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BIOCHIMICA
TRASPORTO DELL’OSSIGENO
Senza l’ossigeno le cellule non riescono a produrre energia(ATP). L’ossigeno è un elemento apolare(insolubile in acqua) perciò deve essere trasportato nel sangue dall’emoglobina e dalla mioglobina(solo nelle cellule muscolari). Sono entrambe proteine globulari ma l’emoglobina è costituita da 4 sub-unità(64 kDa) mentre la mioglobina solo da 1 sub-unità(18 kDa). L’emoglobina è configurata in una struttura quaternaria, cioè l’orientazione delle varie sub-unità, che può essere di due tipi. Ogni sub-unità è fornita di un gruppo eme, che lega con l’ossigeno, formato dal ferro bivalente(Fe2+) e dalla protoporfirina IX. Le 4 sub-unità dell’emoglobina si dividono in α 2 e β 2 ed è l’emoglobina più diffusa nell’uomo adulto. Scambi gassosi Nei polmoni l’emoglobina lega l’ossigeno e lo porta ai vari tessuti dove lo rilascia; l’emoglobina carica d’ossigeno è chiamata ossi-emoglobina, quella scarica deossi- emoglobina. Oltre che al trasporto dell’ossigeno l’emoglobina si occupa anche del trasporto di anidride carbonica(CO 2 ) non più legandola al gruppo eme ma alla parte proteica ammino-terminale diventando carb-ammino emoglobina(carb-ammino-terminale). L’emoglobina rilascia e cattura ossigeno in funzione della concentrazione del gas nell’ambiente(pressione parziale); se è presente molto ossigeno nei polmoni allora l’emoglobina può legare, viceversa nei tessuti periferici. Si parla quindi di saturazione dell’emoglobina(satura=completa, insatura=vuota); se satura 1 allora è piena al 100%(4 sub), se satura 0,5 allora è piena al 50%(2 sub). Nell’adulto il livello di saturazione dell’emoglobina è configurato come una curva sigmoidea, significa quindi che nei tessuti periferici a piccole variazioni ambientali di ossigeno si hanno elevate variazioni di saturazione dell’emoglobina(rilascerà tanto ossigeno).
L’emoglobina ha 2 strutture:
- Tesa(T)
- Rilassata(R) Quando si forma la configurazione quaternaria l’emoglobina si raggruppa in dimeri (α e β) che si avvicinano per costituire i tetrameri. Nella conformazione tesa i dimeri sono legati più strettamente mentre in quella rilassata ci sono meno legami e l’emoglobina è meno rigida. Il passaggio da una struttura all’altra dipende dalla presenza di ossigeno; se è presente poco ossigeno la struttura assume la conformazione tesa e viceversa se viene legato più ossigeno si modifica la conformazione in rilassata. AFFINITÀ=Quanto facilmente l’emoglobina lega con l’ossigeno. Ogni molecola di ossigeno che viene legata, l’affinità con il gas aumenta e si legano più facilmente altre molecole; si parla quindi di cooperatività del legame e lo stesso procedimento avviene nel processo contrario(ogni molecola di ossigeno che viene liberata fa aumentare la velocità e la facilità di cessione delle altre molecole del gas). EFFETTO BOHR È uno dei fattori che può condizionare il comportamento dell’emoglobina modificandone la conformazione da R a T, condizionando quindi l’affinità della stessa con l’ossigeno. L’anidride carbonica reagisce con l’acqua per formare l’acido carbonico(H 2 CO 3 ) che dissocia in ambiente acquoso(rilascia uno ione H+) diventando HCO 3 -^ ovvero ione bicarbonato. Quando questo fenomeno avviene nel globulo rosso l’H+^ protona l’emoglobina scarica di ossigeno e stabilizza la forma da R a T massimizzando la quantità del gas rilasciato. Si ha inoltre una diminuzione del PH dei tessuti che favorisce il rilascio di ossigeno. EFFETTO TEMPERATURA Anche la temperatura condiziona l’affinità dell’emoglobina con l’ossigeno; infatti con l’aumento della temperatura l’ossigenazione dell’emoglobina aumenta, viceversa più è bassa la temperatura più l’emoglobina fatica a rilasciare l’ossigeno.
NUTRIENTI
GRASSI O LIPIDI
I lipidi si dividono in lipidi di riserva(trigliceridi o triacilgliceroli formati da glicerolo
- 3 acidi grassi) immagazzinati nel tessuto adiposo e lipidi strutturali ovvero i lipidi di membrana(fosfolipidi formati da glicerolo + 2 acidi grassi + 1 testa polare) che mantengono la struttura cellulare. Gli acidi grassi sono acidi carbossilici a lunga catena anfipatici(hanno una porzione polare e una apolare); la lunga catena può essere satura(solo legami semplici tra gli atomi di carbonio quindi l’acido ha una configurazione trans cioè lineare) oppure insatura(sono presenti dei doppi legami tra gli atomi distribuiti nella configurazione cis cioè ripiegata). Gli acidi grassi essenziali sono l’acido linoleico e l’acido linolenico che vanno introdotti con la dieta e permettono all’organismo di produrre altri acidi grassi. Un acido grasso molto importante è l’acido arachidonico che è il precursore nella sintesi delle prostaglandine coinvolte nei processi infiammatori. I lipidi vengono digeriti nell’intestino ma per farlo vengono emulsionati(disgregati per essere attaccati dagli enzimi digestivi) grazie ai Sali biliari(bile), tra cui troviamo l’acido colico(formato da una parte polare e un sistema ad anelli apolare che lega con il lipide e lo disgrega). Gli enzimi che attaccheranno i lipidi emulsionati sono le lipasi che si formano dall’attivazione della prolipasi ovvero uno degli zimogeni secreti dal pancreas. Nella digestione la lipasi scinde il glicerolo dai 3 acidi grassi: il glicerolo viene poi assorbito dai villi intestinali mentre le molecole di acidi grassi vengono assorbite dalla mucosa intestinale, attraversano la membrana cellulare che le riconverte nei triacilgliceroli(associandole a una molecola di glicerolo) e vengono accorpati nei chilomicroni(lipoproteina). I chilomicroni entrano nel sistema linfatico fino a raggiungere il torrente circolatorio(ci mettono più tempo rispetto alle altre macromolecole). Gli acidi grassi vengono poi rilasciati dai chilomicroni ai tessuti che ne hanno bisogno, interviene quindi una lipasi specifica presente nel sangue(lipoproteinlipasi) che digerisce nuovamente i trigliceridi delle lipoproteine e permette di liberare gli acidi grassi(non il glicogeno). Per attaccare la lipoproteina utilizza come ancora un’apolipoproteina chiamata apoC2. Gli acidi grassi entrano quindi nelle cellule dei tessuti(adipociti e miociti=cellule muscolari) al fine di essere ossidati per la produzione di energia(ATP) oppure per essere risintetizzati in trigliceridi(riesterificati) e depositati nelle cellule(riserva).
Lipoproteine La lipoproteina è una proteina che presenta uno strato di lipidi(membrana mono strato con colesterolo) con all’interno i trigliceridi sintetizzati dalle cellule intestinali(sulla superficie sono presenti le apolipoproteine che distinguono le varie lipoproteine). Le lipoproteine in ordine da quella con la densità più bassa alla più alta e dalle più grandi alle più piccole sono i chilomicroni, le VLDL, le LDL e le HDL. Oltre alla differenza di densità anche la percentuale di lipidi contenuti è differente tra le lipoproteine: tutte hanno fosfolipidi e apolipoproteine come elementi strutturali e trigliceridi e colesterolo come contenuti ma tutti in percentuali differenti l’uno dall’altra. I chilomicroni e le VLDL ad esempio contengono più trigliceridi mentre le LDL e le HDL trasportano maggiormente colesterolo. L’apolipoproteina più importante è l’apob100 che si associa ad un particolare recettore in grado di riconoscere le LDL. I chilomicroni vengono sintetizzati nell’intestino e contengono i grassi derivanti dalla digestione. Ciò che resta una volta svuotati completamente sono le rimanenze dei chilomicroni che vengono eliminate dal fegato riciclandone le sostanze utili. Il fegato inoltre si occupa di sintetizzare anche gli acidi grassi che verranno inseriti nelle VLDL per essere portati ai tessuti; una volta vuote si avranno le rimanenze delle VLDL chiamate IDL che in parte vengono eliminate e riciclate dal fegato e in parte restano in circolo mutando in LDL che distribuiscono il colesterolo principalmente ai tessuti extraepatici. Il colesterolo esogeno viene ceduto ai tessuti dalle LDL in seguito all’esterificazione del colesterolo(legato ad un acido grasso) che lo rende idrofobico(estere del colesterolo). Le LDL per cedere il colesterolo vengono fagocitate per endocitosi dalle cellule in seguito all’associazione dell’apoB100(solo sulle LDL) con un recettore di membrana che le porta all’interno; una volta entrata il recettore viene riesposto mentre la lipoproteina viene digerita dal lisosoma che libera il suo contenuto nel citosol. Le HDL, prodotte da fegato e intestino, nascono invece come precursori e passano tra i tessuti per recuperare i rifiuti di colesterolo riempiendosi gradualmente(trasporto inverso del colesterolo) e riportandoli al fegato che li eliminerà con la bile o li utilizzerà per sintetizzare i Sali biliari.
PROTEINE
Sono polimeri di aminoacidi con un gruppo “R” che varia a seconda del tipo. Gli aminoacidi sono uniti da legami peptidici che si formano tra il gruppo amminico e il gruppo carbossilico. In base alla loro natura si distinguono in aminoacidi polari(positivi, negativi, non carichi) e apolari(aminoacidi aromatici). Le proteine vengono digerite a livello dello stomaco grazie all’azione dell’acido cloridrico(abbassa il PH) e al pepsinogeno(attivato a pepsina), entrambi secreti dalle cellule della mucosa gastrica. Il pepsinogeno viene secreto in forma inattiva per evitare l’autodigestione e si attiva grazie al PH acido che denatura le proteine ed espone i legami peptidici. A questo punto interviene la pepsina che taglia le proteine in peptidi. L’intestino poi continua la digestione con altri enzimi e neutralizza il PH acido grazie al bicarbonato secreto dal pancreas insieme gli enzimi digestivi(zimogeni) in forma inattiva. Nell’intestino si attivano a proteasi attive per degradare i peptidi in aminoacidi che verranno assorbiti dalla mucosa intestinale e riversati nel sangue diretti al fegato. Gli zimogeni sono pro-enzimi attivati tramite taglio: l’enteropeptidasi taglia il tripsinogeno attivandolo in tripsina che andrà a tagliare tutti gli altri zimogeni(uno di questi è la prolipasi che verrà tagliata attivandosi in lipasi per la digestione dei lipidi). Gli aminoacidi possono essere utilizzati per sintetizzare glucosio(aminoacidi glucogenici) oppure per sintetizzare i corpi chetonici(aminoacidi chetogenici). Ci sono poi degli aminoacidi essenziali da introdurre con la dieta alimentare e non essenziali che il corpo autoproduce. Gli aminoacidi vengono quindi utilizzati così:
- 400 g/die circa per la formazione delle proteine corporee;
- 30 g/die circa per la sintesi di porfirine(gruppo eme), creatine, purine, pirimidine, neurotrasmettitori e altri composti contenenti azoto;
- Una quantità variabile viene distribuita in parte per la sintesi di glucosio e glicogeno, in parte per la sintesi di corpi chetonici, acidi grassi e steroidi e in parte come combustile(quando non sono utilizzati nelle reazioni biosintetiche) liberando anidride carbonica.
METABOLISMO
Si divide in una fase ossidativa(catabolismo) dove i nutrienti vengono ossidati tramite specifiche vie metaboliche: l’energia dei nutrienti viene estratta sintetizzando ATP, NADH, NADPH e FADH 2 (rappresentano l’energia chimica) e rimangono prodotti di scarto(H 2 O, CO 2 , NH 4 ). L’organismo utilizza l’energia nella seconda fase detta riduttiva(anabolismo) dove vengono sintetizzate le macromolecole essenziali alla vita cellulare. Dalle proteine otteniamo gli aminoacidi, dai grassi gli acidi grassi e il glicerolo, dai carboidrati i monosaccaridi. Nel catabolismo, indipendentemente dal nutriente da cui si parte, si converge verso la molecola di acetil-CoA(fase convergente) mentre nell’anabolismo si parte dalla molecola del coenzima e si diverge verso le altre macromolecole(fase divergente). SINTESI DI ATP Per sintetizzare ATP servono NADH e FADH 2 (coenzimi ovvero piccole molecole necessarie per la funzione di alcuni enzimi) che esistono in questa forma ridotta (NADH + H+^ e FADH 2 ) ed hanno anche una forma ossidata(NAD+^ e FAD). La forma ridotta è generata in una via metabolica mitocondriale chiamata ciclo di Krebs(o dell’acido citrico o degli TCA); qui l’acetil-Coa subisce una serie di reazioni, gli elettroni legano con i coenzimi ridotti e vengono ossidati i composti liberando CO 2 (responsabile dell’effetto Bhor). Gli elettroni entrano nella catena di trasporto degli elettroni accoppiata alla fosforilazione ossidativa(legano O 2 e formano H 2 O). FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA Nelle creste interne del mitocondrio, i coenzimi cedono i loro elettroni al complesso 1 riducendosi, gli elettroni ceduti passano dai complessi 3 e 4 e vengono prodotti protoni che escono dalla matrice ed entrano nello spazio intermembrana. Questo crea un accumulo di potenziale che verrà utilizzato dal complesso 5(ATP sintasi) dove un enzima sfrutterà l’energia per catalizzare ATP dall’ADP. Gli elettroni legheranno poi con l’ossigeno che si riduce in H 2 O, l’ossigeno viene infatti chiamato accettore finale degli elettroni. Il complesso 2 lavora in parallelo al complesso 1 ma accetta solo gli elettroni provenienti dal coenzima FADH 2. I complessi contengono proteine in grado di ossidarsi e ridursi.
nella via metabolica del pentoso-fosfato producendo NADPH(coenzima importante per le vie biosintetiche che sintetizzano macromolecole per detossificare le tossine) e il ribosio 5 fosfato(per la sintesi dei nucleotidi); questa via metabolica non consuma e non produce energia. LIPIDI: gli acidi grassi nella cellula si aggregano in micelle e diventano inutilizzabili; esiste quindi il coenzima A che si complessa con una molecola di acido grasso rendendolo idrosolubile; la reazione forma un composto chiamato acil-CoA, ora gli acidi grassi entrano nei mitocondri. Per essere sintetizzati in molecole di acetil-CoA vanno ridotti ossidandoli con la β- ossidazione(ogni 2 atomi di carbonio ossidati si ottiene una molecola di acetil-CoA). Dall’ossidazione degli acidi grassi si ottiene acetil-CoA, NADH e FADH 2 (dall’acido palmitico si ottengono 131 molecole di ATP). La biosintesi degli acidi grassi avviene nel citoplasma di tutte le cellule ma principalmente nel fegato, nel tessuto adiposo e nelle ghiandole mammarie(durante la lattazione). La sintesi degli acidi grassi avviene con l’aggiunta di CO 2 all’acetil-CoA che diventa malonil-CoA, in seguito viene aggiunto un acetil-CoA tramite 7 reazioni fino a raggiungere la lunghezza dell’acido grasso richiesta(per l’acido palmitico vanno aggiunti 7 acetil-CoA quindi 7 reazioni ognuno). L’acetil-CoA è convertito in malonil-CoA grazie all’enzima acetil-CoA carbossilasi che se viene inibito ferma la sintesi di acidi grassi. Insulina e glucagone possono modificare la fosforilazione dell’acetil-CoA carbossilasi: l’insulina attiva la fosfatasi che defosforila l’enzima attivandolo, il glucagone invece disattiva la fosfatasi che fosforila l’enzima disattivandolo. Il malonil-CoA, oltre a partecipare alla sintesi di acidi grassi, ne blocca l’ossidazione in caso di necessità; questo fa sì che funzioni una via metabolica o l’altra(o l’ossidazione o la sintesi di acidi grassi). Tutte le cellule del nostro organismo sono in grado di sintetizzare colesterolo oltre a quello distribuito alle cellule dalle LDL. Anche per la sintesi di questo lipide si parte dall’acetilCoA proveniente sia dal glucosio sia dagli acidi grassi. La via metabolica è lunga e coinvolge circa 20 reazioni ma quella regolata è la prima dove sono coinvolti nuovamente insulina che favorisce la sintesi di colesterolo (secreta quando l’organismo ha molta energia) e glucagone che ne blocca la sintesi (secreto quando si ha poca energia). Il colesterolo stesso all’interno della cellula agisce regolando la quantità e la sintesi di altro colesterolo(feedback negativo). Il colesterolo è il precursore di ormoni steroidei(glucocorticoidi sintetizzati nella corteccia del surrene per il metabolismo dei carboidrati, mineralcorticoidi che
regolano il riassorbimento di sodio cloro e bicarbonato e gli ormoni sessuali per regolare lo sviluppo dell’organismo), vitamina D(metabolismo osseo di calcio e fosfato) e Sali biliari. AMINOACIDI: per ossidare l’aminoacido bisogna rimuovere il gruppo aminico, la molecola diventa un chetone chiamato chetoacido convertito in intermedio del ciclo di Krebs, entra nel ciclo di Krebs e sintetizza in ATP. Il gruppo aminico dell’aminoacido viene aggiunto all’α-chetoglutarato che si trasforma in glutammato(questo processo si chiama transaminazione e gli enzimi sono le transaminasi); il glutammato non serve alla cellula e viene trasformato in glutammina e alanina(aminoacidi) che possono essere rilasciati nel torrente circolatorio fino ad arrivare al fegato dove entrano nel ciclo dell’urea(negli epatociti), l’urea viene poi filtrata dai reni ed eliminata con l’urina. Assorbimento nella fase nutrita Fegato: il centro di distribuzione dei nutrienti alimentari è quindi il fegato. Utilizza il 60% del glucosio proveniente dall’intestino per la sintesi di acetil-CoA, immagazzinato come glicogeno e piruvato. L’acetil-CoA, che non viene usato per produrre ATP, viene utilizzato per sintetizzare acidi grassi quindi trigliceridi che entreranno nel sangue trasportati dalle VLDL. Gli aminoacidi vengono convertiti in piruvato o intermedi del ciclo di krebs e trasformati in triacilgliceroli. Tessuto adiposo: nel metabolismo del tessuto adiposo(adipocita) entra glucosio, solo se è presente insulina, utilizzato per sintetizzare ATP e NADH che, oltre a fornire energia, verranno trasformati in acetil-CoA per la sintesi di acidi grassi e trigliceridi. Quando l’apporto calorico eccede la spesa energetica i lipidi vengono immagazzinati nel tessuto adiposo sotto forma di triacilgliceroli. Muscolo: il glucosio che entra(dipende dall’insulina) viene utilizzato dal tessuto muscolare per la sintesi di ATP e acetil-CoA o immagazzinato come glicogeno mentre gli aminoacidi entranti vengono utilizzati per la sintesi di proteine. Cervello: nel metabolismo del cervello entra solo il glucosio come molecola energetica(non regolato da insulina) e viene utilizzato principalmente per produrre ATP(glicolisi, piruvato, acetil-CoA, ciclo di Krebs) Nella fase nutrita viene rilasciata insulina dal pancreas che riduce il glucosio nel sangue e coordina le cellule nella produzione di ATP e nella sintesi di proteine, glicogeno e trigliceridi. Dopo circa 6 ore dal pasto inizia la fase di digiuno(carenza di nutrienti).
I corpi chetonici vengono sintetizzati nel fegato a partire dall’acetil-CoA: 2 molecole vengono compressate a formare l’acetoacetil-CoA, se ne aggiunge una terza a sintetizzare il 3-idrossi-3-metilglutaril-CoA che verrà riceduta per formare l’aceto acetato. I corpi chetonici vengono utilizzati come fonte di energia per il cuore, i muscoli scheletrici, i reni e il cervello. L’acetil-CoA da cui vengono sintetizzati deriva dal metabolismo di acidi grassi, aminoacidi e glucosio. Assorbimento nella fase di digiuno Fegato: utilizza gli acidi grassi per ricavare energia al fine di sintetizzare i nutrienti per il resto dell’organismo(glucosio e corpi chetonici); una parte di piruvato utilizzato dal fegato viene riciclato dagli scarti dei tessuti ovvero gli aminoacidi glucogenici, il lattato e l’alanina oppure ricavato dai gliceroli. Tessuto adiposo: degrada i trigliceridi in acidi grassi e glicerolo rilasciati poi nel sangue(una parte di acidi grassi rimane nell’adipocita e utilizzati per sopravvivere). Muscolo: il metabolismo diventa principalmente lipidico; gli acidi grassi vengono ossidati in acetil-CoA(β-ossidazione) che entra nel ciclo di Krebs, anche i corpi chetonici si trasformano in acetil-CoA ed entrano nel ciclo di Krebs. Le proteine vengono degradate in aminoacidi, uscenti dalla cellula, che diventeranno precursori della gluconeogenesi. Cervello: utilizza il glucosio nel metabolismo aerobio ma se scarseggia glucosio viene sintetizzato acetil-CoA dai corpi chetonici. INSULINA e GLUCAGONE Presenza di INSULINA EFFETTI POSITIVI EFFETTI NEGATIVI Assunzione del glucosio Gluconeogenesi Sintesi del glicogeno Glicogenolisi Sintesi delle proteine Lipolisi Sintesi dei grassi Presenza di GLUCAGONE EFFETTI POSITIVI EFFETTI NEGATIVI Glicogenolisi Glicogenesi Gluconeogenesi Chetogenesi Assunzione degli aminoacidi
