Processi Metabolici Biochimica PDF

GLICOLISI La glicolisi è una via metabolica che consente la produzione di energia tramite la demolizione del glucosio a piruvato e la produzione di ATP e NADH. La glicolisi è la sola fonte energetica per eritrociti ed è fondamentale anche per midollare renale, cervello e motilità degli spermatozoi....

GLICOLISI La glicolisi è una via metabolica che consente la produzione di energia tramite la demolizione del glucosio a piruvato e la produzione di ATP e NADH. La glicolisi è la sola fonte energetica per eritrociti ed è fondamentale anche per midollare renale, cervello e motilità degli spermatozoi. Dopo un pasto il livello di glucosio ematico aumenta e l’ insulina stimola l’abbassamento della glicemia, permettendo l’entrata del glucosio dal flusso ematico alle cellule in particolare attraverso il trasportatore GLUT 4 e nel citoplasma avviene la glicolisi. La glicolisi avviene anche nei miociti durante sforzo fisico intenso in cui è richiesta una rapida produzione di energia. Le prime 5 reazioni corrispondono alla fase di preparatoria e richiedono il dispendio di ATP. 1)​ G + ATP → G6P +ADP catalizzata dall’ enzima esochinasi (reazione di fosforilazione irreversibile) 2)​ G6P → F6P catalizzata dall’enzima P esosio isomerasi (reazione di isomerizzazione) 3)​ F6P + ATP → F16BP +ADP catalizzata dall’ enzima PFK1 (reazione di fosforilazione irreversibile) 4)​ F16BP → gliceraldeide 3P + DAP catalizzata da F16BP aldolasi (reazione di condensazione aldolica) 5)​ DAP → gliceraldeide 3P catalizzata da trioso P isomerasi Le altre 5 reazioni corrispondono invece alla fase di recupero e producono ATP e NADH 6)​ 2 Gliceraldeide 3P + 2NAD+ +2Pi → 2(1,3 Bifosfoglicerato) 2NADH + 2H+ catalizzata da G3P deidrogenasi (reazione di ox) 7)​ 2(1,3)BPG +2ADP → 2(3PG) + 2ATP catalizzata da fosfoglicerato chinasi (reazione di fosforilazione di ADP a livello di substrato) 8)​ 2 3PG → 2 2PG catalizzata da PG mutasi 9)​ 2 (2PG) → 2 PEP catalizzata da enolasi ( reazione di deidtatazione) 10)​ 2 PEP + 2 ADP → 2 Piruvato +2 ATP catalizzata da piruvato chinasi (reazione di idrolisi irreversibile) La piruvato chinasi è regolata attraverso processi allosterici. Essa è attivata dalla presenza di F16BP mentre è inibita allostericamente da alto ATP, acetil CoA, acidi grassi a lunga catena, Ala e piruvato. FERMENTAZIONE LATTICA La fermentazione lattica avviene in condizioni di ipossia in cui il piruvato prodotto dalla glicolisi non può essere convertito ad Acetil CoA. Piruvato + NADH + H+ → Lattato + NAD+ (reazione di riduzione catalizzata da piruvato deidrogenasi). Avviene ad esempio durante contrazione muscolare violenta (es corsa 100m). Il NAD+ viene riciclato per la glicolisi CICLO DI CORI Il ciclo di Cori permette di evitare l'accumulo di lattato prodotto dalla fermentazione lattica nei muscoli e fornire glucosio, soprattutto durante esercizi intensi. Il lattato accumulato entra nel flusso ematico e viene rilasciato trasportato fino al fegato dove viene riconvertito in glucosio attraverso la gluconeogenesi con consumo di ATP (il fegato utilizza più ATP per sintetizzare glucosio dal lattato di quello prodotto durante la glicolisi). Il glucosio prodotto viene poi rilasciato nel sangue e ritrasportato ai muscoli, dove può entrare nella glicolisi. GLUCONEOGENESI La gluconeogenesi è un processo metabolico mediante il quale viene prodotto glucosio a partire da precursori non saccaridici come lattato, amminoacidi (Ala e Asp) e glicerolo (derivato da ossidazione degli acidi grassi); in generale ogni elemento che può essere convertito a piruvato o ossalacetato è un potenziale precursore. Essa avviene principalmente nel fegato (ma anche in corteccia renale ed epitelio intestinale). Il glucosio prodotto nel fegato entrerà poi nel flusso ematico e sarà trasportato ai vari tessuti. La gluconeogenesi può avvenire per contrastare il digiuno, smaltire l’acido lattico prodotto durante uno sforzo intenso, smaltire amminoacidi in eccesso. La gluconeogenesi è stimolata dal glucagone mentre è inibita dall’ insulina (al contrario della glicolisi). La gluconeogenesi avviene in tre compartimenti cellulari: citosol, mitocondri e reticolo endoplasmatico. 7 reazioni su 10 della gluconeogenesi sono proprie della glicolisi (sono escluse le reazioni 1-3-10 irreversibili) ma avvengono in direzione opposta. Nella prima reazione viene generato PEP che si può ottenere attraverso vie diverse, affinchè si possa ottenere NADH per le reazioni successive: -​ Se il precursore dell’ ossalacetato è il piruvato, esso viene trasportato all’ interno dei mitocondri o prodotto direttamente al loro interno se deriva da A per transaminazione. Esso viene poi convertito in ossalacetato e successivamente in malato (con rilascio di NAD+) per poter uscire dal mitocondrio ed essere riconvertito in ossalacetato nel citosol (con rilascio di NADH) dove poi sarà convertito in PEP tramite PEP carbossichinasi. -​ Se il precursore è il lattato, esso viene ossidato a piruvato nel citosol (attraverso lattato deidrogenasi con rilascio di NADH) che entra poi nel mitocondrio dove viene convertito a ossalacetato e poi direttamente a PEP (tramite PEP carbossichinasi) che entra poi nel citosol 1a) Piruvato + HCO3- + ATP → Ossalacetato + ADP + Pi (regolata da piruvato carbossilasi legato a biotina con residuo di Lys) 1b) Ossalacetato + GTP → PEP + CO2 + GDP (regolata da PEP carbossichinasi). 2) PEP → 2PG 3) 2PG → 3PG 4) 3PG → 1,3 BPG 5) 1,3 BPG → Gliceraldeide 3 P con utilizzo si NADH 6) Gliceraldeide 3P → gliceraldeide 3P + DAP 7) Gliceraldeide 3P + DAP → F1,6BP 8) F16BP + H2O → F 6P + ione fosfato Reazione di idrolisi catalizzata dall’ enzima allosterico 1,6 Bifosfatasi, stimolata da ATP, inibita da AMP e F2,6BP 9) F6P → G 6P 10) G6P → G Reazione di idrolisi catalizzata da G6P fosfatasi, avviene nel reticolo endoplasmatico GLICOGENOLISI Glicogeno e amido sono polisaccaridi che entrano nella via glicolitica oltre alla glucosio e sono fonte di riserva energetica di carboidrati. Il glicogeno in particolare è molto ramificato e spesso è radunato in granuli in miociti ed epatociti. Durante lo sforzo fisico intenso le riserve di glicogeno si esauriscono rapidamente. Quando il glicogeno diminuisce si attiva la catalisi dei lipidi (ma avviene lentamente) e la gluconeogenesi accelera, ad esempio utilizzando Ala come precursore. Nel muscolo avviene in condizione di sforzo fisico, stimolata da adrenalina, nel fegato dall’ abbassamento dei livelli di glucosio, stimolata da glucagone. La glicogenolisi avviene attraverso la rimozione dall’ estremità non riducente di unità di glucosio. E’ una reazione di fosforolitica (idrolisi) endocellulare catalizzata dalla glicogeno fosforilasi legata a PLP: Gli + Pi → Gli (n-1) + G1P Un enzima deramificante del glicogeno ad attività transferasica e glucosidasi idrolizza G1P a dare G mentre la fosfoglucomutasi trasforma G1P in G6P senza spesa energetica ed esso entra nella glicolisi nel muscolo oppure viene trasferito al fegato dove viene poi scisso in glucosio nel RE (tramite fosfatasi) e poi messo in circolazione. SINTESI DI GLICOGENO La sintesi del glicogeno avviene in tutti i tessuti, ma soprattutto nel fegato e nel muscolo. Il G6P entrato nelle cellule come glucosio libero e bloccato al loro interno per fosforilazione è convertito G1P da una fosfoglucomutasi con formazione dell’ intermedio UDP-Glucosio che dona glucosio nella reazione catalizzata da glicogeno sintasi innescata dalla glicogenina. La sintesi di glicogeno avviene, stimolata dall’ insulina ad esempio dopo un pasto abbondante. VIA DEL PENTOSIO FOSFATO La via del pentosio fosfato porta alla sintesi di ribosio e NADPH. E’ una via alternativa della glicolisi, quando la cellula non richiede ATP. Essa ha invece ruolo biosintetico ed è utile a cellule che si dividono rapidamente. La via del pentosio fosfato può essere suddivisa in una fase irreversibile ossidativa dove viene prodotto NADH e una reversibile non ossidativa in cui viene prodotto ribosio. In particolare ci sono 3 stadi: -​ ReazionI 1-2-3 ossidative irreversibili producono NADH e ribulosio 5 P -​ Reazioni 4-5 isomerizzazioni ed isomerizzazioni non ossidative reversibili trasformano ribulosio 5P in ribosio 5P o xilulosio 5 P -​ Reazioni 6-7-8 non ossidative reversibili di rotture di legame C-C convertono 2 molecole di xilulosio 5P e una molecole di ribosio 5P in 2 molecole di F6P una di gliceraldeide 3P CICLO DELL’ ACIDO CITRICO Il ciclo dell’ acido citrico (o degli acidi tricarbossilici) avviene nei mitocondri in condizioni aerobiche ed è un processo anfibolico fondamentale per la respirazione cellulare. Il piruvato prodotto dalla glicolisi prima di entrare nel ciclo deve però essere convertito in acetil-CoA (decarbossilazione) tramite il complesso della PDH che coinvolge 3 enzimi e 5 coenzimi. E’ un’ ossidazione irreversibile in cui il gruppo carbossilico del piruvato viene convertito in CO2 e gli altri 2 C diventano gruppi acetilici dell’ acetil CoA. 1)​ PDH - TTP : Il piruvato decarbossilato, il C-2 forma un gruppo idrossietilico legato alla TTP mentre il C1 viene rilasciato come CO2 2)​ Diidrolipoil transacetilasi - lipoamide: viene trasferito un gruppo acetilico all’ acetil CoA e si riformano TTP e PDH 3)​ Diidrolipoil deidrogenasi - FAD: permettono il trasferimento di elettroni rimossi dal gruppo idrossietilico: prima passano al FAD (che si riduce) e poi al NAD (che si riduce). L’ acetil-CoA entra poi nel ciclo di Krebs e avvengono 8 reazione 1)​ Ossalacetato + Acetil-CoA + H2O → citrato + CoA-SH L’ acetil-CoA reagisce con l’ ossalacetato ed è convertito citrato attraverso la citrato sintasi. La reazione è una condensazione irreversibile 2)​ citrato → isocitrato (reazione di isomerizzazione catalizzata da aconitato) 3)​ isocitrato + NAD+ → alfa cheto glutarato + NADH + CO2 (reazione irreversibile di decarbossilazione ossidativa catalizzata da isocitrato deidrogenasi) 4)​ alfacetoglutarato + NAD+ +CoA-SH → Succinil CoA + NADH + H+ +CO2 (decarbossilazione ossidativa catalizzata dal complesso alfa chetoglutarato deidrogenasi) 5)​ succinil CoA + GDP + Pi → succinato + GTP + CoA-SH (idrolisi del legame tioestere del succinil coA catalizzata da succinato sintetasi e avviene fosforilazione a livello di substrato 6)​ Succinato + FAD → FADH2 + fumarato (ossidazione FAD dipendente catalizzata da succinato deidrogenasi) 7)​ Fumarato → L-Malato (reazione di ossidazione catalizzata da fumarasi 8)​ L-Malato + NAD+ → Ossalacetato + NADH + H+ (ossidazione catalizzata da malato deidrogenasi) L’ ossalacetato potrà essere utilizzato per un nuovo ciclo. Dal complesso della PDH e ciclo di Kreb si formano 1 GTP, 4 NADH, 1 FADH2, 3 CO2 CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI E FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA La fosforilazione ossidativa è un processo che porta alla produzione di ATP attraverso il trasporto di e- attraverso complessi multienzimatici (costituiti da proteine o lipidi associati a metalli) nella membrana mitocondriale interna. Gli e- vengono infine passati all’ ossigeno e ciò libera energia che viene utilizzata per pompare H+ dalla matrice allo spazio intermembrana. La fosforilazione ossidativa consiste in 2 processi accoppiati: 1)​ I coenzimi ridotti (prodotti nelle reazioni ossidative) vengono ox nella catena di trasporto degli e- che sono trasferiti all’ossigeno e grazie a 3 complessi di ossidoreduttasi che pompano si genera un gradiente attraverso la membrana mitocondriale interna. 2)​ Il gradiente di H+ è fonte di energia libera che viene utilizzata tramite il complesso ATP sintasi che porta alla formazione di ATP NADH e FADH2 (ottenuti da glicolisi e ciclo dell’acido citrico) sono ossidati a NAD+ e FAD e trasferiscono gli e- all’ossigeno che è ridotto ad acqua (Il glucosio e’ ossidato completamente a CO2 e H2O). I trasportatori di e- sono disposti in ordine di potenziale crescente, dato che gli e- tendono a fluire spontaneamente da trasportatori con E’° basso verso quelli con E’° alto. La catena respiratoria comprende 4 complessi: -​ COMPLESSO I (NADH ubichinone ossidoreduttasi: da NADH a ubichinone: trasferimento di uno ione idruro da NADH a FMN; i 2 e- poi si trasferiscono attraverso centri Fe-S fino all’ubichinone che si riduce a QH2 che va nel doppio strato lipidico. 4 H+ sono trasferiti dalla matrice allo spazio intermembrana. NADH + H + + CoQ → NAD + + CoQH 2 -​ COMPLESSO II (Succinato deidrogenasi): da Succinato a ubichinone Gli e- passano dal succinato a FAD, attraversano 3 centri Fe-S fino all’ubichinone. Succinato + CoQ → Fumarato + CoQH2 Nella 1° tappa della β-ossidazione degli acidi grassi ( Acil-CoA deidrogenasi ) c’è il trasferimento degli e- a FAD all’altezza dell’ubichinone senza passare dai complessi I o II ETF (proteina) incanala gli e- nella catena respiratoria riducendo direttamente Q. -​ COMPLESSO III (citocromo c ossidoreduttasi): Da ubichinone a citocromo c: CoQH 2 + 2 Cit c[Fe(III)] → CoQ + 2 Cit c[Fe(II)] + 2H+ CICLO DELL’UBICHINONE (CICLO Q) : -​ fase 1: una molecola di QH2 cede un e- al cit c (che si riduce) e uno ad un Q formando una molecola di radicale anionico semichinonico. Il Q formato lascia il complesso. -​ fase 2: un secondo QH2 lascia un e- al cit c ossidato e l’altro al radicale: si forma cit c ridotto e QH2. il 2° trasferimento di e- comporta la captazione di 2 H+ dalla matrice. Il Q formato abbandona il complesso. -​ COMPLESSO IV ( Citocromo c ossidasi): Da citocromo c a O2 Gli e- viaggiano dal cit c all’O2; il trasferimento di 2 e- è associato a pompaggio di 2 H+ dalla matrice allo spazio intermembrana. Le subunita’ I, II sono importanti nel trasferimento di e- dal cit c ridotto al centro CuA, al gruppo eme, al CuB fino all’ O2 che diventa H2O. Il meccanismo chemiosmotico per la sintesi di ATP nei mitocondri accoppia il trasporto degli e- alla fosforilazione ossidativa. Il flusso di e- conseguente al trasferimento transmembrana degli H + genera un potenziale elettrochimico la cui energia è trasformata nell’energia chimica di ATP. Il fattore di accoppiamento che lega l’ ox alla fosforilazione è la proteina oligomerica ATP sintasi. Secondo la teoria dell’ accoppiamento chemiosmotico il gradiente di H+ «guida» la produzione di ATP quando gli H+ rifluiscono nella matrice nei canali ionici di ATP sintasi. Secondo la teoria dell’ accoppiamento conformazionale invece il gradiente protonico provoca la produzione di ATP indirettamente determinando variazioni conformazionali nella ATP sintasi e l’energia chimica del gradiente è convertita in meccanica in forma di proteine rotanti e viene immagazzinata nei legami fosforici dell’ATP. DEGRADAZIONE DEGLI AMMINOACIDI Le proteine introdotte dalla dieta o riciclate dall’ organismo necessitano di molti enzimi per essere degradate (es: gastrina, pepsina, tripsina, chimotripsina, elastasi). Gli amminoacidi sono combustibili metabolici e se presenti in eccesso sono trasformati in precursori di: glucosio (piruvato), acidi grassi o corpi chetonici. La degradazione ossidativa degli aminoacidi avviene nel caso in cui gli amminoacidi non sono necessari alla sintesi di nuove proteine o sono ingeriti in eccesso dalla dieta o in caso di digiuno o diabete mellito in cui si ha basso livello di glucosio. Per rimuovere l’eccesso di N è necessaria una deaminazione (rimozione del gruppo amminico) a dare intermedi della biosintesi del glucosio e producendo urea. Questo processo avviene soprattutto nel fegato. Gli amminoacidi vengono trasformati nei corrispondenti chetoacidi che a loro volta sono ossidati a CO2 e H2O oppure danno intermedi che sono poi convertiti a glucosio (gluconeogenesi). Lo ione ammonio viene in parte utilizzato in vie biosintetiche e l’eccesso viene escreto. Glu e Gln sono convertiti a alfachetoglutarato, Ala a piruvato, Asp a ossalacetato. Glu e gln sono un punto di raccolta dei gruppi amminici: nel citosol degli epatociti i gruppi amminici della maggioranza degli amminoacidi sono trasferiti all ’a-cheto-glutarato a dare glutammato che poi entra nei mitocondri, dove perde il suo gruppo amminico. La maggior parte degli amminoacidi vengono deaminati per transaminazione: Trasferimento del gruppo amminico a dare l’ alfa chetoacido corrispondente e un nuovo amino acido: -​ Amminoacido + alfa - chetoglutarato→ alfa - chetoacido + glu catalizzata da amminotrasferasi o transamminasi con PLP come gruppo prostetico; è’ un trasferimento di gruppo amminico reversibile, la reazione procede con meccanismo a ping pong E + S1 ↔ ES1 ↔ E’P1 — E’ + S2 ↔ E’S2 ↔ E + P2 -​ Glu + ossalacetato → alfa - chetoglutarato + asp Il glu a sua volta dona il gruppo amminico in reazioni biosintetiche oppure lo trasporta per la secrezione Il glu e’ sottoposto a deamminazione ossidativa catalizzata da glutammato deidrogenasi nei mitocondri degli epatociti (l’ammoniaca danneggerebbe le cellule nel citosol). Glu deidrogenasi rimuove il gruppo amminico del glutammato a formare alpha-chetoglutarato -​ Glu + NAD+ → alfa-chetoglutarato + NADH + NH4+ NH4+ sarà poi convertito in urea (meno tossica) nel ciclo dell’ urea CICLO DELL’ UREA L’ ammoniaca prodotta nel fegato è scaricata nel ciclo dell’urea tramite la glutammato deidrogenasi. Quella prodotta dai tessuti extraepatici viene invece convertita dalla glutammina sintetasi a gln per essere trasportata: -​ Ammoniaca (prodotta dai tessuti) + glu + ATP → ADP gln. -​ La gln in eccesso entra nel flusso ematico e arriva a vari tessuti (fegato,reni, intestino) dove l'enzima glutamminasi la converte in Glu che viene poi trasformato in urea nel fegato -​ Il glu smaltisce l’ammoniaca tramite la glutammato deidrogenasi In alternativa nei muscoli il glu trasferisce il suo gruppo amminico al piruvato tramite alanina aminotrasferasi che forma A che va dal muscolo al fegato e forma di nuovo piruvato permettendo l’ escrezione dello ione ammonio e la produzione di glucosio (gluconeogenesi) che ritorna poi al muscolo (ciclo del glucosio alanina). Negli animali ureotelici (come l’ uomo) l’ ammoniaca viene convertita a urea: -​ Nella matrice mitocondriale degli epatociti: NH4+ + HCO3- + 2 ATP → carbamil fosfato + 2 ADP (Catalizzata da Carbamil fosfato sintetasi I) 1)​ Carbamil P + ornitina → citrullina (ornitina transcarbamilasi) la citrullina entra poi nel citosol 2)​ citrullina + Asp + ATP → argininosuccinato +ADP (argininosuccinato sintetasi) 3)​ argininosuccinato → Arg + fumarato (biciclo krebs) (arginino succinasi) reazione reversibile 4)​ Arg → Urea + ornitina (arginasi). L’ ornitina partecipa poi a un nuovo ciclo B OSSIDAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI 4 Reazioni, 1)​ Deidrogenazione catalizzata da acil CoA deidrogenasi FADdipendente su Cα e Cβ beta e si forma un doppio legame con perdita di 2 e- che sono trasferiti alla catena respiratoria tramite electron transfer flavoprotein (ETF) 2)​ Aggiunta di H2O al doppio legame da enoilcoA idratasi 3)​ Deidrogenazione con perdita di 2 elettroni da B-idrossiacilcoA deidrogenasi NAD-dipendente 4)​ Reazione con CoA (libero) ad opera di acil-CoA acetiltransferasi (tiolasi) produce un acido grasso accorciato di 2 atomi di C (come acetil-CoA) In queste reazioni per ogni ciclo viene prodotto anche 1 NADH (2,5 ATP) e 1 FADH (1,5ATP) e per ogni acetil CoA prodotto che entra nel ciclo di Krebs si ottengono circa 10 ATP La beta ossidazione de acido grasso monoinsaturo genera meno ATP un FADH2 in meno quindi 1.5ATP in meno METABOLISMO DEI LIPIDI Avviene nei mitocondri del muscolo scheletrico, cuore, fegato. Il grasso e’ depositato negli adipociti come trigliceride (glicerolo e 3 acidi grassi). Prima dell’assorbimento i lipidi sono solubilizzati dai sali biliari e i grassi sono dispersi in micelle. Le lipasi sotto controllo ormonale liberano gli acidi grassi che diffondono nella mucosa intestinale. Gli acidi grassi sono riconvertiti in TG e inseriti in chilomicroni (aggregati lipoproteici) che entrano nel flusso ematico. La lipoprotein-lipasi (LPL) idrolizza i TG in acidi grassi e glicerolo che entrano nelle cellule del tessuto muscolare e adiposo (dove riesterificati a TG). I chilomicroni residui sono internalizzati nel fegato. La lipoprotein-lipasi (LPL) rimuove TG dai chilomicroni. I resti dei chilomicroni sono particelle arricchite di colesterolo Il glicerolo + ATP catalizzato da glicerolo chinasi → Glicerolo 3P + NAD+ → DAP + NADH (catalizzato da Glicerolo 3P deidrogenasi) che può essere utilizzato nella glicolisi e nella gluconeogenesi e utilizzando meno energia e consentendo il riutilizzo di ossalacetato nel ciclo di Krebs. Resa totale dall’ossidazione del glicerolo a PIR’: Glicerolo + 2 NAD+ + Pi + ADP → PIR + ATP + H2O + 2NADH + H+ In caso di digiuno il glucosio ematico scende e il glucagone stimola la gluconeogenesi e le lipasi che attuano il breakdown dei TG in acidi grassi e glicerolo. Gli acidi grassi lasciano le cellule adipose nella circolazione ematica e legano l’albumina che li porta alle cellule del fegato o del muscolo dove avverrà l’ ox. -​ Inizialmente si forma acil-CoA dal lato citosolico della membrana mitocondriale esterna Acido grasso + CoASH + ATP ⇆ acil-CoA + AMP + PPi ad opera di acil coa sintetasi Gli acil CoA formati possono essere essere usati per sintetizzare lipidi o trasportati nei mitocondri per l’ ox attraverso lo shuttle della carnitina: -​ Transesterificazione degli AG sul gruppo ossidrilico della carnitina catalizzata dalla carnitina acil transferasi 1 (CPT1) regolato da Malonil-coA prodotto di sintesi degli AG che ne rallenta l’ox. La conversione che avviene mentre acil-CoA passa nella membrana mitocondriale esterna. L’estere acil-carnitina attraversa la membrana mitocondriale interna per diffusione facilitata ad opera del cotrasportatore acil-carnitina/carnitina. -​ Il gruppo acilico viene trasferito dalla carnitina al CoA intramitocondriale dall’ enzima carnitina aciltrasferasi 2 (CTP2) (transesterificazione) nel lato interno della membrana mitocondriale interna. Si rigenera Acil-CoA che e’ rilasciato in matrice assieme a carnitina libera. BIOSINTESI DEI LIPIDI La biosintesi degli acidi grassi avviene a partire dall’ Acetil-CoA che deve essere trasportato dal mitocondrio al citosol ma non può attraversare direttamente la membrana mitocondriale interna quindi condensa con l'ossalacetato per formare citrato, che può uscire nel citosol, dove è scisso da ATP-citrato liasi in Acetil-CoA e ossalacetato, con consumo di ATP. L'ossalacetato è ridotto a malato e può essere riconvertito a piruvato, generando NADPH, necessario per la biosintesi. La sintesi degli acidi grassi tramite il complesso della sintasi degli acidi grassi (FAS), un sistema multienzimatico citosolico che utilizza Acetil-CoA e Malonil-CoA come substrati. Gli intermedi sono legati a una proteina trasportatrice di acili (ACP). 1)​ Attivazione dell'Acetil-CoA: L'Acetil-CoA è attivato dall'acetil-CoA carbossilasi per formare Malonil-CoA (intermedio a 3 C che sarà il donatore di due atomi di carbonio nella sintesi) che con consumo di ATP e biotina per trasferire un gruppo carbossilico (CO2) all'Acetil-CoA. 2)​ Inizio della catena (Caricamento dei gruppi acetile su ACP (Acyl Carrier Protein)) Il gruppo acetile (derivato da Acetil-CoA) viene trasferito alla proteina trasportatrice di acili (ACP), formando Acetil-ACP. Parallelamente, il gruppo malonilico (derivato dal Malonil-CoA) è caricato sull'ACP per formare Malonil-ACP. 3)​ Condensazione L'Acetil-ACP (gruppo iniziale) si condensa con Malonil-ACP, formando Acetoacetil-ACP. Viene eliminata una molecola di CO2 (decarbossilazione), il che rende la reazione energeticamente favorevole. 4)​ Prima Riduzione ad opera di Beta-chetoacil-ACP reduttasi. L'acetoacetil-ACP è ridotto a D-beta-idrossibutirril-ACP con consumo di NADPH che dona e- 5)​ Deidratazione ad opera di Beta-idrossiacil-ACP deidratasi. Si elimina 1 H2O, convertendo D-beta-idrossibutirril-ACP in Enoil-ACP formando un doppio legame. 6)​ Seconda Riduzione ad opera di Enoil-ACP reduttasi. L'enoil-ACP è ridotto a acile-ACP saturo con consumo di 1 NADPH. 7)​ Ripetizione del Ciclo Dopo il primo ciclo, la catena acilica satura si trasferisce alla beta-chetoacil sintasi (KS). Il Malonil-ACP entra nel ciclo come donatore di 2 C, e il processo si ripete: condensazione, riduzione, deidratazione e riduzione. Ogni ciclo aggiunge due carboni alla catena in crescita. 8)​ Rilascio dell’acido grasso: Quando la catena raggiunge il numero di atomi di C, l'acido grasso viene rilasciato dall'ACP tramite idrolisi. L'Acetil-CoA carbossilasi è il punto di controllo principale: Regolazione allosterica: Inibita da Palmitoil-CoA, attivata dal citrato. Regolazione ormonale: Glucagone e adrenalina inattivano l'enzima tramite fosforilazione. La regolazione avviene anche a livello di espressione genica. CORPI CHETONICI I corpi chetonici primari sono acetoacetato, beta idrossibutirrato e acetone. Essi vengono utilizzati come fonte di energia alternativa in caso di digiuno prolungato, esercizio fisico, diabete di tipo 1, alcolismo. Normalmente, l'acetil-CoA si combina con l'ossalacetato nel TCA ma poiché esso è anche un substrato per la gluconeogenesi, i suoi livelli sono molto bassi a digiuno in questi casi. Quindi l'acetil-CoA si accumula nel fegato che lo converte in corpi chetonici nei mitocondri. I corpi chetonici possono essere rilasciati nella circolazione ed essere assunti dalla maggior parte delle cellule al cui interno sono riconvertiti in acetilCoA che entra nei mitocondri e produce ATP. -​ Condensazione di 2 acetil-CoA condensano tramite tiolasi → Aceto-acetil-coA -​ Aceto-acetil-coA condensa con un altro acetil-CoA → HMG-CoA MITOCONDRIALE con HMG-CoA sintasi (passaggio limitante la velocità) -​ HMG-CoA si scinde in acetoacetato libero (e acetil CoA) che può essere ridotto(con uso di nadh) a B idrossibutirrato (reversibile) oppure e’ decarbossilato ad acetone. Il rapporto NADH/NAD+ intramitocondriale nel fegato determina il livello di beta idrossibutirrato che si puo’ formare. B idrossibutirrato dal fegato può essere trasportato dal flusso sanguigno ai tessuti e convertito acetil -CoA, processo particolarmente importante per il cervello: -​ B-idrossibutirrato → acetoacetato ( da enzima B-idrossibutirrato deidrogenasi) -​ Acetoacetato e’ attivato dal coenzima A CoASH tramite la B-chetoacil trasferasi → l’acetoacetil CoA -​ Acetoacetil CoA si scinde tramite tiolasi → acetilCoA Acetoacetato, solubile in ambiente acquoso, è una forma di trasporto di acetilCoA. Alcune molecole di acetoacetato perdono spontaneamente un C per creare l'acetone. COLESTEROLO Il colesterolo è prodotto nel fegato e in parte resta nella membrane epatociti ma la maggior parte è esportata Esso puo’ essere convertito in ormoni steroidei e vitamina D. Gli esteri del colesterolo si formano nel fegato via (Acil CoA colesterolo aciltransferasi). Il colesterolo e i suoi esteri sono insolubili e sono trasportati in lipoproteine plasmatiche. Il colesterolo è sintetizzato a partire dall’ acetil CoA in 4 steps 1)​ 3 unita’ di acetato (2C) condensano → mevalonato (6C) (HMG CoA sintasi citosolica) 2)​ mevalonato + 3ATP convertito in unità isopreniche attive 3)​ 6 unità isopreniche attive polimerizzano in squalene (30 C) 4)​ Squalene ciclizza in colesterolo Cosa succede dopo un pasto abbondante, discuti i principali eventi metabolici? Dopo un pasto abbondante, specialmente se ricco di carboidrati, i livelli di glucosio nel sangue aumentano causando la secrezione dell’ ormone pancreatico insulina che fa entrare più glucosio nelle cellule attraverso trasportatori GLUT. Il glucosio viene poi metabolizzato tramite glicolisi e trasformato in piruvato che, in condizioni aerobiche, entrerà nel ciclo di Krebs. Il glucosio in eccesso sarà anche immagazzinato sotto forma di glicogeno attraverso glicogenosintesi. Parte del glucosio in eccesso viene invece deviato verso la via del pentoso fosfato, dove produce NADPH e ribosio-5-fosfato, utili per altre vie biosintetiche. L’acetil CoA derivato dal piruvato tramite il complesso della PDH potrà inoltre essere utilizzato nella sintesi degli acidi grassi. Gli acidi grassi a loro volta, combinandosi col glicerolo formano trigliceridi, che vengono immagazzinati nel tessuto adiposo. Viene inoltre sintetizzato il colesterolo a partire dall’acetil-CoA. Gli amminoacidi in eccesso (non utilizzati per la sintesi proteica) invece non vengono immagazzinati ma verranno deaminati e convertiti in precursori di glucosio, acidi grassi o corpi chetonici e lo ione ammonio, prodotto di scarto verrà metabolizzato attraverso il ciclo dell’ urea. Sintesi del colesterolo: 3 acetato → mevalonato (condensazione ad opera di HMG-COA SINTASI citosolica mevalonato + 3 ATP → unità isopreniche attive 6 unità isopreniche attive → squalene (30C) lo squalene ciclizza → colesterolo Discuti i principali eventi metabolici che avvengono durante il digiuno prolungato, descrivendo in modo dettagliato due delle vie metaboliche identificate. Durante il digiuno prolungato, l’ organismo mobilita le riserve accumulate per produrre energia. Il glucosio ematico cala e il glucagone stimola la produzione di glucosio tramite glicogenolisi e, una volta esaurite le riserve, la gluconeogenesi epatica produce glucosio da precursori come lattato, glicerolo e amminoacidi. I trigliceridi negli adipociti vengono degradati in acidi grassi e glicerolo. Il glicerolo potrà poi essere utilizzato per la produzione di intermedi gluconeogenici mentre gli acidi grassi saranno utilizzati per la produzione di energia tramite beta-ossidazione. L’ acetil CoA che ne deriva potrà essere utilizzato nel ciclo di Krebs. Il fegato in risposta alla diminuzione del glucosio, sintetizza inoltre corpi chetonici (acetone, acetoacetato, beta idrossi butirrato) come fonte alternativa di energia per cervello e muscoli. Nel diabete i processi metabolici che si attivano sono molto simili a quelle del digiuno prolungato ma con glicemia alta dovuta alla disfunzione dell’ insulina. 1)​ Gluconeogenesi: la gluconeogene -​ 1a) Pir + HCO3- + ATP → Ossalacetato + ADP (enzima pir carbossilasi) -​ 1b) Ossalacetato + GTP → GDP + PEP + CO2 (enzima PEP carbossichinasi) -​ 2) PEP → 2 (2PG) -​ 3) 2(2PG) → 2 (3PG) -​ 4) 2(3PG) → 1,3BPG -​ 5) 1,3BPG + NADH + H+ → 2 Gliceraldeide 3P + NAD+ -​ 6) 2 Gliceraldeide 3P → Gliceraldeide 3P + DAP -​ 7) Gliceraldeide 3P + DAP → F16BP  -​ 8) F16BP → F6P (enzima F16BP fosfatasi) -​ 9) F6P→ G6P -​ 10) G6P → G (enzima G6P fosfatasi) 2)​ Sintesi di corpi chetonici I corpi chetonici vengono sintetizzati a partire dall’acetil-CoA, che normalmente verrebbe utilizzato per il ciclo di Krebs assieme all’ ossalacetato ma, poiché durante il digiuno prolungato molto ossalacetato viene deviato verso la gluconeogenesi, l’acetil Coa si accumula nel fegato che lo converte in corpi chetonici che poi potranno essere distribuiti ai vari tessuti (soprattutto al cervello) per essere riconvertiti ad acetil CoA e produrre energia. I corpi chetonici vengono sintetizzati attraverso le seguenti reazioni: -​ 2 acetil CoA → Aceto-acetil CoA ( condensazione tramite tiolasi) -​ Aceto acetil CoA + Acetil CoA → HMG-CoA ( condensazione tramite HMG-CoA sintasi) -​ HMGCoA → acetoacetato + Acetil Coa (scissione) l’ aceto acetato può poi essere ridotto a beta idrossi butirrato (reazione reversibile) oppure essere decarbossilato ad acetone. Il beta idrossibutirrato dal fegato può essere poi trasportato nel flusso ematico per raggiungere i vari organi e poi essere riconvertito ad acetoacetato attraverso la B-idrossibutirrato deidrogenasi. L’ aceto acetato è poi attivato tramite CoASH tramite la B-chetoacil transferasi e riconvertito in aceto-acetil Coa che tramite tiolasi produce nuovamente acetil CoA che potrà essere utilizzato nel ciclo di Krebs. 2 marciatori hanno vinto l’oro olimpico nella marcia di 20 km. (1) Discuti le principali vie metaboliche utilizzate dal muscolo scheletrico a sostegno di queste imprese. (2) Descrivi in modo dettagliato una di queste vie metaboliche. 1) Nel muscolo scheletrico sotto sforzo prolungato viene metabolizzato il glucosio tramite la glicolisi, per la produzione rapida di ATP. Il piruvato prodotto, in condizioni aerobiche, entrerà poi nel ciclo di Krebs e proseguirà con la catena di trasporto degli elettroni e la fosforilazione ossidativa per produrre energia. In caso di sforzo in condizioni anaerobiche invece il piruvato verrà convertito a lattato tramite fermentazione lattica che sarà poi smaltito con la gluconeogenesi attraverso il ciclo di Cori (ma visto che si tratta di atleti molto allenati, probabilmente questa via sarà molto limitata). Se durante la marcia non vengono assunti nutrienti, si innescherà anche la catalisi delle riserve di glicogeno per ottenere glucosio e la (lenta) degradazione dei lipidi. I trigliceridi immagazzinati saranno idrolizzati in acidi grassi e glicerolo. Il glicerolo potrà poi essere trasformato in intermedi glicolitici (DAP) e gli acidi grassi attraverso la beta ossidazione produrranno acetil CoA ed energia. 2) La glicolisi avviene nel citosol attraverso le seguenti reazioni 1)​ G + ATP → G6P 2)​ G6P → F6P 3)​ F6P +ATP → F1,6BP +ADP 4)​ F16BP → DAP + gliceraldeide 3P 5)​ DAP → gliceraldeide 3P 6)​ 2 gliceraldeide 3P + 2NAD+ → 2 (1,3 BPG) + 2NADH + H+ 7)​ 2 (13,BPG) + 2ADP → 2 3PG + 2ATP 8)​ 2 3PG → 2 2PG 9)​ 2 2PG → 2PEP 10)​ 2PEP +2ADP → 2 PIR + 2ATP-.