Appunti, tutte le lezioni - Biochimica - a.a. 2015/2016 PDF

Preview

Summary

Il metabolismo una altamente regolata a cui cooperano molti sistemi multienzimatici per adempiere quattro funzioni specifiche: 1. Convertire le molecole nutrienti nelle molecole costituenti la 2. Ottenere energia chimica da utilizzare per compiere un 3. Polimerizzare i monomeri in 4. Sintetizzare le...

Description

Il metabolismo è una attività altamente regolata a cui cooperano molti sistemi multienzimatici per adempiere quattro funzioni specifiche: 1. Convertire le molecole nutrienti nelle molecole costituenti la cellula; 2. Ottenere energia chimica da utilizzare per compiere un lavoro; 3. Polimerizzare i monomeri in polimeri; 4. Sintetizzare le molecole necessarie per funzioni specializzate. In base alla fonte di atomi di carbonio possiamo distinguere gli organismi in autotrofi ed eterotrofi. La maggior parte delle cellule ha enzimi in grado di catalizzare sia la sintesi che la degradazione di specifiche molecole, ma le due vie metaboliche devono essere altamente regolate per impedire cicli futili. Molte vie anaboliche e cataboliche hanno in comune gli stessi substrati o gli stessi prodotti e possono avere molte reazioni comuni, ma almeno una delle tappe deve essere catalizzata da enzimi differenti nelle due vie. Le vie anaboliche e cataboliche avvengono in compartimenti cellulari diversi. Le vie metaboliche possono essere regolate dalla concentrazione di substarto o da regolatori allosterici. Negli organismi pluricellulari le vie metaboliche di tessuti diversi sono coordinate da messaggeri extracellulari. L’ATP è la moneta energetica che connette l’anabolismo con il catabolismo. I principali nutrienti metabolici sono il glucosio e gli acidi grassi. In circostanze normali il glucosio è l’unico nutriente che possa essere utilizzato dal cervello. E’ anche utilizzato preferenzialmente dal muscolo durante le fasi iniziali dell’attività fisica. La quantità di glu presente nei liquidi extracellulari è di circa 20g, 80kcal. I carboidrati sono immagazzinati sotto forma di glicogeno. Circa 75g presenti nel fegato e 400g nel muscolo(circa 1900kcal complessivamente).Il glicogeno epatico può essere la principale fonte di glucosio per non più di 16 ore. Gli esteri del glicerolo e gli acidi grassi a catena lunga sono i composti ideali per immagazzinare i nutrienti. L’apporto calorico dei grassi è 9 kcal/g. L’organismo possiede una capacità pressochè illimitata di accumulare grassi. Un uomo di 70kg ha circa 15 kg di grasso(trigliceridi) circa 130000 kcal. Gli aminoacidi possono essere utilizzati come combustibile metabolico durante il digiuno o in seguito a malattie o traumi.

GLICOLISI A digiuno l’utilizzo di glucosio in un individuo di 70 kg è approssimativamente di 2mg/kg/min (200gr nelle 24h). La concentrazione plasmatica di glucosio riflette l’equilibrio tra l’assorbimento dal tratto gastrointestinale, l’utilizzo a livello dei tessuti (glicolisi,via dei fosfopentosi, ciclo degli acidi tricarbossilici, sintesi di glicogeno) e la produzione endogena (glicogenolisi e gluconeogenesi). L’insulina è uno dei principali ormoni responsabili del controllo dei livelli plasmatici di glucosio. E’ un ormone anabolico che diminuisce la concentrazione plasmatica di glucosio promuovendone l’entrata nei tessuti, il metabolismo intracellulare del glucosio e la sintesi di glicogeno. Il glucagone (insieme a molti altri ormoni catabolici: catecolamine,cortisolo e ormoni della crescita) contrastano l’azione dell’insulina stimolando sia il rilascio di glucosio dalle riserve che la sua sintesi de novo. Il glucosio è l’unica fonte di energia per cervello, eritrociti, midollare renale e spermatozoi. I TRE STADI DEL CATABOLISMO Stadio I: idrolisi delle molecole complesse nelle loro unità costitutive. Stadio II: conversione delle unità costitutive in acetil CoA. Stadio III: ossidazione dell’acetil CoA; fosforilazione ossidativa. LE REAZIONI DELLA GLICOLISI

Tutti gli intermedi della via glicolitica sono fosforilati perché: 1.Sono intrappolati nella cellula; 2.L’energia derivata dall’idrolisi dell’ATP è parzialmente conservata nei legami fosfo-estere; 3.Il legame tra gruppo fosforico e sito attivo produce una energia di legame che contribuisce ad abbassare l’energia di attivazione La conversione del glucosio in piruvato avviene in due stadi. Le prime cinque reazioni della glicolisi corrispondono a una fase di investimento energetico. Le reazioni successive della glicolisi costituiscono una fase di generazione dell’energia, si formano al netto due molecole di ATP mediante la fosforilazione a livello del substrato, si formano anche due molecole di NADH; mentre se il prodotto finale è il lattato il NADH viene convertito in NAD+ La fosforilazione del glucosio catalizzata dall’esochinasi -> L’esochinasi è una transferasi che catalizza la fosforilazione di esosi come il glucosio e il fruttosio,è una reazione di attivazione mediante fosforilazione. Il gruppo fosforico terminale viene trasferito ad un accettore nucleofilo. L’ esochinasi è presente in tutte le cellule di tutti gli organismi. Gli epatociti contengono una forma di esochinasi chiamata esochinasi IV o glucochinasi, che differisce dalle altre forme di esochinasi per le proprietà cinetiche e regolatorie. (isoenzimi). La glucochinasi ha una Km per il glucosio molto maggiore della esochinasi e Vmax molto alta. Isomerizzazione del glucosio 6-fosfato a fruttosio 6-fosfato -> La reazione è rapidamente reversibile e non è la tappa limitante la velocità della glicolisi, né una reazione soggetta a regolazione. (Fosfoesosio isomerasi) La conversione del fruttosio 6-fosfato in fruttosio 1,6 bifosfato-> La reazione irreversibile di fosforilazione catalizzata dalla fosfofruttochinasi1, è il punto di controllo più importante della glicolisi, nonchè la tappa che regola la velocità della glicolisi. L’aldolasi A scinde il fruttosio 1,6 bifosfato in due triosi: gliceraldeide 3-fosfato e diifrossiacetone fosfato. Il trioso fosfato isomerasi catalizza l’interconversione del diidrossacetone fosfato in gliceraldeide 3-fosfato per essere ulteriormente metabolizzato nella via glicolitica. La fase di recupero dell’energia -> La conversione della gliceraldeide 3-fosfato in piruvato. Sintesi dell’ 1-3bifosfoglicerato. L’ossidazione del gruppo aldeidico della gliceraldeide 3-fosfato in un gruppo carbossilico è accoppiata all’unione di un P, al gruppo carbossilico appena generato. (Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi) Sintesi del 3-fosfoglicerato. E’ un esempio di fosforilazione a livello del substrato come la reazione che produce ATP e acido piruvico. L’energia derivante dall’idrolisi del legame fosfoanidridico dell’1,3 BPG viene utilizzata per sintetizzare ATP. Conversione della gliceraldeide 3-fosfato in 1-3bifosfoglicerato -> L’ossidazione del gruppo aldeidico della gliceraldeide3-fosfato in un gruppo carbossilico è accoppiata all’unione di un Pi, al gruppo carbossilico appena generato. La presenza di tale fosfato ad alta energia permetterà la sintesi dell’ATP nella reazione successiva. Sintesi del 3-fosfoglicerato -> E’ un esempio di fosforilazione a livello del substrato . Lo spostamento del gruppo fosfato dal carbonio 3 al carbonio 2 del fosfoglicerato ad opera della fosfoglicerato mutasi è liberamente reversibile. La deidratazione del 2-fosfoglicerato da parte dell’enolasi ridistribuisce l’energia all’interno della molecola di 2fosfoglicerato determinando la formazione del fosfoenolpiruvato (PEP) il quale contiene un fosfato enolico ad alta energia. Idrolisi del fosfoenolpiruvato(PEP) -> La conversione del PEP in piruvato è catalizzata dalla piruvato chinasi ed è un altro esempio di fosforilazione a livello del substrato; è seguita dalla tautomerizzazione spontanea del prodotto, il piruvato. La tautomerizzazione non è possibile nel

fosfoenol piruvato e quindi il prodotto dell’idrolisi è più stabile del reagente. Si ha anche una stabilizzazione per risonanza del P. La produzione di P ad alta energia è utilizzato per sintetizzare ATP (è accoppiata direttamente all’ ossidazione di un substrato). Fosforilazione a livello del substrato.

GLUCONEOGENESI DEGRADAZI ONEd ip ol i s a c c a r i d i( g l i c o g e noe p a t i c o , a mi d oog l i c o g e n oda l l ad i e t a ) >GLUCOSI O GLUCONEOGENESI( s i n t e s idap r e c ur s o r ino ng l u c i d i c i ) Lag l uc o n e o g e ne s iu t i l i z z ai lp i r u v a t oea l t r ic o mp o s t ia3o4a t o mid ic a r b o n i o( l a t t a t o ,p i r u v a t o , g l i c e r o l o …)p e r f or ma r eg l uc os i o . Av v i e n ep r i n c i p a l me n t en e lf e g a t o ,p e rv i ai n v e r s aa l l ag l i c o l i s i , ECCETTOTREREAZI ONI Re a z i o ne1:Gl u c os i o6 f o s f a t o>Gl u c os i o( g l u c os i o6 f os f a t a s i ) Re a z i o ne3:Fu t t o s i o1 , 6b i f o s f a t o>Fr u t t o s i o6 f o s f a t o( FBPa s i 1) Re a z i o ne10 :Pi r u v a t o>Os s a l a c e t a t o( p i r u v a t oc a r b o s s i l a s i )>PEP( PEPc a r bo s s i c h i n a s i )

I lt r a s p o r t od io s s a l a c e t a t od a lmi t o c on d r i oa lc i t o s o lèa c c omp a g na t od au na ume n t ode l l ac on c e n t r a z i o n ed iNADH c i t o s l i c o ,c h es a r àut i l i z z a t on e l l et a p p es uc c e s s i v ed e l l ag l u c on e o g e n e s i .

REGOLAZIONE GLICOLISI Il trasporto del glucosio Il glucosio non può diffondere direttamente nelle cellule. Esso entra nelle cellule mediante due meccanismi di trasporto: a) diffusione facilitata Na + indipendente b) co-trasporto Na + -monosaccaride Diffusione facilitata Na + indipendente • Avviene secondo il gradiente di concentrazione, per cui non richiede energia! • E’ un processo mediato da una famiglia di proteine comprendente almeno 14 trasportatori (GLUT- 1…..GLUT-14) • L’espressione è tessuto specifica (Glut-1 G. Rossi ed encefalo, Glut-2 fegato, rene...) • Questi trasportatori si trovano nella membrana cellulare • Il glucosio extracellulare si lega al trasportatore, esso modifica la propria conformazione e così trasporta il glucosio attraverso la membrana. Co-trasporto Na +monosaccaride • Richiede energia ! • Trasporta il glucosio contro il suo gradiente di concentrazione • E’ mediato da un trasportatore

• Il trasporto del glucosio è accoppiato al gradiente di concentrazione del Na+ (contemporaneamente trasportato dentro la cellula) • Questo trasporto avviene nelle cellule epiteliali dell’intestino, dei tubuli renali e del plesso corioideo

Le reazioni della glicolisi Fosforilazione del glucosio: intrappola lo zucchero nel citosol (gli zuccheri fosforilati non attraversano le membrane cellulari); è irreversibile; è catalizzata dall’enzima esochinasi (uno dei 3 enzimi regolatori della glicolisi, insieme a fosfofruttochinasi e piruvato chinasi). Nel fegato e nel pancreas è catalizzata dalla glucochinasi L’ esochinasi: catalizza la fosforilazione del glucosio nella maggior parte dei tessuti. Ha un’ampia specificità per il substrato (fosforila anche altri esosi); è inibita dal prodotto della reazione (glucosio 6- fosfato); ha una Km bassa per il glucosio (e quindi un’affinità alta); ha una Vmax bassa, per cui non possono essere fosforilati più zuccheri di quanti la cellula non ne possa utilizzare. La glucochinasi: è il principale enzima responsabile della fosforilazione del glucosio nel fegato e nelle cellule delle isole pancreatiche. Nel fegato facilita la fosforilazione del glucosio durante l’iperglicemia. Differisce dalla esochinasi perché: 1) ha una K m >> esochinasi (cioè richiede una [ glucosio] più elevata per raggiungere 1/2 Vmax) perciò funziona soltanto quando la [glucosio] negli epatociti è alta (p.es. dopo un pasto ricco di carboidrati) 2) ha una Vmax elevata (permette al fegato di eliminare con efficienza dal sangue portale il glucosio, anche dopo un pasto ricco di carboidrati, minimizzando l’iperglicemia durante il periodo dell’assorbimento) REGOLAZIONE DELLA GLUCOCHINASI INSULINA Negli epatociti,  l’attività della glucochinasi. FRUTTOSIO 6-FOSFATO e GLUCOSIO Nel nucleo c’è una proteina regolatrice della glucochinasi: 1) in presenza di fruttosio 6-fosfato (che si trova in equilibrio con il glucosio 6-fosfato), l’enzima si trasferisce nel nucleo, si lega alla proteina regolatrice e diventa inattivo. 2) un  di glucosio attiva l’enzima poiché provoca il distacco della glucochinasi dalla proteina regolatrice. L’enzima migra nel citosol e fosforila il glucosio a glucosio 6-fosfato L’isomerizzazione del glucosio 6-fosfato in fruttosio 6-fosfato: è catalizzata dalla fosfoglucosio-isomerasi. E’ reversibile Fosforilazione del fruttosio 6-fosfato a fruttosio 1,6 bisfosfato: è irreversibile; è catalizzata dalla fosfofruttochinasi-1 (PFK-1). E’ il punto di controllo più importante della glicolisi ed è la tappa che limita la velocità della via. La PFK-1 è inibita da:  ATP, citrato. La PFK-1 è attivata da:  AMP, ADP, fruttosio 2,6- bisfosfato. Regolazione della fosfofruttochinasi-1 (PFK-1) • La PFK-1 è INIBITA in modo allosterico da:  [ATP] (indicano abbondanza di composti ad alta energia)  [citrato] • La PFK-1 è ATTIVATA in modo allosterico da:  [AMP] (indicano un impoverimento della riserva energetica della cellula); fruttosio 2,6-bisfosfato Il più potente ATTIVATORE della PFK-1 è il fruttosio 2,6-bisfosfato: esso è sintetizzato in tutti i tessuti; la sua sintesi è (+) dall’insulina e (-) dal glucagone; funge da segnale intracellulare, indicando un’abbondanza di glucosio. La sua azione contemporanea sulla glicolisi [(+) fosfofruttochinasi-1] e sulla gluconeogenesi [(-) fruttosio 1,6 bisfosfatasi] fa sì che le due vie non siano attive nello stesso momento, evitando un ciclo futile. Durante lo stato alimentato nel fegato  [fruttosio 2,6 bisfosfato] con  della glicolisi. Durante il digiuno nel fegato si ha una  [fruttosio 2,6 bisfosfato ] con conseguente  della gluconeogenesi. La concentrazione di del regolatore allosterico fruttosio 2,6-bifosfato è mantenuta dalle velocità relative della sua formazione e demolizione. Questo composto si forma per fosforilazione del fruttosio-6-fosfato. Catalizzata dalla FOSFOFRUTTOCHINASI-2 (PFK-2) e viene demolito Dalla

FRUTTOSIO 2,6-BIFOSFATASI -2 (FBPasi-2). La PFK-2 e la FBPasi-2 Sono due attività enzimatiche separate presenti sulla stessa proteina bifunzionale. Regolazione della piruvato chinasi (a livello epatico) Nel fegato, la piruvato chinasi è attivata da un  [fruttosio 1,6-bisfosfato] (il prodotto della reazione della fosfofruttochinasi-1). Questa regolazione collega l’attività delle due chinasi:  attività fosfofruttochinasi (PFK-1)   [fruttosio 1,6-bisfosfato]  (+) piruvato chinasi La fosforilazione della piruvato chinasi (ad opera di una proteina chinasi cAMP dipendente) determina la sua inattivazione: 1) Quando la [glucosio] è bassa:  [glucagone]   [cAMP] intracellulare  fosforilazione della piruvato chinasi  (-) piruvato chinasi 2) Il fosfoenolpiruvato (PEP) non può continuare la via glicolitica e sarà utilizzato nella via gluconeogenica. La defosforilazione della piruvato chinasi (ad opera di una fosfatasi) riattiva l’enzima REGOLAZIONE DELLA GLICOLISI La regolazione della glicolisi è affidata a tre passaggi di importanza strategica: 1) fosforilazione del glucosio (esochinasi e glucochinasi); 2) la formazione di fruttosio 1,6-bisfosfato (PFK-1); 3) la formazione di piruvato (piruvato chinasi). • Nei tessuti, la glicolisi è un processo molto inibito cioè funziona ad una velocità molto bassa rispetto alla Vmax . • In tal modo le cellule possono modulare velocemente questo processo, senza ricorrere alla produzione di nuove proteine ed enzimi. • La regolazione della glicolisi è affidata ad enzimi regolatori che, in condizioni basali, sono molto inibiti. • Il controllo di questi enzimi avviene ad opera di effettori allosterici (piccole molecole che si legano ad un sito diverso dal sito attivo) o per mezzo di modificazioni covalenti (fosforilazione di una proteina). REGOLAZIONE ORMONALE DELLA GLICOLISI La sintesi dei 3 enzimi chiave della glicolisi (glucochinasi, fosfofruttochinasi e piruvato chinasi) è:  dall’ insulina  dal glucagone Un pasto ricco di carboidrati o la somministrazione di insulina  la sintesi dei 3 enzimi (è favorita la conversione del glucosio in piruvato). Nel digiuno e nel diabete, la [glucagone] è  e la sintesi dei 3 enzimi è  Destini alternativi del piruvato 1) Decarbossilazione ossidativa • via importante nei tessuti con elevata capacità ossidativa (cuore) • catalizzata dalla piruvato deidrogenasi • converte irreversibilmente il piruvato in acetil CoA (utilizzato nel Ciclo di Krebs o per la sintesi degli acidi grassi) 2) Carbossilazione ad ossalacetato • catalizzata dalla piruvato carbossilasi • rigenera gli intermedi del ciclo di Krebs e fornisce substrati alla gluconeogenesi 3) Riduzione del piruvato ad etanolo (F. alcolica) • avviene nei lieviti e in alcuni batteri

CATABOLISMO ACIDI GRASSI Triacilgliceroli Gli acidi grassi sono tra le principali molecole combustibili. Essi sono immagazzinati in forma di esteri del glicerolo, i triacilgliceroli (grassi neutri o trigliceridi). Quando gli acidi grassi vengono mobilizzati da queste forme di riserva, in seguito a specifici segnali ormonali, sono ossidati per soddisfare le richieste energetiche della cellula. Il principale sito di accumulo dei triacilgliceroli è il citoplasma degli adipociti, cellule specializzate nella sintesi e accumulo delle riserve lipidiche. Riserve di triacilgliceroli si trovano anche nei tessuti muscolari. Essendo conservati in forma anidra e ridotta, i triacilgliceroli rappresentano la più importante riserva di energia metabolica a lungo termine Assorbimento dei lipidi della dieta La maggior parte dei lipidi della dieta è costituita da triacilgliceroli che devono essere degradati ad acidi grassi per poter essere assorbiti a livello intestinale. Le lipasi sono enzimi intestinali secreti dal pancreas che, grazie all’azione dei sali biliari, degradano i triacilgliceroli consentendone l’assorbimento. I sali biliari, sintetizzati nel fegato a partire dal colesterolo, contengono molecole anfipatiche indispensabili per solvatare le molecole lipidiche ed esporle all’azione degli enzimi digestivi. Nelle cellule della mucosa intestinale, i triacilgliceroli sono risintetizzati e “impacchettati” in particelle lipoproteiche di trasporto, note come chilomicroni, che attraverso il circolo ematico e linfatico trasportano i lipidi della dieta a tutti i distretti dell’organismo. Lipidi accumulati in gocce lipidiche: nucleo di esteri sterolici, trigliceridi circondati da fosfolipidi e proteine: le perilipine -> in forma defosforilata impediscono l’accesso alle lipasi; in forma fosforilata interagiscono con la lipasi ormonesensibile e la traslocano sulla goccia lipidica. La PKA fosforila sia le perilipine sia la lipasi ormonesensibile attivando la mobilizzazione degli ac. Grassi. Mobilizzazione degli acidi grassi dai depositi metabolici. Prima di poter essere utilizzati come combustibili, i triacilgliceroli devono essere idrolizzati per rilasciare gli acidi grassi mediante una reazione sottoposta a controllo ormonale. L’intero processo, noto come lipolisi, ha origine dalla stimolazione di specifici recettori posizionati sulla membrana degli adipociti. Gli acidi grassi rilasciati nel torrente ematico ad opera di lipasi tissutali, si legano all’albumina sierica che funge da trasportatore, mentre il glicerolo viene captato e metabolizzato dal fegato. Il ciclo del triglicerolo, particolarmente attivo nei momenti di digiuno potrebbe sembrare un ciclo futile, ma probabilmente rappresenta una riserva di acidi grassi liberi prontamente disponibile. Metabolismo lipidico dopo la lipolisi Nel fegato, il glicerolo può essere convertito in piruvato attraverso la glicolisi o in glucosio attraverso la gluconeogenesi. Nei tessuti extra-epatici, gli acidi grassi liberati dalla lipolisi sono utilizzati come combustibili metabolici per fornire energia. Prima di essere trasferiti nei mitocondri, sede del loro catabolismo ossidativo, gli acidi grassi devono essere attivati mediante un legame di tipo tioestere con il coenzima A (CoA). Attivazione degli acidi grassi

La reazione di attivazione degli acidi grassi ha luogo sulla membrana mitocondriale esterna ed è catalizzata dall’enzima acil CoA sintetasi, che utilizza ATP ed una molecola di coenzima A. Per rendere possibile questa reazione è necessario rompere due legami fosfoanidridici ad elevata energia attraverso una reazione di adenilazione che origina un intermedio acil adenilato. Il risultato è la formazione di un legame tioestereo ad elevato potenziale di trasferimento del gruppo acilico, che consente...