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Esame biochimica

Compendio completo con appunti sul programma d'esame: emoproteine e biochimica del ferro - eme - reazioni degli amminoacidi - proteine e metabolismo AA - enzimi - processi metabolici. Appunti basati su appunti personali del publisher presi alle lezioni della prof. Di Giorgio.

Esame di Biochimica e biologia molecolare docente Prof. R. Di Giorgio

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permettono alla singola catena di avvolgersi in senso sinistrorso e alle tre catene

superavvolgersi in una superelica destrorsa, stabilizzandone la struttura. Per questioni

di ingombro sterico le catene laterali degli a.a diversi dalla glicina saranno orientate

verso le facce esterne.

BIOSINTESI

La biosintesi del collagene avviene in tappe, alcune delle quali comuni alle proteine

destinate all’esportazione.

Innanzitutto viene inizialmente sintetizzato un peptide leader a capo della proteina in

crescita e che solo al termine della sintesi sarà rimosso.

Le procatene, prodotto della sintesi, sono caratterizzate da un peso molecolare

maggiore per la presenza alle estremità carbossi- e ammino- terminali di peptidi con

una struttura primaria diversa da quella canonica finale, che vede la presenza di

residui di cisteina che assicurino la formazione di legami disolfuro che andranno a

bloccare le estremità per permettere, un volta avvenute le modifiche post-sintetiche

(idrossilazione di prolina e lisina e glicosilazione della lisina) l’avvolgimento

ottimale delle catene.

A questo punto le catene sono pronte per essere impaccate in vescicole per essere

esportate: all’interno delle stesse o già nell’ambiente extracellulare avviene, ad opero

delle pro-collageno carbossipeptidasi e amminopeptidasi il distacco dei telopeptidi

che avevano la funzione di impedire che i monomeri si assemblassero all’interno

della cellula: le molecole di tropocollagene così ottenute saranno destinate ad

assemblarsi con le altre con una disposizione sfalsata a formare le fibrille collagene,

tra le quali sarà mantenuto uno spazio di circa 40 A° (che spesso può rappresentare,

nel contesto della matrice ossea, un nucleo di ossificazione).

Le molecole di tropocollagene in particolare vengono saldate grazie alla formazioni

di legami covalenti forti detti legami crociati che si formano in seguito ad

un’ulteriore modificazione a carico di residui di che sono deaminati

ossidativamente ad opera della lisinossidasi che prevede l’allontanamento dell’

epsilon-amminogruppo con conseguente formazione dell’ a.a modificato allisina che

presenterà un gruppo aldeidico con cui potrà reagire con altri residui di allisina in una

condensazione aldolica o con un amminogruppo di una lisina non modifica con la

formazione di una base di schiff. Altra caratteristica struttura che si viene a formare è

la cosìddetta desmosina che prevede l’interazione di tre molecole di allisina ed una

di lisina. PROTEINE E METABOLISMO A.A.

Attraversano le membrane attraverso trasportatori e meccanismi di endocitosi

mediata da recettori.

Possono essere ingerite denaturate (cibi cotti) o no (crudi).

1. Digestione

Le sedi in cui si verifica sono lo stomaco ed il primo tratto del duodeno (nel cavo

orale infatti sono assenti enzimi a questa deputati).

I primi enzimi si trovano nel succo gastrico (pH 2-4) le cui componenti sono

elaborati dalle cellule principali della mucosa gastrica (pepsine) e le cellule parietali

(HCl).

Cellule parietali

All’interno di queste avviene la reazione tra CO2 presente nel sangue e H2O

catalizzata dalla anidrasi carbonica da cui si produce H2CO3 che dissocia in ioni H+

e idrogenocarbonato HCO3-. Gli ioni H+ vengono trasferiti nel lume gastrico per

antiporto con il K+. Lo ione bicarbonato torna nel plasma (marea alcalina post-

prandiale), mentre lo ione Cl- dal sangue, attraverso la cellula parietale, raggiunge il

lume gastrico, formando l’HCl la cui produzione e secrezione è favorita dall’ormone

gastrina elaborato in prossimità dell’antro pilorico in presenza di cibo nello stomaco.

Cellule principali

Esistono diverse isoforme di pepsine (la cui azione è ottimale a valori di pH

differenti) elaborate, in via protettiva per la cellula che li produce, in forma inattiva di

pepsinogeni (di PM maggiore) da cui derivano per distacco di alcuni peptidi (che

evidentemente interferivano con il sito attivo dell’enzima) [come la pepstatina

(inibitore delle proteasi per l’aspartato) (…ma se sono aspecifiche?!?]: il meccanismo

di attivazione viene attivato dall’ HCl e procede poi autocataliticamente (le stesse

molecole di pepsina catalizzerano l’attivazione di altre molecole).

L’ambiente acido dello stomaco provvede inoltre ad attuare la denaturazione della

proteina (se non già effettuata al calore della cottura) esponendo i legami peptidici ad

una più facile azione enzimatica.

La digestione della proteina deve essere graduale in maniera tale da assicurare

l’assorbimento lento di tutti gli amminoacidi per non provocare la saturazione dei

trasportatori di membrana che determinerebbe una loro perdita attraverso l’emuntorio

intestinale, né un’aumento di pressione osmotica che richiamerebbe acqua all’interno

del lume intestinale. Per questo motivo l’iniziale azione delle pepsine è poco

specifica ed è diretta ai legami peptidici a cui partecipano i gruppi carbossilici

appartenenti ad a.a con catena laterale aromatica: determinano pertanto un’inziale

digestione della proteina in grossi peptidi.

La digestione poi prosegue grazie agli enzimi del succo pancreatico (pH alcalino per

neutralizzare gli acidi provenienti dallo stomaco) secreto sotto stimolo ormonale dal

pancreas esocrino, anch’esso contenente, tra gli eltri, enzimi proteolitici inattivi

come:

- tripsinogeno (forma inattiva della tripsina gruppo carbossilico a.a basici)

- chimotripsinogeno (chimotripsina gruppo carbossilico a.a aromatici)

- la pro-elastasi (elastasi a.a neutri) 

- le pro-carbossipeptidasi A e B con diversa specif. (carbossipeptidasi a.a con

gruppo carbossilico libero: A a.a basici; B neutri)

La composizione del succo pancreatico potrà essere più ricca di enzimi o di

bicarbonati a seconda che la sua secrezione sia stata stimolata dall’ormone

pancreozimina o secretina.

L’attivazione della tripsina (che a sua volta provvederà all’attivazione degli altri)

avviene ad opera dell’enzima enterochinasi (enteropeptidasi) elaborato e liberato da

alcune cellule duodenali al passaggio del succo pancreatico.

Nel succo enterico, infine, elaborato dalle cellule della mucosa intestinale, sono

presenti amminopeptidasi ( a.a con gruppo amminico libero) e dipeptidasi, che

come le carbossipeptidasi del pancreas sono esopeptidasi (provocano di volta in volta

il distacco degli a.a terminali; tutte le altre sono endopeptidasi che quindi si limitano

a suddividere in grosse porzioni le proteine). Si tratta in relatà di enzimi intracellulari

che però si ritrovano nel lume intestinale per via del frequente rinnovo delle cellule

della mucosa.

Assorbimento

Gli a.a passano dal lume intestinale alle cellule della mucosa intestinale (membrana

luminale) attraverso un trasporto attivo secondario che prevede un cotrasporto per

simporto con lo ione sodio (Na+) attraverso trasportatori specifici per gli a.a basici

(in cui è compresa anche la cisteina), per gli a.a acidi, per gli a.a neutri e per gli a.a a

catena molto larga (ramificata e aromatici).

Il gradiente per il Na+ è mantenuto favorevole grazie alla presenza della pompa

Na+/K+ sulla membrana controluminale.

Il trasporto attraverso la membrana controluminale alla circolazione portale non

è attivo, ma il trasportatore è più lento, per cui, ad eccezione dei primi,

l’assorbimento degli a.a dal lume intestinale dovrà procedere contro gradiente con

impegno di ATP.

Il pool di a.a sia proteici che non (che possono derivare dalla digestione batterica o

dal rinnovo delle cellule della mucosa intestinale), i quali, essendo molecole polari

(idrofile), non hanno bisogno di traportatori nel sangue, attraverso la circolazione

portale raggiungerà quindi il fegato. Esso può essere quindi alimentato dalla

degradazione di proteine esogene o endogene e dalla biosintesi di a.a non essenziali,

mentre da esso possono essere sottratti a.a per la sintesi di composti azotati (porfirina,

creatina, fosfocreatina ( 3 a.a), neurotrasmettitori, eme) o perdere il gruppo –NH2 e

essere destinati alla sintesi di glucosio (glucogenetici) o corpi chetonici e acidi grassi.

Reazioni generali degli a.a

Interessano i gruppi funzionali (-NH2 e –COOH)

 

Perdita del gruppo carbossilico per decarbossilazione ammina biogena

corrispondente

 

Perdita del gruppo amminico chetoacido corrispondente per:

 Trasferimento su un’altra molecola per transaminazione (transaminasi

coenzima PLP, rev.)

 Liberazione sottoforma di NH3 per desaminazione

 Ossidativa (coenzimi delle deidrogenasi)

 Non ossidativa (coenzima PLP)

Il piridossale è, insieme al piridossolo (con un gruppo –OH al posto dell’aldeidico) ed

alla piridossammina uno dei tre vitameri della proteina B6; forsforilato dalla

piridossalchinasi viene trasformato in piridossalfosfato che funge da coenzima

legandosi debolmente a diversi apoenzimi formando con il suo gruppo aldeidico una

base di schiff con l’epsilon-amminogruppo di un residuo di lisina della componente

proteica; in questa forma risulta inattivo. In seguito all’aumento della concentrazione

del substrato l’enzima si attiva ed il piridossalfosfato si stacca da esso per formare

una base di schiff con il gruppo –NH2 dell’a.a., labilizzando legami diversi che

impegnano il C alfa dell’a.a. a seconda dell’apoenzima a cui è legato:

 se si tratta di una decarbossilasi, labilizza il legame tra il C alfa e gruppo

carbossilico che sarà allontanato.

 

Glutammato a. gamma-amminobutirrico (GABA)

 

Istidina Istamina

 

Triptofano Triptamina

 

5-idrossi-triptofano 5-idrossi-triptamina (serotonina)

 

Aspartato beta-alanina (legata all’acido pantoico a formare l’acido

pantotenico nella sintesi del CoA)

 

Cisteina cisteamina (beta-mercapto-etanolammina: l’acido

pantotenico è attivato ad acido 4-fosfopantotenico e reagendo con una

molecola di cisteina forma la 4-fosfopanteincisteina che decarbossilata

dà la 4-fosfopanteteina; alla fine è come se si trovasse legata all’acido

pantotenico una molecola di beta-mercapto-etanolammina)

 

Fosfatidilserina fosfatidiletanolammina

 se si tratta di una transaminasi, labilizza il legame tra il C alfa e lo stesso

gruppo amminico a cui resta legato diventando piridossammina-fosfato, che

potrà trasferire ad un altro substrato (alfa-chetoacido) l’-NH2 ripristinandosi.

Il meccanismo delle reazioni di transaminazione è detto a ping-pong: prima si

lega il primo substrato, ossia l’ a.a il cui gruppo –NH2 resta legato al coenzima

e di cui resta l’alfa-chetoacido corrispondente (in genere rappresentato dalla

coppia glutammato-acido alfa-chetoglutarico), poi si lega il secondo substrato

(alfa-chetoacido) che riceverà il gruppo –NH2 trasformandosi nell’ a.a

corrispondente.

 

ALanina Transaminasi Don. Alanina (Piruvato)

Acc. a. alfa-chetoglutarico(Glutammato)

 

ASpartato Transaminasi Don. Aspartato (Ossalacetato)

Acc. a. alfa-chetoglutarico (Glutammato)

Le transaminasi possono avere localizzazione citoplasmatica e

mitocondriale. Il loro ruolo è di notevole importanza per la sintesi di a.a

non essenziali, soprattutto nel fegato che ha il compito di elaborare gli

a.a che provengono dalla circolazione portale ed immettere in circolo

una miscela bilanciata di a.a. Inoltre le reazioni di transaminazione

rendono lo scheletro carbonioso del donatore del gruppo –NH2 adatto a

diventare parte di una molecola di natura diversa (gluco-/cheto-).

Alcuni a.a (come la prolina) non possono essere transaminati.

Le reazioni di desaminazione si distinguono in:

 Ossidative: catalizzate da L-a.a ossidasi (coenz. FMNFMNH2) e D-a.a

ossidasi (coenz. FADFADH2): i coenzimi vengono riossidati trasferendo gli

eq. rid. Direttamente sull’O2 formando perossido di idrogeno (nessuna

importanza energetica). Sono però enzimi poco attivi (le altre reazioni sono

favorite) localizzati a livello intestinale e epatico con la funzione di avviare al

catabolismo gli a.a della serie L e permettere di recuperare lo scheletro

carbonioso della serie D (una volta desaminati possono essere riconvertiti in

a.a della serie L o altro).

  L-Glutammato deidrogenasi: reazione che consente di ripristinare la

disponibilità di a. alfa-chetoglutarico (si parla di trans-desaminazione

in quanto spesso il glutammato che vi partecipa ha appena accettato un

- NH2 in una reazione di transaminazione)

Glutammato a. alfa-chetoglutarico + NH3 + NAD+ NADH

*La reazione inversa è una aminazione riduttiva in cui i substrati sono a.

alfa-chetoglutarico e ammoniaca ed il coenzima sarà il NADPH (via di

organicazione dell’-NH3 [anche di due molecole, se accoppiata alla

glutammina sintetasi-])

 Non ossidative (coenzima PLP):

 Serina/Treonina deidratasi: la molecola si lega al coenzima formando

una base di Schiff, subisce dapprima una disidratazione e poi grazie ad

una molecola di H2O l’-NH2 viene allontanato sottoforma di NH3

Serina Piruvato (3C)

Treonina Alfa-chetobutirrato (4C)

 Cisteina desulfridasi la cisteina subisce prima il distacco del radicale

sulfidrilico (allontonato sottoforma di acido solforico H2S) e poi grazie

ad una molecola di H2O l’-NH2 viene allontanato sottoforma di NH3.

Cisteina Piruvato (3C)

Le cellule della mucosa intestinale utilizzano a scopo energetico, sottraendole

dalla circolazione generale, soprattutto molecole di glutammina, che, attraverso la

glutaminasi, viene convertita in glutammato (e ammoniaca); in seguito ad una

transaminazione su una molecola di piruvato ( alanin-transaminasi alanina) si

ottiene acido alfa-chetoglutarico che prosegue nelle tappe del ciclo di Krebs:

-decarbossilato ossidativamente dalla a-chetoglutarato deidrogenasi Nad-dipendente

in succinil-CoA +2,5 ATP

- per opera della tiolasi diventa acido succinico con formazione di un GTP +1 ATP

- per opera della succinato-deidrogenasi FAD-dipendente [ubichinone ridotto a

ubichinolo: FADFADH2] viene ossidato a fumarato,

-idratato dalla fumarato idratasi a malato +1,5 ATP

-decarbossilato ossidativamente in piruvato ad opera dell’enzima malico NADP-

dipendente

Questo può accettare un altro gruppo –NH2 riformando alanina e consentendo ad

un’altra molecola di glutammato di riprendere il ciclo.

Oltre alle 5 molecole di ATP si produce ammoniaca che insieme a quella derivata

dalla flora batterica raggiungerà il fegato per essere organicata.

La glutammina e l’alanina sono gli a.a più presenti in circolo in quanto rappresentano

delle forme di trasporto non tossiche della ammoniaca prodotta in tutte le cellule (non

solo dal metabolismo a.a, ma anche di tutti i composti che contengono azoto, come

l’eme) espressione dei processi della sua organicazione avvenuta nei distretti

extraepatici, ed in particolare nel muscolo (anche se per la quantità che si produce è

sufficiente il ciclo dell’urea epatico).

La glutammina si libera soprattutto dall’attività metabolica delle cellule nervose

(trattandosi si una molecola neutra in grado di attraversare la barriera

ematoencefalica) e del muscolo, mentre le cellule intestinali, che utilizzano

soprattutto glutammina a scopo energetico, liberano soprattutto alanina.

Ciclo glucosio-alanina

Si tratta di un ciclo fegato-muscolo in cui il fegato produce glucosio sottratto al

circolo dal muscolo che dopo averlo utilizzato in senso energetico produce piruvato

convertito in alanina (organicando in questo modo un maniera indiretta una

molecola di ammoniaca incorporata nell’acido glutammico attraverso una reazione di

aminazione riduttiva dell’acido alfa-chetoglutarico e successivamente incorporata

nell’alanina per transaminazione del piruvato con donatore l’acido glutammico)

immessa in circolo e riconvertita in glucosio dal fegato (qui transaminata a piruvato

metabolizzato in senso neoglucogenetico).

L’alanina si produce nel muscolo solo in condizioni di aerobiosi, perché si parte da

piruvato: questo in questo caso non potrà essere utilizzato in senso energetico e la

resa energetica per il muscolo sarà di certo minore a quella che sarebbe derivata dal

suo ingresso nel ciclo di Krebs, ma comunque assicurata da quella quota che deriva

dal trasferimento degli equivalenti di riduzione del NADH dal citosol al mitosol

attraverso i sistemi spoletta (cosa che non avviene in aerobiosi producendo lattato).

Il ciclo risulta pertanto vantaggioso per il muscolo e svantaggioso per il fegato

che dovrà impegnare le molecole di ATP necessarie alla neoglucogenesi a partire da

piruvato, nonché quelle necessarie per il ciclo dell’urea (perché l’-NH2 dell’alanina

trasferito sull’acido alfa-chetoglutarico che diventerà glutammato verrà poi

allontanato con la sua desaminazione ossidativa ad opera della L-Glutammato

deidrogenasi sottoforma di NH3 per ripristinare la disponibilità di a. alfa-

chetoglutarico)

Sistemi di organicazione dell’ammoniaca

Necessari in quanto l’ NH3 spuò accumularsi nel plasma spostando l’equilibrio

NH4+/NH3 verso l’NH3 che a differenza dello ione ammonio può oltrepaassare le

membrane e la barriera ematoencefalica con gravi conseguenze, oltre che interferire

con il metabolismo energetico delle cellule sottraendo a. alfa-chetoglutarico al

ciclo di Krebs (in una quota non rimpiazzabile dalle reazioni anaplerotiche)

 Nel fegato: ciclo dell’urea dedicato

 nei distretti extraepatici:

Sintesi dell’alanina per transaminazione del piruvato con donatore acido

o glutammico

Sintesi del glutammato per aminazione riduttiva (inversa della

o desaminazione ossidativa) operata dalla L-glutammato deidrogenasi

NADPH-dipendente a partire da a.alfa-chetoglutarico e ammoniaca

Sintesi della glutammina ad opera della glutammina-sintetasi ATP-

o dipendente in cui il glutammato previa attivazione a glutammil-P

reagisce con una molecola di NH3 (la reazione inversa è invece

catalizzata dalla glutaminasi)

Ciclo dell’urea (NH2-CO-NH2)

Il ciclo dell’urea rappresenta il principale sistema di organicazione dell’ammoniaca e

di sintesi dell’a.a semiessenziale arginina.

La L-glutammato deidrogenasi è un enzima NAD+ dipendente se si procede nel

senso della desaminazione ossidativa e NADPH dipendente se si procede nel senso

della aminazione riduttiva: si tratta di un enzima chiave in quanto grazie ad esso si

liberano spontaneamente (in seguito alla deidrogenazione che porta alla formazione

dell’intermedio imminoglutammato) molecole di ammoniaca che sono state nel

glutammato organicate: in quanto tale è allosterico e suoi effettori allosterici positivi

(nel senso della des. oss.) sono ADP e GDP (che segnalano la necessità di ATP

favorendo la formazione di un intermedio del metabolismo quale l’a. alfa-

chetoglutarico), mentre negativi ATP e GTP.

Questa reazione nella cellula epatica è mitocondriale in quanto tale è la prima tappa

del ciclo dell’urea.

Nella reazione catalizzata dalla carbamil-P sintetasi l’NH3 reagisce con la CO2 (che

si trova sotto forma di ioni bicarbonato) a formare carbamil-P, che sarà destinato alla

sintesi dei nucleotidi pirimidinici (tipo 2, forma isoenzimatica citosolica) o alla

sintesi dell’urea (tipo 1, isoforma mitocondriale). -2ATP

Le [2] molecole di ATP sono necessarie:

-la prima ad attivare l’anidride carbonica a carbossil-P che può reagire con l’NH3 a

dare carbammato

-la seconda per trasferire un fosfato sul carbammato a dare carbamil-P

1. Il carbamil-P viene trasferito dall’ ornitina transcarbamilasi (o ornitina carbamil-

transferasi) sull’a.a non proteico basico (con un secondo –NH2 sulla catena laterale)

dell’ornitina, formando un altro a.a non proteico che è la citrullina.

2 . La citrullina viene trasferita nel citosol dove si condensa con l’aspartato (grazie al

quale si introduce, dopo il carbamil-P, il secondo azoto dell’urea) per mezzo della

arginin succinato sintetasi a formare arginin succinato. -2 ATP

3. L’arginin succinato viene scisso dalla arginin succinato liasi (che rompe il legame

tra il C alfa ed il gruppo amminico dell’aspartato che si era legato alla citrullina) in

fumarato e arginina:

-il fumarato potrà essere idratato a malato, questo ossidato a ossalacetato, e questo

transaminato a a.aspartico per un nuovo ciclo

4. L’arginina diventa substrato dell’enzima arginasi che provoca il distacco dal suo

gruppo guanidico della molecola dell’urea e il ripristino dell’ornitina che tornerà nel

mitosol e potrà riprendere il ciclo.

N.B. Gli atomi di azoto che saranno eliminati con l’urea, uno facente parte

dell’ammoniaca liberata dalla desaminazione ossidativa del glutammato e incorporata

nel carbamil-P che si lega all’ornitina a dare citrullina, l’altro derivato dal gruppo

amminico dell’aspartato che si lega alla citrullina a dare arginin succinato, a ben

vedere derivano tutti dal glutamamato, in quanto è della sua transaminazione

sull’ossalacetato (derivato dal fumarato che si libera dalla arginin-succinato liasi,

prima idratato a malato e poi questo ossidato a ossalacetato) che l’acido aspartico si è

formato.

Il bilancio energetico del ciclo dell’urea è di -4 ATP

-2 Per la formazione del carbamil-P (carbamil-P sintetasi)

-2 Per il ripristino dell’ATP la cui idrolisi aveva fornito l’energia necessaria alla

sintesi di arginin succinato (arginin succinato sintetasi), uno per la fosforilazione

dell’AMP in ADP ed un altro per la fosforilazione dell’ADP in ATP.

L’urea così prodotta rappresenta l’80% dei composti azotati, eliminata attraverso

l’emuntorio renale in quantità di circa 30-35 g/die.

Vie alternative

La mancata organicazione dell’NH3 comporta conseguenze più gravi se

l’enzimopenia riguarda i primi enzimi del ciclo, meno se riguarda quelli più a valle

(in cui l’NH3 è stata organicata nel carbamil-P e nell’aspartato; comunque se si riesce

a formare arginin succinato questo può essere eliminato a livello renale).

In condizioni di iperammonemia si può intervenire:

- riducendo l’apporto di proteine garantendo solo la quantità necessaria alla sintesi

proteica

- introducendo molecole in grado di coniugarsi:

 [sodio]fenil-acetato che condensa con la glutammina formando fenil-acetil-

glutammina che può essere eliminata con la bile e quindi attraverso

l’emuntorio intestinale) creando sempre un gradiente favorevole alla sua

formazione che diventa la principale via di organicazione dell’NH3

 sodio-benzoato che condensa con la glicina (derivata dalla serina sintetizzata

a partire da acido 3P-glicerico ossidato a acido 3P-idrossi-piruvico [-OH

ossidato a =O] quest’ultimo transaminato da una molecola di glutammato a

3P- serina che ad opera di una fosfatasi diventa serina) formando acido

ippurico eliminato attraverso l’emuntorio intestinale.

METABOLISMO DEGLI A.A

Possono essere tutti ossidati ad CO2 e H2O nel ciclo di Krebs dopo aver perso l’-

NH2 o formare suoi intermedi che prenderanno parte ai processi biosintetici.

Possono essere convertiti in

1. Alfa-chetoglutarato

2. Succinil-CoA

3. Fumarato

4. Ossalacetato

5. Piruvato

6. Acetil-Coa

7. Acetoacetato

-5. PIRUVATO

 Alanina (per transaminazione)

 Serina e Cisteina (per desaminazione non ossidativa PLP-dipendente, in cui le

desaminazioni che seguono alla disidratazione della serina ed alla desulfidrazione

della cisteina non sono spontanee ma necessitano dell’intervento di una molecola

di H2O)

 Glicina previa interconversione a Serina (idrossimetil-transferasi con cofattore

metil-tetraidrofolato)

A questo proposito l’acido folico è una vitamina idrosolubile attivata, attraverso

due reazioni catalizzate dalla diidrofolato reduttasi NADPH dipendente, a

tetraidrofolato, in grado di legare e trasportare a livello dell’ N5 o N10 (o

entrambi nel caso di metilen- e metenil-) unità monocarboniose a diverse gradi di

ossidazione (5 metil- / 5-10 metilen- / 5-10 metenil- / 5 o 10 formil-) e fungere da

cofattore per diverse transferasi.

La quota maggiore di Serina non si ottiene dalla glicina (che altrimenti

diventerebbe semi-essenziale) bensì dall’intermedio della via glicolitica acido 3P-

glicerico (ottenuto dall’azione della 3P-glicerato chinasi a partire da acido 1,3

bifosfoglicerico ottenuto dall’ossidazione della G3P ad opera della G3PDH)

1. L’acido 3P-glicerico è ossidato dalla 3P-glicerato deidrogenasi NAD+

dipendente a acido 3P-idrossi-piruvico (-OH secondario ossidato a =O)

2. Questo subisce una transaminazione con donatore glutammato diventando 3P-

serina

3. Per azione di una fosfatasi si ottiene la serina

-4. OSSALACETATO (4C)

 Aspartato (per transaminazione)

Può inoltre essere precursore dell’Asparagina accettando un gruppo amminico

donato dalla glutammina (glutammato) in una reazione di ‘transamidazione’

catalizzata dall’ asparagina sintetasi dipendente da glutammina e ATP.

ALFA-CHETOGLUTARATO

-1. (5C)

 Glutammato (desaminazione ossidativa)

 Glutammina, Ornitina, Arginina, Prolina e Istidina previa conversione a

Glutammato

 Glutammina per azione della glutaminasi che porta alla liberazione di

ammoniaca si ottiene glutammato

 Ornitina (5C): per transaminazione del gruppo –NH2 in delta trasferito su

alfa-chetoglutarato (glutammato desamin. oss.alfa-chetoglutarato) si

ottiene la gamma-semialdeide glutammica che tramite una deidrogenasi

NADP dipendente è ossidata a glutammato.

-Dalla decarbossilazione dell’ornitina si ottiene la putrescina, precursore

delle poliammine

 Arginina previa conversione a ornitina (tramite l’azione dell’arginasi che

porta alla liberazione di urea).

Non è ammessa la reazione inversa (da ornitina a arginina tramite

condensione con urea), ma occorrerà ripercorrere le tappe del ciclo

dell’urea (partendo anche da glutammato a dare ornitina)

 Prolina (5C): per ossidazione dà origine all’acido pirrolidin-carbossilico

che con l’impegno di una molecola di H2O diventa gamma-semialdeide

glutammatica, ossidata a

glutammato. A ben vedere,

quindi, il gruppo imminico

della prolina nasce dal

gruppo amminico del

glutammato, il cui carbonio

epsilon carbossilico è

dapprima ridotto il

carbonilico (semialdeide)

per poi ciclizzare legandosi

al gruppo amminico che diventa –NH (mentre il carbossile legato al C alfa

resterà fuori dall’anello). Per la sua presenza la prolina, così come

l’istidina, non va incontro a transaminazioni.

 Istidina (6C) semiessenziale per opera della istidina-ammoniaca liasi si ha

la liberazione di ammoniaca

e la formazione

dell’intermedio acido

urocanico. Questo per

assunzione di una molecola

d’acqua viene trasformato

in imidazolone propionato il

quale subisce l’apertura

idrolitica dell’anello

imidaziolico per essere

convertito in formimmino-

glutammato, il cui gruppo

formimminico è trasferito sul tetraidrofolato (con formazione di

formimmino-tetraidrofolato) per ottenere infine glutammato.

-Dalla decarbossilazione dell’istidina si ottiene l’istamina.

-2. SUCCINILCOA

 

Metionina (ESS ) (4+ metile legato allo zolfo) previa conversione a

omocisteina in seguito al trasferimento del suo gruppo metilico (resta S-

adenosilomocisteina, spontaneamente idrolizzata in omocisteina e adenosina).

-Attivata dalla metionina-adenosiltranferasi (che trasferisce sulla metionina

un’adenosina da una molecola di ATP con liberazione di una molecola di

pirofosfato ed una di ortofosfato) si forma la S-Adenosil-Metionina (SAM)

protagonista di diverse reazioni di transmetilazione:

-nel metabolismo dei glicerofosfolipidi, consente la conversione della

fosfatidil-etanolammina in colina per sua trimetilazione

-nella sintesi della carnitina (trasportatrice di acili al mitosol)

-nella sintesi delle catecolammine, metilando la noradrenalina ad adrenalina.

Inoltre dalla decarbossilazione della SAM si ottiene una molecola in grado di

donare un frammento propil-amminico partecipando alla sintesi delle

poliammine che derivano tutte dalla putrescina ottenuta dalla decarbossilazione

dell’ornitina (spermidina, spermina).

 Omocisteina (4C) omologo superiore della cisteina, può:

- subire una desaminazione non ossidativa ad opera della omocisteina

desulfidrasi da cui si ottiene alfa-chetobutirrato che può subire una

decarbossilazione ossidativa e diventare propionil-CoA (carbossilasiD-

metamalonil-CoA; epimerasiL-metamalonil-CoA; mutasi

deossiadenosilcobalamina dipendentesuccinil-CoA)

- via della transulfurazione: reagisce con la serina e grazie alla cistationina

sintetasi dà cistationina, che può essere scissa da una liasi in alfa-chetobutirrato

(il cui scheletro carbonioso sarà derivato dalla metioninasuccinilCoA),

ammoniaca e cisteina (il cui scheletro carbonioso sarà derivato dalla serina)

-via della rimetilazione: accetta un gruppo metilico per azione della metionina-

sintetasi (omocisteina metiltranferasi) metilcobalamina* dipendente (metilata

dal metil-tetraidrofolato) diventando metionina.

 Treonina (4C) per desaminazione non ossidativa ad opera della serina/ treonina

deidratasi diventa alfa-chetobutirrato (propionilCoAsuccinilCoA)

 Valina transaminata da una transaminasi (comune agli a.a a catena ramificata,

isoleucina e leucina) che la trasforma nell’ alfa-chetoacido a catena ramificata

corrispondente, che sua volta decarbossilato ossidativamente da una

deidrogenasi (comune, in tutto simile alla piruvato deidrogenasi) dà per

intermedi dei tioesteri con il CoA e infine succinil-CoA

 Isoleucina dal suo metabolismo derivano quantità equimolari di succinil-CoA e

acetil-CoA (a.a a funzione mista)

* Dal metabolismo della leucina deriva invece il beta-idrossi,beta-metil-glutaril-

CoA (intermedio del metabolismo del colesterolo) che ad opera di una liasi

viene scisso in acetoacetato e acetil-CoA (a.a chetogenetico)

Due forme metabolicamente attive della vitamina B12 ormata da un anello corrinico (composto da 4 anelli pirrolici e tre ponti metinici) con al centro un atomo di cobalto

*

coordinato da quattro atomi di azoto. Il cobalto presenta, inoltre, due legami di coordinazione perpendicolari rispetto al piano dell'anello. Il primo di essi si stabilisce con una

idrossicobalammina,

molecola di 5,6 dimetilbenzimidazolo legata, a sua volta, a un ribosio 3-fosfato. Il secondo legame si stabilisce con diversi gruppi funzionali (-OH

forma naturale in cui viene si solito assunta; -CH3 metilcobalammina; 5- deossiadenosina 5-deossiadenosincobalammina)

-6. ACETIL-COA

 Isoleucina che lo produce insieme a succinilCoA

 Leucina che lo produce insieme a acetoacetato (b-idrossi,b-metil-glutaril-coA)

 Lisina che lo produce insieme a acetoacetato (b-idrossi,b-metil-glutaril-coA)

Il percorso prevede una perdita del gruppo –NH2 caratteristica della lisina

attraverso la formazione dell’intermedio saccaropina previa sua condensazione

con alfa-chetoglutarato. A questo segue la scissione della saccaropina in

glutammato e la semialdeide dell’acido amminoadipico, la quale poi sarà

deidrogenata a acido amminoadipico, il quale transaminerà su una molecola di

alfa-chetoglutarato (glutammato) diventando acido-chetoadipico, che subirà

una decarbossilazione ossidativa a glutaril-CoA; questo sarà ulteriormente

metabolizzato fino a beta-idrossi-beta-metil-glutarilCoA.

-7.  ACETOACETATO

 Leucina

 Lisina

 Triptofano insieme ad alanina e acido nicotinico:

Il catabolismo attraverso questa via viene avviato con la rottura dell’anello

benzopirrolico attraverso l’azione della triptofano pirrolasi, esempio di

diossigenasi eme-dipendente che utilizza l’O2 per rompere il legame tra due

carboni dell’anello (2 e 3), da cui si ottiene N-formil-chinurenina. Questa cede

il grupppo formilico al tetraidrofolato diventando chinurenina. Questa va

incontro ad un processo di idrossilazione ad opera di una ossigenasi a funzione

mista O2 e NADPH dipendente diventando 3-idrossi-chinurenina. Attraverso

l’azione di una chinureninasi viene convertita in alanina e acido 3-

idrossiantranilico, il quale sarà convertito (attraverso una serie di interemedi tra

i quali l’acido chetoadipico) in minima parte in acido nicotinico (insufficiente

al fabbisogno, donde la necessità di introdurre nicotinamide, vitamina PP, con

gli alimenti) e acetoacetato.

- È anche precursore di serotonina e melatonina:

Grazie alla triptofano idrossilasi, dipendente da NADPH, O2 e

tetrabiopterina, è idrossilato a 5-idrossitriptofano, da cui ad opera di una 5-

idrossitriptofano decarbossilasi si ottiene la 5-idrossitriptamina o serotonina.

Se su questa agisce una N-acetiltransferasi che fa legare un acetato (attivo

sottoforma acetil-CoA) al gruppo amminico si formerà la N-acetiltriptamina,

che sarà poi metilata sul gruppo ossidrilico in 5 grazie ad una metil-transferasi,

dando origine alla melatonina.

 Fenilalanina previa idrossilazione irreversibile in posizione para a Tirosina ad

opera della fenilalanina idrossilasi che necessita di NADPH, O2 e

tetraidrobiopterina (che si ossida a diidrobiopterina e deve essere ripristinata

dalla diidrobiopterina reduttasi). Questa ad opera di una una transaminasi con

accettore alfa-chetoglutarato (glutammato) sarà convertita a

paraidrossifenilpiruvato, per azione di una diossigenasi contenente rame

convertito in acido omogentisico; questo, ad opera di un’altra diossigenasi

contente ferro, subisce la rottura dell’anello e viene convertito in maleil-

acetoacetato e questo isomerizzato a fumaril-acetatoacetato, che potrà essere

idrolizzato a fumarato e acetoacetato.

- Nella midollare del surrene e a livello dei neuroni dopaminergici, adrenergici

e noradrenergici, la Tirosina può anche essere idrossilata da una tirosina

idrossilasi (anch’essa con cofattore la tetraidrobiopterina) a

diidrossifenilalanina (DOPA), intermedio della sintesi delle catecolammine

(contenenti catecolo: anello benzenico diidrossilato) (se decarbossilata si

converte in dopamina; questa se beta-idrossilata si converte in noradrenalina,

dalla cui metilazione sull’N [metiltransferasi da SAM] si ottiene la adrenalina)

-Nelle enzimopatie che prevedono un blocco nella conversione

fenilalalina/tirosina, la fenilalanina potrà essere metabolizzata attraverso una

via esistente ma di solito non percorsa: può subire una transaminazione e

diventare acido fenil-piruvico e questo potrà essere o decarbossilato ad acido

fenil-acetico o, se c’è disponinbilità di NADH, ridotto ad acido fenil-lattico.

Alcuni di questi intermedi possono interferire con il metabolismo energetico

delle cellule nervose; l’acido fenil-piruvico, ad esempio, compete con il

piruvato per il legame al suo trasportatore al mitocondrio, che quindi non potrà

essere decarbossilato ad acetil-CoA, riducendo la produzione di ATP.

Una diagnosi differenziale che consente di distinguere se l’iperfenilalaninemia

sia dovuta ad una non corretta espressione dell’enzima fenilalanina idrossilasi

o del cofattore tetraidrobiopterina (o della sua reduttasi) è possibile indagando

la disponibilità dei prodotti degli altri enzimi che utilizzano lo stesso cofattore

DOPA

(tirosina idrossilasi ; triptofano idrossilasi5-idrossi

triptofanoserotonina)

FUMARATO

-3.  Fenilalanina previa conversione a Tirosina

ENZIMI

Catalizzatori biologici di natura proteica (spesso globulari) che agendo in piccole

concentrazioni ed in genere in condizioni blande (T e P) possono velocizzare

specifiche reazioni (anche fino a 10^17 volte) per infine ripristinarsi inalterati.

Ne esistono di natura ribonucleoproteica (ribozimi) ed alcuni ingegnerizzati

(abzimi), ma quelli biologici risultano rispetto ad essi molto più efficienti e possono

essere regolati.

Classificazione

N.B. il nome dell’enzima si costruisce ponendo il nome del substrato prima della

classe di appartenenza.

Il codice associato a ogni enzima consiste delle lettere "EC" /Enzyme Commission)

seguite da quattro numeri separati da punti che rappresentano una classificazione via

via più fine dell'enzima (classe, sottoclasse, sottosottoclasse [donatore, accettore (se

redox) o tipo di substrato], numero d’ordine di scoperta).

Rottura di un legame mediante Esterasi

acqua Carbossilasi

Molte proteine a funzione enzimatica sono coniugate a cofattori metallici o coenzimi

(in questo caso la componente proteina è detta apoenzima, mentre l’intero complesso

oloenzima), la maggior parte dei quali derivano da vitamine, composti idro o

liposolubili la cui biosintesi risulta insufficiente e che occorre pertanto introdurre con

la dieta.

Il legame (di variabile specifità) con il substrato avviene a livello del sito attivo: il

sito di legame ed il sito catalitico in genere sono coincidenti. La catalisi è possibile in

virtù della formazione del complesso enzima-substrato che fa sì che si abbassi la

barriera energetica necessaria affinché la reazione stessa avvenga (en. di attivazione).

L’eventuale stereospecificità dell’enzima presuppone almeno tre punti di contatto

nell’interazione tra substrato ed enzima, che avviene secondo il modello chiave-

serratura (che prevede una complementarietà strutturale) o dell’adattamento indotto

(che prevede delle modifiche conformazionali della componente enzimatica in

prossimità del proprio substrato).

Per stato stazionario si intende l’intervallo di tempo in cui la concentrazione del

complesso enzima-substrato non varia perché quanto se ne forma tanto viene scisso.

Per stato di transizione si intende invece la conformazione intermedia del substrato

diversa da quella iniziale e più simile a quella finale, associata in genere ad una

maggiore efficienza dell’enzima che abbia il sito attivo complementare a questo stato

(tanto più somiglia allo stato finale tanto più veloce decorrerà la reazione).

In presenza di più substrati essi si legheranno all’enzima in un ordine che può seguire

un modello sequenziale casuale o ordinato (a seconda che sia o meno stabilito quale

debba legarsi per primo) o il modello a ping pong (tipico delle transaminasi o della

piruvato deidrogenasi 3-3), che prevede dapprima il legame con il primo susbstrato

che si distaccherà come primo prodotto di reazione lasciando modificato l’enzima, il

quale si legherà al secondo substrato trasformandolo nel secondo prodotto di reazione

e ripristinandosi inalterato.

Cinetica enzimatica

Studia le modalità con cui varia l’energia di attivazione e la velocità di una reazione

catalizzata da un enzima tenendo conto di diversi parametri:

- Peso: quello che a 25° trasforma una micromole di substrato al minuto

- Tempo: velocità iniziale, intervallo in cui è mantenuta la proporzionalità tra

concentrazione di prodotto che si forma ed il tempo in cui si forma

- Temperatura: tenuto conto che entro certi limiti il suo aumentare aumenta la velocità

di reazione, oltre i quali segue un suo calo drastico dovuto alla denaturazione

dell’enzima

- PH: tenuto conto che ogni enzima lavora ad uno specifico pH ottimale, lontano dal

quale la velocità subisce un calo drastico (anche variazioni di pH possono provocare

la denaturazione dell’enzima)

- Concentrazione del substrato: secondo gli studi di Michaelis e Menten la velocità di

una reazione aumenta all’aumentare della concentrazione del substrato fino al

raggiungimento di una velocità massima che corrisponde alla saturazione

dell’enzima. Su queste basi è possibile calcolare quale sia la Km, ossia la

concentrazione di substrato che corrisponde alla velocità emimassimale, a condizione

che si considerino alte concentrazioni di substrato (in maniera tale da poter trascurare


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4 mesi fa


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in medicina e chirurgia (ordinamento U.E. - 6 anni)
SSD:
Università: Messina - Unime
A.A.: 2018-2019

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher iostudio7 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Biochimica e biologia molecolare e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Messina - Unime o del prof Di Giorgio Rosamaria.

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