Biochimica degli Alimenti e della Nutrizione [PDF]

Zitiervorschau

IVO COZZANI

ENRICO DAINE5E

BIOCHIMICA DEGLI ALIMENTI E DELLA NUTRIZIONE Con un contributo di Mauro Maccarrone

Presentazione di Gino R. Corazza

PICCIN

Le figure seguenti sono tratte da "Vino e salute" di Ivo Cozzani; Aracne Editrice, Roma 2005: 5.8,6.8,6.11,6.12,8.19,9.10,9.12, 10.9, 11.5, 11.6, 13.24, 13.25, 14.1. Le figure seguenti sono state realizzate e gentilmente fomite da Patrizia Linzi: 8.2,8.5,8.6,8.8,8.9,8.11,8.13,8.14,8.17,8.21,8.23, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.7, 9.8,11.7,13.12,13.13,13.14, 13.15,13.17,13.18,13.19,13.20,13.21,13.23. L'illustrazione della copertina è stata realizzata utilizzando le figure 8.9 e 10.11. I due Autori hanno contribuito alla stesura dell'opera in modo paritario.

Tutti i diritti sono riservati

È VIETATA PER LEGGE LA RIPRODUZIONE IN FOTOCOPIA E IN QUALSIASI ALTRA FORMA È vietato riprodurre, archiviare in un sistema di riproduzione o trasmettere sotto qualsiasi forma o con qualsiasi mezzo elettronico, meccanico, per fotocopia, registrazione o altro, qualsiasi parte di questa pubblicazione senza autorizzazione scritta dell'Editore. Ogni violazione sarà perseguita secondo le leggi civili e penali.

ISBN 88-299-1825-3

Stampato in Italia © 2006, by Piccin Nuova Libraria S.p.A., Padova www.piccin.it

Piglia il cibo con misura dai due regni di natura Antica massima raccolta dall'Artusi (In: P. Artusi, La Scienza in cucina e l'Arte di mangiar bene; 1960 Giunti Marzocco, Firenze)

Profili degli Autori Ivo Cozzani è Professore Ordinario di Biochimica nell'Università di Teramo, dove insegna Biologia Molecolare, Biochimica della Nutrizione, Enzimologia e Biochimica delle Fermentazioni, Vino e salute. Laureato in Medicina e Chirurgia, Libero Docente di Biochimica Applicata, studioso di struttura e funzione delle proteine e di regolazione del metabolismo, nel Dipartimento di Scienze Biomediche Comparate coordina le attività di ricerca della Sezione di Chimica, Biochimica e Biologia Molecolare. Nel quadriennio 1999-2003, come Preside, ha guidato lo sviluppo della Facoltà di Agraria, appena istituita, attivando il Corso di Laurea in Viticoltura ed Enologia e sviluppando l'area delle Scienze e Tecnologie Alimentari con l'attivazione del Corso di Laurea Specialistica, accanto a quello di primo livello. Recentemente ha pubblicato "Vino e salute"; Aracne Editrice, Roma, 2005. Enrico Dainese è Professore Associato di Biochimica presso l'Università di Teramo dove insegna Biochimica ed Elementi di Biologia Molecolare, Organismi Geneticamente Modificati e Biochimica degli Alimenti. Laureato in Scienze Biologiche (Università di Padova), Dottorato di Ricerca in Biologia Evoluzionistica (Università di Padova), ha svolto attività didattica e di ricerca presso l'Istituto di Biofisica e Biologia Molecolare dell'Università di Mainz (Germania) e presso altri istituti di ricerca europei. Interessi scientifici: l. Struttura e funzione di enzimi in soluzione mediante diffusione di raggi-X a basso angolo (SAXS); 2. Ruolo di enzimi attivati da calcio e di metalloenzimi; 3. Analisi di enzimi con attività battericida negli alimenti; 4. Sviluppo di nuovi metodi di analisi per la rilevazione di organismi geneticamente modificati negli alimenti. È revisore di diverse riviste internazionali ed è autore di numerosi lavori in extenso su riviste scientifiche internazionali.

Riconoscimenti e Ringraziamenti

Tutti i modelli delle strutture cristallografiche delle proteine riportate in questo libro sono stati disegnati utlizzando il programma Swiss-Pdb Viewer (Guex, N. & Peitsch, M. C. (1997) Electrophoresis 18, 2714-2723) disponibile sul sito www.expasy.ch/spdbv. Per la preparazione di alcune figure del testo è stato utilizzato il programma "ScienceSlides", acquisito da "VisiScience Corp.". Gli autori desiderano ringraziare le Dott.sse Daniela Barsacchi, Annalaura Sabatucci e Clotilde Beatrice Angelucci (Università degli Studi di Teramo), per la preziosa collaborazione nella realizzazione di chiari schemi e figure e l'Arch. Patrizia Linzi, per aver realizzato e gentilmente fornito numerosi originali disegni e figure che illustrano il testo. Inoltre gli autori sono grati alle Dott.sse Filomena Fezza e Monica Bari (Università degli Studi di Roma "Tor Vergata") ed al Dott. Andrea Paradisi (Università degli Studi di Teramo), per il pregevole contributo alla realizzazione delle illustrazioni relative al capitolo lO.

Presentazione

Alimentazione e nutrizione, come confermato dalla costante attenzione dei media, rappresentano un problema preminente nelle società cosiddette globalizzate ed addirittura drammatico in quelle in via di sviluppo. Se da una parte la soluzione di tale problema consiste nel garantire l'accesso ad alimenti quantitativamente e qualitativamente adeguati ai fabbisogni individuali, dall'altra il raggiungimento di tale obiettivo presuppone il concorso di competenze multidisciplinari, che spaziano dall'epidemiologia alla genetica, dalla biochimica alle scienze cliniche, [mo alle moderne biotecnologie del settore agroalimentare. Queste semplici considerazioni, oltre a sottolineare la centralità dell'alimentazione e della nutrizione nel conseguimento e nella tutela della salute pubblica, rendono ragione della crescente importanza che l'insegnamento di tali discipline ha assunto nei programmi di formazione di una serie di corsi di Laurea di primo livello e specialistici, nell'ambito dell'Agraria e della Medicina Veterinaria, e nella Scuola di Specializzazione in Scienza dell' Alimentazione, nell'ambito delle Facoltà Mediche. A studenti e specializzandi, quindi, è rivolto (in primo luogo) il volume dei Professori Cozzani e Dainese su "Biochimica degli Alimenti e della Nutrizione". Tuttavia, la trattazione diretta e moderna, la chiarezza delle figure sempre funzionali alla comprensione del testo, l'aggiornamento bibliografico, il graduale ma progressivo "approfondimento" della materia (dalla biochimica classica degli enzimi, del metabolismo e degli alimenti, [mo alle malattie da alterata alimentazione e nutrizione, passando attraverso l'integrazione alimentazione-nutrizione mediata dai meccanismi di controllo neurormonali, attraverso le nuove tecnologie agroalimentari, gli antinutrienti, i nuovi alimenti funzionali) rendono la consultazione del volume di grande interesse ed utilità a figure professionali di differente livello e formazione. Per me, in particolare, professore di Medicina Interna con specifici interessi gastroenterologici e docente, tra l'altro, presso una Scuola di Specializzazione in Scienza dell'Alimentazione, la lettura del volume ha fornito informazioni senz'altro nuove su taluni argomenti ed ha consentito il reinquadramento di altri in una prospettiva più ampia e, di conseguenza, più corretta. Per una medicina sempre più attenta a strategie di tipo preventivo, la conoscenza di problematiche quali l'epidemiologia nutrizionale ed il rischio alimentare è fondamentale per il possibile allestimento di standard e linee guida alimentari. Anche sulla base di tali motivazioni, del tutto inerenti alla mia professione, ho aderito con grande piacere all 'invito degli Autori a presentare questo volume, certo, come sono, che verrà accolto dai futuri lettori con lo stesso interesse che ha suscitato in me. GINO ROBERTO CORAZZA

Professore di Medicina Interna Policlinico San Matteo Università di Pavia

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Prefazione

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Il testo "Biochimica degli Alimenti e della Nutrizione" sorge da una necessità maturata in noi durante la nostra esperienza di insegnamento e di ricerca nell'ambito della Biochimica degli Alimenti in diversi corsi di Laurea triennali e specialistici. Tale necessità è strettamente connessa al fatto che gli Studenti che affrontano un corso di Biochimica degli Alimenti non hanno a tutt'oggi un testo specifico disponibile che consenta loro di affrontare la materia in modo peculiare ed organico. Conoscenze di base sulla biochimica degli alimenti e sui fondamenti molecolari dei processi nutrizionali sono ormai essenziali per i corsi di lO livello in Scienze e Tecnologie Alimentari e per altre attività didattiche e formative nel settore alimentare (Corsi di Laurea in Scienze Dietetiche, in Produzioni Animali, studio delle principali filiere alimentari nelle Facoltà di Medicina Veterinaria e di Agraria, ecc.). Su tale percorso didattico di base abbiamo inoltre innestato e sviluppato una parte relativa alla biochimica della nutrizione. Questa parte è particolarmente idonea non solo per gli Studenti dei corsi specialistici delle Facoltà di Agraria, ma anche per le scuole di specializzazione post-universitaria in Scienza dell' Alimentazione, attivate in diverse Facoltà Mediche. Pertanto, il testo che presentiamo è peculiare anche per il modo in cui i diversi capitoli sono affrontati in sequenza crescente di difficoltà e di approfondimento specialistico. Di conseguenza, pur essendo concepito come unico sviluppo organico di conoscenze teoriche e pratiche dalla laurea di primo livello alla laurea specialistica, alle scuole di specializzazione, può anche essere agevolmente utilizzato in percorsi formativi di livello differenziato. A nostro parere un testo di Biochimica degli Alimenti e della Nutrizione deve infatti dare per scontata la conoscenza della chimica inorganica e organica e contenere una presentazione delle basi della biochimica, che riguardano lo studio dell'enzimologia e del metabolismo, con un approccio immediato e non dispersivo per lo Studente ed in modo fortemente mirato all' applicazione di tali conoscenze nel settore agroalimentare e nutrizionale. Di conseguenza, nella prima parte del nostro testo abbiamo presentato in modo sintetico ed essenziale gli aspetti classici della biochimica quale necessario substrato su cui innestare una seconda parte in cui sono stati affrontati gli aspetti relativi alle applicazioni dell' enzimologia nel settore agroalimentare e quelli relativi alla biochimica della nutrizione. Per quanto attiene le applicazioni dell'enzimologia nel settore agroalimentare, è stato descritto l'impiego di enzimi ottenuti mediante tecnologia del DNA ricombinante e sono state anche toccate le attuali problematiche relative alla diagnostica degli alimenti contenenti organismi geneticamente modificati e alle metodologie biochimiche di rilevazione più moderne in questo settore. Per quanto riguarda invece la parte relativa alla biochimica della nutrizione, i concetti di base, sviluppati nella prima parte del testo, sono stati ripresentati con una chiave di lettura di tipo nutrizionale descrivendo dapprima le caratteristiche biochimiche dei principali gruppi di alimenti con particolare attenzione ai "nuovi alimenti" ed ad alcune moderne problematiche relative all'evoluzione delle abitudini ali-

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Prefazione

mentari. Successivamente sono stati descritti nei dettagli i meccanismi molecolari della digestione e dell'assorbimento, compresi i meccanismi di controllo neuroormonale. Abbiamo voluto sottolineare in questo ambito il ruolo delle riserve energetiche per poi focalizzare l'attenzione sui profili energetici dei principali organi ed il controllo ormonale della glicemia. Inoltre, abbiamo ritenuto utile come approfondimento descrivere l'impiego delle riserve energetiche durante l'attività fisica e trattare dettagliatamente il metabolismo energetico dell'etanolo e le sue alterazioni patologiche. Nel capitolo lO, che comprende il trasporto del colesterolo e le lipoproteine, il bilancio dell'azoto ed i relativi meccanismi di regolazione, è importante sottolineare il contributo di eccellenza presentato da Mauro Maccarrone relativo alla biochimica di alcune classi di lipidi, gli eicosanoidi e gli endocannabinoidi, particolarmente attuali come nuove molecole segnale e di rilevanza nutrizionale. Il testo contiene anche un capitolo di grande attualità relativo alla biochimica dei non nutrienti e degli antinutrienti, che sottolinea le problematiche biochimiche, metaboliche e nutrizionali della fibra alimentare e dell'indice glicemico degli alimenti. Abbiamo anche posto attenzione alle attuali problematiche relative alla biochimica dei principali nutrienti inorganici, con particolare enfasi sui meccanismi molecolari dell'assorbimento e trasporto del ferro, del rame e dello zinco. La biochimica delle vitamine è stata trattata con un approccio moderno, che comprende anche la descrizione dei meccanismi di regolazione genica da parte delle forme attive della vitamina A e D con funzioni ormonali. La funzione antiossidante della vitamina E è stata inquadrata nelle problematiche connesse allo stress ossidativo e alla perossidazione lipidica. L'ultimo capitolo delinea le basi molecolari di alcune patologie dell' apparato digerente e di malattie sistemiche, strettamente correlate con le abitudini alimentari e lo stile di vita. Con il testo "Biochimica degli Alimenti e della Nutrizione" intendiamo fornire a Studenti e Specializzandi uno strumento didattico agile e moderno. A tale scopo abbiamo cercato di presentare i diversi argomenti utilizzando un approccio diretto e conciso, corredando ogni paragrafo di numerose illustrazioni. Abbiamo pertanto deciso di migliorare la comprensione e l'approfondimento delle principali problematiche mediante la continua interazione del testo con schemi, disegni, figure, formule e tabelle; nonché riportando frequenti collegamenti e rinvii ad altri pertinenti capitoli e paragrafi. Per eventuali approfondimenti, abbiamo indicato per ogni capitolo alcune "Letture consigliate" (riferimenti a testi o articoli riassuntivi sulle principali tematiche trattate). Infine, dove le problematiche o le metodologie applicative esulano dai limiti o dalle competenze della nostra trattazione, ma possono essere di interesse per approfondimenti di frontiera con altre discipline, le abbiamo riassunte in brevi "schede applicative", che corredano diversi capitoli del libro. GLI AUTORI

Indice generale

INTRODUZIONE

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5. BIOMEMBRANE E BIOENERGETICA.. 69

Alimenti, nutrienti, biodisponibilità

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Le membrane biologiche Il trasporto transmembrana Bioenergetica Ossidazioni e fermentazioni Origine e natura dell'energia biologica L'ATP ed altri composti energetici Potenziale di trasferimento del fosfato e reazioni accoppiate Letture di approfondimento suggerite

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6. METABOLISMO DEI NUTRIENTI

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Il metabolismo dei carboidrati La glicolisi Metabolismo del glicogeno La regolazione della glicolisi e la gluconeogenesi La via del pentoso fosfato Il complesso della piruvato deidrogenasi Il ciclo di Krebs Fosforilazione ossidativa Il metabolismo degli acidi grassi La ~-ossidazione La biosintesi dei lipidi Il metabolismo degli aminoacidi Il ciclo dell 'urea Linee del metabolismo nucleotidico Letture di approfondimento suggerite

81 81 83 86 91 92 94 97 101 101 104 108 113 114 119

7. ALIMENTAZIONE E NUTRIZIONE

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I processi biochimici della nutrizione Dinamica delle abitudini e delle preparazioni alimentari Tendenze e prospettive nelle scienze della nutrizione Le sorgenti di nutrienti Cereali e derivati, legumi Verdure, ortaggi e frutta Olii e grassi

121

1. LE MACROMOLECOLE BIOLOGICHE.. 3 Il solvente: l'acqua 3 Acidi nucleici e proteine 5 La struttura delle proteine 6 Letture di approfondimento suggerite Il

2. I CATALIZZATORI BIOLOGICI

13

La catalasi enzimatica 13 Parametri cinetici 16 Regolazione dell'attività enzimatica 19 Inibizione dell' attività enzimatica 19 Regolazione enzomatica del metabolismo .. 23 La regolazione allosterica 24 La regolazione da legame covalente 27 31 I coenzimi I coenzimi nelle reazioni di ossido-riduzione . 32 Letture di approfondimento suggerite 41

3. GLI ENZIMI DELLA DIGESTIONE

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Degradazione enzimatica dei polisaccaridi Enzimi proteolitici Il meccanismo catalitico delle serina proteasi digestive Degradazione enzimatica dei lipidi Letture di approfondimento suggerite

43 44

4. ENZIMI E TECNOLOGIE ALIMENTARI Dosaggio delle attività enzimatiche Impiego degli enzimi nel settore agroalimentare Produzione di enzimi mediante tecnologia del DNA ricombinate Esempi di enzimologia applicata alla diagnostica degli alimenti Letture di approfondimento suggerite

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XII Latte e derivati Uova Carni Prodotti della pesca e dell'acquacoltura Bevande alcoliche Bevande alcoliche e rischio cardiovascolare Vino e birra come alimenti Nuovi alimenti Letture di approfondimento suggerite

8. ASSUNZIONE DEI NUTRIENTI Sedi e fasi di assunzione dei nutrienti Assunzione dei glicidi Struttura dell'amido Digestione dei glicidi Assorbimento e trasporto dei glicidi Assorbimento degli esosi Trasporto di glucosio e fruttosio in diversi organi e tessuti Assunzione dei lipidi Alimenti e nutrienti lipidici Digestione ed assorbimento dei lipidi Trasporto dei lipidi Assorbimento e circolazione dei sali biliari .. Assunzione dei protidi Digestione delle proteine Assorbimento di aminoacidi e peptidi Controllo neuro-ormonale della digestione Controllo della digestione gastrica La secrezione di acido cloridrico Controllo della digestione intestinale Letture di approfondimento suggerite 9. PERCORSI DEL METABOLISMO ENERGETICO DEI NUTRIENTI Dinamica delle riserve energetiche Le riserve energetiche Profili energetici e metabolismo dei principali organi Regolazione ormonate dei nutrienti energetici Regolazione della glicemia e controllo delle riserve energetiche Dinamiche metaboliche e riserve energetiche durante l'attività fisica Percorsi metabolici del fruttosio L'etanolo come nutriente energetico Sistemi enzimatici per l'ossidazione dell' etanolo L'alcol-deidrogenasi L'aldeide-deidrogenasi Il sistema microsomiale ossidante l'etanolo

Indice generale

127 129 130 130 131 131 131 134 136 137 137 140 140 140 143 143 145 147 147 147 150 151 153 153 155 156 156 157 160 161 163 163 163 164 168 172 174 175 176 176 177 178 178

Dismetabolismo e patologia da abuso di alcol Letture di approfondimento suggerite

180 182

lO. DESTINI E PERCORSI NON ENERGETICI DEI NUTRIENTI ..... 183 Glicidi e lipidi come componenti di biomolecole e di biostrutture 183 Acidi grassi essenziali 184 Biochimica degli eicosanoidi 185 e degli endocannabinoidi (Mauro Maccarrone) Eicosanoidi 185 La via della cicloossigenasi 187 La via della lipossigenasi 188 La via del citocromo P-450 190 Meccanismo d'azione degli eicosanoidi 191 Rilevanza nutrizionale degli eicosanoidi 193 Endocannabinoidi 194 Meccanismo d'azione 196 degli endocannabinoidi Colesterolo e lipoproteine 198 Colesterolo e derivati: strutture, funzioni e biosintesi 198 Regolazione della colesterolemia 200 Lipoproteine e trasporto del colesterolo 200 Regolazione del bilancio dell'azoto 203 I protidi come nutrienti plastici 203 Percorsi del catabolismo aminoacidico 203 Regolazione del catabolismo proteico 205 Regolazione del catabolismo aminoacidico 208 Letture di approfondimento suggerite 208 11. BIOCmMICA DEI NON-NUTRIENTI E DEGLI ANTI-NUTRIENTI L'amido resistente L'indice glicemico La fibra alimentare Metabolismo della fibra alimentare Fibra alimentare e prevenzione delle malattie Anti-nutrienti e sostanze tossiche Letture di approfondimento suggerite 12. BIOCIDMICA DEI NUTRIENTI INORGANICI. I nutrienti inorganici Assorbimento, trasporto, deposito ed escrezione del ferro Assorbimento del ferro

209 209 209 211 213 213 214 217

219 219 221 226

XIII

Indice generale

Il rame e lo zinco Assorbimento del rame e dello zinco Letture di approfondimento suggerite

228 230 233

13. BIOCHIMICA DELLE VITAMINE Vitamine idrosolubili Tiamina (vitamina BI)' Riboflavina (vitamina B 2) Niacina (vitamina PP) Biotina (vitamina H) Acido pantotenico Piridossina (Vitamina B6) Folato Vitamina B 12 Caratteristiche strutturali e ruolo biochimico Assorbimento e trasporto Acido ascorbico (Vitamina C) Struttura e reazioni redox Ruoli metabolici dell'ascorbato Vitamine liposolubili Vitamina A ' Strutture e funzioni. Assorbimento e trasporto Recettori dei retinoidi Ciclo visivo dei retinoidi Vitamina D Provitamine e forme attive Regolazione della calcemia Regolazione genica da vitamina A, vitamina D ed ormone tiroideo

235 235 235 236 237 237 238 239 240 243 243 243 244 244 245 246 246 246 247 248 248 250 250 251 252

Vitamina K Struttura e forme attive Ruolo biochimico Stress ossidativo, perossidazione lipidica e vitamina E L'ossigeno, le sue specie reattive e i radicali Funzioni di radicali eROS Danni da radicali eROS Difese da radicali eROS I composti antiossidanti Stress ossidativo e malattie Dieta e difese antiossidanti Letture di approfondimento suggerite

254 254 254 255 255 256 257 258 259 260 260 261

14. ALIMENTAZIONE E MALATTIE Intolleranze alimentari La malattia celiaca Il tumore del colon Basi molecolari della patologia diabetica e linee di prevenzione e terapia dietetica ..... Danni niolecolari e patologia aterosclerotica .. Dieta, bevande alcoliche, antiossidanti e rischio cardiovascolare Etanolo e antiossidanti La dieta mediterranea ' Letture di approfondimento suggerite

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Indice analitico

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Introduzione

ALIMENTI, NUTRIENTI, BIODISPONIBILlTÀ Gli organismi viventi sono sistemi aperti che crescono e continuamente rinnovano le proprie strutture e svolgono un grande numero di complesse funzioni. Per lo sviluppo, il ricambio di molecole e strutture e per le loro molteplici funzioni, gli organismi biologici necessitano di composti che fungano da mattoni costitutivi e di energia. I nutrienti forniscono agli organismi viventi sia le molecole adattabili ai ruoli strutturali, sia le molecole utilizzabili a scopo energetico. L'uomo e gli animali assumono i nutrienti estraendoli dagli alimenti di cui si cibano. I nutrienti, pertanto, assolvono due principali ruoli: "plastico", per costruire biomolecole e biostrutture ed alimentare la crescita e lo sviluppo; "energetico", per sostenere sia i processi biosintetici, sia le molteplici funzioni di cellule, tessuti ed organi. I nutrienti proteici hanno principalmente funzione plastica, quelli glucidici e lipidici esplicano fondamentalmente funzioni energetiche. Tuttavia, i glicidi ed i lipidi concorrono anche alla costruzione di biomolecole e biostrutture; viceversa le proteine possono essere utilizzate anche a scopo energetico. Alcuni nutrienti (vitamine, oligoelementi) non hanno funzioni plastiche (non entrando a costruire strutture cellulari o tissutali), né ruoli energetici (non venendo consumati per produrre energia), ma questi micronutrienti funzionano generalmente come cofattori di enzimi, concorrendo alla catalisi biologica, processo fondamentale per la vita e l'attività cellulare. Solo in parte i nutrienti si trovano negli alimenti in forma direttamente assorbibile ed utilizzabile dall'organismo. Più spesso nell'apparato digerente devono essere separati dalle altre componenti che costituiscono l'alimento, digeriti, assorbiti e infine trasportati nel sangue ai diversi organi che li utilizzano. Gli alimenti sono le fonti dei nutrienti, ma il contenuto di nutrienti non è sufficiente a definire le qualità nutrizionali di un alimento, poiché questa dipende anche dalla biodisponibilità e da altre caratteristiche dei nutrienti. La biodisponibilità di un nutriente è la quantità presente in un alimento in concentrazione e forma chimica necessarie al suo assorbimento. Pertanto, essa è strettamente correlata con la percentuale del nutriente (rispetto al contenuto totale), che viene effettivamente utilizzata dall'organismo. La biodisponibilità varia, anche notevolmente, in funzione delle caratteristiche del nutriente e delle altre componenti dell'alimento (in particolare la presenza di antinutrienti) e dei processi di digestione ed assorbimento dello specifico nutriente. Dopo aver esaminato le strutture e le funzioni delle principali macromolecole biologiche (proteine, acidi nucleici, enzimi e coenzimi) ed i meccanismi deputati alla produzione dell'energia, studieremo le strutture e le funzioni dei nutrienti, le loro interconversioni metaboliche ed infine i processi molecolari della digestione e dell'assorbimento e gli altri processi biochimici della nutrizione.

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Capitolo 1 Le macromolecole biologiche

IL SOLVENTE: L'ACQUA La digestione e l'assorbimento dei nutrienti di origine organica o inorganica, così come altri processi biochimici che avvengono negli organismi viventi, sono influenzati dalle particolari proprietà chimico-fisiche dell'acqua. Infatti, la struttura dei sistemi macromolecolari in soluzione acquosa dipende da un complesso equilibrio di interazioni sia a carattere idrofilico che idrofobico che hanno luogo tra gruppi di superficie ed il solvente e tra gruppi non polari confinati nelle regioni interne alla macromolecola stessa. In modo simile, anche la dinamica molecolare che controlla la funzione biologica di questi sistemi è fortemente condizionata dal fine equilibrio tra le interazioni esterne dei gruppi di superficie con il solvente e le forze intramolecolari. Pertanto, tutte le molecole biologiche assumono la loro forma e la loro funzione in risposta alle proprietà fisiche e chimiche dell' acqua. Inoltre, i reagenti ed i prodotti delle reazioni chimiche o catalizzate da enzimi dipendono dall'acqua per il loro trasporto ed infme l'R2 0 può dissociarsi in OR- e R+ che influenzano la reattività dei diversi gruppi funzionali presenti nelle molecole biologiche. Dal punto di vista chimico l'R2 0 è un solvente polare in cui l'atomo di ossigeno è ibridato Sp3 consentendo la presenza di una struttura a tetraedro in cui dei quattro orbitali disponibili due sono occupati dall'idrogeno e due dai doppietti elettronici non condivisi dell'ossigeno. È interessante notare che l'angolo di legame che viene così a formarsi non è di 109.5° (come quello tipico del CR4), ma di 104.5° e la molecola assume una distribuzione di carica polare con la carica negativa prevalentemente delocalizzata sull'atomo di ossigeno, mentre i due atomi di idrogeno hanno una parziale carica positiva. Queste proprietà rendono l'R20 particolarmente idonea alla formazione di legami a idrogeno. Tuttavia, solo al di sotto di O°C, nel sistema acqua-ghiaccio, ogni molecola di R 2 0 è in grado di dare luogo alla formazione di quattro legami idrogeno con altrettante molecole, questo comporta un'apertura dell'angolo di legame da 104.5° a 109.5° che determina la presenza di una struttura a più bassa densità, tipica del ghiaccio. È interessante rilevare che anche a temperature superiori allo O°C l'acqua è in grado di formare legami con se stessa formando reticoli tridimensionali molto instabili (trimeri, tetrametri, pentameri) che si formano e si distruggono circa ogni 2 x 10-11 secondi, ma che sono tuttavia strutture statisticamente più rappresentate rispetto all'acqua libera. L'acqua è da considerarsi quindi un solvente interagente con i soluti e la sua interazione prende il nome di idratazione. L'idratazione coinvolge interazioni deboli delle molecole d'acqua con altre molecole o ioni, come il Na+, il Cl-, l'amido o le proteine. L'idratazione consente ai composti chimici solubili in acqua di essere disciolti in questo solvente. In particolare, l'acqua è un ottimo solvente per i composti polari e per quanto riguarda i composti ionici questi sono solvatati da un numero specifico di molecole d'acqua. L'idratazione risulta essere pertanto dipen-

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Le macromolecole biologiche

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Figura 1.1 Struttura dell'acqua ed effetto idrofobico schematizzato su due molecole di soluto polare.

dente da due tipi di legami: il legame a idrogeno ed il legame elettron donatoreaccettore. L'acqua è un ottimo solvente per tutti i composti polari o ionici, detti idrofiliei, mentre le sostanze non polari, idrofobiche sono in sostanza insolubili in acqua. In quest'ultimo caso l'acqua tende a minimizzare i suoi contatti con le molecole idrofobiche, dando luogo al cosiddetto effetto idrofobico. La molecola apolare risulta pertanto rivestita da un numero minimo di molecole d'acqua che vanno a formare strutture tridimensionali più ordinate rispetto all'acqua libera. Se consideriamo il processo di associazione di due molecole apolari in soluzione acquosa (Figura 1.1), esso è governato da un aumento dell'entropia delle molecole d'acqua (LlS > 0, mentre la variazione di entalpia è nulla LlH = O) che comporta un valore negativo dell'energia libera di reazione (LlG < O) che, come è noto, rende la reazione spontanea. È importante considerare che tale effetto è il principale processo termodinamico che governa la dinamica strutturale della maggior parte delle macromolecole biologiche in soluzione (proteine, acidi nucleici, lipidi, carboidrati) e che la presenza di co-soluti o di composti inorganici od organici in soluzione può alterare l'interazione con le molecole d'acqua. Oltre all'effetto idrofobico, possiamo considerare altre tre specie principali di legami non covalenti che influenzano le interazioni reversibili tra le molecole biologiche: a) i legami elettrostatici; sono dovuti alla forza di attrazione elettrostatica (F), descritta dalla legge di Coulomb:

F = qlq2 r

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D

dove ql e ~ sono cariche di segno opposto, r la distanza tra esse e D la costante dielettrica del mezzo. Tuttavia, poiché l'acqua presenta un alto valore di costante

Acidi nucleici e proteine

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dielettrica CD = ~ 80) essi risultano relativamente deboli (- 7 kcaVmole); b) i legami idrogeno (~ 3 kcaVmole); hanno luogo quando un atomo di idrogeno è condiviso da due altri atomi. L'atomo cui l'idrogeno è legato più strettamente è il donatore di idrogeno, mentre l'altro è l'accettore; c) le forze di van der Walls (- 1 kcaVmole); sono interazioni dovute alla presenza di distribuzioni di carica non perfettamente simmetriche come le interazioni tra dipoli permanenti o indotti. Un'efficace interazione di van der Walls dipende anche dalla complementarietà sterica.

ACIDI NUCLEICI E PROTEINE La modulazione dell'espressione dell'informazione contenuta nel genoma controlla le proprietà e le funzioni della cellula e determina, per esempio, se una cellula debba differenziarsi in un epatocita, in un neurone o in una cellula tumorale. Il flusso dell'informazione genetica può essere riassunto nella seguente frase: il DNA viene trascritto in RNA che a sua volta viene tràdotto in proteine. Le cellule contengono diversi tipi di RNA, l'RNA messaggero (rnRNA) che è lo stampo per la sintesi proteica viene prodotto per ciascun gené o gruppo di geni. L'RNA transfer (tRNA) porta una forma attivata degli aminoacidi ai ribosomi per la formazione dei legami peptidici, in una sequenza determinata dallo stampo dell'rnRNA. L'RNA ribosomiale (rRNA) è il componente principale dei ribosomi e svolge un ruolo sia catalitico che strutturale nella sintesi proteica. Infine, negli Eucarioti vi sono anche piccole molecole di RNA nucleare (snRNA) e citoplasmatiche coinvolte nei meccanismi di rimozione delle regioni introniche non codificanti che avvengono all'interno del nucleo durante il processo di maturazione dell'RNA (splicing). Gli RNA di alcuni geni possono andare incontro a meccanismi di rimozione delle regioni introniche seguendo schemi diversi (splicing alternativo). In questi casi un singolo gene può dare luogo a più di una sequenza di rnRNA maturo e quindi a più di un tipo di proteina. Durante il processo di trascrizione l'RNA polimerasi produce una molecola di RNA messaggero (rnRNA) trascrivendo solo regioni specifiche di DNA in corrispondenza di opportuni siti promotori dove questo enzima è in grado di legarsi ed iniziare la trascrizione. La sintesi di RNA termina quando l'RNA polimerasi riconosce specifici segnali di termine sul DNA che specificano il punto in cui il trascritto deve fmire. Questo enzima è in grado inoltre di interagire con repressori o attivatori proteici che modulano la trascrizione di sequenze specifiche all'interno del genoma. L'espressione dei geni è infatti regolata soprattutto a livello della trascrizione e la trascrizione dei geni eucariotici è inoltre stimolata anche da sequenze incrementatrici (enhancer) che sono situate in regioni molto distanti dal sito inizio. Nei genomi dei procarioti i geni sono spesso organizzati in gruppi che vengono trascritti insieme (operoni). Essi contengono geni che codificano generalmente per proteine correlate. Negli Eucarioti, invece, la maggior parte dei geni che codificano per proteine, i geni strutturali, sono trascritti uno alla volta. La separazione spaziale e temporale della trascrizione e della traduzione consente agli Eucarioti di regolare l'espressione genica in modo molto più fme e coordinato. L'rnRNA maturo esce dal nucleo e arriva al ribosoma dove funge da stampo per la sintesi proteica (traduzione). La traduzione dell'informazione contenuta nelle sequenze nucleotidiche a quella di sequenze aminoacidiche avviene grazie alla presenza di un codice genetico praticamente universale. Secondo questo codice, molti aminoacidi nelle proteine vengono codificati da più di una tripletta, le triplette ridondanti sono dette sinonimi e la maggior parte differisce soltanto nell'ultima base della tripletta. La presenza di diverse triplette codificanti per un singolo aminoacido viene detta degenerazione del codice genetico ed essa è importante nel minimizzare gli effetti deleteri delle mutazioni. La maggior parte delle proteine viene sintetizzata a livello di

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Le mocromolecole biologiche

ribosomi presenti nel citoplasma e una volta completata la sintesi queste dissociano dai ribosomi e cominciano ad assolvere alla loro funzione. Alcune delle proteine sintetizzate nel citosol contengono specifiche sequenze segnale che guidano la proteina all'interno del nucleo o del mitocondrio per dare luogo a funzioni specifiche all'interno di questi organelli. Molte altre proteine vengono sintetizzate in ribosomi associati al reticolo endoplasmatico e queste sono solitamente proteine destinate alla secrezione dalla cellula o alla loro inserzione a livello della membrana plasmatica.

LA STRUnURA DELLE PROTEINE Le proteine sono macromolecole che si trovano in tutti i compartimenti cellulari ed in tutte le cellule viventi; in queste ultime esse rappresentano il 50% o più del loro peso secco. Le proteine hanno una varietà sorprendente di strutture ed in una sola cellula possono esserci centinaia di tipi diversi di proteine. Le differenti strutture assolvono a diversi ruoli biologici e pertanto le proteine sono gli strumenti molecolari attraverso i quali si esprime l'informazione genetica. La chiave per comprendere una così vasta varietà di strutture è il gruppo di molecole relativamente semplici che costituiscono i mattoni dei polipeptidi proteici. Tutte le proteine, sia di origine animale che vegetale, ma anche quelle derivate dalle più antiche linee di batteri, sono costruite con la stessa serie di 20 aminoacidi legati tra loro covalentemente in sequenze specifiche e caratteristiche per ogni tipo di proteina. Quando le proteine vengono riscaldate in presenza di basi o acidi forti è possibile rompere tali legami covalenti ed ottenere sotto forma libera gli aminoacidi che le costituiscono. Come è possibile notare in figura 1.2 tutti gli aminoacidi eccetto uno (la prolina che possiede un gruppo aminico secondario) hanno un atomo di carbonio asimmetrico, il carbonio a, a cui sono legati quattro diversi gruppi sostituenti: un gruppo aminico, un gruppo carbossilico, un residuo o catena laterale R tipico di ciascun aminoacido ed un atomo di idrogeno. Il carbonio a asimmetrico è pertanto un centro chiralico e tutti gli aminoacidi che costituiscono le proteine sono composti chiralici con configurazione simile a quella della L-gliceraldeide, e sono indicati come L-aminoacidi. È possibile classificare gli aminoacidi in base alle loro catene laterali. I venti aminoacidi costituenti le proteine variano considerevolmente per le loro proprietà chimico-fisiche come la polarità, l'acidità, la basicità, l'aromaticità, la dimensione, la flessibilità conformazionale, la capacità di formare legami crociati e legami idrogeno e la reattività chimica (figura 1.2). Queste caratteristiche, molte delle quali sono correlate, sono in gran parte responsabili della varietà di strutture e funzioni delle proteine. Il legame che deriva dalla condensazione di a-aminoacidi (con eliminazione di una molecola di H2 0) viene chiamato legame peptidico. I polimeri (di tipo poliamidico) contenenti due, tre, pochi (da tre a dieci) oppure molti residui aminoacidici sono detti rispettivamente dipeptidi, tripeptidi, oligopeptidi oppure polipeptidi. I polipeptidi, o proteine, sono polimeri lineari che possono contenere da circa 40 fino a più 4000 residui aminoacidici e, poiché la massa media degli aminoacidi è di 110 Da, essi hanno pesi molecolari che possono variare in media da circa 4 a 440 kDa. Proteine con strutture più complesse, ottenute dall'associazione di diverse subunità, possono raggiungere anche dimensioni superiori a 1 MDa. Le proteine sono etero-polimeri lineari di a-aminoacidi organizzati in modo gerarchico (figura 1.3). È ben noto che al più basso livello di organizzazione troviamo la sequenza aminoacidica, o struttura primaria. Legami a idrogeno regolari tra parti contigue della catena polipeptidica con particolari sequenze aminoacidiche danno luogo a strutture organizzate: a-eliche, foglietti ~ e altre strutture secondarie.

7

La struttura delle proteine

Gruppi R alifatici, non polari COOH COOH

I I

HW-C-H

I

3

H3W-~ -H

CH

Glicina (Gly)

"-CH

/

H

CH 3

3

Valina (Val) COOH H3 W-

I

-H

1

CH 2

I

CH H3C

"- CH

/

3

Leucina (Leu)

Prolina (Pro)

COOH H3 N+-

I

COOH

-H

1

H3 W-

HC-C-H

I

3

CH 2

. I

I

-H

1

CH 3

Alanina (Ala)

CH 3

Isoleucina (Ile)

Gruppi R polari, non carichi COOH H3 W-

I

COOH

-H

1

H3 W-

CH 2

I

-H

1

CH 2

I

I

CH 2

SH

I

S

I CH 3

Metionina (Met)

Cisteina (Cys) COOH

H3 W-

I

I I

H W-C-H

COOH

3

CH 2

-H

1

I

CH 2

CH 2

I -f'C"

I

-f'c"

o

NH 2

Glutammina (Gin)

o

NH 2

Asparagina (Asn) COOH

COOH H3 W-

I

H3 W-

-H

1

I

I

Serina (Ser)

-H

1

H-C-OH

CH2 OH

I

CH 3

Treonina (Thr)

Figura 1.2 Strutture dei 20 aminoacidi costituenti le proteine suddivisi in base alle loro proprietà chimico-fisiche. (continua alla pagina seguente)

8

le macromolecole biologiche

Gruppi R aromatici COOH

I I

COOH H3 W-

I

HN+-C-H 3

-H

1

~'

2)

OH

Fenilalanina (Phe)

Tirosina (Tyr)

COOH H3 W-

I

-H

1

CH 2

I

~c

~N,~H H

Triptofano (Trp)

Gruppi R carichi positivamente COOH

COOH H3 W-

I

I H3W-~-H

-H

1

CH 2

I

CH 2

I

CH 2

I

CH 2

I

NH

I

CH 2

I

CH 2

I

CH 2

Lisina (Lys)

I

Arginina (Arg)

NH 3+

,f'C" H2+N

NH2

COOH H3 W-

I

-H

1

CH 2

I

HC=C

/

\

H+N'\.C~H H

Istidina (His)

Gruppi R carichi negativamente COOH

I

COOH

H W-C-H

I

3

H3N+-~ -H

I

CH2

CH 2

I

I

COOH

Acido aspartico (Asp)

I

CH 2

COOH

Acido glutammico (Glu)

Figura 1.2 (continuazione) StruHure dei 20 aminoacidi costituenti le proteine suddivisi in base alle loro proprietà chimico-fisiche.

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La struttura delle proteine

struttura primaria

struttura secondaria

struttura terziaria struttura quatemaria

Figura 1.3 Classificazione gerarchica della struttura delle proteine.

Queste strutture a loro volta formano delle strutture più complesse definite supersecondarie (o motivi) come le aa, le ~~~ e le ~a~ in cui le strutture secondarie sono connesse da regioni ad ansa non strutturate. Allivello successivo di organizzazione vi sono i domini che possono contenere diversi motivi strutturali stabilizzati da interazioni tra catene laterali aminoacidiche conosciute come interazioni terziarie (struttura terziaria). Questi domini sono porzioni della catena polipeptidica in grado di assumere una conformazione nativa globulare in modo indipendente rispetto al resto della proteina. Mentre le proteine di piccole dimensioni contengono generalmente uno o due domini, le proteine di dimensioni maggiori contengono un numero di domini più elevato, spesso connessi da parti relativamente aperte della catena polipetidica, organizzati a formare la struttura terziaria. Al livello successivo di organizzazione troviamo le subunità (o protomeri). Una subunità è generalmente una catena polipeptidica prodotta da un singolo gene che va a costituire gli oligomeri. Molti oligomeri sono assemblati da subunità diverse, essi contengono quindi diversi prodotti genici. Gli oligomeri sono pertanto costituiti da subunità che si associano tra loro e sono tenute insieme in una struttura geometricamente specifica, la struttura quaternaria, dall'effetto idrofobico e da un enorme numero di interazioni deboli non covalenti (figura 1.3). In molti casi ulteriori stabilizzazioni strutturali sono date dalla presenza di legami covalenti (ponti disolfuro) o di ioni metallici (come lo Zn2+, il Mg2+, il Ca2+, ecc.) i quali formando complessi stabili protetti irrigidiscono la struttura proteica. Nella maggioranza delle proteine oligomeriche le subunità sono disposte simmetricamente, esse occupano quindi posizioni geometricamente equivalenti all'interno dell'oligomero. La limitazione nel numero di subunità che costituiscono una data struttura quaternaria è legata alla geometria della distribuzione delle interfacce delle subunità stesse. La struttura quatemaria finale di un oligomero è pertanto dovuta al fatto che sulla sua superficie non sono presenti regioni che possono ulteriormente interagire con altre subunità. Le proteine naturali, sintetizzate a partire da L-aminoacidi nei ribosomi, non possono presentare simmetrie di tipo speculare o centri di

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le macromolecole biologiche

inversione perché ciò comporterebbe la presenza di un'inversione dei residui chiralici della serie L in quelli della serie D. Tuttavia alcuni motivi proteici, i domini globulari o le subunità, possono essere correlati da diversi tipi di simmetria rotazionale. Nelle proteine si osserva un'ampia diversità di sequenze aminoacidiche, da questa diversità ci si dovrebbe attendere una corrispondente diversità di strutture; al contrario, le somiglianze riscontrate nelle strutture proteiche sono molto più frequenti delle differenze. In particolare, la struttura terziaria delle proteine risulta molto più conservata nel corso dell'evoluzione della struttura primaria. Tutte le proteine omologhe dal punto di vista evolutivo di cui sono note le somiglianze nella struttura primaria presentano invariabilmente una struttura terziaria ed una topo 10gia strutturale molto simili. Tuttavia, notevoli somiglianze strutturali sono state riscontrate anche in alcune proteine ed enzimi non imparentati dal punto di vista evolutivo; in alcuni casi queste somiglianze potrebbero essere dovute a fenomeni di evoluzione convergente. Il confronto tra nuove sequenze aminoacidiche con quelle esistenti nei database è diventata una procedura corrente nell'analisi delle relazioni evolutive tra proteine. Questo tipo di approccio ha portato all'identificazione di alcune regioni di sequenza, generalmente costituite da un minimo di 30 ad un massimo di 300 aminoacidi, che sono ricorrenti anche in proteine distanti dal punto di vista evolutivo e che vengono definite come "moduli proteici". Molte di queste porzioni di sequenza sono in grado di ripiegarsi a formare la struttura tipica di ciò che viene definito come dominio proteico, cioè un'unità strutturale distinta che è in grado di ripiegarsi ad assumere la conformazione nativa in modo autonomo. La sequenza aminoacidica e gli elementi strutturali possono pertanto essere conservati anche se cambia la funzione. I moduli proteici presentano una sequenza aminoacidica ben identificabile e la loro diffusione nei sistemi biologici sembra essere il risultato di un meccanismo di rimescolamento genetico e non solamente di duplicazione e fusione genica. Le proteine che contengono questo tipo di moduli sono ampiamente distribuite negli organismi viventi, la duplicazione genica è, infatti, un meccanismo evolutivo particolarmente efficace che consente ad uno dei due geni duplicati di andare incontro ad evoluzione con l'affermarsi di nuove funzioni mediante una selezione naturale, mentre il gene primordiale può continuare a sintetizzare la proteina di origine essenziale per l'organismo. Di conseguenza, proteine filogeneticamente "vecchie", come gli enzimi della glicolisi anaerobica, possiedono semplici strutture modulari e sono generalmente composte da una o due subunità. La creazione di nuovi enzimi, nel corso dell'evoluzione, è dovuta a fenomeni di duplicazione genica cui seguono numerose mutazioni puntiforrni che portano ad acquisire strutture più complesse con nuove funzioni. Inoltre, l'utilizzo di subunità di dimensioni ridotte nella costruzione di strutture sopramolecolari più complesse comporta i seguenti vantaggi: a) la costruzione di macromolecole di notevoli dimensioni a partire da poche subunità ripetute riduce la quantità di informazione genetica richiesta; b) i processi di associazione e di dissociazione possono essere prontamente controllati e tale controllo può essere responsabile, negli enzimi, della regolazione allosterica dell'attività enzimatica; c) gli errori nei processi che portano alla formazione della struttura finale possono essere facilmente evitati, infatti i meccanismi di correzione possono operare mentre avviene l'associazione ed escludere le subunità non correttamente sintetizzate. Infme, questo concetto può essere esteso anche a proteine ed enzimi costituiti da mosaici di motivi di sequenza (40-100 aa = moduli). Infatti generare nuovi geni mescolando moduli è un altro meccanismo vantaggioso dal punto di vista evolutivo che in alcuni casi è risultato più efficace che duplicare un intero gene e aspettare che muti con il tempo. Nelle cellule degli organismi viventi le proteine vengono sintetizzate a partire dagli aminoacidi a grande velocità. I ribosomi delle cellule di E. coli possono sin-

La struttura delle proteine

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tetizzare una catena polipeptidica costituita da 100 aminoacidi in circa 5 secondi. Questo processo comporta che vi debbano essere dei meccanismi di ripiegamento delle proteine altrettanto veloci per evitare che la proteina assuma conformazioni non funzionali. Le proteine possiedono, infatti, un meccanismo di ripiegamento di tipo cooperativo che porta ad una struttura che rappresenta un minimo termodinamico di energia libera, la conformazione nativa funzionale. Di conseguenza, a partire dal polipeptide neosintetizzato vi sarà in modo quasi contemporaneo dapprima la formazione di strutture secondarie che poi si organizzano in strutture terziarie e, laddove siano presenti, in strutture di tipo quaternario. La funzione delle proteine negli organismi viventi dipende dal fatto che esse siano ripiegate correttamente nella loro peculiare conformazione nativa. Tale struttura deriva principalmente dalle interazioni che intercorrono tra la proteina ed il solvente acquoso. Durante la biosintesi delle proteine, nella loro traslocazione a compartimen~i interni o in presenza di agenti chimico-fisici stressanti (di origine biotica o abiotica), tali interazioni vengono fortemente alterate comportando, in particolare in proteine ricche di residui idrofobici, la perdita della conformazione funzionale. Per evitare che ciò avvenga, tutti gli organismi viventi, dai batteri all'uomo, sintetizzano una famiglia di proteine molto conservate, le Heat Shock Proteins (HSPs), che, legandosi a residui idrofobici e idrolizzando ATP, forniscono un rnicroambiente idoneo al corretto ripiegamento delle proteine. Allo stesso tempo le HSPs possono anche consentire l'adattamento o la resistenza degli organismi viventi a diverse condizioni ambientali e vengono quindi distinte rispettivamente in isoforme costitutive o inducibili.

Letture di approfondimento suggerite Timasheff, S.N. and Arakawa, T (1989), In Protein Structure. Chapter 14. IRL Press at Oxford University Press, Ed. Creighton, TE. Tanford, C. (1978) The hydrophobic effect and the organization of living matter. Science 200, 1012-1018. Creighton, TE. (1993) Proteins, 2nd ed. W.H. Freeman, New York. von Mering, C., Zdobnov, E.M., Tsoka, S., Ciccarelli, ED., Pereira-Leal, J.B., Ouzounis, C.A. and Bork, P. (2003) Genome evolution reveals biochemical networks and functional modules. Proc Nati Acad Sci USA. 100(26),15428-15433.

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Capitolo 2 I catalizzatori biologici

Gli enzimi sono proteine altamente specializzate ed importa'nti da un punto di vista funzionale che presentano la peculiare caratteristica di possedere un'attività catalitica (biocatalizzatori). Gli enzimi sono molto efficienti, essi possono accelerare le velocità delle reazioni chimiche da 106 a 10 15 volte rispetto ad una reazione non catalizzata. Inoltre, gli enzimi, a differenza di molti catalizzatori chimici, sono estremamente specifici sia per il tipo di reazione catalizzata che per la scelta dei reagenti, chiamati substrati. Normalmente un enzima catalizza solo un tipo di reazione chimica o una serie di reazioni strettamente correlate. Inoltre, è interessante sottolineare che, rispetto ai catalizzatori chimici, gli enzimi sono in grado di operare in condizioni di reazione molto più moderate (soluzioni acquose diluite in blande condizioni di pH, temperatura, ecc.). Nella maggior parte delle reazioni enzimatiche non vi è la formazione di sottoprodotti inutili come avviene spesso nelle reazioni chimiche non catalizzate da enzimi. La tecnologia del DNA ricombinante ha recentemente cambiato le prospettive dell'enzimologia. La clonazione di geni degli enzimi ai fini di una loro sovrapproduzione ha facilitato lo studio di enzimi ben noti ed ha permesso la caratterizzazione di enzimi precedentemente inaccessibili. Vi è inoltre la possibilità di "tagliare su misura" la struttura e l'attività degli enzimi mediante manipolazione dei loro geni. Una caratteristica importante degli enzimi è che questi possono subire una regolazione della loro attività catalitica. Gli enzimi sono infatti delle unità funzionali del metabolismo cellulare. Agendo in sequenze organizzate, essi catalizzano le centinaia di reazioni attraverso le quali una sostanza nutriente viene degradata, l'energia chimica viene trasformata e conservata e le macromolecole delle cellule sono sintetizzate a partire da precursori semplici. Tra i diversi enzimi che partecipano al metabolismo vedremo che alcuni di questi appartengono ad una classe speciale, quella degli enzimi regolatori. Tali enzimi sono sensibili ai livelli di alcuni metaboliti e a diversi segnali cellulari, anche di tipo ormonale, e grazie alla loro azione i sistemi enzimatici sono altamente coordinati tra loro in un gioco armonioso necessario per mantenere lo stato vivente. Misurare i livelli delle attività degli enzimi nel sangue, in campioni di tessuto o nei globuli rossi, è spesso importante per la diagnosi di alcune malattie. Gli enzimi sono diventati strumenti pratici importanti non solo in medicina, ma anche nell'industria chimica, nella preparazione degli alimenti e in agricoltura. Vedremo in seguito che molte delle loro caratteristiche funzionali hanno consentito l'impiego degli enzimi nel settore agroalimentare e nel capitolo 4 verranno discussi alcuni esempi che mostrano come gli enzimi siano particolarmente idonei a questo scopo.

LA CATALISI ENZIMATICA A tutt'oggi sono stati identificati oltre 4.300 diversi enzimi (aggiornato al 2005, dal sito http://au.expasy.org/enzyme/), ognuno dei quali catalizza una reazione dif-

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I catalizzatori biologici

ferente. Molti enzimi vengono denominati aggiungendo il suffisso -asi al nome del loro substrato. Pertanto, l'arginasi catalizza l'idrolisi dell'arginina e l'ureasi dell'urea, ma a diversi altri enzimi è stato assegnato un nome in relazione a quello del prodotto generato dalla reazione catalizzata in vi/ro e a volte due enzimi diversi sono stati chiamati allo stesso modo. Per evitare una classificazione arbitraria e queste ambiguità ogni enzima può essere indicato con due tipi di nomi: il nome raccomandato che corrisponde a quello classico di uso corrente ed il nome sistematico. Questo sistema suddivide tutti gli enzimi in sei classi (vedi tabella 2.1), ognuna con diverse sottoclassi in base al tipo di reazione catalizzata. Esso consente di classificare in modo preciso e scevro da errori il tipo di enzima mediante un nome sistematico che deriva dalla reazione catalizzata e l'impiego di un numero di classificazione costituito da quattro cifre precedute dalle lettere EC (Enzyme Commission: numero stabilito dalla "International Union ofBiochemistry and Molecular Biology", IUBMB, la commissione internazionale che stabilisce e aggiorna la nomenclatura). Gli enzimi aumentano la velocità di specifiche reazioni chimiche che avverrebbero spontaneamente solo a basse velocità. Essi, come tutti i catalizzatori, non possono cambiare il punto di equilibrio delle reazioni cui partecipano e non sono consumati o modificati permanentemente da queste reazioni. Pertanto, in una reazione chimica che converte un composto S in un prodotto P, tale conversione può avvenire solo per le molecole di S che riescono ad avere uno stato energetico che consente di raggiungere una forma reattiva chiamata stato di transizione che rappresenta il punto più alto della barriera energetica da superare per dare luogo alla formazione del prodotto P. L'energia di attivazione necessaria per una reazione chimica è pertanto la quantità di energia in calorie (o in Joule, l cal = 4.184 J) richiesta per portare una mole di una determinata sostanza (reagente) ad una data temperatura a questo stato di transizione. A questo punto esistono uguali probabilità che una molecola reagisca per formare il prodotto o che ritorni indietro allo stato di transizione e la velocità di una reazione chimica sarà proporzionale alla quantità di molecole

Tabella 2.1 Classificazione internazionale degli enzimi basata sul tipo di reazione che essi catalizzano

N.

Classe

Tipo di catalisi

So"oclassi importanti

l

Ossido-reduttasi

Trasferimento di elettroni

Deidrogensi, ossidasi, perossidasi, reduttasi, monossigenasi, diossigenasi

2

Transferasi

Trasferimento di gruppi

C,-transferasi, glicosil-transferasi, a minotransferasi, fosfatra nsferasi

3

Idrolasi

Idrolisi (trasferimento di gruppi funzionali all'acqua)

Esterasi, glicosidasi, peptidasi, amidasi

4

Liasi ("sintasi")

Addizione di gruppi a doppi C-C liasi C-O Iiasi C-N liasi C-S liasi legami o formazione di doppi legami per rimozione di gruppi

5

Isomerasi

Trasferimento di gruppi all'interno di una molecola per formare forme isomeriche

6

Ligasi ("sintetasi") Formazione di legami C-C, C-O, C-C ligasi C-O ligasi C-N Iigasi C-S C-N e C-S mediante reazioni di ligasi condensazione accoppiate all'idrolisi di ATP.

Epimerasi, cis-frans isomerasi

la catalisi enzimatica

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nello stato di transizione. Gli enzimi, come tutti i catalizzatori, sono in grado di accelerare una reazione chimica abbassando il livello della barriera energetica che è necessario superare perché avvenga la reazione. L'enzima E agisce pertanto combinandosi momentaneamente con il substrato S formando un complesso ES. Successivamente si ha una stabilizzazione dello stato di transizione con un'energia di attivazione molto più bassa di quella di S in una reazione non catalizzata. L'enzima quindi interagendo con il substrato stabilizza lo stato di transizione ed in questo modo si viene a formare il complesso EP e successivamente viene rilasciato il prodotto P e l'enzima libero E che in questo modo può interagire con un' altra molecola di substrato S e ricominciare il ciclo consentendo ad un maggior numero di molecole di S di reagire nell'unità di tempo rispetto a quelle che reagirebbero in assenza di catalizzatore. Gli enzimi mostrano una notevole efficienza catalitica c~e come già detto viene esercitata in condizioni sperimentali blande. Le cause di questa particolare efficienza catalitica sono principalmente riconducibili a sei meccanismi fondamentali attraverso i quali gli enzimi possono accelerare la velocità delle reazioni chimiche: l) catalisi acido-basica: in questo caso il sito attivo dell'enzima fornisce una cavità specializzata con gruppi R di opportuni aminoacidi orientati in grado da poter donare o accettare protoni con facilità. Questi gruppi si comportano effettuando una catalisi di tipo acida generale o basica generale estremamente potente nel solvente acquoso; 2) catalisi covalente: alcuni enzimi sono in grado di formare legami covalenti con il substrato formando un complesso ES molto instabile, che va incontro ad ulteriori trasformazioni molto più rapidamente che in reazioni prive di catalisi enzimatica; 3) catalisi favorita da ioni metallici: le proprietà di alcuni metalli forniscono funzioni accessorie all'enzima che vengono impiegate nella catalisi a livello del sito attivo, questo tipo di catalisi verrà discussa più ampiamente nel capitolo dedicato ai coenzimi e ai cofattori enzimatici; 4) catalisi elettrostatica: il legame del substrato al sito attivo dell'enzima può escludere le molecole d'acqua alterando quindi la polarità del sito che acquisisce le caratteristiche di un solvente organico (con costante dielettrica più bassa) rendendo quindi le interazioni elettrostatiche molto più forti. Inoltre, le distribuzioni di carica a livello del sito attivo possono contribuire alla stabilizzazione degli stati di transizione; 5) catalisi favorita da effetti di prossimità e di orientamento: l'enzima può coordinare il substrato in modo tale che il legame suscettibile della catalisi non solo si viene a trovare vicino ai gruppi responsabili dell'attività catalitica ma anche con l'orientamento corretto aumentando la probabilità che il complesso ES entri nello stato di transizione; 6) catalisi favorita dal legame preferenziale del complesso dello stato di transizione: il legame del substrato è in grado di modificare la struttura tridimensionale dell' enzima ed in tal modo il sito attivo dell'enzima risulta modificato ed in grado di provocare distorsioni a livello della struttura del substrato favorendo la formazione del complesso ES. È interessante rilevare che quest'ultimo fattore, in grado di accelerare la velocità delle reazioni catalizzate da enzimi, deriva da uno sviluppo di studi condotti in un primo tempo da E. Fischer nel 1894 che propose il modello chiave-serratura in grado di descrivere in modo adeguato la specificità degli enzimi per il loro substrato. Un'elaborazione successiva, sviluppata da D. Koshland nel 1958, consentì di aumentare le conoscenze sui meccanismi catalitici e di comprendere la catalisi favorita da meccanismi di stiramento e distorsione: il modello ad adattamento indotto. L'adattamento indotto implica distorsioni a carico sia dell'enzima che del substrato. Queste possono essere localizzate o comportare una grossa variazione

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I catalizzatori biologici

conformazionale dell'enzima come quelle che si verificano nel caso dell' esochinasi una volta che questo lega una molecola di glucosio. Le modificazioni della struttura terziaria o quatemaria di una macromolecola così grande come un enzima possono essere trasmesse attraverso strutture secondarie rigide e comportare una notevole forza meccanica a livello del sito attivo su di una molecola molto più piccola come il substrato.

PARAMETRI CINETICI L'attività enzimatica può essere valutata mediante misure di velocità di reazione che prendono il nome di cinetiche enzimatiche. Il loro studio consente di individuare il meccanismo di catalisi e di comprendere in che modo è possibile regolare un'attività enzimatica. Per misurare la velocità di reazione abbiamo bisogno di un sistema per seguire la formazione del prodotto o il consumo di substrato. Di regola si preferisce predisporre una serie di esperimenti tutti alla stessa concentrazione di enzima, ma a diverse concentrazioni di substrato e misurare la velocità iniziale Vo. Nel capitolo 4, dedicato alle applicazioni degli enzimi nel settore agroalimentare, faremo alcuni esempi di dosaggi delle attività enzimatiche mediante metodi spettrofotometrici. Dall'analisi dei dati cinetici è possibile osservare che a concentrazioni molto basse di substrato la velocità iniziale di una reazione è pure molto bassa, ma essa aumenta all'aumentare della concentrazione di substrato (figura 2.1). La formazione del complesso enzima-substrato ES è dimostrata dal fatto che osservando l'andamento della velocità di reazione in funzione della concentrazione di substrato è possibile notare un effetto di saturazione. Infatti, la velocità della reazione aumenta in modo iperbolico e proporzionale all'aumento della concentrazione del substrato finché non viene raggiunto un valore a cui non vi è più aumento della velocità che si stabilizza asintoticamente. Tuttavia, oltre a questa vi sono altre diverse evidenze sperimentali che denotano una formazione del complesso ES:

v~----------------------------_·

[5] Figura 2.1 Andamento della velocità iniziale in funzione della concentrazione di substrato in enzimi non allosterici.

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Parametri cinetici

alcune modificazioni delle proprietà spettroscopiche dell'enzima E durante la formazione del complesso ES e dati cristallografici dell'enzima complessato con analoghi del substrato non reattivi. Pertanto, la prima tappa di una reazione enzimatica è la reazione reversibile e veloce che porta alla formazione del complesso ES, successivamente il complesso si può convertire in una reazione reversibile più lenta in enzima libero E e prodotto P. Nel più semplice dei casi il processo avviene quindi nelle seguenti due tappe:

E + S ..

k, ~

~

ES -----+ E + p

(1)

k.,

dove k l , k_ 1 e k2 sono le costanti di velocità delle singole reazioni indicate. La seconda reazione è quella limitante e la velocità complessiva della reazione catalizzata dall'enzima deve essere proporzionale alla concentrazione del complesso enzima-substrato. Pertanto, in ogni istante in una reazione catalizzata da un enzima questo potrà essere presente o in forma libera o complessata con il substrato. La velocità della reazione catalizzata sarà ovviamente massima quando tutto l'enzima sarà virtualmente presente come complesso ES e la concentrazione di enzima libero estremamente ridotta. La tappa limitante di una reazione enzimatica sembra essere quindi la dissociazione del complesso ES per formare il prodotto e l'enzima libero. Tuttavia, in queste condizioni, è molto difficile stabilire quale sia la concentrazione di substrato che determina la velocità massima V max' Osservando l'iperbole rettangolare (figura 2.1), che descrive la relazione tra concentrazione di substrato e velocità iniziale per la maggior parte degli enzimi, si può notare che vi è un lento (asintotico) avvicinarsi della velocità al suo valore massimo. Partendo da questi presupposti, Michaelis e Menten definirono pertanto una costante, indicata come ~, che può essere impiegata per definire una relazione tra la velocità e la concentrazione di substrato per una reazione catalizzata da un enzima. L'isoterma di reazione che descrive l'andamento iperbolico della curva di saturazione viene espressa matematicamente dalla equazione di Michaelis-Menten:

(2)

dove Va è la velocità iniziale, Vmax è la velocità massima e ~ è la costante di Michaelis-Menten dell'enzima per quel particolare tipo di substrato. La velocità di formazione dei prodotti, la velocità della reazione enzimatica, è correlata alla concentrazione del complesso ES, infatti v = K 2 [ES]. Pertanto la velocità massima (V max) è raggiunta quando tutto l'enzima fa parte del complesso enzima-substrato. ~ è inoltre la concentrazione di substrato a cui la velocità è uguale a metà della velocità massima, di conseguenza:

(3)

La costante ~ viene spesso associata all'affinità dell'enzima per il substrato. Questa relazione è particolarmente vera nel caso in cui in una reazione a due passaggi k2 « k_ 1 e quindi si ottiene che ~ == kjk l = K d , dove K d è la costante di equilibrio (o di dissociazione) definita dalla seguente equazione:

18

I catalizzatori biologici

(4)

Quindi, quando la velocità di formazione del prodotto è molto bassa la ~ è una misura dell'inverso della forza di legame (afImità) del substrato per il sito attivo. A causa della difficoltà nel determinare la V rnax da una curva iperbolica (vedi figura 2.1), l'equazione di Michaelis-Menten può essere trasformata nella equazione dei doppi reciproci o di Lineweaver e Burk:

1 Km 1 1 -=----+-v Vmax [S] Vmax

(5)

Se riportiamo in un grafico l/v in funzione di l/(S] otteniamo una retta che presenta come intercetta sull'asse delle ordinate il valore di INrnax' mentre l'intercetta sull'asse delle ascisse risulta essere uguale a -l~ e la pendenza della retta è pari al rapporto ~Nmax (figura 2.2). Tuttavia è preferibile calcolare in modo più preciso i parametri di V rnax e ~ mediante analisi al computer con programmi opportuni che consentono di effettuare una regressione non lineare dell'iperbole mediante interpolazione con l'equazione di Michaelis-Menten. Alcune reazioni enzimatiche prevedono più passaggi dal complesso enzima-substrato alla formazione dell'enzima libero e del prodotto: k,

E + S ..

~

k3

• ES -----+ EP -----+ E + p

(6)

k.,

-1/Km

1/[8]

Figura 2.2 Grafico dei doppi reciproci. L'intercetta sull'asse delle ordinate è uguale a 1IVmax' mentre quella su II' asse delle ascisse è pari a -l/K m .

19

Parametri cinetici

In questo caso l'equazione di Michaelis-Menten si può riscrivere sostituendo k2 con una costante più generale kcat che incorpora le costanti di velocità di tutte le reazioni da ES a E+P, quindi, v = kcat[ES] e l'equazione 2 diventa:

v= k cat [E1Js] K +[S]

(7)

m

La kcat rappresenta una misura diretta della formazione del prodotto operata dalla catalisi in condizioni ottimali (enzima saturato). La k cat è anche il numero di molecole di substrato trasformate da una molecola di enzima in un secondo, per questo motivo la kcat viene detta anche numero di lurnover. Quando la concentrazione di substrato è molto minore del valore di ~ ([S]«~) la maggior parte delle molecole di enzima è in forma libera, quindi:

(8)

Il rapporto kcalKm è quindi equiparabile a una costante di velocità di secondo ordine per la reazione tra substrato ed enzima libero. Tale rapporto rappresenta pertanto un parametro importante per valutare sia l'efficienza che la specificità dell' enZIma.

REGOLAZIONE DELL'ATTIVITÀ ENZIMATICA La velocità delle vie metaboliche viene costantemente controllata per adeguare l'utilizzo e la formazione di metaboliti alle esigenze fisiologiche dell'organismo. Vedremo ora i meccanismi che partecipano a questa regolazione.

Inibizione dell'attività enzimatica Molti enzimi possono venire inibiti da diverse sostanze che a volte interferiscono anche con i processi del metabolismo, influenzando la loro attività. Gli inibitori degli enzimi sono composti particolari, tra questi ritroviamo alcuni metaboliti che partecipano ai processi di regolazione in qualità di modulatori delle attività enzimatiche. Inoltre, anche molti farmaci, di origine naturale o sintetica, agiscono proprio come inibitori di specifiche attività enzimatiche. La maggior parte degli inibitori degli enzimi agiscono in modo reversibile. In questo caso non vengono introdotte modificazioni permanenti dell' enzima. Generalmente l'inibizione reversibile implica la formazione di un legame non covalente dell'inibitore con l'enzima e può quasi sempre essere rimossa allontanando l'inibitore. Esistono però anche inibitori irreversibili che modificano in modo permanente l'enzima bersaglio: la molecola dell'inibitore si lega in modo covalente o molto stabilmente all'enzima inattivandolo definitivamente. I diversi tipi di inibizione reversibile sono tutti caratterizzati dal legame non covalente dell'inibitore all'enzima, ma differiscono per il meccanismo con cui riducono l'attività enzimatica e per le modalità con cui influenzano la cinetica della reazione. Pertanto il meccanismo di azione di un inibitore, il suo tipo di inibizione, si determina confrontando la cinetica della reazione inibita con quella non inibita.

20

I catalizzatori biologici Figura 2.3 Nell'inibizione competitiva il substrato e l'inibitore si legano sullo stesso sito dell'enzima. Mentre il substrato (verde)

Prodotto

viene convertito in prodotto (freccia), l'inibitore (rosso) rimane legato inattivando reversibilmente l'enzima.

In questo modo possiamo distinguere l'inibizione competitiva che è determinata da molecole di inibitore molto simili al substrato che possono quindi competere con questo per il legame al sito attivo dell'enzima (inibitori competitivi). Questi inibitori si possono legare all'enzima ma non possono essere trasformati, bloccando così reversibilmente una parte delle molecole di enzima presenti in soluzione. Per tutto il periodo di tempo in cui Pinibitore occupa il sito attivo l'enzima non è disponibile per la catalisi (figura 2.3). Per quanto riguarda l'effetto dell'inibizione competitiva sulla cinetica enzimatica, l'enzima opera come se la sua ~ fosse aumentata per la presenza dell'inibitore (figura 2.4). Un aumento della concentrazione dell'inibitore [I] determina un aumento della K: P apparente. È importante notare che Vmax non varia; infatti, quando ES] diventa molto alta, la concentrazione di inibitore ha un effetto trascurabile perché è talmente bassa rispetto a quella del substrato che non riesce a competere per il legame al sito attivo dell' enzima. Pertanto, in queste condizioni Vo si avvicina al valore di V max proprio come in assenza di inibitore. Se le misure di K:P vengono eseguite a diverse concentrazioni di inibitore [I] si può determinare la costante di inibizione K1. Per quanto riguarda l'inibizione non competitiva, questo tipo di inibizione si verifica quando una molecola o uno ione si lega ad un secondo sito sulla superficie dell'enzima diverso dal sito attivo. Di conseguenza, se un inibitore interagisce con gruppi essenziali dell'enzima, senza interferire con il legame del substrato, il tipo di inibizione viene detto non competitivo. Nel caso degli inibitori non competitivi puri, il più semplice da prendere in considerazione, l'inibitore si lega con uguale affinità all'enzima libero e al complesso enzima-substrato. Le molecole di enzima che non legano l'inibitore hanno un'affinità normale per il substrato e quindi non vi sono variazioni di~; diminuisce invece la concentrazione dell'enzima funzionante e con essa anche la V max (figura 2.5). Infine, tra i meccanismi di inibizione reversibile troviamo gli inibitori incompe-

21

Regolazione dell'attività enzimatica

Vmax

---------------~-=-~---~----------------------

[8]

1N max

1/[8]

Figura 2.4 Cinetica di reazione in presenza ed in assenza di un inibitore competitivo. A: andamento della Vo in funzione di [5]; B: relativo grafico dei doppi reciproci.

titivi. Tali inibitori si legano al complesso enzima-substrato, ma non all'enzima in forma libera. Il complesso enzima-substrato-inibitore ESI è cataliticamente inattivo e quindi il valore della V max diminuisce in presenza dell'inibitore. Anche il valore di ~ tende in questo caso a diminuire, perché la reazione che porta alla formazione del complesso E + S ~ ES viene spinta verso destra dal legame dell'inibitore al complesso enzima-substrato (figura 2.6). Per quanto riguarda gli inibitori irreversibili, come già accennato, essi formano generalmente legami covalenti con le molecole enzimatiche. Questi inibitori sono

22

I catalizzatori biologici I I I

I I

I I

I I I I I I I I

I I I I

I I I

1Nmax~ / I

I I I

I I

1N max

I

I I

I I I

I

1/[8]

-1/Km

Figura 2.5 Grafico dei doppi reciproci in presenza ed in assenza di un inibitore non competitivo puro.

quasi tutti sostanze tossiche e la maggior parte di essi reagisce con alcuni gruppi funzionali del sito attivo dell'enzima rendendolo inaccessibile al substrato o inattivandolo definitivamente. Per esempio, il diisopropilfluorofosfato (DFP) è un inibitore irreversibile che forma un addotto covalente con i residui di serina di proteasi e dell'acetilcolinesterasi a formare un composto tetraedrico analogo dello stato di transizione inattivando definitivamente tali enzimi.

1No

.. . . -1/K m

.. . .. .

......

.. .. . .

-1/Km

.

+1

. . .. .

....

.. . . .. .

.

. .. . .. .

..

.. . . ..

......

. ....

.. . .. .

....... -I

1Nmax

1/[8]

Figura 2.6 Grafico dei doppi reciproci in presenza ed in assenza di un inibitore incompetitivo.

23

Regolazione dell'attività enzimatica

Regolazione enzimatica del metabolismo La regolazione dell'attività enzimatica ed il bilanciato coordinamento tra le diverse attività enzimatiche all'interno della cellula è un processo essenziale per il corretto mantenimento dell'omeostasi, per il coordinamento dei processi metabolici, per rispondere ai cambiamenti dell'ambiente circostante e per poter permettere alla cellula di crescere e differenziarsi in modo ordinato. Una variabile importante è la quantità di precursori presenti. Spesso il flusso attraverso una via metabolica è limitato dalla quantità di coenzimi che, come vedremo in dettaglio nel prossimo paragrafo, sono dei co-substrati necessari all'attività catalitica. Pertanto, il tipo di regolazione più semplice che può essere operata sull'attività di un enzima è il controllo dell'attività a livello del substrato. Come è noto dall'andamento iperbolico dell'attività enzimatica, più alta è la concentrazione di substrato e più rapidamente avviene la reazione enzimatica (fino alla saturazione dell'enzima). Al contrario, alte concentrazioni di prodotto tendono a inibire la trasformazione del substrato, in questo caso il prodotto può agire da inibitore competitivo. Tuttavia, il controllo a livello del substrato non è sufficiente per la regolazione di molte vie metaboliche, in altre situazioni è indispensabile che l'enzima sia regolato da alcune sostanze completamente diverse dal substrato o dal proprio prodotto. In ogni sistema enzimatico, in cui vi sia una sequenza di reazioni catalizzate da diversi enzimi, come nelle vie metaboliche in cui il prodotto del primo enzima diventa il substrato del secondo e così via, vi è almeno un enzima che influenza in modo determinante la velocità complessiva della via in quanto esso catalizza la reazione più lenta.

Enzima 1 regolazione A • B

Enzima 2 ----.~C

Enzima 3 -------l.~

Enzima 4

D

.E

Inoltre, in generale gli enzimi posti all'inizio delle sequenze metaboliche sono spesso enzimi regolatori. In questo modo si evita di sottrarre substrati, metaboliti e quindi energia ad altre sequenze di reazioni importanti. Tali enzimi chiave esistono nella maggior parte delle vie metaboliche ed è lì che intervengono i meccanismi di regolazione. L'attività degli enzimi regolatori può essere controllata a tre livelli indipendenti. Il primo livello consiste nel regolare il processo di biosintesi della proteina enzimatica che si riflette ovviamente sulla modulazione della sintesi del corrispondente mRNA, cioè sulla regolazione della trascrizione del gene che codifica per l'enzima. Di conseguenza, questo meccanismo viene detto controllo trascrizionale e può essere mediato da meccanismi epigenetici (metilazione DNA, modificazioni delle proteine istoniche) e da proteine regolatrici, i fattori di trascrizione, che si legano al DNA. L'effetto di queste proteine è a sua volta modulato da metaboliti ed ormoni. Pertanto l'induzione o la repressione dell'espressione genica dell'enzima attraverso tali processi è da considerarsi un meccanismo efficace solo dopo un certo periodo di tempo, mentre l'interconversione tra forme diverse di un enzima già presente all'interno della cellula è sicuramente un meccanismo di regolazione più rapido. Un esempio tipico di regolazione di una via metabolica è la regolazione a "feedback". La cellula può controllare la formazione del prodotto fmale di una via metabolica tramite attivazione o inibizione di un passaggio della via stessa. Il sistema più efficiente in generale è quello che consente di operare una regolazione sul primo passaggIO.

24

I catalizzatori biologici

A$

Enzima 1

"B

Enzima 2 - - - -... C

Enzima 4

Enzima 3

.E

• D

Il caso più frequente è quello di un controllo afeedback, o retroattivo (retrogrado). In tale tipo di regolazione, la trasformazione di A in B viene quindi controllata dalla concentrazione di E. Tale processo viene detto a feedback negativo in quanto un aumento della concentrazione di E ha come conseguenza una diminuzione della sua velocità di formazione. La regolazione a feedback è alla base dei meccanismi deputati al mantenimento delle concentrazioni di metaboliti entro determinati livelli all'interno della cellula. Un altro tipo di regolazione viene detta afeedforward (anterogrado). In questo caso alte concentrazioni di un prodotto intermedio in una via metabolica possono fungere da attivatori di un enzima posto alcune reazioni più a valle per metterlo in grado di fronteggiare l'imminente afflusso di intermedi evitando così un accumulo degli stessi.

Enzima 1

Enzima 2

A "i_~~~~~~~~.:_C

Enzima 3

Enzima 4

._D_~

E

La regolazione allosterica Un meccanismo di regolazione molto importante che consente una fme regolazione dell'attività enzimatica è la regolazione allosterica. Il termine allosterico deriva dal greco (allos = altro; stereos = forma). Infatti, le proteine allosteriche possono assumere "altre" (diverse) conformazioni indotte dal legame di opportuni modulatori. Gli enzimi allosterici sono proteine che possiedono una struttura quaternaria, sono quindi proteine oligomeriche costituite da due o più subunità e con diversi siti attivi. In generale, in una proteina allosterica il legame di un ligando ad un sito modifica le proprietà di un altro sito posto su un'altra subunità. Le interazioni allosteriche (cooperative) avvengono quando il legame di un ligando ad un sito specifico viene influenzato dal legame di un altro ligando, detto effettore o modulatore, a livello di siti diversi nella proteina. Nel caso degli enzimi allosterici illigando è il substrato. Distinguiamo due diversi tipi di effettori allosterici, gli effettori omotropici e quelli eterotropici. Nelle proteine allosteriche gli effettori omotropici sono rappresentati dalligando stesso (il substrato nel caso di un enzima) che legandosi ad un sito in una subunità (il sito attivo nel caso dell'enzima) è in grado di modificare l'affinità di legame dei siti delle altre subunità per illigando stesso. Nel caso in cui il legame delligando aumenti l'affinità dei siti presenti in altre subunità si dice che esso è un effettore omotropico positivo, mentre se il legame del ligando induce una diminuzione dell'affinità dei siti delle subunità adiacenti si dice che esso è un effettore di tipo omotropico negativo. Gli effettori eterotropici possono essere anch'essi positivi (se inducono un aumento dell'affinità per illigando) o negativi (se inducono una diminuzione dell'affinità), ma sono sempre molecole diverse dal ligando e che pertanto si legano a siti diversi dal sito di legame del ligando.

2S

Regolazione del!'attivitò enzimatica

----=::::=======-

R,, .... ---::.::-'-.....

,,

, ,, ,

+A

I

I

I

I I I

,,

I

I I I I I I I I

I I I I I

I I I I I

,

.... . -. '

, ,,

,

, ,,

,

.... .. -.... , .. ' ,, .

_

.. -- .. -.-----

+1, , " , ,, T

,"

[S] Figura 2.7 Cinetica di reazione in un enzima al/osterico. la presenza di effettori eterotropici positivi (+A) o negativi (+I) sposta rispettivamente lo sigmoide (curva verde) verso un enzima più efficiente (R) o meno efficiente (T).

Le proprietà cinetiche degli enzimi allosterici non seguono le cinetiche di Michaelis-Menten con andamenti di tipo iperbolico. Gli enzimi allosterici, che legano il substrato in modo cooperativo, danno curve di tipo sigmoide (figura 2.7). Tali enzimi si comportano come se fossero costituiti da due forme enzimatiche a diversa efficienza, a basse concentrazioni di substrato l'enzima si comporta come se avesse una debole capacità di legame, all'aumentare della concentrazione di substrato, viene indotto un aumento di quantità di substrato legato e quindi di efficienza catalitica dell'enzima. Inoltre, il valore di concentrazione di substrato a cui si ha una velocità pari a metà della velocità massima non si definisce più come ~, ma viene definito come [S]O.5 o Ko.5. Sono stati sviluppati diversi modelli allosterici per cercare di descrivere matematicamente le cinetiche di tipo sigmoide ed i meccanismi molecolari alla base dei fenomeni di cooperatività di legame nelle proteine allosteriche. Il modello più noto che descrive il legame cooperativo di un ligando ad una proteina è il modello MWC sviluppato nel 1965 da 1. Monod, J. Whyman e J.P. Changeux. Tale modello assume che una proteina allosterica sia un oligomero costituito da protomeri (subunità) simmetricamente correlati. Ogni protomero può esistere in due stati conformazionali, chiamati T (tensed) e R (relaxed) in equilibrio tra loro. Secondo tale modello, le sue conformazioni sono presenti in soluzione in equilibrio tra loro. Prima del legame delligando l'equilibrio è prevalentemente spostato verso la forma T a bassa affinità, il legame delligando ad una subunità indurrebbe un cambiamento conformazionale concertato di tutte le subunità costituenti l'oligomero dalla forma T alla forma R senza formazione di specie intermedie e mantenendo la simmetria della proteina. In questo modo l'equilibrio si sposta verso la forma R ad alta affinità. Con tale modello simmetrico dell'allosterismo (MWC) è possibile descrivere l'effetto omotropico positivo ed eterotropico negativo e positivo. Gli effettori omotropici (substrato) ed eterotropici (attivatori) positivi si legano preferenzialmente alla forma R stabilizzandola, mentre gli effettori eterotropici negativi (inibitori) si lega-

26

I catalizzatori biologici

no allo stato T rendendolo più stabile. Il modello simmetrico (MWC) fornisce una plausibile razionalizzazione delle proprietà di legame delligando in parecchie proteine ed enzimi. Tuttavia, vi sono diverse valide obiezioni a questo modello. In prima analisi, è difficile credere che la simmetria sia invariabilmente conservata in tutte le proteine oligomeriche a seguito del legame delligando. Inoltre, il modello MWC può descrivere solo effetti omotropici positivi, ma non quelli negativi. Pertanto, il modello simmetrico (MWC) implicitamente assume il modello di Fischer a "chiave serratura" per il legame dei ligandi. In questo modello i siti di legame vengono considerati rigidi e complementari come forma al loro ligando. Nell'ipotesi dell'adattamento indotto (sequenziale), più sofisticata, si postula invece che un'interazione flessibile tra substrato e enzima induca una modificazione conformazionale dell'enzima stesso (trasmessa attraverso l'interfaccia tra le subunità) che, nel caso di effetto omotropico positivo, porta ad un aumento dell'affinità per il substrato delle subunità interagenti. Koshland, Neméthy e Filmer nel 1966 proposero tale modello sequenziale confermato dalla presenza di intermedi strutturali rilevata in molti enzimi mediante analisi ai raggi X. Nel modello sequenziale il legame del ligando induce una modificazione conformazionale in un protomero (subunità) e le interazioni cooperative derivano dagli effetti che queste variazioni conformazionali hanno sulle subunità vicine. L'afrmità della proteina per il legame del1igando varia con il numero di molecole di ligando legate, passando attraverso una serie di forme intermedie. Un classico esempio di regolazione allosterica dell'attività enzimatica è dato dall'enzima aspartato transcarbamilasi (ATCasi). Esso catalizza la prima tappa della via metabolica che porta alla biosintesi delle pirimidine, la sintesi di N-carbamil-Laspartato da aspartato e carbamil-fosfato, ed è un enzima che presenta una inibizione a feedback negativo. L'ATCasi di E. coli ha una struttura quaternaria con una composizione in subunità di tipo C6R 6, dove C ed R sono rispettivamente le subunità catalitiche e regolatrici (figura 2.8). Le subunità catalitiche sono organizzate in due trimeri (C 3) e dissociate mantengono l'attività enzimatica, ma presentano curve di saturazione da substrato iperboliche non cooperative. D'altra parte, le subunità regolatrici se dissociate legano gli effettori eterotropici ma non presentano attività catalitica. Pertanto, solo nell'enzima in forma oligomerica nativa, in cui tutte le subunità sono associate correttamente tra loro, si manifesta una cooperatività allosterica e le subunità regolatrici modulano l'attività delle subunità catalitiche. Utilizzando l'analogo bisubstrato N-(fosfonoacetil)-L-aspartato (PALA) non reattivo che si lega saldamente alI'ATCasi bloccando l'enzima nella conformazione R, è stato possibile studiare la struttura ai raggi-X della proteina nei due stati e conoscere le differenze conformazionali responsabili della modulazione allosterica. A causa della sua carica netta negativa il PALA si lega elettrostaticamente a quattro residui di arginina e ad una lisina del sito attivo. Questo enzima possiede un legame omotropico di tipo cooperativo positivo per entrambi i suoi substrati (aspartato e carbamil fosfato). Inoltre, l'ATCasi viene inibita eterotropicamente dalla citidina trifosfato (CTP), un nucleotide pirimidinico che è il prodotto fmale della via metabolica (feedback negativo), mentre viene attivata eterotropicamente dall'ATP. Pertanto, come predetto dal modello allosterico MWC descritto precedentemente, l'attivatore ATP si lega preferenzialmente alla ATCasi attiva (stato R), mentre l'inibitore CTP si lega alla forma meno attiva dell'enzima (stato T). Ognuno dei sei siti attivi è posto all'interfaccia tra le subunità catalitiche, ogni subunità regolatrice possiede un sito a cui possono legarsi il CTP o l'ATP. Dal punto di vista funzionale, la regolazione di tale enzima consente alla cellula di attivare la via solo in condizioni opportune. Elevati livelli di CTP segnalano che non sono necessarie altre pirimidine, mentre alte concentrazioni di ATP sono sintomo sia di una situazione intracellulare di elevata disponibilità di energia, che è

27

Regolazione dell'attività enzimatica

Stato T

Stato R

Q)

co (f) (f)

«

Q)

CO ID ...... CO ~

.....J

Figura 2.8 StruHura quaternaria dell'Areasi. Sono rappresentate le proiezioni assiali e laterali dei conformeri T ed R dell'enzima (files: 6ATl.pdb, 1D09.pdb). Azzurro e verde: trimeri catalitici; giallo: dimeri regolatori.

necessaria per attivare le biosintesi dell'RNA e del DNA, sia di un elevato livello di purine e pertanto una necessità di attivare la biosintesi delle pirimidine.

La regolazione da legame covalente Un altro tipo di regolazione dell'attività enzimatica è quella da legame covalente che implica meccanismi di formazione o rottura di legami covalenti sull'enzima da regolare. I processi di regolazione di questo tipo comprendono la regolazione attraverso la fosforilazione e la defosforilazione dell'enzima e l'attivazione per scissione proteolitica presente in molte proteasi. Il meccanismo di regolazione da legame covalente delle proteasi pancreatiche verrà discusso nei dettagli nel capitolo 3 relativo alla degradazione enzimatica degli alimenti. L'attività di molti canali di membrana, enzimi ed altre proteine bersaglio è regolata mediante fosforilazione. I diretti responsabili delle fosforilazioni sono enzimi detti proteina chinasi. Ognuno di questi enzimi catalizza il trasferimento di un gruppo fosforico dall'ATP a un gruppo ossidrilico di una catena laterale di serina, di una treonina o di una tirosina di una proteina bersaglio (substrato della chinasi). Viceversa, il distacco idrolitico del gruppo fosforico dalla proteina fosforilata viene

28

I catalizzatori biologici

Pj H20 ~ Fosfatasi

Molte molecole di glucosio attivate

Chinasi Glicogeno sintasi (più attiva)

~ ATP

ADP

Glicogeno sintasi D (meno attiva)

GLICOGENO (un polimero di glucosio)

ADP

ATP

~

Molte molecole diATP

~

~

Molffi ) molecole diADP

H 20

Pj

Molte molecole di glucosio-1-fosfato

Glicogeno fosforilasi a (più attiva)

Glicogeno fosforilasi b (meno attiva)

Figura 2.9 La regolazione dell'aHività del sistema glicogeno sintasijglicogeno fosfori/asi (1RZP.pdb, 8GPB.pdb, 9GPB.pdb).

catalizzato da enzimi chiamati proteina fosfatasi. Una proteina bersaglio (substrato) può essere ripetutamente fosforilata e defosforilata. Le chinasi e le fosfatasi sono enzimi altamente selettivi: la fosforilazione di catene laterali di aminoacidi diverse all'interno della stessa proteina bersaglio avviene ad opera di chinasi differenti. Un esempio tipico di regolazione da legame covalente attraverso un meccanismo di fosforilazione e defosforilazione è il sistema della glicogeno sintasi e della glicogeno fosfori/asi (figura 2.9). L'enzima chiave coinvolto nella costruzione del glicogeno, la glicogeno sintasi, trasferisce un'unità attivata di glucosio alla volta a una catena di glicogeno in fase di crescita. Esso può esistere negli stati fosforilato e defosforilato. La forma fosforilata della sintasi (forma D) è inattiva in vivo, mentre la forma defosforilata (forma I) è in grado di esprimere il suo potere catalitico. Vedremo nel capitolo relativo alla regolazione ormonale che l'insulina porta ad una attivazione della fosfatasi responsabile dell'attivazione della glicogeno sintasi. Per la glicogeno fosforilasi è vero invece il contrario: la forma fosfori lata della proteina è quella più attiva (figura 2.9). Per i due enzimi, il rapporto tra forme attive e forme inattive dipende sostanzialmente dalla concentrazione di proteina chinasi e proteina fosfatasi attive. Per quanto riguarda la regolazione della glicogeno fosforilasi, la forma attivata dell'enzima opera nella glicogenolisi la rimozione dei residui di glucosio dai depositi di glicogeno, scindendo e fosforilando il residuo all'estremità riducente delle catene di glicogeno (figura 2.10). Il glucosio-I-fosfato che si libera diventa disponibile come fonte di energia per le cellule.

29

Regolazione de II' attivitò enzimatica

ATP

+

ADP

~ Fosforilasi chinasi

(meno attiva)

Glicogeno fosforilasi

Fosfoproteina Fosfatasi -1

Figura 2.10 Controllo ormona/e dello rego/azione do legame covalente dello glicogeno fosforilasi (10ZI.pdb, 1PHK.pdb, 2CPK.pdb).

La conversione della glicogeno fosforilasi dalla forma inattiva (b) a quella attiva (a) è in realtà l'ultimo evento di una serie di reazioni che hanno inizio quando la superficie della cellula viene raggiunta da uno specifico ormone, l'adrenalina attiva nel muscolo e nel fegato ed il glucagone solo nel fegato (figura 2.11). In una sequenza di reazioni note come trasduzione del segnale dell'adrenalina. Il segnale dato da una singola molecola ormonale che prende contatto con la superficie cellulare viene amplificato per trasformare molte molecole di fosforilasi b in fosforilasi a. Il meccanismo di trasduzione del segnale comporta che la molecola di ormone una volta legata al recettore, posto sulla superficie esterna della membrana plasmatica della cellula bersaglio, induca una modificazione conformaziona1e della stessa che viene trasmessa attraverso la proteina G (così chiamata perché idrolizza GTP)

30

I catalizzatori biologici A) Legame di adrenalina o glucagone

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90°C che presenta un optimum di attività attorno a noc ed un intervallo di pH ottimale compreso tra 8.2 e 9.0. La PCR consente di rilevare specifi~he sequenze di DNA presenti nel campione in analisi anche quando la quantità di materiale di partenza è molto scarso e tutte le altre metodiche che prevedono l'impiego di sonde oligonucleotidiche marcate con radioattivi non sono in grado di identificare mediante ibridazione complementare la presenza della sequenza bersaglio. Il vantaggio della PCR consiste quindi nella possibilità di amplificare in vitro un tratto di DNA (la sequenza bersaglio) compresa tra due oligonucleotidi che vengono opportunamente disegnati come inneschi (primers) per l'attività della Taq polimerasi. A tale scopo la Taq polimerasi viene posta all'interno di una opportuna soluzione tampone contenente i quattro desossinucleotidi trifosfato dNTPs, la coppia di primers, Mg2+ ed il DNA estratto dall'alimento. Grazie all'impiego di un termociclizzatore, la soluzione viene sottoposta ad una prestabilita ripetizione ciclica (30-40 cicli) di variazioni di temperatura, in cui ogni ciclo (figura 4.7 A) è costituito da una fase di denaturazione del DNA (di solito a ~ 95°C), seguita da una fase in cui si ha l'appaiamento specifico dei due primers (o

65

Esempi di enzimologia applicata alla diagnostica degli alimenti

•

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95°C •• denaturazione

9.

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C

60°C annealing

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72°C estensione

--

Ulteriori amplificazioni

Figura 4.7 La reazione e catena della polimerasi (peR).

Ciclo 1

Ciclo 2

Ciclo 3

66

Enzimi e tecnologie alimentari

annealing, di solito a ~ 60°C) uno a monte e l'altro a valle della sequenza bersaglio con l'orientamento 5'-3' in modo che nella fase successiva di estensione (solitamente a ~ n°C) si abbia la sintesi in direzione opposta per ogni primer della sequenza da amplificare (figura 4.7 B,C). La reazione permette pertanto dopo un numero di cicli adeguato una amplificazione esponenziale della sequenza compresa tra la coppia di primers che in questo modo può essere facilmente rilevata con la contemporanea identificazione qualitativa della sua presenza nell'alimento. L'andamento esponenziale della reazione è descritto dalla seguente equazione: N = No (l + E)n Dove No è il numero di sequenze bersaglio di DNA presenti prima della reazione di amplificazione nel campione da analizzare, N è il numero di sequenze di DNA bersaglio amplificate, E è l'efficienza della reazione ed n è il numero di cicli di peR.

Se consideriamo per esempio un valore tipico di efficienza pari all'85% CE = 0.85) ed un numero di cicli n = 30, otteniamo che N = No (l + 0.85)3°, cioè le molecole di DNA amplificate saranno uguali a N = No x 103.550.000. Risulta evidente pertanto l'efficienza della reazione anche in presenza di un basso numero No di molecole di DNA inizialmente presenti nel campione da analizzare.

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A

D 2.0%

2

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0.5%

0.1%

1,8 1,6 1,4

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0 H~ H OH

p-Aminobenzoato

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Pteridina

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Tetraidrofolato

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OH 2NADP+

H

N COOH

Il

~H

Figura 13.8 StruHura del folato e riduzione a tetraidrofolato.

241

Vitamine idrosolubili

N5,N10-Metilene-THF

N10-Formil-THF Figura 13.9 Unità monocarboniose trasportate dal tetraidrofolato.

Nelle cellule la vitamina si trova sotto forma di pteroil-poliglutammato: la coda poliglutammica (5-6 residui) sembra importante per il legame con gli enzimi richiedenti folato ed in alcuni casi incrementa notevolmente l'attività catalitica. La forma coenzimaticamente attiva del folato è il tetraidrofolato (THF), che si ottiene per riduzione enzimatica della vitamina (figura 13.8 B). Il folato funziona come trasportatore di unità monocarboniose in numerose reazioni enzimatiche. I gruppi trasportati, in diversi stati di ossidazione, sono legati all'atomo di N5 (N5-THF), all'N 1O(Nlo-THF) o ad entrambi (N5,wo-THF). I gruppi trasferiti dal tetraidrofolato sono riportati in figura 13.9. I folati intervengono principalmente in due vie metaboliche: la biosintesi dei nucleotidi purinici e le reazioni di metilazione, sostenute da S-adenosilmetionina. La prima via metabolica è stata descritta nel capitolo 6: biosintesi delle purine. Il ciclo delle reazioni di metilazione che coinvogono l'S-adenosilmetionina è schematizzato nella figura 13.10. L'S-adenosilmetionina funge da donatore di gruppi metilici a numerosi e diversi composti: proteine, acidi nucleici, intermedi o molecole attive nel metabolismo lipidico (colina, carnitina), ecc. In queste reazioni viene trasferito sull'accettore il gruppo metilico dell'S-adenosil metionina, che diventa S-adenosil omocisteina. Questa molecola, per idrolisi enzimatica, libera adenosina ed omocisteina. Per metilazione dell'omocisteina, viene nuovamente formata la metionina: il gruppo metili-

242

Biochimica delle vitamine

À-

N

Adenosina ·~~I~U) N

N

NH z

0:-; O"""'C-CH-CH -CH -S-CH HO'" I z z HzN

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O

H

~OH

HzN-CH

Omocisteina

I

CH z I

CH z

S-Adenosilomocisteina

I

SH

§

5-Metil THF

R

THF ~O

~~OH

HzN-CH

Metionina

I

R

CH z I

CH z I

Accettori:

5

(5)

Proteine, Lipidi, Acidi nucleici, etc. S-Adenosilmetionina

O O Il Il

O Il

HO-P-O-P-OH I I OH OH

HO-P-OH I

OH

O O O Il Il Il

&:-;

HO-P-O-P-O-P--dicarbossilico, 188 docosaesaenoico, 131 eicosapentaenoico, 184 elaidinico, 127 ellagico, 215 fenolici, 127 fitico, 126, 227 folico, 265 galatturonico, 58, 212 gallico, 215 glucuronico,211 glutammico, 124,240

giutammmico, deaminazione di, 264 grasso/i, 163, 164, 166, 168, 173, 174, 180 a catena corta, 150,213 lunga, 149 consumo di, 175 essenziali, 106, 126, 134, 185 grado di insaturazione degli, 126 insaturi, 106, 126 Liberi, 103 monoinsaturi, 126, 200, 268 ossidazione degli, 133 poLinsaturi, 127,200,268 0>-3, BI saturi, 130, 200 sintasi, 105, 235, 238 sintesi di, 171 sistema di allungamento degli, 106 ipocloroso, 257 L-ascorbico, 244 linoleico, 127, 184, 185, 193 a-linolenico, 193 linolenico, 127, 184 lipoico, 35, 93 lisofosfatidico, 49 malico, 125 nicotinico, 101, 237 oleico, 126 organici, 126 palmitico, 103,200 (16:0), 106 pantoico, 238 pantotenico, 36, 238 paraminobenzoico, 240 retinoico, 246, 248 stearico, 200 tartarico, 126 taurocolico, 48 trans-retinoico, 248, 252, 254 urico, 115,260 0>-3, 126, 184 0>-6, 126, 184 Acil-CoA,101 deidrogenasi, 102 desaturasi, 106 sintetasi, 101

Acil-enzima, 46 l-acil-gLicerolo-3-fosfato, 49 Acilazione di proteine, 239 Acini, cellule degli, 160 Aconitasi, 95 ACP,106 Acqua, 3 e sali, riassorbimento nel colon, 213 ossigenata, 222, 256, 258 proprietà chimico-fisiche dell', 3 riassorbimento dell', 140 ACTH,101 Adattamento indotto, 26 Addensanti,212 Additivi, 135 Adenilato ciclasi, 172 Adenina, 114 deaminazione dell', 205 Adenosina, n, 241 difosfato, n monofosfato, 115 trifosfato, n Adesione, 269 dei monociti alle cellule endoteliali, 269 molecole di, 269 Adipociti, 101, 147, 167,254 ADP, n ribosil ciclasi, 237 ribosio ciclico, 237 Adrenalina, 171 Aerobiosi obbligata, 75 Agenti chelanti, 227 infettivi, 260 ossidanti, 267 Agglutinina del germe di grano, 215 Aggregazione piastrinica, 269 Agricoltura biologica, 134 Agrumi,125 Alanina, 110, 164,204,205 aminotransferasi, 109 transaminasi, 110,111 ~-alanina, 238 Albume, 129 d'uovo crudo, 217, 238

272 Albumina/e, 101, 124,232 del plasma, 239 plasmatica, 232 Alcol-deidrogenasi, 177 epatica, 177 Alcol, 197 etilico, 132 Alcolemia, 177, 179 Alcoli, 176 ossidazione di, 177 Aldeide-deidrogenasi, 178 mitocondria1e, deficienze genetiche di,178 Aldeidi, 176 Aldolasi, 81 Alimentazione parenterale, 152,213 Alimento/i biodinamici, 134 biologici, 134 contenenti organismi geneticamente modificati, 67, 135 crudi, 209 di origine animale, 123,200,227,243,270 vegetale, 211, 227, 265, 268 fortificati, 134 funzionali, 135 glicidici, 266 innovativi, 135 integrali, 134 leggeri, 134 naturali, 134 provenienti dali 'agricoltura biologica, 134 standard, 209 test, 209 vegetali, 270 Allattamento artificiale, 128 materno, 128 ALT, 110 Alterazioni genetiche, 266 Amidazione di ormoni peptidici, 245 reazione di, 157 Amide, 237 Amido/i, 43, 140, 123, 124,211 animale, 140 bioconversione dell', 57 biodisponibilità dell', 124 dei legumi, 125 digeribilità dell', 124 digestione dell', 140,214 resistente, 209, 211 resistenza dell', 209 Amilasi, 56, 140 pancreatica, 141 a-amilasi pancreatica, 44 salivare, 43 Amiloglucosidasi, 57 Amilopectina,43,140,209

Indice analitico Amilosio, 43, 125, 140,209 Aminoacidi, 6, 155, 164,232 a catena ramificata, 112,204 acidi, 128 aromatici, 257 assorbimento di, 155 chetogenici, 110 dicarbossilici, 128 essenziali, 112,203, 123, 125, 129 glucogenetici, 165, 173 glucogenici, 88 liberi, 155, 232 nel sangue portale, 205 proprietà chimico-fisiche degli, 6 solforati, 125, 128 trasportatori di, 155 Aminoacido ossidasi, 256 ~-arninoisobutirrato, 116 Aminopeptidasi,45, 154 Aminotransferasi, 109 Ammollo, 215 Ammoniaca, 108, 203 AMP, 77,115 ciclico, 171 Ampolla di Vater, 138 Anaerobi facoltativi, 75,76 Anaerobiosi, 75, 99 obbligata, 75 Analogo bisubstrato, 26 Anandamide, 194 idrolasi, 195 Anello/i imidazolico,237 isoallosazìnico, 236 lattonico, 245 piridinico, 237 pirrolici, 243 tiazolico, 236 Anemia/e, 221, 226 da deficienza di ferro, 228 megaloblastica, 228 microcitica, 228 Anidrasi carbonica, 158 Anioni multivalenti, 227 Annealing, 66 Anti-infiammatorio non steroideo, 188 Antibiotici, 254 Anticorpo/i, 62, 127 19A,264 IgM,264 primario, 62 secondario, 62 Antinutrienti, 214, 215 specifici, 217 Antiossidante/i liposolubile, 259 non proteici, 260 Antiporto,74 acil-carnitina/carnitina, 101 Apo-B,267 glicosilazione dell', 267 Apo-C II, 20 l

Apo-eme, 228 Apo-enzima,235 Apo-ferritina, sintesi di, 224 Apo-lipoproteina B, 266 Apo-lipoproteine, 150,201 Apo-transferrina, 224 Apoptosi, 189 Apparato digerente, 137 basi molecolari di patologie dell', 263 Appetito, regolazione dell', 161 Aptoglobina, 222 Arabinosio, 211 Arachidonato, cascata dell', 185 2-arachidonoilglicerolo, 194 Argille, 227 Arginasi, 113 Arginina, 113 Argininosuccinato liasi, 113 sintasi, 113 Arteriosclerosi, 260, 266 Artrite reumatoide, 260 Ascorbato, 227, 245 Aspartato, 113, 128 aminotransferasi, 109 transaminasi, 11 O transcarbarnilasi (ATCasi), 26 Aspartil proteasi, 44 Aspirina, 188 Assorbanza, 52 Assorbimento, 137 dei glicidi, 214 dei minerali, 215 del ferro, 226, 227 del rame, 231 dello zinco, 230, 231 di aminoacidi, 155 di metalli, 227 di oligopeptidi, 155 intestinale del calcio, 251 Assunzione di bevande alcoliche, 268 di droghe, 197 AST,110 Atassia di Friedrerich, 221 Atero-arteriosclerosi, 131 Aterosclerosi, 266 Atmosfera, 108 Atomo di cobalto, 243 ATP-sintasi, 98 ATP, 77, 174,242 idrolisi di, 207 legami altamente energetici dell', 149, 158 riserva di, 174 ATPasi,75 della classe F,75 P, 75 V,75 Atrofia dei villi, 264

Indice analitico Attivazione autocatalica, 45 degli osteoclasti, 252 piastrinica, fattore di, 189 Attività antiscorbutica, 244 catalitica, 235 catalitiche dello zinco, 228 dopaminergica, 197 endoglicosidasica, 141 enzimatica inibizione dell', 19 rego1azione dell', 19 enzimatiche, dosaggi delle, 16, 51, 53 fibrinolitica, 269 fisica, 174 florizin-idrolasica, 142 a 1-6-g1ucosidasica, 86 lattasica, 142 specifica, 53 Autolisi controllata, 205 Avena, 124 Avidina, 129,217,238 Avocado, 126 Azoto gassoso, 108 Azotofissatori, 108

B Banane, 126 Barriera ematoencefa1ica, 164 Base/i di Schiff, 239, 267 mo1ecolari di malattie sistemiche, 263 di patologie dell'apparato digerente, 263 puriniche, 114 Batteri colici, 135 Beri-beri, 235 Bevande alcoliche apporto energetico delle, 133 assunzione di, 268 consumo di, 269 Bicarbonato, 205, 154, 159 Bilancio energetico, 81 Bile, 137 circolazione entero-epatica della, 152 Biocatalizzatori, 13 Bioconversione dell'amido, 57 Biodisponibilità, I, 211, 219 dei metalli, 226 dei minerali, 215 del ferro, 227 dell'amido, 124 Bioenergetica, 75 Bioreattori, 61 Biosintesi dei lipidi, 104 dei nucleotidi purinici, 241 dei trigliceridi, 167

delle purine, 241 Biotecnologie, 135 Biotina, 38, 106, 129,217,235,237 carenza di, 238 funzione enzimatica della, 238 Biotinasi, 237 Birra, 56, 134 gradazione alcolica della, 134 industria della, 56 1,3-bisfosfoglicerato, 82 Bolo alimentare, 138 Buco dell'ossianione, 46 Butirrofilina, 129

c Ca2+ ATPasi, 75 Cacao, 54 Cadmio, 217, 232 tossicità da, 232 Caglio, 58, 128 Calcemia, 252 Calcio, 125, 190,215,220,227 assorbimento intestinale del, 251 disponibile, 250 intracellulare, rilascio del, 237 legame del, 206 libero, 254 nel plasma, 250 omeostasi del, 251 plasmatico, livelli del, 251 Calorie, 76 Calpaine, 205 Il-calpaine, 205 m-calpaine, 205, 206 specificità delle, 206 Calpastatina, 206 Canale (Fo), 98 Cancro colo-rettale ereditario, 265 del colon, 213 Cantaxantina, 247 Capacità antigeniche, 183 massima di trasporto, 74 Carbamilfosfato, 113 sintetasi, 208 I, 113 Carbonato, 224 Carbonico anidrasi, 228, 232 Carbossilasi, 235 Carbossilazione, reazione di, 255 Carbossipeptidasi,45, 154 A, 44, 154 B,44, 154 Carenza/e alimentari, 226 di biotina, 238 di micro-nutrienti, 123 di vitamina D, 250 latenti di nutrienti, 135

273 Carni, 130, 147 contenuto lipidico, 130 rosse, 265 Carnitina, lO l, 241 aciltransferasi I, 101, 166 II, 101 a-carotene, 247 ~-carotene, 247, 260 Carotenoidi, 126,247,260 Cascata dell 'arachidonato, 185 della coagulazione, 254 di reazioni, 155 Caseina/e,58, 128 k, 128 precipitazione delle, 128 Catabolismo degli acidi grassi, 101 dei nucleotidi purinici e pirimidinici, 115 delle pirimidine, 115 purinico,260 Catai, 53 Catalasi, 223, 256, 258 Catalisi acida generale, meccanismo di, 46 acido-basica, 15 basica generale, meccanismo di, 46 covalente, 15 meccanismo di, 46 elettrostatica, 15 meccanismo di, 46 enzimatica, 13 favorita da effetti di prossimità e di orientamento, 15 da ioni metallici, 15 dal legame preferenziale del complesso dello stato di transizione, 15 meccanismi di, 46 Catechina, 215 Catecolamine, 171, 172 CBI, 194, 197 CB2,194 Ceci, 211 Cellule "a bicchiere", 139 degli acini, 160 del pancreas, 266 endoteliali, 255 adesione dei monociti alle, 269 "esocrine", 139 eucarioti, 258 G, 156,157 I, 160 parietali, 154, 156,243 principali, 154 S, 160 schiumose, 267 stellate, 247

274 Cellulosa, 211 Centri ferro-zolfo, 95, 97 Cereali, 123,264 interi, 124 proteine dei, 123 Ceruloplasmina, 259, 224, 226, 231, 232 Cervello, 103, 163 Chelante/i, 125,221 complessi con, 227 del ferro, 227 a-chetoacidi, 109, 112 Chetogenesi, 103 a-chetoglutarato, 95, 109, 11 O deidrogenasi, 37, 95 ~-chetotiolasi, 103 Chilomicroni, 150,201,250 Chimotripsina,44, 154 a-chimotripsina attiva, 45 1t-chimotripsina, 45 Chimotripsinogeno, 44, 45 Cianidine, 215 Ciclo dell'urea, 113, 203, 208 della vitamina K, 255 di Cori, 164, 180 di Krebs, 94, 181 futile, 88 glucosio-alanina, III tiofenico,237 Cicloossigenasi, 187 via della, 186 Cinetica/he di Michaelis-Menten, 52 di ordine zero, 53 enzimatiche, 16 Circolazione entero-epatica della bile, 152 generale, 150 linfatica, 150 Circolo entero-epatico, 199 Cirrosi, 182 11-cis-retinale, 250 Cistearnina, 238 Cisteina, 152,223,261 decarbossilazione della, 238 enzimi contenenti, 232 Cisteinil proteasi, 44 Cistifellea, 138, 152, 160 Citocromo/i, 35, 223 c ossidasi, 230 c ossidoreduttasi, 97 ossidasi, 97, 180 P450, 179,180 funzioni del, 180 Citoscheletro, 71 Citosina, 115 dearninazione della, 265 DNA metil transferasi, 265 metilazione della, 265 Citrato, 95, 181,215,227 sintasi, 95

Indice analitico Citrullina, 113 Classe/i di enzimi proteolitici, 44 F, ATPasi della, 75 P, ATPasi della, 75 V, ATPasi della, 75 Classificazione internazionale degli enzimi,14 C1atrina,224 Cloro, 140 CoA, 36, 93 CoA-SH,36 Coadiuvanti, 135 Coagulazione, 269 cascata della, 254 intravasale, 268 Coating,62 Cobalto, 41, 243 legami di coordinazione del, 243 Coefficiente di estinzione, 52 E,52 Coenzima/i, 31 A, 36, 93, 149,238 derivati dalla vitamina B6 , 239 flavinici, 33,236 nelle reazioni di ossidoriduzione, 32 piridinici, 237 Q,35 solubili, 31 Cofattore/i, 32, 219, 235 inorganici, 38 riboflavinico, 235 Colato, 152 riassorbimento del, 152 trasporto del, 152 Colecalciferolo, 250 Colecisti, 138 Colecistocbinina, 156, 160,161 Colesterolemia, 126, 153,200 riduzione della, 213 Colesterolo, 69, 71, 106, 129, 198, 147, 151,153 buono, 203 cattivo, 203 endogeno, 200 escrezione del, 152 esogeno, 200 esterasi, 149 esteri del, 149 HDL,127 LDL,127 LDLIHDL, rapporto, 203 ricambio di, 213 sintesi del, 153 Colestirarnina, 153, 199 Colina, 69, 184,241 Colipasi, 48, 149 Colite ulcerosa, 260 Collagene, 130,245,268 Colon, 137, 140,213,254 cancro del, 213

flora batterica del, 211 riassorbimento di acqua e sali, 213 tumore del, 265 Colonociti, 140,213 Colture cellulari, 60 in fase liquida, 61 Compartimentazione, 72 Complesso/i, 223 II, 95 B 12 -transcobalarnina II, 244 con chelanti, 227 con il fattore intrinseco, 243, 244 con il ferro, 227 della piruvato deidrogenasi, 92 Iipoproteici, 129, 150,200 mitocondriale 1,97 II, 97 III, 97 IV,97 V, 98 recettore-Iigando, 253 Composizione arninoacidica, 128 Composti altamente energetici, 76 antiossidanti, 259, 268 di origine vegetale, 135 fenolici, 215, 269 organici, 135 steroidei, 180 Concanavalina A del fagiolo, 215 Concentrazione di insulina nel sangue, 169 di Na+, gradiente di, 144 Condensazione aldolica, 81 Conformazione nativa funzionale, II Consumo/i dei trigliceridi, 173 di acidi grassi, 175 di bevande alcoliche, 269 di glucosio, 175 di vino, 268 energetici, 163 Contenuto calorico degli alimenti Iight, 134 energetico della birra, 134 proteico nei cereali interi, 124 Controllo dell'espressione dei geni, 224 neuro-orrnonale, 156 ormonale, 251 CoQ,35 Cori, ciclo di, 164, 180 Corpi chetonici, 164, 166, 173, 177, 181 Corticotropina, 101 Costante di dissociazione, 220 di equilibrio, 76 di Michaelis-Menten, 17 Cotrasporto con Na+, 155

275

Indice analitico Cottura, 209, 215 COX,187 inibitori della, 188 COX2,187 COXI,187 Creatina chinasi, 78 fosfato, 78, 174 Criptoxantina,247 Cristallizzazione, 209 Cristallografia ai raggi-X, 59 Crostacei, 130 Crusca, 212 Cultivar, 55 Cuore, 145 Curva "ad J", 268 glicemica, 209

D D-~-idrossibutirrato, 103 Dannoli alla componente proteica, 269 cardiocircolatori, 131 non riparati, 260 ossidativo, 267, 269 Datteri secchi, 54 Deacilazione,47 Deaminazione, 109 dell'adenina,205 della citosina, 265 di acido glutammico, 264 di glutammina, 264 Debito di ossigeno, 88 Decarbossilazione, 239 della cisteina, 238 ossidativa, 35 Deficienza di ferro, 221 Defosforilazione, 27 Degradazione dei fitati, 215 delle proteine del muscolo, 206 enzimatica dei lipidi, 48 dei polisaccaridi, 43 Deidroascorbato, 244, 245 reduttasi, 245 7-deidrocolesterolo,250 Deidrogenasi, 33 NAD dipendenti, 223 Delattosato,58 Demolizione delle proteine endogene, 205 Denaturazione del DNA, fase di, 64 Densità calorica, 134 proteica, 203 5'-deossiadenosil cobalamina, 243

Depositoli del ferro, 224

di ferritina, 224 Destrina limite, 141, 143 a-destrine, 43 Determinante antigenico, 62 DHA,131 Diabete, 211, 213 insulino-dipendente, 266 non dipendente da insulina, 266 prevenzione del, 214 1,2-diacilglicerolo, 50 y-dicarbossi glutammato, 255 Dicumarolo, attività anticoagulante del, 255 Dieta deficiente di zinco, 233 ferro nella, 224 fibra alimentare nella, 213 lipidi nella, 48 mediterranea, 270 priva di glutine, 264 rame introdotto con la, 230 zinco introdotto con la, 230 o-di fenoli, 54 Differenziamento cellulare, 254 Diffusione facilitata, 74 passiva, 237 semplice, 73 spontanea, 74 1,3-difosfo-glicerato, 80 Difosfo-tiamina,235 Digeribilità dell'amido, 124 Digestione, 137 degli amidi, 140 degli olii, 147 dei grassi, 147 nel lattante, 147 dei lipidi, 152 dell'amido, 214 della fibra alimentare, 213 delle proteine, 153 fase cefalica della, 156 chimica della, 156 principali ormoni, 156 Di~uno,207, 164, 173 Digliceridi, 147 Diidrolipoammide, 93 acetiltransferasi (E2), 93 deidrogenasi (E3), 93 1,25-diidrossi vitamina D3 , 250, 252 Diidrossiacetone fosfato, 167 Diidrossiacetone-3-fosfato, 81 Diidrovitamina K, 254, 255 Dipeptidi, 155 Disaccaridi, 44, 143,211 Disse, spazi di, 248 Distribuzione asimmetrica di lipidi, 72 DNA,5 eterogeneo, 135 polimerasi, 64 ricombinante, tecnologia del, 56, 59

dNTPs,64 Domini, 9 Dopamina, 240, 245 idrossilasi, 245 ~-idrossilasi, 230 Dosaggioli con enzimi legati ad immunoadsorbenti, 62 del peptide C, 169 delle attività enzimatiche, 16, 51, 53 Dotto biliare, 138, 152 pancreatico, 138, 154, 160 toracico, 150 Droghe, assunzione di, 197 Duodeno, 138

E Effetto/i Pasteur,86 positivi sulla salute, 135 pro-ossidanti dell'acido ascorbico, 259 Effettori, 24 eterotropici negativi, 24 positivi, 24 omotropici, 24 Efficienza dell'enzima, 19 Eicosanoidi, 126, 131, 185 Elastasi, 44, 45, 154 Elemento di risposta all'ormone, 254 Elettroforesi su gel di poliacrilamide in presenza di sodio dodecil solfato, 63 Elettroni, trasporto degli, 223 ELISA, 62 diretto competitivo, 62 indiretto competitivo, 62 con anticorpi primari ed enzima biotinilati, 62 non competitivo, 63 Eme, 180 , Emicellulose, 211 Emocoagulazione, 269 Emocromatosi ereditaria, 221 Emoglobina, 222, 223 Emolisi, 222 Emopessina, 223 Emosiderina, 224 Encefalo, 161 Endo-pectinasi, 58 Endocannabinoidi, 196 Endocitosi, 158,244,267 mediata da recettore, 224 Endopeptidasi,45, 154 Endosperma, 124 Energia biologica, 76

276 libera, 76 di idrolisi, 149 produzione di, 163 Enoil-CoA idratasi, 102 Enolasi,82 Enterochinasi, 155 Enterocita/i, 139,244,250 membrana apicale dell', 263, 264 oligopeptidi nell', 155 trasporto del calcio negli, 251 Enteropatia da glutine, 264 Enteropeptidasi, 44 Enzima/i, 13, 139 a ferro-eme, 223 a ferro non eme, 223 a rame, 224, 230 allosterici, 24 applicazioni degli, 56 attivati da metalli, 38 classificazione internazionale degli, 14 complessi, 32 contenenti cisteina, 232 contenuto di zinco, 228 deramificante, 86, 142 digestivi, 140,233 e tecnologie alimentari, 51 El,37 efficienza dell', 19 endogeni, 54 esogeni, 54 immobilizzati, 58 immobilizzazione degli, 56 indicatori, 62 malico,105 non eme, 223 pancreatici, 160 proteolitico/i, 44 costitutivo, 155 provenienti da OGM, 135 purificati, 55 purificazione dell', 53 ramificante, 83 regolatori, 13 rilevatori, 63 semplici, 32 specificità dell', 19 stabilizzati, 61 Enzyme-Linked lmmunosorbent Assay, 62 Enzyme Immuno Assay, 62 Epatite, 182 Epatociti, 247 Epinefrina, 171 Epitopo/i, 62, 264 specifici, 264 Epossidazioni, 180 Epossido reduttasi, 255 Equazione dei doppi reciproci, 18 di Lineweaver e Burk, 18 di Michaelis-Menten, 17 Equilibri nutrizionali, 134

Indice analitico Equivalenti riducenti, 178 Ergosterolo, 250 Eritrociti, 168,239,258 Eritropoiesi, 223, 228 Eritroso-4-fosfato, 92 Eso-pectinasi, 58 Esochinasi, 81, 87, 89 D, 89 regolazione della, 89 Esopeptidasi, 45, 154 Esosi, diffusione facilitata degli, 144 Esposizione al sole, 250 Espressione della ferritina apo, 224 di geni, 240, 252 di metallotioneine, 232 genica della lattasi, 263 livelli di, 224 Essicazione, 61 Estensione a - noc, 66 Esterasi, 247 Esteri del colesterolo, 149 Estremofilo, 64 Etanolamina, 69 Etanolo, 132, 134,269 metabolismo dell', 177 ossidazione dell', 133 sistema microsomiale per l'ossidazione dell', 177 Eterodimero, 253

F FAD,93 formazione di, 236 Fagioli, 211 Fagocitosi, 205, 257 delle LDL danneggiate, 267 Famiglia 0>-3, 193 0>-6, 193 Farina integrale, 134 raffrnata, 134 Fase di denaturazione del DNA, 64 non ossidativa, 91 ossidativa, 91 Fattore/i di attivazione piastrinica, 189 di trascrizione, 230, 252 citoplasmatico NF-kB, 256 di geni, 251 genica, 248 intrinseco, 154,243 complesso con il, 243, 244 vrr,254 IX, 254 X, 254 FBPasi-l, 88, 90 Feedback, 24

Feedforward, 24 Fegato, 130, 140, 145, 163, 165, 166, 175, 176, 198, 203, 205 Fenilalanina, 157 Fenilpropano,212 Fenton, reazione di, 222, 256, 258 Fermentazione/i, 75,76 alcolica, 37, 76, 99 del fruttosio, 145 del lattosio, 263 lattica, 99 Fermenti lattici, 264 Ferritina, 222, 224,258 apo, espressione della, 224 depositi di, 224 espressa, 224 nei depositi, livelli di, 228 sierica, livelli di, 228 Ferro-eme, 39, 97, 223 Ferro, 39,125,129,131,215,221,258 accumulo di, 226 anemia da deficienza di, 228 assorbimento del, 226, 227 biodisponibilità del, 227 chelante del, 227 complessi con il, 227 deficienza di, 221 deposito del, 224 eccesso di, 224 eme, 223, 227 ferrico, 222, 227 ferroso, 222, 226 livelli di, 224 in soluzione, 227 mobilizzazione del, 224 nella dieta, 224 non eme, 227 omeostasi del, 226 perduto, 223 proteine regolatrici del, 224 trasporto del, 224, 226 FFA,103 Fibra/e alimentarel23, 125, 126, 134, 135, 140,209,211,227,265 digestione della, 213 nella dieta, 213 costituenti della, 211 insolubile, 268 meccanismi d'azione della, 214 solubile, 268 nervose, 263 Fibrina, 268 Fibrinogeno, 269 Fillochinone, 254 Fitasi,231 microbiche, 215 Fitato/i, 134, 215, 230, 231 degradazione dei, 215 Fitochimici (phytochemicals), 135 Fitoemoagglutinina del fagiolo rosso, 215

Indice analitico FLAP, 190 Flavin-adenin-dinucleotide, 93, 261 Flavine,97 Flavoenzimi, 33, 223 Flavonoidi, 127,269 Flip-tlop,71 Flippasi, 71 Flora batterica del colon, 211 intestinale, 135 Fluoro, 131 Fluorofori, 51 FMN, formazione di, 236 Folato, 228, 240 forma coenzimaticamente attiva del, 241 Forma/e attiva/e della vitamina K, 254 A,247 coenzimatica della vitamina BI, 236 ormonale della vitamina D, 254 radicalica della vitamina E, 246 Formaggi, 56, 129 produzione dei, 58 Fosfatasi, 172 alcalina, 62,63 Fosfatide, 69 Fosfatidilcolina, 69, 183 Fosfatidiletanolamina, 69, 184 Fosfatidilinositolo, 50, 69, 71 Fosfatidilserina, 69, 71 Fosfato, 227 risonanza del, 78 Fosfo-anidridi, 78 Fosfocreatina, 164 Fosfoenol-piruvato, 78, 82, 171, 180 carbossichinasi, 88, 97 PEPCK,90 Fosfofruttochinasi-l, 81, 87, 89 Fosfofruttochinasi-2, 89, 90 Fosfo-gliceraldeide-deidrogenasi, 180 Fosfoglicerato chinasi, 82 mutasi,82 2-fosfoglicerato, 82 3-fosfoglicerato, 82 Fosfoglucomutasi, 30, 83, 86 Fosfogluconato deidrogenasi, 92 6-fosfogluconolattone, 91 Fosfoinositolo trifosfato chinasi, 169 Fosfolipasi,49 A J,49 A2,49, 149, 185 C,49, 185 0,49 Fosfolipidi, 69, 126, 129, 149, 183,255 di membrana, 193 Fosfopanteteina, 106,235,238 4' -fosfopantotenato, 238 5'-fosforibosil-1 '-pirofosfato, 116 Fosforilasi a, 172

Fosforilazione, 27 a livello del substrato, 80, 82 ossidativa, 80, 97 Fosfoserina, 128 Fosvitina, 129 Fotolisi, 236 Fotosintesi, 247 Friedrerich, atassia di, 221 Frumento, 124 Frutta, 211 fresca, 125 secca, 126 Fruttosio, 126, 145, 175,211,227 1,6-bisfosfatasi, 88, 90 1,6-bisfosfato, 81, 97 2,6-bisfosfato, 89, 171 6-fosfato, 81 fermentazione del, 145 intolleranza al, 264 nella glicolisi, 175 Fumarato, 95, 110 Funzione/i coenzimatica della biotina, 238 dell' ossido nitrico, 257 della vitamina D, 251 energetica, 235 ormonali,235 plastica, 235 Fusione, punto di, 126

G 76 G protein-coupled receptors, 193 ~-galattosidasi, 63 Galattosil-transferasi, 129 Galattosio, 129, 144,211,263 Gastrina, 156,158 regolazione dei livelli di, 157 secrezione di, 157 Geni controllo dell' espressione dei, 224 espressione dei, 240, 252 fattori di trascrizione di, 251 trascrizione di, 169 GR, 101 Ghiandole gastriche, 154 pancreatiche, 154 Gliadine, 124,264 a-gliadina, 264 Glicani, 183 Glicemia, 164, 172, 266 post-prandiale, 174 riduzione della, 213 regolazione della, 172 Gliceraldeide-3-fosfato,81 deidrogenasi, 82 Glicerina, 133 Glicerofosfolipidi, 49 Glicerol-fosfato, 180

~GO',

277 Glicerol-fosfato/diidrossi-aceton-fosfato, 100 Glicerolo-3-fosfato, 167 Glicerolo, 50, 132, 133, 165, 173 Glicidi, 125, 134, 140 assorbimento dei, 214 struttura chimica dei, 211 Glicina, 130, 151,207,261 Glicocalice/i,69, 183,215 Glicocolato, 151 Glicogenina,83 Glicogeno, 43, 83, 134, 140, 164 degradato a glucosio, 140 ad acido lattico, 140 fosforilasi, 37,43, 83, 87, 172,239 regolata allostericamente, 30 sistema della, 28 muscolare, 174 riserve di, 164, 172 sintasi, 83, 172 sistema della, 28 sintesi di, 171, 172 Glicogenolisi, 83, 171 Glicolipidi, 69, 72 Glicolisi, 81 aerobica, 81 anaerobica, 81, 168, 174 fruttosio nella, 175 Glicoproteina/e, 69, 72, 129, 183,215, 217,243,263 con legame N, 183 0,183 a(1 ~6)-glicosidasi, 142 - (a-destrinasi), 44 ~-glicosidasi, 264 Glicosil-(4~6)-transferasi, 83 Glicosilazione,267 dell'apo-B,267 Globuli di grasso del latte, 129, 147 rossi, zinco nei, 232 Globuline, 124 G1ucagone,90, 101, 169, 171 rilascio di, 172 ~-glucanasi, 56 Glucoamilasi, 57 Glucochinasi, 89, 165 proteina regolatrice della, 89 Glucolattonasi, 92 G1uconeogenesi, 81, 86, 87, 133, 164, 165,171,173,180,207 Glucosidi monoterpenici, 127 Glucosio, 89, 126, 129, 143, 163, 164, 169,211,227,263 alanina, ciclo, 111 1,6-bisfosfato, 86 consumo di, 175 l-fosfato, 28, 83 6-fosfatasi, 86, 88,89 6-fosfato,81

278 deidrogenasi, 91 fosfatasi, 172 isomerasi, 81 trasporto del, 143, 169 nelle fibro-cellule muscolari di, 175 GLUT-l, 145, 164 GLUT-2, 144, 145, 165 GLUT-3, 145, 164 GLUT-4, 145, 169 GLUT-5, 145,264 GLUT-7,145 Glutaminasi, 109, 110 Glutammato, 109, 128,204,255,261 deidrogenasi, 109,11 O ossalacetato transaminasi, 110 piruvato transaminasi, 110 Glutunnllna, IlO, 124,204,264 deaminazione di, 264 sintetasi, 205 Glutamminasi, 205 Glutatione, 259, 261 ossidato, 245, 258, 260 perossidasi, 258, 259 reduttasi, 260, 261 ridotto, 245, 258,260 Glutenine, 124, 264 Glutine, 264 dieta priva di, 264 enteropatia da, 264 tossicità del, 264 GMP,115 ciclico, 250 Gomme, 212 GOT,11O GPCR, 193 GPT,11O Gradiente chimico, 74 di concentrazione di Na+, 144 elettrico, 74 elettrochimico, 74 Granuli di amido, 140,209 di zimogeno inattivi, 44 Grassi, 126, 147, 160 animali, 147,200,265,268 aterogeni, 131 di deposito, 133 di origine animale, 270 digestione dei, 147 nel lattante, 147 Grosso intestino, 140 Gruppo/i acilici, trasportatore di, 35 aldeidico, 267 attivato, 236 c-aminico della lisina, 267 cromoforo, 51 eme in forma apo, 227 fluoroforo, 51 fosforico/i, 242 del piridossale-fosfato, 239

Indice analitico metilici, 265 donatore di, 241 N-terminale, acetilazione del, 239 prostetici, 31 tiolico/i, 36, 259 GTP,95 Guaine mieliniche, 263 Guanina, 114 Guanosina monofosfato, 115 trifosfato, 95

H H,K-ATPasi, 158, 159 H+/K+ ATPasi, 75 HCI, produzione di, 157 fUDL,193,202,269 Heat Shock Proteins (HSPs), 11 High temperature short time, 62 HMG-Co-A,199 reduttasi, 199 3-HMG-CoA,106 HTST,62

Ibuprofene, 188 Idrolasi, 56 Idrolisi acida delle proteine, 153 di ATP, 207 enzimatica, 154 delle proteine, 153 Idroperossido, 259 25-idrossi vitamina D3 , 250 3-idrossi-3-metilglutaril-CoA, 106 3-idrossiacil-CoA deidrogenasi, 103 Idrossietil-TPP, 93 Idrossifosfato ferrico, 224 Idrossilazione, 180,257 reazioni di, 245, 250 Idrossimetil-transferasi, 240 Idrossiprolina, 245 IgG, 62 Imbrunimento enzimatico, 54 Immobilizzazione degli enzimi, 56 Immunoblotting, 63 Immunoglobuline, 62, 236 nel latte, 128 IMP,115 Impulso nervoso, 145 Incidenza di malattie cardiovascolari, 270 Indice glicemico, 125, 134,209,211, 213,266,268 Indometacina, 188 Industria della birra, 56 Infiammazione, 269 Inibitore/i Ha doppia testa", 215

Ha singola testa", 215 della COX, 188 delle pompe protoniche, 159 delle proteasi, 125, 215 di Kunitz, 215 incompetitivi, 20 irreversibili, 19, 21 pancreatico della tripsina, 45 Inibizione competitiva, 20 dell'attività enzimatica, 19 non competitiva, 20 reversibile, 19 Inneschi, 64 Innovazioni tecnologiche, 134 Inosina monofosfato, 115 Inositolo, 69 trifosfato, 237 Inquinanti atmosferici, 259 Insaturazione degli acidi grassi, grado di, 126 Insu1in Responsive Substrate, 169 Insulina, 101, 145, 169, 171 concentrazione nel sangue dell', 169 glucagone, rapporto, 172, 174, 175 recettore dell', 169 secrezione di, 172 tempo di vita media dell', 169 Intermedio/i epossitrienoici, 190 tetraedrico, 46 Intestino, 198,204 crasso, 137, 140 difese immunitarie dell', 135 sistema immunitario dell', 140 tenue, 137,254 Intolleranza al fruttosio, 264 allattosio, 263 al saccarosio, 264 Iodazione degli ormoni tiroidei, 256 Iodio, 131 Ioni ammonio, 205 calcio, 169,205 dei metalli, 220 di transizione, 221 ferro, 258 metallici, 220 essenziali, 221 rame, 258 trasporto di, 157 Iperalimentazione, 123 Ipercolesterolemia, 266 Iperglicemia, 266,267 Iperlipemia, 266 Ipertensione arteriosa, 257, 266 Ipoalimentazione, 123 Ipoclorito, 267 Ipoglicemia, 165 Ipotaurina, 152 Ipoxantina ossidasi, 115

279

Indice analitico IREs,224 Iron responsive elements, 224 IRP,224 Isoallosazina, 33 Isocitrato, 95 deidrogenasi, 95 Isoenzimi, 178 della LOX, 189 Isoleucina, 112, 155 Isomerizzazione cis/trans di acidi grassi, 126 Isopentenil-fosfato, 106 Isoprene attivato, 106 Istidina, 46

K k-caseina, 58 Kat, 53 ~at' 19 Keq,76 K"" 17 Krebs, ciclo di, 94, 181 Kunitz, inibitori di, 215

L

L-malato, 95 Lambert-Beer, legge di,52 Lanosterolo, 106 a-Iattalbumina, 128, 129 Lattante, digestione dei grassi nel, 147 Lattasi, 44, 58, 129,263 espressione genica della, 263 tlorizin idrolasi, 143,263 riduzione della, 263 Lattato, 164, 165, 180 deidrogenasi, 81 Latte, 127 a lunga conservazione, 62 fermentato, 129, 135 globuli di grasso del, 147 lipidi del, 129 lipoproteine del, 147 minerali del, 129 nutrienti del, 264 proteine del, 128 umano, 128, 227 vaccino, 128 Latteali, 150 Latticini, 129 Lattico-deidrogenasi, 178 Lattoferrina,258 p-Iattoglobulina, 128 Lattoperossidasi, 55, 62 proprietà antibatteriche della, 55 Lattosio, 43, 44, 9, 211, 263 fermentazione del, 263 intolleranza al, 263 sintetasi, 129

LCAT,202 LDL, 190,202 danneggiate, 267 intemalizzazione delle, 267 modificate, 267 proteina delle, 267 riciclo delle, 269 Lecitina,69, 193 colesterolo aciltransferasi, 202 Lectina/e, 125,215 delle \arachidi, 215 vegetali, 215 Legame/i a(I---t6), 141 altamente energetici, 76 dell'ATP, 149, 158 anidride, 77 crociati, 245 di coordinazione del cobalto, 243 elettrostatici, 4 a(I---t4) glucosidici interni, 141 P-glucosidico, 263 carboamidico, 238 covalente, regolazione, 27, 44, 47 dei tannini alle proteine, 215 del calcio, 206 tioestere, 36, 149 Legge di Lambert-Beer, 52 Legunli, 123, 124,215 amido dei, 125 non cotti, 215 proteine dei, 125 semi di, 125 Leguminose, 212 Lesioni aterosclerotiche, 190 Leucina, 112 Leucotrieni, 189 Lewis, acido di, 228 Licopene, 247, 260 Lievitazione naturale, 215 Lignina, 211, 212 Lineweaver e Burk, equazione di, 18 Linoleato (18:2, ~9,12), 106 Liofilizzazione,61 Lipasi, 58, 101 gastrica, 147 ormone-sensibile, lO I, 168, 171 pancreatica, 48, 149 Lipid rafts, 71 Lipidi, 126, 134, 147,267 cellulari, 147 degradazione enzimatica dei, 48 del latte, 129 di deposito, 147 digestione dei, 152 distribuzione asimmetrica dei, 72 in pesci, crostacei e molluschi, 131 nella dieta, 48 nelle carni, 130 perossidazione dei, 258, 259 trasporto dei, 150 Lipoammide, 93

Lipogenesi, 103 Lipoproteina/e, 150,200,259 a bassa densità, 202 a densità molto bassa, 202 ad alta densità, 201, 202 del latte, 147 lipasi,201 plasmatiche, profilo delle, 269 Lipossigenasi, 188, 223 via della, 186 5-lipossigenasi, 189 proteina che attiva la, 190 12-lipossigenasi, 189, 190 15-lipossigenasi, 190 Lipossine, 190 Lisi endocellulare, 205 Lisil ossidasi, 230, 245 Lisina, 123, 155,207,245 deficienza di, 125 gruppo epsilon-aminico della, 267 residui epsilon-aminici della, 239 Lisofosfolipide, 49 Lisosoma, 224, 244 LOX, isoenzimi della, 189 Luce ultravioletta, 250 Luteina, 247

M Macroanello corrinico, 243 Macrofagi, 190,222,223,266,267 Macronutrienti, 219 Magnesio, 220 Maillard, reazione di, 123 Malassorbimento, 264 Malato deidrogenasi, 95 ossalacetato, 100 sistema navetta, 178 Malattia/e arteriosclerotico-ipertensiva, 266 cardiovascolari, 200 incidenza di, 270 rischio di, 213 celiaca, 264 di Menkes, 221 prevenzione delle, 135 sistemiche, basi molecolari di, 263 Malonil-CoA, 101, 166 Maltasi,44, 142 Ma!tosio, 44 Mammiferi, 127 Mannosio, 211 Markers,62 Matrice, 95 proteica, 223 Meccanismo catalitico delle serina proteasi, 46 di catalisi, 46 acida generale, 46 basica generale, 46

280 covalente, 46 elettrostatica, 46 favorita da effetti di prossimità e di orientamento, 46 Mele, 125 Membrana/e, 259 apicale, 143, 145, 149 dell'enterocita, 263, 264 basale, trasportatore della, 159 basolaterale, 143, 144 biologiche, 69 doppio strato lipidico delle, 190 fosfolipidi di, 193 interna, 95 permeabilità delle, 205 plasmatiche, 147 potenziali di, 164 proteine di, 144, 145 integrali della, 69 recettori di, 196 trasportatori di, 157 Menachinone, 254 Menadione, 254 MEOS, 177, 179 Mercurio, 232 Metabolismo aminoacidico, 240 dell'etanolo, 177 nucleotidico, 114 ossidativo, 260 regolazione enzimatica del, 23 Metal responsi ve elements, 232 Metallo/i, 219 assorbimento di, 227 biodisponibilità dei, 226 di transizione, 221 ioni dei, 221 tossicità dei, 221 essenziale, 221, 223 ioni dei, 220 omeostasi dei, 221 proteasi, 44 proteine, 221 ) Metalloenzima/i, 38,177,223 a rame, 245 Metalloproteina, 38 Metallotioneina/e, 217, 228, 231, 259 epatica, 232 espressione di, 232 livelli di, 232 renale,232 sintesi di, 232 Metano, 212 Metanolo, 177 Metarodopsina Il, 250 Metil-cobalamina, 243 Metil-malonil-CoA isomerasi, 243 Metilazione della citosina, 265 reazioni di, 184, 241, 265 Metionina, 241 sintasi, 242, 243

Indice analitico Metodi spettrofotometrici, 51 Mevalonato, 106 Michaelis-Menten cinetiche di,52 costante di, 17 equazione di, 17 Micro-nutrienti, carenze di, 123 Microtlora intestinale, 213 Micronutrienti, 219, 220 essenziali, 221 Microsomal ethanol-oxidising system, 179 Microsorni, 179 Microvescicole, 158 citoplasmatiche, 145 Microvilli, 139 Milza, 130 Minerali, 126,219,220 assorbimento dei, 215 biodisponibili, 130 del latte, 129 riassorbimento dei, 140 Miofibrille, ricambio delle proteine delle, 206 Mioglobina, 223 Miristoil-CoA, 239 Miristoil-transferasi, 239 Mitocondrio/i, 75, 94, 254 zinco nei, 232 Modello/i ad adattamento indotto, 15 allosterici, 25 chiave-serratura, 15 sequenziale, 26 Modificazione post-traduzionale, 239 post-traslazionale delle proteine, 237 Molecole di adesione, 269 lipidiche con specifiche attività, 147 Molluschi, 130 Monociti, 266 adesione dei, alle cellule endoteliali, 269 Monofenoli, 54 Monogliceride, 147 Monoossigenasi, 33 Monosaccaridi, 211 Morbo di Parkinson, 221 di Wilson, 221 Muco, 139 Muscolo/i, 140, 145,204,239 cardiaco, 165 degradazione delle proteine del, 206 scheletrico, 163,164 taurina nel, 152 Mutagenesi sito-diretta, 60 Mutazioni, 260, 265 non riparate, 265

N N-acetilgalattosamina, 183 N-acetilglucosamina, 183 N-acetilglutammato, 114,208 sintetasi, 113 N-acil-transferasi, 195 N z,108 NS-metil-THF,38 NS,N1o-metilen-THF,38 N1°-formil-tetraidrofolato, 119 N1°-forrnil-THF,38 Na+ cotrasporto con, 155 K+ ATPasi, 75 simporto con, 144 NAD+, 32, 93 NADH+ W, 99 NADH deidrogenasi, 97 NAD+, rapporto, 180, 181 riossidazione dell', 178 NADP+,32 NAPE hydrolyzing phospholipase D, 195 PLD,195 NAT,195 Neonato, stomaco del, 156 Nervo vago, 139, 156 Neurotrasmettitori, 171,237,240 Niacina, 32, 237 Nichel, 41 Nicotinammide adenin dinucleotide, 93 Nitrati, 108 Nitrazione, 257 Nitriti, 108 Noradrenalina, 101, 171 Norepinefrina, 171, 245 Novel food, 135 Nucleasi, 68 Nucleosidi trifosfato, 35 Nucleotidi purinici biosintesi dei, 241 e pirimidinici, catabolismo dei,

115 Numero di turnover, 19 Nutriente/i, l, 127,214 assorbito, 221 del latte, 264 di origine vegetale, 264 disponibilità dei, 134 energetici, 126, 127,263 livelli dei, 165 essenziali, 235 glicidici, 123, 126 lipidici, 270 minerali, 215 negli alimenti fortificati, 134 non assorbito, 221 per il neonato, 127 plastici, 127,263

Indice analitico

o Obesità, 197,213,266 prevenzione dell', 214 OGM, 61, 67, 135 enzimi provenienti da, 135 impiego in campo agroalimentare di, 135 Oleuropeina, 127 Oligoelementi, 217, 219, 220, 268 Oligomeri,9 Oligopeptidi, 155 assorbimento di, 155 bioattivi, 156 neU'enterocita, 155 Oligosaccaridi, 143 Olio/i, 126, 147, 160 d'oliva, 126,270 extravergine, 127 tocoferoli nell', 127 digestione degli, 147 Olive, 126, 147 Olo-enzima,235 Omeostasi, 72, 168,221,224 dei metalli, 221 del calcio, 251 del ferro, 226 del rame, 221 Omeprazolo, 159 Omocisteina, 241 deidrasi, 239 Omotropico negativo, 24 positivo, 24 OMP,119 Opsina,250 Organismi aerobi, 255 geneticamente modificati (OGM), 61, 67,135 Orlo a spazzola, 139 Ormone/i, 168 amidati, 246 catecolaminici, sintesi di, 245 della crescita, lO I elemento di risposta all', 254 maturazione dell', 169 peptidici, 246 amidazione di, 245 steroidei, 147, 151, 198,240 tiroideo/i, 248, 254 iodazione degli, 256 Ornitina, 113 transcarbamilasi, 113 Orotato-5'-monofosfato, 116 Ortaggi, 125 Orto-difenoli, 54 Ossalacetato, 88, li O, 173, 180 Ossalato, 215 Ossidante, 75 Ossidasi, 33, 256 Ossidazione/i

degli acidi grassi, 133 dell'acetaldeide, 177, 178 dell'etanolo, 133 sistema microsomiale per l', 177 di alcoli, 177 e fermentazioni, 75 resa energetica delle, 75 ~-ossidazione, lO l, 188 Ol-ossidazione, 188 Ossido/i ferrici, 227 ferrosi, 226 nitrico, 256 funzioni dell', 257 Ossigenasi, 245 Ossigeno, 223, 255 riduzione dell', 256 univa1ente dell', 256 rifornimento di, 165 singoletto, 256 specie reattive dell', 256 trasporto dell', 223 Ossipro1ina, 130 Osteocalcina, 255 Osteoclasti, attivazione degli, 252 p

p-nitrofeni1fosfato, 52 p-nitrofenolo, 52 PAF,189 Palmitato, 105 Palmitoil-CoA, 103 Pancreas, 160 cellule B del, 266 zinco rilasciato dal, 232 Pane, 211 bianco, 209 Panificazione, 215 Papaina,56 Paradosso francese, 131, 268 Paratiroidi, 252 Paratormone, 252 Parkinson, morbo di, 221 Pasta, 209 Pasteur, effetto, 86 Pastorizzazione, 62 Patate, 211 Pato1ogie arteriosclerotico-ipertensive, 268 dell'abbondanza, 122 dell'apparato digerente, basi molecolari di, 263 PCR, 64 di tipo quantitativo, 67 Pectin-esterasi, 58 Pectin-liasi, 58 Pectinasi, 58 Pectine, 58, 212 Pellagra, 32, 237 Pentoso fosfato, via del, 89, 91

281 PEP,82 PEPCK, 88, 97 Pepsina,44, 154, 157 Pepsinogeno, 44, 154, 157 PEPTl, 155 PEPT2, 155 Peptide/i C, 169 dosaggio del, 169 immunogenici, 265 Peristalsi, 139 Permeasi, 74 Perossidasi, 63, 223, 256 Perossidazione dei lipidi, 258, 259 Iipidica, 259 Perossido/i, 259 di idrogeno, 256 Perossinitrito, 256, 257 inattivazione del, 260 Perossisomi, 256 Peroxisomal proliferator-activated receptors, 193 Pesci, 130 grassi, 131 magri, 131 PFK-1, 81, 87, 89 PFK-2,90 PGT,193 Piastrine, 255, 266, 268 Picchi insu1inemici, 266 Piridossale, 239 fosfato, 37, 86,109,239,240 gruppo fosforico del, 239 Piridossamina, 239 fosfato, 239 Piridossina, 239 Piridosso10, 239 Pirimidine, 115 catabolismo delle, 115 Piroglutammato, 157 Piruvato, 110, 164, 180 carbossilasi, 88, 97, 110 chinasi, 82, 87, 90, 171 decarbossilasi, 37 deidrogenasi, 37, 93, 173 (El), 93 complesso della, 92 tautomerizzazione cheto-enolica del, 78 PKF-2,89 pKR,53 Placca/he ateromasiche, 266, 268 fibrosa, 268 Plasmamembrane, 145, 198 recettori di, 20 l PLP, 37, 86, 109 PNP,52 PNPP,52 Polarità, 72 Poli(ADP-ribosio) polimerasi, 237

282 Polifenoli, 126, 127,217,265 Polifenolossidasi, 54 Poligalatturonasi, 212 Polimerasi, reazione a catena della, 64 Poliposi familiare congenita, 265 Poliribosilazione, 237 Polisaccaride/i, 43, 140,211 di riserva degli animali, 140 eterogenei, 211 non digeribili, 209 Polymerase Chain Reaction, 64 Pompa/e, 157, 158 ATP dipendenti, 224 protonica/he, 158 inibitori delle, 159 sodio-potassio, 144 Ponti disolfuro intracatena, 45 Porfuine, 240 Potassio, 220 Potenziali di membrana, 164 PPAR,193 Pre-pro-insulina, 169 Pre-vitamina A, 247 Prebiotici, 135 Primers,64 Probe,67 Probiotici, 129, 135 Procarbossipeptidasi A, 44 B,44 Processi fennentativi,215 infiammatori, 269 Prodotti da forno, 56 naturali, 134 Proelastasi, 44, 45 Proenzimi, 44 Profosfolipasi A2 , 49 Proinsulina, 169 Prolil-endopeptidasi, 265 Prolina, 124, 128,130,215,245,264 monoossigenasi, 245 Propionato, 213, 243 Prostaciclina, 188 sintasi, 188 Prostacicline, 187 Prostaglandina/e, 187,253,254 El, 101 12 , 188 isomerasi, 188 reduttasi, 188 trasportatore delle, 193 Prostanoidi, 187 Proteasi, 155,265 inibitori delle, 125,215 lisosomiali, 205 Proteasoma, 109,207 Proteinasi, 56 Proteina/e, 6, 126 a dita di zinco, 230 a ferro zolfo, 223

Indice analitico a ferro-eme, 223 acilazione di, 239 bifunzionale, 90 C,254 che attiva la 5-lipossigenasi, 190 chinasi,27 degradazione delle, 44 dei cereali, 123 dei legumi, 125 del latte, 128 del muscolo, degradazione delle, 206 del siero, 128 della carne, 130 delle LDL, 267 delle miofibrille, ricambio delle, 206 di deposito, 222,224 di membrana, 144,145 di riserva, 124 digestione delle, 153 endogene, demolizione delle, 205 fosfatasi, 28 G, 196,250 idrolisi acida ed enzimatica, 153 in pesci, crostacei e molluschi, 130 integrali della membrana, 69 modificazione post-traslazionale, 237 periferiche, 69 regolatrice/i, 230 del ferro, 224 della glucochinasi, 89 8,254 sintesi di, 169 transmembrana, 69 trasportatrice degli acili, 106 vegetali, 124 zinco legato alle, 228 Proteolisi limitata, 205 specifica, 205 Protidi, 125, 134 Proto-oncogeni, 265 Protomeri, 25 Provitamina D, 250 PRPP, 116 Pteridina, 240 Pteroil monoglutammato, 240 poliglutammato, 241 Ptialina, 140 Purificazione dell'enzima, 53 Purine, biosintesi delle, 241

Q Quencher, 67

R Racemizzazione, 239 Radiazioni ionizzanti, 258

Radicale/i, 269 idrossile, 256, 257, 258 idrossilico, 222 liberi, 222, 256,267 perossile, 259 superossido, 256, 257 Radiolisi, 258 Rame, 39, 131,228,232,259 assorbimento del, 231 fonti alimentari di, 230 forma rameica, 228 rameosa, 228 introdotto con la dieta, 230 omeostasi del, 221 Rapporto colesterolo LDLlcolesterolo HDL, 203 insulina/glucagone, 172, 174, 175 NADHVNAD+, 180, 181 oleico/linoleico, 127 tocoferolo/acidi grassi polinsaturi, 126 Reactive oxygen species, 256 Real-time PCR, 67 Reazione/i a catena, 259 della polimerasi, 64 accoppiamento di, 80 accoppiate, 78 allergiche, 128 anaplerotiche, 96, 105 autoimmune, 266 cascata di, 155 di amidazione, 157 di carbossilazione, 255 di Fenton, 222,256, 258 di idrossilazione, 245, 250 di Maillard, 123 di metilazione, 184, 241, 265 di ossido-riduzione, coenzimi nelle, 32 endoergoniche, 77 esoergoniche, 76 lattico-deidrogenasica, 180 ossidative, 75 ossido-riduttive, 75 redox,75 Recettore/i cannabici, 194 dell'insulina, 169 della transferrina, 224 di membrana, 196 di plasmamembrane, 201 nucleari, 248, 251 spazzino, 267 vanilloidi, 195 Regolazione allosterica, 24 da legame covalente, 27, 44, 47 dei livelli di gastrina, 157 dell'appetito, 161

Indice analitico dell 'attività enzimatica, 19 della esochinasi, 89 della glicemia, 172 enzimatica del metabolismo, 23 Rene, 205 Rennina, 58, 128 Reporter, 67 Residui metossilici,212 tiolici, 257 Resistenza dell'amido, 209 Respirazione cellulare, 75 Reticolo endoplasmico, 150, 179 Retina, taurina nella, 152 Retinal binding protein, 247 Retinale, 246, 248 Retinil-estere, 247 Retinoic acid receptor, 252 Retinoidi, 246, 248 Retinolo, 246, 247, 250 Riassorbimento del calcio nel tubulo renale, 251 del colato, 152 di acqua e sali nel colon, 213 Ribitolo, 33, 236 Riboflavina, 236 Ribosio-5-fosfato, 91, 92 Ribulosio-5-fosfato, 92 Ricambio delle proteine delle miofibrille, 206 di colesterolo, 213 Riciclo delle LDL, 269 Riconoscimento cellulare, 183 Riduttasi, 33 Riduzione dell'ossigeno, 256 della colesterolemia, 213 della glicemia post-prandiale, 213 della lattasi, 263 univalente dell' ossigeno, 256 Rilascio del calcio intracellulare, 237 di glucagone, 172 FUInanenze, 202, 247 Riossidazione dell 'NADH, 178 Rischio cardiovascolare, 200, 203, 269 di malattie cardiovascolari, 213 Riserva/e alcalina, 205 diATP,174 di glicogeno, 164, 172 di glucosio, 164 energetica, 163, 164, 174 di trigliceridi, 166 nei vegetali, 140 glicidiche, 134, 163 lipidiche, 163 Riso, 124 Risposta autoi=unitaria secondaria, 265 glicemica, 209

insulinemica, 209 pronta, 175 ritardata, 176 RNA,5 Rodopsina, 250 ROS,256 Ruolo anabolico, 96 catabolico, 96

5 S-adenosil omocisteina, 241 S-adenosilmetionina,241 Saccarasi, 44 isomaltasi, 142 Saccarosio, 43, 44, 126,227 intolleranza al, 264 Saccharomyces cerevisiae, 56 Saggi di laboratorio, 147 immunoenzimatici EIA, 62 Sali biliari, 147, 149, 151, 153, 160, 198, 250 minerali, 125, 134 Sandwich, 63 Sangue, 168 portale, aminoacidi nel, 205 Sanitizzazione, 62 Saturazione della transferrina, 228 Schiff, base di, 239, 267 Scissione fosforolitica, 43 idrolitica, 43 SDS-PAGE, 63 Secretina, 156, 160 livelli di, 160 Secrezione di gastrina, 157 di insulina, 172 endocrina, 139 esocrina, 139 Seleno-cisteina, 258 Semi, 147 di legumi, 125 interi, 211, 212 Semideidroascorbato, 244 Sequenze PEST, 207 Serina, 46, 69 deidrasi, 239 proteasi, 44 meccanismo catalitico delle, 46 Serotonina, 240 via biosintetica della, 237 Sfmgomielina, 69 Sfintere pilorico, 160 Sidro, 54 Siero proteine del, 128 zinco nel, 232

283 Simporto, 74 con Na+, 144 Sintesi del glicogeno, 172 di acidi grassi, 171 di apo-ferritina, 224 di colesterolo, 153 di glicogeno, 171 di metallotioneine, 232 di mRNA, 252 di niacina, 237 di ormoni catecolaminici, 245 di proteine, 169 di succinil-CoA, 243 proteica, 5, 171 Sistema/i della glicogeno fosforilasi, 28 sintasi,28 di allungamento degli acidi grassi, 106 di trasporto facilmente saturabile, 145 endocannabinoide, 195 immunitario dell'intestino, 140 linfatico, 150, 165 microsomiale per l'ossidazione dell'etanolo, 177 navetta, 100 malato/ossalacetato, 178 nervoso, 145, 164,205 autonomo, 139 centrale, 139 proteici antiossidanti, 261 venoso portale, 152 Sito catalitico, 235 Sodio, 140,220 potassio, pompa, 144 Sole, esposizione al, 250 Solvente, 3 Sonda, 67 Sostanze fenoliche, 269 lipidiche, 126 polifenoliche, 269 Sovraconsumo, 123 Spazio/i di Disse, 248 intermembrana, 94 Specie reattive dell'ossigeno, 256 Specificità, 46 deU' enzima, 19 delle calpaine, 206 Squalene, 106 Statine, 199 Statoli conformazionali, 25 R (relaxed), 25 T (tensed), 25 di transizione, 14 rameico, 245 rameoso, 245 Steatosi epatica, 181

284 Sterilizzazione, 62 Steroli, 129 Stomaco, 138, 156, 160 del neonato, 156 fondo dello, 147 Stress ossidativo, 260 Striature lipidiche, 267 Strutturale chimica dei glicidi, 211 primaria, 6 quaternaria, 9, 26 ramificate, 140 secondarie, 6 supersecondarie, 9 terziaria, 9 Substrati, 13 Subtilisina, 60 Subunità,9 Succinato, 95 deidrogenasi, 95, 97, 235 Succinil-CoA, 95, 110 sintesi di, 243 sintetasi, 95 Succo/hi di frutta, 55,56, 58 digestivi, 233 gastrico, 154, 157,243 pancreatici, 137, 149,233 Superossido dismutasi, 232, 258 citosolica, 258 Sviluppo embrionale, 254 Svuotamento gastrico, 160

T Tabacco, 54 Tannini, 215, 217, 227 condensati, 215 idrolizzabili, 215 legame alle proteine dei, 215 Taq polimerasi, 64 Taurina, 151,152 Taurocolato, 151 Tautomerizzazione cheto-enolica del piruvato, 78 Tecnologiale . alimentari, 51 del DNA ricombinante, 13, 56, 59 Termociclizzatore, 64 Tessuto adiposo, 145, 166 connettivo, 130 muscolare, 130 Test di laboratorio, 235 ~9-tetraidrocannabinolo, 194 Tetraidrofolato, 38, 241 Thermus aquaticus, 64 THF,38 Thyroid hormone receptor, 253 Tiamina, 235 pirofosfato, 37, 93, 235

Indice analitico Timina, 115 Tiocianato, 55 Tioesteri, 149 Tiol proteasi, 44 Tirosina, 224 chinasi, 169 Tirotropina, lO l Tocoferolo/i, 261 acidi grassi polinsaturi, rapporto, 126 nell'olio d'oliva, 127 a-tocoferolo, 259 Tossicità da cadmio, 232 dei metalli di transizione, 221 del glutine, 264 TPP, 37, 93 Traduzione, 5 trans-retinale, 250 trans-retinolo, 250 Transaldolasi, 92 Transaminasi, 109, 112 Transaminazione/i, 109,239 Transchetolasi, 92 Transcobalamine, 244 Transdeaminazione, 110 Transferrina, 224, 258 recettore della, 224 saturazione della, 228 Transglutaminasi, 265 Trascrizione, 5 di geni, 169 genica, fattori di, 248 Trasduzione di segnali, 205 Trasformazione maligna, 260, 265 Trasmissione del segnale, 257 Trasportatore/i a un elettrone, 256 a due elettroni, 256 acil-camitinalcarnitina, 103 del fruttosio, 264 del glucosio sodio-dipendente, 144 della membrana basale, 159 delle prostaglandine, 193 di aminoacidi, 155 di gruppi acilici, 35 di membrana, 157 GLUT-l, 145, 164 GLUT-2, 144,145, 165 GLUT-3, 145, 164 GLUT-4, 145, 169 GLUT-5, 145,264 GLUT-7,145 Trasporto, 137 attivo, 74 primario, 74 secondario, 74 degli elettroni, 223 dei lipidi, 150 del calcio negli enterociti, 251 del colato, 152 del ferro, 224, 226 del glucosio, 143

dell'ossigeno, 223, 223 di glucosio, 169 nelle fibrocellule muscolari, 175 di ioni, 157 dipendente da sodio, 237 facilitato (secondo gradiente), 164 passivo, 74 transmembrana, 72, 73, 155,221 unidirezionale, 144 Trea1asi, 44 Treonina, 112 Triacil-glicero10, 149 Triade catalitica, 46 Trigliceridi,48, 101, 126, 129, 147, 150,163,171 biosintesi dei, 167 consumo di, 173 nel plasma, livelli di, 201 riserva energetica di, 166 Triosi,81 Triosofosfato isomerasi, 81 Tripeptidi, 155,265 Tripsina,44, 154, 155,215 inibitore pancreatico della, 45 Tripsinogeno,44, 155 Triptofano, 123, 128, 130,237,240 Trombi, 268, 269 Trombina, 190,254 Trombociti, 188 Trombossano/i, 187, 188 sintasi, 188 TSH,101 Tuberi, 125 Tubuloli renale/i, 144, 155 riassorbimento del calcio nel, 251 Tumore del colon, 265 Tuorlo, 129

u Ubichinolo, 35 Ubichinone,35 Ubiquitina, 109,207 Ubiquitinazione, 207 UDP-glucosio, 83 pirofosforilasi, 83 UHT,62

m,53 Ultra high temperature, 62 Uniporto, 74 Unità Internazionale, 53 monocarboniosa, 240, 241 Uova, 129 Uracile, 115 Urea, 109, 113 ciclo dell', 113,203,208 Ureogenesi, 208 Uridjna trifosfato, 83 UTP, 83 Uva, 126

285

Indice analitico

v Valina, 112 Valori nutrizionali, 123 dei cereali, 124 delle proteine del siero, 128 delle uova, 129 di pesci, crostacei e molluschi, 130 Vasi venosi del villo, 150 Vasodilatazione, 257 Vasopressina, 101 Vater, ampolla di, 138 Vegetali freschi, 125 riserva energetica nei, 140 Velocità iniziale, 16 V a,52 massima, 17 Vena porta, 150, 165 succlavia, 150 Verdure, 125 Vescichetta biliare, 138 Vescicole secretorie, 150, 169 Via/e anfibolica,96 biosintetica della serotonina, 237 del pentoso fosfato, 89, 91 della cicloossigenasi, 186 della lipossigenasi, 186 di salvataggio, 114 respiratorie, 259 Villi, 138, 150 atrofia dei, 264 Vino, 268 componenti chimici del, 131 consumo di, 131, 268 Vitamin D receptor, 252 Vitamina/e, 125, 126, 134,214,265,268 A, 126, 130,246

forme attive della, 247 acido folico, 38 B (del gruppo), 129 BI' 37, 235 B 2,236 B 6 , 37, 239 coenzimi derivati dalla, 239 B I2 , 130, 154,228,242,244 C, 259 D, 126, 147, 151, 198,248,250,252 apporto dietetico di, 250 carenze di, 250 forma ormonale della, 254 funzione della, 251 D 3,250 E, 35,126,246,259,265 forma radicale della, 246, 259 H, 38, 237 idrosolubili, 129,235 K, 35, 254 ciclo della, 255 epossido, 255 forma attiva della, 254 K!,254 K 2 ,254 K 3,254 liposolubile/i, 126, 129, 131, 134,235 A,48 D,48 E,48 K,48 PP,237 solubili, 32 VLDL, 166,202 Vmax,17 Volume medio corpuscolare, 228

w Warfarina, 255

Western blotting, 63 Wilson, morbo di, 221

x Xantina, 115 ossidasi, 256 Xenobiotici, 176, 180 Xilosio, 211 Xilulosio-5-fosfato, 92

y Yogurt, 129,264

z Zattere, 71 Zimogeni, 155 pancreatici, 155 Zinco, 39,131,177,227,228,232 assorbimento dello, 230, 231 attività catalitiche dello, 228 deficienza nella dieta di, 233 disponibile, 230 fonti alimentari di, 230 introdotto con la dieta, 230 legato alle proteine, 228 nei globuli rossi, 232 nei mitocondri, 232 nel siero, 232 non assorbito, 232 plasmatico, 232 rilasciato dal pancreas, 232 Zolfo inorganico, 223 Zuccheri liberi,211 semplici, 140

Finito si stampare nel mese di agosto 2006 dalle Arti Grafiche Casagrande, Colognola ai Colli (VR) per conto della Piccin Nuova Libraria S.p.A, Padova

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