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BiochimicaCapitolo 2 L'acqua
1. Interazioni non covalenti (deboli)
Le interazioni deboli sono: legami idrogeno, legami ionici,
interazioni idrofobiche e interazioni di Van der Waals. Sono molto
pi deboli dei legami covalenti e in soluzione acquosa a 25 C,
l'energia termica disponibile pu essere dello stesso ordine di
grandezza di queste interazioni, di conseguenza si formano e si
rompono continuamente. L'effetto cumulativo di molte interazioni
non covalenti risulta significativo sia per la struttura
tridimensionale ( la struttura pi stabile o nativa, di norma,
quella che possiede il maggior numero di interazioni deboli) , sia
per il legame ad es. di un antigene ad un anticorpo specifico.
2. Legame idrogeno
I legami idrogeno sono attrazioni elettrostatiche che si formano
tra un atomo elettronegativo (accettore di idrogeno, per lo pi
Fluoro, Ossigeno, Azoto) e un atomo di idrogeno di un altro atomo
elettronegativo nella stessa o in un'altra molecola. Le
caratteristiche del legame idrogeno sono: 1) legame pi deboli e
lunghi rispetto ai legami covalenti; 2) direzionali, le molecole
sono orientate in modo da rendere massima l'interazione
elettrostatiche, cosa che avviene quando l'atomo di idrogeno e gli
altri due atomi che partecipano al legame sono su una linea retta
(tale propriet permette la formazione di strutture tridimensionali
ben precise).Conferiscono all'acqua propriet insolite (punto di
ebollizione, punto di fusione e calore di evaporazione pi elevati
rispetto agli altri liquidi) e una grande coesione interna allo
stato liquido. Svolgono un ruolo fondamentale nel processo di
ripiegamento delle proteine.
3. Interazioni idrofobiche
Le interazioni idrofobiche sono legami che tengono unite le
regioni non polari delle molecole. La forza di queste interazioni
non dipende dalle singole attrazioni fra le molecole non polari, ma
dal raggiungimento da parte del sistema di una maggiore stabilit
termodinamica, che rende minimo il numero di molecole d'acqua
disposte in modo ordinato intorno alla porzione idrofobica. Per
tale motivo, le regioni non polari delle molecole si dispongono in
modo tale da presentare al solvente la minore area superficiale
possibile.Sono di fondamentale importanza per la struttura delle
membrane biologiche e la struttura tridimensionale delle proteine
(stabilizzare la conformazione).
4. Propriet dell'acqua
La molecola dell'acqua (H2O) possiede una forma tetraedrica. Il
legame H-O-H ha un angolo di 104,5, poco meno dei 109,5 di un
tetraedro perfetto, in quanto vi uno schiacciamento dovuto ai due
doppietti di elettroni non condivisi dell'ossigeno. una molecola
polare: la distribuzione degli elettroni di legame tra gli atomi di
ossigeno e idrogeno asimmetrica, con conseguente formazione di
dipoli elettrici. L'acqua sia solvente, in cui avvengono le
reazioni metaboliche, sia reagente, in molti processi biochimici
(es. reazione di condensazione, idrolisi, ossidoriduzione). Il
grado di ionizzazione dell'acqua molto basso. In condizioni
standard si pu calcolare il prodotto ionico dell'acqua, Kw= [H+] x
[OH-]= 1 x 10-14 M, pH neutro=7.
5. Interazioni di Van der Waals
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Capitolo 31. Descrivi gli amminoacidi
Gli amminoacidi pi comuni sono in numero di 20. Hanno propriet
strutturali comuni: un gruppo carbossilico, un gruppo amminico e un
atomo di idrogeno legati ad un atomo di carbonio . Differiscono per
la catena laterale o gruppo R (dimensione, struttura, carica,
solubilit). Il carbonio un centro chirale (eccezion fatta per la
glicina), di conseguenza i vari gruppi legati ad esso si possono
disporre in due modi diversi: due stereoisomeri. Quasi tutti gli
amminoacidi sono L-stereoisomeri, tranne qualche peptide che
possiede D-stereoisomeri. Gli amminoacidi, a seconda delle
condizioni dell'ambiente circostante, possono comportarsi da
acidi\basi deboli: i gruppi funzionali ionizzabili possono
acquistare o perdere un protone. A pH neutro si trovano nella forma
di ione dipolare o zwitterione, ad eccezione dell'istidina. Dalle
curve di titolazione di ogni aa. si pu prevedere la carica netta a
qualsiasi valore di pH.
2. Descrivi i residui laterali degli amminoacidi
Le catene laterale o gruppi R degli amminoacidi differiscono
per: dimensione, struttura, carica e dunque solubilit. Si possono
classificare in: 1) alifatici non polari, tendono a raggrupparsi
all'interno delle proteine, tramite interazioni idrofobiche; 2)
aromatici, catene laterali aromatiche possono formare interazioni
idrofobiche. Assorbono la luce ultravioletta (280nm); 3) polari non
carichi, solubili in acqua; 4) carichi positivamente (basici),
istidina rientra in questo gruppo e funge da tampone a valori di pH
neutro, 5) carichi negativamente (acidi), sono aspartato e
glutammato.Le caratteristiche di ionizzazione di un gruppo R
(valore di pKa ) possono variare in seguito a: 1. perdita di carica
sul gruppo -amminico e -carbossilico; 2. interazioni con altri
gruppi R; 3) fattori ambientali.
3. Gruppi R aromatici
Gli amminoacidi contenenti gruppi R aromatici sono:
fenilalanina, tirosina e triptofano.Sono relativamente non polari;
tirosina e triptofano sono pi polari rispetto alla fenilalanina per
la presenza di un gruppo ossidrilico (Tyr) e dell'atomo di N
nell'anello indolico (Thr) e assorbono maggiormente la luce
ultravioletta (280nm), propriet sfruttata per la caratterizzazione
di queste molecole. Il gruppo -OH della Tyr pu inoltre: formare
legami idrogeno ed essere un gruppo funzionale di alcuni
enzimi.
4. Struttura primaria proteine
Sequenza di amminoacidi legati da legami covalenti (legami
peptidici e disolfuro), che determina la disposizione degli atomi
nello spazio (struttura tridimensionale) della proteina e dunque la
funzione. Dal 20% al 30% delle proteine nell'uomo sono
polimorfiche, cio presentano variazioni della sequenza
amminoacidica, senza variazioni della funzione. Le proteine
presentano regioni essenziali per la loro funzione, in cui la
sequenza deve essere conservata e regioni che possono variare
indifferentemente.Sulla base della somiglianza della sequenza
amminoacidica si possono identificare famiglie di proteine, che
hanno in comune caratteristiche strutturali (es. domini) e
funzionali.Alcune sequenze amminoacidiche fungono da segnali che
determinano la localizzazione cellulare, la modifica chimica e il
tempo di emivita di una proteina.
marcobiscosiEvidenziato
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Capitolo 41. Legame peptidico
Il legame peptidico un legame ammidico, che si genera per
eliminazione di una molecola d'acqua dal gruppo -carbossilico di un
amminoacido e dal gruppo -amminico dell'altro. Il legame peptidico
C-N : molto stabile, vita media (t ) di circa 7 anni; planare, gli
atomi che fanno parte del legame peptidico sono complanari; rigido,
parziale carattere di doppio legame dovuto alla risonanza, perci
non pu ruotare; pi corto di un legame C-N delle ammine primarie. Un
peptide pu essere definito come una serie di piani rigidi, in cui i
piani consecutivi hanno in comune un punto di rotazione
corrispondente al C. La conformazione del peptide pu essere
definita da 3 angoli diedri o di torsione: , coinvolge il legame
C-N-C -C; , coinvolge il legame N-C-C -N; , coinvolge il legame
peptidico C-N. Il legame peptidico normalmente nella configurazione
trans, con valori di a 180.
2. Struttura secondaria proteine
La struttura secondaria si riferisce a particolari
organizzazioni di brevi sequenze amminoacidiche, che danno origine
ad aspetti strutturali per tratti della molecole che si ripetono.
Si possono individuare strutture secondarie:
regolari: -elica, lo scheletro carbonioso si avvolge attorno ad
un'asse longitudinale immaginario, dove i gruppi R sporgono
esternamente; conformazione , lo scheletro della catena
polipeptidica si estende in una conformazione a zig-zag. Tali
catene possono essere unite da legami idrogeno formando il
foglietto ; ripiegamento , collega le estremit di un foglietto
antiparallelo.
Casuali: random coil, in realt l'avvolgimento di uno scheletro
polipeptidico non mai casuale, ma assume sempre una conformazione
specifica.
3. Struttura terziaria proteine
La struttura terziaria riflette la disposizione nello spazio
degli atomi di una proteina, tenendo conto delle relazioni a lungo
raggio nella sequenza amminoacidica. In base a tale struttura si
possono distinguere due grandi classi di proteine: proteine
fibrose, costituite da elementi ripetitivi di strutture secondarie.
Svolgono soprattutto ruoli strutturali; proteine globulari,
costituite da pi tipi di strutture secondarie, assumono una forma
sferica. Gli enzimi e le proteine regolatrici sono per lo pi
proteine globulari. La struttura delle proteine globulari pu essere
analizzata esaminando le diverse sottostrutture, chiamate motivi o
strutture supersecondarie.
4. -cheratina
Le a-cheratine fanno parte della famiglia delle proteine dei
filamenti intermedi (IF). Sono formate da a-eliche ad andamento
destrorso. Coppie di queste eliche si avvolgono con andamento
sinistrorso e con la stessa direzionalit formando una struttura,
chiamata coiled coil. I residui idrofobici delle due a-eliche si
toccano, permettendo un avvicinamento massimo tra le due catene
(superavvolgimento), che ne aumenta la resistenza. La struttura
quaternaria nelle a-cheratine stabilizzata da legami crociati
(ponti disolfuro). La loro struttura adatta a resistere alle
tensioni, per tale motivo si trovano nei capelli, nella lana, nelle
unghie etc.
5. Collageno
Il collageno una coiled coil ad andamento destrorso. formato da
tre catene polipeptidiche ad andamento sinistrorso, catene ,
superavvolte le une sulle altre. Tali catene possiedono una
sequenza ripetitiva del tripeptide Gly-X-Y, dove X spesso Pro e Y
spesso 4-Hyp: Gly, sono residui che si possono adattare ai punti in
cui le catene si accostano strettamente;
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X e Y, consentono lo stretto avvolgimento della catena
polipeptidica del collageno. Pi unit di collageno formano fibre di
collageno, unite tra di loro da legami crociati. Esistono circa 30
tipi di collageno, che differiscono per struttura, funzione e
sequenza amminoacidica. La sua struttura adatta a resistere alle
tensioni, per tale motivo si trova nel tessuto connettivo.
6. Fibroina della seta
La fibroina della seta formata da catene polipeptidiche che si
trovano quasi esclusivamente nella conformazione . Tali catene sono
ricche di residui di Ala e Gly, che permettono di avvicinare
numerose catene tra di loro per formare un foglietto compatto, in
quanto le catene laterali si integrano perfettamente tra di loro.
La struttura complessiva stabilizzata da numerose interazioni
deboli che la rendono flessibile, nonostante non si possa
allungare, in quanto la conformazione della fibroina gia
completamente estesa. La fibroina della seta prodotta dagli insetti
e dai ragni.
7. Mioglobina
La mioglobina una piccola proteina muscolare, MR 16700.
costituita da 153 aa. e da una singola protoporfirina o gruppo eme
(responsabile del colore rosso brunastro). La sua struttura consta
di: 8 segmenti compatti di a-eliche, alcuni ripiegamenti (tra cui
ripiegamenti ) e il gruppo eme. Le catene laterali idrofobiche si
trovano all'interno, lontano dall'acqua, connessi da interazioni
idrofobiche (nucleo denso) spazio solo per 4 molecole di H2O. Le
catene laterali polari sono localizzate sulla superficie esterna
(tutte idratate). L'atomo di ferro posto al centro del gruppo eme
possiede sei valenze di coordinazione: 4 sullo stesso piano, legate
alla porfirina; 2 perpendicolari, di cui una legata ad un residuo
di His e l'altra pu legare l'ossigeno (Fe2+, pu legare l'ossigeno;
Fe3+, non pu). Ha la funzione di immagazzinare l'ossigeno e di
facilitare la diffusione nei muscoli in rapida contrazione.
8. Struttura quaternaria proteine
La struttura delle proteine che contengono due o pi subunit
polipeptidiche viene definita quaternaria.
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Capitolo 51. Gruppo eme (struttura)
Il gruppo eme formato da: un struttura organica ad anello, la
protoporfirina e un atomo di ferro nello stato di ossidazione
ferroso (Fe2+) posto al centro. L'atomo di ferro ha sei legami di
coordinazione: quattro dei quali impegnati con i quattro atomi di
azoto dell'anello porfirinico; gli altri due perpendicolari al
piano della porfirina. Uno dei due impegnato in un legame con la
catena laterale di uno specifico residuo di His (prossimale),
mentre l'altro il sito a cui, di norma, si lega la molecola di
ossigeno. L'eme funge da gruppo prostetico per un gruppo di
proteine, chiamate eme proteine. Quando l'eme libero uno dei siti
di coordinazione del ferro pu reagire con l'ossigeno, generando
l'ossidazione irreversibile del Fe2+ al Fe3+. Quando l'eme inserito
in una proteina, l'accessibilit ai siti risulta limitata.
2. Legame dell'ossigeno con la mioglobina
Il meccanismo di legame dei ligandi dipende dalla struttura
della proteina: es. il CO si lega all'eme libero circa 20000 volte
meglio rispetto all'ossigeno, ma soltanto 200 volte meglio quando
l'eme localizzato all'interno della mioglobina. L'ossigeno si lega
all'eme formando un angolo con il ferro, una conformazione che si
adatta facilmente, agli spazi interni della mioglobina, mentre il
CO si lega formando un legame lineare, perpendicolare al piano
dell'eme. Il residuo di His64 (His E7) o His distale di tale
proteina, presente sullo stesso lato in cui si lega l'ossigeno al
ferro, pu formare un legame idrogeno con l'O2, ma impedisce il
legame di tipo lineare del CO. Ci spiega la diminuita affinit
dell'eme per CO, quando si trova all'interno della mioglobina.
La mioglobina, che ha una curva di legame per l'ossigeno con
andamento iperbolico, relativamente insensibile a piccole
variazioni della concentrazione di ossigeno e quindi funziona bene
come serbatoio di immagazzinamento di questo gas.
3. Emoglobina
L'emoglobina (MR 64500) una proteina tetramerica contenenti
quattro gruppi prostetici eme, uno per ciascuna subunit.
L'emoglobina A (dell'adulto) contiene due catene (143 residui
ciascuna) e due catene (146 residui ciascuna), le quali hanno
struttura simile tra di loro ed anche a quella della mioglobina. A
livello delle interfacce tra le subunit, predominano le interazioni
idrofobiche, ma vi sono anche legami idrogeno e ponti salini.
L'emoglobina presente in due stati strutturali diversi, T e R. Lo
stato T pi stabile quando l'O2 non legato alla proteina. Il legame
dell'O2 favorisce la transizione dallo stato T allo stato R.
4. Legame dell'ossigeno con l'emoglobina
L'emoglobina presente in due stati strutturali diversi, T e R.
Lo stato T pi stabile quando l'O2 non legato alla proteina. Il
legame dell'O2 favorisce la transizione dallo stato T allo stato R.
La transizione non modifica la struttura delle delle singole
subunit, ma i due protomeri scivolano l'uno rispetto all'altro e
ruotano, restringendo cos la tasca tra le due subunit . Inoltre,
alcuni legami ionici, che stabilizzano lo stato T, si spezzano e se
ne formano altri. Il legame dell'ossigeno ad una delle subunit
dell'Hb pu modificare l'affinit per l'ossigeno delle subunit
adiacenti. La curva di legame dell'ossigeno all'Hb ha un andamento
sigmoide, che riflette l'esistenza di un tipo di legame
cooperativo. Questo fenomeno consente una risposta molto pi
sensibile alle variazioni nella concentrazione del ligando.
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Capitolo 61. Velocit ed equilibrio delle reazioni
2. Enzimi
3. Meccanismo d'azione degli enzimi (catalisi e specificit)
4. Catalisi acido-base generale
Molte reazioni biochimiche comprendono la formazione di
intermedi carichi instabili, che tendono a degradarsi rapidamente
nelle loro specie costituenti, impedendo alle reazioni di arrivare
a compimento. Questi intermedi possono essere stabilizzati mediante
il trasferimento di un protone al o dal substrato. Questo processo
prende il nome di catalisi acido-base generale. Nel sito attivo di
un enzima vi possono essere catene laterali di amminoacidi in grado
di cedere o a accettare un protone. Determina un aumento della
velocit della reazione di un fattore variabile tra 102 e 103
volte.
5. Cinetica enzimatica di Michaelis-Menten
La cinetica di Michaelis-Menten una cinetica di saturazione.
Ipotizzarono che l'enzima per prima cosa si combina in modo
reversibile con il substrato, formando il complesso ES ed in
seguito si decompone nell'enzima libero (E) e nel prodotto (P). La
velocit complessiva della reazione dipende dalla tappa pi lenta.
Nel caso in cui la seconda tappa sia la pi lenta, la velocit
dipende dalla [ES] e di conseguenza dalla [S]: a valori di [S]
bassi, Vo aumenta linearmente a [S]; a valori maggiori di [S], Vo
aumenta in misura minore rispetto alla [S]; a valori di [S] tali da
saturare l'enzima E, viene raggiunta la velocita massima, Vmax.
6. Descrivi Km
Km equivalente alla concentrazione del substrato a cui V0 meta
della Vmax. Il valore di Km pu variare da un enzima ad un altro e
anche per substrati diversi dello stesso enzima. Dipende da aspetti
specifici del meccanismo della reazione, come il numero e le
velocit relative delle tappe delle reazioni. Ad es. per una
reazione a due tappe, Km uguale a:
Km= (k2 + k-1)/k1 Se k2
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sito diverso da quello del substrato e solo al complesso ES. 3)
inibizione mista, si lega ad un sito diverso dal sito attivo, ma pu
legarsi sia ad E sia ad ES. 4) inibizione non competitiva, riduce
il valore di Vmax, ma non quello di Km; inibizione irreversibile,
tali inibitori si legano covalentemente, eliminando cos gruppi
funzionali essenziali all'attivit degli enzimi, o formano
associazioni non covalenti particolarmente stabili.[ricopiare
tabella 6.9] [grafico dei doppi reciproci]
9. Inibitori competitivi e non
L'inibitore competitivo compete con il substrato per il sito
attivo dell'enzima. Molti inibitori competitivi sono
strutturalmente simili al substrato e si uniscono all'enzima,
formando complessi EI, senza dar luogo a catalisi. L'equazione di
Michaelis-Menten diventa: Km Km apparente.L'inibitore incompetitivo
si lega ad un sito diverso da quello del substrato e solo al
complesso ES. L'equazione di Michaelis-Menten diventa:L'inibitore
misto si lega ad un sito diverso dal sito attivo, ma pu legarsi sia
ad E sia ad ES. L'equazione diventa:Se ' uguale ad , si parla di
inibizione non competitiva. L'equazione diventa:
10. Proteasi a serina
Le proteasi a serina sono degli enzimi che sfruttano un residuo
di Ser all'interno del sito attivo, per scindere determinati legami
peptidici delle proteine. Il valore di pKa del gruppo ossidrilico
della Ser generalmente troppo alto per disporre a pH fisiologico
della forma non protonata in concentrazioni significative. Un
esempio di proteasi a serina la chimotripsina: catalizza la rottura
idrolitica di legami peptidici adiacenti a residui amminoacidi
aromatici. Nella chimotripsina la Ser195 legata con una rete di
ponti idrogeno all'His57 e all'Asp102, formando quella che definita
la triade catalitica. Il legame del substrato alla chimotripsina
genera una modificazione conformazionale, che permette all'His57 di
rimuovere il protone dalla Ser195 (evitando la formazione di una
carica positiva altamente instabile) e rendere la catena laterale
di quest'ultima un nucleofilo pi forte. L'ossigeno nucleofilo della
Ser195 attacca il gruppo carbonilico del substrato nella fase di
acilazione.
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Capitolo 71. Glucosio [con disegno del glucosio ciclico e
non]
Il glucosio un monosaccaride appartenente alla famiglia degli
aldosi, in particolare un aldoesoso. Si trova sotto forma
dell'isomero-D del glucosio, come la maggior parte degli esosi in
natura. In soluzione acquosa, il D-glucosio in forma di emiacetale
intramolecolare: struttura ciclica, in cui il gruppo ossidrilico
libero sul C-5 ha reagito con il C-1 aldeidico, reazione che rende
questo atomo di carbonio asimmetrico e genera le forme e . Le forme
e del glucosio si interconvertono in soluzione acquosa mediante un
processo chiamato mutarotazione. La miscela costituita da circa un
terzo da -D-glucopiranosio, due terzi da -D-glucopiranosio e
piccole quantit di forme lineari e anelli a cinque membri
(glucofuranosio). Il glucosio possiede numerosi derivati e tramite
legami glicosidici con altri monosaccaridi entra a far parte dei
principali polisaccaridi.
2. Fruttosio [con disegno del fruttosio ciclico e non]
Il fruttosio un monosaccaride appartenente alla famiglia dei
chetosi, in particolare un chetoesoso. Si trova sotto forma
dell'isomero-D del fruttosio, come la maggior parte degli esosi in
natura. In soluzione acquosa, il D-fruttosio in forma di emichetale
intramolecolare: struttura ciclica, in cui il gruppo ossidrilico
libero sul C-5 ha reagito con il C-2 chetonico, reazione che rende
questo atomo di carbonio asimmetrico e genera le e . Le forme e del
fruttosio si interconvertono in soluzione acquosa mediante un
processo chiamato mutarotazione. L'anomero pi comune il
-D-fruttofuranosio. Il fruttosio tramite legami glicosidici con
altri monosaccaridi entra a far parte dei principali
polisaccaridi.
3. Legame glicosidico
Il legame glicosidico pu essere suddiviso in: legame
N-glicosidico e legame O-glicosidico.Il legame N-glicosidico unisce
il carbonio anomerico di uno zucchero e un atomo di azoto nelle
glicoproteine e nei nucleotidi.Il legame O-gllicosidico si forma
quando un gruppo ossidrilico di uno zucchero reagisce con il
carbonio anomerico di un altro zucchero: formazione di un acetale a
partire da un emiacetale e un alcol. Il composto generato chiamato
glicoside.I legami glicosidici sono facilmente idrolizzati dagli
acidi, ma sono resistenti all'azione delle basi. Esempi di legami
glicosidici: maltosio [Glc(1--> 4)Glc], lattosio [Gal(1-->
4)Glc], fruttosio [Glc(12)Fru], trealosio [Glc(1 1)Glc].
4. Glicogeno [con disegno]
Il glicogeno il polisaccaride di riserva pi importante per gli
animali. un polimero formato da residui di glucosio, legati con
legami (1--> 4), con ramificazioni che originano da legami
(1--> 6). Il glicogeno pi ramificato (in media ogni 8-12
residui) e compatto dell'amido. immagazzinato all'interno delle
cellule sotto forma di granuli sia nel fegato, sia, in piccola
parte nel muscolo scheletrico. Ogni molecole di glicogeno contiene
n ramificazioni ed n+1 estremit non riducenti, ma solo una estremit
riducente. Ci di fondamentale importanza per la funzione degli
enzimi degradativi, i quali agiscono su pi estremit non riducenti
contemporaneamente. Fattori sterici e legami idrogeno influenzano
il ripiegamento del glicogeno, il quale si trova sotto forma di
un'elica fortemente avvolta, stabilizzata da legami idrogeno
intracatena.
5. Amido [con disegno]
L'amido un polisaccaride di riserva. Contiene due polimeri del
glucosio: l'amilosio e l'amilopectina. Il primo costituito da due
lunghe catene non ramificate di due residui di D-glucosio, uniti da
legami (1--> 4). Le amilopectine sono formate da residui di
glucosio, legati con legami (1--> 4), con ramificazioni che
originano da legami (1--> 6) e
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intervengono in media ogni 24-30 residui. Fattori sterici e
legami idrogeno influenzano il ripiegamento dell'amido, il quale si
trova sotto forma di un'elica fortemente avvolta, stabilizzata da
legami idrogeno intracatena.
6. Cellulosa [con disegno]
La cellulosa un polisaccaride con ruoli strutturali. una fibra
resistente ed insolubile in acqua, che costituisce gran parte del
legno. un omopolisaccaride lineare non ramificato, contenente da
10000 a 15000 molecole di D-glucosio con configurazione , unite da
legami (1--> 4). Questa differenza strutturale della cellulosa
rispetto all'amilosio, conferisce propriet fisiche molto
differenti. La cellulosa, infatti, non pu essere utilizzata come
combustibile alimentare, poich gli animali non possiedono gli
enzimi capaci di idrolizzare il legame (1--> 4). Fattori sterici
e legami idrogeno influenzano il ripiegamento della cellulosa. La
conformazione pi stabile, per tale molecola, quella nella quale
ciascun residuo con struttura a sedia ruotato di 180 rispetto ai
suoi vicini. Tutti i gruppi -OH sono disponibili per la formazione
di legami idrogeno con catene vicine: si formano fibre resistenti
alla tensione ed insolubili.
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Capitolo 81. Nucleotidi
Un nucleotide costituito da una base azotata (purinica e
primidinica), uno zucchero a cinque atomi di C (pentosio) e uno o
pi gruppi fosforici. Gli acidi nucleici sono polimeri di
nucleotidi, uniti da legami fosfodiestere tra il gruppo ossdrilico
5' di un pentosio e il gruppo ossdrilico 3' del successivo. Ci sono
due tipi di acido nucleico: RNA e DNA. I nucleotidi dell'RNA
contengono ribosio e le principali basi pirimidiniche sono
l'uracile (U) e la citosina (C ). Nel DNA i nucleotidi contengono
2'-deossiribosio e le principali basi pirimidiniche sono timina (T)
e citosina (C ). Le principali basi puriniche sono adenina (A) e
guanina (G) sia nell'RNA, che nel DNA.
2. DNA
Il DNA la molecola in cui viene conservata l'informazione
genetica. costituito da due catene antiparallele destrorse, avvolte
l'una sull'altra in una struttura a doppia elica. Le coppie di basi
complementari G-C e A-T si formano per mezzo di legami idrogeno
all'interno della catena. Le strutture planari delle coppie di basi
sono perpendicolari al lungo asse della doppia elica, separate da
3,4 , e hanno 10,5 coppie di basi per ogni giro. Il DNA pu avere
forme strutturali diverse. Le forme B proposta da Watson e Crick la
forma pi stabile nelle condizioni fisiologiche, ma esistono altre
due forme: forma A e Z. I filamenti di DNA con sequenze appropriate
possono generare strutture insolite: forma di forcina o croce e DNA
triplex o tetraplex.
3. RNA
L'RNA il prodotto della trascrizione del DNA. Il trascritto
sempre un RNA a singolo filamento, che tende ad assumere una
conformazione elicoidale destrorsa, a causa della tendenza delle
basi a sovrapporsi l'una sull'altra (impilamento). L'RNA pu
appaiarsi a regioni complementari su altro RNA o sul DNA. Le regole
dell'appaiamento sono le stesse di quelle del DNA, con l'eccezione
per l'appaiamento tra G e U. Singoli filamenti di RNA possono
ripiegarsi per formare: forcine, regioni a doppia elica o anse
complesse.Esistono diverse classi di RNA: mRNA, tRNA e rRNA (ognuna
di queste con funzioni essenziali nel processo di traduzione) e
altre piccoli RNA specializzati in funzioni regolatrici e
catalitiche.
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Capitolo 101. Acidi grassi
Gli acidi grassi sono acidi carbossilici con una catena
idrocarburica contenente da 4 a 36 atomi di C, anche se i pi comuni
sono quelli con un numero di atomi di C pari, da 12 a 24. Possono
essere: saturi o insaturi (presenza di uno o pi doppi legami). I
doppi legami di quasi tutti gli acidi grassi in natura sono nella
configurazione cis e non sono quasi mai coniugati. La famiglia
degli acidi grassi poliinsaturi (PUFA), con un doppio legame tra il
terzo e il quarto carbonio a partire dal carbonio del metile
terminale della catena (carbonio ), ha una notevole importanza
nella nutrizione umana. A questa famiglia appartengono: acidi
grassi omega-3 (-3) e acidi grassi omega-6 (-6). La solubilita in
acqua e il punto di fusione degli acidi grassi sono influenzati
dalla lunghezza e dal grado di insaturazione della catena
idrocarburica.
Gli acidi grassi sono quasi completamente ridotti e la loro
ossidazione rende una quantit di energia altissima.
2. Triacilgliceroli
I triacilgliceroli o anche detti trigliceridi sono esteri degli
acidi grassi con il glicerolo: tre acidi grassi legati con legami
estere ai gruppi ossidrilici di una molecola di glicerolo. Si
dividono in: semplici, contengono lo stesso tipo di acido grasso in
tutte e tre le posizioni; misti; contengono tipi diversi di acidi
grassi. Sono molecole idrofobiche e densit minore rispetto
all'acqua, che hanno la funzione di: riserva energetica, per la
presenza di acidi grassi, la cui ossidazione genera un enorme
quantit di energia; isolamento termico e in alcuni animali
(capodogli) permette di adattare il galleggiamento del corpo alla
densit dell'ambiente circostante.
3. Glicerofosfolipidi
I glicerofosfolipidi sono lipidi di membrana, in cui due acidi
grassi sono legati con legame estere al primo e al secondo atomo di
carbonio del glicerolo, mentre un gruppo molto polare o carico
legato tramite legame fosfodiestere al terzo atomo di carbonio.
Sono derivati dell'acido fosfatidico e vengono classificati a
seconda della natura del gruppo alcolico della testa polare (es.
colina, etanolammina, serina, glicerolo, fosfatidilglicerolo etc.).
In generale, i glicerofosfolipidi contengono un acido grasso saturo
a 16 o 18 atomi di carbonio in posizione C-1 e un acido grasso
insaturo a 18 o 20 atomi di carbonio in posizione C-2.
4. Sfingolipidi
Gli sfingolipidi sono lipidi di membrana, costituiti da una
molecola di sfingosina (un amminoalcol), da un acido grasso a
catena lunga e da una testa polare alcolica, unita in alcuni casi
da un legame glicosidico, in altri da un ponte fosfodiestere. Il
ceramide l'unit fondamentale comune a tutti gli sfingolipidi. Vi
sono tre sottoclassi di sfingolipidi, tutte derivate dal ceramide,
ma diverse per le loro teste polari: sfingomieline, glicolipidi
neutri e gangliosidi.
5. Steroli
Gli steroli sono lipidi strutturali presenti nella membrana di
molte cellule eucaritiche. Sono costituiti da un nucleo steroideo
costituito da quattro anelli fusi: tre a sei atomi di C e uno a
cinque atomi di C. Il nucleo steroideo planare e rigido; gli anelli
fusi non consentono alcuna rotazione intorno ai legami di C-C. Sono
sintetizzati da subunit isopreniche e sono precursori di numerose
molecole con specifiche attivit biologiche: es. ormoni steroidei e
sali biliari. Il principale sterolo il colesterolo.
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Capitolo 131. Creatin chinasi
La creatin chinasi un enzima che catalizza la reazione
reversibile: ADP + PCr ATP + Cr. Questa reazione avviene quando vi
un aumentata richiesta di ATP. Le riserve di Pcr hanno
concentrazione elevate, soprattutto nel muscolo scheletrico e
rappresenta una riserva disponibile di gruppi fosforici per la
sintesi rapida di ATP da ADP. Quando la richiesta di ATP
diminuisce, l'ATP ottenuto dalle vie cataboliche riutilizzato per
formare la PCr.
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Capitolo 141. Glicolisi
Nella glicolisi una molecola di glucosio viene degradata,
tramite 10 tappe catalizzate da enzimi, in due molecole di
piruvato. L'energia rilasciata recuperata sotto forma di ATP e
NADH, con un gudagno netto di 2ATP e NADH. La glicolisi pu essere
divisa in 2 fasi: fase preparatoria: glucosio + ATP (esochinasi)
glucosio-6-fosfato (fosfoesosio isomerasi) fruttosio-6-fosfato +
ATP (fosfofrutto-chinasi 1) fruttosio 1,6-bisfosfato (aldolasi)
gliceraldeide 3-fosfato e [diidrossiacetone fosfato (trioso fosfato
isomerasi) gliceraldeide 3-fosfato]; fase di recupero energetico, i
reagenti e i prodotti sono moltiplicati per due: gliceraldeide
3-fosfato (gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi) 1,3
bisfosfoglicerato (fosfoglicerato chinasi) 3-fosfoglicerato
(fosfoglicerato mutasi) 2-fosfoglicerato (enolasi) PEP (piruvato
chinasi) piruvato.
2. Diabete mellito di tipo I
L'assorbimento di glucosio nell'uomo mediato dai trasportatori
del glucosio (GLUT). Vi sono varie classi: GLUT1 e GLUT2 negli
epatociti, GLUT3 nei neuroni e GLUT4 nel muscolo scheletrico,
cardiaco e nel tessuto adiposo. L'esposizione di GLUT4 regolata
dall'insulina. Nei soggetti affetti da diabete mellito di tipo I pi
del 90% delle cellule che producono insulina sono degradate e non
possono rilasciare tale prodotto. Per ovviare a questa situazione,
il muscolo e il tessuto adiposo utilizza gli acidi grassi, come
combustibile. Nel fegato l'acetil-CoA prodotto dal catabolismo
degli acidi grassi convertito in corpi chetonici. L'iperproduzione
dei corpi chetonici nel sangue in un paziente affetto da diabete,
determina una diminuzione del pH (chetoacidosi), potenzialmente
mortale.
3. Vie di alimentazione della glicolisi
Molti carboidrati entrano nella via glicolitica, dopo essere
stati trasformati in uno degli intermedi della glicolisi. Glicogeno
e amido entrano nella glicolisi tramite una scissione fosforolitica
di un residuo di glucosio, con formazione di glucosio 1-fosfato, a
sua volta convertito in glucosio 6-fosfato da una fosfoglucomutasi.
I polisaccaridi e disaccaridi dalla dieta sono degradati a
monosaccaridi e trasportati all'interno delle cellule intestinali.
Diversi D-esosi come fruttosio, mannosio, galattosio possono
entrare nella via glicolitica soltanto dopo essere stati
fosforilati e trasformati in: glucosio 6-fosfato, fruttosio
6-fosfato o fruttosio 1-fosfato.
4. I due destini del piruvato (fermentazione)
Il NADH che si forma durante la glicolisi deve essere riciclato
per rigenerare NAD+ , a sua volta necessario per compiere una nuova
glicolisi. In condizioni aerobiche, gli elettroni vengono
trasferiti dal NADH all'ossigeno per mezzo della respirazione
mitocondriale. In condizioni anaerobiche il NADH non pu essere
ossidato. La cellula per ovviare a tale situazione compie la
fermentazione, che pu essere suddivisa in: fermentazione lattica,
con produzione di lattato grazie all'enzima lattato deidrogenazi,
senza consumo di ossigeno e senza variare la concentrazione del
NAD+ e del NADH; fermentazione alcolica, con produzione di etanolo
grazie a due tappe catalizzate dagli enzimi piruvato decarbossilasi
e alcol deidrogenasi.
5. Gluconeogenesi
La formazione di glucosio a partire da precursori non
saccaridici chiamata gluconeogenesi; questo processo utilizza il
piruvato e i composti a 3 o 4 atomi di carbonio ad esso correlati.
Sette reazioni della gluconeogenesi, tutte reversibili, sono
catalizzate dagli stessi enzimi della glicolisi. Tre reazioni
irreversibili della glicolisi vengono sostituite da reazioni
catalizzate da specifici enzimi della gluconeogenesi: 1) la
conversione del piruvato in PEP
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con formazione intermedia di ossalacetato, catalizzata dalla
piruvato carbossilasi e dalla PEP carbossichinasi; 2) la
defosforilazione del fruttosio 1,6-bisfosfato catalizzata dalla
FBPasi-1; 3) la defosforilazione del fruttosio 6-fosfato,
catalizzata dalla glucosio 6-fosfatasi. La formazione di una
molecola di glucosio dal piruvato richiede 4 ATP, 2 GTP e
2NADH.
6. La via dei pentosi fosfati
La via del pentosio fosfato parte dall'ossidazione e
decarbossilazione del glucosio 6-fosfato e produce un pentosio
fosfato e NADPH dal NADP+. Il NADPH fornisce la forza riducente
alle reazioni biosintetiche ed il ribosio 5-fosfato un precursore
per la sintesi dei nucleotidi e degli acidi nucleici.
caratterizzata da due fasi: fase ossidativa, caratterizzata da due
ossidazioni, che convertono il glucosio 6-fosfato in ribulosio
5-fosfato; fase non ossidativa, prima il ribulosio 5-fosfato viene
epimerizzato in xilulosio 5-fosfato, in seguito due enzimi la
transaldolasi e la transchetolasi convertono sei molecole di
pentosio in cinque molecole di esosio, completando il ciclo.
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Capitolo 151. Analisi del controllo metabolico
L'analisi del controllo metabolico consiste in una analisi di
tre parametri fondamentali, che insieme descrivono la risposta di
una via al variare delle circostanze metaboliche. I tre parametri
sono: coefficiente di controllo del flusso, C, una misura
determinata sperimentalmente degli effetti della concentrazione di
un enzima sul flusso di una via metabolica multienzimatica;
coefficiente di elasticit, , di un enzima una misura determinata
sperimentalmente della sua risposta a variazioni di concentrazione
di un metabolita o di una molecola regolatrice; coefficiente di
risposta, R, esprime l'effetto di un fattore esterno sul flusso di
una via metabolica. [R=C]
2. Regolazione coordinata della gluconeogenesi e della
glicolisi
La gluconeogenesi e la glicolisi hanno sette enzimi in comune,
mentre possiedono tre tappe catalizzate da enzimi diversi e
costituiscono i punti di regolazione delle due vie. L'esochinasi e
la glucosio 6-fosfatasi sono regolate a livello trascrizionale:
condizioni di bassa [ATP], alta [AMP] ed elevata glicemia causano
elevata trascizione di esochinasi, viceversa di glucosio
6-fosfatasi. PFK-1 e FBPasi-1 sono regolate reciprocamente: alte
[AMP], [ADP] e [fruttosio 2,6-bisfosfato] attivano PFK-1, alte
[citrato] e [ATP] la inibiscono; viceversa per FBPasi-1. La
piruvato chinasi inibita allostericamente dall'ATP; l'isozima L del
fegato anche dalla fosforilazione cAMP-dipendente. La piruvato
carbossilasi attivata da alte [Acetil-CoA]. I fattori
trascrizionali quali ChREBP, CREB, SREBP e FOXO1modulano la
trascrizione di geni specifici delle due vie.
3. Regolazione della gluconeogenesi
Il primo punto di controllo della gluconeogenesi la conversione
del piruvato ad acetil-CoA (catalizzata da PDH), combustibile per
il ciclo dell'acido citrico o ad ossalacetato (catalizzata da
piruvato carbossilasi), per la gluconeogenesi. L'acetil-CoA un
modulatore allosterico positivo della piruvato carbossilasi. La
produzione di PEP catalizzata dalla PEP carbossichinasi regolata a
livello della sintesi e demolizione di tale enzima. La FBPasi-1
regolata negativamente da [fruttosio 2,6-bisfosfato] e [AMP]. La
glucosio 6-fosfatasi regolata a livello trascrizionale: alta [ATP],
bassa [AMP] e bassa glicemia attivano la trascrizione. I fattori
trascrizionali quali CREB, SREBP e FOXO1modulano la trascrizione di
geni specifici della gluconeogesi.
4. Catabolismo del glicogeno
Il glicogeno conservato nel muscolo scheletrico e nel fegato. Le
unit di glucosio del glicogeno entrano nella glicolisi per azione
di tre enzimi: glicogeno fosforilasi, enzima deriamificante e
fosfoglucomutasi. La glicogeno fosforilasi scinde un legame (1 4)
glicosidico tra due residui di glucosio all'estremit non riducente,
liberando glucosio 1-fosfato. La ramificazione (1 6) scissa
dall'enzima deramificante, che rilascia una catena lineare e
glucosio libero. La fosfoglucomutasi converte il glucosio 1-fosfato
in glucosio 6-fosfato, il quale pu entrare nella glicolisi oppure
nel fegato, dove convertito in glucosio libero dalla glucosio
6-fosfatasi nel reticolo endoplasmatico e rilasciati libero nel
sangue.
5. Sintesi del glicogeno
L'UDP-glucosio dona i residui di glucosio all'estremit non
riducente del glicogeno nella reazione catalizzata dalla glicogeno
sintasi. L'enzima ramificante produce i legami (1 6) nei punti di
ramificazione. La glicogeno sintasi necessita di un innesco
(primer) per generare una molecola di glicogeno. La glicogenina
trasferisce il glucosio dall'UDP-glucosio al gruppo ossidrilico
della Tyr194 della glicogenina, la quale possiede anche l'attivit
glucosil-
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trasferasica. La formazione di un primer di almeno otto residui
di glucosio permette la sintesi del glicogeno.
6. Regolazione della sintesi e della demolizione del
glicogeno
La glicogeno fosforilasi attivata da una cascata innescata da
adrenalina nel miocita e da glucagone nell'epatocita, che agiscono
su una proteina che lega il GTP(Gs): attivazione AC [AMP] PKA
attiva fosforilasi b chinasi attiva glicogeno fosforilasi dalla
forma b (inattiva) alla forma a (attiva) aumento della
glicogenolisi. La glicogeno sintasi presenta una forma a (attiva)
defosforilata e una forma b (inattiva) fosforilata. GSK3 determina
la fosforilazione di questa proteina, soltanto se la CKII ha
precedentemente fosforilato la glicogeno sintasi. L'insulina agisce
sia sulla demolizione, sia sulla sintesi del glicogeno: attivando
la PP1 e inibendo GSK3.
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Capitolo 161. PDH
Il complesso della piruvato deidrogenasi costituito da tre
enzimi ed localizzato nei mitocondri delle cellule eucariotiche e
nel citosol delle cellule procariotiche. Gli enzimi sono: piruvato
deidrogenasi, E1 (legata al suo cofattore TPP); diidrolipoil
transacetilasi, E2 (col gruppo lipoilico legato covalentemente);
diidrolipoil deidrogenasi, E3 (con i suoi cofattori FAD e NAD).
All'interno del complesso avviene un ciclo di cinque reazioni che
portano alla degradazione del piruvato in Acetil-CoA, CO2 e NADH.
Tutti gli enzimi e i coenzimi sono raggruppati insieme consentendo
agli intermedi di reagire facilmente e velocemente (incanalamento
del substrato).
2. Formazione dell'acetil-CoA (PDH)
Il degradazione del piruvato ad opera di PDH genera: Acetil-CoA,
CO2 e NADH. La piruvato deidrogenasi, E1, catalizza la
decarbossilazione del piruvato producendo idrossietil-TPP, e poi
l'ossidazione del gruppo idrossietilico a gruppo acetilico. Gli
elettroni di questa ossidazione vengono utilizzata per rompere il
legame disolfuro della lipoil-lisina e per formare l'acil
lipoil-lisina (lega un gruppo acetilico). La diidrolipoil
transacetilasi, E2, catalizza il trasferimento del gruppo acetilico
al coenzima A, formando acetil-CoA. La diidrolipoil deidrogenasi,
E3 catalizza la rigenerazione del legame disolfuro del lipoato,
generando NADH.
3. Ciclo dell'acido citrico
Il ciclo dell'acido citrico una via catabolica, che avviene nei
mitocondri in cui un acetil-CoA viene trasformato in 2CO2,
generando 3NADH, 1FADH2 e 1GTP. Il ciclo comprende otto tappe:
Acetil-CoA + ossalacetato (citrato sintasi) citrato (aconitasi)
cis-aconitato (aconitasi) isocitrato (isocitrato deidrogenasi)
-chetoglutarato (complesso dell'-chetoglutarato deidrogenasi)
succinili-CoA (succinil-CoA sintetasi) succinato (succinato
deidrogenasi) fumarato (fumarasi) malato (malato deidrogenasi)
ossalacetato, ricominciando un altro ciclo.
4. Regolazione del ciclo dell'acido citrico
La velocit del ciclo dell'acido citrico controllata dalla
velocit di conversione del piruvato in acetil-CoA, e dal flusso
attraverso la citrato sintasi, la isocitrato deidrogenasi e
l'-chetoglutarato deidrogenasi. Il flusso attraverso questi enzimi
largamente detreminatto dalle concentrazioni dei substrati e dei
prodotti: i prodotti terminali ATP e NADH sono inibitori, e i
substrati NAD+ e ADP sono attivatori. La produzione di Acetil-CoA,
catalizzata dalla PDH, inibita allostericamente dai metaboliti che
segnalano una sufficiente disponibilit di energia metabolica (ATP,
acetil-CoA, NADH,acidi grassi), viceversa attivata da AMP, CoA e
NAD+.
5. Il ciclo del gliossilato
Il ciclo del gliossilato ha sede nelle piante (nei gliossiosomi)
e in alcuni microrganismi. Consiste in un ciclo di reazione che
produce una molecola di succinato e un NADH per ogni 2 Acetil-CoA:
Acetil-CoA + ossalacetato (citrato sintasi) citrato (aconitasi)
isocitrato (isocitrato liasi) succinato e gliossilato; gliossilato
+ Acetil-CoA (malato sintasi) malato (malato deidrogenasi)
ossalacetato, ricominciando un altro ciclo. Nei vertebrati assente
il ciclo del gliossilato. Essi non possono perci sintetizzare il
glucosio dall'acetato o dall'acetil-CoA prodotto dagli acidi
grassi.
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Capitolo 17 1. Digestione degli acidi grassi
I triacilgliceroli ingeriti con la dieta sono convertiti in
micelle solubili dai sali biliari (solubilizzazione). La formazione
delle micelle aumenta la frazione di lipidi accessibile all'azione
di lipasi solubili in acqua, le quali degradano i
triaciligliceroli. Gli acidi grassi e gli altri prodotti di
degradazione penetrano nella mucosa intestinale, dove vengono
convertiti in triacilgliceroli. Quest'ultimi vengono incorporati
insieme a colesterolo e apolipoproteine nei chilomicroni, i quali a
loro volta arrivano ai tessuti attraverso il sistema linfatico e
sanguigno. La lipoproteina lipasi, attivata nei capillari
dall'apoC-II, converte i triacilgliceroli in acidi grassi e
glicerolo, i quali entrano nelle cellule, dove seguono diverse
vie.
2. Mobilizzazione dei triacilgliceroli depositati
Gli ormoni innescano la mobilizzazione delle riserve dei
triacilgliceroli. Quando una bassa concentrazione di glucosio nel
sangue provoca il rilascio di adrenalina o glucagone, l'ormone si
lega al suo recettore associato a proteine G sulla membrana
dell'adipocita. Il legame genera un meccanismo a cascata, con
attivazione di: AC PKA fosrilazione delle perilipine (sulla
membrana della goccia lipidica) e della lipasi ormone-sensibile;
questa lipasi idrolizza i triacilgliceroli della goccia lipidica in
acidi grassi. Gli acidi grassi liberi lasciano l'adipocita e legati
alla sieroalbumina vengono trasportati nel sangue fino agli altri
tessuti.
3. Attivazione degli acidi grassi
Gli acidi grassi con 14 o pi atomi di carbonio non possono
passare direttamente attraverso la membrana mitocondriale, ma
devono prima subire tre reazioni enzimatiche dette sistema navetta
o shuttle della carnitina: 1) acil-CoA sintetasi, presente sulla
membrana mitocondriale esterna, favorisce la formazione di un
tioestere; 2) carnitina acil transferasi I, catalizza la formazione
di acil-carnitina, la quale in grado di passare nella matrice
attraverso un trasportatore specifico nella membrana mitocondriale
interna; 3) carnitina acil transferasi II permette il distacco
della carnitina, con formazione di acil-CoA. L'Acil-CoA pu essere
ossidato o utilizzato per la sintesi di lipidi di membrana nel
citosol.
4. Beta-ossidazione
Nella prima reazione della -ossidazione, quattro reazioni
staccano una unit di acetil-CoA dall'estremit carbossilica di un
acil-CoA saturo: 1)deidrogenazione degli atomi di carbonio e
(acil-CoA deidrogenasi FAD-dipendente); 2) idratazione del doppio
legame trans-2 (enoil-CoA idratasi); 3) deidrogenazione della
L-b-idrossiacil-CoA (b-idrossiacil-CoA NAD-dipendente; 4) tiolidi
del b-chetoacil-CoA (tiolasi), con formazione di acetil-CoA e di un
acil-CoA accorciato di due atomi di carbonio. Durante queste
reazioni vengono prodotte una molecola di NADH e una di FADH2.
5. Tappe beta-ossidazione [vedi risposta n4]
6. Tipi beta-ossidazione
La normale beta-ossidazione produce il distacco da un acido
grasso saturo con un numero pari di atomi di C di una unit
acetilica, attraverso quattro reazioni. L'ossidazione degli acidi
grassi insaturi richiede due altri enzimi: l'enoil-CoA isomerasi,
che trasforma un doppio legame cis in trans e nel caso di acidi
grassi poliinsaturi necessaria anche la 2,4 dienoil-CoA reduttasi.
L'ossidazione degli acidi grassi con un numero dispari di atomi di
C avviene normalmente fino all'ultimo substrato a 5C, che viene
scisso in acetil-CoA e proprionil-CoA: proprionil-CoA
(propionil-CoA carbossilasi, insieme al cofattore biotina) D-
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metilmalonil-CoA (metilmalonil-CoA epimerasi) L-metilmalonil-CoA
(meil-malonil-CoA mutasi, insieme al coenzima B12)
succinil-CoA.
7. Regolazione sintesi e demolizione degli acidi grassi
La velocit di ossidazione degli acidi grassi limitata dal
processo a tre tappe dello shuttle della carnitina. Il malonil-CoA,
il primo intermedio della biosintesi citosolica degli acidi grassi
a catena lunga, inibisce la carnitina acil-transferasi I. Alte
concentrazioni di glucosio, determinano il rilascio di insulina,
che aumenta l'attivit della fosfatasi che defosforila ACC,
attivandolo [malonil-CoA] aumenta limitando la demolizione di acidi
grassi. Il glucagone invece aumenta l'attivit della PKA che
fosforila ACC, inattivandolo, con effetti opposti all'insulina.
8. Tappe formazione corpi chetonici
I corpi chetonici sono: l'acetone, l'acetoacetato e
-idrossibutirrato. Derivano dall'acetil-CoA tramite una serie di
reazioni: 2 acetil-CoA (tiolasi) acetoacetil-CoA + acetil-CoA
(HMG-CoA sintasi) HMG-CoA (HMG-CoA liasi) acetoacetato +
acetil-CoA; dall'acetoacetato derivano l'acetone tramite
decarbossilazione (acetato decarbossilasi) e il
D-b-idrossibutirrato tramite ossidazione (D-b-idrossibutirrato
deidrogenasi). L'acetone viene eliminato con la respirazione,
invece gli altri due con il ciclo dell'acido citrico per dare
energia a tessuti come il muscolo scheletrico, il cuore e il
rene.
-
Capitolo 181. Metabolismo amminoacidi
Il metabolismo degli amminoacidi di norma comprende, come prima
tappa, il distacco del gruppo -amminico, promosso da enzimi
chiamati amminotrasferasi o transaminasi. La reazione necessita del
cofattore PLP e consiste nel passaggio di un gruppo -amminico di un
aa. ad un -chetoglutarato, con formazione di glutammato (Glu) e
-chetoacidi. Il glutammato rilascia il suo gruppo amminico sotto
forma di ammoniaca nel fegato, dove potr entrare nel ciclo
dell'urea o essere riciclata nella biosintesi di amminoacidi,
nucleotidi e ammine biologiche. Gli -chetoacidi entrano nel ciclo
dell'acido citrico.
2. Trasporto di NH3 nel sangue
NH3 molto tossico negli animali e il suo livello nel sangue deve
essere controllato. L'NH3 libera nei tessuti si combina con il
glutammato per formare la glutammina (glutammina sintetasi); la
reazione richiede ATP ed avviene in due tappe, con intermedio
gamma-glutammil-fosfato. La Gln cos formata viene trasportata al
fegato grazie al torrente ematico. La Gln in eccesso viene
convertita in Glu e NH4+ dalla glutamminasi, nei mitocondri del
fegato. Lo ione ammonio pu, inoltre, essere trasportato per mezzo
dell'alanina dal muscolo scheletrico al fegato (ciclo
glucosio-alanina).
3. Ciclo dell'urea
Il ciclo dell'urea serve a convertire l'NH3 nei mitocondri
epatici in urea; inizialmente l'NH4+ presente nei mitocondri e
l'HCO3- , derivato dalla respirazione mitocondriale, reagiscono
grazie all'ATP e alla carbamil fosfato sintetasi per dare: carbamil
fosfato; carbamil fosfato + ornitina (ornitina transcarbamilasi)
citrullina si sposta nel citosol; citrullina + ATP +aspartato
(argininosuccinato sintetasi) arginino succinato
(arginino-succinasi) fumarato e arginina; arginina (argininasi)
ornitina ed urea. La produzione di fumarato unisce il ciclo
dell'urea al ciclo di Krebs e ci fa diminuire il costo energetico
della via.
4. Shunt aspartato-argininosuccinato
Lo shunt aspartato-argininosuccinato collega il ciclo dell'urea
con il ciclo di Krebs (biciclo di Krebs): il ciclo dell'urea
produce fumarato nel citosol in seguito alla sintesi di arginina
che pu essere convertito in malato ed entrare nel ciclo di Krebs;
l'aspartato, formato nei mitocondri mediante transamminazione
dell'ossalacetato ad opera del glutammato, entra nel ciclo
dell'urea da donatore di N.
5. Regolazione del ciclo dell'urea
Regolazione a lungo termine: se la dieta iperproteica, gli
scheletri carboniosi degli amminoacidi vengono usati come
combustibile metabolico e l'urea viene prodotta in eccesso; in caso
di digiuno i nutrienti provengono dalla degradazione delle proteine
muscolari e la produzione di urea aumenta. Regolazione a breve
termine: la carbamilfosfato sintetasi attivata allostericamente
dall'N-acetilglutammato, sintetizzato dall'acetil-CoA e dal
glutammato ad opera dell'enzima N-acetilglutammato sintasi; il
livello di N-acetilglutammato dipende dai substrati e
dall'arginina, attivatrice della N-acetilglutammato sintasi.
6. Donatori di gruppi amminici nel ciclo dell'urea
Il primo gruppo amminico a entrare nel ciclo dellurea deriva
dallNH3 mitocondriale: questa, sotto forma di NH4+, reagisce con
lHCO3-(derivato dalla respirazione mitocondriale) per dare carbamil
fosfato grazie alla carbamil fosfato sintetasi e allATP. Il secondo
gruppo amminico viene fornito dallAsp mediante una condensazione
tra il gruppo amminico dellAsp e il gruppo ureidico della
citrullina: questa reazione genera
-
argininosuccinato, richiede ATP e passa per lintermedio
citrullil-AMP ed catalizzata dalla argininosuccinato sintetasi.
7. Degradazione amminoacidi
I 20 processi metabolici degli aa convergono verso 6 prodotti
principali, tutti in grado di entrano nel ciclo di Krebs; gli
scheletri carboniosi sono indirizzati alla gluconeogenesi o alla
chetogenesi o completamente ossidati a CO2 e H2O. Gli aa possono
essere chetogenici o glucogenici(alcuni sono entrambi).
Glucogenici: Arg, Gln, His, Pro Glu -chetoglutarato; Ile, Met, Thr,
Val succinil-CoA; Phe , Tyr fumarato; Asn, Asp ossalacetato; Ala,
Cys, Gly, Ser, Trp, Thr piruvato. Chetogenici: Ile, Leu, Thr, Trp
acetil-CoA; Leu, Lys, Phe, Trp, Tyr acetoacetil-CoA;
lacetoacetil-Coa pu formare corpi chetonici o divenire acetil-CoA e
questultimo pu produrre anchesso corpi chetonici o entrare nel
ciclo di Krebs.
8. Coenzimi
I pi importanti sono il piridossal fosfato, il tetraidrofolato e
la S-adenosilmetionina: il PLP il gruppo prostetico delle
transamminasi, corrisponde alla forma coenzimatica della vitamina
B6, partecipa al trasferimento dei gruppi amminici
all-chetoglutarato; il tetraidrofolato, la cui forma ossidata la
folacina, ha 3 stati di ossidazione: il pi ridotto trasporta CH3,
se pi ossidato CH2OH e se ancora pi ossidato -CHO; ladoMet il
miglior trasportatore CH3, proviene da ATP e Met grazie
alladenosilmetionina trasferasi: in questa reazione lo S della Met
attacca il C5 del ribosio rilasciando il gruppo trifosforico,
altamente energetico. Vi sono anche: la biotina e la
tetraidrobiopternia.
9. Amminoacidi glucogenici
10. Amminoacidi chetogenici
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Capitolo 191. Definizione fosforilazione ossidativa
La fosforilazione ossidativa rappresenta la tappa finale del
metabolismo negli organismi aerobici. In questa tappa tutta
l'energia prodotta dalle ossidazioni utilizzata per la sintesi di
ATP nei mitocondri. In questo processo coinvolto un flusso di
elettroni attraverso una catena di trasportatori legati alla
membrana. L'energia libera resa da questo flusso esoergonico di
elettroni accoppiata al trasporto endoergonico di protoni
attraverso una membrana impermeabile ai protoni. Il flusso
trasmembrana di protoni in senso inverso, mediato da l'ATP sintasi
genera ATP mediante catalisi rotazionale. I 10 NADH e i 2 FADH2
,prodotti dall'ossidazione del glucosio nella glicolisi e nel ciclo
di Krebs, mediante fosforilazione ossidativa producono 28 molecole
di ATP.
2. Accettori di elettroni
Gli elettroni derivano dallazione delle deidrogenasi che li
incanalano verso gli accettori nicotinammidici(NAD+ o NADP+) e
flavinici(FAD o FMN). Le deidrogenasi NAD(P)+ dipendenti
catalizzano la reazione reversibile: substrato ridotto+NAD(P)+
substrato ossidato+NAD(P)H + H+; il NADH trasporta elettroni dalle
reazioni cataboliche alla NADH deidrogenasi; le flavoproteine
contengono un cofattore flavinico(FAD o FMN) che se ossidato pu
accettare 1 o 2 elettroni: esse agiscono come intermedi di reazioni
in cui sono donati 2 elettroni e quelle in cui ne viene accettato 1
alla volta. Oltre a queste proteine vi sono altri gruppi di
trasportatori: ubichinone, citocromi e proteine ferro-zolfo.
3. Complesso (I, II, III, IV)
I trasportatori di elettroni sono organizzati in complessi
multienzimatici; il complesso I(NADH deidrogenasi)catalizza NADH+H+
+ Q(ubichinone) NAD+ +QH2 e il trasferimento di 4 protoni dalla
matrice allo spazio intermembrana; il II(succinato deidrogenasi)
costituito da quattro subunit proteiche (A,B,C,D); la subunit A
contiene FAD, la B 3 centri Fe-S attraverso i quali gli elettroni
passano dal succinato per raggiungere Q; il complesso del citocromo
bc1(III) viene ossidato (da QH2 a Q) e vengono ridotte due moleocle
di citocromo c, con trasporto vettoriale di protoni dalla matrice
allo spazio intermembrana; il IV(citocromo ossidasi) trasporta gli
elettroni dal complesso c al centro CuA, al gruppo eme a, al centro
a3-CuB e infine all'O2, riducendolo ad H2O.
4. Struttura ATP sintasi
un complesso enzimatico della membrana mitocondriale interna che
catalizza la formazione di ATP da ADP e Pi, accompagnata dal flusso
protonico dal lato p al lato n della membrana. Appartiene alla
famiglia delle ATPasi di tipo F. formata da 2 subunit: Fo possiede
un canale per i protoni, attraverso il quale questi ioni possono
passare ad una velocit pari a quella del pompaggio degli elettroni;
F1 isolata catalizza lidrolisi dellATP, mentre accoppiata a Fo
chiude il canale protonico di quest'ultima, garantendo
laccoppiamento del trasferimento protonico alla sintesi di ATP.
5. Funzionamento ATP sintasi
Il funzionamento strettamente legato con la struttura delle sue
subunit: Fo formato da 3 subunit a, b, e c, e questultimo forma un
cilindro; F1 formato da 3 subunit e 3 , ognuno dei quali possiede
un sito per la catalisi dellATP, che si alternano attorno a uno
stelo centrale . LATP sintasi effettua una catalisi rotazionale,
nella quale il flusso di protoni attraverso Fo induce ciascuno dei
tre siti attivi di F1 a passare ciclicamente da una conformazione
legata ad (ADP+Pi) ad una legata allATP e ad una vuota.
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6. Funzioni forma motrice protonica
Lenergia elettrochimica contenuta nella differenza di
concentrazione protonica e nella separazione delle cariche
attraverso la membrana mitocondriale interna, cio la forza
protonica, porta alla sintesi di ATP quando il flusso protonico
inverte la sua direzione e i protoni ritornano nella matrice
attraverso un canale associato allATP sintasi; infatti il flusso di
protoni attraverso il poro di Fo provoca la rotazione del cilindro
costituito dalle subunit c e : ogni rotazione di 120 pone in
contatto con una che diventa vuota; quindi per ogni rotazione
completa di ogni compie un ciclo attraverso 3 conformazioni(-ATP,
-ADP, vuota) e si formano 3 ATP.
7. Shuttle malato-aspartato
un sistema navetta per il passaggio degli elettroni dal NADH
citosolico alla matrice mitocondriale; il NADH citosolico passa i
suoi 2 H allossalacetato formando malato grazie alla malato
deidrogenasi; il malato entra nella matrice attraverso il
trasportatore malato--chetoglutarato e trasferisce gli equivalenti
riducenti al NAD+; il NADH formato viene riossidato dalla catena
respiratoria invece lossalacetato prodotto dalla deidrogenazione
del malato viene prima convertito in Asp da AST, e questo esce dai
mitocondri grazie al trasportatore glutammato-aspartato; lAsp viene
poi riconvertito in ossalacetato.
8. Shuttle glicerolo 3-fosfato
un sistema di trasferimento degli equivalenti riducenti dal
citosol ai mitocondri che opera nel muscolo scheletrico e nel
cervello; il diidrossiacetone fosfato nel citosol accetta 2
equivalenti riducenti dal NADH citosolico formando glicerolo
3-fosfato(catalizzata dalla glicerolo 3-fosfato deidrogenasi
citosolica); sulla faccia esterna della membrana mitocondriale
interna vi unisoenzima della glirolo 3-fosfato deidrogenasi che
trasferisce 2 equivalenti riducenti dal glicerolo 3-fosfato
citosolico allubichinone.
9. Regolazione fosforilazione
regolata in base alle richieste energetiche cellulari: la [ADP](
agente limitante principale della respirazione mitocondriale,
controllo dellaccettore) e il rapporto di azione di
massa[ATP]/([ADP][Pi] sono misure dello stato energetico della
cellula; nelle cellule ipossiche una proteina inibitrice IF1 blocca
lidrolisi dellATP da parte dellATP sintasi e previene una drastica
caduta della [ATP]; le risposte adattive allipossia mediate dall
HIF-1 rallentano il trasferimento degli elettroni nella catena
respiratoria e modificano il complesso IV (COX4-1 sostituita da
COX4-2), rendendolo pi adatto a funzionare a basse concentrazioni
di ossigeno.
10. Regolazione coordinata con glicolisi, ciclo dell'acido
citrico, ossidazioni.
Le principali vie cataboliche sono regolate in maniera
concertata consentendo la produzione di ATP e precursori
biosintetici in modo economico e autoregolato; quando aumenta il
consumo di ATP aumenta la velocit di trasporto degli elettroni e
della fosforilazione ossidativa, ma anche la velocit di
utilizzazione del piruvato nel ciclo di Krebs e quindi il flusso
elettronico; quando viene prodotto molto ATP, [ADP] si abbassa e il
trasporto elettronico e la fosforilazione ossidativa
diminuiscono(controllo dellaccettore); anche la glicolisi e il
ciclo di Krebs rallentano in quanto lATP un inibitore di PFK-1 e di
PDH.
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11. Mitocondri (termogenesi e apoptosi)
I mitocondri del grasso bruno possiedono una proteina
disaccoppiante, la termogenina, che permette ai protoni di tornare
alla matrice senza passare da FoF1: grazie a questo meccanismo
lenergia delle ossidazioni non viene immagazzinata come ATP ma
dissipata come calore. Allinizio dellapoptosi la permeabilit della
membrana mitocondriale esterna aumenta grazie a PTPC; questo fa s
che il citocromo c esca nel citosol e si leghi ad Apaf-1 causando
la formazione dellapoptosoma che attiva la procascasi-9 a caspasi-9
con linizio di una cascata di attivazione proteolitica, che
provocano la morte e il riassorbimento della cellula.
12. Agenti accoppianti e disaccoppianti
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Capitolo 211. Sintesi degli acidi grassi
Avviene con la ripetizione di 4 tappe, alla fine delle quali un
acile saturo diventa il substrato di una condensazione con malonile
attivato; la reazione allunga di 2 C la catena ed catalizzata da
FAS: condensazione tra il gruppo acetilico, legato a KS(che
catalizza la reazione), e malonilico, legato ad ACP, con formazione
di acetoacetil-ACP e CO2; il NADPH riduce il carbonile
dellacetoacetil-ACP trasformandolo in -idrossibutirril-ACP grazie
allaiuto di KR; DH catalizza la deidratazione di C2 e C3 formando
un doppio legame nel trans-2-butenoil-ACP; ER catalizza la
riduzione del doppio legame da parte di NADPH per formare
butirril-ACP. Il butirrile viene trasferito su KS cos ACP libera di
legarsi a un altro malonile e il ciclo pu ricominciare. L'attivit
idrolitica della tioesterasi, TE, permette il distacco dell'acido
grasso (massimo 16 atomi di C).
2. Regolazione sintesi acidi grassi
Lacetil-CoA carbossilasi, che trasforma lacetil-CoA in
malonil-CoA, viene inibita retroattivamente dal palmitoil-CoA,
principale prodotto della sintesi degli acidi grassi, e attivata
allostericamente dal citrato; inoltre il glucagone e ladrenalina
inattivano lacetil-CoA carbossilasi favorendone la fosforilazione.
L'insulina innesca l'attivazione della citrato liasi, favorendo la
produzione di Acetil-CoA. La sintesi degli acidi grassi e la
-ossidazione sono regolate in maniera coordinata per non disperdere
energia: il malonil-CoA, primo intermedio della sintesi degli acidi
grassi inibisce la carnitina aciltrasferasi, enzima necessario per
la -ossidazione.
3. Sintesi acetil-CoA e NADH e trasporto
Lacetil-CoA usato per la sintesi degli acidi grassi prodotto nei
mitocondri dallossidazione del piruvato e dal catabolismo degli aa.
Dato che lacetil-CoA non pu attravesare la membrana mitocndriale la
citrato sintasi catalizza la reazione con lossalacetato per formare
citrato che pu uscire dal mitocondrio attraverso il suo
trasportatore; il citrato nel citosol, grazie allATP e alla citrato
liasi rilascia acetil-CoA e ossalacetato. Lossalacetato viene
ridotto a malato; questo entra nel mitocondrio tramite il suo
trasportatore o viene convertito in piruvato dallenzima malico con
produzione di NADPH, trasportatore di elettroni nelle vie
cataboliche che pu esse prodotto anche nella via del pentosio
fosfato.
4. Eicosanoidi
Sono una famiglia di molecole segnale che agiscono da messaggeri
a corto raggio e derivano dallarachidonato; lenzima
cicloossigenasi(COX) introduce ossigeni nellarachidonato
convertendolo in PGG2 e poi con la sua attivit perossidasica lo
trasforma in PGH2, precursore sia delle prostaglandine che dei
trombossani (entrambi composti ciclici); questi ultimi stimolano la
coagulazione e derivano dalla conversione di PGH2 in trombossano
A2, grazie alla trombossano sintasi presente nelle piastrine; i
leucotrieni sono composti lineari, formati da arachidonato in cui
viene incorporato ossigeno grazie alle lipoossigenasi, che sono
ossidasi a funzione mista che usano i citocromo P-450.
5. Sintesi dei triacilgliceroli
Vengono prodotti a partire da acil-CoA e glicerolo 3-fosfato;
questultimo deriva per lo pi dal diidrossiacetone fosfato per
azione della glicerolo 3 fosfato deidrogenasi ma pu essere
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prodotto anche dallazione della glicerolo chinasi sul glicerolo;
gli acil-CoA derivano dagli acidi grassi grazie alla acil-CoA
sintetasi; 2 OH liberi del glicerolo 3-fosfato reagiscono con due
acil-CoA, grazie allaciltrasferasi, per formare il fosfatidato;
questo viene idrolizzato dalla fosfatidato fosfatasi a formare
1,2-diacilglirolo e successivamente transesterificato con un terzo
acil-CoA.
6. Regolazione sintesi triacilgliceroli
La velocit della biosintesi dei TAG controllata da diversi
ormoni: linsulina facilita la conversione dei carboidrati in TAG e
per questo i soggeti affetti da diabete mellito non producono acidi
grassi a favore della formazione dei corpi chetonici. Parte degli
acidi grassi rilasciati dalla lipolisi dei TAG passa nel sangue,
mentre la parte restante viene risintetizzata a TAG; parte degli
acidi grassi rilasciati nel sangue viene usata come fonte di
energia, invece unaltra parte viene assorbita dal fegato per la
sintesi dei TAG che attraverso il sangue arrivano nel tessuto
adiposo e vengono immagazzinati. Adrenalina e glucagone stimolano,
invece, la mobilizzazione degli acidi grassi per soddisfare le
necessit energetiche.
7. Gliceroneogenesi
una serie di reazione che trasforma il piruvato in
diidrossiacetone e questo in glicerolo 3-fosfato grazie alla
glicerolo 3-fosfato deidrogenasi NAD-dipendente. Nel tessuto
adiposo controlla la velocit di rilascio nel sangue degli acidi
grassi; nel grasso bruno controlla la termogenesi mitocondriale. La
velocit della gliceroneogenesi, cos come della gluconeogenesi
dipende dai livelli della PEP carbossichinasi: i glucocorticoidi
promuovono la gluconeogenesi e la gliceroneogenesi nel fegato e la
inibiscono nel tessuto adiposo, favorendo la sintesi e il rilascio
di TAG nel sangue e inibendone il riciclaggio nel tessuto adiposo.
I tiazodinedioni, usati come farmaci contro il diabete di tipo 2,
aumentano la gliceroneogenesi nel tessuto adiposo.
8. Sintesi fosfolipidi di membrana
Sono costituiti da una molecola di glicerolo esterificata con 2
acidi grassi e 1 gruppo polare e negli eucarioti derivano dal
CDP-diacilglicerolo; il fosfatidilinositolo deriva dalla
condensazione del CDP-diacilglicerolo con linositolo, e altre
fosfatidilinositolo chinasi lo convertono nei suoi derivati
fosforilati. CDP-diacilglicerolo+serina (fosfatidilserina
decarbossilasi) fosfatidilserina + 3adoMet (metiltrasferasi)
fosfatidiletanolammina. La cardiolipina deriva invece dalla
reazione del CDP-diacilglicerolo con il fosfatidilglicerolo,
catalizzata dalla cardiolipina sintasi.
9. Sintesi colesterolo
un composto che deriva dalla trasformazione dellacetato in 4
tappe: da 2 acetil-CoA si arriva al mevalonato passando per
acetoacetil-CoA e HMG-CoA; il mevalonato riceve 3 gruppi fosforici
da 3 ATP e viene decarbossilato a 2 isopreni attivati: 3-isopentil
pirofosfato che pu isomerizzare a dimetilallil pirofosfato; questi
ultimi 2 condensano a geranil pirofosfato che condensa con un altro
isoprene dando il farnesil pirofosfato, che reagisce con un altro
farnesil pirofosfato formando lo squalene; una monossigenasi
trasforma questo in squalene 2,3-epossido che poi viene ciclizzato
a lanosterolo(negli animali) e convertito in colesterolo dopo 20
reazioni.
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10. La tappa di regolazione della sintesi del colesterolo
Questa consiste nella conversione dellHGM-CoA in mevalonato
catalizzata dalla HMG-CoA reduttasi; la regolazione mediata da un
sistema di controllo della trascrizione del gene che codifica
lHMG-CoA reduttasi; il gene controllato dalle proteine che legano
gli elementi regolatori dello sterolo(SREBP), che rimangono
inattive fino quando sono legate a SCAP; il dominio amminoterminale
delle SREBP, in risposta a bassi livelli del colesterolo, viene
scisso da proteasi e pu attivare il gene della reduttasi. Il
glucagone stimola fosforilazione dellHGM-CoA reduttasi,
inattivandola, e linsulina ha leffetto opposto.
11. Destini del colesterolo
Nei vertebrati la maggior parte prodotto nel fegato; una piccola
parte viene integrata nelle membrane degli epatociti; la maggior
parte viene esportata sotto 3 forme: colesterolo biliare, acidi
biliari, esteri del colesterolo. Gli acidi biliari sono derivati
relativamente idrofilici che aiutano a digerire i lipidi. Gli
esteri del colesterolo si formano grazie allacil-CoA-colesterolo
aciltrasferasi: questo enzima catalizza il trasferimento di un
acido grasso dall'acil-CoA al gruppo OH del colesterolo; vengono
immagazzinati nel fegato o esportati ad altri tessuti. Il
colesterolo precursore delle vitamine D e in alcuni organi
specializzati utilizzato per la produzione di ormoni steroidei.
12. Meccanismi di trasporto di triacilgliceroli, acidi grassi,
glicerolo e colesterolo
Sono trasportati dal sangue sotto forma di lipoproteine
plasmatiche; le VLDL trasportano colesterolo, esteri del
colesterolo e TAG dal fegato agli altri tessuti in cui i TAG
vengono degradati dalla lipoproteina lipasi e le VLDL sono
convertite in LDL, che sono ricche di colesterolo e dei suoi esteri
e sono assimilate per endocitosi mediata da recettore, in quanto
lapolipoproteina B-100 viene riconosciuta dai recettori di
membrana. LHDL rimuove il colesterolo dal sangue e dai tessuti
extraepatici portandolo al fegato.
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Capitolo 221. Ciclo dell'azoto
Il ciclo dell'azoto formato da una serie di processi metabolici
in grado di recuperare e riutilizzare l'azoto disponibile per i
processi biologici. Presenta diverse tappe: 1) fissazione o
riduzione dell'azoto atmosferico (N2) ad ammoniaca(NH4+ ad opera
del complesso della nitrogenasi (dinitrogenasi reduttasi e
dinitrogenasi), presente nei batteri fissatori. L'ammoniaca pu
essere usata per la sintesi di amminoacidi e altri composti
contenenti azoto ridotto 2) nitrificazione, un processo di
ossidazione dell'NH4+ a nitrito e nitrato ad opera dei batteri
nitrificanti. 3) denitrificazione, batteri denitrificanti
convertono i nitrati in azoto atmosferico, chiudendo il ciclo. Tale
ciclo cortocircuitato da i batteri anammox, che promuovono
l'ossidazione anaerobica dell'ammoniaca e dei nitriti ad azoto
atmosferico.
2. Metabolismo dell'azoto
LN ridotto incorporato come NH4+ negli aa e in altre
biomolecole; il punto di ingresso rappresentato dal Glu e dalla
Gln; i gruppi amminici degli aa derivano dal Glu per
transamminazione, mentre il gruppo ammidico della Gln la fonte di
gruppi amminici in alcune vie biosintetiche. La via principale per
il legame dellNH3 al Glu richiede 2 reazioni: Glu e NH4+ reagiscono
per dare Gln con laiuto della Gln sintetasi passando per
lintermedio -glutammil fosfato; la Glu sintetasi catalizza
lamminazione riduttiva dell-chetoglutarato da parte di Gln e NADPH;
la Glu sintasi assente negli animali. Il glutammato si pu formare
attraverso un'altra via meno importante che coinvolge la
L-glutammato deidrogenasi.
3. Regolazione del metabolismo dell'azoto
Lattivit della Gln sintetasi altamente regolata: sia
allostericamente che tramite modificazioni covalenti; Ala e Gly
oltre a 6 prodotti del suo metabolismo la inibiscono
allostericamente; ladenilazione di un residuo di Tyr vicino al sito
attivo determina unaumento di sensibilit allinibizione; sia
ladenilazione che la deadinelazione sono catalizzate
dalladeniltrasferasi che viene regolata dal legame con la proteina
PII, a sua volta modulata dalluridilazione di un suo residuo di
Tyr; luridiltrasferasi catalizza luridilazione di PII che stimola
la deadenilazione; la PII uridilata stimola anche la trascrizione
del gene della Gln sintetasi.
4. Origine degli scheletri carboniosi degli amminoacidi
I precursori dello scheletro carbonioso derivano da tre fonti:
glicolisi, ciclo di Krebs e via del pentosio fosfato. Glu deriva
dallamminazione riduttiva dell-chetoglutarato e funge da precursore
di Gln, Pro e Arg; Ala e Asp( e quindi Asn) si formano
rispettivamente dal piruvato e dallossalacetato per
transamminazione; dal 3-fosfoglicerato deriva la Ser, e da questa
la Gly; Cys deriva da Ser o da Met; da Asp derivano Met, Thr, Lys;
dal piruvato originano Val, Leu e Ile; gli aromatici provengono dal
corismato, composto che deriva dalla reazione di PEP con eritrosio
4-fosfato; Tyr si forma anche per ossidrilazione di Phe; il
5-fosforibosil-1-pirofosfato un precursore di Trp e di His.
5. Composti biologici originati dagli amminoacidi
Gly un precursore delle porfirine: la degradazione della
ferro-porfirina(eme) genera la bilirubina; Gly e Arg danno origine
alla creatina e alla fosfocreatina; il glutatione, importante
agente riducente, deriva da Glu, Cys e Gly; dagli aromatici si
generano molte sostanze vegetali; lArg precursore di NO, messaggero
biologico; dalla decarbossilazione ossidativa di alcuni aa derivano
le ammine biologiche: Tyr genera dopammina, adrenalina e
noradrenalina, da Glu deriva il GABA, da Trp e His derivano
rispettivamente serotonina e
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istamina.
6. Vie di salvataggio
7. Metabolismo basi azotate
Lanello purinico deriva dalla 5-fosforibosilammina, a cui Glu,
Gly e Asp forniscono atomi di N; le pirimidine si formano da Asp e
carbamilfosfato. I nucleosidi monofosfato vengono convertiti nei
rispettivi trifosfati da fosforilazioni; i ribonucleotidi vengono
ridotti a desossiribonucleotidi; la degradazione delle purine e
delle pirimidine produce rispettivamente acido urico e urea; le
basi vengono riciclate mediante vie di salvataggio; la biosintesi
dei nucleotidi regolata per inibizione retroattiva.
8. Ammine biologiche
9. eme (biosintesi)
La glicina il principale precursore delle porfirine. Queste
ultime sono formate da quattro molecole di un derivato
monopirrolico, il porfobilinogeno, a sua volta derivato da due
molecole di -amminolevulinato. L'atomo di ferro viene incorporato
dopo che si formata la protoporfirina, in una reazione
catabolizzata dalla ferrochelatasi. La biosintesi delle porfirine
regolata negli eucarioti superiori dalla concentrazione del
prodotto eme, che funge da inibitore retroattivo delle prime
reazioni della via di biosintesi. Difetti genetici di tale
biosintesi sono responsabili di una serie di malattie, chiamate
porfirie.
10. Sintesi de novo basi azotate
11. Regolazione sintesi basi azotate
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Capitolo 241. Differenza genoma virale, batterico ed
eucariotico
I geni sono sequenze di DNA che codificano RNA e catene
polipeptidiche. Oltre ai geni il DNA contiene anche altri segmenti
o sequenze, che hanno funzioni regolatrici (sequenze regolatrici).
Nei geni degli eucarioti e di qualche procariota, inoltre, sono
presenti sequenze non codificanti.
Il genoma dei virus sia che siano a DNA o RNA nettamente pi
piccolo di quello dei procarioti e degli eucarioti. Il genoma dei
procarioti di maggiori dimensione di quello dei virus, ma pi
piccolo di quello degli eucarioti. Presenta un DNA circolare a
doppia elica nel nucleoide e una o pi molecole di DNA circolare
libere nel citosol, chiamate plasmidi. I plasmidi in molti casi non
conferiscono nessun vantaggio al loro ospite in altri casi
contengono geni utili al batterio (ad es. geni per la resistenza
agli antibiotici).Il genoma degli eucarioti superiore a quello dei
virus e dei procarioti. Il materiale genetico diviso in cromosomi,
il cui numero diploide (2n) tipico di ciascuna specie. Inoltre, gli
eucarioti presentano all'interno dei mitocondri e dei cloroplasti
(solo nelle piante) un DNA circolare.
2. Composizione DNA (introni, esoni, sequenze ripetute)
Il genoma umano risulta formato da geni, trasposoni e sequenze
miste. I geni rappresentano circa il 30% del genoma umano, ma
soltanto l'1,5% codifica prodotti proteici o DNA o RNA. La restante
parte codifica per gli introni (sequenze non codificanti). I
trasposoni rappresentano circa il 45% del genoma e sono divisi in
classi: LINE, includono pochi geni che codificano proteine che
catalizzano la trasposizione; SINE, pi di un milione sono elementi
Alu; trasposoni retrovirali. Le sequenze miste rappresentano circa
25%, di cui un 3% sono formate da sequenze altamente ripetitive o
DNA satellite, la quale associato ai centromeri e ai telomeri. Si
pensa che questo DNA altamente ripetitivo abbia una funzione nel
metabolismo cellulare.
3. Centromeri e telomeri
Il centromero una sequenza di DNA satellite che funziona durante
il processo di divisione cellulare come punto di attacco per le
proteine che legano il cromosoma al fuso mitotico. Le sequenze
essenziali per la funzione del centromero sono lunghe circa 130bp e
sono molto ricche di coppie A-T.Il telomero sono sequenze di DNA
satellite poste all'estremit dei cromosomi eucariotici e
stabilizzano il cromosoma. Le estremit di una molecola lineare di
DNA non possono essere normalmente replicate dall'apparato
replicativo, ma sono aggiunte dall'enzima telomerasi.
4. Superavvolgimento del DNA e topoisomerasi
5. Super-organizzazione della cromatina
La cromatina nelle cellule eucariotiche non in divisione (in G0)
e in quelle in interfase (G1,S,G2) si trova nella forma amorfa,
mentre durante la mitosi si trovano nella forma pi compatta. Il DNA
della cromatina interagisce con proteine, chiamate istoni, formando
unit strutturali dette nucleosomi (aumento di 7 volte della
compatezza). Pi nucleosomi si organizzano ulteriormente per formare
le fibre da 30 nm, le quali si avvolgono su loro stesse, formando
delle anse. Un impalcatura proteica centrale raccoglie tali anse,
formando una rosetta. Pi rosette formano un avvolgimento; pi
avvolgimenti formano un cromatide.
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6. Istoni
Gli istoni sono piccole proteine basiche, ricche di amminoacidi
basici Arg e Lys. In tutte le cellule eucariotiche sono presenti le
cinque classi principali di istoni: H1, H2A, H2B, H3, H4. Ogni
granulo di un nucleosoma contiene otto molecole di istone: due per
ciascuna classe, eccetto H1. Quest'ultima legata al DNA di
collegamento ed essenziali per i livelli di organizzazione
strutturale superiori della cromatina (fibre di 30nm, anse, rosette
etc.). Ciascun istone pu avere diverse forme, poich certe catene
laterali sono modificate enzimaticamente (es. acetilazione,
metilazione etc.). Queste modificazioni cambiano le propriet degli
istoni e di conseguenza la struttura e le propriet della cromatina,
giocando un ruolo rilevante nella regolazione della
trascrizione.
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Capitolo 251. Enzimi della replicazione
La replicazione richiede numerosi enzimi e fattori proteici:
elicasi, si muovono lungo il DNA e separano le catene usando
l'energia chimica fornita da ATP; topoisomerasi, rimuovono la
tensione topologica della struttura ad elica del DNA, creatasi in
seguito alla separazione delle catene; proteine che legano il DNA,
stabilizzano le catene separate; primasi, generano brevi frammenti
di RNA (primer) per l'inizio della replicazione; DNA ligasi
riparano interruzioni (nick) del DNA sintetizzato. Tutte queste
proteine formano un complesso, definito replisoma, ed insime alla
DNA polimerasi sintetizzano il DNA.
2. Caratteristiche comuni tra procarioti ed eucarioti della
replicazione
Le caratteristiche essenziali della replicazione del DNA sono le
stesse in eucarioti e procarioti e molti dei complessi di
replicazione sono strutturalmente e funzionalmente conservati. La
replicazione del DNA semiconservativa, inizia in un sito d'origine
e procede in entrambe le direzioni. La sintesi del DNA a doppia
elica procede in direzione 5' 3' ed semidiscontinua, poich entrambe
le catene non possono essere sintetizzate senza interruzioni nella
direzione in cui si muove la forcella di replicazione. Il processo
di replicazione consta di 3 fasi successive: inizio, allungamento e
terminazione.
3. DNA polimerasi procariotiche
Le DNA polimerasi eucariotiche, finora scoperte, sono in numero
di cinque: DNA polimerasi I, possiede bassa velocit e processivit,
ma svolge una funzione di pulizia durante i processi di
replicazione, riparazione e ricombinazione, grazie alla sua attivit
esonucleasica 3' 5' (proofreading) e all'attivit esonucleasica 5'
3' (nick translation); DNA polimerasi II, specializzata nell'ambito
della riparazione del DNA; DNA polimerasi III, composta da dieci
subunit diverse, ha la funzione di polimerizzazione e di
proofreading. Possiede una elevata velocit di polimerizzazione ed
elevata processivit, conferitagli dall'associazione della subunit ;
DNA polimerasi IV e V, sono coinvolte in particolari processi di
riparazione.
4. Differenze tra replicazione eucarioti e procarioti
Le caratteristiche essenziali della replicazione del DNA sono le
stesse in eucarioti e procarioti, nonostante ci vi sono delle
differenze. La replicazione degli eucarioti, a differenza di quella
dei procarioti, regolata e coordinata in rapporto al ciclo
cellulare. La regolazione comporta l'intervento di proteine dette
cicline e di chinasi ciclina-dipendenti (CDK): la distruzione di
queste proteine permette la formazione dei complessi
pre-replicativi (pre-RC), rendendo competente la cellula per la
replicazione (licensing).
5. Replicazione (3 fasi)
La replicazione consta di 3 fasi: inizio, necessario che una
proteina riconosca la sequenza di origine e che ad essa si leghi
una elicasi, in grado di scindere il DNA duplex in due filamenti.
Una topoisomerasi rimuove la tensione topologica della struttura ad
elica del DNA, creatasi in seguito alla separazione delle catene e
le proteine che legano il DNA, stabilizzano le catene separate;
allungamento, una DNA polimerasi sintetizza il nuovo DNA a partire
da un frammento di RNA (primer), precedentemente sintetizzato;
terminazione, una proteina si lega ad una specifica sequenza di
DNA. Questo legame in grado di bloccare la forcella di
replicazione.
6. Danni al DNA
Il DNA pu essere danneggiato da varie cause, alcune spontanee,
altre determinate da fattori ambientali. Ad es. un cambiamento
nella sequenza di basi del DNA, se replicato, pu
-
diventare permanente (mutazione). Le mutazioni possono essere:
mutazioni per sostituzione, sostituzione di una coppia di basi con
un'altra; mutazioni per inserzione o per delezione, aggiunta o
rimozione di una o pi coppie di basi; mutazioni silenti, se la
mutazione interessa il DNA non essenziale o se non ha alcun
effetto. Vi sono forti correlazioni tra la mutagenesi e la
cancerogenesi. Altri danni possono essere: la presenza di basi
anomale, di basi alchilate e dimeri di pirimidina.
7. Riparazione DNA
La riparazione del DNA un evento di fondamentale importanza per
la sopravvivenza della cellula. Esistono vari sistemi di
riparazione: 1) riparazione degli errori di appaiamento delle basi,
tali errori vengono riparati, usando l'informazione genetica
contenuta nella catena stampo, che risulta metilata dalla proteina,
Dam metilasi. Delle esonucleasi eliminano l'appaiamento errato e le
DNA polimerasi, insieme alle DNA ligasi risintetizzano la catena in
maniera corretta; 2) riparazione per escissione di basi, DNA
glicosilasi specifiche per un tipo di lesione rimuovono la base
alterata scindendo il legame N-glicosidico, generando un siti AP o
abasico. Delle endonucleasi AP scindono la catena contenente il
sito AP, il DNA viene sostituito da delle DNA polimerasi, insieme
alle DNA ligasi; 3) riparazione per escissione di nucleotidi, delle
nucleasi di escissione sono in grado di catalizzare due specifici
tagli endonucleotidici, che eliminano un frammento di DNA pi grande
rispetto alla reale lesione. L'interruzione riempita da DNA
polimerasi e ligasi; 4) riparazione diretta. Vi sono altri sistemi
di riparazione in cui prevista una ricombinazione genetica fra gli
omologhi (es. quando il danno si estende anche alla catena stampo)
o le riparazioni soggete ad errori (TLS), in risposta ad un danno
molto esteso nel DNA.
8. Ricombinazione
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Capitolo 261. RNA polimerasi eucariotiche e procariotiche
L'RNA polimerasi procariote un enzima di grandi dimensioni
costituito da un nucleo a cinque subunit (2') e da una sesta,
chiamata subunit , che presenta diverse varianti (70 la pi comune).
La subunit si lega al nucleo in modo transitorio e lo dirige verso
i siti di legame specifici. La subunit ' presenta 3 residui di Asp
di fondamentale importanza per la polimerizzazione. Tale enzima non
svolge un'attivit di proofreading.Le RNA polimerasi eucariotiche
sono tre: Pol I, sintetizza il trascritto pre-rRNA; Pol II, enzima
costituito da 12 subunit (RPB1, RPB2, le pi importanti) sintetizza
l'mRNA e alcuni RNA specializzati. Tale polimerasi inoltre richiede
dei fattori di trascrizione per formare il complesso attivo della
trascrizione; Pol III, sintetizza il tRNA, rRNA 5S, e altri piccoli
RNA con funzioni specializzate.
2. Trascrizione procariotiche
La trascrizione procariotica possiede tre fasi: inizio,
allungamento e terminazione.1) Inizio, l'RNA polimerasi si lega a
specifiche sequenze nucleotidiche, definite promotori. Le sequenze
consenso maggiormente conservate sono: -35 (5')TTGACA(3'), -10
(5')TATAAT(3') e tra -60 e -40 l'elemento UP, ricco di AT. Il
legame specifico avviene grazie a delle subunit . 2) Allungamento,
determinato dal distacco dal promotore, dovuto alla dissociazione
della subunit e al legame della proteina NusA alla RNA polimerasi.
3) Terminazione, vi sono due classi di terminatori, che si legano a
specifiche sequenze di terminazione: terminatori -indipendenti,
produzione di un trascritto con sequenze complementari a se stesse,
determinando la formazione di strutture a forcina; terminatori
-dipendenti, una proteina si associa si associa a sequenze ricche
di C-A dette elementi rut e contribuiscono al rilascio del
trascritto di RNA.
3. Trascrizione eucariotiche
La trascrizione eucariotica possiede diverse fasi:
organizzazione, inizio, allungamento e terminazione. 1)
Organizzazione, l'RNA polimerasi II richiede dei fattori di
trascrizione per iniziare tale processo. La TBP si lega alla
sequenza di DNA bersaglio (TATA box), alla proteina TFIIB e in
alcuni casi TFIIA, formando un complesso. In seguito altre
proteine, ognuna con specifiche funzioni si legano a tale
complesso: Pol II, TFIIF (indirizza Pol II ai suoi promotori),
TFIIE (recluta TFIIH), TFIIH (attivit elicasica, fosforilazione Pol
II, riparazione per escissione di nucleotidi). 2) Inizio, alcune
chinasi (es. subunit di Pol II, CDK9) fosforilano il dominio CTD di
Pol II, attivandola. Il rilascio di TFIIH e TFIIE permetto l'inizio
della fase di allungamento. 3) Allungamento, l'attivit della
polimerasi pu essere aumentata da fattori di allungamento. 4)
terminazione, non sono bene definite le dinamiche di terminazione
negli eucarioti.
4. Maturazione tRNA
I tRNA derivano da RNA precursori pi lunghi per rimozione
enzimatica di nucleotidi dalle estremit 3' e 5'. La scissione in 5'
operata dalla RNasi P (un ribozima), mentrela scissione in 3'
operata dalla RNasi D. Il trinucleotide CCA viene aggiunto
all'estremit 3' dalla tRNA nucleotidiltrasferasi. Reazioni di
metilazione, deamminazione e riduzione di alcune basi avvengono
nelle tappe finali della maturazione, insieme, in alcuni casi negli
eucarioti, anche alla rimozione tramite splicing di un introne.
5. Maturazione rRNA (batteri)
Gli rRNA dei batteri si formano da precursori pre-rRNA. L'RNA
precursore 30S viene metilato in corrispondenza di basi specifiche,
mediante l'utilizzo del cofattore S-adenosilmetionina, e alcuni
residui di uridina vengono convertiti in pesudouridina. Le
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reazioni di metilazione avvengono alcune a livello della base,
altre su gruppi 2'-ossidrilici del ribosio. La scissione del
precursore catalizzata dalla RNasi III, RNasi P ( un ribozima) e
RNasi E. I prodotti finali si formano ad opera di nucleasi
specifiche e sono: RNA 16S, 23S e 5S. I segmenti tra i geni 16S e
23S generalmente codificano uno o due tRNA differenti.
6. Maturazione rRNA (eucaritoi)
Il pre-rRNA 45S degli eucarioti sintetizzato dalla RNA
polimerasi I nel nucleolo, mentre l'rRNA 5S viene prodotto
separatamente dalla RNA polimerasi III. L'RNA precursore 45S viene
metilato in corrispondenza di basi specifiche da snoRNP C/D e
alcuni residui di uridina vengono convertiti in pseudouridina da
snoRNP H/ACA. Le reazioni di metilazione avvengono alcune a livello
della base, altre su gruppi 2'-ossidrilici del ribosio. Una serie
di tagli enzimatici del precursore porta alla formazione degli rRNA
18S, 5,8S, e 28S. Le reazioni di scissione e tutte le altre
modificazioni richiedono l'intervento dei piccoli RNA nucleolari
(snoRNA) che si trovano nei complessi proteici snoRNP del
nucleolo.