Nutrizione a livello metabolico

Riepilogo inibizione enzimatica

Gli inibitori enzimatici interagiscono reversibilmente o irreversibilmente con un enzima, alterandone i valori di Km e/o Vmax. Un inibitore competitivo si lega al sito attivo dell'enzima e fa aumentare il valore di Km della reazione. Un inibitore non competitivo influenza l'attività catalitica diminuendo i valori di Km e di Vmax. Un inibitore misto altera sia l'attività catalitica che il legame del substrato, diminuendo Vmax e aumentando o diminuendo Km.

Regolazione allosterica

Le vie metaboliche sono sequenze ordinate di reazioni catalizzate da enzimi (uno o più). Gli enzimi regolatori hanno effetto sulla velocità della reazione.

Modulatori dell'attività degli enzimi

• Enzimi regolatori:
  • Regolazione allosterica -> reversibile
  • Modificazione covalente -> reversibile o irreversibile

Enzimi allosterici sono caratterizzati da siti di legame per modulatori allosterici e possono assumere conformazioni a più alta o bassa affinità per il substrato grazie a cambiamenti conformazionali. Sono costituiti da più subunità (struttura quaternaria) e hanno un sito attivo (catalitico) e uno o più siti regolatori. L'attività è regolata da un modulatore (effettore).

Effettori

Gli effettori sono molecole che si legano all'enzima non covalentemente, interagendo in siti lontani dal sito attivo. Gli enzimi allosterici possiedono diversi siti regolatori che interagiscono con diversi modulatori, ciascun sito è specifico per il proprio modulatore. Modulatori allosterici possono essere attivatori o inibitori:

• Modulatore positivo: trasforma lo stato inattivo dell'enzima in uno stato attivo (che può legarsi al substrato).
• Modulatore negativo: modifica il sito attivo impedendo all'enzima di funzionare.

Gli enzimi allosterici omotropici hanno il modulatore che è lo stesso substrato (sito attivo e sito regolatore coincidono), mentre negli enzimi allosterici eterotropici il modulatore è una molecola diversa dal substrato.

Funzionamento degli enzimi allosterici

In seguito al legame con il modulatore (effettore), l'enzima ha una "modificazione conformazionale".

Proprietà cinetiche degli enzimi allosterici

Nota bene: non seguono la cinetica di Michaelis-Menten. Hanno un comportamento cinetico sigmoidale (e non iperbolico), con presenza di interazioni cooperative tra le diverse subunità della proteina. K_0,5 è la concentrazione di substrato alla quale l'enzima ha una velocità di reazione pari alla metà della Vmax.

• L'attivazione allosterica fa diminuire K_0,5 per il substrato ed aumenta la Vmax.
• L'inibizione allosterica fa aumentare K_0,5 per il substrato e diminuisce la Vmax.

Modello del funzionamento degli enzimi

• Modello sequenziale: legame S-enzima allosterico.
• Modello non sequenziale: legame cooperativo S-enzima allosterico.

Inibizione da prodotto

Gli attivatori o inibitori allosterici modulano le vie metaboliche in modo da adattare la velocità delle reazioni alle esigenze funzionali della cellula, attraverso l'inibizione da prodotto o feedback retroattivo.

Riepilogo regolazione allosterica

La regolazione allosterica è una regolazione mediante modificazione non covalente degli enzimi. Gli enzimi allosterici sono costituiti da più subunità, regolati da modulatori positivi o negativi, con cooperatività nel legame con il substrato (S). L'inibizione da prodotto avviene quando il prodotto di una serie di reazioni inibisce l'azione di un enzima a monte della via metabolica.

Regolazione attività enzimatica

1. Modificazioni covalenti attivano o inattivano gli enzimi.
   1. Fosforilazione (reversibile) -> aggiunta di gruppi fosforici a specifici residui amminoacidici mediante legame estere. Enzimi specifici: chinasi (fosforilano) e fosfatasi (defosforilano). Le chinasi durante la fosforilazione riconoscono nella proteina-substrato determinate sequenze aa dette: "sequenze consenso".
   2. Taglio proteolitico (irreversibile) - es. enzimi digestivi.
2. Proteolisi limitata (irreversibile) - Alcuni enzimi vengono sintetizzati come precursori inattivi: zimogeni, che per essere attivati devono subire un "taglio proteolitico" tramite enzimi: proteasi. Es. enzimi digestivi sono prodotti sotto forma di zimogeni ed immagazzinati nel duodeno. La tripsina (prodotta nel duodeno) è l'enzima che riesce ad attivare tutti gli zimogeni. L'inibitore pancreatico della tripsina impedisce che la tripsina possa essere attivata nel pancreas o nei dotti pancreatici portando ad un'attivazione prematura della cascata di proteasi e conseguente danno tissutale (pancreatite acuta).
3. Legame/dissociazione di proteine - Il legame o la dissociazione da specifiche proteine può portare ad una modifica dell'attività enzimatica. Es. l'inibitore pancreatico della tripsina è in grado di inibirla proteggendo l'organo dall'auto-digestione.

Espressione genica

Il processo è suddiviso in:

1. Processi che influenzano i livelli di proteina (sottoprocessi) -> ogni proteina è codificata da un GENE che deve essere trascritto (mRNA messaggero).
2. Segnali extracellulare -> ormoni, neurotrasmettitori, fattori di crescita, citochine, la cui azione determina fattori di trascrizione (aumentano o diminuiscono la sintesi della proteina = fattori di regolazione della trascrizione + o -).

Attivazione dei fattori di trascrizione

È dovuta al legame con uno specifico ligando (es. ormone) o ad un processo di fosforilazione o defosforilazione. I geni che codificano per proteine che agiscono nella stessa via metabolica spesso condividono fattori di trascrizione, così un singolo segnale agisce sulla sintesi di tutti gli enzimi coinvolti in quella via = co-regolazione genica.

Livelli di regolazione dell'espressione genica

1. Trascrizionale -> si ottiene l'mRNA (prematuro) dal DNA.
2. Post-trascrizionale -> la cellula regola il destino dell'mRNA prematuro:
   • Aggiunta di un gruppo "cap7" per renderlo più stabile.
   • Aggiunta di una coda poli (a).
   • Processo di "splicing" (per ottenere mRNA maturo -> quello in grado di codificare per una proteina, trasportato dal nucleo al citoplasma).
3. Trasduzionale -> mRNA tradotto in catena aa e poi polipeptidica nel citoplasma e successivamente diverrà proteina.
4. Post-trasduzionale -> possibili vie:
   • Taglio proteolitico
   • Glicosilazione
   • Fosforilazione

   Modifiche che influenzano: emivita, attività e localizzazione della proteina.

Nel citoplasma sono presenti microRNA: corte molecole di RNA (19/23 unità), evolutivamente conservate regolano l'espressione genica appaiandosi all'mRNA. Importante nella regolazione della concentrazione dell'attività enzimatica degli Eucarioti è la "compartimentalizzazione subcellulare":

• Negli eucarioti le vie metaboliche hanno una localizzazione cellulare specifica.
• La sintesi di metaboliti in uno specifico compartimento necessita di meccanismi di trasporto per trasferirli via, es. trasporto dell'ATP dai mitocondri (dove è prodotto) al citoplasma (per il suo consumo).

Funzioni metaboliche organelli cellulari

• Mitocondri -> ciclo acido citrico, degradazione aa, ossidazione acidi grassi, fosforilazione ossidativa.
• Citosolo -> glicolisi, biosintesi acidi grassi, via del pentoso-fosfato, gluconeogenesi.
• Lisosomi -> digestione enzimatica di componenti cellulari che non servono più alla cellula.
• Nucleo -> replicazione DNA, trascrizione mRNA.
• Apparato del Golgi -> processamento post-traduzionale.

Compartimentalizzazione nei procarioti e organismi pluricellulari

• Nei procarioti, assenti organelli cellulari, le vie metaboliche operano in aree particolari del citoplasma.
• Negli organismi multicellulari -> compartimentalizzazione a livello di tessuti ed organi.

Nota bene: Ricorda, ogni via metabolica è interconnessa con le altre perchè si condividono metaboliti ed enzimi.

Riepilogo regolazione metabolica

Mediante la regolazione metabolica le cellule hanno la capacità di:

• Catalizzare simultaneamente processi metabolici diversi.
• Generare tutti i prodotti di cui necessitano nella quantità giusta e nel momento giusto.
• Mantenere l'omeostasi.

Il controllo delle vie metaboliche si attua attraverso la modulazione coordinata di catabolismo ed anabolismo. Nelle vie cataboliche ed anaboliche che hanno in comune gli stessi composti di partenza o prodotti finali, almeno una tappa è catalizzata da enzimi diversi. Le vie anaboliche e cataboliche che collegano gli stessi composti hanno "localizzazioni intercellulari" differenti.

Fosforilazione ossidativa

È un processo centrale del metabolismo di tutti gli organismi aerobi, attraverso il quale si sintetizza ATP. La degradazione di macromolecole produce coenzimi ridotti (NADH e FADH₂) ricchi di energia. NADH e FADH₂ a livello della membrana mitocondriale interna, cedono gli elettroni ad una "catena di trasporto di elettroni" che prevede come accettore finale l'O₂ che viene ridotto ad H₂O (respirazione cellulare).

La catena di trasporto degli elettroni è la parte iniziale della fosforilazione ossidativa: H⁺ si lega a NAD e FAD, che lo trasportano verso la catena dove H⁺ si lega con l'O₂ per formare H₂O, prevenendo così l'acidificazione cellulare. Alla fine del processo si ottengono: 34 moli di ATP. Avviene nei mitocondri (membrana interna -> permeabile a: O₂, H₂O, CO₂). Nello spazio intermembrana avviene lo scambio di protoni per produrre ATP. Coinvolge reazioni redox e presenza di antiossidanti per la presenza di superossido o acqua ossigenata che si possono formare durante la respirazione cellulare.

Mitocondrio

Processi catabolici -> nella matrice sono localizzati:

1. Complesso del piruvato-deidrogenasi.
2. Enzimi del ciclo di Krebs.
3. Enzimi della B-ossidazione degli acidi grassi.
4. Enzimi della degradazione degli amminoacidi.

La fosforilazione ossidativa comporta il trasferimento di elettroni attraverso 4 complessi fino ad ottenere H₂O e ATP. O₂ è l'accettore finale della catena, l'ATP-sintasi funziona grazie a un "gradiente protonico" (formatosi nei complessi 1 e 3).

Teoria chemiosmotica

Il trasferimento degli elettroni lungo la catena respiratoria è accompagnato da un pompaggio di protoni attraverso la membrana mitocondriale interna, che porta alla formazione di una differenza di concentrazione in protoni e quindi di pH.

Nota bene: NADH cede elettroni al complesso 1, FADH cede elettroni al complesso 2 della catena. I complessi della catena respiratoria (1-4) e il Citocromo-C contengono "gruppi prostetici" in grado di accettare o donare elettroni. Il Coenzima-Q (non proteico) accetta elettroni dai complessi 1 e 2 e li trasferisce al 3. Detto anche: ubichinolo -> molecola idrofobica diffusa nel doppio strato fosfolipidico. Alla catena respiratoria partecipano:

• NADH
• FADH₂
• FMN
• Proteine di membrana: CITOCROMI (contenenti eme) e PROTEINE Fe-ZOLFO (che partecipano alle reazioni redox).

Citocromi: a, b, c (3 tipi), solubile = libero di muoversi nello spazio intermembrana (tra interno ed esterno).

Mutazione dei geni e causa di malattie

Le mutazioni del DNA mitocondriale causano una neuropatia ottica ereditaria di Eber (LHON) -> malattia genetica che colpisce il sistema nervoso centrale compresi i nervi ottici e determina la perdita della visione bilaterale. E (MERRF) -> malattie

Proteine

Classificazione amminoacidi

• Essenziali -> (9) non sintetizzati dall'organismo, devono essere assunti con la dieta (es. valina, isoleucina, tirosina, metionina, fenilalanina, istidina, lisina, treonina, triptofano).
• Non essenziali -> sintetizzabili dall'organismo.

Funzione proteine

• Plastiche
• Regolazione attività chimiche
• Difesa dell'organismo
• Meccanica e sostegno
• Energetica (gluconeogenesi)

Proteine

Le proteine sono macromolecole costituite da amminoacidi (20 nei mammiferi, codificate dal DNA), sono "polimeri lineari di amminoacidi", con una struttura tridimensionale (3D).

Struttura degli amminoacidi

Ogni amminoacido presenta un gruppo carbonio centrale più 4 gruppi:

• Gruppo amminico basico (NH₂)
• Gruppo carbossilico acido (COOH)
• Atomo di idrogeno (H)
• Catena laterale (R) -> specifica per ogni amminoacido

La formazione di un legame peptidico prevede:

1. La condensazione di 2 amminoacidi con produzione di una molecola di H₂O.
2. Formazione di un legame amminico (legame covalente = molto stabile tra COOH e NH₂ dell'amminoacido adiacente).

Struttura proteina

• Struttura primaria -> sequenza lineare di amminoacidi (legami peptidici), durante la formazione dei legami peptidici vi è rilascio di 1 molecola di H₂O.
• Struttura secondaria -> alfa-elica (circa 10 amminoacidi) o foglietto-beta (tipico delle proteine globulari).
• Struttura terziaria -> la proteina si avvolge su se stessa.
• Struttura quaternaria -> 1 o più catene polipeptidiche che, tenute insieme da interazioni non covalenti.

Nota bene: Denaturazione = processo dove la proteina può andare incontro a modifiche strutturali (reversibili o irreversibili) se esposta ad alte temperature). Nella digestione, le proteine perdono la loro struttura primaria tramite idrolisi catalizzata da enzimi proteolitici: tripsina e pepsina.

Nelle diete con ridotto apporto proteico, la degradazione delle proteine è superiore alla sintesi delle stesse = catabolismo muscolare. L'ossidazione degli amminoacidi produce nel fegato: urea (non tossica) e ammonio (tossico) -> escreti con le urine (90% dell'intero azoto urinario). Lo scheletro carbonioso degli amminoacidi può essere usato per la produzione di energia (ATP) o glucosio (gluconeogenesi). Es. nel digiuno od esercizi di resistenza. La sintesi proteica richiede ATP per la formazione dei legami. Turn-over proteico sempre presente nelle cellule (grazie ad un pool di amminoacidi). Aumento fabbisogno/die proteine in: crescita, gravidanza, allattamento.

Classificazione proteine

• Alto valore biologico -> es. cibi animali
• Medio valore biologico -> es. legumi
• Basso valore biologico -> es. cereali

Fabbisogno proteico

• Adulti sani: da 0,8 a 1,1 gr/kg/die
• 10 gr/die a sei mesi di età fino a 47 gr per le ragazze e 58 gr per i ragazzi di età tra 15 e 18 anni
• Gravidanza: 1,1 a 1,3 gr/kg/die
• Allattamento: 1,3 gr/kg/die
• Anziani: 0,8 gr/kg/die
• Sportivi: da 1 a 2 gr/kg/die

Digestione delle proteine

Inizia nello stomaco: acido cloridrico e succo gastrico -> scissione delle macromolecole per formare oligopeptidi (meno di 10 amminoacidi). Finisce nell'intestino tenue -> endoproteasi (idrolizzano legami peptidici interni): chimotripsina, elastasi, tripsina + esoproteasi (idrolizzano l'amminoacido terminale): carbossipeptidasi, amminopeptidasi, dipeptidasi. Nel tenue -> orletto a spazzola -> flusso linfatico o -> sangue. I singoli amminoacidi, dipeptidi e tripetidi vengono trasportati al fegato da specifici carriers.

Nel fegato gli amminoacidi possono: essere usati come tali per singole funzioni (es. immunitaria), partecipare alla sintesi proteica, essere utilizzati a scopo energetico o convertiti in grasso di deposito (se in eccesso). Un 5% viene eliminato con le feci perché non assorbito. Alcuni peptidi formati da più di 3 amminoacidi sono assorbiti mediante transcitosi e possono rappresentare un fattore di sviluppo di allergie ed intolleranze alimentari. Solo nel neonato è possibile l'assorbimento di proteine intere, non digerite -> fondamentale per la digestione del latte materno e per gli anticorpi da esso trasmessi.

Nota bene: la digestione proteica è normale anche dopo asporto chirurgico dello stomaco. È lo scheletro carbonioso degli amminoacidi ad entrare nel ciclo di Krebs per ottenere ATP, dopo la rimozione del gruppo amminico.

• Il trasferimento del gruppo amminico avviene grazie a enzimi: transaminasi (uso del piridossal-fosfato = prodotto dalla fosforilazione della piridossina (VITAMINA B6) contenuta nelle verdure.
• Transaminasi: GOT (ottenere: ossalacetato e glutammato), GTP (ottenere: piruvato e glutammato). Presenti sia nel citosol che nel mitocondrio.

Lo smaltimento del gruppo amminico degli amminoacidi passa per le transaminasi e la glutammato-deidrogenasi, e determina la formazione di ammoniaca. Il distacco del gruppo amminico può avvenire per:

• Transaminazione (reversibile)
• Deamminazione (reversibile), può essere: ossidativa (nel mitocondrio perché vi è l'enzima: GLUTAMMATO) o non ossidativa.

Se sono presenti amminoacidi nel citoplasma questi devono: essere usati per la sintesi proteica o essere eliminati perché non possono essere immagazzinati. L'organo deputato all'eliminazione dell'ammoniaca (NH₃) è il fegato, non potendo essere trasportata in forma libera perché tossica, viene trasformata in un composto non tossico: la glutammina (trasporto dell'NH₃ dai tessuti al fegato) -> Ciclo Urea.

L'ALANINA è un amminoacido chiave nel trasporto di gruppi amminici al fegato in forma non tossica (passa nel sangue per arrivare al fegato, nel quale subirà una transaminazione riproducendo glutammato che lo convoglierà tramite la GDH nel ciclo dell'urea. (trasporto NH₃ dal muscolo al fegato) -> Ciclo Urea. Il PIRUVATO può, tramite gluconeogenesi, produrre glucosio da immettere in circolo ed esportare al muscolo che, tramite glicolisi, lo riconverte in piruvato (ciclo glucosio-alanina).

Vi è attivazione delle gluconeogenesi quando la quantità di glucosio è ridotta e l'apporto di sostanze nutritive è ridotto. Gli amminoacidi glucogenici possono essere convertiti in piruvato o fumarato.