Bioenergetica e Enzimi: Principi Fondamentali

Bioenergetica

• La prima legge della termodinamica stabilisce che l'energia può essere convertita ma non creata o distrutta.
• La quantità totale di energia nell'universo rimane costante.
• La seconda legge della termodinamica afferma che le trasformazioni energetiche spontanee comportano una perdita di energia utile e rilasciano energia sotto forma di entropia e calore.
• La bioenergetica studia i processi biologici relativi all'uso, all'immagazzinamento e al rilascio di energia.
• Il metabolismo è l'insieme dei processi biochimici che avvengono in un organismo, suddiviso in catabolismo e anabolismo.
• L'entropia misura il disordine di un sistema fisico, mentre l'entalpia esprime l'energia interna scambiata con l'ambiente.
• L'energia libera di Gibbs è una funzione di stato usata in termodinamica per rappresentare l'energia libera nelle trasformazioni isotermobariche.

Enzimi

• Gli enzimi sono proteine con funzione catalitica che regolano la velocità delle trasformazioni chimiche nei processi fisiologici.
• In base al tipo di reazione catalizzata, sono divisi in ossidoreduttasi, transferasi, idrolasi, liasi, isomerasi e ligasi.
• L'attività enzimatica dipende dai cofattori, che possono essere ioni inorganici (Fe2+, Mg2+, Zn2+) o coenzimi organici.
• I cofattori legati all'enzima sono denominati gruppi prostetici.
• Un'apoenzima è la porzione proteica dell'enzima, mentre l'oloenzima è il complesso enzimatico funzionale completo(apoenzima+cofattori).
• I coenzimi sono molecole organiche derivate dalla vitamina B o dall'AMP che partecipano alle reazioni catalizzate.
• Gli enzimi hanno un'elevata specificità per reagenti e prodotti grazie a microambienti specifici che favoriscono determinate reazioni.
• L'interazione diretta e specifica tra enzima e substrato, con eventuali coenzimi, è alla base del processo.
• Il sito attivo è una cavità dell'enzima dove si lega il substrato, formata da residui amminoacidici non consecutivi della struttura primaria.
• Questi residui partecipano alla formazione/rottura di legami e sono detti gruppi catalitici.
• Il riconoscimento enzima-substrato (E/S) è mediato da attrazioni deboli come interazioni elettrostatiche, legami a idrogeno, forze di Van der Waals e interazioni idrofobiche.
• La complementarietà tra sito attivo e substrato determina la stabilità del complesso E/S.
• Il modello chiave-serratura descrive la specificità dell'interazione sito attivo-reagente come un'entità perfettamente complementare.
• Il modello dell'adattamento indotto rappresenta la specificità dell'interazione sito attivo-reagente con un primo riconoscimento debole seguito da interazioni rafforzate e cambiamenti di forma.
• Enzimi e medicina: enzimi intrinseci nel plasma svolgono azioni fisiologiche, mentre quelli estrinseci (rilasciati da cellule morte) non sono funzionali.
• Il dosaggio di enzimi sierici è utile nello studio dell'infarto cardiaco.
• Il monitoraggio di creatinfosfochinasi (CPK) e lattato deidrogenasi (LDH) fornisce informazioni diagnostiche e prognostiche.
• La lattato deidrogenasi catalizza la conversione del piruvato a lattato utilizzando NADH come cofattore, ossidandolo a NAD+, indispensabile per l'attivita catalitica.
• L'analisi può essere effettuata tramite elettroforesi su gel.

Coenzimi

• I coenzimi sono molecole organiche fondamentali per l'attività catalitica di molti enzimi.
• Spesso fungono da substrati nelle reazioni chimiche, venendo quindi modificati chimicamente.
• Molti coenzimi derivano da vitamine del gruppo B e sono idrosolubili.
• Sia i coenzimi che le vitamine del gruppo B sono essenziali e devono essere assunti con la dieta.
• Tra i coenzimi importanti si includono NAD (e NADP) e FAD (e FMN), coinvolti nelle reazioni di ossidoriduzione e nel trasporto di equivalenti riducenti alla catena respiratoria mitocondriale.
• I coenzimi NAD e FAD derivano rispettivamente da niacina (vitamina B3) e riboflavina (vitamina B2).

Omeostasi Cellulare

• Il mantenimento dell'omeostasi cellulare, ovvero un ambiente intracellulare stabile, è un processo complesso che prevede la regolazione continua di molte attività biochimiche
• Questa regolazione si ottiene modulando l'attività degli enzimi, catalizzatori biologici che influenzano la velocità delle reazioni.
• La regolazione enzimatica può avvenire attraverso meccanismi passivi, intrinseci alla catalisi, e meccanismi attivi, che dipendono dall'intervento di molecole specifiche.
• La regolazione passiva si basa sulla Km degli enzimi, vicina alle concentrazioni basali del substrato, permettendo un incremento della velocità di catalisi con l'aumento del substrato senza necessita di ulteriori interventi.
• La regolazione attiva è innescata da stimoli ormonali o nervosi per adattare il metabolismo a fattori esterni per gli enzimi delle tappe limitanti delle vie metaboliche (reazioni irreversibili o più lente).
• Modalità della regolazione attiva: variazione della quantità di enzima disponibile, regolazione alloserica (inibizione retrograda da prodotto) e innesco di modifiche covalenti.

Carboidrati

• I carboidrati sono macromolecole organiche contenenti C, O e H, classificati chimicamente come poliidrossialdeidi e poliidrossichetoni.
• In base alla complessità strutturale, si suddividono in monosaccaridi, oligosaccaridi (inclusi i disaccaridi) e polisaccaridi.
• Il legame che unisce le diverse subunità dei saccaridi è chiamato legame glicosidico.
• Monosaccaridi: il glucosio (esoso) è il monosaccaride biochimicamente rilevante e principale fonte energetica.
• Disaccaridi: esempi sono saccarosio, maltosio e lattosio.
• Polisaccaridi: il glicogeno è un polimero di glucosio di riserva, sintetizzato tramite la glicogenosintesi; l'amido (fonte alimentare) è composto da amilosio (lineare alfa-1-4) e amilopectina (ramificata con ramificazioni alfa-1-6).
• La cellulosa, polisaccaride strutturale delle piante, ha legami beta-1-4 non digeribili dagli enzimi umani.

Digestione e Assorbimento Carboidrati

• La digestione dei carboidrati comincia nella bocca con l'amilasi salivare e si completa nell'intestino con enzimi pancreatici e intestinali.
• Gli enzimi scindono i legami glicosidici producendo glucosio e altri monosaccaridi.
• Il glucosio è trasportato attivamente nell'enterocita tramite SGLT, mentre il fruttosio utilizza GLUT, poi, passano nel sangue per trasporto facilitato alle altre cellule.
• L'insulina controlla l'iperglicemia post-prandiale facilitando l'assorbimento nei muscoli e nel tessuto adiposo tramite GLUT4 e inducendo la glucochinasi epatica.

Glicolisi

• La glicolisi è una via biochimica essenziale per l'utilizzo del glucosio e di altri esosi a scopo energetico nel citosol cellulare.
• È la prima fase dell'ossidazione del glucosio.
• La glicolisi è finemente regolata attraverso l'attività di tre enzimi che catalizzano le reazioni irreversibili del percorso.
• La velocità del flusso glicolitico è modulata dalla carica energetica intracellulare: è ridotta se elevata e viceversa.
• Insulina e glucagone regolano la glicolisi a livello epatico, modificando la quantità degli enzimi.

Fase di investimento della glicolisi (richiede 2 ATP)

• Il glucosio (6C) viene convertito in glucosio-6-fosfato dall'enzima esochinasi.
• Il glucosio-6-fosfato viene isomerizzato a fruttosio-6-fosfato dall'enzima fosfoglucosio isomerasi.
• Il fruttosio-6-fosfato è trasformato in fruttosio-1,5-bisfosfato dalla fosfofruttochinasi.
• Il fruttosio 1,5-bisfosfato viene scisso in diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide-3-fosfato dall'aldolasi.
• Il diidrossiacetone fosfato(DHAP) viene convertito in gliceraldeide-3-fosfato dall'enzima trioso fosfato isomerasi.

Fase di rendimento della glicolisi (produce 4 ATP e 2 NADH)

• La gliceraldeide-3-fosfato viene convertita in 1,3-bisfosfoglicerato dalla gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi.
• L'1,3-bisfosfoglicerato viene trasformato in 3-fosfoglicerato dalla fosfoglicerato chinasi.
• Il 3-fosfoglicerato viene isomerizzato a 2-fosfoglicerato dalla fosfoglicerato mutasi.
• Il 2-fosfoglicerato viene deidratato a fosfoenolpiruvato dall'enolasi.
• Il fosfoenolpiruvato viene convertito in piruvato dalla piruvato chinasi.

Prodotto finale

• Due molecole di piruvato(3C).
• Il piruvato può subire fermentazione (lattica o alcolica) in assenza di ossigeno o entrare nella respirazione cellulare in presenza di ossigeno, producendo Acetil-CoA.

Gluconeogenesi

• La gluconeogenesi è un processo biochimico che converte composti non glucidici in glucosio, principalmente nel fegato.
• Questo processo utilizza enzimi che bypassano le reazioni irreversibili della glicolisi: piruvato carbossilasi, fosfoenolpiruvato carbossichinasi, fruttosio-1,6-bisfosfatasi e glucosio-6-fosfatasi.
• Gluconeogenesi e glicolisi sono regolate reciprocamente attraverso effettori allosterici che correlano i loro flussi metabolici alla disponibilità di energia.
• Insulina e glucagone regolano le vie a livello epatico per mantenere adeguati livelli di glucosio nel sangue.
• La gluconeogenesi è una risposta di difesa in situazioni di digiuno prolungato.

Processi Catabolici

• Processi catabolici sono distinti in tre fasi:
  • Demolizione delle macromolecole della dieta (glucosio, acidi grassi, amminoacidi)
  • Conversione di queste molecole in acetato (Acetil-CoA)
  • Ossidazione finale dell'acetato in anidride carbonica e acqua
• L'ultima fase, convergono in un unico metabolismo terminale che si verifica nei mitocondri(ciclo di Krebs).
• Grazie alla catena respiratoria mitocondriale viene prodotta energia chimica (ATP).
• I processi catabolici di carboidrati, acidi grassi e amminoacidi confluiscono nel ciclo di Krebs.
• La connessione con il metabolismo glucidico è importante attraverso la decarbossilazione del piruvato.

Ciclo di Krebs

• In presenza di ossigeno, le molecole di piruvato prodotte dalla glicolisi vengono trasportate nella matrice mitocondriale e convertite in Acetil-CoA dall'enzima piruvato deidrogenasi-
• L'Acetil-CoA, assieme all'ossalacetato, costituisce il substrato di partenza per innescare il ciclo.
• Il ciclo di Krebs (nella matrice mitocondriale) inizia con la condensazione dell'Acetil-CoA e dell'ossalacetato a citrato e termina con il riformarsi di ossalacetato dall'acido malico.
• Due atomi di carbonio dell' Acetil-CoA sono trasformati in CO2 e tre coenzimi NAD+ e un coenzima FAD+ vengono ridotti per ciclo; I coenzimi sono riossidati nella catena respiratoria mitocondriale e contribuiscono alla produzione di ATP.
• Per fosforilazione a livello di substrato si ha produzione diretta di una molecola di GTP.
• Il ciclo genera complessivamente 12 molecole di ATP.
• La regolazione del ciclo avviene tramite il controllo degli enzimi che catalizzano l'apporto di Acetil-Coa e quelli irreversibili. Il meccanismo regolatorio è l'allosteria (feedback negativo).

Via dei Pentosi Fosfati

• La via dei pentosi fosfati è un processo ossidativo che interessa il glucosio-6-P.
• Non produce energia chimica, ma genera NADPH e ribosio-5-P.
• NADPH e ribosio-5-P servono rispettivamente per le sintesi riduttive e per la produzione di nucleotidi e acidi nucleici (RIBOSIO-5-P).
• Avviene nel citosol e si articola in due fasi: ossidoriduzione(produce ribulosio-5-P liberando CO2) e conversione in ribosio-5-fosfato.
• È importante nei tessuti in cui vengono prodotti attivamente acidi grassi e colesterolo.
• Negli eritrociti il NADPH è importante per la disponibilità di ferro.

Glicogenosintesi e Glicogenolisi

• Il glucosio può essere depositato nel fegato e nei muscoli sotto forma di glicogeno.
• La demolizione (glicogenolisi) e la sintesi (glicogenosintesi) di tale polisaccaride avviene tramite vie metaboliche opposte, che prendono il via a seconda della disponibilità di glucosio(che sia ematico o cellulare).
• Solo il glicogeno epatico può essere degradato per aumentare la glicemia poiché quello muscolare è una riserva energetica tessuto specifica.
• Il metabolismo del glicogeno è controllato da insulina e glucagone a livello epatico.

Lipidi

• I lipidi sono un gruppo di macromolecole caratterizzate dalla proprietà di essere insolubili in acqua e solubili in solventi non polari.
• I principali tipi di lipidi sono: acidi grassi, trigliceridi, fosfolipidi, prostaglandine, cere, terpeni, steroidi.
• Acidi grassi e trigliceridi hanno un ruolo biochimico fondamentale quali fonte di energia.
• I fosfolipidi sono molecole anfipatiche e costituenti fondamentali delle membrane biologiche.
• Gli steroidi rivestono una funzione strutturale(costituenti delle membrane) ed ormonale.
• L'interazione con le molecole lipidiche avviene grazie a meccanismi peculiariche ne ottimizzano l'interazione con gli enzimi digestivi.

Digestione e assorbimento dei lipidi

• Per assorbire e digerire i lipidi sono necessari meccanismi peculiari che consentono di ottimizzare l’interazione tra enzimi digestivi e molecole lipidiche: Emulsionamento, idrolisi, risterificazione, formazione di lipoproteine
• La digestione dei triacilgliceroli inizia in bocca e stomaco.
• Avviene un processo fisico fondamentale nell’intestino tenue che avviene grazie alla secrezione della bile: i lipidi vengono emulsionati e suddivisi in piccole sfere micellari.
• Gli enzimi digestivi (lipasi pancreatica, fosfolipasi A2 e colesterolo esterasi) agiscono sulla superficie delle stesse.
• I lipidi compless (idrolisi dei legami estere) sono semplificati e assorbiti negli enterociti.I trigliceridi sono riesterificati cosiccome i lisofosfolipidi in fosolfodipi ed il colesterolo insieme agli acidi grassi(ATP).
• Questi lipidi complessi vanno nel sangue tramite linfa e linfa sotto forma di strutture micellari.

Lipoproteine e apolipoproteine

• Il trasporto ematico dei lipidi si attua grazie alla formazione di strutture micellari che ottimizzano l'interazione con l acqua (lipoproteine)
• Espongono alla superficie le porzioni idrofiliche dei lipidi e a varie proteine all interno.
• Si distinguono per contenuto proteico e lipidico:chilomicroni, VLDL, ILD, LDL, HDL (elencate in base a densità crescente).

Betaossidazione

• Gli acidi grassi sono i componenti dei trigliceridi e forniscono l'energia utilizzata degli animali.
• L'estrazione di energia chimica degli acidi grassi avviene attraverso un processo di ossidazione (BETA-OSSIDAZIONE).
• La beta-ossidazione semplifica la molecola trasformando la catena alifatica in tante unità bicarboniose coniugate a coenzima A e si articola in tre fasi:
  • rimozione unità bicarboniose acetil-CoA (reazioni di ossidoriduzione che staccano 4 elettroni e 4 idrogenioni x ciascun acetil-CoA prodotto, trasferendoli sui coenzimi FAD+ e NAD+).
  • ingresso acetil-CoA nel ciclo di Krebs (i metaboliti confluiscono per ossidare gli acetil-CoA a CO2)
  • la NADH e del FADH2 vengono riossidati (tramite la catena di trasporto degli elettroni fino all’ossigeno molecolare)
• Nel ciclo di Krebs le molecole vengono riossidate e generano molte molecole di ATP: ossidazione completa di un acido grasso circa 129 molecole di ATP
• Per evitare consumi inutili di energia chimica quando la disponibilità di zuccheri ed energia rende possibile la sintesi di acidi grassi, la beta-ossidazione è regolata

Corpi Chetonici

• I corpi chetonici sono metaboliti prodotti principalmente dagli epatociti a partire da molecole di Acetil-coA
• Vengono captati dal muscolo cardiaco e scheletrico ed il cervello: fungono substrati energetici
• Sono strettamente correlata al metabolismo degli acidi grassi (maggiore mobilizzazione dei trigliceridi dal tessuto adiposo)
• Si determina una produzione eccessiva di corpi chetonici squilibrio tra l’utilizzo di carboidrati e quello dei lipidi = chetosi e acidosi metabolica

Biosintesi Acidi Grassi

• La sintesi degli acidi grassi è un processo anabolico (Acetil-CoA produce , utilizzando ATP, NADPH, bicarbonato, acidi grassi saturi con 16 atomi di carbonio (palmitato)).
• In particolare nel citoplasma degli epatociti opera due sistemi multienzimatici: l’acetil-CoA carbossilasi e l’acido grasso sintasi).
• Sovrabbondanza di ATP e carboidrati (accumula ed invia substrati al tessuto adiposo).
• Meccanismi allosterici ed ormonali attivano/inibiscono l’acetil-CoA carbossilasi (enzima che catalizza la tappa limitante dell’intero percorso biochimico)

Colesterolo

• Lipide anfipatico con un importante ruolo strutturale delle membrane plasmatiche
• Importante nella forma di sali biliari(colesterolo) e ormoni steroidei
• Fegato ed intestino sono i principali organi di sintesi
• A partire dall’ acetil-CoA forma HMG-Coa, successivamente squalene, lanosterolo e colesterolo

Amminoacidi e Proteine

• Composti organici (gruppo carbossilico e amminico).
• Alfa-amminoacidi costitutivi degli organismi e dei peptidi (20 nelle proteine delle cellule delle proteine eucariotiche)
• La natura chimica della catena laterale determina le caratteristiche chimico-fisiche di ciascun amminoacido.
• Interazione specifica con altre molecole.
• Tridimensione determina il tipo d'interazioni dell'organismo.
• Determina la perdita delle interazioni grazie allo stravolgimento delle proteine.
• Funzioni piu importanti: strutterale, di trasproti, difensive, catalitiche.

Digestione

• Processo fondamentale che da l'apporto di amminoacidi al'organismo.
• La conformazione della molecola proteica adopera il PH gastrico.
• L'aminoadica da la possibilita di attaccare i legami peptidici.
• Intervengono le endopeptidasi e carbossipeptidasi(permettono l'idrolisi).
• Nel lume intestinale dalle peptidasi si semplificano le proteina.
• Nell'assorbimento degli enterociti intervengono il assorbimetno specifici.

Catabolismo Amminoacidico

• Gli amminoacidi derivano per l'organismo producendo energia chimica.
• In stati normale il catabolismo viene utilizzato in digiuno(il catabolismo amminoacidico aumenta).
• La demolizione de gruppo amminico si suddivide in due fasi: eliminazione del gruppo amminico e degradazione ossidativa dello scheletro carbonioso.
• Tramite il processo di transamminazione l'operazioni dei gruppi azionati si effettuano con il glutammato.
• Viene effettuata l'ammoniaca (e prodotta l'urea-fegato).
• Con urine il rene elimina l'urea dal sangue.
• Gli scheletri carboniosi deglio aa creano glucosio.

Biosintesi Dell'Urea

• Gli animali eliminano N derivante dacomposti azotato, in uomo lo elimina in urea.
• transamminazione, deamminazione, trasporto e ciclo dell'urea sono le fasi di biosintesi.
• E reversibile e compiono trasposrto di amino gruppi.

Eliminazione E Ciclo Dell'Urea

• L'eliminazione dell'NH3 procede attraverso il ciclo dell'urea.
• Incorporazione dell'NH3 all'niterno dei mitocondri.
• Sintetasi utiliza NH3, CO2 e 2ATP.
• Velocita legata all'aria, se ce digiuno ce degradazione protetica.

Aa Precursori di Comosti Azotati

• La sinesi proteina da origine, ma con la quota minore e destinata alla sinesi
• Porfirine (basi azotate), porfirine, ossidonitrico, catecolamine, melanina, istamina serotonina, glutatione
• Gas prodotto che si difonde nelle cellule(ossidonitriatico)
• Produzionedi catecolamine, in caso di stress adrenergici(sono neuronasli cellule o delle cellule della midollare)
• Inibittoro inbutirrato(neuotrasmettitore inibitoria).
• Coinvolge le risposte immunarie(isitamina)
• La serotonina che e' collegata all'appetito(livello cerebrale,regolao sonno umore e sonno)
• Liberata elimina la creatinina.
• Dalcatabolismo ha l'eme.

Basi Azotate

• Si dividono in Purine:Adenina e Guanina e Pirimidine:Timina e Citosina.
• Formazione di un ribosio(nucleosidi).
• Molecoli che donano energia chimica a l nucleo.
• Prpp viene sintetizzato nell'organismo umano(purina)
• La sintesi vede pero la costruzzione separata dell"azoto.
• Produccionedei composti solubili.
• Farmaci chemioterapici(hanno bisogni di nuclei acidi)

Ossidoredizuzioni

• Le ossidoriduzioni sono reazioni chimiche fondamentali per il metabolismo cellulare e soprattutto per la produzioned i energia.
• Sono reazioni caratterizzate da uno scambio di elettroni tra un danatore e un accettorre.
• Quando un danatore cede elettroni questo si transforma in un accettorre per gli elettroni.
• Vi e' un preciso valore dello stesso.

Fosforilazzione Ossidativa

• Sistema dei trasportori dellitramembrana e trasportatori mobili.
• Membrana mitocrondiale per passa dai complessi.
• Trasferisce eletrronica tramite centri tramite i quali traslocazione intermembrana.
• Trasferise dal succinato al CoQ senza pompa protonica
• Il Citocromo trasporta tramite intermembrana.
• ossiadsi riduce ossigenodovuta la pompa protonica intermembranica.
• Sistema ATP.
• Limta la diopsoni ddel processo e dei gruppo dell'organismo.
• Avvengono l'aumento ed il processo viene facilitato.

Mitocondi

• Sono cellulati che producono organoli cellularli tranne globuli rossi.
• La maggior perte dei mitocorndri sono i responsabili dell'energia cellulare per rioprodursi e crescere.
• Metabolismi zucchero e le reazioni avvengono per produrre CO2 e H2O.
• Maggiore resa enrgetca ripetto la glicolisi.
• La maggior parte delle proteine mitcondriali sono codificate da geni nutreali.
• Un 93 % del DNA mitocondriale codificate ed ha uno struttura conmatica.
• Vi e' un certo numero di patrologie genetiche.
• Colpiscono particolare i nervosi data la maggior ruchiesta dell'attivita.
• Malattia che riguarda la contrazione dei muscoli che causano spesso movimenti.

Neuroni E Ormoni

• Comucazione con altre cellule e interazione tra segnali extracellulari vengono portati nei tessuti.
• Recettori specifici e sensibili.
• Trarmite enezimi vi sonodei legami degli amminoacidi che interaguscono con la cellula e l'ormone e'idrosolubile.
• Diversamente gli Ormoni i liposolubili interagiscononell cellula.
• Si lega il metabolismodei glucidi che le cellule che portano ad adeguameti bioch mici.

Radicali Liberi

• Molecole ad elevata instabilita.
• Hanno vita media breve.
• Metabilita ossandati(Ossidazione)
• A livello cellulare producono e vengono inattivate dall'organismo.
• L'ossigeno favorisce molto il sistema O2.
• l02 tramite il respiro.
• Tuttavia i radicaloi possono essercere dei danni.
• Se non viene attrivao per l'organismo porta piu radice di carboidrati.
• Per raggiungere la stabilita il Ros puo daneggiare enrmi membrane cellulare e dna.