# Biochimica
Descrive in termini molecolari le strutture, i meccanismi, i processi chimici che sono alla base della vita della singola cellula e che determinano le funzioni dei tessuti e degli organi dei sistemi viventi.
In sintesi, descrive la **logica della vita**.
I sistemi viventi sono costituiti da **biomolecole/molecole** e dalla singola unità della vita, le **cellule**, in contatto tra loro, che possiedono dei sistemi di comunicazione per comunicare con l'ambiente ed adattarsi ad esso.
Le **macromolecole** definiscono e specificano la struttura.
Queste strutture si formano tramite *legami intermolecolari NON covalenti*.
Come nel DNA, la presenza di molti legami deboli fa si che la forza risultante sia molto coesiva.
Nella cellula, piccole molecole, macromolecole e complessi macromolecolari sono continuamente sintetizzati e demoliti da reazioni chimiche in modo da mantenere un equilibrio dinamico; i processi in questione sono spesso legati tra di loro.
### Piccolo compendio sui gruppi funzionali
## La forza dei legami
Dipende dalla distanza dei due atomi:
Più sono *vicini*, più è *forte*.
Più sono *lontani*, più è *debole*.
Legami covalenti circa 400Kj/mol, legami non covalenti circa 40 Kj/mol.
### Ponte H:
Quel legame che si forma tra un H ed un eteroatomo, il quale H è legato ad un atomo elettronegativo (N o O).
### Legame idrofobico:
Interazione tra molecole idrofobiche non polari in H2O con l'obiettivo di esporre le cariche negative sulla superficie dell'acqua (es micelle del sapone).
### Legame ionico:
Avviene tra due atomi/molecole di carica opposta, come un -COO^- e ⁺NH₃
Le macromolecole grazie ai legami non covalenti sono stabili ed attive: G è più *bassa* e l'entropia è *alta*, ossia avvengono reazioni spontanee.
Ogni molecola ha la propria G e che dice quanto sia spontanea una reazione:
-G *bassa* = stabile/non reattiva.
-G *alta* = meno stabile/reattiva.
Se la somma delle G dei reagenti è maggiore della G dei prodotti, la reazione è **endoergonica** (richiede energia).
Se la differenza reagenti-prodotti è **negativa**, allora la reazione è **esoergonica**, ossia libera energia.
Se E R>P la reazione è irreversibile, esoergonica, favorita.
Se R<P la reazione è endoergonica, sfavorita.
Se R circa P la reazione è reversibile, quindi avremo reazioni dirette ed indirette.
Quest'ultimo tipo di reazioni sono usate dalla cellula in momenti diversi in base al substrato o prodotto necessario per altre reazioni concatenate.
## Amminoacidi
Sono le unità monomeriche che costituiscono le proteine, quelli naturali (*proteosintetici*) sono 20, di cui 8+1 essenziali (ossia necessari alla vita per noi umani).
Quelli naturali sono quelli che vengono codificati da un codice genetico, ossia quelli codificati da una tripletta di nucleotidi.
Tutti gli altri derivano da reazioni chimiche dei 20 di cui sopra, quelli non essenziali sono detti tali perché sono prodotti di reazioni enzimatiche.
Gli aminoacidi sono molecole **asimmetriche** (cioè chirali), con struttura chimica **simile**, **comune**.
Abbiamo un C_alfa al quale sono legati 4 sostituenti:
1. Gruppo amminico.
2. Gruppo carbossile.
3. Atomo di H.
4. Gruppo R o catena laterale dell'amminoacido (che è ciò che interessa a noi per la differenziazione).
In base alla natura chimica della catena sono poi classificati:
-in base alla *grandezza*
-in base all'*idrofobicità* o *idrofilia*
#### 1 gruppo: idrofobici
Hanno catena alchilica (idrocarburica) che conferisce la natura idrofobica; solo nella prolina questa catena forma un ciclo con il gruppo amminico, conferendo rigidità per la formazione del ciclo stesso.
Il gruppo comprende: Gly, Ala, Pro, Val, Leu, Ile, Met.
#### 2 gruppo: aromatici
Nella catena laterale c'è una struttura aromatica, gli amminoacidi hanno anche poi vari sostituenti che danno proprietà idrofiliche (es. ossidrile -OH), la loro assenza dona idrofobicità (a causa dell'anello aromatico, che è costituito da una catena di carbonio insatura chiusa).
Il gruppo comprende: Phe, Tyr, Trp.
#### 3 gruppo: polari con gruppo -OH e -SH
La polarità qua è data dalla dimensione di R.
Il gruppo comprende: Ser, Thr, Cys, Asn, Glu; -SH lo ha Cys.
#### 4 gruppo: amminoacidi e loro ammidi
Sono acidi perché i loro R sono acidi carbossilici, che quando si deprotonano diventano i rispettivi anioni.
Ad esempio: asparagina -> aspartato ; glutammina -> glutammato.
#### 5 gruppo: amminoacidi basici
Presentano in R un gruppo ammidico.
Il gruppo comprende: Lys, Arg, Ist.
### Legame peptidico o ammidico
Avviene tramite il gruppo carbossilico ed il gruppo ammidico, ha caratteristiche parziali di doppio legame, in quanto è stato sperimentalmente dimostrato che gli elettroni del doppio legame tra C=O sono anche delocalizzati tra C-N.
Possiede anche una sua steroisomeria, perché O ed H sono in trans.
Questo è un legame rigido e polare, con poca predisposizione a fare varie conformazioni rispetto a tratti dove non ce ne sono.
## Peptide
In genere una catena più piccola delle proteine, potrebbe costituirne una parte, resta che sono sequenze di amminoacidi legati tra loro tramite legame peptidico.
Le unità amminoacidiche sono definite *residui*.
Le catene hanno un gruppo amminico alfa libero (residuo ammino-terminale) ed un gruppo carbossilico alfa libero (residuo carbossi-terminale).
Per convenzione è l'ammino-terminale che rappresenta l'inizio della catena peptidica.
I gruppi terminali molto spesso subiscono modificazioni, gli enzimi legano altri gruppi per renderli più stabili, anche per evitare la degradazione di queste proteine per evitare la degradazione di queste proteine da parte di alcuni enzimi della cellula.
A tal proposito, alle proteine vengono spesso legati zuccheri, in un processo atto ad aumentare la *idrofilicità* detto **glicosilazione**. La conformazione corretta per le proteine è quella dove G è *più bassa*, e viene detta conformazione attiva.
La **denaturazione** costituisce la destabilizzazione della proteina rompendo i legami che la stabilizzano, ossia cambiarne la conformazione.
## Proteine che legano ossigeno
Si tratta di emoglobina e mioglobina; due pigmenti respiratori.
Legano ossigeno reversibilmente per poi cederlo ai tessuti bersaglio.
L'**emoglobina** in particolare, lo lega per poi cederlo a tutte le cellule dell'organismo, tranne che ai globuli rossi perché non ne hanno bisogno.
La **mioglobina** si trova nei muscoli e lega ossigeno per permettere ad esso di avere una riserva di O₂, prendendolo dall'emoglobina, in tutti quei casi di sforzo fisico che non permettono all'emoglobina di arrivare in tempi utili al muscolo, la mioglobina si comporta come un traghetto da sangue a muscolo.
La **mioglobina** è più piccola ed avvolta su se stessa.
L'**emoglobina** è più grande ed ha 4 subunità peptidiche, 2alfa e 2beta.
Il gruppo prostestico eme è presente in entrambe le molecole, e si tratta di una parte *non proteica*; chimicamente è una molecola metallo-organica dove è presente ferro che lega con un molecola organica e conferisce idrofobicità, rigidità e planarità; attorno ad esso sono presenti amminoacidi idrofobi.
## Emoglobina e mioglobina
Sono 2 proteine che legano reversibilmente ossigeno.
1. Emoglobina si trova nei globuli rossi del sangue e trasporta ossigeno a tutti i tessuti del corpo.
2. Mioglobina si trova nei muscoli e funge da riserva di ossigeno.
Queste proteine, una composta da 4 subunità peptidiche, e l'altra da una soltanto, contengono il gruppo prostetico, ossia il gruppo **eme**, legato covalentemente alla proteina tramite la catena laterale di un'amminoacido, ossia Hys.
Oltre al fatto che la mioglobina è costituita da una singola catena polipeptidica, mentre l'emoglobina da 4, quest'ultima ha un'altra particolarità: è una **proteina allosterica**.
Le proteine allosteriche sono proteine che si trovano in più di una conformazione e hanno 2 conformazioni limite che si chiamano **tesa** e **rilassata** (rispettivamente inattiva ed attiva).
La conformazione di una proteina allosterica è regolata da modulatori allosterici, i quali sono delle molecole che comunicano tramite legami, legandosi, in dei siti specifici, a delle proteine,
--I **positivi** sono quelli che favoriscono la conformazione rilassata.
--I **negativi** sono quelli che favoriscono la conformazione tesa.
I modulatori allosterici sono un modo per regolare la funzione delle proteine allosteriche, perché con questa modalità NON sono sempre attive o inattive, ma a seconda della presenza di questi modulatori, la funzione viene adattata al momento ed alle necessità.
Nel caso dell'emoglobina, l'ossigeno stesso è il suo modulatore allosterico: nella forma attiva ha più affinità, quindi lega meglio il suo ligando, O₂; nella forma tesa, quella meno attiva, ha meno affinità, quindi rilascia il ligando, ossigeno.
### Gruppo prostetico
Il Fe è un metallo di transizione, e come tutti fa legami dativi, ossia donano entrambi gli elettroni per fare legame con 1 atomo.
Il Fe fa 4 legami con N (dativi/coordinazione); 1 con R di una istidina; 1 con O2 (che c'è o non c'è a seconda dei momenti).
Il ferro dell'emoglobina è sempre ossidato a +2 (ferroso), il legame che si instaura con O2 è detto **ossigenazione**; c'è un **ambiente elettronico complesso**, in questa tasca, che non fa cambiare ossidazione al Fe; in più questa tasca, essendo idrofoba, non fa entrare H2O.
### Modalità di legame dell'O₂ alla mioglobina
Il gradico che lo rappresenta è iperbolico, quindi significa che nel primo tratto abbiamo una diretta proporzionalità tra la Px di O₂ e il suo legame con la mioglobina (saturazione), aumenta, quindi, man mano che aumenta la concentrazione di O2, la mioglobina ne lega di più.
In queste misurazioni si utilizza una convenzione, cioè quella concentrazione che da metà dell'ossigeno massimo (P50) è la concentrazione di O₂ che porta al 50% di saturazione della miglobina.
Il valore di P50 è 4mmHg, a questa concentrazione, quindi, metà della mioglobina ha legato con O₂, l'altra no.
### Modalità di legame dell'O₂ all'emoglobina
Si ricorda che si hanno due conformazioni limite: testa e rilassata.
Quando l'emoglobina è **tesa**: viene stabilizzata da legami ionici tra le 4 catene; le quali si legano tra loro; questi 8 legami ionici o **ponti salini** mantengono la forma tesa.
Quando ci sono i ponti salini l'emo non ha affinità per ossigeno, perché è in una conformazione che ha poca affinità con il suo ligando e perciò lo rilascia.
La P50 è di 21/22, quindi si può dire che la mioglobina sia più affine all'ossigeno in quando ha una P50 inferiore; il fatto che la P50 sia inferiore è conveniente perché permette di cedere il ligando ai tessuti o altre proteine.
Man mano che l'ossigeno si lega, la forma viene trasformata sempre più in rilassata.
### Effetto di Bohr:
Il legame tra O₂ e il gruppo eme è cooperativo (dativo), di cui ossigeno è modulatore allosterico, ma non è l'unico: anche H⁺ lo è.
A **pH acido** ha meno affinità per ossigeno, quindi lo rilascia, nei tessuti metabolicamente attivi c'è bisogno di ossigeno; a **pH basico** emo ha più affinità con ossigeno, quindi non lo rilascia, nei tessuti non metabolicamente attivi il pH tende ad essere basico.
I modulatori negativi sono H⁺ (indicatore di metabolismo), CO₂ (anch'ella indicatrice di metabolismo e se forma carbammati negativi, stabilizza la forma tesa), e 2,3-bifosfoglicerato.
Il **2,3-BPG** è un acido carbossilico a 3 atomi di C è il più importante modulatore negativo, sempre presente in quantità equimolare all'emoglobina (tutti i tessuti che lo producono hanno bisogno di ossigeno per vivere e questo fa si che il pigmento faccia il suo lavoro).
## Enzimi
Sono quasi tutti proteine e catalizzatori di reazioni biologiche (le velocizzano), hanno elevata specificità (catalizzano un solo tipo di reazione, questo perché ha un sito di legame che lega solo un tipo di molecole).
Operano in **condizioni fisiologiche**: 36/37 gradi, pH 4.2/5.6 e soluzioni acquose.
Funzionano solo se in conformazione attiva, se vengono denaturati non funzionano più (sono "delicati").
La loro attività viene regolata da molecole regolatrici positive o negative e necessitano di cofattori come: **ioni inorganici** (Fe, Mg, Mn, Zn), **molecole organiche**, **molecole metallo-organiche**.
Sono coenzimi se legati non covalentemente e gruppi prostetici se legati covalentemente.
Gli enzimi abbassano l'energia di attivazione richiesta per una reazione, non agendo sul DeltaG di reagenti o prodotti e rimanendo inalterati dalla reazione (tant'è che vengono riclicati al termine del loro compito).
Per legarsi al substrato, l'enzima ha delle regioni dove si lega il substrato e dove riconoscerà il substrato stesso, sono presenti anche **residui amminoacidici** che lavorano per velocizzare la catalisi.
Tutti gli enzimi hanno NOME: indica il substrato; COGNOME: finiscono in -asi e indicano l'attività o il prodotto.
### Energia di legame, su cosa agisce ed a che cosa serve
1. Riduce l'entropia nell'ambiente: l'energia di legame mantiene i substrati nella posizione corretta.
2. Desolvatazione: formazione di legami tra enzima e substrato portano alla rimozione di H₂O del substrato; i gruppi funzionali della molecola sono protetti da acqua, rendendola meno reattiva, l'enzima compete con l'acqua stessa per legare con la molecola in questione.
3. Stiramento o distorsione del substrato: la somma delle interazioni deboli tra enzima e substrato compensano le modifiche termodinamicamente sfavorite del substrato che nello strato di transizione può subire distorsioni, sia elettriche che strutturali.
Per catalizzare una reazione, l'enzima deve essere completamente allo stato di transizione, dove fa il maggior numero di legami con il substrato.
### Enzimi regolatori
Eseguono tutti i processi cellulari: le molecole sono passive poiché gli enzimi le trasformano.
Sono detti **regolatori** perché regolano dei processi, ma anche loro devono essere regolati a loro volta.
E₁: enzima regolatore, che se è molto attivo avvia il processo e va fino alla sua conclusione, ma può venir interrotto, ha 2 classi:
1. 1 classe: enzimi allosterici, che si possono trovare sia nella conformazione limite attiva che l'altra non attiva; tutte proteine costituite da più subunità, sono *finemente regolati*.
2. 2 classe: enzimi regolati da modificazioni covalenti reversibili, possono essere attivi o non attivi.
Gli enzimi regolatori sono a capo solo di **reazioni irreversibili**, perché vanno solo in un senso; se non regolate averrebbero sempre fino ad esaurimento del substrato di partenza.
Gli enzimi possono subire modificazioni covalenti: 1. Fosforilazione: attacco di P sull'enzima, il quale viene preso da donatori di P, il più comune è ATP; il fosfato viene trasferito su un gruppo -OH, formando un legame estereo, in quegli enzimi che hanno una porzione con gruppi OH (aminoacidi Ser, Trn, Tyr); viene svolta da **chinasi**.
2. Defosforilazione: viene rotto il legame estereo tra P e OH della catena laterale degli amminoacidi; fatta dalle **fosfatasi** (PP1, così detta).
Chinasi e fosfatasi sono sotto stretto controllo ormonale e vengono attivate o disattivate tramite il sangue ed i recettori sulle membrane cellulari, facendo avvenire una serie di reazioni a cascata che regoleranno poi questi enizmi.
## Recettori accoppiati a proteine G
Recettori di prima classe, detti anche a **serpentina** poiché attraversano la membrana plasmatica più volte.
I recettori sono proteine che legano specifiche molecole, mentre i meccanismi di trasduzione sono *in comune*, ossia condivisi tra diverse classi.
Nella porzione rivolta verso l'esterno il recettore ha il sito che riconosce la molecola specifica: un'ormone, solitamente.
Nella porzione interna il recettore è legato a delle **proteine G**, tamite legami non covalenti, che sono 3: alfa (legata a GDP), beta e gamma.
Quando l'ormone arriva, legandosi al recettore e comportando un cambio conformazionale sia del recettore stesso, che della proteina G associata, che perdono di affinità nei siti Beta e Gamma e la alfa diventa affine al **GTP**, oltre che ad un enzima di membrana:
**adenilato ciclasi**.
Adenilato ciclasi ha affinità per ATP, convertendola in AMP_c (ciclico).
AMP ciclico è la versione interna dell'ormone, ossia il **2 messaggero**, e rappresenta il termine della trasduzione.
Il termine della trasduzione è segnato dall'attivazione (grazie ad AMP) di **PKA** (protein chinasi), essendo il uso modulatore allosterico positivo, che possiede una tasca specifica per il cAMP, liberando le subunità catalitiche (C) della PKA.
### Cascata dell'adrenalina
Gli ormoni adrenalina e glucagone sono prodotti in condizioni di ipoglicemia, ossia quando il livello di glucosio sanguigno è troppo basso, indicando una carenza di energia significativa.
Nello specifico, il muscolo è sensibile all'adrenalina; mentre il il fegato è più sensibile al glucagone.
Arriva l'ormone che si lega al recettore, legato a sua volta a proteine G; il recettore e le proteine G cambiano conformazione e la sub. alfa si stacca, legandosi al cAMP.
La **fosforilasi**, fosforilata da PKA diventa **attiva**, andando a fosforilare la proteina **glicogeno fosforilasi**, la quale diventa attiva ed inizia a degradare il glicogeno per fornire monomeri di glucosio.
### Recettori canali
Un canale è una prtoeina che permette il passaggio di una molecola attraverso una membrana (è un trasportatore secondo gradiente di concentrazione e quindi passivo).
Quando si lega il suo ligando, il canale si apre e la molecola passa liberamente (come nel caso degli ioni calcio, gruppo di neurotrasmettitori).
### Recettori enzimi
Un esempio è quello del recettore dell'insulina, ormone pancreatico che viene prodotto in presenza di un'elevata quantità di nutrienti; ovviamente possiede dei recettori specifici.
Il recettore per l'insulina è composto da **2 subunità alfa** e **2 beta**, il sito di legame si trova nella subunità alfa.
Quando viene prodotta si lega al sito di legame su alfa e fa si che cambi conformazione, che si esplica nell'attivazione della sua attività enzimatica chinasica (ossia fosforila).
Avendo attività tirosin chinasica, fosforila prima le proprie tirosine; solo successivamente fosforila anche **IRS-1** (insulin receptor substrate 1).
IRS-1 viene fosforilato ben 3 volte, da qui parte poi una serie di altri eventi che coinvolgono altre proteine, alla fine promuove la trascrizione di alcuni geni specifici (il che vuol dire che il segnale arriva fino al nucleo).
Si ottiene che il glucosio viene trasformato in glicogeno.
### Attivazione della glicogeno sintasi da parte dell'insulina
IRS-1 fosforilato si va a legare con **P13K** (chinasi); vicino si trova PIP₂ (un lipide di membrana), il quale viene fosforilato e diventa PIP₃.
Quest'ultimo si lega alla **PKB** (chinasi) che va a fosforilare **GSK3**, che diventa inattiva.
GSK3 se presente insulina è in forma attiva, in questo modo fosforila glicogeno sintasi che svolge il suo compito; da inattiva non fa sintetizzare glicogeno.
Il meccanismo descritto è prettamente muscolare ed epatico.
## Lipidi di membrana
Gruppo di macromolecole, diviso in due categorie:
1. **Lipidi di membrana**: componente principale di tutte le membrane plasmatiche e degli organelli.
2. **Lipidi di riserva**: tipici del tessuto adiposo e riserva di energia.
Entrambe le classi hanno come costituenti gli **acidi grassi**.
### Acidi grassi
1. Hanno gruppo carbossilico (si chiamano acidi per un motivo).
2. Hanno una lunga coda idrocarburica o alchilica.
Quando c'è C=C, la presenza del doppio legame comporta un po' di rigidità.
La catena idrofobica alchilica fa si che le code "stiano bene" le une vicine alle altre, il che permette di ridurre notevolmente la superificie esposta all'acqua.
**Acidi grassi saturi**, sono più compatti quindi c'è meno fluidità.
**Acidi grassi insaturi**, sono meno compatti, quindi c'è un alto grado di fluidità.
### Lipidi di riserva
Sono **trigliceridi** o **trigliceroli** (poiché sono esteri del glicerolo).
I trigliceroli sono 3 acili, quindi 3 radicali di acido grasso (hanno un ossigeno con 1 solo elettrone spaiato), esterificati con il glicerolo (un trialcol).
Il legame si forma tra il gruppo -OH del glicerolo (e ne ha ben 3) ed il gruppo carbossilico dell'acido grasso.
In ogni caso i trigliceroli (che chiameremo solo trigliceridi d'ora in poi), sono la forma degli acidi grassi all'interno delle cellule chiamate **adipociti**, in quanto sono molecole stabili ed inerti che "non danno particolare fastidio".
Sono chiaramente molecole idrofobiche, dal momento che non vi sono H liberi (legati ad atomi molto elettronegativi) per poter formare legami idrogeno.
### Lipidi di membrana Le membrane biologiche sono delle strutture che delimitano la cellula o compartimentano il suo interno: hanno, quindi, la funzione di dividere ambienti diversi per permettere una migliore organizzazione dei processi che avvengono all'interno della cellula, la separazione non è, tuttavia, **totale** perché comunque serve che ci sia comunicazione tra citoplasma ed esterno.
Le membrane sono costituite da *lipidi* che conferiscono una natura idrofobica, questo vuol dire che le molecole polari non sono in grado di passare liberamente (schema a mosaico fluido).
Sulla superficie sono presenti proteine:
1. Di **transmembrana**, cioè che attraversano la membrana ed hanno 1 porzione esterna, 1 che attraversa il doppio strato fosfolipidico ed 1 interna; il tratto transmembranoso è costituito da amminoacidi idrofobi che instaurano interazioni idrofobe con il doppio strato fosfolipidico.
2. **Periferiche** o **associate alla membrana**, cioè ancorate alle teste polari dei lipidi.
Queste proteine permettono la comunicazione tra interno ed esterno.
Ricapitolando:
-I **recettori** permettono la **comunicazione**.
-Le **proteine** permettono il **trasporto di molecole**.
### Fosfolipidi
Si dividono in 2 classi:
1. **Derivati del glicerolo**: glicerolo esterificato da 2 acidi grassi ed il 3 -OH che lega un gruppo fosfato, a sua volta legato ad una molecola idrofila; la loro natura chimica li fa posizionare all'interno del doppio strato lipidico (infatti si chiama doppio strato *fosfo*lipidico).
Molto simili ai trigliceridi, soltanto che posseggono, al posto del 3 acido grasso esterificato al glicerolo, un -OH esterificato con fosfato e molecola idrofila.
**Esterno** -> teste polari dove troviamo il fosfato.
**Interno** -> troviamo le code aciliche molto apolari (idrofobe).
2. **Derivati della sfingosina**: la sfingosina lega 1 acido grasso ed 1 fosfato con una molecola idrofila; l'acido grasso qui è legato tramite un legame ammidico alla sfingosina.
### Colesterolo
Costituito da un nucleo di cicli fusi assieme, detto **nucleo steroideo** sopra c'è una catena alchilica idrocarburica; conferisce quindi una spiccata idrofobicità.
Presente soltanto un -OH, che conferisce un lieve grado di idrofilicità, che in molti casi è esterificato ad un acido grasso per costituire poi i vari esteri del colesterolo.
Il colesterolo è una molecola molto importante perché è effettivo costituente della membrana plasmatica nonché precursore chimico degli ormoni sessuali (ma non solo).
## Trasporti
I trasportatori sono proteine.
Per poter entrare nella cellula le molecole idrofile devono:
1. Solvatarsi.
2. Interagire con la parte idrofila.
3. Passare.
4. Risolvatarsi.
I trasportatori abbassano il DeltaG di trasporto creando un ambiente "comodo" per la molecola, in modo che riesca a portarla dall'altro lato della membrana.
I trasportatori sono specifici, cioè ogni molecola / classe di molecole ha / hanno il loro trasportatore specifico.
1. **Secondo gradiente** di concentrazione, di carica o pH -> non necessitano di energia (ATP).
2. **Contro gradiente** di concentrazione, di carica o pH -> hanno bisogno di energia (ATP).
Quasi tutte le molecole organiche hanno un trasportatore e quasi tutte sono secondo gradiente di concentrazione.
Per gli ioni invece (come ad esempio Sodio, Potassio o Calcio):
-Se **secondo gradiente** si parla di canali.
-Se **contro gradiente** si parla di pompa.
Per esempio, se il glucosio dovesse voler entrare nella molecola, si legherà al suo sito specifico sul trasportatore, questo cambierà conformazione aprendo il canale, il glucosio passerà e successivamente il trasportatore ritornerà alla sua forma iniziale.
I trasportatori che trasportano due molecole sono detti di cotrasporto e sono di due tipi in base alla direzione:
1. **Simporto**: stessa direzione.
2. **Antiporto**: direzione opposta.
Il **trasporto attivo** richiede energia, generalmente ATP o qualche altra forma di energia:
a. ATP -> ADP per trasportare la molecola da dove è più concentrata a dove lo è di meno.
b. Fa un cotrasporto -> controgradiente (S₂) e prende l'energia dal cotrasporto della molecola secondo gradiente (S₁).
Un'esempio di trasporto attivo è la **pompa sodio-potassio ATPasi**; fa uscire 3 sodio per portare dentro 2 potassio facendo questo mantiene la concentrazione di sodio e potassio e creando uno **squilibrio di carica** (dentro negativa e fuori positiva).
## Le vie metaboliche 
Il metabolismo è come la cellula elabora, secondo il progetto cellulare, le macromolecole; ogni classe di molecole è a se stante e le vie metaboliche sono **collegate tra loro**, perciò necessitano di una **regolazione**, sono divisibili in 2 gruppi:
1. Cataboliche o di **degradazione**: la loro funzione è di scindere molecole grandi in molecole più piccole; ci sono anche dei processi che "sfruttano"" l'energia utilizzando l'energia ricavata da questi processi per ricaricare l'ATP, generando prodotti di scarto.
L'energia ottenuta dai nutrienti = ATP + prodotti di scarto.
2. Anaboliche o **biosintetiche**: da molecole piccole, vengono generati polimeri più o meno grandi (o molto grandi, come nel caso delle proteine), consumando ATP.
Entrambi questi processi avengono sempre contemporaneamente e parallelamente.
Per dire, ogni giorno 1 uomo adulto consuma circa 40Kg di ATP.
La cellula tende sempre ad avere 10 ATP per ogni ADP, quando l'equilibrio si rompe, viene risintetizzata atp.
Ci sono vie cicliche ove convergono sia catabolismo che anabolismo.
Le molecole contenute nei nutrienti e l'energia deriva dal carbonio e questa dipende dal suo stato di **ossidazione**; è energia **elettrochimica**.
La cellula raccoglie [e-] per produrre ATP, ciò avviene sempre a stadi, per raccogliere elettroni ci sono diverse molecole che si riducono che fungono da "cesti".
Minore energia: diossido di carbonio.
Massima energia: metano.
**<u>Le deidrogenasi:</u>** sono enzimi che catalizzano ossidoriduzioni, gli [e-] vengono raccolti da coenzimi:
1. Possono essere **nad⁺ dipendenti / nadh dipendenti**.
2. Possono essere **fad dipendente / fadh₂ dipendenti**.
#### I veri nutrienti
Grassi, polisaccaridi e proteine diventano tutti **acetil-CoA**.
L'acetile si può considerare una forma parzialemente ossidata dei nutrienti; ogni C deve diventare +4, ci sono 8e- da raccogliere, e vengono raccolti nel ciclo dell'acido citrico e si arriva poi all'ATP tramite fosforilazione ossidativa.
### Nucleotidi I nucleotidi sono composti da uno zucchero legato ad una base azotata ed uno più gruppi fosfato.
I nucleotidi sono trasportatori di energia chimica, cioè è in grado, attraverso l'idrolisi di 1 o 2 gruppi fosfato di fornire energia a tutti i processi endoergonici che la richiedono.
#### Adenosin trifosfato (ATP)
Nucleotide; ha una base azotata legata ad uno zucchero tramite legame glicosidico, si ha poi un fosfato legato al ribosio tramite legame esterico e i 2 fosfati successivi legati tramite legame anidridico.
I fosfati sono nominati in ordine di prossimità allo zucchero: alfa il più vicino, poi beta e infine gamma.
Con il distacco di un fosfato libera energia perché il DeltaG dell'ADP è più bassa di quella dell'ATP, questa molecola ha molte cariche negative perciò è meno stabile dell'ADP.
DeltaG = -30,5 Kj/mol.
Viene consumata nei processi **endoergonici**, anche se il consumo di ATP è NON parallelo, ossia partecipa alla reazione.
Ricaricare AMP (quindi con 2 fosfati utilizzati) è molto dipendioso, difatti servono ben 2ATP per poter ottenere 2ADP.
ATP si **stabilizza** subendo idrolisi dei suoi gruppi fosfato, ci sono altre molecole con tale comportamento.
### Altre molecole donatrici di fosforo
1. **Fosfoenolpiruvato**: cede fosfato e si stabilizza tramite tautomerizzazione; DeltaG -61,9Kj/mol.
2. **1,3-bifosfoglicerato**: DeltaG: -49,3Kj/mol.
3. **Fosfocreatina**: DeltaG: -43Kj/mol.
Tutte queste molecole possono essere usate per aggiungere fosfati all'ADP.
#### Coenzima A
Nucleotide e anche coenzima; ha come gruppo funzionale un **gruppo tiolico (-SH)**, attraverso il quale svolge la sua funzione, cioè quella di trasportare acili attivati, legando un acido attraverso legame tioesterico con il gruppo -SH; in questo caso, ovvero quando è presente il legame di coniugazione al coenzima, si dice che il CoA è **attivo** e prende il nome di **acetil-**.
Dopo scissione del legame tiostere avremo il sistema acetato/acido acetico e CoA.
DeltaG: -31,4Kj/mol -> poco più dell'idrolisi dell'ATP.
L'energia liberatasi può essere usata per attaccare un fosfato dall'ADP.
Quando la cellula ha bisogno di sintetizzare acetil-CoA, quindi ricorre ad idrolizzare 2ATP perché 1ATP non è sufficiente, la reazione è quindi **spostata a destra**.
Il CoA ha come funzione quella di trasportare acidi grassi ove servono; l'energia prodotta può essere conservata (nei legami tioesterici) e riciclata
#### Nicotin ammide adenin dinucleotide (NAD⁺)
Nucleotide perché composto da 2 nucleotidi; il [+] è presente poiché l'N della nicotinammide è carico positivamente.
Lavorano con la deidrogenasi, enzimi mediatori delle **ossidoriduzioni**.
Raccoglie [e-], prendendo protoni sulla nicotinammide; quando si ossidano prendono due elettroni alla volta sempre sottoforma di **H^-**.
Il NADH è solubile e lavora su enzimi ma non vi è legato.
#### Flavin adenin dinucleotide (FAD⁺)
Dinucleotide anch'esso; legato covalentemente all'enzima.
Trasferisce [e-] sottoforma di 2 atomi di H (sono sempre 2e- ma in forma diversa); quando ne accetta i 2 atomi di H si legano dove c'è **l'anello isoallossazinico**
Questi due dinucleotidi sono molto importanti perché hanno funzione di **accettori di elettroni** [e-] quando sono **ossidati** e invece hanno funzione di **donatori di elettroni** [e-] quando sono **ridotti**.
Entrambi sono coenzimi e lavorano con degli enzimi chiamati **deidrogenasi**, enzimi che catalizzano reazioni di ossidoriduzione.
Donano ed accettano sempre 2e- alla volta.
#### cAMP Il fosfato fa 2 legami esterei con lo zucchero creando un ciclo; deriva dall'ATP dopo che ha perso 2 gruppi fosfato e si è formata una ciclizzazione.
2 messaggero che viene sintetizzato in risposta agli ormoni adrenalina o glucagone.
## Metabolismo del glucosio
Il glucosio è un monosaccaride; può essere poli-idrossialdeidico o poli-idrossichetonico (se in chetosi); ha 6 atomi di C, aldoso, la concentrazione deve essere di 5mM (glicemia).
Se la glicemia è alta si dice *iperglicemia*.
Se la glicemia è bassa si dice *ipoglicemia*.
Questa concentrazione consente a tutti i tessuti di avere a disposizione la quantità corretta di glucosio per espletare le loro funzioni vitali, degradandolo in acetile/acetato e ricavarne ATP.
Ci sono tessuti che utilizzano soltanto glucosio, come sangue e cervello.
La regolazione della glicemia è ad opera di ormoni specifici:
1. **Insulina**: ormone pancreatico secreto dalle cellule Beta delle isole di Langherhans, è **ipoglicemizzante**.
2. **Glucagone** o **adrenalina**: **iperglicemizzanti**.
Questi ormoni soprattutto a livello epatico, in quanto il fegato può immettere in circolazione glucosio mediante vie metaboliche che solo lui possiede.
Il glucosio è idrosolubile (e nemmeno poco) e polare; trovandosi nel sangue deve entrare nelle cellule e per fare ciò necessita di un **trasportatore** (Glut).
Nel sangue è libero, quando entra nelle cellule, però, tramite una chinasi viene fosforilato, per evitare che possa poi uscire autonomamente; solo dagli epatociti può uscire liberamente, in quanto è presente un enzima che lo defosforila, la **fosfatasi**, secondo gradiente di concentrazione, ovvero quando l'organismo è in **ipoglicemia**.
Il glucosio può andare incontro a diversi destini in base alle necessità della cellula:
1. Entra in **glicolisi** dove viene convertito in piruvato, il quale diventa poi acetil-CoA che viene ossidato nel *ciclo di Krebs* in CO₂.
2. Può essere convertito in **ribosio**, un altro zucchero.
3. Può diventare la forma di riserva energetica, il **glicogeno**, il quale può essere poi riconvertito a sua volta in glucosio.
4. Se sono presenti tanto glucosio, glicogeno e tanto ribosio-5-fosfato, il che vuol dire che c'è molta ATP, allora si converte in **lipidi** (che formeranno l'adipe).
Gli zuccheri sono usati anche per glicosilare le proteine.
### La glicolisi:
Avviene in tutte le cellule è una **via citoplasmatica**, il suo prodotto finale è il piruvato, cioè un acido a 3C; da 1 molecola di glucosio ne otteniamo 2 di piruvato.
La glicolisi è una parziale ossidazione del glucosio, ed è ovviamente una via *catabolica* che avviene in 10 reazioni:
-**5 reazioni** sono la fase preparatoria, dove viene fosforilato il glucosio e convertito in gliceraldeide 3 fosfato.
-**5 reazioni** sono la fase di recupero energetico, avviene la conversione ossidativa della gliceraldeide 3 fosfato in piruvato, accoppiata alla formazione di ATP e NADH.
#### Dettagli della glicolisi:
1. Fosforilazione del glucosio, tramite legame estereo; il fosforo è preso dall'ATP ad opera della **esochinasi**, consumando 1 ATP.
Avviene sempre non appena il glucosio entra nella cellula, non fa parte della glicolisi ma serve per intrappolare la molecola all'interno.
2. Interviene un enzima che lo isomerizza, la **fosfoesosio isomerasi**, in fruttosio, quindi in chetoso.
3. Avviene una fosforilazione ad opera della **PFK-1** (fosfofrutto-chinasi 1), che fosforila il fruttosio-6-fosfato in fruttosio 1,6-bifosfato, tramite 1 ATP, questa è la **prima tappa della glicolisi** e serve per rendere meno stabile il fruttosio-1,6-2P.
4. Interviene un enzima, **aldolasi**, che lo spezza in 2, ossia in gliceraldeide 3-fosfato e il diidrossiacetonfosfato.
5. La cellula converte il secondo prodotto nel primo, quindi si ottengono 2 molecole di gliceraldeide 3-fosfato, tramite enzima **triosio fosfato isomerasi**.
<u>IN QUESTA PRIMA FASE IL CONTENUTO ENERGETICO NON È CAMBIATO. </u>
6. La gliceraldeide 3-fosfato viene interconvertita in 1,5-bifosfoglicerato tramite reazione di ossidazione e successiva aggiunta di fosfato.
Il gruppo aldeidico viene ossidato da una **deidrogenasi NAD⁺ dipendente: l'aldeide diventa un acido (il C passa da +1 a +3, NAD prende 2 elettroni sottoforma di idruri) e ogni NADH forma 3 ATP (per un totale di 6 ATP), ed 1 protone che acidifica il mezzo.
Questo protone, per fare un collegamento con l'inizio di questi argomenti, è presente se la cellula è metabolicamente attiva ed è modulatore allosterico dell'emoglobina, che deve rilasciare ossigeno ai tessuti attivi.
**VENGONO SINTETIZZATE 2 ATP**
7. L'1,3-bifosfoglicerato è un donatore di fosfati, che viene ceduto ad ADP per formare ATP; ad opera di **fosfoglicerato chinasi**; si forma quindi 3-fosfoglicerato e il fosfato che era il posizione 1 va all'ADP, formando ATP.
Si tratta di una *fosforilazione a livello del substrato* cioè che porta subito alla formazione di ATP.
8. Il 3-fosfoglicerato viene convertito in 2-fosfoglicerato, tramite una **fosfoglicerato mutasi** che elimina il fosfato alla posizione 3 per spostarlo sulla posizione 1.
9. Il 2-fosfoglicerato viene convertito in **fosfoenolpiruvato**, tramite un'**enolasi** che sottrae una molecola di H₂O, si forma il C=C e quindi il fosfoenolpiruvato.
**VENGONO SINTETIZZATE 2 ATP**
10. Il **fosfoenolpiruvato**, trasferisce anch'esso facilmente un fosfato ad un'altra ADP, che diventa ATP; il fosfoenolpiruvato diventa quindi **piruvato** ad opera di una chinasi, la **piruvato chinasi**.
Come prima è una fosforilazione a livello del substrato e si formano quindi 2 ATP.
<u>Il bilancio finale è:</u> 2+6 ATP e 2 piruvato.
#### Piruvato
Può essere usato per la sintesi di amminoacidi, così come alcuni intermedi della glicolisi.
Il piruvato di per sè è lo snodo per altre vie metaboliche: dal punto di vista catabolico può avere 2 destini alternativi in base al tessuto in cui si trova.
Può essere ossidato <u>soltanto</u> in condizioni aerobie.
Se si trova in condizioni di anaerobiosi, come nel muscolo in determinate istanze, può instaurarsi una via anaerobica detta **lattacida**, ossia con produzione di acido lattico, per fornire poca, seppur presente, energia.
#### Sintesi anaerobia
Avviene ad opera di un enzima, la **lattato deidrogenasi**, tramite una reazione reversibile che riduce il C in posizione 2 del piruvato che diventa alcol da chetone quale era, tramite NADH che diventa NAD⁺.
Il bilancio energetico è di solo 2 ATP.
Ha dei vantaggi:
1. In un muscolo in attività, la glicolisi è molto veloce quindi il NAD⁺ può "rallentare"; nel citoplasma ci sono concentrazioni di Nicotinammidedinucleotide molto basse, mentre ce n'è molto nei mitocondri; senza questo dinucleotide la glicolisi si ferma, quindi grazie a questa sintesi anaerobia viene riformato.
2. Il muscolo ha solo bisogno di ATP, quindi immette nel sangue il lattato prodotto, sgravandosi una fatica metabolica, il quale arriva fino al fegato dove viene convertito in glucosio nel **ciclo di cori**.
#### Reazione di congiunzione tra glicolisi e ciclo di Krebs
L'obiettivo del piruvato è quello di entrare nel mitocondrio, tramite un trasportatore: per fare ciò subisce una reazione di **congiunzione**.
Per fare questa reazione è necessario un complesso enzimatico della **piruvato deidrogenasi**, composto da ben 5 coenzimi:
1. CoA-SH
2. NAD⁺
3. TPP
4. Lipoato
5. FAD
Sicuramente sarà presenta una ossidoriduzione; infatti si ossida il piruvato e si ottiene il NADH, da 3 ATP del piruvato si ottiene l'acetato 2C.
Si è perso un atomo di carbonio completamente ossidato, che esce come CO₂.
<u>Con la decarbossilazione</u> si ossida anche il C che era +2 ed è diventato +3, inoltre, l'acetato viene coniugato al coenzima-A con legame **tioestere**.
Essendo una reazione **irreversibile** è sottoposto a regolazione.
### Gluconeogenesi
Via metabolica neosintetica che consuma ATP e sintetizza glucosio da piruvato; avviene solo nel fegato e nella corteccia delle ghiandole surrenali.
Il piruvato non deriva dal glucosio, non essendo presente, quindi deriva dagli amminoacidi (Ala) o da precursori non saccaridici del fegato.
Le reazioni irreversibili della glicolisi sono sostituite da altre reazioni che ci permettono di avere quel prodotto (1, 3 e 10 reazione); vengono consumate in tutto 12 ATP.
Ha 1 reazione aggiuntiva perché il fosfoenolpiruvato non è facile da sintetizzare in una reazione unica (avvengono nel mitocondrio):
1. Il piruvato tramite la **piruvato carbossilasi**, diventa *ossalacetato* e vengono aggiunti un C ed un gruppo carbossilico in più.
L'ossalacetato è un acido dicarbossilico a 3C, necessario a fornire ATP per aggiungere 1 C in più.
2. L'ossalacetato viene convertito dal **fosfoenolpiruvato carbossichinasi**, la quale elimina il gruppo carbossilico in più, a spesa di un GTP che diventa GDP, per fornire il **fosfoenolpiruvato**.
Queste due reazioni nel loro insieme sono irreversibili.
Ripercorrendo le reazioni reversibili della glicolisi fino ad arrivare al **fruttosio 1,6-bifosfato**, tramite una **fruttosio q,6-bifosfatasi 1**, chinasi che toglie un fosfato per ottenere il fruttosio 6-fosfato.
Anche questa reazione è irreversibile.
Il fruttosio 6-fosfato viene isomerizzato a glucosio 6-fosfato, proprio questa molecola viene defosforilata a glucosio e ciò avviene solo nel fegato perché è l'unico organo che possiede una chinasi, la **glucosio 6-fosfatasi**, in grado di compiere la reazione di defosfatazione.
L'ossalacetato può essere convertito in **malato** per uscire dalla cellula, in quanto privo di trasportatori (al contrario del malato) propri: adopera perciò lo **shuttle ossalacetato-malato**.
In tutto la gluconeogenesi spende 12 ATP, bilancio superiore rispetto alla glicolisi (se partisse da ossalacetato, e può, risparmia 2 ATP).
### Regolazione di glicolisi e gluconeogenesi
Gli enzimi regolano questi processi, ma a loro volta sono sottoposti a regolazione (come gli enzimi regolatori allosterici, modulati dalla presenza di determinate molecole o gli enzimi fosfatasi o defosfatasi che sono regolati invece da ormoni).
Gli enzimi si possono regolare in molteplici modi:
-Controllo allosterico.
-Controllo mediante modificazioni covalenti.
-Degradando l'enzima.
-Promozione della sintesi dell'enzima.
-Enzima legato ad una proteina.
-Sequestro dell'enzima in un dipartimento cellulare (organello).
La glicolisi è regolata da carenza ed eccesso di ATP; quando questa via è molto promossa, nel fegato la regolazione però è più "complessa".
##### Il fegato
Non ha esochinasi 1, ossia l'enzima che fosforila il glucosio appena entra nelle cellule, ma possiede **esochinasi 4** e **glucochinasi**
Il fegato usa glucosio solo quando è in eccesso (difatti la glucochinasi funziona a concentrazioni di glucosio pari al doppio della glicemia).
Tornando a glucogenesi e glicolisi, la tappa principe è quella dove la PFK-1 trasforma il glucosio 6-P in fruttosio 1,6-2P.
Le seguenti molecole sono modulatori allosterici della glicolisi:
-ADP e AMP sono modulatori positivi (promuovono PFK-1).
-ATP e modulatore negativo (inibisce PFK-1).
**<u>IL FRUTTOSIO 1,6-BIFOSFATO</u>**
Regola la gluconeogenesi e la glicolisi; non è molecola nativa all'ambiente ma di controllo embrionale, in base alla sua presenza o assenza regola queste 2 vie metaboliche.
Deriva dal fruttosio 6-P sul quale agisce la PFK-2, sintentizzandolo, mentre elimina la FBPasi-2 che allontana il fosfato e lo fa ritornare fruttosio 6-P.
PFR-2 e FBPasi sono lo **stesso enzima**, bifunzionale, sia con attività chinasica che fosfatasica.
L'attività fosfatasica è a sua volta regolata ormonalmente:
1. Dipende dal suo stato di fosforilazione: se fosforilata è fosfatasica; chinasica se defosforilata.
2. In stato di **ipoglicemia** viene prodotto glucagone e viene sintetizzato cAMP, si attiva quindi la PKA che fosforila l'enzima bifunzionale -> <u>promuove gluconeogenesi</u>.
3. In **iperglicemia**, viene prodotta l'insulina la quale attiva la PP1 (fosfoproteina 1), quest'ultima stacca dei fosfati dall'enzima bifunzionale defosforilandolo; si attiva la funziona fosfatasica, presente fruttosio 6-P -> <u>promuove glicolisi</u>.
Nel fegato la regolazione è sempre ormonale (insulina e glucagone) e dipendentemente dalla presenza, o assenza, del F26BP, si attiva una di queste vie: attivazione della glicolis; inibizione della gluconeogenesi.
L'ultima tappa della **glicolisi** è fiancheggiata dalle prime tappe della **gluconeogenesi** e perciò sottoposta a regolazione
Regolare questa tappa, ossia la conversione del fosfoenolpiruvato in piruvato permette di non confonderla con quella inversa.
Soprattutto nel fegato, l'enzima che svolge l'ultima tappa della glicolisi è la **piruvatochinasi**, controllatato da fosforilazione e si trova fosforilato, ad opera della PKA, (inattivo) o defosforilato (attivo).
La PKA è sempre attiva se si ha glucagone, alcuni suoi modulatori allosterici sono: ATP, acetil-CoA, acidi grassi (tutti negativi).
### Degradazione e sintesi del glicogeno
Il glicogeno funge da riserva di glucosio; alcuni tessuti, in particolare fegato e muscolo, hanno una grande riserva di glicogeno.
I depositi di glicogeno creati in iperglicemia vengono continuamente fatti e disfatti.
I legami che formano il glicogeno sono legami **alfa 1->4 glicosidici** tra C6 e C6; non è un polimero lineare, bensì è ramificato ed anche molto idrosolubile vista la quantità di gruppi -OH presenti, c'è da dire che la sua idrofilicità è però mitigata dalla quantità di ramificazioni presenti che "mitigano" questa proprietà.
La sintesi di glicogeno è una strategia per abbassare la glicemia:
1. Il **muscolo**: lo fa per se stesso, in modo da averne quando ne ha bisogno (è in attività).
2. Il **fegato**: fa dei depositi di glicogeno per controllare la glicemia, in pratica ne crea per avere del glucosio a disposizione per gli altri tessuti nei momenti di ipoglicemia.
#### Degradazione del glicogeno
La **glicogeno fosforilasi** scinde queste unità attraverso una reazione chiamata **fosforilasi**, partendo dall'estremità non riducente.
Cioè che si ottiene è il glucosio 1-fosfato e la catena accorciata di 1 unità.
Le unintà di glucosio vengono staccate una ad una dalla glicogenofosforilasi che, arrivata a 4 unità di distanza dalla ramificazione, non è in grado di staccare le unità di glucosio vicine al ramo, per fare ciò interviene un altro enzima chiamato **enzima deramificatore**, dotato di attività transferasica, che sposta 3 unità della ramificazione sulla catena principale.
La glicogeno fosforilasi ha anche una seconda attività glicosidasica in grado di fare idrolisi delle unità e ottenere glucosio senza fosfato attaccato.
Il glucosio 1-P può essere convertito in glucosio 6-P e può entrare in glicolisi, nel muscolo; se siamo nel fegato ed in condizioni di ipoglicemia, allora può essere rilasciato, previa defosforilazione.
#### Sintesi del glicogeno La sintesi di glicogeno è catalizzata dall'enzima **glicogeno sintasi** e consiste nel creare i legami glicosidici alfa 1->4 e relative ramificazioni.
Come è sempre il caso, sintetizzare un biopolimero non è facile, in quanto abbassa l'entropia di molecole che sarebbero stabili anche da sole, e perciò è richiesta energia chimica sottoforma di ATP.
La strategia utilizzata dalle cellule è quella di utilizzare non monomeri di glucosio, bensì dimeri di **glucosio attivati**, ossia coniugati ad un nucleotide, **UTP** (uracile trifosfato).
La reazione che coniuga le due molecole ha come richiesta energetica i due fosfati dell'UTP, quindi possiamo contarla come 2 ATP; la molecola che si ottiene è il vero e proprio substrato della glicogeno sintetasi, l'**UDP-glucosio**.
La sintesi avviene mediante il legame glicosidico alfa 1->4, promosso dalla fuoriuscita dell'unità di UDP.
La glicogeno sintasi non è in grado di lavorare partendo da 0, ma necessità di un **primer/innesco**, che viene prontamente sintetizzato dall'enzima **glicogenina** il quale sintetizza una stringa da 8 unità di glucosio.
La sintasi non è in grado di fare le ramificazioni, ci sarà un'altro enzima deputato ad iniziarle, un enzima **ramificante**, appunto; il nostro enzima processivo può comunque allungare liberamente le ramificazioni.
### Regolazione di degradazione e sintesi del glicogeno
Sono ancora gli enzimi che regolano questi processi; quindi per regolare la **sintesi**, significa agire sulla **glicogenosintasi**; per regolare la **degradazione** significa agire sulla **glicogeno fosforilasi**.
#### Glicogeno fosforilasi (degradazione)
Enzima regolato da modificazioni covalenti (fosforilazione e defosforilazione), si trova in 2 forme:
1. Fosforilata: attiva.
2. Defosforilata: inattiva e si trovano 2 residui di serina liberi.
Vediamo la presenza "simbolica" di 2 fosfati che sono legati agli -OH della serina, sinonimo di un sito di coordinazione.
I fosfati usati dalle chinasi sono presi sempre dall'ATP; chi fosforila è una chinasi chiamata **fosforilasi chinasi**, quando si trova, quindi, in questa forma fosforilata **degrada il glicogeno**.
Sia glucagone che adrenalina lavorano da "lontano" su questa fosforilazione d'attivazione.
Da **attiva->inattiva** lavora un'enzima chiamato **PP1** (fosfatasi), che idrolizza i fosfati.
La PP1 è sotto controllo insulinico; quando è presente l'insulina è attiva, mentre la glicogeno fosforilasi è inattiva, perché presente glucosio e non serve attingere a scorte; se è presente glucagone l'esatto contrario, PP1 inattiva e fosforilasi attiva, non c'è glucosio e bisogna attingere alle riserve di glicogeno.
L'enzima fosforilasi chinasi ha anche un altro tipo di regolazione, ed avviene allostericamente nel muscolo.
**Nel muscolo** è regolato da ioni Calcio e AMP: il calcio è uno ione che funziona da segnale di vari processi, tra cui la contrazione muscolare e segnala un tessuto che necessita di nutrienti; se abbiamo molta AMP significa che c'è poca ATP e bisogna crearne di nuova.
#### Glicogeno fosforilasi (sintesi)
Il glicogeno viene sintetizzato quando c'è tanto glucosio ed è anche un sistema per abbassare la glicemia, sotto controllo insulinico, il quale, legandosi a specifici recettori, compie diverse azioni:
1. Aumenta il trasporto del glucosio, agendo sui suoi trasportatori, facendoli funzionare di più -> più glucosio entra nelle cellule.
2. Agisce sull'**esochinasi**, enzima che fosforila il glucosio appena entrato nella cellula, convertendolo in glucosio 6-P.
3. Agisce sulla **glicogeno sintasi**, enzima che sintetizza il glicogeno, attivandola; la glico-sint. si trova sempre in una di due forme: **fosforilata**, inattiva; **defofosforilata**, attiva.
La glicogeno sintasi viene fosforilata da una chinasi chiamata **GSK3** (glicogeno sintasi chinasi 3), che fosforilando la glicogenosintasi la *inibisce*.
GSK3, quando attiva, fosforila la glicogenosintasi rendendola attiva, per sintetizzare serve ovviamente che la glicogeno sintasi sia defosforilata e quindi attiva, da ciò si deduce che l'insulina sia inibitore della GSK3; la sintasi viene defosforilata sempre dalla PP1.
L'insulina, legandosi al recettore, induce un cambiamento conformazionale che si traduce nell'attivazione delle subunità Beta (interne alla cellula), dotate di attività **chinasica** le quali fosforilano **IRS-1**.
IRS-1 si attacca poi ad una chinasi di membrana che fosforila un lipide PIP₂, che diventa PIP₃; quest'ultimo attiva **PKB** che fosforila GSK3, rendendola inattiva.
In queste condizioni il glicogeno viene sintetizzato.
#### GSK3
La GSK3 fosforila la glicogeno sintasi inibendola e lo fa solo se lei stessa non è fosforilata.
Nella figura <u>sottostante</u> vediamo come la proteina lavori su un pezzo di glicogeno sintasi: il **gruppo P** della sintasi funge da sito per la GSK3 permettendogli di legarsi alla sintasi stessa, tramite la porzione d'enzima che serve per il riconoscimento del substrato.
Attraverso questa regione la GSK3 posiziona il **sito catalitico** sul -OH della serina, fosforilandone 3.
La GSK3 da fosforilata lega il suo sito di legame su se stessa, inattivandosi e non inibendo la glicogeno sintasi.
#### Trasduzione del segnale all'arrivo degli ormoni
Arriva l'ormone (insulina o glucagone) e si lega ad un recettore accoppiato a proteina G, che risentono di un cambio conformazionale, staccandosi dal recettore; la proteina staccattasi va ad attivare un enzima che si chiama **adenilato ciclasi**, che converte ATP in cAMP, il quale è 2 messaggero, che se presente, attiva una **chinasi** costituivamente presente nelle cellule, attivandola.
Questa **chinasi** una volta attiva va a fosforilare la **fosforilasi chinasi** che a sua volta fosforila la **glicogeno fosforilasi**, enzima che degrada il glicogeno.
Il segnale ormonale, a prescindere da come venga trasmesso all'interno delle cellule, attiva delle chinasi che lavorano una dopo l'altra: la prima è la **PKA**, regolata dal modulatore allosterico cAMP, che si attiva e fosforila la **fosforilasi-chinasi**, attivandola; quest'ultima fosforila la **glicogeno fosforilasi** attivandola e quindi iniziando la degradazione del glicogeno.
La glicogeno fosforilasi è anche un'**enzima allosterico**
### Via del pentosio fosfato
In questa via metabolica, il glucosio diventa ribosio, uno zucchero pentoso, ossia un carbonio viene completamente ossidato a CO₂.
Questa via non utilizza il NAD come coenzima, bensì il NADP⁺, che ha un gruppo fosfato in più rispetto al NAD, non serve comunque per la sintesi di ATP ma ha altre funzioni.
Questa via:
1. Serve per recuperare NADPH e produrre pentosi.
2. Avviene nel citoplasma e perciò legata alla glicolisi.
3. Il ribosio serve perché è un importante costituente dei **ribonucleotidi**.
4. Serve per trasformare zuccheri a "numeri strani" di C, in molecole a 6C per potere far entrare in glicolisi.
5. Costituita da 4 reazioni, di cui 2 ossidoriduzioni.
6. Il 6-fosfogluconato, con il COO- verrà ossidato e diventerà CO₂.
7. Il NADPH è coenzima degli enzimi chiamati **riduttasi**; servono per la sintesi di acidi grassi (/replicazione cellulare/membrana cellulare) e per la conversione del **glucatione** (piccola molecola che funge da antiossidante biologico) ossidato GSSG a glucatione ridotto GSH.
La regolazione è deputata al NADPH, che la inibisce; ci possono essere condizioni dove la cellula non ha bisogno di entrambi i prodotti ma soltanto di uno.
Se avesse bisogno di NADP, ci sono 3 reazioni che convertono il ribosio 5 fosfato in glucosio 6 fosfato tramite enzimi chiamati **transaldolasi** e **transchetolasi** (riduttasi).
Attraverso queste reazioni, da 3 molecole 5C si ottengono 2 molecole 6C, che possono entrare in glicolisi.
## Catabolismo degli acidi grassi
Gli acidi grassi sono una catena carboniosa legati ad idrogeni, che può contenere anche doppi legami, o **insaturazioni**; il loro gruppo funzionale è il gruppo carbossilico.
Sono molecole ridotte (CH₂ è a -2), ciò vuol dire che richiedono più ossidazioni ma ricaricano una quantità molto più alta di ATP.
C'è diretta proporzionalità tra quantità di elettroni raccolti e quantità di ATP ricaricata/prodotta.
Nel corpo si trovano sotto forma di **trigliceridi**, a volte contenuti negli adipociti come riserva di energia.
I trigliceridi **assunti con la dieta** vengono scissi nell'intestino da parte di enzimi digestivi chiamati lipasi, che scindono i trigliceridi in **acidi grassi liberi** e **glicerolo**; essendo grandi molecole, non possono entrare facilmente nella membrana cellulare, quindi la scissione avviene precedentemente al loro ingresso nelle cellule della **mucosa intestinale**.
Una volta scissi ed entrati nelle cellule, vengono riassemblati in trigliceridi e rimessi in circolo sottoforma di **chilomicroni**.
I chilomicroni sono costituiti da trigliceridi, colesterolo e particolari proteine.
Arrivati ai tessuti, queste proteine; arrivati i tessuti, le proteine fungono da "segnali" per fare in modo che si fermino da qualche parte; arrivati a destinazione, vengono scissi per rientrare nelle cellule sotto forma di acidi grassi liberi, venendo poi utilizzati per creare energia.
Nonostante siano molecole biologiche, per attraversare la membrana cellulare necessitano di trasportatori.
Se la cellula non necessita di ATP, il corpo accumula trigliceridi negli adipociti.
### Adipociti
I trigliceridi si trovano nel citoplasma, molto compatti per ridurre la superficie a contatto con H₂O e sono circondati da proteine chiamate **peripiline** (che formano la goccia lipidica).
Questi trigliceridi assemblati insieme negli adipociti rappresentano una forma di riserva energetica; usati nel momento del bisogno, cioè quando non ci sono nutrienti in circolo -> la loro mobilitazione è sotto controllo dell'ormone **glucagone**.
Se viene prodotto glucagone significa che siamo quantomeno in ipoglicemia, quindi carenza di energia, e viene attivata la **PKA**, che fosforila le peripilina, inducendo un cambio conformazionale che rende la goccia **più accessibile**.
La PKA fosforila anche la **lipasi ormonesensibile** (HSL), che viene attivata, entrando nella goccia lipidica ed esplicando la scissione dei trigliceridi in acidi grassi e glicerolo.
Gli acidi grassi liberi esccono dall'adipocita e vanno in circolo; per essere trasportati serve l'**albumina del siero**, che funge da trasportatore mediando la solubilizzazione dell'acido grasso nel sangue, legando le parti idrofobiche degli acidi grassi riesce a solubilizzarsi nel sangue.
Essendo in circolo potranno seguire il destino sopra descritto.
### Catabolismo degli acidi grassi
Per utilizzare i trigliceridi devono essere scissi in 3 acidi grassi e glicerolo; entrambi questi prodotti sono utilizzati (il glicerolo potrebbe entrare in glicolisi per gli intermedi, come gliceraldeide 3-P). I grassi sono usati dal muscolo per il suo metabolismo basale.
Il loro metabolismo è **mitocondriale** , ma prima di giungervi devono essere attivati, il che è sinonimo di **coniugazione ad Acetil-CoA**.
Legando un acido grasso all'acetil-CoA tramite legame tioestere rende un **acil-CoA**, detti attivati perché dalla rottura di quel legame si libera energia, circa 31,4 Kj/mol.
Il legame al CoA avviene dopo uso di 2 ATP, anche se parte dell'energia viene conservata nell'acile risultante.
L'enzima che promuove questa reazione si chiama **acil-CoA sintetasi**; nel mentre partecipa anche AMP, formando un intermedio con la reazione stessa: sarà la sua fuoriuscita a promuovere la formazione del legame tioestere.
Le sintetasi usano ATP, le sintasi altre forme di energia.
Per entrare nel mitocondrio serve un trasportatore, che il CoA non possiede, come fa quindi a svolgersi questa ossidazione?
L'acile deve essere trasferito ad una molecola di **carnitina** (attivo antiossidante).
La carnitina ha a disposizione un trasportatore; formatosi l'**acilcarnitina**, entra nel mitocondrio.
La coniugazione avviene ad opera della **carnitina aciltransferasi**; entrato nel mitocondrio questo legame con la carnitina si rompe e si riforma il legame tioestere; a questo punto subisce il processo di degradazione.
Il processo di degradazione degli acidi grassi si chiama **Beta-ossidazione**, che perdura per più di 1 ciclo, per produrre:
1. 8 molecole di aceil-CoA, che andranno poi in Krebs, il raccoglitore di tutti gli acili prodotti dalla degradazione dei nutrienti.
Ogni 2 atomi ci C, uno deve diventare un carbossilico e queste ossidazioni avvengono a "pezzi" (nel caso di una molecola a 16c, ci saranno 7 tagli o cicli di beta-ossidazione).
I coenzimi ossidanti saranno a loro volta ridotti **NADH₂** e **FADH₂** raccoglieranno elettroni.
2. 7 NADH₂ (ognuno 3 ATP).
3. 7 FADH₂.
Per un totale di 35 ATP; anche se la resa in acetili è dipendente dalla lunghezza dell'acido grasso.
## Biosintesi acidi grassi
Un eccesso di nutrienti (zuccheri, proteine, etanolo) porta a questa via citoplasmatica.
Se prendiamo, ad esempio, un eccesso di glucosio può venire degradato più lentamente, o depositato sottoforma di glicogeno, ma le sue scorte sono limitate; presto ci ritroveremo in un'eccesso di acetil-CoA, che finirà in un ciclo di Krebs rallentato.
Questo accumulo mitocondriale di acetili verrà depositato, sotto forma di acidi grassi, negli adipociti.
Il citrato ha un trasportatore e può uscire dal mitocondrio, mentre l'acetile diventa citrato mediante la **citrato sintasi**.
Ora avremo un'alta concentrazione di citrato nel citoplasma; che verrà scisso in acetil-CoA e ossalacetato una volta uscito dalla cellula.
L'assenza di trasportatori è anch'essa una forma di **regolazione** (NAD⁺, ossalacetato, acetil-CoA e citrato sono tutti mitocondriali).
Il trasportatore ha una **bassa affinità** per il citrato e quindi lo riesce a portare fuori solo quando è in eccesso; gli enzimi, spesso sono legati l'uno all'altro per **incanalamento dei substrati**, è quindi come se la molecola fosse intrappolata e venisse trasformata; nella **citratoisomerasi** vediamo che il citrato viene incanalato e se ce n'è tanto, può risultare rallentato; rimane così nel citoplasma ed il trasportatore può muoverlo.
Uscito, viene scisso dalla **citratoliasi** la quale coniuga anche l'acetato al CoA, usando 1 ATP per formare il legame tioestere.
Ora che l'acetile è nel citoplasma può essere usato per la biosintesi degli acidi grassi; l'ossalacetato rientra nel mitocondrio sottoforma:
1. **Di malato**: shuttle ossalacetato-malato
2. Prima di divetare malato, subisce una **decarbossilazione ossidativa** e viene convertito in piruvato, tramite enzima **malico** (deidrogenasi) che utilizza il NADP⁺ ridotto a NADPH; quest'ultimo è coenzima di **reduttasi**, si forma nella via del piruvato 5 fosfato ma serve anche alle **reduttasi della sintasi degli acidi grassi**.
Il citrato è servito sia per portare fuori l'acetile e sia per formare NADPH, perdendo un atomo di carbonio.
L'acetil CoA viene convertito nel **malonil-CoA** , cioè viene aggiunto un C tramite una reazione di carbossilazione; per fare ciò serve una CO₂ attivata, tramite una proteina trasportatrice di **biotina**.
La carbossilazione è catalizzata dall'**acetil-CoAcarbossilasi** (ACC), tramite questa reazione **irreversibile**.
Il malonil-CoA è la molecola di partenza vera e propria e per formarla viene spesa 1 ATP.
L'ACC quando è **fosforilata** è **inattiva** mentre se è **defosforilata** è **attiva**.
La fororilazione avviene in seguito a basse concentrazioni di glucosio nel sangue, tramite un'enzima, la **PKA**, che è glucagone-dipendente; la defosforilazione avviene in seguito ad alte concentrazioni di glucosio nel sangue, tramite un'enzima, la **fosfatasi**, che è insulino-dipendente.
La regolazione della sintesi degli acidi grassi è l'ACC, che forma il malonil-CoA, che una volta formato va anche ad inibire la **carnitina aciltransferasi 1**, l'enzima che trasporta gli acidi grassi nel mitocondrio per degradarli.
Se c'è malonil-CoA viene promossa la sintesi.
Se non c'è malonil-CoA viene promossa la degradazione.
La sintesi è catalizzata dall'**acidograssosintasi** che è costituita da tanti enzimi uniti, tra cui le reduttasi.
Ha 2 gruppi tidici, dell'amminoacido cisteina, che è come se questo enzima avesse un braccio corto ed uno lungo; legate a queste 2 braccia ci sono delle molecole:
1. **Braccio corto** c'è un acetil-CoA che si scinde dal CoA e si lega all'SH del braccio corto.
2. **Braccio lungo** c'è il malonil-CoA che si scinde dal CoA e si lega all'SH del braccio lungo.
Entrambe queste reazioni sono **transacetilazioni**; queste due molecole si legano formando un legame C-C, prendendo l'energia della scissione di un legame tioestere del braccio corto; esce 1 CO₂ per condensare queste 2 molecole formando una piccola molecola a 4 C.
Successivamente quest'acido viene trasferito sul braccio corto tramite una transesterificazione.
Entra un altro malonil-CoA, avviene una transesterificazione, l'acido si condensa con il malonil e si ottiene un acido grasso a 6 carboni; ogni malonil che entra, allunga la catena di 2 C. L'ACC sintetizza solo acidi grassi a 16 C, ossia il **palmitato**; una volta formatosi, si stacca dall'ACC e intervengono altri enzimi che creano insaturazioni o modificano ulteriormente l'acido neosintetizzato. L'ACC è regolata: 1. **Inibita**: dal palmitil-CoA, per via allosterica, o dal glucagone, per via ormonale, che fosforila l'ACC. ### Sintesi del NADPH
### Beta ossidazione
Chiamata così perché è il **C_beta** ad ossidarsi, diventando carbossilico.
Dopo 1 ciclo avremo 2 C in meno sulla catena.
**1 E 2 REAZIONE**
Redox e la deidrogenasi va ad ossidare il Carbonio beta; il FAD a va prendersi 2H, ci sarà la formazione consequenziale di un doppio legame; i 2H sono in trans perché l'enzima successivo che idrata il legame è stereospecifico.
Il substrato viene ossidato di 2H in 2H, che vengono presi dal FAD, diventando FADH₂ da una deidrogenasi chiamata **acil-CoA deidrogenasi**, FAD dipendente.
**3 REAZIONE**
Agisce una deidrogenasi NAD⁺ dipendente che fa una 2nda ossidoriduzione, sempre sul carbonio beta, ossidandolo a gruppo chetonico.
NAD⁺ diventa NADH + H⁺.
**4 REAZIONE**
Interviene una **tiolasi** che scinde il legame con il CoA e si forma il 1 acetile.
### Regolazione Beta ossidazione
Strettamente connesa alla sintesi degli acidi grassi.
La beta ossidazione **non ha regolazione**, le 4 reazioni avvengono sempre se nel mitocondrio c'è l'acetile.
L'unica regolazione presente è a livello del trasferimento dell'acetile citoplasmatico alla carnitina, mediante inibizione dell'enzima **carnitina acetil-transferasi 1**, tramite il **malonil-CoA**.
Il malonil è precursore della sintesi degli acidi grassi; se presente, la sintesi ha priorità rispetto all'ossidazione.
## Ciclo di Krebs
Permette l'ossidazione completa dell'acetile, raccogliendo elettroni dal NAD⁺ e dal FAD.
Avviene nel mitocondrio di tutte le cellule, tranne che i globuli rossi.
**Anfibolica**, quindi ha sia funzioni cataboliche che anaboliche, è via centrale del metabolismo, collegato a tutte le altre.
Una delle sue funzioni primarie è quella di **raccogliere ed ossidare l'acetile**, che deriva da tutte le vie metaboliche; per convezione si
descrive iniziando dall'ingresso dell'acetile, ma non ha ne inizio ne
fine.
Lo scopo del ciclo è **ossidare completamente l'acetile**.
Descrizione del ciclo (<u>Ricordiamo che tutti gli intermedi sono acidi</u>):
1. L'acetile entra poiché "raccolto" dall'ossalacetato (un acido dicarbossilico), legandosi grazie alla **citratosintasi**; ottenendo il **citrato** (un acido tricarbossilico); l'enzima in questione per formare il nuovo legame scinde quello tioesterico precedente, non consumando ATP perché l'energia necessaria alla rottura era la stessa contenuta nel legame stesso.
**REAZIONE IRREVERSIBILE**, se non c'è ossalacetato l'acetile non viene ossidato.
2. Il citrato viene isomerizzato ad **isocitrato**, l'OH sul C₃ va sul C₄.
**REAZIONE REVERSIBILE**
3. L'isocitrato viene ossidato dall'**isocitratodeidrogenasi** che ha come coenzima il **NAD⁺**, con la sua ossidazione si forma quindi il NADH che oltre che venir ossidato viene anche decarbossilato; esce una molecola di CO₂, che prima er aun gruppo carbossilico (da +3 a +4).
Si tratta di una **decarbossilazione ossidativa** e si forma **alfa-chetoglutarato**.
4. Anche qui abbiamo una decarbossilazione ossidativa: alfa-chetoglutarato subisce questa reazione ad opera di un complesso enzimatico formato da 3 enzimi e 5 coenzimi, chiamato **alfa-chetoglutaratodeidrogenasi**, che ossida decarbossila e coniuga al coenzima A, formando il **succinil-CoA**.
**QUESTE DECARBOSSILAZIONI OSSIDATIVE SONO IRREVERSIBILI** e portano all'ossidazione e fuoriuscita di 2 atomi di C, formando 2 CO₂; quindi l'acetile è come se fosse stato completamente ossidato, ma i 2 C ossidati non sono dell'aceetile ma dell'ossalacetato, che, in ogni caso, sono carboni derivanti da un'acetile entrato in 2 cicli precedenti.
5. Dalla **succinil-CoAsintetasi**, viene idrolizzato il legame tioestere e viene liberata energia (DeltaG = -31,4 Kj/mol) che viene utilizzata per unire un fosfato all'ADP o GDP sintetizzando ATP o GTP immediatamente.
Si tratta di una **fosforilazione ossidativa a livello del substrato**.
**REAZIONE REVERSIBILE**, alternativa all'uso del NAD⁺, può usare NADP⁺ per sintetizzare NADPH; esso viene sintetizzato nel citoplasma della via del pentosiofosfato, ma qui viene sintetizzato nel mitocondrio, ne consegue che una parte di NADPH può essere sintetizzato anche nel mitocondrio oltre che nella via mitocondriale.
Da quest'ultima reazione otteniamo quindi il **succinato**.
6. Interviene la **succinatodeidrogenasi**, FAD dipendente, che ossida il succinato, riducendo il FAD a FADH₂; questa deidrogenasi ha sempre il FAD legato ad essa, a differenza delle deidrogenasi NAD dipendenti.
Il succinato, tramite questa ossidoriduzione, diventa **fumarato**.
**REAZIONE REVERSIBILE**
7. Il fumarato viene convertito in **malato** dalla **fumarasi**.
**REAZIONE REVERSIBILE**
8. Questo malato, tramite la **malatodeidrogenasi**, viene ossidato a **ossalato**, NAD⁺ dipendente; viene così formato l'ossalacetato pronto per raccogliere nel ciclo un altro acetile e far partire un nuovo ciclo.
**REAZIONE REVERSIBILE**
Bilancio energetico: 12 ATP formate per acetile completamente ossidato (3 NADH + 1 FADH₂ + 1 ATP).
Ci sono, tuttavia, altre molecole che entrano nel ciclo come intermedi per venire catabolizzati; una di queste è il **succinil-CoA**, che deriva dal catabolismo degli acidi grassi a C dispari.
Anche gli **scheletri di amminoacidi** che possono diventare alfa-chetoglutarato o anche ossalacetato -> questi amminoacidi sono detti **glucogenici**.
Abbiamo dimostrato sia le funzioni anaboliche, che cataboliche del ciclo di Krebs.
<u>Principali funzioni mesosintetiche del ciclo di Krebs:</u>
1. **Citrato**: può uscire dal ciclo e può essere usato per la sintesi degli acidi grassi.
2. **alfa-chetoglutarato**: può uscire per la sintesi degli amminoacidi, tramite il glutammato; usato anche per sintetizzare le basi puriniche.
3. **Succinil-CoA**: può uscire per sintetizzare le porfirine del gruppo eme, ovverosia le sue costituenti.
4. **Ossalacetato**: può uscire per sintetizzare amminoacidi e per la sintesi delle basi pirimidiniche; può essere anche usato per la sintesi di glucosio o venir convertito in fosfoenolpiruvato e usato per la gluconeogenesi e sintesi di amminoacidi.
L'ossalacetato è così importante che nella cellula esistono delle reazioni di neo sintesi dell'ossalacetato stesso; in particolare, nel fegato, in condizioni di ipoglicemia, ci sono reazioni che permettono di rifornire l'ossalacetato al ciclo di Krebs, chiamate di **riempimento del ciclo** o **anaplerotiche**.
Una di queste avviene sul piruvato saccaridico, tramite la **piruvato carbossilasi**; un'altra catalizzata dalla **PEPcarbossilasi**; un'altra ancora sintetizza il malato (forma ridotta di ossalacetato) tramite **enzima malico**che dal piruvato sintetizza malato.
### Regolazione del ciclo di Krebs
Ci sarà regolazione sulle tappe irreversibili; la regolazione presente sugli enzimi che regolano queste tappe è **allosterica**, essendo loro stessi enzimi allosterici; il ciclo di Krebs non può venire spento, ma solo eventualmente rallentato.
**Vari modulatori allosterici della piruvato deidrogenasi**:
1. Negativi: ATP, acetil-CoA, NADH, acidi grassi.
2. Positivi: AMP, CoA, NAD⁺, Ione Calcio.
**Vari modulatori allosterici della citrato sintasi**:
1. Negativi: NADH, succinil-CoA, citrato, ATP.
2. Positivi: ADP.
**Vari modulatori allosterici della isocitratodeidrogenasi**:
1. Negativi: ATP.
2. Positivi: Ione Calcio, ADP.
Il carico energetico bilancia il ciclo di Krebs, l'ossalacetato epatico viene consumato tutto nel fegato, quando in ipoglicemia, per la gluconeogenesi; il ciclo di Krebs "rallenta" perché l'acetile non può entrare nel ciclo; quello che può entrare, invece, sarà di origine non saccaridica, principalmente da acidi grassi e per avere l'ATP necessaria per fare la gluconeogenesi può ricavarla proprio dal catabolismo degli acidi grassi.
Abbiamo bisogno di nutrienti aggiuntivi, derivati dell'acetil-CoA: i **corpi chetonici**, che sono **acetone**, **acetoacetato** e **butaidrossibutirrato**.
Di questi corpi chetonici usufruisce principalmente il cervello e vengono riconvertiti in acetil-CoA.
Il cervello usa quindi una forma più ossidata di glucosio, ma "si accontenta" del glucosio stesso perché è più comune e produce comunque l'energia necessaria, in forma di ATP.
## Ossidazione degli amminoacidi
Gli amminoacidi sono molecole costituite da un C centrale, detto **Carbonio alfa**, un gruppo amminico, un H e una catena laterale che è quella che li differenzia tra loro.
Dal punto di vista metabolico, la presenza del gruppo amminico "impiccia" le reazioni, ma è anche la principale fonte di azoto dell'organismo.
Servono, quindi: a **sintetizzare proteine**, a **sintetizzare basi azotate**.
Quelli in eccesso, cioè quelli inutilizzati, vengono catabolizzati sempre per ottenere ATP, poiché vengono completamente ossidati mediante l'asportazione del gruppo amminico, e diventando **alfa-chetoacidi**.
L'azoto viene poi incorporato in urea ed espulso.
Lo scheletro carbonioso rimanente può seguire diversi destini in base alla sua natura.
**Amminoacidi chetogenici**: diventano acetil-CoA.
**Glucogenici**: entrano in Krebs come intermedio, possono diventare ossalacetato che, uscendo dal ciclo, può dare origine al glucosio.
Il catabolismo amminoacidico è prettamente epatico.
## Fosforilazione ossidativa
Processo di **sintesi** dell'**ATP**, avviene nel mitocondrio, precisamente sulla membrana interna (il mitocondrio ha doppia membrana, quella esterna non isola del tutto, al contrario di quella interna).
Sulla membrana ci sono **5 complessi proteici**, l'ultimo, il 5, è **ATP-sintasi**, deputato alla sintesi di ATP.
I complessi 1, 2, 3 e 4 trasferiscono gli elettroni a "loro stessi", costituendo una catena di trasporto che li consegna all'accettore finale, l'**ossigeno**.
Il NADH₂ cede i suoi elettroni al complesso 1, quest'ultimo cede poi al **coenzima Q**, che diventa **ubichinolo**; l'ubichinolo cede poi gli elettroni al complesso 5.
Il complesso 3 cede 1 elettrone alla volta al complesso 4 tramite il **citocromo C**; il complesso 4 aspetta di avere 4 elettroni e li trasferisce tutti assieme all'ossigeno, che si riduce ad H₂O.
Gli elettroni che vengono dal FADH₂, legato al complesso 2, verrano ceduti a **Q**, facendo poi avvenire quello che è stato descritto prima per quelli provenienti dal NADH.
<u>Gli elettroni vengono trasferiti da chi ha meno affinitàper gli elettroni a chi ne ha di più</u>; questo processo è fortemente **esoergonico**.
L'energia prodotta serve anche ai complessi, delle **pompe protoniche**, tranne che al complesso nO. 2.
L'ubichinone **Q**, è un chetone con lunga catena carboniosa, posizionato nella membrana del mitocondrio viste le sue caratteristiche lipofile e idrofobe.
Può avere due elettroni (o anche 1 solo, in questo caso verrebbe chiamato **radicale semichinonico**).
L'ubichinolo **cede** i suoi 2 elettroni, quelli che ha appena acquisito dal complesso 1, al **complesso 3**, il quale si riduce.
L'ubichinolo torna al suo stato di ossidazione originale.
Il complesso 3 fa procedere 1 elettrone alla volta, passanto l'altro all'ubichinone che diventerà radicale semichinonico.
Il complesso 3 ridotto, quindi, fa passare 1 elettrone alla volta al complesso 4, utilizzando una proteina chiamata **citocromo C**.
Il complesso 4 aspetta che arrivino su di sè 4 elettroni per poi donarli tutti assieme su ossigeno, che diventa H₂O, ed il complesso 4 torna al suo stato di ossidazione.
Tutte queste reazioni di trasferimento di elettroni sono **ossidoriduzioni**, poiché questi complessi sono a loro volta delle **deidrogenasi**; dal punto di vista termodinamico è un processo esoergonico, questo perché i <u>trasferimenti di elettroni avvengono tra la molecola che ha meno affinità per gli elettroni e la molecola che ha più affinità per gli elettroni.</u>
[NADH+H⁺ < complesso 1 < ubichinone < ubichinolo < complesso 3 < cyt C < complesso 4 < **O**]
Il FADH₂, fa una cosa simile, però è legato al suo enzima, ossia il complesso 2, unico enzima del ciclo di Krebs che è sulla membrana mitocondriale, gli altri sono posizionati nella matrice.
Il FADH₂ ede quindi i 2 elettroni al complesso 2, che li cede a **Q**, passando alla forma ridotta **QH₂**, cedendoli al complesso 3, che a sua volta li passerà al **cyt C**, il quale ne dona 1 alla volta al complesso 4, questo li donerà all'accettore finale come pacchetto unico.
[FADH₂ < complesso 2 < ubichinone < ubichinolo < complesso 3 < cyt C < complesso 4 < **O**]
Questa cessione contemporanea degli elettroni ad O viene effettuata per evitare la formazione dei residui dell'ossigeno, essendo queste molto tossiche per la cellula, in quanto andrebbero ad ossidare a "casaccio" molecole dentro la cellula stessa.
L'energia prodotta da questo processo è funzionale per i complessi stessi; come detto precedentemente, i complessi 1, 3 e 4 sono **pompe protoniche**.
Il gradiente di concentrazione, dove risiede l'energia, è protonico, crea una una differenza di potenziale tra interno ed esterno.
**Interno**: carico positivamente, quindi pH acido.
**Esterno**: carico negativamente, quindi pH basico.
<u>In totale i protoni pompati sono 10.</u>
Si parla quindi di una **forza motrice protonica**, cioè la concentrazione di protoni (o H⁺) portati nello spazio intermembrana.
I protoni tenderebbero ad entrare perché attirati dalle cariche negative, e per riequilibrare i 2 compartimenti, secondo gradiente.
Non potendo passare comodamente, lo fanno attraverso un enzima, la **ATP sintasi**, il complesso 5 che sintetizza ATP partendo da ADP e fosforo.
La forza motrice protonica è motore della sintasi e c'è diretta proporzionalità tra quantità di ATP prodotta e protoni che passano.
I protoni che entrano fanno girare "come una giostrina per bambini", ma per rientrare hanno bisogno di un canale per la matrice, il canale **F0** della sintasi stessa.
Sia la porzione F1 che la F0 sono composte da diverse subunità, tra cui:
1. **3 subunità Alfa**: hanno anche funzione strutturale e regolatrice che fa si che le subunità Beta svolgano il loro lavoro.
2. **3 subunità Beta**: svolgono attività sintasica, poiché qui avviene la sintesi dell'ATP.
I protoni fanno ruotare la struttura; essendoci movimento rotatorio, questo è sinonimo di cambio conformazionale:
1. **Prima conformazione**: ha 1 sito affine per ADP e fosforo, quindi li lega.
<u>...passano protoni...</u>
2. **Seconda conformazione**: la subunità si gira e in quest'altra conformazione ha affinità per ATP, sintentizzandola a partire dall'ATP e fosforo che lega.
<u>...passano protoni...</u>
3. **Terza conformazione**: la subunità effettua un giro, in questa conformazione non ha affinità per alcun substrato, rilascia ATP neo-sintetizzata e torna alla 1 conformazione.
<u>...passano i protoni, ricomincia il giro...</u>
Come mai NADH e FADH₂ non fanno sintetizzare la stessa quantità di ATP?
Il NADH porta a 3 ATP, mentre il FADH₂ porta a 2.
Il motivo è semplice: NADH coinvolge i complessi 1, 3 e 4 che sono tutti pompe protoniche; il FADH₂ coinvolge i complessi 2, 3 e 4, e sappiamo che il complesso 2 non essere pompa protonica.
Quando gli elettroni provengono dal NADH, la forza motrice protonica che genera il trasferimento è maggiore, generando più ATP.
**Per ogni 2 elettroni del NADH** si genera una forza motrice pari a 10 protoni.
**Per ogni 2 elettroni del FADH₂** si genera una forza motrice pari a 6 protoni.
Tutti gli elettroni raccolti durante i processi di degradazione sono trasportati da questa catena di trasporto degli elettroni fino ad arrivare all'ossigeno, acettore finale degli stessi.
Il processo ricordiamo essere **esoergonico**; l'energia utilizzata dai complessi per pompare **contro gradiente protonico**, che rientrano nella matrice del mitocondrio attraverso l'ATP sintasi, ricaricando anche l'ATP sulle subunità Beta partendo da ADP e fosforo inorganico.
### Subunità F1
La subunità di sintesi dell'ATP.
Ha la sua faccia dentro la matrice del mitocondrio, quindi l'ATP neosintetizzata è dentro la matrice del mitocondrio, così come ADP e fosforo libero; ciò non vuol dire che si formino <u>soltanto</u> dentro il mitocondrio.
L'ATP deve però uscirne perché deve essere disponibile in tutte le regioni della cellula.
Le 3 molecole sopra citate, essendo cariche, necessitano di un trasportatore per attraversare le membrane:
1. **Primo trasportatore**: fa cotrasporto, nello specifico un **antiporto**, che porta nella matrice ADP e porta fuori ATP; viene chiamato **trasferasi dei nucleotidi adenil**.
Va secondo gradiente di concentrazione perché porta fuori ATP, dove è in concentrazione minore e dentro ADP, sempre perché in concentrazione minore; facendo così si crea una **differenza di carica** e quindi è un trasportatore **contro gradiente di carica** (si, possono essere secondo gradiente di una determinata grandezza e contemporaneamente contro gradiente di un'altra).
2. **Secondo trasportatore**: è il trasportore che porta all'interno i fosfati; **simporto**; contro gradiente di carica trascina all'interno cariche negative e protoni contemporaneamente.
L'energia per questo secondo trasporto è sempre fornita dalla forza motrice protonica.
### Destino del NADH citosolico
Nella matrice del mitocondrio avvengono quasi tutti i processi di degradazione, così che ci sia molta produzione di NADH nel mitocondrio, che però viene anche prodotto in glicolisi, ossia il **NADH citoplasmatico o citosolico**.
Per portare il NADH nel mitocondrio la cellula usa lo **shuttle ossalacetato-malato**, con l'ossalacetato ridotto a malato.
Il NADH diventa NAD⁺ e gli elettroni vengono presi dal malato, che entra nel mitocondrio tramite un trasportatore.
Una volta entrato viene ossidato dalla deidrogenasi NAD⁺ dipendente chiamata **malatodeidrogenasi**, che ossidando il malato recupera quei 2 elettroni raccogliendoli con il NAD⁺ che diventa NADH.
Cervello e muscolo hanno uno shuttle alternativo, ossia quello del **glicerolo 3 fosfato**.
Il NADH per entrare viene usato dalla **glicerolo 3 fosfato deidrogenasi** che riduce il **diidrossiaceton fosfato** in **glicerolo 3 fosfato**; gli elettroni sono quest'utltimo, il quale, posizionandosi nello spazio intermembrana fa si che la **glicerolo 3 fosfato deidrogenasi** ossidi il glicerolo 3 fosfato raccogliendo i 2 elettroni non dal NAD⁺ ma dal FAD, quindi il NAD⁺ viene portato nel mitocondrio sottoforma di FADH₂.
## Metabolismo dell'etanolo
L'alcol etilico è uno pseudonutriente perché può essere catabolizzato e può portare alla sintesi di ATP; di formula CH₃-CH₂-OH.
Ha 2 atomi di carbonio e possiamo immaginare che diventerà acetato coniugato al CoA.
La prima reazione che subisce è una **ossiazione** diventando **acetaldeide** tramite enzima **alcoldeidrogenasi** NAD⁺ dipendente; successivamente c'è un'altra ossidazione tramite la **acetaldeidedeidrogenasi** diventando **acido acetico** (sempre NAD⁺ dipendente).
Per coniugarlo al CoA servono 2 ATP.
Questo meccanismo è epatico; l'acetile può andare poi nel ciclo di Krebs e può produrre 12 ATP (per acetile); l'ossidazione porta a 16
ATP.
## Degradazione delle proteine cellulari
Parliamo di proteine costituenti dell'organismo; esistono 2 processi principali con le quali vengono degradate: 1. 15% viene degradato dai lisosomi.
2. 85% nella via del **ubiquitina proteosoma**.
Una volta sintetizzate, le proteine, si dispongono nella loro conformazione nativa, che dona maggiore stabilità e attività alla proteina.
Inoltre, subiscono modifiche chimiche già prima di staccarsi dal ribosoma: durante questi processi, è possibile che avvengano errori, o subiscano danni durante la loro vita dando origine a **proteine misfolded**, le quali verranno degradate tramite vie specifiche della cellula.
Ci sono delle proteine a vita particolarmente breve che vengono sintetizzate, svolgono la loro funzione poi vengono degradate: sono le **proteine regolatorie**.
### Via dell'ubiquitina-proteosoma
Processo di degradazione che però consuma ATP, a step ed irreversibile.
Questa via degrada una proteina soltanto se presenta un marker specifico, il **segnale di degradazione**, che viene riconosciuto e fa trattare la proteina con **ubiquitina**.
Questo segnale fa si che alla proteina venga aggiunta dell'ubiquitina, e si dice allora ubiquitinata, e degradata per questo motivo dal proteosoma.
**STEP 1:**
Le proteine che presentano un segnale di degradazione, vari ed identificabili, sono:
1. Alcune proteine hanno vita breve o lunga in base ad alcuni amminoacidi della coda N-terminale (regola del N-terminale).
2. Fosforilazioni.
3. Denaturazione o perdita di conformazione nativa.
**STEP 2:**
La proteina viene marcata quindi da un "grappolo" di ubiquitina legato a sè tramite questi enzimi di ubiquitinazione.
**STEP 3:**
La proteina ubiquitinata si associa ad un complesso proteolitico chiamato **proteosoma**; il proteosoma fa una valutazione della proteina e stabilisce se quella proteina sia da degradare, staccando l'ubiquitina (che verrà riciclata).
La proteina viene tagliata in peptidi.
Se non dovesse necessitare di degradazione, la proteina verrà riciclata e l'ubiquitina staccata.
### Ubiquitinazione L'ubiquitina è una piccola proteina di 76 amminoacidi, il cui gene codifica per una **poliubiquitina**; ci sono poi gli enzimi UCH, che tagliano i monomeri di ubiquitina che riconoscono un C-terminale ed un N-terminale, separandoli.
**UCH e UBP sono de-ubiquitinizzanti.**
Per rendere attiva l'ubiquitina serve il processo di attivazione:
1. Consiste in una coniugazione con l'enzima **E1** tramite un legame tioestere, e servono 2 ATP perché verrano usati i 2 fosfati dell'ATP; troviamo un intermedio dove l'ubiquitina lega con AMP, poi, con l'uscita di AMP stesso, si troverà legata ad **E1**.
2. Successivamente viene trasferita ed **E2**, di cui ce ne sono molte, tramite reazione di **transesterificazione**, grazie a cisteina, che presenta -SH, presente su E2.
La E2 sono delle ligasi che legano la proteina ad ubiquitina; esse possono legarsi da soli o facendosi aiutare da **E3**; questo perché ci sono vari segnali di degradazione con funzionamenti diversi.
L'ubiquitina, alla fine, verrà trasferita sulla proteina tramite un NH₂ della catena laterale tramite una lisina di una proteina, grazie al **legame peptidico** con il carbossi terminale dell'ubiquitina.
A questo punto avremo l'uscita di E2 ed E3 e le successive ubiquitinizzazioni averranno sempre in questi legami isopeptidici.
La proteina risulta così marcata.
### Proteosoma
Complesso proteolitico composto da tante subunità che viene solitamente rappresentato come un cilindro cavo.
Questo è formato da 4 anelli sovrapposti uno all'altro, ogni anello è composto da 7 subunità.
Questi 4 anelli compongono la **core particle** o **20 S**.
La core particle è associata alla **regulatory particle** o **19 S**.
Il proteosoma può essere composto o solo da CP o da CP con 1 RP o da CP con 2 RP (quest'ultimo chiamato proteosoma 26 S).
La CP è composta da 2 anelli esterni, composti da subunità Alfa, e 2 interni, composti da subunità Beta.