Biochimica 2

Esame di biochimica metabolica - Claudio Stefanelli

Appelli esami

- 31 marzo, ore 10:00

Programma

Il metabolismo. Catabolismo e anabolismo. Meccanismi di regolazione. Cenni sulle principali caratteristiche biochimiche e funzionali del sangue, del muscolo, del fegato, del tessuto adiposo e del cervello.

Ormoni e biosegnalazione. Messaggi tra cellule: recettori e ligandi. Recettori di membrana e nucleari. (par. 12.3). Concetto di trasduzione del segnale. Proteine G. I secondi messaggeri: AMP ciclico e ione Calcio. Monossido di azoto (par. 12.4). I principali ormoni. (capitoli 13, 14, 15)

Metabolismo glucidico. Glicemia. Trasporto del glucosio. Glicogenolisi e glicogenosintesi. Catabolismo glucidico: la glicolisi. Formazione di lattato. Destino del piruvato. Resa energetica. Regolazione. Generalità sul ciclo dei pentosi. Gluconeogenesi. Molecole glucogenetiche. (cap 17 e paragrafi 20.5, 20.6, 20.7)

Il ciclo di Krebs. L'acetil CoA. Scopo del ciclo e regolazione. (cap 18)

Il metabolismo dei lipidi. Trigliceridi e adipociti. Lipolisi. Ossidazione degli acidi grassi. Resa energetica. I corpi chetonici. La biosintesi degli acidi grassi. Formazione di trigliceridi. Regolazione della sintesi e del catabolismo dei lipidi. Metabolismo del colesterolo. (cap 19 e paragrafi 20.1-20.4)

Metabolismo degli aminoacidi e delle proteine. Il turnover delle proteine. Regolazione ormonale del metabolismo proteico. La transaminazione degli aminoacidi. Deaminazione ossidativa e formazione dell'urea. Destino dei chetoacidi. Metabolismo muscolare degli aminoacidi ramificati. (cap 21 e 22)

Metabolismo di sostanze azotate. Generalità su sintesi e degradazione dei nucleotidi. Metabolismo del gruppo eme e del ferro. Metabolismo della carnitina. Metabolismo della creatina. (cap 23)

Metabolismo muscolare nell'esercizio. Caratteristiche metaboliche delle fibre muscolari. Metabolismo aerobico e anaerobico e sistemi energetici nell'esercizio. Esercizio aerobico. Il catabolismo ossidativo. Esercizio anaerobico. Glicolisi e fosfati ad alta energia. La fosfocreatina. La miocinasi. Metabolismo del lattato. Metabolismo cardiaco. (cap 24)

Modificazioni metaboliche indotte dall'allenamento. Meccanismi dell'adattamento. Conseguenze dell'allenamento aerobico. Conseguenze dell'allenamento anaerobico. Ricadute sulla prestazione e sulla salute. (cap 25)

Metabolismo

Nel metabolismo parliamo di catabolismo, ovvero della fase di degradazione di molecole complesse in molecole più semplici nella quale si libera energia conservata come ATP, e anabolismo, fase di costruzione di molecole complesse partendo da altre più semplici nella quale è richiesta energia sotto forma di ATP.

Per carica energetica cellulare si intende il rapporto tra le concentrazioni intracellulari di ATP, ADP e AMP (valore di circa 0,8-0,95). Nel muscolo è abbondante l’enzima miocinasi (ADP + ADP ↔ ATP + AMP). Il rapporto AMP/ADP (valore di circa 0,03) definisce il bisogno di energia.

Principali vie metaboliche

• Glucidi, demolizione del glicogeno o del glucosio / sintesi del glicogeno o del glucosio;
• Lipidi, demolizione trigliceridi o degradazione degli acidi grassi / sintesi acidi grassi;
• Proteine, demolizione proteine o catabolismo amminoacidi / sintesi proteica;

Meccanismo di regolazione dell'attività enzimatica

In una cellula le varie vie metaboliche devono funzionare in maniera coordinata. La regolazione enzimatica consente di rispondere alle diverse esigenze metaboliche della cellula. Le reazioni sono catalizzate da enzimi regolatori che possono aumentare o ridurre la loro attività catalitica in risposta a determinati segnali. Due tipi di enzimi regolatori, enzimi allosterici ed enzimi covalenti.

Meccanismo di regolazione del metabolismo:

• Regolazione covalente per le proteine chinasi (catalizzano la fosforilazione di proteine) e fosfatasi (catalizzano la de fosforilazione di proteine). Il cambio di attività della proteina è dovuto all’aggiunta di residui a legame covalente;
• Regolazione allosterica, gli enzimi allosterici hanno la proprietà di essere regolati da una molecola (modulatore) che funge da regolatore dell’enzima. Quando il modulatore è positivo l’enzima è attivo, viceversa è inibito. Questi enzimi sono sempre composti da più subunità e in genere i modulatori si legano ad una subunità detta regolatrice che regola una subunità catalitica che contiene il sito attivo dell’enzima in cui avviene la reazione. Spesso è presente una inibizione del prodotto finale (inibizione a feedback), ovvero i prodotti finali sono spesso inibitori dei primi enzimi della stessa via metabolica regolando così l’intero flusso. È definito a feedback negativo perché la quantità di prodotto generato dipende dalla concentrazione del prodotto stesso. Un esempio di enzima allosterico è il fosfofruttocinasi-1;
• Regolazione dei livelli di enzima, la regolazione della sintesi di una proteina può avvenire a livello della trascrizione del gene che la codifica o della traduzione. Le proteine sono degradate ad amminoacidi da 3 diversi sistemi cellulari;
• Compartimentazione
• Biosegnalazione e regolazione ormonale, gli ormoni principali che regolano il metabolismo sono tre, adrenalina, insulina e glucagone. L’adrenalina prodotta dalla surrenale midollare viene rilasciata per allarmare e preparare i muscoli, cuore e polmoni ad un’intensa attività. L’insulina è prodotta dalle cellule beta del pancreas in risposta a livelli ematici di glucosio elevati. Il glucagone è prodotto dalle cellula alfa del pancreas ed è antagonista dell’insulina poiché è rilasciato in risposta a livelli ematici di glucosio bassi;

Trasporto di metaboliti attraverso le membrane

La permeabilità della membrana fosfolipide permette il passaggio di piccole molecole, dell’acqua, escludendo quindi il passaggio alle molecole grosse, polari e cariche.

Molte proteine di membrana sono trasportatori, esse in genere formano dei canali che attraversano la membrana, sono suddivise in:

• Uniporto, trasporta un unico soluto;
• Cotrasporto, sono trasportati più soluti contemporaneamente, in genere due o nella stessa direzione (simporto) o in direzioni opposte (antiporto);

In questo tipo di trasporto può essere richiesta energia:

• Trasporto passivo, secondo gradiente di concentrazione (no ATP);
• Trasporto attivo, contro gradiente di concentrazione (consumo di ATP);

Le molecole necessarie per il metabolismo entrano attraverso dei trasportatori specifici (Es. trasportatori del glucosio, di acidi grassi, …). Il controllo della localizzazione dei trasportatori è un altro meccanismo di controllo del metabolismo. L’allenamento ed alcuni ormoni causano l’aumento del numero dei trasportatori di glucosio e acidi grassi sulla membrana della cellula muscolare. Questo causa un aumento dell’entrata dei substrati energetici e anche un aumento delle loro riserve muscolari (glicogeno e trigliceridi).

Biosegnalazione e ormoni

La comunicazione tra cellule (biosegnalazione) avviene attraverso mediatori chimici:

• Ormoni, sono importanti regolatori del metabolismo;
• Neurotrasmettitori;

Essi sono sintetizzati e secreti da una cellula, poi interagiscono con un recettore posto su un’altra cellula bersaglio, scatenando una risposta. Gli ormoni possono essere:

• Proteici, insulina, glucagone, fattori di crescita;
• Derivati da amminoacidi, catecolammine (adrenalina, noradrenalina) e ormoni tiroidei;
• Lipidici, eicosanoidi (derivati dall’acido arachidonico), retinoidi (vitamina A) e steroidi (steroli);

Proprietà generali degli ormoni

È un messaggero chimico che trasmette segnali da una cellula ad un’altra. È prodotto da un organismo con il compito di modularne il metabolismo o l’attività dei tessuti ed organi dell’organismo stesso. Essi possono agire in due modi:

• Ormoni idrosolubili (amminici, proteici), si legano a specifici recettori sulla membrana plasmatica della cellula bersaglio provocando l’attivazione di una particolare proteina di membrana che a sua volta attiva un enzima che sintetizza un secondo messaggero che avvia a sua volta una cascata enzimatica amplificando il segnale;
• Ormoni liposolubili (lipidici), entrano nella cellula bersaglio e si legano a recettori nucleari, il complesso ormone-recettore entra nel nucleo per modificarne l’espressione genica, possono così essere sintetizzati enzimi specifici in risposta all’ormone;

Gli ormoni sono prodotti da ghiandole endocrine che li riversano nei liquidi corporei e a seconda della loro secrezione sono classificati come:

• Ormoni endocrini, secreti nel sangue, colpiscono cellule lontane (ormoni proteici);
• Ormoni paracrini, secreti nello spazio extracellulare, colpiscono cellule vicine;
• Ormoni autocrini, hanno come bersaglio la stessa cellula che li ha secreti;

Gli ormoni sono presenti a basse concentrazioni. L’interazione con la cellula ha luogo con proteine specifiche, i recettori. Ogni recettore è specifico per il proprio ligando. In seguito al legame con il recettore, si attiva una serie di reazioni che portano alla risposta cellulare (trasduzione del segnale). I recettori possono essere posti sulla membrana esterna della cellula o all’interno. Nella trasduzione sono coinvolte numerose proteine come le proteine G (legano nucleotidi guanilici GDP e GTP e quando sono attive si legano ad altre proteine influenzandone la funzione, ma anche enzimi quali la cinasi (attaccano gruppi fosfato) e fosfatasi (staccano gruppi fosfato).

Secondi messaggeri

Si definisce secondo messaggero quella famiglia di molecole di origine maggiormente organica che permettono, all’interno della cellula, il trasferimento o trasmissione o la regolazione di meccanismi biochimici che hanno la funzione di regolare l’attività biologica della cellula. Esso è una molecola che viene rilasciata o attivata in seguito del legame del ligando con il proprio recettore. Di solito questo legame causa una variazione conformazione che innesca una reazione a catena che attiva il secondo messaggero. Vi sono riconosciute tre principali famiglie:

• Molecole idrofobiche, diacilglicerolo e derivati;
• Molecole idrofile, cAMP (cyclic AMP), cGMP (cyclic GMP), IP3 (inositolo trifosfato) ed il Ca⁺⁺;
• Molecole gassose, ossido nitrico (NO) e monossido di carbonio (CO)

Lo ione calcio agisce spesso tramite la calmodulina, una piccola proteina che può legare 4 ioni calcio. L’ossido nitrico si forma per azione di un gruppo di enzimi chiamati ossido nitrico sintasi, attivate quando aumenta il calcio intracellulare, o per azione di alcune citochine (mediatori proteici che fungono da segnali di comunicazione tra cellule del sistema immunitario e fra queste e diversi organi e tessuti).

Via dell’cAMP

L’adenosina monofosfato ciclico è un metabolita delle cellule prodotto grazie all’enzima adenilato cinasi a partire dall’ATP. È un importante secondo messaggero per la trasduzione del segnale come quelli indotti dagli ormoni glucagone o adrenalina. Il cAMP è sintetizzato dall’ATP dall’enzima adenilato ciclasi che si trova presso le membrane cellulari ed è attivato dal glucagone ed dall’adrenalina attraverso una proteina G. l’enzima fosfodiesterasi catalizza invece la degradazione di cAMP ad AMP. Tale enzima è inibito da alte concentrazioni di caffeina. Il cAMP interagisce con diverse proteine chinasi, in particolare è un grado di attivare la PKA (proteina chinasi-dipendente). Tale enzima di norma è inattivo nella forma tetramerica composta da due subunità catalitiche e due regolatorie (C₂R₂). Il cAMP è in grado di legare le subunità R, se questo avviene esse si dissociano dalle C che diventano così attive ed in grado di fosforilare gli specifici substrati. Attraverso tale enzima, dunque, il cAMP è in grado di controllare numerosi processi cellulari, come la lipolisi. Il cAMP è quindi un attivatore allosterico dell’enzima PKA.

Esempio dell’adrenalina:

• L’adrenalina si lega al suo specifico recettore sulla membrana;
• Il recettore determina la sostituzione del GDP con il GTP attivando la proteina G;
• La proteina G interagisce con l’adenil ciclasi e la attiva;
• L’adenil ciclasi catalizza la formazione di cAMP dall’ATP;
• La PKA viene attivata dalla cAMP;
• La fosforilazione di proteine cellulari da parte della PKA causa la risposta cellulare all’adrenalina;
• Il cAMP viene degradato e viene a cessare l’attivazione della PKA;

Altri ormoni proteici, interagendo con il loro recettore extracellulare, attivano direttamente degli enzimi tirosina chinasi (recettori tirosin chinasici). Questi recettori (chiamati RTK) sono proteine aventi attività chinasica e agiscono fosforilando residui di tirosina (amminoacido, precursore di vari ormoni quali la tiroxina e le catecolammine) nella proteina bersaglio. Essi regolano processi cellulari quali la proliferazione e la differenziazione cellulare. Le RTK sono costituite da un dominio extracellulare che possiede un sito di legame per il ligando specifico, e un dominio citoplasmatico che possiede un sito di attacco per l’ATP e uno con cui riconosce specifiche sequenze delle proteine bersaglio. La regione transmembrana è costituita da una singola alfa elica idrofobica che attraversa la membrana. Accanto al sito attivo vi è una sequenza (labbro di fosforilazione) che possiede alcuni residui di tirosina la cui fosforilazione è fondamentale per l’attività della proteina.

Meccanismo d’azione recettore insulina

I ligandi degli RTK sono molecole solubili o più spesso ormoni proteici (Es. insulina). Questo particolare recettore è costituito da due subunità alfa extracellulari bersaglio dell’insulina legate con ponti disolfuro a due subunità beta intracellulari le quali hanno attività tirosino-chinasica. Il legame dell’insulina determina l’avvicinamento delle due subunità beta e ne permette l’autofosforilazione. Il recettore attivato può a sua volta aggiungere gruppi fosfati su determinate tirosine che a loro volta possono attivare altri substrati permettendo così la propagazione del segnale.

Principali ormoni e classificazione chimica

• Derivati da un solo amminoacido: Adrenalina, Noradrenalina, Tiroxina, Melatonina;
• Steroidei: Glucocorticoidi, Mineralcorticoidi, Androgeni, Estrogeni;
• Eicosenoidi: Prostaglandine;
• Retinoidi: Acido retinoico;
• Fosfolipidi e lisofosolipidi: Fattore attivante le piastrine;
• Proteici: Ossitocina, Vasopressina, Stimolante rilascio di GH/LH/FSH, Somatotropina (GH), LH, Insulina, Glucagone, Corticotropina, Calcitonina, Gastrina, Secretina;

Le ghiandole endocrine sono tessuti specializzati nella sintesi di ormoni ma diversi di essi sono sintetizzati in tessuti che non erano ritenuti endocrini (Es. cuore, fegato, sangue, …). Alcuni tessuti sono altamente specializzati nella sintesi di ormoni: il surrene che costruisce diversi ormoni nella zona corticale e midollare, l’ipofisi secerne numerosi ormoni. Molti di questi ormoni regolano il rilascio di altri ormoni in diverse ghiandole endocrine, gli ormoni ipofisari sono a loro volta stimolati da fattori rilasciati a livello dell’ipotalamo.

Gerarchia ormonale

Segnali originati nel sistema nervoso si amplificano e attivano agli organi bersaglio. La gerarchia indica il luogo di partenza dei segnali ormonali (SNC→ipotalamo o midollare surrenale) che possono andare a stimolare direttamente il bersaglio finale oppure un altro bersaglio che a sua volta può avere un secondo bersaglio ed infine anche un terzo bersaglio finale che conclude il ciclo di segnalazione ormonale. Es: SNC→Ipotalamo→Ipofisi anteriore (1° bersaglio)→Tiroide (2° bersaglio)→Muscoli e fegato (3° bersaglio).

Catecolammine

Sono composti chimici derivanti dall’amminoacido tirosina. Esse sono idrosolubili e sono legate per il 50% alle proteine del plasma, cosicché circolano nel sangue. Le catecolammine più importanti sono l’adrenalina, la noradrenalina e la dopamina. Esse come ormoni sono rilasciate dalle ghiandole surrenali (midollare surrenale) in situazioni di stress, in seguito a stimolo del sistema nervoso simpatico. Le catecolammine sono caratterizzate da un gruppo amminico e dalla presenza di un anello fenolico (diidrossibenzene).

I recettori adrenergici sono recettori di membrana che interagiscono con le catecolammine e appartengono ai recettori accoppiati a proteine G. A seconda dell’accoppiamento, sono classificati in alfa e beta, a loro volta ripartiti in sottotipi:

• α₁, sono accoppiati alla fosfolipasi C;
• α₂, sono accoppiati ad una proteina G inibitrice la quale inibisce l’azione dell’adenilato ciclasi riducendo quindi la formazione di cAMP;
• β₁, sono accoppiati a proteine G stimolatrici che innalzano il livello di cAMP;
• β₂, sono accoppiati a proteine G stimolatrici che generano un rilassamento muscolare;
• β₃, sono accoppiati a proteine G che attivano enzimi lipasi;

L’adrenalina è capace di attivare tutti i recettori α e β, mentre la noradrenalina è selettiva solo per i recettori α e β₁. L’adrenalina causa l’aumento in circolo e nel muscolo di molecole utilizzabili come substrati energetici come glucosio ed acidi grassi, ha la funzione di rilassamento gastrointestinale, aumento frequenza cardiaca, deviazione del flusso sanguigno verso muscoli, fegato, miocardio e cervello e aumento della glicemia. In generale, l’adrenalina predispone l’organismo ad un’intensa attività fisica.

Ormoni del pancreas

Il pancreas produce diversi ormoni proteici, come il glucagone e l’insulina.