BiochimicaCapitolo 2 L'acqua

1. Interazioni non covalenti (deboli)

Le interazioni deboli sono: legami idrogeno, legami ionici, interazioni idrofobiche e interazioni di Van der Waals. Sono molto pi deboli dei legami covalenti e in soluzione acquosa a 25 C, l'energia termica disponibile pu essere dello stesso ordine di grandezza di queste interazioni, di conseguenza si formano e si rompono continuamente. L'effetto cumulativo di molte interazioni non covalenti risulta significativo sia per la struttura tridimensionale ( la struttura pi stabile o nativa, di norma, quella che possiede il maggior numero di interazioni deboli) , sia per il legame ad es. di un antigene ad un anticorpo specifico.

2. Legame idrogeno

I legami idrogeno sono attrazioni elettrostatiche che si formano tra un atomo elettronegativo (accettore di idrogeno, per lo pi Fluoro, Ossigeno, Azoto) e un atomo di idrogeno di un altro atomo elettronegativo nella stessa o in un'altra molecola. Le caratteristiche del legame idrogeno sono: 1) legame pi deboli e lunghi rispetto ai legami covalenti; 2) direzionali, le molecole sono orientate in modo da rendere massima l'interazione elettrostatiche, cosa che avviene quando l'atomo di idrogeno e gli altri due atomi che partecipano al legame sono su una linea retta (tale propriet permette la formazione di strutture tridimensionali ben precise).Conferiscono all'acqua propriet insolite (punto di ebollizione, punto di fusione e calore di evaporazione pi elevati rispetto agli altri liquidi) e una grande coesione interna allo stato liquido. Svolgono un ruolo fondamentale nel processo di ripiegamento delle proteine.

3. Interazioni idrofobiche

Le interazioni idrofobiche sono legami che tengono unite le regioni non polari delle molecole. La forza di queste interazioni non dipende dalle singole attrazioni fra le molecole non polari, ma dal raggiungimento da parte del sistema di una maggiore stabilit termodinamica, che rende minimo il numero di molecole d'acqua disposte in modo ordinato intorno alla porzione idrofobica. Per tale motivo, le regioni non polari delle molecole si dispongono in modo tale da presentare al solvente la minore area superficiale possibile.Sono di fondamentale importanza per la struttura delle membrane biologiche e la struttura tridimensionale delle proteine (stabilizzare la conformazione).

4. Propriet dell'acqua

La molecola dell'acqua (H2O) possiede una forma tetraedrica. Il legame H-O-H ha un angolo di 104,5, poco meno dei 109,5 di un tetraedro perfetto, in quanto vi uno schiacciamento dovuto ai due doppietti di elettroni non condivisi dell'ossigeno. una molecola polare: la distribuzione degli elettroni di legame tra gli atomi di ossigeno e idrogeno asimmetrica, con conseguente formazione di dipoli elettrici. L'acqua sia solvente, in cui avvengono le reazioni metaboliche, sia reagente, in molti processi biochimici (es. reazione di condensazione, idrolisi, ossidoriduzione). Il grado di ionizzazione dell'acqua molto basso. In condizioni standard si pu calcolare il prodotto ionico dell'acqua, Kw= [H+] x [OH-]= 1 x 10-14 M, pH neutro=7.

5. Interazioni di Van der Waals

Capitolo 31. Descrivi gli amminoacidi

Gli amminoacidi pi comuni sono in numero di 20. Hanno propriet strutturali comuni: un gruppo carbossilico, un gruppo amminico e un atomo di idrogeno legati ad un atomo di carbonio . Differiscono per la catena laterale o gruppo R (dimensione, struttura, carica, solubilit). Il carbonio un centro chirale (eccezion fatta per la glicina), di conseguenza i vari gruppi legati ad esso si possono disporre in due modi diversi: due stereoisomeri. Quasi tutti gli amminoacidi sono L-stereoisomeri, tranne qualche peptide che possiede D-stereoisomeri. Gli amminoacidi, a seconda delle condizioni dell'ambiente circostante, possono comportarsi da acidi\basi deboli: i gruppi funzionali ionizzabili possono acquistare o perdere un protone. A pH neutro si trovano nella forma di ione dipolare o zwitterione, ad eccezione dell'istidina. Dalle curve di titolazione di ogni aa. si pu prevedere la carica netta a qualsiasi valore di pH.

2. Descrivi i residui laterali degli amminoacidi

Le catene laterale o gruppi R degli amminoacidi differiscono per: dimensione, struttura, carica e dunque solubilit. Si possono classificare in: 1) alifatici non polari, tendono a raggrupparsi all'interno delle proteine, tramite interazioni idrofobiche; 2) aromatici, catene laterali aromatiche possono formare interazioni idrofobiche. Assorbono la luce ultravioletta (280nm); 3) polari non carichi, solubili in acqua; 4) carichi positivamente (basici), istidina rientra in questo gruppo e funge da tampone a valori di pH neutro, 5) carichi negativamente (acidi), sono aspartato e glutammato.Le caratteristiche di ionizzazione di un gruppo R (valore di pKa ) possono variare in seguito a: 1. perdita di carica sul gruppo -amminico e -carbossilico; 2. interazioni con altri gruppi R; 3) fattori ambientali.

3. Gruppi R aromatici

Gli amminoacidi contenenti gruppi R aromatici sono: fenilalanina, tirosina e triptofano.Sono relativamente non polari; tirosina e triptofano sono pi polari rispetto alla fenilalanina per la presenza di un gruppo ossidrilico (Tyr) e dell'atomo di N nell'anello indolico (Thr) e assorbono maggiormente la luce ultravioletta (280nm), propriet sfruttata per la caratterizzazione di queste molecole. Il gruppo -OH della Tyr pu inoltre: formare legami idrogeno ed essere un gruppo funzionale di alcuni enzimi.

4. Struttura primaria proteine

Sequenza di amminoacidi legati da legami covalenti (legami peptidici e disolfuro), che determina la disposizione degli atomi nello spazio (struttura tridimensionale) della proteina e dunque la funzione. Dal 20% al 30% delle proteine nell'uomo sono polimorfiche, cio presentano variazioni della sequenza amminoacidica, senza variazioni della funzione. Le proteine presentano regioni essenziali per la loro funzione, in cui la sequenza deve essere conservata e regioni che possono variare indifferentemente.Sulla base della somiglianza della sequenza amminoacidica si possono identificare famiglie di proteine, che hanno in comune caratteristiche strutturali (es. domini) e funzionali.Alcune sequenze amminoacidiche fungono da segnali che determinano la localizzazione cellulare, la modifica chimica e il tempo di emivita di una proteina.

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Capitolo 41. Legame peptidico

Il legame peptidico un legame ammidico, che si genera per eliminazione di una molecola d'acqua dal gruppo -carbossilico di un amminoacido e dal gruppo -amminico dell'altro. Il legame peptidico C-N : molto stabile, vita media (t ) di circa 7 anni; planare, gli atomi che fanno parte del legame peptidico sono complanari; rigido, parziale carattere di doppio legame dovuto alla risonanza, perci non pu ruotare; pi corto di un legame C-N delle ammine primarie. Un peptide pu essere definito come una serie di piani rigidi, in cui i piani consecutivi hanno in comune un punto di rotazione corrispondente al C. La conformazione del peptide pu essere definita da 3 angoli diedri o di torsione: , coinvolge il legame C-N-C -C; , coinvolge il legame N-C-C -N; , coinvolge il legame peptidico C-N. Il legame peptidico normalmente nella configurazione trans, con valori di a 180.

2. Struttura secondaria proteine

La struttura secondaria si riferisce a particolari organizzazioni di brevi sequenze amminoacidiche, che danno origine ad aspetti strutturali per tratti della molecole che si ripetono. Si possono individuare strutture secondarie:

regolari: -elica, lo scheletro carbonioso si avvolge attorno ad un'asse longitudinale immaginario, dove i gruppi R sporgono esternamente; conformazione , lo scheletro della catena polipeptidica si estende in una conformazione a zig-zag. Tali catene possono essere unite da legami idrogeno formando il foglietto ; ripiegamento , collega le estremit di un foglietto antiparallelo.

Casuali: random coil, in realt l'avvolgimento di uno scheletro polipeptidico non mai casuale, ma assume sempre una conformazione specifica.

3. Struttura terziaria proteine

La struttura terziaria riflette la disposizione nello spazio degli atomi di una proteina, tenendo conto delle relazioni a lungo raggio nella sequenza amminoacidica. In base a tale struttura si possono distinguere due grandi classi di proteine: proteine fibrose, costituite da elementi ripetitivi di strutture secondarie. Svolgono soprattutto ruoli strutturali; proteine globulari, costituite da pi tipi di strutture secondarie, assumono una forma sferica. Gli enzimi e le proteine regolatrici sono per lo pi proteine globulari. La struttura delle proteine globulari pu essere analizzata esaminando le diverse sottostrutture, chiamate motivi o strutture supersecondarie.

4. -cheratina

Le a-cheratine fanno parte della famiglia delle proteine dei filamenti intermedi (IF). Sono formate da a-eliche ad andamento destrorso. Coppie di queste eliche si avvolgono con andamento sinistrorso e con la stessa direzionalit formando una struttura, chiamata coiled coil. I residui idrofobici delle due a-eliche si toccano, permettendo un avvicinamento massimo tra le due catene (superavvolgimento), che ne aumenta la resistenza. La struttura quaternaria nelle a-cheratine stabilizzata da legami crociati (ponti disolfuro). La loro struttura adatta a resistere alle tensioni, per tale motivo si trovano nei capelli, nella lana, nelle unghie etc.

5. Collageno

Il collageno una coiled coil ad andamento destrorso. formato da tre catene polipeptidiche ad andamento sinistrorso, catene , superavvolte le une sulle altre. Tali catene possiedono una sequenza ripetitiva del tripeptide Gly-X-Y, dove X spesso Pro e Y spesso 4-Hyp: Gly, sono residui che si possono adattare ai punti in cui le catene si accostano strettamente;

X e Y, consentono lo stretto avvolgimento della catena polipeptidica del collageno. Pi unit di collageno formano fibre di collageno, unite tra di loro da legami crociati. Esistono circa 30 tipi di collageno, che differiscono per struttura, funzione e sequenza amminoacidica. La sua struttura adatta a resistere alle tensioni, per tale motivo si trova nel tessuto connettivo.

6. Fibroina della seta

La fibroina della seta formata da catene polipeptidiche che si trovano quasi esclusivamente nella conformazione . Tali catene sono ricche di residui di Ala e Gly, che permettono di avvicinare numerose catene tra di loro per formare un foglietto compatto, in quanto le catene laterali si integrano perfettamente tra di loro. La struttura complessiva stabilizzata da numerose interazioni deboli che la rendono flessibile, nonostante non si possa allungare, in quanto la conformazione della fibroina gia completamente estesa. La fibroina della seta prodotta dagli insetti e dai ragni.

7. Mioglobina

La mioglobina una piccola proteina muscolare, MR 16700. costituita da 153 aa. e da una singola protoporfirina o gruppo eme (responsabile del colore rosso brunastro). La sua struttura consta di: 8 segmenti compatti di a-eliche, alcuni ripiegamenti (tra cui ripiegamenti ) e il gruppo eme. Le catene laterali idrofobiche si trovano all'interno, lontano dall'acqua, connessi da interazioni idrofobiche (nucleo denso) spazio solo per 4 molecole di H2O. Le catene laterali polari sono localizzate sulla superficie esterna (tutte idratate). L'atomo di ferro posto al centro del gruppo eme possiede sei valenze di coordinazione: 4 sullo stesso piano, legate alla porfirina; 2 perpendicolari, di cui una legata ad un residuo di His e l'altra pu legare l'ossigeno (Fe2+, pu legare l'ossigeno; Fe3+, non pu). Ha la funzione di immagazzinare l'ossigeno e di facilitare la diffusione nei muscoli in rapida contrazione.

8. Struttura quaternaria proteine

La struttura delle proteine che contengono due o pi subunit polipeptidiche viene definita quaternaria.

Capitolo 51. Gruppo eme (struttura)

Il gruppo eme formato da: un struttura organica ad anello, la protoporfirina e un atomo di ferro nello stato di ossidazione ferroso (Fe2+) posto al centro. L'atomo di ferro ha sei legami di coordinazione: quattro dei quali impegnati con i quattro atomi di azoto dell'anello porfirinico; gli altri due perpendicolari al piano della porfirina. Uno dei due impegnato in un legame con la catena laterale di uno specifico residuo di His (prossimale), mentre l'altro il sito a cui, di norma, si lega la molecola di ossigeno. L'eme funge da gruppo prostetico per un gruppo di proteine, chiamate eme proteine. Quando l'eme libero uno dei siti di coordinazione del ferro pu reagire con l'ossigeno, generando l'ossidazione irreversibile del Fe2+ al Fe3+. Quando l'eme inserito in una proteina, l'accessibilit ai siti risulta limitata.

2. Legame dell'ossigeno con la mioglobina

Il meccanismo di legame dei ligandi dipende dalla struttura della proteina: es. il CO si lega all'eme libero circa 20000 volte meglio rispetto all'ossigeno, ma soltanto 200 volte meglio quando l'eme localizzato all'interno della mioglobina. L'ossigeno si lega all'eme formando un angolo con il ferro, una conformazione che si adatta facilmente, agli spazi interni della mioglobina, mentre il CO si lega formando un legame lineare, perpendicolare al piano dell'eme. Il residuo di His64 (His E7) o His distale di tale proteina, presente sullo stesso lato in cui si lega l'ossigeno al ferro, pu formare un legame idrogeno con l'O2, ma impedisce il legame di tipo lineare del CO. Ci spiega la diminuita affinit dell'eme per CO, quando si trova all'interno della mioglobina.

La mioglobina, che ha una curva di legame per l'ossigeno con andamento iperbolico, relativamente insensibile a piccole variazioni della concentrazione di ossigeno e quindi funziona bene come serbatoio di immagazzinamento di questo gas.

3. Emoglobina

L'emoglobina (MR 64500) una proteina tetramerica contenenti quattro gruppi prostetici eme, uno per ciascuna subunit. L'emoglobina A (dell'adulto) contiene due catene (143 residui ciascuna) e due catene (146 residui ciascuna), le quali hanno struttura simile tra di loro ed anche a quella della mioglobina. A livello delle interfacce tra le subunit, predominano le interazioni idrofobiche, ma vi sono anche legami idrogeno e ponti salini. L'emoglobina presente in due stati strutturali diversi, T e R. Lo stato T pi stabile quando l'O2 non legato alla proteina. Il legame dell'O2 favorisce la transizione dallo stato T allo stato R.

4. Legame dell'ossigeno con l'emoglobina

L'emoglobina presente in due stati strutturali diversi, T e R. Lo stato T pi stabile quando l'O2 non legato alla proteina. Il legame dell'O2 favorisce la transizione dallo stato T allo stato R. La transizione non modifica la struttura delle delle singole subunit, ma i due protomeri scivolano l'uno rispetto all'altro e ruotano, restringendo cos la tasca tra le due subunit . Inoltre, alcuni legami ionici, che stabilizzano lo stato T, si spezzano e se ne formano altri. Il legame dell'ossigeno ad una delle subunit dell'Hb pu modificare l'affinit per l'ossigeno delle subunit adiacenti. La curva di legame dell'ossigeno all'Hb ha un andamento sigmoide, che riflette l'esistenza di un tipo di legame cooperativo. Questo fenomeno consente una risposta molto pi sensibile alle variazioni nella concentrazione del ligando.

Capitolo 61. Velocit ed equilibrio delle reazioni

2. Enzimi

3. Meccanismo d'azione degli enzimi (catalisi e specificit)

4. Catalisi acido-base generale

Molte reazioni biochimiche comprendono la formazione di intermedi carichi instabili, che tendono a degradarsi rapidamente nelle loro specie costituenti, impedendo alle reazioni di arrivare a compimento. Questi intermedi possono essere stabilizzati mediante il trasferimento di un protone al o dal substrato. Questo processo prende il nome di catalisi acido-base generale. Nel sito attivo di un enzima vi possono essere catene laterali di amminoacidi in grado di cedere o a accettare un protone. Determina un aumento della velocit della reazione di un fattore variabile tra 102 e 103 volte.

5. Cinetica enzimatica di Michaelis-Menten

La cinetica di Michaelis-Menten una cinetica di saturazione. Ipotizzarono che l'enzima per prima cosa si combina in modo reversibile con il substrato, formando il complesso ES ed in seguito si decompone nell'enzima libero (E) e nel prodotto (P). La velocit complessiva della reazione dipende dalla tappa pi lenta. Nel caso in cui la seconda tappa sia la pi lenta, la velocit dipende dalla [ES] e di conseguenza dalla [S]: a valori di [S] bassi, Vo aumenta linearmente a [S]; a valori maggiori di [S], Vo aumenta in misura minore rispetto alla [S]; a valori di [S] tali da saturare l'enzima E, viene raggiunta la velocita massima, Vmax.

6. Descrivi Km

Km equivalente alla concentrazione del substrato a cui V0 meta della Vmax. Il valore di Km pu variare da un enzima ad un altro e anche per substrati diversi dello stesso enzima. Dipende da aspetti specifici del meccanismo della reazione, come il numero e le velocit relative delle tappe delle reazioni. Ad es. per una reazione a due tappe, Km uguale a:

Km= (k2 + k-1)/k1 Se k2

sito diverso da quello del substrato e solo al complesso ES. 3) inibizione mista, si lega ad un sito diverso dal sito attivo, ma pu legarsi sia ad E sia ad ES. 4) inibizione non competitiva, riduce il valore di Vmax, ma non quello di Km; inibizione irreversibile, tali inibitori si legano covalentemente, eliminando cos gruppi funzionali essenziali all'attivit degli enzimi, o formano associazioni non covalenti particolarmente stabili.[ricopiare tabella 6.9] [grafico dei doppi reciproci]

9. Inibitori competitivi e non

L'inibitore competitivo compete con il substrato per il sito attivo dell'enzima. Molti inibitori competitivi sono strutturalmente simili al substrato e si uniscono all'enzima, formando complessi EI, senza dar luogo a catalisi. L'equazione di Michaelis-Menten diventa: Km Km apparente.L'inibitore incompetitivo si lega ad un sito diverso da quello del substrato e solo al complesso ES. L'equazione di Michaelis-Menten diventa:L'inibitore misto si lega ad un sito diverso dal sito attivo, ma pu legarsi sia ad E sia ad ES. L'equazione diventa:Se ' uguale ad , si parla di inibizione non competitiva. L'equazione diventa:

10. Proteasi a serina

Le proteasi a serina sono degli enzimi che sfruttano un residuo di Ser all'interno del sito attivo, per scindere determinati legami peptidici delle proteine. Il valore di pKa del gruppo ossidrilico della Ser generalmente troppo alto per disporre a pH fisiologico della forma non protonata in concentrazioni significative. Un esempio di proteasi a serina la chimotripsina: catalizza la rottura idrolitica di legami peptidici adiacenti a residui amminoacidi aromatici. Nella chimotripsina la Ser195 legata con una rete di ponti idrogeno all'His57 e all'Asp102, formando quella che definita la triade catalitica. Il legame del substrato alla chimotripsina genera una modificazione conformazionale, che permette all'His57 di rimuovere il protone dalla Ser195 (evitando la formazione di una carica positiva altamente instabile) e rendere la catena laterale di quest'ultima un nucleofilo pi forte. L'ossigeno nucleofilo della Ser195 attacca il gruppo carbonilico del substrato nella fase di acilazione.

Capitolo 71. Glucosio [con disegno del glucosio ciclico e non]

Il glucosio un monosaccaride appartenente alla famiglia degli aldosi, in particolare un aldoesoso. Si trova sotto forma dell'isomero-D del glucosio, come la maggior parte degli esosi in natura. In soluzione acquosa, il D-glucosio in forma di emiacetale intramolecolare: struttura ciclica, in cui il gruppo ossidrilico libero sul C-5 ha reagito con il C-1 aldeidico, reazione che rende questo atomo di carbonio asimmetrico e genera le forme e . Le forme e del glucosio si interconvertono in soluzione acquosa mediante un processo chiamato mutarotazione. La miscela costituita da circa un terzo da -D-glucopiranosio, due terzi da -D-glucopiranosio e piccole quantit di forme lineari e anelli a cinque membri (glucofuranosio). Il glucosio possiede numerosi derivati e tramite legami glicosidici con altri monosaccaridi entra a far parte dei principali polisaccaridi.

2. Fruttosio [con disegno del fruttosio ciclico e non]

Il fruttosio un monosaccaride appartenente alla famiglia dei chetosi, in particolare un chetoesoso. Si trova sotto forma dell'isomero-D del fruttosio, come la maggior parte degli esosi in natura. In soluzione acquosa, il D-fruttosio in forma di emichetale intramolecolare: struttura ciclica, in cui il gruppo ossidrilico libero sul C-5 ha reagito con il C-2 chetonico, reazione che rende questo atomo di carbonio asimmetrico e genera le e . Le forme e del fruttosio si interconvertono in soluzione acquosa mediante un processo chiamato mutarotazione. L'anomero pi comune il -D-fruttofuranosio. Il fruttosio tramite legami glicosidici con altri monosaccaridi entra a far parte dei principali polisaccaridi.

3. Legame glicosidico

Il legame glicosidico pu essere suddiviso in: legame N-glicosidico e legame O-glicosidico.Il legame N-glicosidico unisce il carbonio anomerico di uno zucchero e un atomo di azoto nelle glicoproteine e nei nucleotidi.Il legame O-gllicosidico si forma quando un gruppo ossidrilico di uno zucchero reagisce con il carbonio anomerico di un altro zucchero: formazione di un acetale a partire da un emiacetale e un alcol. Il composto generato chiamato glicoside.I legami glicosidici sono facilmente idrolizzati dagli acidi, ma sono resistenti all'azione delle basi. Esempi di legami glicosidici: maltosio [Glc(1--> 4)Glc], lattosio [Gal(1--> 4)Glc], fruttosio [Glc(12)Fru], trealosio [Glc(1 1)Glc].

4. Glicogeno [con disegno]

Il glicogeno il polisaccaride di riserva pi importante per gli animali. un polimero formato da residui di glucosio, legati con legami (1--> 4), con ramificazioni che originano da legami (1--> 6). Il glicogeno pi ramificato (in media ogni 8-12 residui) e compatto dell'amido. immagazzinato all'interno delle cellule sotto forma di granuli sia nel fegato, sia, in piccola parte nel muscolo scheletrico. Ogni molecole di glicogeno contiene n ramificazioni ed n+1 estremit non riducenti, ma solo una estremit riducente. Ci di fondamentale importanza per la funzione degli enzimi degradativi, i quali agiscono su pi estremit non riducenti contemporaneamente. Fattori sterici e legami idrogeno influenzano il ripiegamento del glicogeno, il quale si trova sotto forma di un'elica fortemente avvolta, stabilizzata da legami idrogeno intracatena.

5. Amido [con disegno]

L'amido un polisaccaride di riserva. Contiene due polimeri del glucosio: l'amilosio e l'amilopectina. Il primo costituito da due lunghe catene non ramificate di due residui di D-glucosio, uniti da legami (1--> 4). Le amilopectine sono formate da residui di glucosio, legati con legami (1--> 4), con ramificazioni che originano da legami (1--> 6) e

intervengono in media ogni 24-30 residui. Fattori sterici e legami idrogeno influenzano il ripiegamento dell'amido, il quale si trova sotto forma di un'elica fortemente avvolta, stabilizzata da legami idrogeno intracatena.

6. Cellulosa [con disegno]

La cellulosa un polisaccaride con ruoli strutturali. una fibra resistente ed insolubile in acqua, che costituisce gran parte del legno. un omopolisaccaride lineare non ramificato, contenente da 10000 a 15000 molecole di D-glucosio con configurazione , unite da legami (1--> 4). Questa differenza strutturale della cellulosa rispetto all'amilosio, conferisce propriet fisiche molto differenti. La cellulosa, infatti, non pu essere utilizzata come combustibile alimentare, poich gli animali non possiedono gli enzimi capaci di idrolizzare il legame (1--> 4). Fattori sterici e legami idrogeno influenzano il ripiegamento della cellulosa. La conformazione pi stabile, per tale molecola, quella nella quale ciascun residuo con struttura a sedia ruotato di 180 rispetto ai suoi vicini. Tutti i gruppi -OH sono disponibili per la formazione di legami idrogeno con catene vicine: si formano fibre resistenti alla tensione ed insolubili.

Capitolo 81. Nucleotidi

Un nucleotide costituito da una base azotata (purinica e primidinica), uno zucchero a cinque atomi di C (pentosio) e uno o pi gruppi fosforici. Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi, uniti da legami fosfodiestere tra il gruppo ossdrilico 5' di un pentosio e il gruppo ossdrilico 3' del successivo. Ci sono due tipi di acido nucleico: RNA e DNA. I nucleotidi dell'RNA contengono ribosio e le principali basi pirimidiniche sono l'uracile (U) e la citosina (C ). Nel DNA i nucleotidi contengono 2'-deossiribosio e le principali basi pirimidiniche sono timina (T) e citosina (C ). Le principali basi puriniche sono adenina (A) e guanina (G) sia nell'RNA, che nel DNA.

2. DNA

Il DNA la molecola in cui viene conservata l'informazione genetica. costituito da due catene antiparallele destrorse, avvolte l'una sull'altra in una struttura a doppia elica. Le coppie di basi complementari G-C e A-T si formano per mezzo di legami idrogeno all'interno della catena. Le strutture planari delle coppie di basi sono perpendicolari al lungo asse della doppia elica, separate da 3,4 , e hanno 10,5 coppie di basi per ogni giro. Il DNA pu avere forme strutturali diverse. Le forme B proposta da Watson e Crick la forma pi stabile nelle condizioni fisiologiche, ma esistono altre due forme: forma A e Z. I filamenti di DNA con sequenze appropriate possono generare strutture insolite: forma di forcina o croce e DNA triplex o tetraplex.

3. RNA

L'RNA il prodotto della trascrizione del DNA. Il trascritto sempre un RNA a singolo filamento, che tende ad assumere una conformazione elicoidale destrorsa, a causa della tendenza delle basi a sovrapporsi l'una sull'altra (impilamento). L'RNA pu appaiarsi a regioni complementari su altro RNA o sul DNA. Le regole dell'appaiamento sono le stesse di quelle del DNA, con l'eccezione per l'appaiamento tra G e U. Singoli filamenti di RNA possono ripiegarsi per formare: forcine, regioni a doppia elica o anse complesse.Esistono diverse classi di RNA: mRNA, tRNA e rRNA (ognuna di queste con funzioni essenziali nel processo di traduzione) e altre piccoli RNA specializzati in funzioni regolatrici e catalitiche.

Capitolo 101. Acidi grassi

Gli acidi grassi sono acidi carbossilici con una catena idrocarburica contenente da 4 a 36 atomi di C, anche se i pi comuni sono quelli con un numero di atomi di C pari, da 12 a 24. Possono essere: saturi o insaturi (presenza di uno o pi doppi legami). I doppi legami di quasi tutti gli acidi grassi in natura sono nella configurazione cis e non sono quasi mai coniugati. La famiglia degli acidi grassi poliinsaturi (PUFA), con un doppio legame tra il terzo e il quarto carbonio a partire dal carbonio del metile terminale della catena (carbonio ), ha una notevole importanza nella nutrizione umana. A questa famiglia appartengono: acidi grassi omega-3 (-3) e acidi grassi omega-6 (-6). La solubilita in acqua e il punto di fusione degli acidi grassi sono influenzati dalla lunghezza e dal grado di insaturazione della catena idrocarburica.

Gli acidi grassi sono quasi completamente ridotti e la loro ossidazione rende una quantit di energia altissima.

2. Triacilgliceroli

I triacilgliceroli o anche detti trigliceridi sono esteri degli acidi grassi con il glicerolo: tre acidi grassi legati con legami estere ai gruppi ossidrilici di una molecola di glicerolo. Si dividono in: semplici, contengono lo stesso tipo di acido grasso in tutte e tre le posizioni; misti; contengono tipi diversi di acidi grassi. Sono molecole idrofobiche e densit minore rispetto all'acqua, che hanno la funzione di: riserva energetica, per la presenza di acidi grassi, la cui ossidazione genera un enorme quantit di energia; isolamento termico e in alcuni animali (capodogli) permette di adattare il galleggiamento del corpo alla densit dell'ambiente circostante.

3. Glicerofosfolipidi

I glicerofosfolipidi sono lipidi di membrana, in cui due acidi grassi sono legati con legame estere al primo e al secondo atomo di carbonio del glicerolo, mentre un gruppo molto polare o carico legato tramite legame fosfodiestere al terzo atomo di carbonio. Sono derivati dell'acido fosfatidico e vengono classificati a seconda della natura del gruppo alcolico della testa polare (es. colina, etanolammina, serina, glicerolo, fosfatidilglicerolo etc.). In generale, i glicerofosfolipidi contengono un acido grasso saturo a 16 o 18 atomi di carbonio in posizione C-1 e un acido grasso insaturo a 18 o 20 atomi di carbonio in posizione C-2.

4. Sfingolipidi

Gli sfingolipidi sono lipidi di membrana, costituiti da una molecola di sfingosina (un amminoalcol), da un acido grasso a catena lunga e da una testa polare alcolica, unita in alcuni casi da un legame glicosidico, in altri da un ponte fosfodiestere. Il ceramide l'unit fondamentale comune a tutti gli sfingolipidi. Vi sono tre sottoclassi di sfingolipidi, tutte derivate dal ceramide, ma diverse per le loro teste polari: sfingomieline, glicolipidi neutri e gangliosidi.

5. Steroli

Gli steroli sono lipidi strutturali presenti nella membrana di molte cellule eucaritiche. Sono costituiti da un nucleo steroideo costituito da quattro anelli fusi: tre a sei atomi di C e uno a cinque atomi di C. Il nucleo steroideo planare e rigido; gli anelli fusi non consentono alcuna rotazione intorno ai legami di C-C. Sono sintetizzati da subunit isopreniche e sono precursori di numerose molecole con specifiche attivit biologiche: es. ormoni steroidei e sali biliari. Il principale sterolo il colesterolo.

Capitolo 131. Creatin chinasi

La creatin chinasi un enzima che catalizza la reazione reversibile: ADP + PCr ATP + Cr. Questa reazione avviene quando vi un aumentata richiesta di ATP. Le riserve di Pcr hanno concentrazione elevate, soprattutto nel muscolo scheletrico e rappresenta una riserva disponibile di gruppi fosforici per la sintesi rapida di ATP da ADP. Quando la richiesta di ATP diminuisce, l'ATP ottenuto dalle vie cataboliche riutilizzato per formare la PCr.

Capitolo 141. Glicolisi

Nella glicolisi una molecola di glucosio viene degradata, tramite 10 tappe catalizzate da enzimi, in due molecole di piruvato. L'energia rilasciata recuperata sotto forma di ATP e NADH, con un gudagno netto di 2ATP e NADH. La glicolisi pu essere divisa in 2 fasi: fase preparatoria: glucosio + ATP (esochinasi) glucosio-6-fosfato (fosfoesosio isomerasi) fruttosio-6-fosfato + ATP (fosfofrutto-chinasi 1) fruttosio 1,6-bisfosfato (aldolasi) gliceraldeide 3-fosfato e [diidrossiacetone fosfato (trioso fosfato isomerasi) gliceraldeide 3-fosfato]; fase di recupero energetico, i reagenti e i prodotti sono moltiplicati per due: gliceraldeide 3-fosfato (gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi) 1,3 bisfosfoglicerato (fosfoglicerato chinasi) 3-fosfoglicerato (fosfoglicerato mutasi) 2-fosfoglicerato (enolasi) PEP (piruvato chinasi) piruvato.

2. Diabete mellito di tipo I

L'assorbimento di glucosio nell'uomo mediato dai trasportatori del glucosio (GLUT). Vi sono varie classi: GLUT1 e GLUT2 negli epatociti, GLUT3 nei neuroni e GLUT4 nel muscolo scheletrico, cardiaco e nel tessuto adiposo. L'esposizione di GLUT4 regolata dall'insulina. Nei soggetti affetti da diabete mellito di tipo I pi del 90% delle cellule che producono insulina sono degradate e non possono rilasciare tale prodotto. Per ovviare a questa situazione, il muscolo e il tessuto adiposo utilizza gli acidi grassi, come combustibile. Nel fegato l'acetil-CoA prodotto dal catabolismo degli acidi grassi convertito in corpi chetonici. L'iperproduzione dei corpi chetonici nel sangue in un paziente affetto da diabete, determina una diminuzione del pH (chetoacidosi), potenzialmente mortale.

3. Vie di alimentazione della glicolisi

Molti carboidrati entrano nella via glicolitica, dopo essere stati trasformati in uno degli intermedi della glicolisi. Glicogeno e amido entrano nella glicolisi tramite una scissione fosforolitica di un residuo di glucosio, con formazione di glucosio 1-fosfato, a sua volta convertito in glucosio 6-fosfato da una fosfoglucomutasi. I polisaccaridi e disaccaridi dalla dieta sono degradati a monosaccaridi e trasportati all'interno delle cellule intestinali. Diversi D-esosi come fruttosio, mannosio, galattosio possono entrare nella via glicolitica soltanto dopo essere stati fosforilati e trasformati in: glucosio 6-fosfato, fruttosio 6-fosfato o fruttosio 1-fosfato.

4. I due destini del piruvato (fermentazione)

Il NADH che si forma durante la glicolisi deve essere riciclato per rigenerare NAD+ , a sua volta necessario per compiere una nuova glicolisi. In condizioni aerobiche, gli elettroni vengono trasferiti dal NADH all'ossigeno per mezzo della respirazione mitocondriale. In condizioni anaerobiche il NADH non pu essere ossidato. La cellula per ovviare a tale situazione compie la fermentazione, che pu essere suddivisa in: fermentazione lattica, con produzione di lattato grazie all'enzima lattato deidrogenazi, senza consumo di ossigeno e senza variare la concentrazione del NAD+ e del NADH; fermentazione alcolica, con produzione di etanolo grazie a due tappe catalizzate dagli enzimi piruvato decarbossilasi e alcol deidrogenasi.

5. Gluconeogenesi

La formazione di glucosio a partire da precursori non saccaridici chiamata gluconeogenesi; questo processo utilizza il piruvato e i composti a 3 o 4 atomi di carbonio ad esso correlati. Sette reazioni della gluconeogenesi, tutte reversibili, sono catalizzate dagli stessi enzimi della glicolisi. Tre reazioni irreversibili della glicolisi vengono sostituite da reazioni catalizzate da specifici enzimi della gluconeogenesi: 1) la conversione del piruvato in PEP

con formazione intermedia di ossalacetato, catalizzata dalla piruvato carbossilasi e dalla PEP carbossichinasi; 2) la defosforilazione del fruttosio 1,6-bisfosfato catalizzata dalla FBPasi-1; 3) la defosforilazione del fruttosio 6-fosfato, catalizzata dalla glucosio 6-fosfatasi. La formazione di una molecola di glucosio dal piruvato richiede 4 ATP, 2 GTP e 2NADH.

6. La via dei pentosi fosfati

La via del pentosio fosfato parte dall'ossidazione e decarbossilazione del glucosio 6-fosfato e produce un pentosio fosfato e NADPH dal NADP+. Il NADPH fornisce la forza riducente alle reazioni biosintetiche ed il ribosio 5-fosfato un precursore per la sintesi dei nucleotidi e degli acidi nucleici. caratterizzata da due fasi: fase ossidativa, caratterizzata da due ossidazioni, che convertono il glucosio 6-fosfato in ribulosio 5-fosfato; fase non ossidativa, prima il ribulosio 5-fosfato viene epimerizzato in xilulosio 5-fosfato, in seguito due enzimi la transaldolasi e la transchetolasi convertono sei molecole di pentosio in cinque molecole di esosio, completando il ciclo.

Capitolo 151. Analisi del controllo metabolico

L'analisi del controllo metabolico consiste in una analisi di tre parametri fondamentali, che insieme descrivono la risposta di una via al variare delle circostanze metaboliche. I tre parametri sono: coefficiente di controllo del flusso, C, una misura determinata sperimentalmente degli effetti della concentrazione di un enzima sul flusso di una via metabolica multienzimatica; coefficiente di elasticit, , di un enzima una misura determinata sperimentalmente della sua risposta a variazioni di concentrazione di un metabolita o di una molecola regolatrice; coefficiente di risposta, R, esprime l'effetto di un fattore esterno sul flusso di una via metabolica. [R=C]

2. Regolazione coordinata della gluconeogenesi e della glicolisi

La gluconeogenesi e la glicolisi hanno sette enzimi in comune, mentre possiedono tre tappe catalizzate da enzimi diversi e costituiscono i punti di regolazione delle due vie. L'esochinasi e la glucosio 6-fosfatasi sono regolate a livello trascrizionale: condizioni di bassa [ATP], alta [AMP] ed elevata glicemia causano elevata trascizione di esochinasi, viceversa di glucosio 6-fosfatasi. PFK-1 e FBPasi-1 sono regolate reciprocamente: alte [AMP], [ADP] e [fruttosio 2,6-bisfosfato] attivano PFK-1, alte [citrato] e [ATP] la inibiscono; viceversa per FBPasi-1. La piruvato chinasi inibita allostericamente dall'ATP; l'isozima L del fegato anche dalla fosforilazione cAMP-dipendente. La piruvato carbossilasi attivata da alte [Acetil-CoA]. I fattori trascrizionali quali ChREBP, CREB, SREBP e FOXO1modulano la trascrizione di geni specifici delle due vie.

3. Regolazione della gluconeogenesi

Il primo punto di controllo della gluconeogenesi la conversione del piruvato ad acetil-CoA (catalizzata da PDH), combustibile per il ciclo dell'acido citrico o ad ossalacetato (catalizzata da piruvato carbossilasi), per la gluconeogenesi. L'acetil-CoA un modulatore allosterico positivo della piruvato carbossilasi. La produzione di PEP catalizzata dalla PEP carbossichinasi regolata a livello della sintesi e demolizione di tale enzima. La FBPasi-1 regolata negativamente da [fruttosio 2,6-bisfosfato] e [AMP]. La glucosio 6-fosfatasi regolata a livello trascrizionale: alta [ATP], bassa [AMP] e bassa glicemia attivano la trascrizione. I fattori trascrizionali quali CREB, SREBP e FOXO1modulano la trascrizione di geni specifici della gluconeogesi.

4. Catabolismo del glicogeno

Il glicogeno conservato nel muscolo scheletrico e nel fegato. Le unit di glucosio del glicogeno entrano nella glicolisi per azione di tre enzimi: glicogeno fosforilasi, enzima deriamificante e fosfoglucomutasi. La glicogeno fosforilasi scinde un legame (1 4) glicosidico tra due residui di glucosio all'estremit non riducente, liberando glucosio 1-fosfato. La ramificazione (1 6) scissa dall'enzima deramificante, che rilascia una catena lineare e glucosio libero. La fosfoglucomutasi converte il glucosio 1-fosfato in glucosio 6-fosfato, il quale pu entrare nella glicolisi oppure nel fegato, dove convertito in glucosio libero dalla glucosio 6-fosfatasi nel reticolo endoplasmatico e rilasciati libero nel sangue.

5. Sintesi del glicogeno

L'UDP-glucosio dona i residui di glucosio all'estremit non riducente del glicogeno nella reazione catalizzata dalla glicogeno sintasi. L'enzima ramificante produce i legami (1 6) nei punti di ramificazione. La glicogeno sintasi necessita di un innesco (primer) per generare una molecola di glicogeno. La glicogenina trasferisce il glucosio dall'UDP-glucosio al gruppo ossidrilico della Tyr194 della glicogenina, la quale possiede anche l'attivit glucosil-

trasferasica. La formazione di un primer di almeno otto residui di glucosio permette la sintesi del glicogeno.

6. Regolazione della sintesi e della demolizione del glicogeno

La glicogeno fosforilasi attivata da una cascata innescata da adrenalina nel miocita e da glucagone nell'epatocita, che agiscono su una proteina che lega il GTP(Gs): attivazione AC [AMP] PKA attiva fosforilasi b chinasi attiva glicogeno fosforilasi dalla forma b (inattiva) alla forma a (attiva) aumento della glicogenolisi. La glicogeno sintasi presenta una forma a (attiva) defosforilata e una forma b (inattiva) fosforilata. GSK3 determina la fosforilazione di questa proteina, soltanto se la CKII ha precedentemente fosforilato la glicogeno sintasi. L'insulina agisce sia sulla demolizione, sia sulla sintesi del glicogeno: attivando la PP1 e inibendo GSK3.

Capitolo 161. PDH

Il complesso della piruvato deidrogenasi costituito da tre enzimi ed localizzato nei mitocondri delle cellule eucariotiche e nel citosol delle cellule procariotiche. Gli enzimi sono: piruvato deidrogenasi, E1 (legata al suo cofattore TPP); diidrolipoil transacetilasi, E2 (col gruppo lipoilico legato covalentemente); diidrolipoil deidrogenasi, E3 (con i suoi cofattori FAD e NAD). All'interno del complesso avviene un ciclo di cinque reazioni che portano alla degradazione del piruvato in Acetil-CoA, CO2 e NADH. Tutti gli enzimi e i coenzimi sono raggruppati insieme consentendo agli intermedi di reagire facilmente e velocemente (incanalamento del substrato).

2. Formazione dell'acetil-CoA (PDH)

Il degradazione del piruvato ad opera di PDH genera: Acetil-CoA, CO2 e NADH. La piruvato deidrogenasi, E1, catalizza la decarbossilazione del piruvato producendo idrossietil-TPP, e poi l'ossidazione del gruppo idrossietilico a gruppo acetilico. Gli elettroni di questa ossidazione vengono utilizzata per rompere il legame disolfuro della lipoil-lisina e per formare l'acil lipoil-lisina (lega un gruppo acetilico). La diidrolipoil transacetilasi, E2, catalizza il trasferimento del gruppo acetilico al coenzima A, formando acetil-CoA. La diidrolipoil deidrogenasi, E3 catalizza la rigenerazione del legame disolfuro del lipoato, generando NADH.

3. Ciclo dell'acido citrico

Il ciclo dell'acido citrico una via catabolica, che avviene nei mitocondri in cui un acetil-CoA viene trasformato in 2CO2, generando 3NADH, 1FADH2 e 1GTP. Il ciclo comprende otto tappe: Acetil-CoA + ossalacetato (citrato sintasi) citrato (aconitasi) cis-aconitato (aconitasi) isocitrato (isocitrato deidrogenasi) -chetoglutarato (complesso dell'-chetoglutarato deidrogenasi) succinili-CoA (succinil-CoA sintetasi) succinato (succinato deidrogenasi) fumarato (fumarasi) malato (malato deidrogenasi) ossalacetato, ricominciando un altro ciclo.

4. Regolazione del ciclo dell'acido citrico

La velocit del ciclo dell'acido citrico controllata dalla velocit di conversione del piruvato in acetil-CoA, e dal flusso attraverso la citrato sintasi, la isocitrato deidrogenasi e l'-chetoglutarato deidrogenasi. Il flusso attraverso questi enzimi largamente detreminatto dalle concentrazioni dei substrati e dei prodotti: i prodotti terminali ATP e NADH sono inibitori, e i substrati NAD+ e ADP sono attivatori. La produzione di Acetil-CoA, catalizzata dalla PDH, inibita allostericamente dai metaboliti che segnalano una sufficiente disponibilit di energia metabolica (ATP, acetil-CoA, NADH,acidi grassi), viceversa attivata da AMP, CoA e NAD+.

5. Il ciclo del gliossilato

Il ciclo del gliossilato ha sede nelle piante (nei gliossiosomi) e in alcuni microrganismi. Consiste in un ciclo di reazione che produce una molecola di succinato e un NADH per ogni 2 Acetil-CoA: Acetil-CoA + ossalacetato (citrato sintasi) citrato (aconitasi) isocitrato (isocitrato liasi) succinato e gliossilato; gliossilato + Acetil-CoA (malato sintasi) malato (malato deidrogenasi) ossalacetato, ricominciando un altro ciclo. Nei vertebrati assente il ciclo del gliossilato. Essi non possono perci sintetizzare il glucosio dall'acetato o dall'acetil-CoA prodotto dagli acidi grassi.

Capitolo 17 1. Digestione degli acidi grassi

I triacilgliceroli ingeriti con la dieta sono convertiti in micelle solubili dai sali biliari (solubilizzazione). La formazione delle micelle aumenta la frazione di lipidi accessibile all'azione di lipasi solubili in acqua, le quali degradano i triaciligliceroli. Gli acidi grassi e gli altri prodotti di degradazione penetrano nella mucosa intestinale, dove vengono convertiti in triacilgliceroli. Quest'ultimi vengono incorporati insieme a colesterolo e apolipoproteine nei chilomicroni, i quali a loro volta arrivano ai tessuti attraverso il sistema linfatico e sanguigno. La lipoproteina lipasi, attivata nei capillari dall'apoC-II, converte i triacilgliceroli in acidi grassi e glicerolo, i quali entrano nelle cellule, dove seguono diverse vie.

2. Mobilizzazione dei triacilgliceroli depositati

Gli ormoni innescano la mobilizzazione delle riserve dei triacilgliceroli. Quando una bassa concentrazione di glucosio nel sangue provoca il rilascio di adrenalina o glucagone, l'ormone si lega al suo recettore associato a proteine G sulla membrana dell'adipocita. Il legame genera un meccanismo a cascata, con attivazione di: AC PKA fosrilazione delle perilipine (sulla membrana della goccia lipidica) e della lipasi ormone-sensibile; questa lipasi idrolizza i triacilgliceroli della goccia lipidica in acidi grassi. Gli acidi grassi liberi lasciano l'adipocita e legati alla sieroalbumina vengono trasportati nel sangue fino agli altri tessuti.

3. Attivazione degli acidi grassi

Gli acidi grassi con 14 o pi atomi di carbonio non possono passare direttamente attraverso la membrana mitocondriale, ma devono prima subire tre reazioni enzimatiche dette sistema navetta o shuttle della carnitina: 1) acil-CoA sintetasi, presente sulla membrana mitocondriale esterna, favorisce la formazione di un tioestere; 2) carnitina acil transferasi I, catalizza la formazione di acil-carnitina, la quale in grado di passare nella matrice attraverso un trasportatore specifico nella membrana mitocondriale interna; 3) carnitina acil transferasi II permette il distacco della carnitina, con formazione di acil-CoA. L'Acil-CoA pu essere ossidato o utilizzato per la sintesi di lipidi di membrana nel citosol.

4. Beta-ossidazione

Nella prima reazione della -ossidazione, quattro reazioni staccano una unit di acetil-CoA dall'estremit carbossilica di un acil-CoA saturo: 1)deidrogenazione degli atomi di carbonio e (acil-CoA deidrogenasi FAD-dipendente); 2) idratazione del doppio legame trans-2 (enoil-CoA idratasi); 3) deidrogenazione della L-b-idrossiacil-CoA (b-idrossiacil-CoA NAD-dipendente; 4) tiolidi del b-chetoacil-CoA (tiolasi), con formazione di acetil-CoA e di un acil-CoA accorciato di due atomi di carbonio. Durante queste reazioni vengono prodotte una molecola di NADH e una di FADH2.

5. Tappe beta-ossidazione [vedi risposta n4]

6. Tipi beta-ossidazione

La normale beta-ossidazione produce il distacco da un acido grasso saturo con un numero pari di atomi di C di una unit acetilica, attraverso quattro reazioni. L'ossidazione degli acidi grassi insaturi richiede due altri enzimi: l'enoil-CoA isomerasi, che trasforma un doppio legame cis in trans e nel caso di acidi grassi poliinsaturi necessaria anche la 2,4 dienoil-CoA reduttasi. L'ossidazione degli acidi grassi con un numero dispari di atomi di C avviene normalmente fino all'ultimo substrato a 5C, che viene scisso in acetil-CoA e proprionil-CoA: proprionil-CoA (propionil-CoA carbossilasi, insieme al cofattore biotina) D-

metilmalonil-CoA (metilmalonil-CoA epimerasi) L-metilmalonil-CoA (meil-malonil-CoA mutasi, insieme al coenzima B12) succinil-CoA.

7. Regolazione sintesi e demolizione degli acidi grassi

La velocit di ossidazione degli acidi grassi limitata dal processo a tre tappe dello shuttle della carnitina. Il malonil-CoA, il primo intermedio della biosintesi citosolica degli acidi grassi a catena lunga, inibisce la carnitina acil-transferasi I. Alte concentrazioni di glucosio, determinano il rilascio di insulina, che aumenta l'attivit della fosfatasi che defosforila ACC, attivandolo [malonil-CoA] aumenta limitando la demolizione di acidi grassi. Il glucagone invece aumenta l'attivit della PKA che fosforila ACC, inattivandolo, con effetti opposti all'insulina.

8. Tappe formazione corpi chetonici

I corpi chetonici sono: l'acetone, l'acetoacetato e -idrossibutirrato. Derivano dall'acetil-CoA tramite una serie di reazioni: 2 acetil-CoA (tiolasi) acetoacetil-CoA + acetil-CoA (HMG-CoA sintasi) HMG-CoA (HMG-CoA liasi) acetoacetato + acetil-CoA; dall'acetoacetato derivano l'acetone tramite decarbossilazione (acetato decarbossilasi) e il D-b-idrossibutirrato tramite ossidazione (D-b-idrossibutirrato deidrogenasi). L'acetone viene eliminato con la respirazione, invece gli altri due con il ciclo dell'acido citrico per dare energia a tessuti come il muscolo scheletrico, il cuore e il rene.

Capitolo 181. Metabolismo amminoacidi

Il metabolismo degli amminoacidi di norma comprende, come prima tappa, il distacco del gruppo -amminico, promosso da enzimi chiamati amminotrasferasi o transaminasi. La reazione necessita del cofattore PLP e consiste nel passaggio di un gruppo -amminico di un aa. ad un -chetoglutarato, con formazione di glutammato (Glu) e -chetoacidi. Il glutammato rilascia il suo gruppo amminico sotto forma di ammoniaca nel fegato, dove potr entrare nel ciclo dell'urea o essere riciclata nella biosintesi di amminoacidi, nucleotidi e ammine biologiche. Gli -chetoacidi entrano nel ciclo dell'acido citrico.

2. Trasporto di NH3 nel sangue

NH3 molto tossico negli animali e il suo livello nel sangue deve essere controllato. L'NH3 libera nei tessuti si combina con il glutammato per formare la glutammina (glutammina sintetasi); la reazione richiede ATP ed avviene in due tappe, con intermedio gamma-glutammil-fosfato. La Gln cos formata viene trasportata al fegato grazie al torrente ematico. La Gln in eccesso viene convertita in Glu e NH4+ dalla glutamminasi, nei mitocondri del fegato. Lo ione ammonio pu, inoltre, essere trasportato per mezzo dell'alanina dal muscolo scheletrico al fegato (ciclo glucosio-alanina).

3. Ciclo dell'urea

Il ciclo dell'urea serve a convertire l'NH3 nei mitocondri epatici in urea; inizialmente l'NH4+ presente nei mitocondri e l'HCO3- , derivato dalla respirazione mitocondriale, reagiscono grazie all'ATP e alla carbamil fosfato sintetasi per dare: carbamil fosfato; carbamil fosfato + ornitina (ornitina transcarbamilasi) citrullina si sposta nel citosol; citrullina + ATP +aspartato (argininosuccinato sintetasi) arginino succinato (arginino-succinasi) fumarato e arginina; arginina (argininasi) ornitina ed urea. La produzione di fumarato unisce il ciclo dell'urea al ciclo di Krebs e ci fa diminuire il costo energetico della via.

4. Shunt aspartato-argininosuccinato

Lo shunt aspartato-argininosuccinato collega il ciclo dell'urea con il ciclo di Krebs (biciclo di Krebs): il ciclo dell'urea produce fumarato nel citosol in seguito alla sintesi di arginina che pu essere convertito in malato ed entrare nel ciclo di Krebs; l'aspartato, formato nei mitocondri mediante transamminazione dell'ossalacetato ad opera del glutammato, entra nel ciclo dell'urea da donatore di N.

5. Regolazione del ciclo dell'urea

Regolazione a lungo termine: se la dieta iperproteica, gli scheletri carboniosi degli amminoacidi vengono usati come combustibile metabolico e l'urea viene prodotta in eccesso; in caso di digiuno i nutrienti provengono dalla degradazione delle proteine muscolari e la produzione di urea aumenta. Regolazione a breve termine: la carbamilfosfato sintetasi attivata allostericamente dall'N-acetilglutammato, sintetizzato dall'acetil-CoA e dal glutammato ad opera dell'enzima N-acetilglutammato sintasi; il livello di N-acetilglutammato dipende dai substrati e dall'arginina, attivatrice della N-acetilglutammato sintasi.

6. Donatori di gruppi amminici nel ciclo dell'urea

Il primo gruppo amminico a entrare nel ciclo dellurea deriva dallNH3 mitocondriale: questa, sotto forma di NH4+, reagisce con lHCO3-(derivato dalla respirazione mitocondriale) per dare carbamil fosfato grazie alla carbamil fosfato sintetasi e allATP. Il secondo gruppo amminico viene fornito dallAsp mediante una condensazione tra il gruppo amminico dellAsp e il gruppo ureidico della citrullina: questa reazione genera

argininosuccinato, richiede ATP e passa per lintermedio citrullil-AMP ed catalizzata dalla argininosuccinato sintetasi.

7. Degradazione amminoacidi

I 20 processi metabolici degli aa convergono verso 6 prodotti principali, tutti in grado di entrano nel ciclo di Krebs; gli scheletri carboniosi sono indirizzati alla gluconeogenesi o alla chetogenesi o completamente ossidati a CO2 e H2O. Gli aa possono essere chetogenici o glucogenici(alcuni sono entrambi). Glucogenici: Arg, Gln, His, Pro Glu -chetoglutarato; Ile, Met, Thr, Val succinil-CoA; Phe , Tyr fumarato; Asn, Asp ossalacetato; Ala, Cys, Gly, Ser, Trp, Thr piruvato. Chetogenici: Ile, Leu, Thr, Trp acetil-CoA; Leu, Lys, Phe, Trp, Tyr acetoacetil-CoA; lacetoacetil-Coa pu formare corpi chetonici o divenire acetil-CoA e questultimo pu produrre anchesso corpi chetonici o entrare nel ciclo di Krebs.

8. Coenzimi

I pi importanti sono il piridossal fosfato, il tetraidrofolato e la S-adenosilmetionina: il PLP il gruppo prostetico delle transamminasi, corrisponde alla forma coenzimatica della vitamina B6, partecipa al trasferimento dei gruppi amminici all-chetoglutarato; il tetraidrofolato, la cui forma ossidata la folacina, ha 3 stati di ossidazione: il pi ridotto trasporta CH3, se pi ossidato CH2OH e se ancora pi ossidato -CHO; ladoMet il miglior trasportatore CH3, proviene da ATP e Met grazie alladenosilmetionina trasferasi: in questa reazione lo S della Met attacca il C5 del ribosio rilasciando il gruppo trifosforico, altamente energetico. Vi sono anche: la biotina e la tetraidrobiopternia.

9. Amminoacidi glucogenici

10. Amminoacidi chetogenici

Capitolo 191. Definizione fosforilazione ossidativa

La fosforilazione ossidativa rappresenta la tappa finale del metabolismo negli organismi aerobici. In questa tappa tutta l'energia prodotta dalle ossidazioni utilizzata per la sintesi di ATP nei mitocondri. In questo processo coinvolto un flusso di elettroni attraverso una catena di trasportatori legati alla membrana. L'energia libera resa da questo flusso esoergonico di elettroni accoppiata al trasporto endoergonico di protoni attraverso una membrana impermeabile ai protoni. Il flusso trasmembrana di protoni in senso inverso, mediato da l'ATP sintasi genera ATP mediante catalisi rotazionale. I 10 NADH e i 2 FADH2 ,prodotti dall'ossidazione del glucosio nella glicolisi e nel ciclo di Krebs, mediante fosforilazione ossidativa producono 28 molecole di ATP.

2. Accettori di elettroni

Gli elettroni derivano dallazione delle deidrogenasi che li incanalano verso gli accettori nicotinammidici(NAD+ o NADP+) e flavinici(FAD o FMN). Le deidrogenasi NAD(P)+ dipendenti catalizzano la reazione reversibile: substrato ridotto+NAD(P)+ substrato ossidato+NAD(P)H + H+; il NADH trasporta elettroni dalle reazioni cataboliche alla NADH deidrogenasi; le flavoproteine contengono un cofattore flavinico(FAD o FMN) che se ossidato pu accettare 1 o 2 elettroni: esse agiscono come intermedi di reazioni in cui sono donati 2 elettroni e quelle in cui ne viene accettato 1 alla volta. Oltre a queste proteine vi sono altri gruppi di trasportatori: ubichinone, citocromi e proteine ferro-zolfo.

3. Complesso (I, II, III, IV)

I trasportatori di elettroni sono organizzati in complessi multienzimatici; il complesso I(NADH deidrogenasi)catalizza NADH+H+ + Q(ubichinone) NAD+ +QH2 e il trasferimento di 4 protoni dalla matrice allo spazio intermembrana; il II(succinato deidrogenasi) costituito da quattro subunit proteiche (A,B,C,D); la subunit A contiene FAD, la B 3 centri Fe-S attraverso i quali gli elettroni passano dal succinato per raggiungere Q; il complesso del citocromo bc1(III) viene ossidato (da QH2 a Q) e vengono ridotte due moleocle di citocromo c, con trasporto vettoriale di protoni dalla matrice allo spazio intermembrana; il IV(citocromo ossidasi) trasporta gli elettroni dal complesso c al centro CuA, al gruppo eme a, al centro a3-CuB e infine all'O2, riducendolo ad H2O.

4. Struttura ATP sintasi

un complesso enzimatico della membrana mitocondriale interna che catalizza la formazione di ATP da ADP e Pi, accompagnata dal flusso protonico dal lato p al lato n della membrana. Appartiene alla famiglia delle ATPasi di tipo F. formata da 2 subunit: Fo possiede un canale per i protoni, attraverso il quale questi ioni possono passare ad una velocit pari a quella del pompaggio degli elettroni; F1 isolata catalizza lidrolisi dellATP, mentre accoppiata a Fo chiude il canale protonico di quest'ultima, garantendo laccoppiamento del trasferimento protonico alla sintesi di ATP.

5. Funzionamento ATP sintasi

Il funzionamento strettamente legato con la struttura delle sue subunit: Fo formato da 3 subunit a, b, e c, e questultimo forma un cilindro; F1 formato da 3 subunit e 3 , ognuno dei quali possiede un sito per la catalisi dellATP, che si alternano attorno a uno stelo centrale . LATP sintasi effettua una catalisi rotazionale, nella quale il flusso di protoni attraverso Fo induce ciascuno dei tre siti attivi di F1 a passare ciclicamente da una conformazione legata ad (ADP+Pi) ad una legata allATP e ad una vuota.

6. Funzioni forma motrice protonica

Lenergia elettrochimica contenuta nella differenza di concentrazione protonica e nella separazione delle cariche attraverso la membrana mitocondriale interna, cio la forza protonica, porta alla sintesi di ATP quando il flusso protonico inverte la sua direzione e i protoni ritornano nella matrice attraverso un canale associato allATP sintasi; infatti il flusso di protoni attraverso il poro di Fo provoca la rotazione del cilindro costituito dalle subunit c e : ogni rotazione di 120 pone in contatto con una che diventa vuota; quindi per ogni rotazione completa di ogni compie un ciclo attraverso 3 conformazioni(-ATP, -ADP, vuota) e si formano 3 ATP.

7. Shuttle malato-aspartato

un sistema navetta per il passaggio degli elettroni dal NADH citosolico alla matrice mitocondriale; il NADH citosolico passa i suoi 2 H allossalacetato formando malato grazie alla malato deidrogenasi; il malato entra nella matrice attraverso il trasportatore malato--chetoglutarato e trasferisce gli equivalenti riducenti al NAD+; il NADH formato viene riossidato dalla catena respiratoria invece lossalacetato prodotto dalla deidrogenazione del malato viene prima convertito in Asp da AST, e questo esce dai mitocondri grazie al trasportatore glutammato-aspartato; lAsp viene poi riconvertito in ossalacetato.

8. Shuttle glicerolo 3-fosfato

un sistema di trasferimento degli equivalenti riducenti dal citosol ai mitocondri che opera nel muscolo scheletrico e nel cervello; il diidrossiacetone fosfato nel citosol accetta 2 equivalenti riducenti dal NADH citosolico formando glicerolo 3-fosfato(catalizzata dalla glicerolo 3-fosfato deidrogenasi citosolica); sulla faccia esterna della membrana mitocondriale interna vi unisoenzima della glirolo 3-fosfato deidrogenasi che trasferisce 2 equivalenti riducenti dal glicerolo 3-fosfato citosolico allubichinone.

9. Regolazione fosforilazione

regolata in base alle richieste energetiche cellulari: la [ADP]( agente limitante principale della respirazione mitocondriale, controllo dellaccettore) e il rapporto di azione di massa[ATP]/([ADP][Pi] sono misure dello stato energetico della cellula; nelle cellule ipossiche una proteina inibitrice IF1 blocca lidrolisi dellATP da parte dellATP sintasi e previene una drastica caduta della [ATP]; le risposte adattive allipossia mediate dall HIF-1 rallentano il trasferimento degli elettroni nella catena respiratoria e modificano il complesso IV (COX4-1 sostituita da COX4-2), rendendolo pi adatto a funzionare a basse concentrazioni di ossigeno.

10. Regolazione coordinata con glicolisi, ciclo dell'acido citrico, ossidazioni.

Le principali vie cataboliche sono regolate in maniera concertata consentendo la produzione di ATP e precursori biosintetici in modo economico e autoregolato; quando aumenta il consumo di ATP aumenta la velocit di trasporto degli elettroni e della fosforilazione ossidativa, ma anche la velocit di utilizzazione del piruvato nel ciclo di Krebs e quindi il flusso elettronico; quando viene prodotto molto ATP, [ADP] si abbassa e il trasporto elettronico e la fosforilazione ossidativa diminuiscono(controllo dellaccettore); anche la glicolisi e il ciclo di Krebs rallentano in quanto lATP un inibitore di PFK-1 e di PDH.

11. Mitocondri (termogenesi e apoptosi)

I mitocondri del grasso bruno possiedono una proteina disaccoppiante, la termogenina, che permette ai protoni di tornare alla matrice senza passare da FoF1: grazie a questo meccanismo lenergia delle ossidazioni non viene immagazzinata come ATP ma dissipata come calore. Allinizio dellapoptosi la permeabilit della membrana mitocondriale esterna aumenta grazie a PTPC; questo fa s che il citocromo c esca nel citosol e si leghi ad Apaf-1 causando la formazione dellapoptosoma che attiva la procascasi-9 a caspasi-9 con linizio di una cascata di attivazione proteolitica, che provocano la morte e il riassorbimento della cellula.

12. Agenti accoppianti e disaccoppianti

Capitolo 211. Sintesi degli acidi grassi

Avviene con la ripetizione di 4 tappe, alla fine delle quali un acile saturo diventa il substrato di una condensazione con malonile attivato; la reazione allunga di 2 C la catena ed catalizzata da FAS: condensazione tra il gruppo acetilico, legato a KS(che catalizza la reazione), e malonilico, legato ad ACP, con formazione di acetoacetil-ACP e CO2; il NADPH riduce il carbonile dellacetoacetil-ACP trasformandolo in -idrossibutirril-ACP grazie allaiuto di KR; DH catalizza la deidratazione di C2 e C3 formando un doppio legame nel trans-2-butenoil-ACP; ER catalizza la riduzione del doppio legame da parte di NADPH per formare butirril-ACP. Il butirrile viene trasferito su KS cos ACP libera di legarsi a un altro malonile e il ciclo pu ricominciare. L'attivit idrolitica della tioesterasi, TE, permette il distacco dell'acido grasso (massimo 16 atomi di C).

2. Regolazione sintesi acidi grassi

Lacetil-CoA carbossilasi, che trasforma lacetil-CoA in malonil-CoA, viene inibita retroattivamente dal palmitoil-CoA, principale prodotto della sintesi degli acidi grassi, e attivata allostericamente dal citrato; inoltre il glucagone e ladrenalina inattivano lacetil-CoA carbossilasi favorendone la fosforilazione. L'insulina innesca l'attivazione della citrato liasi, favorendo la produzione di Acetil-CoA. La sintesi degli acidi grassi e la -ossidazione sono regolate in maniera coordinata per non disperdere energia: il malonil-CoA, primo intermedio della sintesi degli acidi grassi inibisce la carnitina aciltrasferasi, enzima necessario per la -ossidazione.

3. Sintesi acetil-CoA e NADH e trasporto

Lacetil-CoA usato per la sintesi degli acidi grassi prodotto nei mitocondri dallossidazione del piruvato e dal catabolismo degli aa. Dato che lacetil-CoA non pu attravesare la membrana mitocndriale la citrato sintasi catalizza la reazione con lossalacetato per formare citrato che pu uscire dal mitocondrio attraverso il suo trasportatore; il citrato nel citosol, grazie allATP e alla citrato liasi rilascia acetil-CoA e ossalacetato. Lossalacetato viene ridotto a malato; questo entra nel mitocondrio tramite il suo trasportatore o viene convertito in piruvato dallenzima malico con produzione di NADPH, trasportatore di elettroni nelle vie cataboliche che pu esse prodotto anche nella via del pentosio fosfato.

4. Eicosanoidi

Sono una famiglia di molecole segnale che agiscono da messaggeri a corto raggio e derivano dallarachidonato; lenzima cicloossigenasi(COX) introduce ossigeni nellarachidonato convertendolo in PGG2 e poi con la sua attivit perossidasica lo trasforma in PGH2, precursore sia delle prostaglandine che dei trombossani (entrambi composti ciclici); questi ultimi stimolano la coagulazione e derivano dalla conversione di PGH2 in trombossano A2, grazie alla trombossano sintasi presente nelle piastrine; i leucotrieni sono composti lineari, formati da arachidonato in cui viene incorporato ossigeno grazie alle lipoossigenasi, che sono ossidasi a funzione mista che usano i citocromo P-450.

5. Sintesi dei triacilgliceroli

Vengono prodotti a partire da acil-CoA e glicerolo 3-fosfato; questultimo deriva per lo pi dal diidrossiacetone fosfato per azione della glicerolo 3 fosfato deidrogenasi ma pu essere

prodotto anche dallazione della glicerolo chinasi sul glicerolo; gli acil-CoA derivano dagli acidi grassi grazie alla acil-CoA sintetasi; 2 OH liberi del glicerolo 3-fosfato reagiscono con due acil-CoA, grazie allaciltrasferasi, per formare il fosfatidato; questo viene idrolizzato dalla fosfatidato fosfatasi a formare 1,2-diacilglirolo e successivamente transesterificato con un terzo acil-CoA.

6. Regolazione sintesi triacilgliceroli

La velocit della biosintesi dei TAG controllata da diversi ormoni: linsulina facilita la conversione dei carboidrati in TAG e per questo i soggeti affetti da diabete mellito non producono acidi grassi a favore della formazione dei corpi chetonici. Parte degli acidi grassi rilasciati dalla lipolisi dei TAG passa nel sangue, mentre la parte restante viene risintetizzata a TAG; parte degli acidi grassi rilasciati nel sangue viene usata come fonte di energia, invece unaltra parte viene assorbita dal fegato per la sintesi dei TAG che attraverso il sangue arrivano nel tessuto adiposo e vengono immagazzinati. Adrenalina e glucagone stimolano, invece, la mobilizzazione degli acidi grassi per soddisfare le necessit energetiche.

7. Gliceroneogenesi

una serie di reazione che trasforma il piruvato in diidrossiacetone e questo in glicerolo 3-fosfato grazie alla glicerolo 3-fosfato deidrogenasi NAD-dipendente. Nel tessuto adiposo controlla la velocit di rilascio nel sangue degli acidi grassi; nel grasso bruno controlla la termogenesi mitocondriale. La velocit della gliceroneogenesi, cos come della gluconeogenesi dipende dai livelli della PEP carbossichinasi: i glucocorticoidi promuovono la gluconeogenesi e la gliceroneogenesi nel fegato e la inibiscono nel tessuto adiposo, favorendo la sintesi e il rilascio di TAG nel sangue e inibendone il riciclaggio nel tessuto adiposo. I tiazodinedioni, usati come farmaci contro il diabete di tipo 2, aumentano la gliceroneogenesi nel tessuto adiposo.

8. Sintesi fosfolipidi di membrana

Sono costituiti da una molecola di glicerolo esterificata con 2 acidi grassi e 1 gruppo polare e negli eucarioti derivano dal CDP-diacilglicerolo; il fosfatidilinositolo deriva dalla condensazione del CDP-diacilglicerolo con linositolo, e altre fosfatidilinositolo chinasi lo convertono nei suoi derivati fosforilati. CDP-diacilglicerolo+serina (fosfatidilserina decarbossilasi) fosfatidilserina + 3adoMet (metiltrasferasi) fosfatidiletanolammina. La cardiolipina deriva invece dalla reazione del CDP-diacilglicerolo con il fosfatidilglicerolo, catalizzata dalla cardiolipina sintasi.

9. Sintesi colesterolo

un composto che deriva dalla trasformazione dellacetato in 4 tappe: da 2 acetil-CoA si arriva al mevalonato passando per acetoacetil-CoA e HMG-CoA; il mevalonato riceve 3 gruppi fosforici da 3 ATP e viene decarbossilato a 2 isopreni attivati: 3-isopentil pirofosfato che pu isomerizzare a dimetilallil pirofosfato; questi ultimi 2 condensano a geranil pirofosfato che condensa con un altro isoprene dando il farnesil pirofosfato, che reagisce con un altro farnesil pirofosfato formando lo squalene; una monossigenasi trasforma questo in squalene 2,3-epossido che poi viene ciclizzato a lanosterolo(negli animali) e convertito in colesterolo dopo 20 reazioni.

10. La tappa di regolazione della sintesi del colesterolo

Questa consiste nella conversione dellHGM-CoA in mevalonato catalizzata dalla HMG-CoA reduttasi; la regolazione mediata da un sistema di controllo della trascrizione del gene che codifica lHMG-CoA reduttasi; il gene controllato dalle proteine che legano gli elementi regolatori dello sterolo(SREBP), che rimangono inattive fino quando sono legate a SCAP; il dominio amminoterminale delle SREBP, in risposta a bassi livelli del colesterolo, viene scisso da proteasi e pu attivare il gene della reduttasi. Il glucagone stimola fosforilazione dellHGM-CoA reduttasi, inattivandola, e linsulina ha leffetto opposto.

11. Destini del colesterolo

Nei vertebrati la maggior parte prodotto nel fegato; una piccola parte viene integrata nelle membrane degli epatociti; la maggior parte viene esportata sotto 3 forme: colesterolo biliare, acidi biliari, esteri del colesterolo. Gli acidi biliari sono derivati relativamente idrofilici che aiutano a digerire i lipidi. Gli esteri del colesterolo si formano grazie allacil-CoA-colesterolo aciltrasferasi: questo enzima catalizza il trasferimento di un acido grasso dall'acil-CoA al gruppo OH del colesterolo; vengono immagazzinati nel fegato o esportati ad altri tessuti. Il colesterolo precursore delle vitamine D e in alcuni organi specializzati utilizzato per la produzione di ormoni steroidei.

12. Meccanismi di trasporto di triacilgliceroli, acidi grassi, glicerolo e colesterolo

Sono trasportati dal sangue sotto forma di lipoproteine plasmatiche; le VLDL trasportano colesterolo, esteri del colesterolo e TAG dal fegato agli altri tessuti in cui i TAG vengono degradati dalla lipoproteina lipasi e le VLDL sono convertite in LDL, che sono ricche di colesterolo e dei suoi esteri e sono assimilate per endocitosi mediata da recettore, in quanto lapolipoproteina B-100 viene riconosciuta dai recettori di membrana. LHDL rimuove il colesterolo dal sangue e dai tessuti extraepatici portandolo al fegato.

Capitolo 221. Ciclo dell'azoto

Il ciclo dell'azoto formato da una serie di processi metabolici in grado di recuperare e riutilizzare l'azoto disponibile per i processi biologici. Presenta diverse tappe: 1) fissazione o riduzione dell'azoto atmosferico (N2) ad ammoniaca(NH4+ ad opera del complesso della nitrogenasi (dinitrogenasi reduttasi e dinitrogenasi), presente nei batteri fissatori. L'ammoniaca pu essere usata per la sintesi di amminoacidi e altri composti contenenti azoto ridotto 2) nitrificazione, un processo di ossidazione dell'NH4+ a nitrito e nitrato ad opera dei batteri nitrificanti. 3) denitrificazione, batteri denitrificanti convertono i nitrati in azoto atmosferico, chiudendo il ciclo. Tale ciclo cortocircuitato da i batteri anammox, che promuovono l'ossidazione anaerobica dell'ammoniaca e dei nitriti ad azoto atmosferico.

2. Metabolismo dell'azoto

LN ridotto incorporato come NH4+ negli aa e in altre biomolecole; il punto di ingresso rappresentato dal Glu e dalla Gln; i gruppi amminici degli aa derivano dal Glu per transamminazione, mentre il gruppo ammidico della Gln la fonte di gruppi amminici in alcune vie biosintetiche. La via principale per il legame dellNH3 al Glu richiede 2 reazioni: Glu e NH4+ reagiscono per dare Gln con laiuto della Gln sintetasi passando per lintermedio -glutammil fosfato; la Glu sintetasi catalizza lamminazione riduttiva dell-chetoglutarato da parte di Gln e NADPH; la Glu sintasi assente negli animali. Il glutammato si pu formare attraverso un'altra via meno importante che coinvolge la L-glutammato deidrogenasi.

3. Regolazione del metabolismo dell'azoto

Lattivit della Gln sintetasi altamente regolata: sia allostericamente che tramite modificazioni covalenti; Ala e Gly oltre a 6 prodotti del suo metabolismo la inibiscono allostericamente; ladenilazione di un residuo di Tyr vicino al sito attivo determina unaumento di sensibilit allinibizione; sia ladenilazione che la deadinelazione sono catalizzate dalladeniltrasferasi che viene regolata dal legame con la proteina PII, a sua volta modulata dalluridilazione di un suo residuo di Tyr; luridiltrasferasi catalizza luridilazione di PII che stimola la deadenilazione; la PII uridilata stimola anche la trascrizione del gene della Gln sintetasi.

4. Origine degli scheletri carboniosi degli amminoacidi

I precursori dello scheletro carbonioso derivano da tre fonti: glicolisi, ciclo di Krebs e via del pentosio fosfato. Glu deriva dallamminazione riduttiva dell-chetoglutarato e funge da precursore di Gln, Pro e Arg; Ala e Asp( e quindi Asn) si formano rispettivamente dal piruvato e dallossalacetato per transamminazione; dal 3-fosfoglicerato deriva la Ser, e da questa la Gly; Cys deriva da Ser o da Met; da Asp derivano Met, Thr, Lys; dal piruvato originano Val, Leu e Ile; gli aromatici provengono dal corismato, composto che deriva dalla reazione di PEP con eritrosio 4-fosfato; Tyr si forma anche per ossidrilazione di Phe; il 5-fosforibosil-1-pirofosfato un precursore di Trp e di His.

5. Composti biologici originati dagli amminoacidi

Gly un precursore delle porfirine: la degradazione della ferro-porfirina(eme) genera la bilirubina; Gly e Arg danno origine alla creatina e alla fosfocreatina; il glutatione, importante agente riducente, deriva da Glu, Cys e Gly; dagli aromatici si generano molte sostanze vegetali; lArg precursore di NO, messaggero biologico; dalla decarbossilazione ossidativa di alcuni aa derivano le ammine biologiche: Tyr genera dopammina, adrenalina e noradrenalina, da Glu deriva il GABA, da Trp e His derivano rispettivamente serotonina e

istamina.

6. Vie di salvataggio

7. Metabolismo basi azotate

Lanello purinico deriva dalla 5-fosforibosilammina, a cui Glu, Gly e Asp forniscono atomi di N; le pirimidine si formano da Asp e carbamilfosfato. I nucleosidi monofosfato vengono convertiti nei rispettivi trifosfati da fosforilazioni; i ribonucleotidi vengono ridotti a desossiribonucleotidi; la degradazione delle purine e delle pirimidine produce rispettivamente acido urico e urea; le basi vengono riciclate mediante vie di salvataggio; la biosintesi dei nucleotidi regolata per inibizione retroattiva.

8. Ammine biologiche

9. eme (biosintesi)

La glicina il principale precursore delle porfirine. Queste ultime sono formate da quattro molecole di un derivato monopirrolico, il porfobilinogeno, a sua volta derivato da due molecole di -amminolevulinato. L'atomo di ferro viene incorporato dopo che si formata la protoporfirina, in una reazione catabolizzata dalla ferrochelatasi. La biosintesi delle porfirine regolata negli eucarioti superiori dalla concentrazione del prodotto eme, che funge da inibitore retroattivo delle prime reazioni della via di biosintesi. Difetti genetici di tale biosintesi sono responsabili di una serie di malattie, chiamate porfirie.

10. Sintesi de novo basi azotate

11. Regolazione sintesi basi azotate

Capitolo 241. Differenza genoma virale, batterico ed eucariotico

I geni sono sequenze di DNA che codificano RNA e catene polipeptidiche. Oltre ai geni il DNA contiene anche altri segmenti o sequenze, che hanno funzioni regolatrici (sequenze regolatrici). Nei geni degli eucarioti e di qualche procariota, inoltre, sono presenti sequenze non codificanti.

Il genoma dei virus sia che siano a DNA o RNA nettamente pi piccolo di quello dei procarioti e degli eucarioti. Il genoma dei procarioti di maggiori dimensione di quello dei virus, ma pi piccolo di quello degli eucarioti. Presenta un DNA circolare a doppia elica nel nucleoide e una o pi molecole di DNA circolare libere nel citosol, chiamate plasmidi. I plasmidi in molti casi non conferiscono nessun vantaggio al loro ospite in altri casi contengono geni utili al batterio (ad es. geni per la resistenza agli antibiotici).Il genoma degli eucarioti superiore a quello dei virus e dei procarioti. Il materiale genetico diviso in cromosomi, il cui numero diploide (2n) tipico di ciascuna specie. Inoltre, gli eucarioti presentano all'interno dei mitocondri e dei cloroplasti (solo nelle piante) un DNA circolare.

2. Composizione DNA (introni, esoni, sequenze ripetute)

Il genoma umano risulta formato da geni, trasposoni e sequenze miste. I geni rappresentano circa il 30% del genoma umano, ma soltanto l'1,5% codifica prodotti proteici o DNA o RNA. La restante parte codifica per gli introni (sequenze non codificanti). I trasposoni rappresentano circa il 45% del genoma e sono divisi in classi: LINE, includono pochi geni che codificano proteine che catalizzano la trasposizione; SINE, pi di un milione sono elementi Alu; trasposoni retrovirali. Le sequenze miste rappresentano circa 25%, di cui un 3% sono formate da sequenze altamente ripetitive o DNA satellite, la quale associato ai centromeri e ai telomeri. Si pensa che questo DNA altamente ripetitivo abbia una funzione nel metabolismo cellulare.

3. Centromeri e telomeri

Il centromero una sequenza di DNA satellite che funziona durante il processo di divisione cellulare come punto di attacco per le proteine che legano il cromosoma al fuso mitotico. Le sequenze essenziali per la funzione del centromero sono lunghe circa 130bp e sono molto ricche di coppie A-T.Il telomero sono sequenze di DNA satellite poste all'estremit dei cromosomi eucariotici e stabilizzano il cromosoma. Le estremit di una molecola lineare di DNA non possono essere normalmente replicate dall'apparato replicativo, ma sono aggiunte dall'enzima telomerasi.

4. Superavvolgimento del DNA e topoisomerasi

5. Super-organizzazione della cromatina

La cromatina nelle cellule eucariotiche non in divisione (in G0) e in quelle in interfase (G1,S,G2) si trova nella forma amorfa, mentre durante la mitosi si trovano nella forma pi compatta. Il DNA della cromatina interagisce con proteine, chiamate istoni, formando unit strutturali dette nucleosomi (aumento di 7 volte della compatezza). Pi nucleosomi si organizzano ulteriormente per formare le fibre da 30 nm, le quali si avvolgono su loro stesse, formando delle anse. Un impalcatura proteica centrale raccoglie tali anse, formando una rosetta. Pi rosette formano un avvolgimento; pi avvolgimenti formano un cromatide.

6. Istoni

Gli istoni sono piccole proteine basiche, ricche di amminoacidi basici Arg e Lys. In tutte le cellule eucariotiche sono presenti le cinque classi principali di istoni: H1, H2A, H2B, H3, H4. Ogni granulo di un nucleosoma contiene otto molecole di istone: due per ciascuna classe, eccetto H1. Quest'ultima legata al DNA di collegamento ed essenziali per i livelli di organizzazione strutturale superiori della cromatina (fibre di 30nm, anse, rosette etc.). Ciascun istone pu avere diverse forme, poich certe catene laterali sono modificate enzimaticamente (es. acetilazione, metilazione etc.). Queste modificazioni cambiano le propriet degli istoni e di conseguenza la struttura e le propriet della cromatina, giocando un ruolo rilevante nella regolazione della trascrizione.

Capitolo 251. Enzimi della replicazione

La replicazione richiede numerosi enzimi e fattori proteici: elicasi, si muovono lungo il DNA e separano le catene usando l'energia chimica fornita da ATP; topoisomerasi, rimuovono la tensione topologica della struttura ad elica del DNA, creatasi in seguito alla separazione delle catene; proteine che legano il DNA, stabilizzano le catene separate; primasi, generano brevi frammenti di RNA (primer) per l'inizio della replicazione; DNA ligasi riparano interruzioni (nick) del DNA sintetizzato. Tutte queste proteine formano un complesso, definito replisoma, ed insime alla DNA polimerasi sintetizzano il DNA.

2. Caratteristiche comuni tra procarioti ed eucarioti della replicazione

Le caratteristiche essenziali della replicazione del DNA sono le stesse in eucarioti e procarioti e molti dei complessi di replicazione sono strutturalmente e funzionalmente conservati. La replicazione del DNA semiconservativa, inizia in un sito d'origine e procede in entrambe le direzioni. La sintesi del DNA a doppia elica procede in direzione 5' 3' ed semidiscontinua, poich entrambe le catene non possono essere sintetizzate senza interruzioni nella direzione in cui si muove la forcella di replicazione. Il processo di replicazione consta di 3 fasi successive: inizio, allungamento e terminazione.

3. DNA polimerasi procariotiche

Le DNA polimerasi eucariotiche, finora scoperte, sono in numero di cinque: DNA polimerasi I, possiede bassa velocit e processivit, ma svolge una funzione di pulizia durante i processi di replicazione, riparazione e ricombinazione, grazie alla sua attivit esonucleasica 3' 5' (proofreading) e all'attivit esonucleasica 5' 3' (nick translation); DNA polimerasi II, specializzata nell'ambito della riparazione del DNA; DNA polimerasi III, composta da dieci subunit diverse, ha la funzione di polimerizzazione e di proofreading. Possiede una elevata velocit di polimerizzazione ed elevata processivit, conferitagli dall'associazione della subunit ; DNA polimerasi IV e V, sono coinvolte in particolari processi di riparazione.

4. Differenze tra replicazione eucarioti e procarioti

Le caratteristiche essenziali della replicazione del DNA sono le stesse in eucarioti e procarioti, nonostante ci vi sono delle differenze. La replicazione degli eucarioti, a differenza di quella dei procarioti, regolata e coordinata in rapporto al ciclo cellulare. La regolazione comporta l'intervento di proteine dette cicline e di chinasi ciclina-dipendenti (CDK): la distruzione di queste proteine permette la formazione dei complessi pre-replicativi (pre-RC), rendendo competente la cellula per la replicazione (licensing).

5. Replicazione (3 fasi)

La replicazione consta di 3 fasi: inizio, necessario che una proteina riconosca la sequenza di origine e che ad essa si leghi una elicasi, in grado di scindere il DNA duplex in due filamenti. Una topoisomerasi rimuove la tensione topologica della struttura ad elica del DNA, creatasi in seguito alla separazione delle catene e le proteine che legano il DNA, stabilizzano le catene separate; allungamento, una DNA polimerasi sintetizza il nuovo DNA a partire da un frammento di RNA (primer), precedentemente sintetizzato; terminazione, una proteina si lega ad una specifica sequenza di DNA. Questo legame in grado di bloccare la forcella di replicazione.

6. Danni al DNA

Il DNA pu essere danneggiato da varie cause, alcune spontanee, altre determinate da fattori ambientali. Ad es. un cambiamento nella sequenza di basi del DNA, se replicato, pu

diventare permanente (mutazione). Le mutazioni possono essere: mutazioni per sostituzione, sostituzione di una coppia di basi con un'altra; mutazioni per inserzione o per delezione, aggiunta o rimozione di una o pi coppie di basi; mutazioni silenti, se la mutazione interessa il DNA non essenziale o se non ha alcun effetto. Vi sono forti correlazioni tra la mutagenesi e la cancerogenesi. Altri danni possono essere: la presenza di basi anomale, di basi alchilate e dimeri di pirimidina.

7. Riparazione DNA

La riparazione del DNA un evento di fondamentale importanza per la sopravvivenza della cellula. Esistono vari sistemi di riparazione: 1) riparazione degli errori di appaiamento delle basi, tali errori vengono riparati, usando l'informazione genetica contenuta nella catena stampo, che risulta metilata dalla proteina, Dam metilasi. Delle esonucleasi eliminano l'appaiamento errato e le DNA polimerasi, insieme alle DNA ligasi risintetizzano la catena in maniera corretta; 2) riparazione per escissione di basi, DNA glicosilasi specifiche per un tipo di lesione rimuovono la base alterata scindendo il legame N-glicosidico, generando un siti AP o abasico. Delle endonucleasi AP scindono la catena contenente il sito AP, il DNA viene sostituito da delle DNA polimerasi, insieme alle DNA ligasi; 3) riparazione per escissione di nucleotidi, delle nucleasi di escissione sono in grado di catalizzare due specifici tagli endonucleotidici, che eliminano un frammento di DNA pi grande rispetto alla reale lesione. L'interruzione riempita da DNA polimerasi e ligasi; 4) riparazione diretta. Vi sono altri sistemi di riparazione in cui prevista una ricombinazione genetica fra gli omologhi (es. quando il danno si estende anche alla catena stampo) o le riparazioni soggete ad errori (TLS), in risposta ad un danno molto esteso nel DNA.

8. Ricombinazione

Capitolo 261. RNA polimerasi eucariotiche e procariotiche

L'RNA polimerasi procariote un enzima di grandi dimensioni costituito da un nucleo a cinque subunit (2') e da una sesta, chiamata subunit , che presenta diverse varianti (70 la pi comune). La subunit si lega al nucleo in modo transitorio e lo dirige verso i siti di legame specifici. La subunit ' presenta 3 residui di Asp di fondamentale importanza per la polimerizzazione. Tale enzima non svolge un'attivit di proofreading.Le RNA polimerasi eucariotiche sono tre: Pol I, sintetizza il trascritto pre-rRNA; Pol II, enzima costituito da 12 subunit (RPB1, RPB2, le pi importanti) sintetizza l'mRNA e alcuni RNA specializzati. Tale polimerasi inoltre richiede dei fattori di trascrizione per formare il complesso attivo della trascrizione; Pol III, sintetizza il tRNA, rRNA 5S, e altri piccoli RNA con funzioni specializzate.

2. Trascrizione procariotiche

La trascrizione procariotica possiede tre fasi: inizio, allungamento e terminazione.1) Inizio, l'RNA polimerasi si lega a specifiche sequenze nucleotidiche, definite promotori. Le sequenze consenso maggiormente conservate sono: -35 (5')TTGACA(3'), -10 (5')TATAAT(3') e tra -60 e -40 l'elemento UP, ricco di AT. Il legame specifico avviene grazie a delle subunit . 2) Allungamento, determinato dal distacco dal promotore, dovuto alla dissociazione della subunit e al legame della proteina NusA alla RNA polimerasi. 3) Terminazione, vi sono due classi di terminatori, che si legano a specifiche sequenze di terminazione: terminatori -indipendenti, produzione di un trascritto con sequenze complementari a se stesse, determinando la formazione di strutture a forcina; terminatori -dipendenti, una proteina si associa si associa a sequenze ricche di C-A dette elementi rut e contribuiscono al rilascio del trascritto di RNA.

3. Trascrizione eucariotiche

La trascrizione eucariotica possiede diverse fasi: organizzazione, inizio, allungamento e terminazione. 1) Organizzazione, l'RNA polimerasi II richiede dei fattori di trascrizione per iniziare tale processo. La TBP si lega alla sequenza di DNA bersaglio (TATA box), alla proteina TFIIB e in alcuni casi TFIIA, formando un complesso. In seguito altre proteine, ognuna con specifiche funzioni si legano a tale complesso: Pol II, TFIIF (indirizza Pol II ai suoi promotori), TFIIE (recluta TFIIH), TFIIH (attivit elicasica, fosforilazione Pol II, riparazione per escissione di nucleotidi). 2) Inizio, alcune chinasi (es. subunit di Pol II, CDK9) fosforilano il dominio CTD di Pol II, attivandola. Il rilascio di TFIIH e TFIIE permetto l'inizio della fase di allungamento. 3) Allungamento, l'attivit della polimerasi pu essere aumentata da fattori di allungamento. 4) terminazione, non sono bene definite le dinamiche di terminazione negli eucarioti.

4. Maturazione tRNA

I tRNA derivano da RNA precursori pi lunghi per rimozione enzimatica di nucleotidi dalle estremit 3' e 5'. La scissione in 5' operata dalla RNasi P (un ribozima), mentrela scissione in 3' operata dalla RNasi D. Il trinucleotide CCA viene aggiunto all'estremit 3' dalla tRNA nucleotidiltrasferasi. Reazioni di metilazione, deamminazione e riduzione di alcune basi avvengono nelle tappe finali della maturazione, insieme, in alcuni casi negli eucarioti, anche alla rimozione tramite splicing di un introne.

5. Maturazione rRNA (batteri)

Gli rRNA dei batteri si formano da precursori pre-rRNA. L'RNA precursore 30S viene metilato in corrispondenza di basi specifiche, mediante l'utilizzo del cofattore S-adenosilmetionina, e alcuni residui di uridina vengono convertiti in pesudouridina. Le

reazioni di metilazione avvengono alcune a livello della base, altre su gruppi 2'-ossidrilici del ribosio. La scissione del precursore catalizzata dalla RNasi III, RNasi P ( un ribozima) e RNasi E. I prodotti finali si formano ad opera di nucleasi specifiche e sono: RNA 16S, 23S e 5S. I segmenti tra i geni 16S e 23S generalmente codificano uno o due tRNA differenti.

6. Maturazione rRNA (eucaritoi)

Il pre-rRNA 45S degli eucarioti sintetizzato dalla RNA polimerasi I nel nucleolo, mentre l'rRNA 5S viene prodotto separatamente dalla RNA polimerasi III. L'RNA precursore 45S viene metilato in corrispondenza di basi specifiche da snoRNP C/D e alcuni residui di uridina vengono convertiti in pseudouridina da snoRNP H/ACA. Le reazioni di metilazione avvengono alcune a livello della base, altre su gruppi 2'-ossidrilici del ribosio. Una serie di tagli enzimatici del precursore porta alla formazione degli rRNA 18S, 5,8S, e 28S. Le reazioni di scissione e tutte le altre modificazioni richiedono l'intervento dei piccoli RNA nucleolari (snoRNA) che si trovano nei complessi proteici snoRNP del nucleolo.