Bioenergetica e Termodinamica

Bioenergetica

• In base alla prima legge della termodinamica, l'energia può essere convertita ma non creata né distrutta; l'energia totale dell'universo resta costante.
• La seconda legge della termodinamica afferma che le trasformazioni energetiche spontanee comportano perdita di energia utile, risultando inefficienti e disperdendo energia come entropia e calore.
• La bioenergetica studia i processi biologici relativi a utilizzo, immagazzinamento e rilascio di energia.
• Il metabolismo è l'insieme dei processi biochimici che si svolgono nell'organismo (catabolismo/anabolismo).
• L'entropia è una funzione di stato che quantifica il disordine di un sistema fisico.
• L'entalpia esprime l'energia interna che un dato sistema termodinamico scambia con il suo ambiente.
• L'energia libera di Gibbs è una funzione di stato utile in termodinamica per rappresentare l'energia libera nelle trasformazioni isotermobariche.

Enzimi

• Gli enzimi sono proteine che catalizzano e regolano la velocità delle trasformazioni chimiche alla base dei processi fisiologici.
• In relazione al tipo di reazione catalizzata, gli enzimi si suddividono in sei classi principali: ossidoreduttasi, transferasi, idrolasi, liasi, isomerasi, ligasi.
• L'attività enzimatica dipende dalla presenza di cofattori, che possono essere ioni inorganici (Fe2+, Mg2+, Zn2+) o molecole organiche (coenzimi).
• I cofattori legati all'enzima sono definiti gruppi prostetici.
• L'apoenzima è la sola porzione proteica dell'enzima.
• L'oloenzima è invece il complesso funzionale completo.
• I coenzimi, molecole organiche derivate da vitamina B o AMP, partecipano e vengono modificati dalle trasformazioni chimiche catalizzate.
• Un coenzima è considerato un secondo substrato principale per un dato enzima.
• Gli enzimi possono catalizzare reazioni energeticamente favorite tramite un microambiente specifico creato per reagenti e prodotti.
• L'interazione tra enzima e substrato, più eventuali coenzimi, è diretta e specifica.
• Il sito attivo è la regione dell'enzima che lega e riconosce il substrato.
• Il sito attivo è una sorta di cavità con residui amminoacidici derivanti da parti non consecutive della struttura primaria proteica.
• I residui amminoacidici nel sito attivo partecipano all'interazione con il substrato o alla formazione/rottura di legami chimici, e sono detti gruppi catalitici.
• Il riconoscimento tra enzima e substrato (E/S) è mediato da interazioni deboli, tra cui interazioni elettrostatiche, legami idrogeno, forze di Van der Waals ed interazioni idrofobiche.
• La stabilità del complesso E/S aumenta con il numero di interazioni e con la complementarietà tra sito attivo ed il substrato.
• Il modello chiave-serratura descrive la specificità dell'interazione enzima-reagente e presuppore una complementarietà perfetta tra sito attivo e reagente.
• Il modello dell'adattamento indotto descrive un'alternativa di interazione specifica tra sito attivo e reagente.
• Nel modello indotto c'è un primo riconoscimento debole seguito da un'interazione rafforzata tramite spostamenti minimi degli atomi che modificano la forma di sito attivo e substrato aumentando la complementarietà.
• Nel plasma sono presenti enzimi e proenzimi intrinseci con funzione fisiologica nel sangue, ed enzimi estrinseci rilasciati da cellule morte nel ricambio cellulare a carico di organi e tessuti.
• Il dosaggio di alcuni enzimi sierici è importante nello studio dell'infarto cardiaco.
• La diagnosi differenziale, la terapia e la prognosi dell’infarto comprendono il monitoraggio delle concentrazioni sieriche di creatinfosfochinasi (CPK) e lattato deidrogenasi (LDH).
• La lattato deidrogenasi è un enzima che catalizza la conversione di piruvato in lattato ossidando il cofattore NADH a NAD+.
• Il NADH è indispensabile per l'attività catalitica della lattato deidrogenasi.
• La lattato deidrogenasi può essere analizzata tramite elettroforesi su gel.

Coenzimi

• I coenzimi sono molecole organiche fondamentali per l'attività catalitica di molti enzimi.
• Molti coenzimi partecipano alle reazioni chimiche come substrati, subendo modificazioni chimiche nel corso delle reazioni stesse.
• Molti coenzimi derivano da vitamine idrosolubili del gruppo B.
• Sia i coenzimi che le vitamine del gruppo B sono essenziali e devono essere assunti con la dieta perché non sono sintetizzabili dall'organismo umano.
• Tra i coenzimi più importanti ci sono NAD (e NADP) e FAD (e FMN).
• NAD (e NADP) e FAD (e FNM) svolgono un'azione fondamentale nelle reazioni di ossidoriduzione e nel trasporto degli equivalenti riducenti verso la catena respiratoria mitocondriale.
• I coenzimi derivano rispettivamente da Niacina (vitamina B3) per il NAD, e da Riboflavina (vitamina B2) per il FAD.

Omeostasi Cellulare

• Il mantenimento dell'omeostasi cellulare, ovvero di un ambiente intracellulare relativamente stabile, è un processo complesso che prevede la regolazione continua di molte attività biochimiche modulando preferenzialmente l'attività degli enzimi.
• La regolazione enzimatica è attuata tramite meccanismi passivi, intrinseci al funzionamento della catalisi biochimica, e meccanismi attivi, che si servono di molecole o effettori specifici.
• La regolazione passiva si basa sul fatto che molti enzimi hanno Km (costante di Michaelis) vicina alle concentrazioni basali intracellulari del loro substrato.
• Nei casi di regolazione passiva l'enzima può intrinsecamente rispondere ad incrementi della disponibilità di substrato aumentando la velocità di catalisi.
• Ai meccanismi passivi si aggiungono quelli di regolazione attiva, che si innescano spesso tramite stimoli ormonali o nervosi per adattare lo stato metabolico a fattori esterni.
• I meccanismi di regolazione attiva si manifestano sugli enzimi che catalizzano le tappe limitanti delle vie metaboliciche le reazioni irreversibili o le più lente.
• I meccanismi di regolazione attiva si basano su variazioni della quantità di enzima disponibile, tramite induzione dell'espressione genica o stimolazione della degradazione, regolazione allosterica, o innesco di modifiche covalenti quali trasferimento di gruppi fosfato o proteolisi parziale del proenzima.

Carboidrati

• I carboidrati sono macromolecole organiche che contengono esclusivamente C, O e H, con formula generale Cn(H2O)n.
• Dal punto di vista chimico si dividono in poliidrossialdeidi e poliidrossichetoni, caratterizzati da un gruppo aldeidico o chetonico più vari ossidrili alcolici.
• In base alla complessità strutturale si distinguono in monosaccaridi, oligosaccaridi (fino a 10 unità, come i disaccaridi composti da due unità) e polisaccaridi.
• Il legame che unisce le diverse subunità di oligosaccaridi e polisaccaridi è definito legame glicosidico.
• Il glucosio (esoso) è il monosaccaride più importante dal punto di vista biochimico, ed è la principale fonte energetica.
• Tra i disaccaridi si ricordano il saccarosio, maltosio e lattosio.
• Il glicogeno è un polisaccaride costituito esclusivamente da unità di glucosio e rappresenta una importante forma di riserva di glucosio, ottenuta tramite glicogenosintesi.
• L'amido è la principale fonte di carboidrati alimentari, ed è costituito da amilosio, con struttura ad elica non ramificata con legami alfa-1-4-glucosidici, e amilopectina, che contiene catene ramificate con porzioni lineari a legami alfa-1-4 intervallati da ramificazioni a legami alfa-1-6-glucosidici.
• La cellulosa è un polisaccaride con importanza strutturale nelle piante perché contribuisce alla formazione delle pareti cellulari, ed è costituita da lunghe catene lineari unite da ponti a idrogeno e da legami beta-1-4-glucosidici che la rendono non digeribile dall'uomo.

Digestione e Assorbimento Carboidrati

• La digestione dei carboidrati inizia nella bocca tramite l'azione salivare composta da mucina e acqua.
• L'alfa-amilasi salivare, completa la digestione a livello intestinale con l'intervento di enzimi pancreatici e delle cellule intestinali che scindono i legami glicosidici producendo glucosio ed altri monosaccaridi.
• Il glucosio è trasportato attivamente, con consumo di ATP, all'interno dell'enterocita e fluisce poi per trasporto SGLT (Sodium Glucose Transporters).
• Il fruttosio è trasportato attivamente tramite il GLUT (Glucose Transporters).
• Dal sangue, il glucosio passa nelle cellule dei diversi organi tramite trasporto facilitato.
• L'insulina normalizza l'iperglicemia post-prandiale tramite due meccanismi: facilitazione dell'assorbimento a livello muscolare ed adiposo tramite la mobilizzazione dei trasportatori GLUT4, e induzione della glucochinasi epatica, che aumenta la capacità di fosforilazione del glucosio impedendone il flusso retrogrado verso il sangue.

Glicolisi

• La glicolisi è una via biochimica essenziale per l'utilizzo del glucosio e di altri esosi a scopo energetico.
• La glicolisi rappresenta la prima tappa dell'ossidazione del glucosio e avviene nel citosol cellulare.
• La glicolisi è regolata tramite modulazione rapida dell'attività di tre enzimi che catalizzano le reazioni irreversibili del percorso metabolico.
• La velocità del flusso del glucosio lungo il percorso glicolitico dipende dalla carica energetica intracellulare; quando è elevata, viene ridotta, e viceversa.
• Insulina e glucagone, gli ormoni essenziali per la regolazione della glicemia, intervengono sulla glicolisi, soprattutto a livello epatico, alterando velocità e quantità degli enzimi.
• La prima fase della glicolisi (fase di investimento) consuma 2 molecole di ATP.
• Il glucosio (composto da 6 atomi di carbonio) viene processato da esochinasi, fosfoglucosio isomerasi, fosfofruttochinasi, aldolasi e trioso fosfato isomerasi.
• La seconda fase della glicolisi (fase di rendimento) produce 4 molecole di ATP e 2 di NADH tramite gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi, fosfoglicerato chinasi, fosfoglicerato mutasi, enolasi e piruvato chinasi
• Il risultato finale della glicolisi è la produzione di 2 molecole di piruvato (composto da 3 atomi di carbonio).
• Il piruvato può intraprendere due strade: la fermentazione senza ossigeno (lattica o alcolica), oppure la respirazione cellulare in presenza di ossigeno generando acetil-CoA.

Gluconeogenesi

• La gluconeogenesi converte composti non glucidici in glucosio, principalmente nel fegato.
• La gluconeogenesi è resa possibile dalla presenza di alcuni enzimi che catalizzano, in senso opposto, le reazioni irreversibili della glicolisi: piruvato carbossilasi, fosfoenolpiruvato carbossichinasi, fruttosio-1,6-bifosfatasi, glucosio-6-fosfatasi.
• Gluconeogenesi e glicolisi sono vie metaboliche opposte sottoposte a regolazione reciproca, in modo che la stimolazione dell'una comporta l'inibizione dell'altra, principalmente tramite effettori allosterici che correlano i flussi metabolici alla disponibilità di energia.
• Insulina e glucagone regolano le due vie a livello epatico per mantenere adeguati i livelli di glicemia.
• La gluconeogenesi è un potente meccanismo di difesa attuato dall'organismo in condizioni di digiuno prolungato.

Processi Catabolici

• I processi catabolici si dividono idealmente in tre fasi.
• La prima fase prevede la demolizione delle macromolecole assunte con la dieta a molecole organiche più semplici quali glucosio, acidi grassi e amminoacidi.
• La seconda fase prevede la conversione di queste molecole ad acetato.
• La terza fase prevede l'ossidazione finale dell'acetato ad anidride carbonica ed acqua
• L'ultima fase, detta metabolismo terminale, avviene nei mitocondri ed è comunemente definita ciclo di Krebs o dell'acido citrico.
• Grazie alla stretta connessione con la catena respiratoria mitocondriale, il ciclo di Krebs produce notevoli quantità di energia chimica sotto forma di molecole di ATP.
• Carboidrati, acidi grassi ed amminoacidi confluiscono al ciclo di Krebs tramite diversi meccanismi.
• Particolarmente importante è la connessione con il metabolismo glucidico mediata dalla decarbossilazione del piruvato prodotto terminale della glicolisi.

Ciclo di Krebs

• In presenza di ossigeno, il piruvato prodotto dalla glicolisi viene trasportato nella matrice mitocondriale e convertito in Acetil-CoA ad opera dell'enzima piruvato deidrogenasi, tappa fondamentale per l'innesco del ciclo di Krebs.
• L'acetil-CoA e ossalacetato costituiscono il substrato di partenza per il ciclo di Krebs.
• Il ciclo di Krebs è un processo biochimico che avviene nella matrice mitocondriale in una serie di reazioni chimiche che iniziano con la condensazione dell'Acetil-CoA ed ossalacetato a citrato e terminano con la formazione di ossalacetato a partire dall'acido malico.
• Due atomi di carbonio dell'Acetil-CoA vengono trasformati in CO2 in reazioni ossidoriduttive che determinano la riduzione di tre coenzimi NAD+ ed un coenzima FAD+ per ciclo; i coenzimi sono riossidati tramite la catena respiratoria mitocondriale contribuendo alla produzione di ATP.
• Durante il ciclo di Krebs avviene una fosforilazione a livello di substrato con produzione diretta di una molecola di GTP.
• Un ciclo di Krebs genera complessivamente 12 molecole di ATP.
• La regolazione del ciclo avviene tramite il controllo degli enzimi che catalizzano l'apporto di Acetil-CoA al ciclo (piruvato deidrogenasi) e quelli che catalizzano le prime tappe irreversibili del processo.
• Il meccanismo regolatorio fondamentale è quello allosterico (feedback negativo) che pone in relazione la velocità di queste tappe con la carica energetica e con la concentrazione cellulare di metaboliti.

Via dei Pentosi Fosfati

• La via dei pentoso fosfati è un processo ossidativo del glucosio-6-P che non produce energia chimica bensì NADPH e Ribosio-5-P, substrati necessari rispettivamente per le sintesi riduttive e per la sintesi di nucleotidi e acidi nucleici.
• La via dei pentoso fosfati avviene nel citosol e si divide in due fasi: reazioni di ossidoriduzione che usano il coenzima NADP+; e conversione del ribulosio-5-fosfato in ribosio -5-fosfato (precursore di acidi nucleici).
• La via metabolica ha notevole importanza nei tessuti che producono attivamente acidi grassi e colesterolo e negli eritrociti, dove contribuisce a mantenere la disponibilità di ferro.

Glicogenosintesi e Glicogenolisi

• Il glucosio può essere depositato nel fegato e nei muscoli sotto forma di glicogeno tramite glicogenosintesi.
• La demolizione (glicogenolisi) e la sintesi (glicogenosintesi) di tale polisaccaride sono vie metaboliche opposte che dipendono dalla disponibilità cellulare di glucosio ematico.
• Solo il glicogeno epatico può essere degradato per aumentare la glicemia, mentre quello muscolare è una riserva energetica tessuto-specifica.
• Il metabolismo del glicogeno è controllato a livello epatico da insulina e glucagone, che ne regolano in modo opposto la via anabolica glicogenosintesi e quella catabolica glicogenolisi.
• Le due vie, regolate da insulina e glucagone, determinano rispettivamente l'innalzamento e la riduzione della glicemia.

Lipidi

• I lipidi sono un gruppo di macromolecole caratterizzate dall'insolubilità in acqua e solubilità in solventi non polari.
• I lipidi comprendono: acidi grassi, trigliceridi, fosfolipidi, prostaglandine, cere, terpeni e steroidi.
• Acidi grassi e trigliceridi hanno un ruolo biochimico fondamentale come fonte di energia.
• I fosfolipidi sono molecole anfipatiche e costituenti fondamentali delle membrane biologiche.
• Gli steroidi, tra cui il colesterolo, hanno funzione strutturale nelle membrane e funzione ormonale.
• I lipidi sono insolubili in acqua e per il loro assorbimento e digestione, sono messi in atto meccanismi specifici che consentono di ottimizzare l'interazione tra enzimi digestivi e molecole lipidiche.

Digestione e Assorbimento Lipidi

• Assorbimento e digestione lipidica si attuano tramite meccanismi specifici che ottimizzano l’interazione tra enzimi e molecole lipidiche: emulsionamento, idrolisi, risterificazione, e formazione di lipoproteine.
• La digestione dei triacilgliceroli si svolge già in parte in bocca e nello stomaco, ma la fase preponderante avviene nell’intestino tenue grazie al processo fisico fondamentale della secrezione della bile che attacca enzimaticamente i lipidi.
• I lipidi emulsionati vengono suddivisi in piccole sfere micellari (grazie alla bile accumulata nella cistifellea).
• Sulla superficie delle micelle operano gli enzimi digestivi: la lipasi pancreatica, la fosfolipasi A2 e la colesterolo esterasi.
• L’idrolisi semplifica i lipidi complessi rompendo i legami estere in essi contenuti, agevolando l'assorbimento negli enterociti.
• Negli enterociti avviene la riesterificazione a trigliceridi, e lo stesso fenomeno interessa i lisofosfolipidi (trasformati a fosfolipidi) ed il colesterolo ( in buona parte riesterificato con acidi grassi a spese di ATP).
• Gli enterociti veicolano i lipidi complessi nel sangue, tramite la linfa, sotto forma di lipoproteine (strutture micellari) denominate chilomicroni e VLDL.

Lipoproteine/Apolipoproteine

• I lipidi sono molecole idrofobiche e il loro trasporto nel sangue avviene tramite lipoproteine che ottimizzano l'interazione con l'acqua esponendo le porzioni idrofiliche dei lipidi e varie proteine (apolipoproteine).
• Le lipoproteine si distinguono in: chilomicroni, VLDL, ILD, LDL, HDL(elencate in base a densità crescente).

Betaossidazione

• Negli animali, una parte consistente dell’energia proviene da acidi grassi.
• L'estrazione dell'energia chimica dagli acidi grassi avviene tramite betaossidazione, che trasforma la catena alifatica in unità bicarboniose, coniugate a coenzima A.
• La betaossidazione si divide in tre fasi: rimozione delle unità bicarboniose (acetil-CoA) dalla catena alifatica tramite reazioni di ossidoriduzione che distaccano elettroni e idrogenioni; successiva immissione dell'acetil-CoA nel ciclo di Krebs; e riossidazione del NADH e del FADH.
• La riossidazione di NADH e FADH avviene tramite la catena di trasporto degli elettroni sino all'ossigeno molecolare.
• La betaossidazione genera molte molecole di ATP (129 da un acido grasso saturo a 16 atomi di carbonio).
• La disponibilità di zuccheri ed energia regola la beta-ossidazione, in modo che consumi inutili non avvengano.

Corpi Chetonici

• I corpi chetonici sono metaboliti prodotti principalmente dagli epatociti a partire da molecole di Acetil-coA.
• Liberati in circolo dal fegato, i corpi chetonici vengono attivamente captati da muscolo cardiaco e scheletrico ed il cervello, che li utilizzano come substrati energetici.
• La produzione di corpi chetonici è strettamente correlata al metabolismo generale degli acidi grassi, e risulta tanto maggiore quanto più sono attivi la mobilizzazione dei trigliceridi dal tessuto adiposo e l'ossidazione degli acidi grassi a livello epatico.
• La produzione eccessiva di corpi chetonici, con conseguente chetosi e acidosi metabolica, può verificarsi quando si realizza uno squilibrio tra l'utilizzo di carboidrati (particolarmente ridotto) e quello dei lipipi (particolarmente elevato).

Biosintesi Acidi Grassi

• La sintesi degli acidi grassi è un processo anabolico che, partendo da Acetil-CoA, produce acidi grassi con 16 atomi di carbonio (palmitato), utilizzando ATP, NADPH e bicarbonato.
• La biosintesi avviene soprattutto nel citoplasma degli epatociti ad opera di acetil-CoA carbossilasi ed acido grasso sintasi in particolari condizioni.
• Condizione primaria per l'inizio della biosintesi degli acidi grassi e l'elevata disponibilità di ATP e carboidrati per inviare i trigliceridi al tessuto adiposo come substrati energetici in eccesso.
• Tale meccanismo viene regolato ad opera di meccanismi allosterici ed ormonali che attivano o inibiscono l'acetil-CoA carbossilasi, che catalizza la tappa limitante.

Colesterolo

• Il colesterolo è un lipide anfipatico con un importante ruolo strutturale nelle membrane plasmatiche.
• Il colesterolo esercita funzioni importanti sotto forma di sali biliari ed ormoni steroidei, che vengono sintetizzati in fegato ed intestino.
• Il processo metabolico avviene nel reticolo endoplasmatico e prevede una serie di reazioni chimiche per formare HMG-CoA, successivamente squalene, lanosterolo e colesterolo.
• Il processo è regolato in condizioni normali dalla quantità di ATP e dal colesterolo stesso; elevati apporti di colesterolo con la dieta ne riducono notevolmente la biosintesi.
• Il catabolismo del colesterolo consiste essenzialmente nella perdita della molecola (prevalentemente sotto forma di Sali biliari nelle feci).

Amminoacidi e Proteine

• Gli amminoacidi sono caratterizzati dalla presenza di un gruppo amminico e carbossilico.
• Gli alfa-amminoacidi, in cui entrambi i gruppi chimici sono legati allo stesso atomo di carbonio, sono gli elementi costitutivi di proteine e peptidi.
• Gli alfa-amminoacidi proteici sono 20, e si differenziano per la natura chimica della catena laterale R, che determina le caratteristiche chimico-fisiche (punto isoelettrico, idrofobicità ed idrofilia) di ciascun amminoacido.
• Le proteine svolgono varie funzioni attraverso l’interazione specifica con altre molecole; il tipo di interazioni e la specifica funzione della proteina dipendono dalla sequenza dei residui amminoacidici.
• La denaturazione della conformazione proteica determina la perdita delo stato nativo, e quindi della funzione della proteina stessa
• Le proteine svolgono importanti funzioni strutturali (collagene), di trasporto (emoglobina, apolipoproteine, albumina), di difesa (immunoglobuline, fibrinogeno), di controllo (ormoni, recettori ormonali, fattori di trascrizione), catalitiche (enzimi) e di movimento (actina, miosina).

Digestione Proteine

• La digestione delle proteine garantisce l’apporto di amminoacidi all’organismo tramite la denaturazione, ad opera del pH gastrico, della struttura tridimensionale della catena amminoacidica, attaccabile quindi dalle endopeptidasi e carbossipeptidasi.
• La pepsina nel secreto gastrico avvia l'idrolisi dei legami peptidici, completata nel lume intestinale dalle peptidasi secrete dal pancreas.
• Gli enzimi pancreatici, secreti in forma inattiva ed attivati da proteolisi parziale, semplificano le proteine in amminoacidi liberi, dipeptidi e tripeptidi.
• Dipeptidasi ed amminopeptidasi negli enterociti completano il processo digestivo.
• I trasportatori specifici presenti sulla mucosa intestinale permettono l'assorbimento degli amminoacidi.

Catabolismo Amminoacidico

• Gli amminoacidi derivati dalla degradazione delle proteine endogene o apportate dall’esterno possono essere utilizzati per produrre energia chimica.
• Il fenomeno catabolico può divenire importante nelle condizioni di digiuno o in stati patologici (diabete) che ne precludono il normale utilizzo di altri nutrienti, aumentando la demolizione della massa muscolare.
• Il catabolismo degli amminoacidi si distingue in eliminazione del gruppo amminico (sotto forma di urea) e degradazione ossidativa dello scheletro carbonioso.
• Il catabolismo degli amminoacidi avviene tramite processi di transamminazione che convogliano la maggior parte dei gruppi azotati sul glutammato, che può essere deamminato dalla glutammato deidrogenasi.
• L’ammoniaca viene convogliata verso la produzione di urea (un composto organico meno tossico dell’ammoniaca stessa), tramite un processo che richiede il consumo di energia chimica ed avviene esclusivamente nel fegato.
• L’urea prodotta viene poi rilasciata nel sangue ed eliminata dal rene tramite l'urina.
• Lo scheletro carbonioso degli amminoacidi viene ossidato per produrre energia, e può variare a seconda della molecola utilizzata per la gluconeogenesi (amminoacidi glucogenici) o per produrre corpi chetonici amminoacidi chetogenici).
• L'assenza o l'errato funzionamento di enzimi che partecipano al catabolismo amminoacidico causa patologie, in particolare la fenilchetonuria, una forma di impossibilità di degradare correttamente la fenilalanina.

Biosintesi dell'Urea

• Gli animali eliminano l'azoto dei composti azotati sotto forma di NH3, acido urico o urea.
• L’uomo elimina l’azoto sotto forma di urea.
• La biosintesi dell’urea si divide in una fase di transamminazione, in una fase di deamminazione ossidativa del glutammato, in, una fase di trasporto di NH3 ed una fase che riguarda il ciclo urea, che è la tappa preliminare del ciclo iniziale comprende l’incorporazione dell’NH3 (utilizzando carbammil-fosfato sintetasi I) e la produzione di urea, escreta con l'urina.
• Le reazioni di transamminazione sono reversibili, non comportano il trasferimento del gruppo amminico e permettono di creare nuovi amminoacidi (non essenziali) da altri amminoacidi.
• La velocità del ciclo dell'urea è legata alla dieta; una dieta ricca di proteine o il digiuno inducono un’intensa attività di degradazione proteica ed un aumento della produzione di urea.

AA precursori di Composti Azotati

• Nel nostro organismo utilizziamo circa 400g di amminoacidi sono precursori per la sintesi proteica e, per il turnover proteico.
• Una quota inferiore viene destinata alla sintesi di composti contenenti N e coinvolti in processi fisiologici: purine, pirimidine porfirine,ossidonitrico, catecolamine, melanina, istamina, serotonina, glutatione.
• L’ossido nitrico è un gas prodotto a partire dall’arginina; diffonde nelle cellule, determina la dilatazione dei vasi sanguigni e riduce la pressione ematica
• Farmaci come la nitroglicerina, utilizzati per l’angina pectoris, vengono trasformati in NO inducono la dilatazione delle coronarie.
• Le catecolamine (adrenalina e noradrenalina) derivano dalla tirosina nelle cellule di origine neuronale e nella midollare del surrene. Neurotrasmettitori o ormoni, secreti in condizioni di stress modulano il metabolismo di zuccheri e lipidi.
• La tirosina convertita a melanina nei melanociti determina il colore di pelle, occhi capelli.
• Il GABA (g-amminobutirrato ) viene sintetizzato nel tessuto cerebrale ed agisce come neurotrasmettitore inibitorio.
• L'istamina, prodotta da mastociti, ha effetto vasodilatatorio, coinvolta nelle risposte allergiche ed immunitarie e nella modulazione della secrezione acida gastrica.
• La serotonina, prodotta a partire dal triptofano, regola sonno, umore, appetito, aggregazione piastrinica e vasocostrizione. Farmaci che modulano l'azione della serotonina trattano depressione, emicrania e schizofrenia.
• La creatina è sintetizzata da 3 aminoacidi: glicina, arginina e metionina.
• La creatina deidratata forma la creatinina, escreta colla renale con quantità proporzionale alla massa muscolare dell’individuo ed utile per la funzionalità renale.
• Le porfirine sono composti ciclici formati da 4 anelli pirrolici (es. l’eme per l'emoglobin. Porifirie se si associano si associa le anomalie genetiche nella sintesi, caratterizzate da anemia, dolore addominale e fotosensibilità e dal catabolismo dell'eme deriva la bilirubina.

Basi Azotate

• Le basi azotate si dividono in Purine (Adenina e Guanina) e Pirimidine (Timina e Citosina).
• L'attacco di gruppi fosfato al ribosio forma i nucleotidi, molecole per la sintesi degli acidi nucleici, fonte di energia (ATP), molecole segnale (AMP) componenti di NAD e FAD.
• La sintesi delle purine ha come precursore fondamentale il PRPP, cui vengono aggiunti progressivamente atomi di carbonio ed azoto.
• La sintesi delle pirimidine vede la costruzione separata dell’anello della base azotata, che viene poi coniugato al PRPP.
• La Gotta e la sindrome di Lesh Nyhan sono causate dalla degradazione delle purine da luogo ad acido urico.
• La degradazione delle pirimidine produce composti solubili (b-alanina e b-amminobutirrato.
• Il deficit di ADA (Adenina Deamminasi) causa immunodeficienza severa combinata (SCID), dove è da carenza di linfociti B e T; in tal caso sono necessari ambienti sterili ed isolati.
• Sia i farmaci chemio terapici che le cellule tumorali duplicano ad alta velocità, ed agiscono sul metabolismo purinico o pirimidinico.

Ossidoriduzioni

• Le ossidoriduzioni permettono la produzione di energia e si basano sullo scambio di elettroni tra donatore (agente riducente) e accettore (agente ossidante); il donatore, cedendo elettroni, si ossida ed il viceversa.
• La reazione è caratterizzata da un potenziale di riduzione, che misura l’affinità di ciascun elettrone per l’accettore.
• In una reazione redox il flusso di elettroni avviene spontaneamente verso l'accettore con maggiore affinità.

Fosforilazione Ossidativa

• La catena respiratoria, sistema di trasportatori di elettroni (quattro complessi enzimatici intramembrana e due trasportatori mobili)localizzati sulla membrana mitocondriale interna, trasporta gli elettroni dai complessi I e II al CoQ, da qui al complesso III e, infine, attraverso il citocromo c, al complesso IV, che li cede all’ossigeno.
• Il complesso I trasferisce gli elettroni dal NADH al CoQ(ubichinone), che è un lipide terpenoide liberamente mobile, attraverso una serie di centri ferro-zolfo e trasferisce 4 protoni nello spazio intermembrana
• II complesso II (succinato deidrogenasi) trasferisce gli elettroni dal FADH al elettroni al CoQed il citocromo C che li ossida liberando protoni.
• L'ATP sintasi sintetizza ATPutilizzando il gradiente protonico della catena di trasporto.
• La velocità della respirazione mitocondriale è limitata dalla disponibilità di ADP e dalla concentrazione di ADP (control dell’accettore della respirazione), che determina la velocità di consumo di ossigeno in funzione del rilascio del gruppo fosforico, ovvero quanto più ATP viene consumato, più l'O2 è utilizzato per produrlo.
• Vi è un particolare tessuto adiposo chiamato bruno,che ossida le sostanze organiche per generare calore utile per mantenere la temperatura corporea (animali in letargo).

Mitocondri

• I mitocondri sono organuli cellulari presenti in tutte le cellule eucariote (eccetto globuli rossi dei mammiferi) capaci di produrre energia attraverso la respirazione cellulare e si localizza nella porzione della cellula con maggiore richiesta, sfruttando glucosio bruciato in presenza di O2 e l'energia liberata, immagazzinata sotto forma di ATP.
• Nei mitocondri il piruvato è ossidato completamente in CO2 e H2O, con una resa energetica superiore alla sola Glicolisi.

Mtdna

• I mitocondri possiedono un DNA circolare (mtDNA), di cui hanno inglobazione dai protocarioti in cambio energia tramite metabolismo ossidativo (endosimbiosi).
• Il DNA mitocondriale codifica alcuni peptidi per subunità di proteine necessarie per la fosforilazione ossidativa, tRNA e rRNA.
• Il DNA mitocondriale non protetto dagli istoni e soggetto ad errori porta patologie genetiche da alterazioni della funzione mitocondriale e mutate direttamente nel DNA nucleare con leggi di Mendel.
• Per malattie mitocondriali si intendono le sindromi associate a deficit della fosforilazione ossidativa che dipendono dai genomi in omeostasi; il non corretto funzionamento può colpire qualsiasi organo nei tessuti specie cellule muscolari e nervose.
• Una delle patologie associate è la malattia MERRF (riguarda la contrazione di un gruppo di muscoli),la Sindrome di Kearns-Sayre (oftalmoplegia esterna progressiva).

Neuroni/Ormoni

• Nei sistemi multicellulari come l'uomo è imprescindibile la comunicazione tra cellule per correlare l'attività di ciascun organo attraverso meccanismi specifici.
• In particolare, la