie di reazioni. La glicolisi è la prima fase della demolizione del glucosio
ed è anaerobica. Il processo avviene nel citoplasma cellulare. Prima di ottenere glucosio
l’organismo deve semplificare gli zuccheri da polisaccaridi a monosaccaridi, facilmente
assimilabili.
Glicogeno
Amido
polisaccaridi
Maltosio
Lattosio
Saccarosio
Il processo catabolico prevede che zuccheri, lipidi e proteine siano demoliti a formate ATP, NADP,
FADP. I prodotti di scarto eliminati dalle cellule sono CO2, H2O, NH3. La demolizione delle proteine
serve per ottenere aminoacidi che a loro volta sono strasformati in acido piruvico per essere
assorbito nel ciclo di Krebs.
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Fruttosio
Mannosio
Galattosio
disaccaridi monosaccaridi
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I lipidi sono ugualmente ridotti in glicerolo e acidi grassi che a loro volta sono ridotti i acido
piruvico che può accedere al ciclo di Krebs. Se la sostanza da catabolizzare è semplice minore sarà
il tempo di trasformazione in energia. Infatti i polisaccaridi devono essere spezzati per idrolisi in
disaccaridi e poi in monosaccaridi prima di essere trasformati in acido piruvico. La glicolisi è
perciò un processo che deve consumare energia per poterne produrre di nuova. Le fasi della
glicolisi sono:
1) formazione del glucosio: i polisaccaridi sono trasformati in destrine (maltosio-saccarosio) e poi
in glucosio;
2) isomerizzazione del glucosio: un enzima trasforma il glucosio in fruttosio spostando gli atomi
nella struttura chimica della molecola;
3) formazione del fruttosio: viene aggiunta alla molecola energia ATP e l’azione dell’enzima
aldolasi;
4) formazione di gliceraldeide-trifosfato;
5) ossidazione della gliceraldeide-trifosfato mediante l’aggiunta di un gruppo fosfato fornito
dall’NADP;
6) formazione del di-fosfoglicerato;
7) formazione di ATP;
8) formazione del di-fosfoglicerato;
9) formazione del fosfo-piruvato medinate l’enzima enolasi;
10) formazione di acido piruvico, ATP mediante l’enzima piruvato-chinasi.
Ciclo di Krebs
Nel citosol l’acido piruvico viene trasformato in una
molecola adatta al processo di respirazione mediante una
serie di reazioni enzimatiche. Il ciclo di Krebs serve per
formare NADPH, FADPH, ATP
1) L’acido piruvico viene ossidato eliminando una
molecola di CO2 , il processo è detto decarbossilazione
ossidativa;
2) formazione dell’Acetil-CoA: questa molecola viene
strasportata nei mitocondri dal citoplasma mediante
conformità elettronica;
3) il ciclo di Krebs avviene nella matrice del mitocondrio e
procede in modo ciclico nelle seguenti fasi:
Acetil-CoACitratoIsocitratoa-ChetoglutaratoSuccinatoFumaratoMalatoOssalacetatoCitrato
Bilanci energetici
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La fermentazione
L’ossidazione delle molecole organiche produce una forza riducente. All’ossidazione corrisponde
una perdita di elettroni (il numero di valenza aumenta di valore), mentre alla riduzione
corrisponde un acquisto di elettroni (il numero di valenza diminuisce il suo valore). Le sostanze
ossidanti accettano elettroni e si riducono quelle riducenti cedono elettroni e si ossidano.
L’ossido riduzione equivale ad un apssaggio di cariche elettriche: nell’ossidazione gli elettroni si
muovono verso la sostanza che si riduce. Ad esempio la molecola NAD+ è ossidato perché ha
perso elettroni, la stessa molecola nella form NADH è ridotto perché ha acquistato un protone
(H+). Il passaggio da NADH a NAD+ mette a disposizione un elettrone (e-) che viene catturato da
un atomo di ossigeno (O2). La reazione della respirazione aerobica prevede che la molecola di
ossigeno più l’elettrone più il protone messi a disposizione dell’NAD+ formino una molecola
d’acqua (con i dovuti equilibri molecolari). Se le sostanze ossidanti cioè quelle che riescono a
catturare elettroni non corrispondono l’ossigeno avviene il fenomeno della fermentazione.
Fermentazione alcolica
La fermentazione alcolica avviene a seguito della demolizione del glucosio, la produzione di
acido piruvico, la formazione di aldeide acetica in assenza di ossigeno, l’azione dell’enzima alcol
deidrogenasi a formare alcol etilico (etanolo). C6H12O62C2H6O+2CO2
Fermentazione acetica
La fermentazione acetica avviene ad opera di micro-organismi di natura batterica/fungina i quali
dispongono l’ossidazione dell’aldeide acetica ad acido acetico. L’aceto si forma mediante un
agglomerato microbico che si addensa in una forma detta madre. L’origine è lievito/fungina.
Possiamo distinguere tre tipi di nuclei microbici: batteri acetici del vino o della birra, batteri
acetico-rapidi, batteri acetico-mucillaginosi. Il batterio Acetobacter, ha una forma bastoncellare
ed una notevole resistenza che varia da un minimo di 5°C ad una massimo di 42°C. la
temperatura ottimale per lo sviluppo del microbo è di 34°C. La tolleranza alcolica è circa 9,5-10
gradi alcolici; la tolleranza ottimale per l’acetificazione è di 6,5 gradi alcolici.
L’aggiunta della solforosa inibisce lo sviluppo del batterio acetico, inoltre la presenza di fosforo
(Sali fosfati) ad esempio nelle acque molto dure, favoriscono la proliferazione acetica. Il
catalizzatore per eccellenza del processo acetico è rappresentato dai sali di Ferro.
Fermentazione lattica
Quando l’acido piruvico, in ambiente cellulare o nella sostanza alimentare (latte) viene ridotto
per intervento dell’enzima lattico-deidrogenasi + NADHNAD+ H+, avviene una trasformazione
in acido lattico. C3H4O3 (acido piruvico)+NADH+enzimaC3H6O3 (acido lattico). Questo processo
avviene per mezzo di lattobacilli anaerobi.
I lieviti e la fermentazione
I lieviti appartengono al regno dei Funghi. Si riproducono per gemmazione. Sono unicellulari e la
loro struttura è quella tipica di una qualsiasi cellula: parete e membrana cellulare, mitocondri,
R.E., vacuolo con grani basolfili (lipidici) nucleo e citoplasma a base di glicogeno. Questa
sostanza aumenta in fase di fermentazione per poi diminuire fino ad annullarsi. La riproduzione
dei lieviti è molto attiva in fase aerobica e in presenza di glucosio mentre la trasformazione del
glucosio in alcol non richiede ai lieviti l’uso dell’ossigeno. La forma dei lieviti è generalmente
tondeggiante ma può ramificarsi allo stadio dell’invecchiamento fino ad aggregarsi in unità
composte. L’azione dei lieviti è di tipo enzimatica detta in generale zimasi. In realtà agiscono un
complesso di enzimi: amilasi raffinasi maltasi lattasi invertasi melibiasi
glicosidasi enzimi proteolitici carbossilasi. L’azione metabolica del lievito è premiata dalle
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sue dimensioni: più è piccolo maggiore sarà la sua efficacia. Il lievito, come già accennato, agisce
per respirazione cioè consumando ossigeno e producendo anidride carbonica. Quando il
processo respiratorio termina allora inizia la fase fermentativa che dipende in tutto dagli enzimi.
La temperatura è una grandezza fondamentale per la fermentazione sia per la moltiplicazione
delle cellule sia per la gemmazione e la sporulazione. I lieviti diventano insensibili alle basse
temperature (si inattivano) oppure diminuiscono la funzione fermentativa. È possibile
suddividere i lieviti in due gruppi di alta temperatura se agiscono tra 10-25°C, di bassa
temperatura se agiscono tra i 5-10°C. Ciò che più danneggia i lieviti è la variazione della
temperatura durante la fermentazione. Infatti tale variazione modifica la morfologia
sviluppando miceli o ingrossando il volume e gli agglomerati.
Le cellule dei lieviti di alta temperatura tendono a rimanere uniti e a formare complessi che
favoriscono la produzione della schiuma e della CO2 . I lieviti di bassa temperatura tendono a
separarsi restando isolati, così da precipitare sul fondo. I Sali di Manganese favoriscono l’azione
dei lieviti soprattutto nella loro crescita. La produzione di alcol durante la fermentazione sembra
abbia lo scopo di selezionare i vari ceppi di lieviti, alla fine rimangono solo quelli che hanno una
maggiore affinità e riescono a metabolizzare tutto il glucosio a disposizione.
Lieviti selezionati
Schizosaccaromicetes: sono lieviti molto efficaci sui mosti delle aree di coltivazione a clima caldo.
Hanno una buona attività fermentativa soprattutto nella fase malo-acolica (passaggio rapido del
mailico in alcol).
Saccaromicotes ludwigii: è pittosto comune nei mosti, serve per avviare la fermentazione, viene
distrutto dalla solforosa.
Dekkera: è un ceppo dannoso perché produce a acetificazione (acido acetico).
Hansenula e Pichia: sono ceppi dannosi e devono essere abbattuti con la solforosa, producono
la “fioretta”.
Saccaromicetes (sette varietà tra cui: cervisiae, bayanus, uvarum): è il ceppo migliore, ottimo
per la produzione alcolica, resiste bene alla solforosa perciò può completare il processo senza
problemi. (analogo al S. è Kloekera apiculata).
Torulaspora: è uno dei ceppi più utilizzati per la vinificazione perché ha un’alta resistenza alla
percentuale alcolica (10-12%). Ha due varietà: S. delbuchii, S. rosei.
Zigosaccaromicetes: è un ceppo presente nel mosto che ha buona capacità di resistenza al
carico zuccherino. Ottimo in fase di fermentazione.
Le immagini e la documentazione è reperita d numerosi fonti documentative tra cui la rete internet, cui
appartengono. L’unico scopo del loro utilizzo è vantaggiare gli studenti nell’apprendimento degli
argomenti scientifici.
Prof. Andrea Sacchetti
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