Scarica Legami deboli e strutture molecolari e più Appunti in PDF di Biochimica solo su Docsity! BIOCHIMICA La materia Tutto ciò che occupa spazio ed è dotato di massa → massa vs peso Essa può essere descritta e identificata mediante le sue proprietà: Chimiche – rappresentano il comportamento di una sostanza in relazione ad altre sostanze con le quali può dar luogo ad una reazione Fisiche – caratteristiche che descrivono il comportamento della materia in seguito a sollecitazioni di tipo fisico con modificazione dell’energia contenuta senza che essa si modifichi La tavola periodica Regola dell’ottetto Gli atomi tendono il più possibile a completare i loro ottetti mediante coppie di elettroni messi in compartecipazione. Si applica agli elementi del secondo periodo, come C, N, O e F. Legami tra gli atomi Legame ionico → l’atomo di un metallo con pochi elettroni sullo strato esterno, bassa elettronegatività e forte tendenza a perdere elettroni per rimanere con lo strato sottostante completo, viene a contatto con un non-metallo con elettronegatività elevata e forte tendenza ad acquistare elettroni per completare lo strato esterno , si avrà il passaggio di uno o più elettroni esterni dall’atomo del metallo a quello del non metallo con formazione di ioni positivi – cationi - e ioni negativi - anioni. Formazione di cloruro di sodio: Na (metallo)con un elettrone nello strato esterno, tende a perdere questo elettrone, mentre Cl (non-metallo) con 7 elettroni nello strato esterno, tende ad acquisire un elettrone completando lo strato. Il metallo si trasforma in ione Na+, mentre il non-metallo diventa ione Cl-. Il legame ionico di natura elettrostatica si forma quando i due ioni di segno opposto (catione-anione) si avvicinano sino alla distanza che permette la massima attrazione tra i due (distanza di legame) Legame covalente → È il legame più forte ed avviene tra due atomi di non-metalli, essi mettono in compartecipazione una o più coppie di elettroni esterni per completare lo strato elettronico esterno e raggiungere la configurazione elettronica stabile del gas nobile. L’energia del legame è misurata dall’energia per romperlo. Il legame covalente può essere puro (o omopolare) quando si forma tra atomi dello stesso elemento o con uguale elettronegatività; mentre si dice polarizzato (o eteropolare) quando si forma tra atomi con differente elettronegatività Il legame covalente dativo → in alcuni casi la coppia di elettroni condivisa deriva da uno solo dei due atomi. Nell’imagine l’atomo N possiede un doppietto elettronico non condiviso che utilizza per formare in legame covalente con il protone e acquisisce contemporaneamente una carica positiva. Questa reazione tra ammoniaca e un portone porta alla formazione di una ione ammonio. Legame dipolo-dipolo → sono forze intermolecolari di natura elettrostatica che si instaurano fra le estremità di segno opposto di molecole vicine che per loro natura presentano una separazione di carica permanente. Questo legame obbliga le molecole ad assumere un ben preciso orientamento tra di loro. Nella struttura terziaria sono spesso evidenti zone (domini) in cui prevale la struttura α-elica, assumendo una conformazione globulare idrofilica dove i gruppi R polari sono orientati verso l’esterno; oppure β a pieghe, assumendo una conformazione fibrosa caratterizzata da legami idrofobici fra le varie catene β. 1) dominio α 2)dominio β 3) domini α e β Struttura quaternaria Questa struttura rappresenta il risultato di associazioni non covalenti di più subunità a formare un complesso proteico. Proteine Le proteine enzimatiche Enzima= proteina= catalizzatore che agisce abbassando l’energia libera di attivazione di una reazione chimica permettendo il raggiungimento di questa in minor tempo. Gli enzimi non modificano l’equilibrio di una reazione, ma semplicemente accelerano il raggiungimento dell’equilibrio. Gli enzimi non sono modificati nella reazione e al termine di una trasformazione, possono catalizzarne subito un’altra Ogni enzima è specifico ed agisce su un gruppo molecolare chiamato con il nome di substrato. Questo si inserisce nel sito attivo: un incavo con proprietà chimiche e strutturali. Ogni enzima, infatti, contiene all’interno della sua configurazione terziaria un sito attivo cove avviene l’evento catalitico di cui l’enzima è responsabile. Alcuni enzimi possiedono anche un sito allosterico che riconosce molecole non correlate al substrato che fungono da attivatori o inibitori dell’enzima. Classificazione enzimi: Ossidoreduttasi – aggiunta o rimozione di atomi di idrogeno da molti gruppi chimici Transferasi – trasferimento di gruppi funzionali da molecole donatrici a molecole accettrici le chinasi sono specifiche transferasi adibite al trasferimento di un gruppo fosfato Idrolasi – Aggiunta di acqua ad un legame con contestuale rottura Liasi – aggiunta di acqua, ammoniaca o anidride carbonica ad un doppio legame o loro rimozione Isomerasi – isomerizzazione cis-trans, cheto-enolica, aldoso-chetoso (isomerasi). Epimerizzazione (epimerasi e racemasi). Trasferimento intramolecolare di gruppi (mutasi) Ligasi – formazione di un legame covalente accoppiata alla rottura di un legame ad alto contenuto di energia di idrolisi (sintetasi) →Compartimentalizzazione degli enzimi coinvolti in diverse vie metaboliche Isoenzimi: catalizzano la stessa reazione, risiedono in tessuti diversi e hanno diversa struttura primaria. Specificità di substrato e di azione – per esplicare la sua funzione, l’enzima deve combinarsi chimicamente col substrato. Nel 1894 Fischer propose la sua "ipotesi della serratura e della chiave" (lock and key hypothesis) implicante una complementarietà tra substrato ed enzima legata a specifiche conformazioni molecolari. La teoria dello stato di transizione – una teoria particolarmente utile per affrontare la catalisi e la cinetica chimica in termini di struttura-reattività è la teoria dello stato di transizione. Questa teoria considera una reazione solo in termini di reagenti (stato fondamentale), specie chimiche più instabili presenti lungo le coordinate di reazione (stato di transizione), intermedi e prodotti. Lo stato di transizione corrisponde ad una specie chimica con legami non completamente formati e si situa, nel diagramma di reazione, nel picco più alto. Gli eventuali intermedi sono specie chimiche con legami completamente formati e si situano in avvallamenti del diagramma. La reazione chimica deve essere TERMODINAMICAMENTE FAVOREVOLE: Gprodotto – Gsubstrato= deltaG<0 Si abbassa l’energia di attivazione in reazioni catalizzate L’attività enzimatica è regolata per ottimizzare il rendimento cellulare/metabolico -Quantità di Enzima (Sintesi, trasformazione da Pro- Enzima a E. Attivo, Degradazione proteica) -Attività di Enzima (pH, T°, INIBITORI Competitivi e I. Non Competitivi) I fattoti principali che regolano l’attività enzimatica sono PH e temperatura. I polisaccaridi contengono più unità di monosaccaridi unite tra loro; presentano catene di varia lunghezza, con pesi molecolari molto diversi; da questi per idrolisi completa si ottiene un solo monosaccaride. Glicogeno: polisaccaride di riserva degli animali Le molecole di glucosio sono unite da legami: 1,4 α-glicosidici e 1,6 α-glicosidici La struttura è molto ramificata: una ramificazione ogni 8-12 unità di glucosio La sua massa molecolare è molto elevata: fino a 100.000 unità di glucosio Il glicogeno contribuisce alla omeostasi del glucosio nell’organismo, riducendone l’eccesso fornito dal cibo ingerito; accumulandolo e restituendolo al sangue quando le cellule dell’organismo ne necessitano Amido: polisaccaride di riserva delle piante Le molecole di glucosio sono unite da legami: 1,4 α- glicosidici e 1,6 α-glicosidici La struttura: 80% amilopectina (catene ramificate con c.a 5000 unità di glucosio) 20% amilosio (catene lineari da c.a 300 unità di glucosio) Cellulosa: polisaccaride strutturale delle piante (legno, cotone, canapa, lino, paglia) Legami: 1,4 β-glucosidici Struttura lineare (non ramificata) di c.a 5000 unità di glucosio È in grado di formare fibrille: macromolecole lineari strutturate da legami H ed avvolte a spirala. Differenze tra amido e cellula Unica differenza chimica fra amido (legami α-glucosidici) e cellulosa (legami β-glucosidici): la STEREOCHIMICA del legame glucosidico sul carbonio 1 anomerico delle unità di glucosio . L’uomo possiede gli enzimi capaci di idrolizzare unicamente i legami α-glucosidici. I lipidi Una delle quattro principali classi di sostanze biologicamente attive. I lipidi sono costituenti delle piante e degli animali, caratterizzati da particolari proprietà di solubilità; INSOLUBILI IN ACQUA E SOLUBILI NEI SOLVENTI ORGANICI NON POLARI Possono essere divisi in diverse classi: acidi grassi, trigliceridi, fosfolipidi, cerebrosidi o glicolipidi, cere, prostaglandine, terpeni, steroidi Acidi grassi Componenti della maggior parte dei lipidi naturali, infatti sono la loro componente strutturale. Sono acidi monocarbossilici con più di tre atomi di C; la catena alifatica può essere satura (senza doppi legami), insatura (con doppi legami cis o trans), ramificata. Quelli più frequenti nei tessuti di mammifero hanno catena lineare e numero pari di atomi di carbonio che vanno dai 14 ai 24; la formula generale è CH3-(CH2)n-COOH. Proprietà fisiche degli acidi grassi: in soluzione acquose, gli acidi grassi (molecole anfipatiche) formano strutture denominate MICELLE; esse racchiudono le sostanze che devono essere eliminate (come ad esempio nei saponi) Triesteri del glicerolo (trigliceridi) Rappresentano la miglior forma di accumulo di energia perché essendo altamente idrofobici espellono H2O dal loro interno compattando la gocciolina di grasso che li contiene. Le proprietà chimiche: i trigliceridi sono derivati dall’esterificazione dei gruppi alcolici -OH del glicerolo trigliceride = glicerolo+3acidi grassi l’idrolisi dei trigliceridi è anche detta saponificazione. Principali acidi grassi insaturi dell’organismo: il metabolismo umano non può inserire doppi legami tra il C9 e l’estremità omega; pertanto gli acidi grassi con omega-6 o meno sono essenziali in quanto l’uomo non è in grado di sintetizzarli e devono essere assunti con la dieta. Punti di fusione→ aumentando il grado di insaturazione della catena diminuisce la probabilità che si contraggono legami intermolecolari Acido stearico (18:0)= 69.7° Acido oleico (18:1)= 16° Acido linoleico (18:2)= -5° Fosfolipidi I fosfolipidi costituiscono circa il 40% delle membrane cellulari (l'altro 60% sono proteine), grazie alle loro proprietà anfipatiche e al fatto che in parte siano insolubili. I fosfolipidi dono dotati di proprietà tensioattive e abbassano la tensione superficiale dei liquidi. GLICEROFOSFOLIPIDI costituiti da glicerolo, acidi grassi, fosfato SFINGOFOSFOLIPIDI costituiti da sfingosina, acidi grassi, fosf2ato (C18H37NO ) Vitamine e coenzimi Vitamine: composti organici necessari in piccola quantità per le normali funzioni biologiche, che l’organismo non è in grado di sintetizzare, e devono essere presenti nella dieta. In una dieta equilibrata costituiscono il 25% dei nutrienti Classificazione vitamine Le proteine idrosolubili sono escrete dai reni, non si accumulano nei tessuti e sono generalmente utilizzate come coenzimi; quelle liposolubili si accumulano invece nei tessuti formando depositi e potrebbero provocare patologie se ingerite in eccesso. Alcuni enzimi richiedono cofattori per la propria attività: ioni essenziali e coenzimi Citocromi – esempio di proteine con coenzima I citocromi sono enzimi che contengono come coenzima il gruppo prostetico eme, grazie al quale legano l'ossigeno permettendone l’utilizzo nel processo della respirazione cellulare. Gruppo prostetico = non si dissocia dall’enzima. Classificazione dei coenzimi Non essenziali – sintetizzati da comuni metaboliti: nucleosidi trifosfati e ATP Essenziali – derivati da vitamine B3-Niacina e coenzimi NAD+ e NADP+ NAD = nicotinammide adenina dinucleotide La niacina (acido nicotinico) è un precursore di NAD e NADP, la mancanza di questa vitamina provoca la pellagre. La si può assumere da cereali, carne (rossa) e legumi (anche noccioline) Sintesi NAD+ - NADP+ (Triptofano) Il nicotinato (niacina) deriva dal triptofano. Gli esseri umani possono sintetizzare la quantità necessaria di nicotinato se l’apporto di triptofano nella dieta è adeguato. NADP+ è derivato da NAD+ per fosforilazione del gruppo 2′-idrossile della frazione di adenina ribosio. Entrambi sono coinvolti in molteplici reazioni di ossidoriduzioni, fungendo da accettori dello ione idruro estratto dai substrati tramite deidrogenasi piridiniche. poiché queste reazioni sono reversibili e sono dipendenti dal pH, ne consegue che NADH e NADPH possono anche venire ossidati a seconda delle necessità. Forme ossidate e ridotte di NAD (NADP): NAD e NADP sono cosubstrati per le deidrogenasi (ossidoriduzioni) L’enzima deidrogenasi trasferisce uno ione idrogeno e elettroni da un substrato al NAD+ o al NADP+. La reazione netta è: Riboflavina e i suoi coenzimi La riboflavina è il maggior costituente di FAD e partecipa a numerose reazioni redox, ad esempio a quelle che coinvolgono ossidasi e deidrogenasi come la decarbossilazione ossidativa del piruvato, ossidazione di acidi grassi ad amminoacidi, trasporto di elettroni durante la fosforilazione ossidativa. I sintomi di avitaminosi B2 sono dermatiti e cheilosi (lesioni alle labbra); le sorgenti principali della vit. B2 sono piante e microrganismi. La differenza fondamentale tra FAD e FMN è quello che molecola FAD contiene due componenti nucleotidici , mentre FMN contiene solo un componente nucleotidico metabolismo cellulare e accoppiamento energetico Ciclo ATP → Reazioni ATP ➔ FOSFORILAZIONE: addizione di un gruppo fosfato. Fosforilazione ossidativa: sintesi di ATP da reazioni di ossidazione di substrati energetici. Fosforilazione a livello del substrato: trasferimento di un gruppo fosfato ad alta energia da un substrato fosforilato all’ADP (nella glicolisi) Fotosintesi o fotofosforilazione: cattura dell’energia luminosa della radiazione solare e trasformazione in energia chimica. Intermedio comune (PPi ) Pirofosfato (PPi ): prodotto intermedio comune a due reazioni, la sua idrolisi determina un aiuto energetico per la reazione chimica ad essa accoppiata. Si accoppiano reazioni energeticamente favorevoli ad altre energeticamente sfavorevoli Composti ad alto potenziale energetico: il valore intermedio di energia libera dell’idrolisi dell’ATP, rispetto a quello di altri fosfati organici, ha un significato importante. Produzione di ATP: Catabolismo: Trasporto informazioni a livello fisiologico Esistono tre tipi diversi di gestione del trasporto di “informazioni” a livello fisiologico: 1) autocrina: agenti chimici di sintesi intracellulare che hanno il loro target sia nel citoplasma sia, una volta secreti, a livello di Recettori di membrana 2) paracrina: messaggeri chimici che diffondono in un’area opportuna ed interagiscono con Recettori specifici (Citochine, Neurotrasmettitori) 3) endocrina: messaggeri chimici secreti nel sangue da ghiandole endocrine e trasportati all’organo bersaglio. Gli ormoni appartengono ai messaggeri di tipo endocrino. Sono messaggeri chimici in grado di esplicare la loro funzione sia dall’esterno delle cellule senza abbandonare la circolazione, o entrando nelle cellule stesse. Essi agiscono sempre tramite recettori posti o nello spessore della membrana delle cellule bersaglio o nel citoplasma e nel nucleo. Esistono due classi di ormoni: A) PEPTIDICI B) STEROIDEI Classificazione degli ormoni: L’eterogenea natura chimica dei diversi Ormoni determina la seguente classificazione: 1. Proteici e peptidici: insulina, glucagone, ormoni ipofisari, paratormone, calcitonina, e ormoni derivati da tessuti non endocrini 2. Steroidei: corticosurrenali e sessuali 3. O. derivati da Amminoacidi: adrenalina, noradrenalina, tiroxina (T3) triiodotironina (T4) 4. O. derivati da Acidi Grassi: eicosanoidi 5. O. derivati da vitamina D2 e D3: colecalciferolo Ormoni Proteici e peptidici: circolano nel sangue, ma non permeano le Mb. cellulari Ormoni Steroidei: circolano nel sangue legati a proteine (globuline, albumine) Interazione Ormone-Recettore: dipende da natura chimica degli ormoni Recettori di membrana: ormoni idrofilici (adrenalina, insulina, glucagone, ormoni pepetidici) Recettori citoplasmatici: ormoni corticosteroidei Recettori nucleari: ormoni sessuali, ormoni tiroidei e derivati da Vit. D Ormoni peptidici: Generalmente molecole idrofile, che si legano ai corrispondenti recettori sulla superficie delle “cellule bersaglio”, idonee a generare una risposta in seguito all’attivazione dei Recettori specifici (Proteine di Membrana) che danno avvio ad una sequenza di eventi intracellulari, i quali possono: a) alterare lo stato della cellula mediante la regolazione dei canali di membrana b) condurre il messaggio al Nucleo e, dunque, attivare o inibire l’espressione genica, mediante attivazione trascrizionale a livello dei promotori e degli enhancers di geni specifici Metabolismo – carboidrati Digestione e assorbimento dei carboidrati • Da poli- ed oligosaccaridi a monosaccaridi • Dall’esterno all’interno dell’organismo ➢ Bocca → amilasi salivare: idrolizza legami α1-4 glicosidici ➢ Piccolo intestino → amilasi pancreatica: idrolizza legami α1-4 glicosidici, prodotti: glucosio, maltosio, isomaltosio ➢ Piccolo intestino→ “idrolasi” specifiche: disaccaridi → monosaccaridi Principali carboidrati alimentari e loro prodotti di idrolisi Utilizzo del glucosio ematico nei tessuti → Glicolisi – respirazione cellulare Processo metabolico che consta di 10 reazioni, divise in due fasi, nel quale una molecola di glucosio con 6 atomi di C è degradata in 2 molecole di piruvato con 3 atomi di C. Quindi questa ossidazione del glucosio libera una certa quantità di energia che in parte è conservata sotto forma di ATP. Fase 1 – nel citosol 1 Glucosio + 2 NAD+ + 2 ADP + 2Pi → → 2 Piruvato + 2 NADH + 2 ATP + 2H+ + 2H2O Reazioni d’innesco Reazioni endoergoniche: vengono consumate 2 moli di ATP per mole di Glucosio GLUCOCHINASI Epatica -- Km= [Glucosio] 10mM ESOCHINASI Ubiquitaria-- Km= [Glucosio] 1mM REAZIONI ESOERGONICHE ACCOPPIATE A IDROLISI ATP - Fase di recupero energetico Ciclo di Krebs – Respirazione cellulare Fase 2 – nel mitocondrio struttura del mitocondrio I mitocondri sono formati da due membrane concentriche, una esterna relativamente liscia, ed una interna dotata di numerose creste che aumentano la superficie di scambio. Mentre quella esterna è permeabile alla maggior parte dei metaboliti, la membrana mitocondriale interna è relativamente impermeabile ed è molto ricca in proteine che rendono le funzioni di questa membrana altamente specifiche e dinamiche. Da dove provengono gli equivalenti riducenti utilizzati nella catena di trasporto degli elettroni mitocondriale per produrre ATP? → ciclo di Krebs Il ciclo di Krebs, o degli acidi tricarbossilici, è la via metabolica finale comune a tutte le vie cataboliche della cellula. In questo ciclo viene ossidato l’Acetil CoA prodotto nelle reazioni che degradano gli alimenti, a CO2 e H2O con produzione di NADH e FADH2. Prima reazione: Acetil-CoA (2C) si lega all’acido Ossalacetico (4C) e forma Citrato (6C). Il citrato subisce una serie di reazioni attraverso le quali si forma nuovamente ossalaceto. I 2 atomi di C sono rilasciati come CO2, con contemporanea formazione di NADH, FADH2 e GTP (analogo di ATP). 4Fe-4S cluster ferro- zolfo è il sito attivo dell’ACONITASI 1 atomo di Fe lega il Citrato Succinil CoA= tioestere ad elevato potenziale energetico Trasformazione del Succinil CoA produce DG -33.5 kJ mol-1 RIGENERAZIONE OSSALACETATO CON PRODUZIONE ENERGIA INTRINSECA ALLE MOLECOLE DI NADH E FADH2 Resa energetica dell’ossidazione completa di Acetil-CoA a due molecole di CO2 nel ciclo di Krebs ciclo di Krebs: processo anfibolico → strategia per la conversione degli alimenti in energia biologica (ATP) e in nuove molecole complesse → Glicogeno Glicolisi e Gluconeogenesi Vie biosintetiche e degradative, rispettivamente, che raramente utilizzano le medesime reazioni nella loro direzione diretta e inversa. Il metabolismo del Glicogeno soggiace al seguente principio: Vie metaboliche separate permettono una maggiore FLESSIBILITA’ sia dal punto di vista energetico che di controllo. Il glicogeno è un polimero di unità di glicogeno legate tra di loro da legami glucosidici α-1,4. Nei punti di ramificazione, le unità di glucosio sono legate l’una all’altra tramite legami α-1,6. Degradazione del glicogeno È opera di glicogeno fosforilasi, che attacca sequenzialmente le unità di glucosio poste ad una delle estremità libere del glicogeno. L’ortofosfato spezza il legame glicosidico tra C1 ed O glicosidico, rigenerando la configurazione C1α. Il clivaggio fosforolitico del Glicogeno è vantaggioso per il rilascio di uno zucchero già fosforilato, che non richiede consumo di ATP per iniziare la glicolisi. glicogeno fosforilasi agisce solo sui legami α-1,4. In prossimità delle ramificazioni (quando restano 3 unità di glucosio prima della ramificazione), una tranferasi sposta un gruppo di 3 unità di glucosio da una ramificazione all’altra e un enzima deramificante idrolizza il legame α-1,6 presente nei punti di ramificazione. Il risultato è una molecola lineare libera di glicogeno fosforilasi. Il fegato assolve alla funzione di mantenere costante la glicemia → Il glucosio 6-fosfato che deriva dal glicogeno può essere usato come carburante per il metabolismo aerobio, può essere convertito in glucosio libero nel fegato e successivamente rilasciato nel sangue, infine può essere processato dalla via dei pentosi fosfati per generare NADPH o ribosio in molteplici tessuti. Produzione di ATP Il controllo da PKA (protein Kinasi di tipo A) → rende mutualmente esclusive le sintesi e la degradazione del glicogeno La glicemia regola il metabolismo del glicogeno epatico. L'infusione di glucosio nel flusso sanguigno porta all'inattivazione della fosforilasi, seguita dall'attivazione della glicogeno sintasi, nel fegato. Sintesi del glicogeno → Per la sintesi del glucosio non sono utilizzate unità di glucosio, bensì di un complesso fra glucosio e Uridin trifosfato (UDP-glucosio). Tale complesso è aggiunto sequenzialmente alle estremità delle catene del glicogeno preformato e trasferite al gr.OH sul C4 del glucosio terminale di Glicogeno a formare un nuovo legame a1,4-glicosidico, catalizzato dalla GLICOGENO SINTETASI L’UDP è spiazzato dal gr.O H della catena Neosintetizzata Requisito perché avvenga la sintesi: la catena deve avere almeno 4 residui di glucosio Cascata regolatoria per la degradazione del glicogeno. La degradazione del glicogeno è stimolata dal legame ormonale ai recettori 7TM. Il legame ormonale avvia una via di trasduzione del segnale G-proteine dipendenti che si traduce nella rapida fosforilazione e attivazione della glicogeno fosforilasi. Enzima ramificante (leg. a1-6) → trasferisce 6-7 residui da catena lineare a posizione 6 di altra catena lineare. Il punto di ramificazione deve essere almeno 4 residui distante da altri punti di ramificazione Le ramificazioni aumentano la solubilità del Glicogeno Le ramificazioni aumentano i punti terminali delle catene di Glicogeno, ovvero, i siti d’azione della Glicogeno Fosforilasi e Sintetasi. Quindi aumenta la velocità di SINTESI e DEGRADAZIONE regolazione della sintesi di glicogeno insulina: rilasciata se alto glucosio ematico → inibisce= fosforilasi → stimola la sintetasi Glucagone: antagonizza Insulina, rilasciato nel digiuno Adrenalina: muscolo e adipociti → Stimolano la fosforilasi →Inibiscono la sintetasi Equilibrio del metabolismo del glicogeno Riserva energetica (muscolo) + Controllo glicemia (fegato) SHUNT PENTOSI – Ciclo dell’esoso monofosfato La via dei pentosi fosfati: È una via del catabolismo del glucosio che ha 2 funzioni principali: 1)produrre NADPH per le biosintesi riduttive; 2) produrre pribosio-5-fosfato per la biosintesi dei nucleotidi È costituita da due fasi: una prima fase ossidativa in cui si producono NADPH e ribulosio-5-fosfat, che viene isomerizzato a ribosio-5-fosfat; una seconda fase, detta non ossidativa, la quale avviene in condizioni in cui c’è necessità di potere riducente ma non di pentosi. Questi ultimi vengono riciclati in intermedi glicosilici grazie a 3 enzimi: 2 transchetolasi e i transaldolasi. Il NADH e il NADPH non sono metabolicamente intercambiabili: il NADH entra in gioco nei processi ossidativi, mentre il NADPH viene utilizzato nelle biosintesi riduttive. Le cellule mantengono il rapporto NAD+/NADH vicino a 1000 e quello NADP+/NADPH attorno a 0,01. NADPH = potere riducente (o antiossidante) utilizzabile per la biosintesi di macromolecole VS NADH utilizzabile dai mitocondri per la fosforilazione ossidativa e la produzione di ATP. Prima fase glicolisi → reazioni d’innesco vengono consumate due molecole di ATP/ 1 molecola di glucosio Regolazione di glicolisi e gluconeogenesi Regolazione genica: precursori gluconeogenesi aminoacidi glucogenici: proteine → alanina → transaminazione a piruvato o intermedi Krebs glicerolo: da demolizione dei trigliceridi gluconeogenesi Fegato, nella corticale del rene (no depositi Glicogeno-solo Gluconeogenesi) e nelle cellule epiteliali dell’intestino tenue, gli enterociti. In questi tessuti la sintesi de novo del glucosio non porta alla sua liberazione in circolo, essendo assente la glucosio 6-fosfatasi. Quindi, NO mantenimento della glicemia- solo ripristino Glicogeno. Glicogenolisi come fonte Glucosio. Nel digiuno breve → intervallo tra i pasti, durante la notte la glicemia è mantenuta da: Glicogenolisi epatica, rilascio di Acidi Grassi da tessuto adiposo, corpi chetonici da fegato. Dopo circa 18 ore di digiuno, le riserve di Glicogeno si esauriscono o insufficienti durante l’attività fisica intensa e prolungata. Se assenti Carboidrati, la gluconeogenesi diviene essenziale. L’importanza della sintesi de novo del glucosio = se glicemia scende al di sotto di 2 mol/L si verifica la perdita di coscienza DISPENDIO ENERGETICO Glicolisi, resa netta: 1 Glucosio + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O Gluconeogenesi: 2 Piruvato + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2 H+ + 4 H2O → 1 Glucosio + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi + 2 NAD+ Nel fegato, l’ATP necessario a sostenere la gluconeogenesi deriva dall’ossidazione degli Acidi Grassi o degli scheletri carboniosi degli aminoacidi, a seconda del “carburante” disponibile. Metabolismo degli acidi grassi Catabolismo (β -ox) Anabolismo o Sintesi Digestione, assorbimento e trasporto dei lipidi Lipidi = trigliceridi, fosfogliceridi, colesterolo, esteri del colesterolo (20-40% delle calorie assunte) Assorbimento: Emulsionamento, Idrolisi e trasporto ai tessuti che richiedono energia Gli Acidi Grassi devono essere attivati e trasportati ai Mitocondri e degradati in step successivi ad Acetyl CoA con ingresso nel Ciclo di Krebs Nelle lipoproteine plasmatiche i fosfolipidi contribuiscono a creare una superficie compatibile con l’acqua intorno alla massa dei trigliceridi trasportati nel sangue (=chilomicroni). I trigliceridi sono poi utilizzati dai tessuti (adiposo, muscolo scheletrico), idrolizzati ad acidi grassi (ossidati dalla maggior parte delle cellule) e glicerolo: trasformato in glicerolo-3Pi nel fegato, isomerizzato a diidrossiacetone fosfato e poi entra in glicolisi o gluconeogenesi. Il metabolismo dei trigliceridi nel tessuto adiposo e nell’adipocita in particolare. In rosso i comportamenti che portano al deposito, in verde quelli associati alla mobilizzazione → chetosi: si verifica dopo un digiuno prolungato (le riserve di carboidrati si sono esaurite) 1. Velocità Beta.Ox elevata 2. Attivazione Ciclo di Krebs scarsa 3. Eccesso Acetil CoA 4. Corpi Chetonici (acidi forti che rendono il sangue acido) 5. Se in eccesso:CHETOSI acidosi: si verifica dopo la chetosi perché quando un eccesso di acidi grassi viene bruciato come combustibile, gli acidi vengono prodotti all’interno del corpo umano e possono accumularsi. - Dieta sbilanciata-elevata percentuale di grassi - Substrati energetici - Prolungato esercizio fisico Formazione dei corpi chetonici in seguito all’accumulo di acetil-CoA. Questo fenomeno avviene specialmente nella matrice mitocondriale delle cellule epatiche durante il digiuno prolungato e nei soggetti diabetici. Come conseguenza dell’accumulo, due molecole di acetil- CoA si condensano a formare aceto-acetil-CoA; esso subisce varie reazioni che portano alla formazione di acetoacetato, β-idrossibutirrato e acetone. Questi composti sono rilasciati nel sangue. Mentre acetone può soltanto essere eliminato con la respirazione o nelle urine, acetoacetato e β-idrossibutinato sono utilizzati da alcuni altri tessuti per produrre energia. Anabolismo o sintesi La sintesi avviene nel citosol a differenza della degradazione, che invece ha luogo nella matrice mitocondriale. Gli intermedi nella sintesi degli acidi grassi sono legati covalentemente al gruppo solfidrile di una proteina trasportatrice di acile. La catena di acidi grassi in crescita è allungata dall'aggiunta sequenziale di due unità di carbonio derivate dall'acetil CoA. Il donatore attivato di due unità di carbonio nella fase di allungamento è il malonil-CoA (malonil ACP). La reazione di allungamento è guidata dal rilascio di CO2 Il riducente nella sintesi degli acidi grassi è il NADPH, mentre gli ossidanti nella degradazione degli acidi grassi sono NAD+ e FAD. L'allungamento da parte del complesso della sintasi degli acidi grassi si ferma alla formazione di palmitato (C16). L'ulteriore allungamento e l'inserimento di doppi legami sono effettuati da altri sistemi enzimatici. CITOSOL RICHIESTA ATP E NADPH+H+ per le riduzioni Sintesi degli acidi grassi: aspetti stechiometrici → la sintesi del palmitato (16C): Sintesi degli acidi grassi: regolazione 1) Variazione del contenuto intracellulare degli enzimi coinvolti 2) Modulazione dell’attività dell’Acetil-CoA Carbossilasi Colesterolo e sintesi Biosintesi del colesterolo→ 3 fasi: 1. Sintesi isopentenyl pyrophosphate = unità isoprenica attivata = base struttura Colesterolo 2. Condensazione di sei unità attivate di isopentenyl pyrophosphate a formare Squalene 3. Ciclizzazione dello Squalene nel prodotto tetraciclico finale = Colesterolo Il colesterolo è precursore degli ormoni steroidei (surrenale) e della vitamina D Il Colesterolo influenza la fluidità delle Membrane Cellulari→ inserimento nelle membrane Cellulari: - Gruppo OH forma legame H con carbonile della testa fosfolipidica e quindi interagisce direttamente con i Fosfolipidi di membrana - Coda idrocarburica si localizza nel doppio strato idrofobico e si intercala tra le code di Acidi grassi modificandone l’interazione - Il colesterolo modera la fluidità delle membrane, le rende meno fluide e meno soggette a transizioni di fase Le tre fasi della sintesi del colesterolo: 1- Sintesi unità isoprenica attivata da Acetil-CoA HMG-CoA: inibito da alti livelli Colesterolo e attivato/inattivato da de-/fosforilazione da secondi messaggeri (Glucagone-Insulina). Nel citosol HMG-CoA è ridotto a mevalonato, intermedio della sintesi del colesterolo; nei mitocondri HMA-CoA forma corpi chetonici. DEAMINAZIONE:
Citosol Mitocondrio
coo GLUTAMATE DEHYDROGENASE pg
I
CH, cH,
î
cHe è + A > CHaz +
—C-NHa g=o c=o
co, 00, co0,
Glutamate a-Keto acid a-Ketoglutarate esAmino acid
TRANSAMINAZIONE:
Sintesi AA a partire da chetoacidi
Transaminazione
po 00
ce coo id fee?
CH + CH n ih + Ha
c=0 [ASspartate ven Hc
coo- coo- coo-
Glutamate Oxaloacetate o-Ketoglutarate -—Aspartate
Deaminazione
COOH
NAD(P)' . Y —_
mi job) (Sl
pa
NAD(P)H + H'CHa H,O NH, CH
COOH COOH
Glutammato Imminoglutarato a-chetoglutarato
Enzima:|Glutammato deidrogenasi
a-Amino acid + NAD* GAD, a-ketoacid +5 NADH +H*
(or NADP*) (or NADPH)
GTP= inibitore
GDP= attivatore
* GAD è mitocondriale = compartimentalizzazione loni Ammonio, tossici
Bassa carica energetica accelera l'ossidazione degli aminoacidi
a-Amino acid a-Ketoglutarate X NADH (in)
ar-Ketoacid Glutamate NAD* XH.0
Diretta deaminazione serina → → → → → - Sintesi glutammina come chelante ioni ammoni - Traferita al fegato - Convertita poi un UREA nel fegato Degradazione degli amino acidi: 2) destino degli scheletri carboniosi , dopo rimozione dell’ alfa-amino gruppo strategia = trasformazione in intermedi convertibili a glucosio - ossidati ad acido citrico Scheletri carboniosi di 20 AA 7 molecole (pyruvate, acetyl CoA, acetoacetyl CoA, a-ketoglutarate, succinyl CoA, fumarate, oxaloacetate) AA CHETOGENICI: degradati a acetyl CoA o acetoacetyl CoA, corpi chetonici-acidi grassi [in giallo] AA GLUCOGENICI: degradati a pyruvate, a-ketoglutarate, succinyl CoA, fumarate, oxaloacetate (come intermedi di ciclo Krebs si convertono in fosfoenolpiruvico e poi glucosio x Gluconeogenesi) [in rosa] Il ciclo dell’urea – l’eliminazione dell’azoto Il fumarato può produrre ossalacetato, il quale, oltre a partecipare al ciclo di Krebs, può ricevere per transaminazione gruppi amminici generando aspartato che partecipa al ciclo dell’urea. Metabolismo degli aminoacidi – sintesi Famiglie biosintetiche di amminoacidi in batteri e piante In blu: precursori metabolici, in giallo: precursori aminoacidi essenziali, in grassetto: AA essenziali. I pathways di biosintesi degli aminoacidi se pur diversi, hanno un aspetto comune importante: lo scheletro carbonioso deriva da intermedi della Glicolisi, dal Ciclo dei Pentosi, dal Ciclo di Krebs. Mitocondrio - matrice →Krebs link La Sintesi di CARBAMMILFOSFATO è catalizzata da carbammilfosfato sintetasi I ,attivata alloststericamente da N-acetilglutammato.