Riassunto - Biochimica Metabolica - Biochimica e Biologia Molecolare - a.a. 2012/2013 - Prof. Ghigo PDF

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BIOCHIMICA METABOLICA GHIGO Canale B Introduzione Queste sono le sbobine di biochimica metabolica del 2013. Tutto quello che vi serve sapere scritto qui. Il consiglio che posso darvi di seguirla volta per volta e ripetere un sacco di volte, scrivendo le formule che potete. quattro domande aperte fra...

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BIOCHIMICA METABOLICA

GHIGO Canale B

Introduzione Queste sono le sbobine di biochimica metabolica del 2013. Tutto quello che vi serve sapere è scritto qui. Il consiglio che posso darvi è di seguirla volta per volta e ripetere un sacco di volte, scrivendo le formule più che potete. L’esame prevederà quattro domande aperte fra quelle che sono messe a disposizione da Ghigo stesso. Assolutamente sconsigliato il libro! Ghigo spesso e volentieri dice più cose e meglio, quindi seguite a lezione e usate o queste sbobine o vostri appunti. Talvolta, vengono fatte piccole variazioni a slides e/o argomenti. Ad ogni modo, non variano molto da questi. Queste sbobine non prevedono numero della lezione e data di svolgimento per comodità personale. Buono studio,

Edoardo

INTRODUZIONE! Biochimica metabolica: essa si occupa delle interazioni fra le biomolecole. Metabolismo: un termine che indica tutte le possibili reazioni del nostro organismo. Sono migliaia. Cox dice che studia la logica alla base delle trasformazioni. Noi siamo il risultato dell'evoluzione e perciò restano solo le funzioni che alla fine ci sono servite. Il metabolismo è spesso e volentieri catalizzato da enzimi: sono fondamentali per le reazioni. Si ha un continuo dialogo tra le vie metaboliche. Questa attività molto coordinata ha lo scopo di ricavare energia dall'ambiente (siamo chemiotrofi: si fa catabolismo, per demolire molecole sia introdotte sia nostre per avere energia chimica) e di convertire le molecole nutrienti in molecole caratteristiche della cellula stessa (reazioni semplici per riavere le molecole: anabolismo, sintesi per mantenere alto il nostro grado di organizzazione). ! Metabolismo intermedio: tutte le reazioni che riguardano sintesi e catabolismo di molecole che pesano meno di 1000 kDa, ovvero metabolismo che non richiede lo stampo di acidi nucleici. Quando si parla di catabolismo si intendono soprattutto reazioni di ossidazioni. ! Metabolismo uomo: Noi in fondo siamo come una candela che con l'ossigeno ossida i componenti della cera: metano-metanolo-metanale-acido formico- anidride carbonica e acqua. Noi facciamo una cosa analoga: si demoliscono alimenti in composti più semplici e una volta assorbiti li sottoponiamo a ossidazione. Parte diventa calore e parte è raccolto in legami molto energetici (ATP). Questo permette di usare l'energia di ATP per sintetizzare nuove molecole: serve energia perché aumenta il contenuto energetico. Nella sintesi si hanno processi non ossidativi ma riduttivi. Nel catabolismo si libera energia e parte di essa è calore, necessario per la nostra omeotermia, parte si organizza sotto forma di ATP. Oltre a energia e calore, si ha ossidazione e gli elettroni liberati si trasferiscono su molecole accettrici (NAD...). Queste molecole sono utili per consentirci lo svolgimento di anabolismo. Partendo da precursori molto semplici si sintetizzano molecole molto più complesse e in questo caso serve energia e i donatori di elettroni liberano i loro elettroni riportando alle forme ossidate. Il ciclo poi ricomincia. Un'altra caratteristica è che le vie cataboliche sono convergenti e via via che si fa demolizione si arriva a molecole molto simili (per esempio acetil-CoA si ricava da amminoacidi, fosfolipidi e così via). O si procede in una nuova demolizione oppure si può procedere alla sintesi di vari tipi di altre molecole. I vari tipi di reazioni si basano sul fatto che vi sono atomi con maggiore e altri con minor controllo di elettroni: vi sono nucleofili (ossigeno, azoto, zolfo e talvolta il carbonio se si trova in forma di carboanione) e elettrofili (poveri di elettroni, come i gruppi carbonilici dove il C ha minor controllo sui suoi elettroni e attrae spesso composti

nucleofili, ovvero R; anche C=N e così via...). ! Fonti di energia: gli organismi sono fototrofi (energia presa dal sole) o chemiotrofi (energia da ossidazione di composti). Poi tra i fototrofi vi sono gli autotrofi (ottengono carbonio da CO2). Nei chemiotrofi i più importanti sono gli organismi organotrofi (si ricava energia da ossidazione di composti organici). Le piante usano l'energia solare per legare tra loro anidride carbonica e acqua e sintetizzare complessi composti e poi rilasciano ossigeno e composti organici che servono a noi (eterotrofi). L'ossigeno serve moltissimo perché è il principale accettore di elettroni dei donatori (NAD...). Demolendo tali composti e convertendo l'ossigeno in anidride carbonica e liberando acqua si ridanno le fonti per il metabolismo degli autotrofi. Noi usiamo anche molto l'azoto per sintetizzare amminoacidi. L'azoto è molto più presente dell'ossigeno nell'atmosfera. Non lo usiamo in modo diretto, ma ci serve inserirci in un processo: serve la fissazione dell'azoto, ovvero ossidazione in ammoniaca grazie a batteri azoto-fissatori, ma non riuscendo a usare nemmeno l'ammoniaca (è tossica), questa è ulteriormente convertita in nitriti e nitrati ad opera di batteri che possono essere assimilati dalle piante. Questi servono per ricostruire le molecole azotate delle piante. Poi gli amminoacidi sono rilasciati nell'ambiente oppure arrivano direttamente nel nostro stomaco mangiando vegetali. Noi poi possiamo riconvertire le sostanze azotate in urea o altre molecole. L'urea grazie a batteri può essere riconvertita in ammoniaca e CO2. Nitriti e nitrati possono essere trasformati di nuovo in azoto da batteri denitrificanti. ! Catabolismo: molti composti demoliti arrivano a acetil CoA che poi nel ciclo dell'acido citrico liberano molti elettroni. Poi NAD e FAD ridotti con una catena unidirezionale graduale cederanno elettroni via via fino a portarlo sull'ossigeno che viene ridotto ad acqua. Con questo si arriva a nuova sintesi di ATP con ADP e ortofosfato. L'ossigeno è ultimo accettore, ma può anche essere tossico, soprattutto con i Ros (speci reattive di ossigeno). L'uomo è un aerobo obbligato (ha bisogno di ossigeno), poi vi sono aerobi facoltativi (E.coli ne ha bisogno, ma sopravvive anche senza ossigeno) e anaerobi obbligati (organismi che vivono solo senza ossigeno: il clostridium botulinum o il vettore del tetano per esempio). In condizioni di anaerobiosi intervengono altri metabolismi (N.B. I globuli rossi per esempio non usano ossigeno per la glicolisi: l'uomo ha bisogno di ossigeno, ma alcuni tessuti o alcune cellule funzionano in modo anaerobio). Per esempio: i clostridi sono anaerobi obbligati (botulinum deriva da salsiccia perché i primi casi si sono visti in intossicazioni alimentari: se non si cuoce bene, parte del clostridium può rimanere vivo), ma se vi è ossigeno diventano spore che restano nei cibi. Questo determina che dove non vi è più ossigeno la spora ritorna a batterio e produce la tossina botulinica che determina un grave danno ai

motoneuroni, impedendo alle vescicole di fondersi con la membrana e il soggetto va incontro a paralisi flaccida (ipotonia muscolare forte: spesso si vede doppio e si può persino arrivare alla morte). Oggi si usa il botox: iniezione controllata della stessa tossina. Anche il tetano: sono anaerobi obbligati (noi il 5% di ossigeno lo trasformiamo in Ros ritenuti i principali responsabili di molte malattie) perché se noi abbiamo enzimi che contrastano in buona parte i Ros convertendoli in acqua, gli anaerobi non sono in grado di neutralizzarli. Il tetano si può contrarre in caso di ferite o cose simili: i batteri proliferano in ambiente anaerobio e liberano la tossina che induce una paralisi spastica (primo sintomo un risus sardonicus) fino a una contrazione e rigidità muscolare che fa fare un arco al paziente e impedisce la respirazione. La tossina agisce a livello nervoso e non ostacola la acetil colina come il botulino, ma neurotrasmettitori inibitori (come glicina e GABA) che ostacolano la formazione di vescicole. ! Alimenti: nella nostra dieta ingeriamo carboidrati (importo pari a proteine ed è la metà di quello dei lipidi: 17 kJ/g), lipidi e proteine (le basi azotate le prendiamo da amminoacidi). Questo perché in carboidrati e proteine la struttura è già parzialmente ossidata, mentre i lipidi sono estremamente ridotti. ! ATP: fonte di energia di tutte le cellule. Le sue funzioni servono a 4 lavori cellulari: un lavoro meccanico, trasporto transmembrana (gradienti osmotici ed elettrici), sintesi chimica, conservazione dell'informazione genica. Il valore di ATP in energia è molto alto: una reazione molto esoergonica e alta energia di attivazione (H2O + ATP = ADP + P e una resa di 30,5 kJ/mole). L'ATP libera energia rompendo un legame anidride. Perché così tanta? Si riduce la repulsione delle cariche, si ha stabilizzazione per delocalizzazione (l'idrolisi porta a un grado di delocalizzazione molto maggiore di quella di ATP), l'ADP poi quando si forma a pH 7 dissocia il protone che ha attaccato stabilizzando il tutto perché cresce ancora di più la delocalizzazione. In ATP vi sono due legami anidridi e un legame esterico (più stabile e si rompe solo in casi rari). In condizioni normali un tessuto ha prevalenza di ATP e ha poco ADP e pochissimo AMP. ATP ha un'emivita di pochi minuti: non è proprio una riserva. Ogni giorno abbiamo bisogno di 50 kg di ATP e di base noi ne abbiamo 50 g. Il fosfato Pi è in contenuto maggiore perché serve anche a un tampone. Vi è anche la fosfocreatina (si trova nei miociti e nei neurociti dei ratti per esempio) che è una vera molecola di deposito: quando ATP è consumato, se il metabolismo non è

abbastanza rapido, la fosfocreatina libera un fosfato perché ADP ritorni ATP. La reazione di idrolisi di ATP essendo esoergonica ha un deltaG0' -30,5 kJ/mole. Noi non abbiamo quasi mai una reazione all'equilibrio: non succede mai perché i prodotti vengono usati da altri enzimi. Nei globuli rossi vale ancora di più! ATP -> ADP è detta idrolisi ortofosforica. A volte non basta quell'energia e si ricorre alla lisi pirofosoforica: si scinde in AMP più pirofosfato. Si rilasciano più kJ. Poi però i pirofosfati sono idrolizzati in due Pi. Il risultato è doppio rispetto all'idrolisi ortofosforica.! GLICOLISI! Glicolisi: via metabolica centrale presente in moltissimi organismi e per alcuni tessuti è la principale fonte di energia. La usano gli eritrociti che non hanno mitocondri e hanno una fermentazione lattica: sono anaerobi e da piruvato ottengono lattato. A usare molto la glicolisi è il cervello (i neuroni hanno i mitocondri, ma non vi sono gli enzimi mitocondriali preposti alla demolizione degli acidi grassi). Poi anche testicolo e midollo renale, la cornea e il cristallino (non hanno mitocondri per restare trasparenti: hanno citocromi che hanno ferro che colora la cellula) e i tessuti embrionali (in parte le cellule embrionali hanno bisogno di fermentazione lattica) e anche quelli tumorali. La glicolisi si definisce aerobica se vi è ossigeno (da piruvato si ha acetil CoA che viene del tutto demolito nei mitocondri), se non vi è ossigeno o non vi sono i mitocondri o entrambi la glicolisi è anaerobica (dopo il piruvato si ha il lattato: si ha fermentazione lattica). Tali reazioni avvengono nel citoplasma e poi il piruvato diventa acetil CoA entrando nei mitocondri. Si ha lattato invece da una trasformazione sempre nel citosol. La glicolisi è la rottura di glucosio per avere energia. Perché glucosio? Si forma facilmente in condizioni prebiotiche e poi nelle nostre cellule si trova in forma ciclica (un 1% in forma aperta che esibisce una forma aldeidica, composti molto tossici per l'uomo perché tendono a reagire con gruppi aminici ottenendo una aldimina o base di Schiff e altera una proteina cambiandone le caratteristiche) e si trova anche (molto piùcomune) in forma ciclica più degli altri monosaccaridi (il fruttoso più spesso dà base di Schiff) quindi ha bassa glicazione proteica. ! Il glucoso nelle cellule: è una molecola polare e non diffonde oltre il doppio strato lipidico. Entra nella cellula sfruttando due sistemi di trasporto:! - attraverso i GLUT (trasportatori di glucoso e ne consociamo 14 isoforme con stessa funzione). Le proteine interne alla membrana sono alfa-eliche e hanno delle parti polari anche. Il trasporto con GLUT è un trasporto passivo: avviene secondo gradiente. Alle volte il glucosio può uscire dalla cellula. Esso tende ad entrare perché dopo un pasto è più alto in concentrazione e viene fosforilato in glucosio 6-fosfato. I GLUT sono distribuiti su tutte le cellule. !

- SGLT (trasportatore sodio-glucoso): altro trasporto passivo che necessita per entrare anche l'ingresso di due ioni sodio ogni glucosio. Il sodio solitamente è 10-15 volte più concentrato fuori grazie a una sodio ATPasi che lo butta fuori della cellula. SGLT spesso si trova dove guarda il lume dell'intestino, ma anche la membrana in cui guarda il lume del rene, soprattutto i tubuli(nefrone: un sistema molto attivo di trasporto attivo di glucoso che viene ripescato dall'urina; nei diabetici alta glicosuria). I GLUT (i più importanti sono i primi 5) sono in tutte le membrana a contatto con il sangue, i SGLT a contatto diretto con l'ambiente extra-cellulare. ! Km: dà la misura della concentrazione del substrato quando un enzima è a metà della sua Vmax, ma se la si usa per i trasportatori indica la concentrazione di molecole che servono perché il trasportatore raggiunga Vmax/2. La km (se bassa alta affinità per substrato) dà un indice di affinità per il glucoso (180 Da) e a digiuno nei fluidi è in concentrazioni di 5 mM. Aumentando ulteriormente il glucoso aumenta la velocità fino alla saturazione. Vi è un particolare trasportatore (GLUT2) che ha una km molto elevata (15-40 mM): se GLUT1 a digiuno è già saturo, GLUT2 è quasi lineare e mantiene valori quasi lineari anche dopo un pasto (7-10 mM). Determinati tessuti esposti a glucoso dopo un pasto lo trasportano all'interno in proporzione a quanto ve n'è all'esterno. ! Tipi di trasportatori: GLUT1 e GLUT3 sono i più usati dai tessuti. GLUT2 si trova:! - fegato: riceve il sangue ricco di nutrienti dall'intestino e solo così risponde in modo proporzionale alla quantità di glucoso che gli arriva)! - cellule beta del pancreas: nelle isole di Langerhans le cellule endocrine danno vari ormoni e le beta insulina. Parte del sangue portale prima di arrivare al fegato passa dal pancreas. L'insulina è un ormone ipoglicemizzante: accumula tutto il glucoso in eccesso (glicogeno) rispetto a quello che serve ai tessuti e il fegato lo converte in acidi grassi/lipidi. Le cellule beta sono un monitor che registra la quantità di glucoso e risponde producendo in modo proporzionale insulina e quindi non devono saturarsi! - rene: membrana basolaterale dove cellule intestinali e renali fanno una barriera tra interno ed esterno dell'organismo e servono a recuperare glucoso, impedendo di perderlo! - intestino tenue! GLUT5 serve solo a portare fruttoso e si trova sulla membrana luminale delle cellule dell'intestino. GLUT4 è un trasportatore simile a GLUT1 e GLUT5 con localizzazione particolare: si trova in cellule insulino-dipendenti. Non tutte le cellule rispondono all'insulina. Tali tessuti sono quelli in maggior quantità: muscoli scheletrici, adipociti e muscolo cardiaco. Sono quelli che rispondono aumentando

il trasporto di glucoso al loro interno. Tali cellule hanno all'interno delle vescicole che nella loro membrana hanno molto GLUT4. Se si ha una normale concentrazione di insulina si trovano i normali GLUT1, ma quando arriva l'insulina e si lega al recettore, si hanno una serie di eventi che inducono lo spostamento delle vescicole con GLUT4 verso la membrana. Il GLUT4 così si inserisce nella membrana: ha sì la stessa km di GLUT1, ma aumenta di 30-50 volte il numero di trasportatori di glucoso. Finché l'insulina è alta, tale situazione permane, ma quando l'insulina cala (la glicemia diminuisce e le beta producono meno insulina), data la sua breve emivita essa si stacca e i trasportatori di GLUT4 si richiudono in vescicole interne. Nel fegato l'insulina è in grado anche di aumentare l'espressione dell'enzima che rende il glucoso un glucoso 6-fosfato che rimane così bloccato all'interno della cellula. Il fegato può anche fare gluconeogenesi e, una volta prodotto, lo libera attraverso GLUT2 uscendo per gradiente. La glicemia deve essere mantenuta a livelli normali dal fegato: in brevi periodi la iperglicemia non è deleteria, ma lo è l'ipoglicemia (sotto 40 mg per cento) che dà gravi danni neurologici (i neuroni dipendono dall'apporto continuo di glucoso con il sangue: se si sviene si favorisce l'apporto di sangue) poiché i neuroni lavorano meno e da sonno si passa a coma fino a morte. Anche il fegato è in misura diversa insulino-dipendente per ritenzione di epatociti.! Il glucoso nella cellula: può seguire vie diverse:! - epatociti: il primo passaggio è la fosforilazione che gli impedisce di tornare indietro (glucoso-6P) poiché i GLUT trasportano glucoso e non quello fosfato. Poi si può avere glicolisi e lattato. Oppure si può seguire la via dei pentoso fosfati ed essere utile per gli acidi nucleici o per produrre NADPH (cofattore ridotto di molte reazioni di sintesi). L'epatocita ha una situazione più complessa: il glucoso 6-fosfato può anche divenire glucuronide (spesso esso coniugato a una molecola la rende più idrosolubile), poi il piruvato può essere riconvertito in glucosio con gluconeogenesi (tappe diverse dalla glicolisi). Inoltre, l'epatocita ha la possibilità di rilasciare il glucoso sintetizzato con GLUT2! - neuroni: si ha glicolisi fino a acetil CoA (glicolisi anaerobica) che diviene acido citrico oppure si può ancora seguire la via dei pentoso fosfati. Molti dei neuroni servono a regolare per la pompa sodio-potassio! - cellule muscolari e miocardiche: il glucoso oltre a tutti i processi di prima può accumularsi come glicogeno oltre a glicolisi aerobica/anaerobica e formazione di pentosi. Il glicogeno nel muscolo serve per liberare glucosio quando ne serve di più oltre all'afflusso di sangue. Vi deve essere una fonte alternativa di glucoso. Nel muscolo scheletrico si può avere glicolisi anaerobica: a determinare la via con o senza ossigeno è la disponibilità dello stesso ossigeno. Il miocardio è meno efficiente se si ha un eccesso di situazione anaerobica!

- adipociti: le vie sono simili alle altre: si può avere glicogeno, pentosi fosfati, oppure glicolisi dove spesso l'acetil CoA viene usato per nuovi grassi. ! Si può avere glicogeno, lattato in poche situazioni, acetil CoA (anche qui può essere usato per sintetizzare grassi, lipidi: è il primo sito di sintesi dei grassi, ancor più degli adipociti; poi li mette in VLDL che raggiunge i tessuti che hanno bisogno di lipidi). Noi pensiamo al glucoso come maggior fonte di energia: lo è per cervello e globuli rossi, ma alcuni altri tessuti (come muscoli scheletrici) usano acidi grassi che gli danno maggior energia. Per demolire acidi grassi richiede molto ossigeno e quindi in assenza di ossigeno la glicolisi può funzionare nella via anaerobica e produrre un po' di ATP. ! Generalità glicolisi: è una via metabolica di tutti i tessuti con enzimi del citoplasma e vi sono 10 tappe e un enzima per ognuno.Vi sono 2 fasi (1-5 5-10): la prima fase richiede un po' di ATP e alla fine si hanno due metà, due molecole di gliceraldeide 3-fosfato (fase preparatoria: richiede energia alla cellula), mentre la seconda fase che si ha per ognuna delle due molecole della prima fase fa avere due molecole di piruvato e una quota di ATP maggiore di quella spesa all'inizio. Se ne spendono due e se ne guadagnano 4. Non dà grande energia. Tutti gli intermedi tra glucoso e piruvato sono fosforilati: solo glucoso e piruvato non lo sono. Il motivo è che il fosfato legandosi agli intermedi non li fa uscire dalla cellula grazie alla carica negativa, poi il legame del fosfato aumenta il contenuto energetico (serve per avere la sintesi di ATP)e poi la fosforilazione fa attaccare gli intermedi ai siti attivi degli enzimi che hanno cariche positive. In tutte le reazione della glicolisi si troveranno cofattori che sono ioni magnesio che riducono parte delle cariche negative in eccesso dei fosfati.! Glicolisi: essa avviene im diverse tappe:! - prima reazione (tutte le strutture): si fosforila il glucoso. Si usa ATP e una molecola di glucoso: ATP cede il fosfato gamma al glucoso in posizione 6. Si ha ADP e un glucoso 6-fosfato. Il magnesio riduce il complesso della carica negativa (in assenza si impedisce l'attiv...