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Metabolismo in pillole

A cura di Lorenzo Candela
-Prima di iniziare è bene dire che il corpo umano funziona attraverso meccanismi molto complessi, sottoposti a diverse regolazioni. Il continuum delle reazioni di sintesi (anabolismo) e degradazione (catabolismo) dei substrati prende il nome di metabolismo. La moneta di scambio energetico è l’ ATP, un  ribonucleoside con tre gruppi fosforici, la quale idrolisi libera molta energia, che viene poi utilizzata dalla cellula per compiere le sue funzioni.
-Con l’alimentazione assumiamo i macro e i micronutrienti che verranno utilizzati per produrre energia. I micronutrienti sono molto spesso coenzimi che sono essenziali per il decorso di alcune reazioni, come la biotina durante la gluconeogenesi, mentre i macronutrienti vengono degradati in molecole sempre più piccole fino ai loro monomeri di base.
-Il nostro organismo è una macchina complessa, ma allo stesso tempo affascinante, capace di autoregolarsi per sostenere l’ attività cellulare in moltissime condizioni.
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Glucidi

metabolismo, glicogeno, carboidrati, beyondlimits, cicloHanno tante funzioni biologiche, tra cui quella di riserva energetica e trasporto dell’energia.

I carboidrati sono la fonte più comune da cui ricavare energia negli organismi viventi, e la loro digestione richiede meno acqua rispetto alle proteine o dei grassi.

Essi non sono nutrienti essenziali in quanto il corpo può ottenere tutta l’energia da proteine e grassi. Tuttavia ciò comporta lo stato di chetosi.

Possono essere immagazzinati nelle riserve epatiche (del fegato) e muscolari sotto forma di glicogeno.

 

 

 

 

 

-Scissione della molecola di glucosio (a 6 atomi di carbonio) in 2 molecole di piruvato (a 3 atomi di carbonio). Durante questo processo esistono tre tappe fondamentali, che segnalano l’ andamento positivo del complesso delle reazioni: fosforilazione del glucosio in glucosio 6 fosfato, che verrà isomerizzato (convertito) in fruttosio 6 fosfato e poi fosforilato ulteriormente in fruttosio 1,6 bisfosfato dall’enzima fruttosio 6 fosfatasi.

-Questo enzima è fortemente regolato dalla concentrazione di ATP e citrato (inibitori), ADP e fruttosio2,6 bisfosfato (attivatori). Da questo zucchero si ottengono due molecole di gliceraldeide, che dopo diverse reazioni daranno due molecole di piruvato. Il guadagno netto della glicolisi è di 2 molecole di ATP. Il piruvato va incontro a diversi destini, dipendenti da diversi fattori, come la concentrazione di substrati, o di ormoni nel sangue.

Il piruvato può avere diversi destini:

Fermentazione: quando c’ è carenza di ossigeno, il piruvato viene ridotto a lattato grazie all’enzima lattato deidrogenasi. Questo meccanismo ripristina i coenzimi NAD ossidati, che si erano ridotti durante la glicolisi. Il lattato può essere trasportato fino al fegato, dove viene convertito in glucosio (ad esempio durante un’ intensa attività muscolare). Il ciclo di reazioni che produce lattato nel muscolo e, da questo metabolita nel fegato viene rigenerato il glucosio, si chiama ciclo di Cori.

Essere riconvertito in glucosio: il piruvato (ma anche altri composti non saccaridici come alcuni aminoacidi, glicerolo, lattato) può essere convertito in glucosio in un processo che viene chiamato gluconeogenesi. Si potrebbe in teoria intendere tale processo come l’ opposto della glicolisi. Tuttavia, la presenza di reazioni fortemente esoergoniche impediscono una semplice riconversione da prodotto a reagente, come la conversione del fosfoenol-piruvato (PEP) al piruvato. Ovviamente per fare in modo che ciò avvenga, la cellula è ben attrezzata con complessi enzimatici che fanno in modo di ‘’ andare in direzione opposta ai processi della glicolisi’’ passando per altri intermedi. Ad esempio non converte il piruvato direttamente nel PEP, ma lo carbossila prima a ossalacetato. Altri composti glucogenici sono alcuni intermedi del ciclo di Krebs, a volte generati dagli aminoacidi (grazie all’ eliminazione del gruppo aminico).

-Se è presente ossigeno, attraverso il complesso della piruvato deidrogenasi, il piruvato viene convertito in acetilCoA, il quale reagisce con un intermedio del ciclo stesso (ossalacetato) formando l’ acido citrico. L’ ossalacetato viene rigenerato al termine del ciclo e l’energia viene conservata tramite trasferimento di elettroni al FAD o al NAD+ con formazione di FADH2 o NADH.

-Spesso gli intermedi del ciclo di Krebs vengono rimossi per essere utilizzati come precursori in molte vie biosintetiche.

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La catena respiratoria è costituita da quattro complessi multienzimatici, siti nella membrana mitocondriale interna: Ubiquinone ossidoreduttasi, Ubiquinone ossidoreduttasi, Citocromo c ossidoreduttasi, Ossigeno ossidoreduttasi.

-Gli elettroni presenti sul NADH passano attraverso la catena di trasportatori e il loro flusso è accompagnato da una traslocazione di protoni attraverso la membrana che crea un gradiente chimico.

-L’ATP viene prodotto dall’ATP sintasi  formata da due componenti: F1 una proteina periferica di membrana ed F0, una proteina integrale di membrana. F0 costituisce il canale protonico.

-Il glicogeno è composto da tante molecole di glucosio legate linearmente tramite il carbonio 1 di una molecola e il carbonio 4 dell’altra. La catena è ramificata grazie ai legami tra altri due carboni di altre due molecole: carbonio 1 e 6.

-Il glicogeno presente all’interno nel muscolo è una riserva di energia disponibile per il metabolismo aerobico e anaerobico e viene ‘’consumato’’  durante un esercizio intenso.

-Il glicogeno epatico è una riserva di glucosio per gli altri tessuti quando non è presente glucosio introdotto con la dieta.

Come si ‘’costruisce’’. Si parte dal glucosio 6 fosfato, convertendolo in glucosio 1 fosfato. Questa molecola reagisce con l’ UTP formando UDP-glucosio grazie all’azione di un enzima che si chiama UDP-glucosio pirofosforilasi. A questo punto interviene un secondo enzima (glicogeno sinteasi) che trasferisce il glucosio della molecola neoformata a una catena di glicogeno preesistente formando il legame 1,4. Per formare il legame 1,6 interviene un altro enzima chiamato amilo1,4 1,6 transglicoliasi. Questo trasferisce circa 7 residui di una catena che ne possiede almeno 11, al gruppo OH sul carbonio 6 di un residuo di glucosio più interno alla catena (o anche di un’ altra catena). Ovviamente sorge la domanda: ma se il glucosio viene aggiunto a una catena preesistente, questa quando viene creata?

-Qui entra in gioco una proteina che si chiama glicogenina. Essa ha una funzione di ‘’innesco’’ per la formazione del glicogeno grazie alla presenza di un residuo di tirosina (aminoacido che presenta un gruppo OH sulla catena laterale). Alla tirosina si lega il carbonio 1 dell’ UDP-glucosio e uno alla volta vengono aggiunti residui di glucosio (derivanti dall’ UDP-glucosio) formano una catena di otto residui uniti per legami 1,4. Da questo momento entra in gioco la glicogeno sintasi che estende la catena

Come si ‘’demolisce’’. La demolizione del glicogeno avviene grazie all’azione di tre enzimi: glicogeno fosforilasi, enzima deramificante, fosfoglucomutasi. Il primo enzima riesce a scindere i legami 1,4 dei residui di glucosio fermandosi a 4 residui dal legame 1,6. Quindi interviene l’ enzima deramificante a scindere il legame 1,6. A questo punto il glucosio si trova come glucosio1 fosfato, ma come sappiamo, la glicolisi parte dal glucosio 6 fosfato: interviene quindi la fosfoglucomutasi che catalizza la reazione glucosio 1 fosfato–>glucosio6 fosfato. Nel muscolo questo è utilizzato come fonte energetica per la contrazione. Nel fegato, come detto precedentemente, ci sono dei processi che vengono attuati quando nel sangue c’ è poco glucosio. Oltre in sede epatica, anche nei reni è presente un enzima che scinde il legame fosforico del glucosio e quest’ultimo lascia l’ epatocita grazie al trasportatore GLUT2.

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Metabolismo del glicogeno

Il glicogeno è composto da tante molecole di glucosio legate linearmente tramite il carbonio 1 di una molecola e il carbonio 4 dell’altra.

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Lipidi

fat, grassi, lipidi, hdl, ldl, saturi, insaturi, trans, beyondlimitsI lipidi sono una classe di macromolecole molto importante e, a differenza delle credenze comuni, non sono solo nostri nemici, ma anche componenti essenziali delle membrane cellulari e responsabili di altre numerose funzioni: trasporto, ormoni e messaggeri, assimilazione del complesso vitaminico liposolubile A D E K.

Gli acidi grassi sono acidi con un gruppo carbossilico e una catena di atomi di carbonio di lunghezza variabile. In questa catena possono essere presenti uno o più doppi legami, oppure nessuno. Quando è presente un doppio legame, la posizione di questo viene specificata con un esponente che segue il simbolo Δ. La configurazione degli acidi grassi con un doppio legame è generalmente cis, tuttavia possiamo trovare acidi grassi trans derivanti dai prodotti del latte e della carne. Molto particolari e importanti sono i PUFA: acidi grassi polinsaturi, quindi che presentano due doppi legami . alcuni di questi sono essenziali e devono essere assunti necessariamente con la dieta. Uno dei più importanti è ALA (acido alpha linolenico), a partire dal quale riusciamo a sintetizzare anche l’ EPA e il DHA. Uno squilibrio del rapporto omega 3:6 può portare a diverse patologie e il rapporto ottimale varia da 1:1 a 4:1.

Lipidi di riserva: perché conserviamo i grassi come riserva energetica? Per rispondere a questa domanda basta pensare che gli atomi di carbonio dei lipidi sono più ridotti (quindi maggiormente ossidabili) rispetto a quelli degli zuccheri; non meno importante è il fatto che tali molecole sono idrofobiche, quindi non legano acqua, a differenza dei carboidrati, che ne legano circa 2 grammi (in sintesi: meno peso da portarci appresso). Noi accumuliamo i grassi sotto forma di Triagliceroli (o trigliceridi), composti formati da tre acidi grassi legati a una molecola di glicerolo. Nelle cellule sono presenti sotto forma di gocce oleose nel citoplasma e servono da risorse energetiche. Nei vertebrati ci sono proprio cellule specializzate che conservano grandi quantità di trigliceridi e prendono il nome di adipociti;

Lipidi di membrana: sono molecole anfipatiche (un’ estremità della molecola è idrofila e l’ altra è idrofoba) e formano il doppio foglietto della membrana cellulare. Volgono le loro teste verso la parte acquosa (citosol e matrice extracellulare) e le loro code a contatto tra loro per ‘’ nasconderle’’ all’ acqua. Si dividono in fosfolipidi e glicolipidi. Nelle membrane si ritrova anche il colesterolo che svolge il compito di ‘’compattatore’’ della struttura cellulare. Il colesterolo non ha una struttura come i fosfolipidi, ma è costituito da quattro anelli fusi tra loro. Questo composto è lo sterolo principale dei tessuti animali (gli steroli sono composti precursori di diversi ormoni steroidei).

-Trattiamo ora il metabolismo dei lipidi, per quanto riguarda il loro accumulo e la loro ossidazione. Quest’ultima avviene nei mitocondri e prende il nome di Beta-ossidazione.

-Dopo aver ingerito un pasto contenente lipidi, questi vengono emulsionati dai Sali biliari dell’ intestino tenue e ciò rende più facile il compito delle lipasi: quello di ‘’smontare’’ il trigliceride in acidi grassi liberi e glicerolo. Gli acidi grassi attraversano la superficie intestinale e vengono riassemblati a trigliceridi, uniti a colesterolo e ad apolipoproteine formando una struttura che prende il nome di chilomicrone. Le apolipoproteine sono proteine che legano i lipidi e sono responsabili del loro trasporto. La combinazione di lipide e proteina ha come risultato differenti particelle di densità diversa: bassa (VLDL) o alta (VHDL) e la parte proteica di questa struttura serve a ‘’farsi riconoscere’’ dai recettori sulla superficie delle cellule.

-I chilomicroni prodotti arrivano al sangue e vengono trasportati al tessuto adiposo o muscolare dove vengono attivati gli enzimi lipoproteina lipasi che idrolizzano i trigliceridi in acidi grassi e glicerolo, composti entreranno nelle cellule bersaglio. Nel muscolo i grassi sono ossidati per produrre energia, nel tessuto adiposo vengono riesterificati a trigliceridi.

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Mobilitazione dei lipidi

Dopo aver ingerito un pasto contenente lipidi, questi vengono “lavorati” in un determinato modo! Ma leggiamo insieme l’articolo per scoprirne di più!

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-L’acetil CoA prodotto, oltre ad andare nel ciclo di Krebs, può essere trasformato in corpi chetonici. Questi sono tre: acetone, acetoacetato e Beta-idrossibutirrato. Il primo viene eliminato con la respirazione, mentre i restanti due sono trasportati dal fegato ai tessuti per soddisfare la richiesta energetica.

-Anche il cervello in condizioni di ‘’carestia’’ può utilizzare i corpi chetonici al posto del glucosio. Questo avviene perché in alcune condizioni come il digiuno prolungato, aumenta la gluconeogenesi in seguito alla secrezione maggiore di glucagone causata dalla diminuzione di glucosio dal flusso ematico.

-La gluconeogenesi “ruba’’ i metaboliti che dovrebbero entrare nel ciclo di krebs, quindi si produce meno ossalacetato, non permettendo all’ acetil CoA di reagire per formare il citrato. Quindi questa condizione esalta la conversione dell’ acetil CoA in acetoacetato, liberando il coenzima A che può quindi partecipare alla B- ossidazione dei lipidi.

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Biosintesi dei lipidi

Biosintesi dei lipidi Ricordate il malonil CoA precedentemente citato? Ecco questo è il prodotto a tre atomi di carbonio che partecipa alla biosintesi degli acidi grassi. La sua formazione è catalizzata dall’ acetil CoA carbossilasi attraverso un processo irreversibile, al quale partecipa la biotina. Senza addentrarci troppo nello specifico c’ … Continue reading

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Proteine

MyoglobinLe proteine sono una classe di biomolecole molto eterogenea. Possono avere diversi ruoli biologici (trasportatori, ormoni, recettori, enzimi..) e sono costituite da tanti mattoncini che prendono il nome di aminoacidi. Un aminoacido è una molecola chirale, riconosciuta dal nostro sistema biologico solo quando è presente come stereoisomero L. La struttura base è fatta da un ‘’core’’ (uguale per tutti) costituito da un gruppo carbossilico e un gruppo aminico separati da un carbonio definito α; quello che differenzia i vari aminoacidi sono le catene laterali legate a questo carbonio. Queste possono essere: polari, apolari, cariche negativamente, cariche positivamente e aromatiche.
Gli aminoacidi sono uniti tra loro tramite un legame particolare, che prende il nome di legame peptidico, che si forma ad opera dell’ enzima peptidil transferasi durante la traduzione dell’ RNA e coinvolge il gruppo aminico di un aminoacido e il gruppo carbossilico di un altro.

generalitàprote

La catena di aminoacidi rappresenta la struttura primaria del peptide, che è fondamentale per la sua funzione biologica. Il ripiegamento di questa catena forma strutture superiori : la struttura secondaria, che è data da legami idrogeno fra i costituenti del core aminoacidico e può assumere la conformazione ad elica o β-foglietto. La propensione di una proteina ad assumere una struttura secondaria piuttosto che l’ altra dipende dalla sequenza di aminoacidi della struttura primaria.

La struttura terziaria si forma tramite interazioni deboli a lungo raggio dei vari aminoacidi e ripiega il peptide. Possiamo ritrovare anche interazioni più forti date dai residui di aminoacidi che presentano un atomo di zolfo (cisteina e metionina). Quando la proteina è formata da varie subunità queste si riuniscono in una struttura definita quaternaria.

cat4

Le varie strutture riflettono anche quello che è il ruolo biologico del peptide: ad esempio le globine che hanno funzione di trasporto hanno una struttura globulare o sferica formata da diversi tipi di strutture secondarie, mentre le proteine che hanno il compito di fornire resistenza ai tessuti (cheratine, collageno) si dispongono in grandi fasci e sono dominate generalmente da un solo tipo di struttura secondaria e una struttura terziaria relativamente semplice.

Il catabolismo è la fase “distruttiva” del metabolismo, in cui le molecole organiche dei nutriliti vengono demolite a prodotti finali più semplici. Le vie cataboliche permettono di immagazzinare l’energia, proveniente dalla rottura dei legami delle molecole complesse, in molecole ad alto contenuto energetico come L’ATP.
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Catabolismo delle proteine

Le proteine una volta ingerite vengono suddivise in piccoli pezzi detti aminoacidi. Scopriamo insieme come funziona il catabolismo delle proteine!

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Tutto parte dal DNA: da questo acido nucleico si forma l’ RNA messaggero (mRNA) attraverso un processo definito trascrizione. Come il DNA anche l’ RNA è formato da una serie di basi azotate in sequenza. Ogni aminoacido è codificato da una sequenza di 3 basi che prende il nome di codone. Questi è riconosciuto da un’ altra molecola: il tRNA, che ha una struttura simile a un trifoglio e una delle sue anse ha il compito di riconoscere il codone (ansa dell’ anticodone). Un’ altra funzione fondamentale del tRNA è quella di attivare gli aminoacidi legandoli alla sua estremità 3’ e formando un complesso che prende il nome di aminoacil-tRNA.

cat6

L’ mRNA viene indirizzato sul ribosoma, che contiene un sito di ingresso per il tRNA (A)e un sito di uscita(P). Il primo aminoacil-tRNA si lega direttamente al sito P, tutti gli altri entrano dapprima nel sito A e poi, una volta che si forma il legame tra gli aminoacidi, passa al sito P per poi essere espulso quando rilascia l’ aminoacido che trasporta, il quale verrà legato alla catena aminoacidica che si sta formando.

Come detto in precendenza la formazione del legame peptidico è catalizzata dalla peptidil transferasi ed è termodinamicamente favorita. La sintesi delle proteine è un processo molto dispendioso (costa due nucleotidi trifosfato per ogni aminoacido aggiunto) e termina quando la peptidil trasferasi reagisce con una molecola di acqua al posto di un altro aminoacido. La proteina assumerà poi la sua conformazione nativa.Quando il peptide è formato può subire varie modificazioni, come la rimozione di alcune sequenze segnale, modificazioni a carico delle estremità aminoterminali o carbossiterminali, aggiunta di gruppi prostetici, isoprenilici o catene laterali di carboidrati.