Biochimica Metabolica: Introduzione al Corso e Digestione dei Carboidrati

Presentazione Generale del Corso

Inizia la parte definita di biochimica metabolica: questo modulo verrà tenuto in parte dalla prof.ssa Aldieri e in parte dalla prof.ssa Riganti.

Si ripropongono i testi consigliati:

• Nelson/Cox - Principi di Biochimica di Lehninger - Zanichelli (la professoressa specifica che, nonostante il costo elevato, si tratta del testo più completo)
• Devlin - Biochimica con Aspetti Clinici - EdiSeS
• Siliprandi/Tettamanti - Biochimica Medica - Piccin

L'esame di biochimica metabolica si comporrà di un quiz, in cui bisogna raggiungere almeno 18 per accedere alla prova orale, che sarà lo stesso giorno dello scritto.

(la professoressa accenna all'esonero sui moduli di chimica organica e inorganica, specificando che farà sapere l'eventuale data in cui si svolgerà).

Programma del Corso

Nella parte di biochimica metabolica con la prof.ssa Aldieri si vedranno:

• Metabolismo dei carboidrati, sia rispetto all'anabolismo che al catabolismo, che a sua volta comprende:
• Glicolisi e Gluconeogenesi (metabolismo del glucosio)
• Ciclo dei Pentosi, un altro utilizzo del glucosio che ha a che fare con la sua funzione di precursore degli intermedi che fanno parte della struttura dei nucleotidi). Il ciclo dei pentosi (o dei pentosi fosfati) vede un collegamento anche con la difesa antiossidante cellulare.
• Glicogenolisi e Glicogenosintesi
• Regolazione del metabolismo dei carboidrati
• Metabolismo intermedio, così chiamato perché è lo stesso anche per il metabolismo lipidico e per quello proteico
• Ciclo di Krebs, o ciclo degli acidi tricarbossilici, già visti come esempi di acidi che presentano più gruppi carbossilici. Questo è l'inizio della respirazione cellulare, in cui si produce l'anidride carbonica che deve poi essere eliminata.
• Respirazione cellulare
• Metabolismo dei lipidi, che riguarda sia i trigliceridi che gli acidi grassi (si affronteranno nello specifico i vari processi digestivi) per poi concludere la trattazione con la biosintesi del colesterolo. Affrontando i vari processi si terrà conto anche dei meccanismi di regolazione enzimatica, di cui già si è parlato nella scorsa lezione. Questi interesseranno alcuni enzimi dei processi visti, regolandosi tra loro in modo che a seconda delle esigenze fisiologiche ci sia una determinata risposta in termini di regolazione.
• Digestione ed assorbimento dei lipidi
• ß-ossidazione e biosintesi degli acidi grassi
• Regolazione del metabolismo dei lipidi
• Colesterolo: sintesi e sua regolazione

I vari processi metabolici, dei carboidrati, dei lipidi e anche delle proteine hanno interconnessioni numerose, aspetto che verrà discusso ancora meglio quando, dopo aver affrontato i vari processi metabolici, questi verranno visti nell'ambito di organi, tessuti e compartimenti: la biochimica d'organo ha un significato di interconnessione tra le diverse funzioni relativamente a ogni organo. Si pensi al fatto che ci sia un interesse da parte del fegato, del muscolo ecc. di alcuni processi e non di altri in modo specifico.

Vie Metaboliche

Biosintesi e metabolismo dei glicani Biodegradazione degli xenobiotici Metabolismo dei nucleotidi Metabolismo dei carboidrati Metabolismo di altri amminoacidi Metabolismo dei lipidi Metabolismo degli amminoacidi Metabolismo energetico Metabolismo del cofattori e delle vitamine Biosintesi dei metaboliti secondari

Si vedrà anche il metabolismo intermedio, anche definito energetico, che ha l'obiettivo di ottenere l'energia sottoforma di ATP.

La Cellula e i Suoi Compartimenti

Struttura Cellulare e Compartimentazione

È importante ridefinire la struttura della cellula (nell'immagine è di mammifero) sia dal punto di vista microscopico che da quello tridimensionale che identifica una compartimentazione dal momento che alcuni processi avvengono solo nel citoplasma, altri in particolari strutture come i mitocondri o i perossisomi: è importante avere chiaro che quando si cambia compartimento è necessario l'intervento di trasportatori.

Al di là del compartimento nucleare, che è un discorso a parte che riguarda il mantenimento dell'informazione genetica (DNA, RNA ecc.) c'è una compartimentazione definita da specifiche strutture, le membrane, che non sono impermeabili perché presentano un bilayer costituito da fosfolipidi, per cui è importante la presenza di proteine che svolgono la funzione di canale o di recettori che possono trasmettere una determinata informazione all'interno della cellula.

La prima compartimentazione è quindi quella che divide nucleo e citoplasma, poi nel citoplasma stesso avviene gran parte del metabolismo dei carboidrati e poi ci sono i mitocondri, interessati dal metabolismo intermedio.

Si anticipano alcuni dei processi nominati: il citoplasma è sede della glicolisi, della via dei pentoso fosfati, ma anche della parte anabolica di biosintesi degli acidi grassi.

Alcuni processi, come la gluconeogenesi, vedono poi l'interessamento sia dei mitocondri che del citosol; sempre nel mitocondrio avviene la parte del ciclo di Krebs ma anche la fosforilazione ossidativa che indentifica il passaggio degli elettroni fino ad arrivare all'ossigeno.

Citosol Glicolisi, via del pentosio fosfato, biosintesi degli acidi grassi, molte reazioni della gluconeogenesi. Reticolo endoplasmatico ruvido Sintesi di proteine legate alla membrana e di proteine secretorie. Reticolo endoplasmatico liscio Biosintesi dei lipidi e degli steroidi. Mitocondrio Ciclo dell'acido citrico, fosforilazione ossidativa, ossidazione degli acidi grassi, scissione degli amminoacidi. Nucleo Replicazione del DNA e trascrizione, elaborazione dell'RNA. Perossisomi (gliossisomi nelle piante) Reazioni ossidative catalizzate da amminoacido ossidasi e catalasi; reazioni del ciclo del gliossilato nelle piante. Apparato di Golgi Modificazione post-traduzionale di proteine di membrana e proteine secretorie; formazione della membrana plasmatica e di vescicole secretorie. Lisosomi Digestione enzimatica di componenti cellulari e di materiale ingerito.

Non si analizzeranno compartimenti meno rappresentativi di citosol e mitocondri, ma per esempio il reticolo endoplasmatico liscio è sede della biosintesi di lipidi o del colesterolo, quello ruvido di alcune sintesi proteiche, soprattutto delle proteine che si inseriscono nella membrana.

Gli altri compartimenti indicati, come l'apparato di Golgi, possono avere significato a livello post traduzionale, così come di formazione di vescicole coinvolte nel comportamento di alcuni metaboliti.

È possibile infine citare il ruolo di compartimenti come quelli lisosomiali che sono importanti nel controllo del turnover degli enzimi.

I perossisomi sono invece specifici di alcune reazioni del metabolismo lipidico, mentre nel nucleo avvengono la replicazione del DNA e l'inizio della trascrizione.

Tabella: Compartimenti della Cellula Eucariotica e Loro Funzioni

Compartimento Principali formazioni Membrana plasmatica Trasporto di ioni e piccole molecole Ex- al endecitosi Riconoscimento cebula-cellula Ricooccimento (mediato da sectori specifica di molecole cuttacellulari di piccole e grandi direzioni Morfologia e morimento della cellula Nischen Sintesi e riparazione del DNA Sintesi del'RNA Sintesi dell'INA ribosomsale e assemblaggio dei ribesami Nudeolo Reticolo endoplasmatico Sintesi dele membrane Sintesi di proteine e lipidi destinati ad alcuni ceginelli o ill esportazione Sintesi di lipidi e steroidi Reazioni di derossificazione Segnalazione calcio dipesdenme Apparato di Golgi Modificaziose e trasporto di preteine da inserire in membrane e organeli e da esportare Secrezione di proscing Mitocondri Produzione di ATP Respirazione cellulari Ossidazione di piruvato, amminoacidi e acidi grassi Sintesi del'urex e dell'eme Lkoiomi Apopcosi Digotine cellulare: idmlini di proteine, carboidrati, lipidi e acidi nuckici Ossidazione di lipidi Perosiom Reazioni ovudative che coimalgono l'02 Urilimo di H2O2 Microtubuli, filamenti intermedie micso filamenti Morfologia cellulare Motilità cellulare Movimenti incacellulari Cemal Metaboliune di carboidrati, amminoacidi e nucleotidi Sintesi degli acidi grassi Sintesi piroscica

Tabella: Costituenti Chimici delle Cellule

Costituente Intervallo di peso molecolare HO 18 Ioni inorganici 23-100 Na", K', CI-, SO42 -. HPO . HCO3, Ca2+, Mg2+, ecc. Piccole molecole organiche 100-1200 Zuccheri semplici, acidi organici, lipidi semplici, nucleotidi, peptidi Macromolecole 6000-1 000 000 Proteine, polisaccaridi, acidi nucleici, lipidi complessi

La tabella a lato mostra i diversi composti chimici che si trovano nelle cellule e che permettono che questi processi avvengano nel citosol o negli altri compartimenti.

Nella tabella è indicata una suddivisione tra compartimento e funzione: è importante che siano mantenute queste compartimentazioni anche dal punto di vista regolatorio così da evitare i cosiddetti cicli futili; si fa cioè in modo che non ci sia l'attivazione contemporanea di due processi che sono uno l'inverso dell'altro.The inorganic precursors: (18-64 daltons) Carbon dioxide, Water, Ammonia, Nitrogen(N2). Nitrate(NO3) Cartson droside . Metabolites: (50-250 daltons) Pyruvate, Citrate, Succinate, Glyceraldehyde-3-phosphate. Fructose-1,6-bisphosphate. 3-Phosphoglyceric acid Pyruvate . - H H Building blocks: (100-350 daltons) Amino acids, Nucleotides, Monosaccharides, Fatty acids, Glycerol Alanine (an amino acid) OOC Macromolecules: (103-10" daltons) Proteins, Nucleic acids, Polysaccharides, Lipids Protrin Supramolecular complexes: (10°-10" daltons) Ribosomes, Cytoskeleton, Multi-enzyme complexes Organelles: Nucleus, Mitochondria, Chloroplasts, Endoplasmic reticulum, Golgi apparatus, Vacuole The cell

La cellula è un ambiente acquoso: l'acqua è il costituente principale, poi all'interno di un compartimento acquoso si avrà a che fare con molecole solubili in esso, componenti ionici e inorganici, derivati dalla dissociazione di eventuali sali che possono essere presenti.

I principali ioni inorganici sono soprattutto sodio, potassio, cloro, solfato, fosfato, bicarbonato, calcio, magnesio e così via.

Si possono trovare, associati a qualcosa che li rende solubili, anche lipidi, soprattutto quelli semplici, spesso associati a peptidi o proteine e agli zuccheri.

Nel costituire le macromolecole ci sono anche le strutture già viste che garantiscono la struttura finale della cellula.

Si parte sempre da precursori semplici per creare le varie molecole: si tratta di molecole piccole, costituite anche solo da 2 atomi, che giustificano poi il ruolo di alcuni metaboliti che devono essere più piccoli di altri. Dal punto di vista strutturale è importante che ci siano fosfolipidi o sfingolipidi che costituiscano le membrane, ma che ci siano anche molecole più piccole che le stabilizzano come il colesterolo.

L'anidride carbonica, oltre ad essere espirata, ha un ruolo anche nell'inserimento di gruppi acidi dissociati che si ritroveranno in vari intermedi.

Le varie strutture, come quelle proteiche che verificano gli avvolgimenti nello spazio, garantiscono anche il mantenimento di questi complessi sopra molecolari.

Interazione con l'Ambiente

Nell'ottica di un discorso generale è importante ricordare l'interazione con l'ambiente: abbiamo bisogno di ciò che viene prodotto dagli organismi autotrofi fotosintetici (comunemente le piante) che attraverso il processo di fotosintesi clorofilliana producono ossigeno che noi respiriamo e utilizziamo nel nostro metabolismo.

Oltre alla produzione di prodotti organici (che sono poi utilizzati anche dagli organismi eterotrofi) e quindi dell'anidride carbonica utilizzata proprio dalle piante in concomitanza della necessità degli organismi autotrofi fotosintetici della componente dell'acqua.

Ricordiamo anche il contributo dei batteri che a livello del terreno eliminano le sostanze tossiche.

In questo contesto così generale di bilanciamento distinguiamo gli organismi che usano come fonte di energia il sole (piante, alcuni tipi di batteri ecc.) e quelli che utilizzano energia sottoforma di un composto chimico, i chemotrofi; noi come esseri umani abbiamo la necessità di rifornirci di precursori che ci forniscano l'energia chimica stessa e di poterla utilizzare.

All organisms Reduced fuel Phototrophs (energy from light) Chemotrophs (energy from oxidation of chemical fuels) Oxidized fuel Lithotrophs (inorganic fuels) Organotrophs (organic fuels) Carbon source Autotrophs (carbon from CO2) Heterotrophs (carbon from organic compounds) Cyanobacteria Vascular plants Purple bacteria Green bacteria Sulfur bacteria Hydrogen bacteria Most bacteria All nonphototrophic eukaryotes Examples Energy source