Biochimica e fondamenti di biochimica umana - II semestre

Biochimica e fondamenti

di biochimica umana

II SEMESTRE

INDICE:

Modalità di trasmissione dell’informazione per i fattori di crescita

- Nutrizione: basi concettuali

- Ormoni

- Ciclo Digiuno Alimentazione

- Metabolismo energetico nel muscolo scheletrico

- Biochimica del rene

- Omeostasi del calcio

- Sistemi sensoriali

- Omeostasi del ferro

- Sistemi di difesa da danni dei radicali liberi

- Modalità di trasmissione dell’informazione per i fattori di crescita

LEZIONE 32

Caratteristiche comuni a tutti:

Codificati da un gene, monomerici

▪ Dominio tirosin-chinasico citoplasmatico

▪ Attività intrinseca

▪ Dimensione dominio extracellulare molto articolata e proiettata nell’ambiente extracell. Elementi ripetitivi simili

▪

Recettori tirosin-chinasici inducono l’attivazione attraverso il legame con il ligando della componente citoplasmatica

→

che poi fa partire il meccanismo intrinseco.

Recettore per insulina: La trasduzione non prevede fattori

citoplasmatici aggregazioni di proteine

attraverso il riconoscimento di regioni

specifiche delle stesse.

La trasmissione dell’informazione nella

cellula passa attraverso l’attività del

fattore IRS1 (non presente negli altri

recettori).

Il recettore, in seguito al legame con il ligando insulina, dimerizza a livello

citoplasmatico (comune a tutti i recettori di fattori di crescita) con

transfosforilazione (l’attività tirosin-chinasica del dominio A fosforila B e

viceversa).

I domini SH2 legano regioni ricche in fosfotirosina.

IRS1 si ancora al recettore tramite il dominio citoplasmatico (in regione ricca in residui di fosfotirosina) e viene

fosforilato. IRS1 è anche ancorato alla membrana (tramite sistemi che coinvolgono fosfolipidi specifici, tra i quali derivati

del fosfatidilinositolo).

I residui fosforilati in fosfotirosina agiscono da fattori di reclutamento degli elementi coinvolti nella risposta cellulare.

IRS1 presenta:

Dominio omologo alla plerstrina (PH)

o Dominio SH2 (che lega fosfotirosina)

o →

Sequenze con tirosine segnalate segnalazione portata dalla sequenza consenso (non tutte le tirosine sono

o fosforilate)

Quando fosforilato IRS1 è come una compagine del recettore i residui fosforilati in fosfo-tirosina reclutano proteine

→

con il dominio SH2 (perché il dominio ha una superficie carica negativamente per le arginine che reagisce con la zona

delle tirosine positiva).

Per il recettore dell’insulina, i domini SH2 che interagiscono con IRS1 sono quelli di Grb2 e PI3K.

Regolazione espressione genica:

IRS1 recluta Grb2 (scaffold per attivare cascata delle MAP chinasi, Ras…risposta a livello nucleare dell’espressione

genica).

Altra via di segnalazione: risposta anche citoplasmatica:

attiene alla regolazione degli eventi metabolici per adattare la cellula a favorire la crescita delle cellule, la

proliferazione.

Recettori per fattori di crescita (per EGF):

Tutti hanno ligandi che sono proteine (quindi di dimensioni maggiori di altri tipo adrenalina).

Coda C-terminale ricca in tirosina

o Dominio tirosin-chinasico

o Dominio di legame al fattore

o Elica transmembrana alfa elica idrofobica che permette di posizionarsi all’interno della membrana

→

o

Il dominio extracellulare permette il legame all’EGF:

in assenza di ligando è in una conformazione che maschera il braccio di dimerizzazione (struttura a beta foglietto

→ con caratteristiche idrofobiche) all’interno della struttura del recettore.

quando c’è il ligando EGF cambia la conformazione, i domini extracell vengono legati dal braccio di dimerizzazione

→ che è stato esposto (che quindi per caratteristica idrofobica cerca di “nascondersi”) e, l’unione delle due componenti

extracellulari si ripercuote sull’organizzazione delle due proteine che dimerizzano e provocano la transfosforilazione.

A livello citoplasmatico, la coda C-terminale ricca in tirosina

dei due domini è fosforilata ed è il punto di reclutamento →

perché ha maggiore mobilità.

Si recluta Grb2 (proteina scaffold che ha un dominio SH2

che riconosce fosfotirosina che, tramite modificazione

conformazionale, rende accessibili i due domini SH3 che

riconoscono regioni in una proteina X ricche in prolina)

direttamente al recettore.

Gbr2 permette di reclutare tramite i domini SH3 Sos

(proteina G-monomerica che ha solo una subunità simile ad

alfa e necessita un “recettore” per lo scambio GTP-GDP).

Sos (fa parte di GEF (GTP Exchange Factors)) è attiva

quando GTP legata e inattiva quando GDP legata; favorisce

lo scambio su Ras (G monomerica) e scambia GTP-GDP. Si

recluta Raf (serin treonina chinasi) e si attiveranno le MAPK.

Oltre alla via precedente, la coda recluta PI3K che ha dominio SH2 e

uno catalitico che permette il riconoscimento di un fosforoinositide PIP2

(fosforoinositolo 4,5 bisfosfato, produttore di 2i messaggeri) che è un

fosfolipide caratteristico del layer interno della membrana (ruolo

PIP2 biologico attivo).

PIP2 è convertito da PI3K in fosfatidilinositolo 3,4,5, trisfosfato molti

→

di questi formano una piattaforma di ancoraggio (inositoli

polifosforilati, lipidi di membrana) per proteine del segnale.

La proteina è una serina treonina chinasi AKT/PKB ed è reclutata in forma non fosforilata. Quando viene fosforilata si

stacca dalla piattaforma e ha attività citoplasmatica.

I lipidi di membrana della piattaforma appartengono alla classe di molecole che ha proprio questa funzione.

PIP2 è:

precursore di IP3

➢ →

ma può agire anche come fattore di reclutamento perché ha una struttura simile ad una fosfotirosina (tirosina

➢ struttura aromatica a 6 con gruppo OH che viene fosforilata; qui invece si ha una struttura non aromatica a 6 con

molti OH che possono essere fosforilati).

Differenti domini PH (omologo alla plestrina) riconoscono specificatamente il fosfatidilinositolo 4,5 o 3,4,5

→ trisfosfato, quindi diversi PIPs.

Spegnimento vie tramite:

inibizione del ligando

o →

attività GTPasica di Ras bassa segnale spento

o →

diminuzione del secondo messaggero proteine

o fosfatasi che possono rendere reversibile lo stato di

fosforilazione delle proteine della catena delle MAP

chinasi

Per EGF valgono le vie precedenti di spegnimento ma anche l’intervento a livello

delle proteine legate alla membrana.

Se PI3K attiva il meccanismo, una proteina fosfatasi PTEN, in grado di rimuovere

il gruppo P in 3 (conversione PIP3 in PIP2), spegne la via dall’inizio (una

variazione di questa fosfatasi entra in gioco nella regolazione del garantire anche

la sopravvivenza oltre che la proliferazione cellulare).

PTEN è un oncosoppressore che blocca la via e la sopravvivenza e

→

proliferazione cellulare.

Ci sono molte proteine bersaglio di AKT (che sono coinvolte in diversi processi

come metabolismo, angiogenesi…) che possono essere attivate/disattivate in

base allo stato, all’attività di AKT via che adatta anche il metabolismo delle

→

cellule.

Le cellule per proliferare devono costruire biomassa sintetizzando acidi nucleici,

proteine e lipidi contemporaneamente le cellule differenziate invece no.

→

In diversi tumori si ha un recettore mutato, una proteina tirosin chinasi costantemente attiva (come Erb) che si stimola

di continuo senza il ligando (non si torna mai allo stato basale per la mancanza del ligando), è auto-fosforilante e iper-

fosforilante proliferazione di quelle cellule incontrollata e continua.

→

se alla mancanza di regolazione del recettore è anche mutato (per quanto riguarda la piattaforma) si ha una

→

condizione più grave, progressiva.

Il passaggio G0-G1 è l’unico che può essere controllato dai fattori di crescita regolano

→

le cicline coinvolte nella transizione G1-S necessari per iniziare e mantenere la transizione

→

G1 S.

→

Alcuni dei bersagli delle MAP chinasi sono in grado di attivare il processo chinasi-ciclina

dipendente perché possono contribuire alla regolazione dei livelli di ciclina D e questo innesca

il reclutamento di altre cicline e infine l’attivazione di E2F che agisce sulla trascrizione.

Cross-talk tra recettori tirosin-chinasici e CPCR:

Nella cellula le vie segnale si intersecano a diversi livelli. I recettori tirosin chinasici sono in grado di fosforilare alcune

tirosine della coda citoplasmatica di recettori a 7 domini transmembrana e generare un altro punto di partenza per

un’attivazione della stessa via che loro stessi attivano usano la coda del recettore come un supplemento dell’attività.

→

Possono anche fosforilare in tirosina la coda citoplasmatica dei recettori a 7 domini transmembrana per permettere una

fosforilazione della stessa coda in serina da parte della PKB fosforilazione tirosina-serina attivazione meccanismo

→ →

di internalizzazione del recettore che quindi viene sottratto dalla membrana e riduce quindi la sua attività antagonista.

Citochine:

1. i recettori legano le citochine, polimerizzano e legano le proteine JAK

2. le JAK transfosforilano e fosforilano il recettore sui residui di tirosina

3. il recettore lega e fosforila STAT

4. le STAT si dissociano dal recettore, dimerizzano e migrano nel nucleo dove inducono proliferazione /altre risposte.

→ JAK e STAT hanno attività tirosin-chinasica (perché non hanno attività di questo tipo intrinseca).

Recettori serina-treonina chinasi:

Recettore con attività serina-treonina chinasi dipendente. È un eterodimero con un recettore di tipo I e uno di tipo II.

Il recettore di tipo II fosforila quello di tipo I che fosforilato recluta Smad, una proteina che può essere fosforilata, cambia

conformazione e recluta Co-Smad che migra nel nucleo.

Nutrizione: basi concettuali

LEZIONE 33 - 34

Nutrizione è l’insieme delle operazioni che vanno dalla adeguata scelta degli alimenti, all’utilizzo dei nutrienti in essi

→

contenuti allo scopo di mantenere la “massa” dell’organismo vivente, di accrescerla quando necessario e consentirne

sul piano energetico il pieno esercizio delle funzioni.

La nutrizione è un processo molto più complesso della semplice alimentazione (studio alimenti, composizione e

assunzione).

Le sostanze nutritive sono assunte attraverso gli alimenti in quantità adeguate principalmente per il fabbisogno

energetico che è necessario per svolgere le funzioni vitali.

L’energia prodotta tramite l’ossidazione dei nutrienti assunti con la dieta serve per la costruzione e il rinnovamento delle

strutture cellulari, per produrre energia chimica necessaria per tutte le reazioni biosintetiche che avvengono nelle cellule

e tessuti, per mantenere i gradienti elettrochimici (considerevole spesa energetica per l’organismo), per il trasporto attivo

di molte molecole, per la produzione di energia meccanica per sostenere la contrazione muscolare.

→ Sono tutti processi di tipo non ossidativo.

Tutte le componenti del processo nutrizionale presentano

meccanismi regolatori biochimici e fisiologici il cui equilibrio

è percepito come condizione o stato di salute.

Ci sono numerosi studi epidemiologici fatti su popolazioni

che hanno dimostrato che cattive abitudini alimentari

rappresentino un fattore di rischio per l’insorgenza di

differenti patologie cattivo stato di salute e ridotte

→

aspettative di vita.

Per eccesso o carenza di sostanze nutritive si può avere una profonda influenza sullo stato dell’organismo e profonde

alterazioni metaboliche che possono portare all’insorgenza di patologie (diabete, malattie cardiovascolari, obesità…).

Alimenti sostanze naturali o artificiali che, introdotte con la dieta, forniscono i principi nutritivi (= nutrienti). Si possono

→

distinguere in base all’origine o al tipo di nutriente maggiormente contenuto in essi (es.: alimento prevalentemente

glucidico: pane, pasta…; proteico: carne, pesce, uova…).

Possono contenere anche altri composti come fibre, polifenoli… alcuni hanno effetti benefici altri avere fattori anti-

nutrizionali che possono interferire con qualche tappa della nutrizione (di solito nell’assorbimento dei nutrienti

nell’apparato gastrointestinale).

Nutrienti molecole che fungono da precursori biosintetici e da sorgenti di energia e che vengono assunte

→

dall’ambiente esterno. Si dividono in:

macronutrienti (glucidi, lipidi, proteine) la cui assunzione è quantitativamente maggiore rispetto agli altri nutrienti.

o Prevalentemente usati a scopo energetico;

nutrienti (monosaccaridi, acidi grassi, aa), molecole che direttamente possono essere assorbite e utilizzate a

o livello cellulare. Derivano da specifiche vie di degradazione non ossidative ma, di solito, idrolitiche.

micronutrienti (ioni, sali minerali, vitamine), necessari in quantità molto minori rispetto ai precedenti.

o

Per ogni alimento è nota la composizione in termini qualitativi e quantitativi di ogni nutriente.

→

Molto raramente ogni singolo nutriente in un alimento può essere completamente utilizzato a livello cellulare. La quota

effettivamente assunta e utilizzata a livello cellulare è la quota biodisponibile.

I nutrienti per essere utilizzati devono essere:

1. liberati a seguito dei processi di digestione nel lume intestinale,

2. assorbiti dalle cellule intestinali e veicolati attraverso il circolo ematico o linfatico ai differenti organi e tessuti,

3. assunti dalle cellule periferiche ed essere regolarmente utilizzati.

Su ciascuno di questi processi influiscono diversi fattori che modulano la biodisponibilità di un dato nutriente:

• Fattori intrinseci che dipendono dall’alimento stesso: dalla natura chimica, dalle caratteristiche chimico-fisiche e

dalle interazioni alimento-nutrienti contenuti. Generalmente influiscono sui processi di digestione, assorbimento

e trasporto.

• Fattori estrinseci che dipendono dall’organismo: intervengono su ognuno dei tre processi. Dal punto di vista

biochimico sono fattori individuali che portano ad una differente biodisponibilità di un elemento contenuto in un

alimento è dovuto alle componenti morfologiche individuali, componenti enzimatiche, all’assetto endocrino,

terapie farmacologiche, abuso di alcol e droghe…

Es.: Assunzione di calcio: micronutriente da assumere con la dieta presente in moltissime fonti alimentari ma ha una

→

biodisponibilità molto bassa del 30% per coprire il suo fabbisogno in un adulto (250-300 mg/die) con la dieta è

necessario assumerne 750-900 mg/die.

Es.: Assunzione di ferro diversamente biodisponibile. In forma eminica biodisponibilità maggiore, non eminica minore.

Ci sono fattori come la vitamina C può aumentare la biodisponibilità del ferro non eminico e quindi il suo assorbimento

a livello intestinale.

I nutrienti possono essere:

Energetici degradati per ottenere energia.

→

o Glucosio (dai carboidrati), acidi grassi (dai lipidi), aa (dalle proteine) (in condizioni fisiologiche no ma proteine usate

come deposito da usare in condizioni di stress o carenze).

Dall’ossidazione di un grammo di glucosio si ricavano 4 Kcal/g (circa 18 KJ/g).

→ Da acidi grassi più energia si ricava 9 Kcal/g (38 KJ/g).

Nella dieta può essere presente anche etanolo, non definibile nutriente ma dalla sua completa ossidazione si

ricavano 7 Kcal/g.

Plastici utilizzati come tali o come precursori per i processi biosintetici.

→

o Acqua principale componente dell’organismo umano, circa 55-60% del peso corporeo (importante per

➢ →

mantenere il bilancio idrico, presente in tutte le reazioni biochimiche, regolazione T corporea, eliminazione sali e

sostanze organiche attraverso urine, processi di assorbimento, digestione, trasporto, utilizzo nutrienti…);

AA per biosintesi proteine ma anche precursori di molte molecole: ormoni peptidici, neurotrasmettitori …;

➢ →

Acidi grassi precursori trigliceridi, fosfolipidi di membrana, classi di molecole con funzioni di segnalazione come

➢ →

gli eicosanoidi;

Glucosio precursore glicogeno ma anche usato per la sinesi dei glicoconiugati;

➢ →

Vitamine; Elementi inorganici.

➢

Per individuarli ci si è basati sulla composizione corporea del nostro organismo.

Molti nutrienti sono definiti essenziali per l’uomo (sempre riferito ad un organismo, diversi tra organismi) l’organismo

→

non è in grado di sintetizzarlo (incapacità totale o non sufficiente per il fabbisogno dell’organismo):

Acqua: maggior produzione (250-300 ml) nel processo biosintetico di grassi, poi glucosio, poi aa. Necessaria

➢ l’assunzione.

→

Glucosio sintetizzato da molecole di natura non glucidica (come alcuni aa) e a livello epatico con la

➢ gluconeogenesi. Necessaria l’assunzione perché l’attivazione massiva della gluconeogenesi incentiva molto la via

→

di sintesi dei corpi chetonici in organi come cervello può usare anche questi componenti ma l’eccessiva

produzione porta acidosi metabolica.

Alcuni aa, 9 in particolare, sono essenziali in quanto non abbiamo gli enzimi che consentono la loro sintesi.

➢ Lisina, Isoleucina, leucina, valina, triptofano, fenilalanina, metionina, treonina.

Arginina e Istidina sono definiti semi-essenziali.

Valore biologico delle proteine in un alimento alimenti proteici di origine animale lo hanno di circa 1,

→

quelli di origine vegetale hanno un basso valore in quelli animali sono presenti tutti gli aa mentre per

→

esempio i legumi sono scarsi in metionina, i cereali scarsi in aa basici…Assumendo una dieta variegata si

assumono tutti gli aa essenziali.

Vitamine idrosolubili (gruppo B, C) e liposolubili (A, D, E, K)

➢ Acidi grassi polinsaturi: acido linoleico (18:2 omega 6) e acido linolenico (18:3