Nelle cellule, le singole reazioni enzimatiche fanno parte di sequenze a più tappe chiamate vie

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2 Nelle cellule, le singole reazioni enzimatiche fanno parte di sequenze a più tappe chiamate vie metaboliche. In una via metabolica, il prodotto di una reazione funge da substrato nella reazione successiva. Si definisce metabolismo l insieme di queste vie metaboliche. Le vie metaboliche vengono classificate in: - cataboliche (demolitive) - anaboliche (sintetiche).

3 Alimenti

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8 da tavola, latte coinvolti nel metabolismo energetico sono:

9 Amido α-amilasi saliv. e pancreatica α-(1-4) glucosio,maltosio [αglc-(1-4)glc] isomaltosio αglc-(1-6)glc], ** Isomaltosio, destrine limite isomaltasi (α-glucosidasi)* α-(1-6) glucosio Maltosio maltasi (α-glucosidasi)* α-(1-4) glucosio Saccarosio saccarasi* α-glucosio glucosio,fruttosio Trealosio trealasi* α-(1-1)glucosio glucosio Lattosio lattasi (β-galattosidasi)* β- galattosio galattosio,glucosio Glucosil ceramide β-glucosidasi β-glucosio glucosio,ceramide * presenti sull'orletto a spazzola delle cellule epiteliali dell'intestino tenue. * *destrine limite (in media otto unità di glucosio contenenti almeno un legame a-(1-6)

10 Dopo la digestione: I monosaccaridi ottenuti vengono assorbiti dall'intestino con un meccanismo di trasporlo attivo, che permette di trasferire gli zuccheri nel sangue anche quando la loro concentrazione nel sangue è più alta di quella nel lume intestinale. I monosaccaridi passano dalle venule dell'intestino alla vena porta, attraverso la quale vengono trasportati al fegato e quindi al resto dell'organismo

11 DEFICIT DI DISACCARIDASI Il l deficit più comune di disaccaridasi è quello della lattasi che provoca intolleranza al latte. Il deficit di lattasi è comune nell'adulto, nella maggioranza della popolazione africana di colore e nella quasi totalità delle popolazioni asiatiche. Una curiosità è rappresentata dal deficit di trealasi una glicoproteina dell orletto a spazzola che idrolizza il trealosio (nei funghi). Un incidenza rara nella popolazione,, con l eccezione della Groenlandia dove l incidenza è di 1/13.

12 Cos è la glicemia? Qual è la relazione tra: Glicemia e Ormoni metabolici, es Insulina/glucagone 90

13 Insulina Intake alimentare Glicemia Glucagone Utilizzo del glucosio

14 Nella fase di buona alimentazione. Durante il digiuno l ormone che prevale è il glucagone.

15 L omeostasi del glucosio è sotto il diretto controllo di: Come si genera il pool di glucosio? Glicogenolisi Glicogeno Glicogenosintesi Glucosio Glicolisi Lattato-Piruvato Gluconeogenesi

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17 G L I C O L I S I

18 G L I C O L I S I

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20 Nella cellula le reazioni enzimatiche solo raramente sono isolate, in genere esse formano vie metaboliche (glicolisi), che spesso si intersecano formando una rete integrata: il metabolismo

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22 La glicemia La glicemia può essere definita banalmente come la concentrazione di glucosio nel sangue. Valori normali: sono indicati da un intervallo che varia a seconda della metodologia utilizzata per determinarla, ma è di circa mg/100ml (dl). Questo valore deve essere mantenuto. Per il mantenimento ci sono una serie di meccanismi che presiedono a quella che viene definita come: l omeostasi del glucosio.

23 INTRODUZIONE ALLA GLICOLISI Il glucosio: combustibile universale per le cellule che lo utilizzano per produrre ATP mediante la glicolisi. La via glicolitica può produrre ATP indipendentemente dalla presenza di O2. Il Glucosio è il glucide più rappresentato nella dieta, la sua presenza costante nel sangue garantisce il giusto apporto di energia a tutte le cellule, in particolare a quelle che dipendono in maniera più stringente dal G. come il cervello che utilizza quasi esclusivamente glucosio.

24 La glicolisi inizia con la fosforilazione del glucosio (G-6P) ad opera della esochinasi. Il G-6P viene ossidato e scisso in 2 molecole di piruvato con produzione di 2 molecole di NADH e 2 molecole di ATP (fosforilazione a livello del substrato) C 6 H 12 O 6 + H 2 O 6CO 2 + 6H 2 O + Calore Reazione chimica che può avvenire in provetta in un unica tappa

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26 L esochinasi innesca la glicolisi

27 I, II, III funziona su + substrati anche a basse concentrazioni di glucosio, a velocità ridotta, sequestra solo gli zuccheri realmente utilizzabili. o Esochinasi IV parenchima epatico e cellule β pancreas: Km molto alta, ([glucosio] post prandiale Vmax molto elevata, in realtà presenta una curva di saturazione sigmoidale (cooperatività, infatti è l unica regolata anche dal fruttosio-6p) (il fegato può eliminare il glucosio dal sangue portale (glut2), efficacemente.

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30 La seconda tappa della glicolisi è una isomerizzazione: una reazione che cambia la forma di una molecola, senza aggiungere o rimuovere atomi.

31 Perchè AMP e non ADP? 2ADP+ATP ATP+AMP - - I

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34 La trioso fosfato isomerasi è stata descritta come un enzima perfetto. Compie il suo lavoro miliardi di volte più velocemente rispetto alla reazione non catalizzata. È così veloce che la velocità di reazione è determinata da quanto velocemente possono arrivare all'enzima le molecole.

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42 Estere fosforico a basso contenuto di E Estere fosforico ad alto contenuto di E

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44 11 reazioni in successione lineare costituiscono il pathway della glicolisi. Il glucosio viene ossidato lentamente per produrre due tronconi da 3 atomi di carbonio: piruvato

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47 La fermentazione alcolica è una forma di metabolismo energetico che avviene in alcuni lieviti in assenza di ossigeno. Essa è responsabile di diversi fenomeni che vediamo ogni giorno, quali la lievitazione del pane o la trasformazione del mosto in vino. Essa è operata da una particolare classe di microrganismi, i Saccaromices dei quali il più comune è senz'altro il S. cerevisiae, presente sulla buccia dell uva come nel lievito di birra. Fu il primo processo metabolico realizzato in vitro, grazie all'isolamento degli enzimi, così chiamati proprio perché isolati nel lievito (zimé). Ciò apportò un duro colpo al vitalismo Tiamina PPi (vit B1) La fermentazione lattica è una forma di metabolismo energetico che avviene in alcuni batteri e nella cellula animale in assenza di ossigeno. Consiste nella trasformazione di una molecola di glucosio (o di un altro zucchero fermentabile) in due molecole di acido piruvico che vengono successivamente ridotte ad acido lattico con una bassa resa energetica. Questa via metabolica prende il nome dal principale prodotto finale ma viene detta anche omolattica per distinguerla da quella eterolattica che utilizza un meccanismo diverso. La fermentazione lattica si incontra principalmente nei lattobacilli e nel metabolismo anaerobico di alcuni tessuti (muscolo) degli organismi pluricellulari. La fermentazione lattica svolta dai lattobacilli è presente nel tratto gastrointestinale umano in cui assume un ruolo tanto importante da spingere alcuni a considerare i lattobacilli dei probiotici. La fermentazione lattica è coinvolta nella preparazione di numerosi alimenti tra cui ricordiamo lo yogurt, il kefir, i capperi ed i crauti.

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51 6ATP Tot: 8ATP

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54 Seconda parte: regolazione glicolisi e gluconeogenesi

55 Regolazione Glicolisi Glucosio>>>>>Piruvato Glicolisi La velocità è regolata da 2 esigenze cellulari: 1) Produzione di ATP 2) Produzione di precursori biosintetici (per fare ad.es. Ac. Grassi o glicogeno). Le reazioni catalizzate da: esochinasi, fosfofruttochinasi e piruvato chinasi sono pressocchè irreversibili, dunque regolate. Le regolazioni sono: allosteriche e covalenti (locali e immediate) ( a breve termine). Oltre che per i livelli di proteina (a lungo termine).

56 Il primo enzima regolato della via glicolitica è l esochinasi, glucochinasi per il fegato: La GK: se il Fruttosio6P è alto è localizzata nel nucleo degli epatociti. Se aumenta il glucosio ematico, ritorna al citosol dell epatocita. L esochinasi è inibita dal suo prodotto: G-6P (I. allosterica). La glucochinasi, invece, è inibita dal fruttosio-6p. Se la fosfofruttochinasi, a valle, è inattiva, si accumula: - F-6P e - G-6P

57 Glucochinasi epatica aumenta in risposta all insulina. Gli epatociti captano oltre la metà dell insulina secreta dal pancreas nella prima fase. L insulina promuove la sintesi della glucochinasi. Nei pazienti diabetici c è anche carenza di glucochinasi, ciò concorre alla incapacità di far diminuire il livello ematico di glucosio

58 Il secondo enzima regolato è la Fosfofruttochinasi: Regolata da ATP e da AMP (regolazione allosterica:msec.). Perchè AMP e non ADP? 2ADP ATP+AMP E inibita dal citrato (un intermedio precoce del ciclo di Krebs). Il citrato in eccesso indica abbondanza di precursori, quindi non c è bisogno di degradare altro glucosio. E inibita dalla riduzione del ph: (H + aumentati dalla produzione di Ac. Lattico.)

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60 enzima chiave: La fosfofruttochinasi-1 è stimolata dal 2,6 bis-pfruttosio fosfofruttochinasi 2 (PFK2) e fruttosio BisFosfatasi 2 (FBP2) lavorano insieme agli enzimi PFK1 e FBP1 rispettivamente. Carica energetica 1 Nel fegato e nel rene aldolasi B scinde il fruttosio1p introdotto con l alimentazione FBP2 Fruttosio 2,6 bis fosfato Fruttosio 6 fosfato Fruttosio 1,6 bis fosfato PFK2 FBP1 PFK1

61 Se la glicemia è alta la glicolisi deve procedere, la PKA è inattiva (camp basso), quindi: off La PFK/FBP2 defosforilata funziona come chinasi ed è inattiva come fosfatasi, si forma il 2,6bisPFruttosio che va ad attivare la PFK1 e fa procedere la glicolisi

62 Una parte del 1,3 Bis Fosfo Glicerato è convertito a 2,3 Bis Fosfo Glicerato per azione della FGmutasi, in tracce; (il fenomeno nell eritrocita è significativo), è idrolizzato da una fosfatasi in 3-fosfoglicerato Regolazione anteroattiva, collega l attività delle due chinasi: fosfofruttochinasi con la piruvato chinasi

63 Se il rapporto NADH/NAD è elevato, ha oltrepassato la capacità ossidativa della cat. Resp., si ha produzione di lattato La direzione della LDH dipende dal rapporto NADH/NAD. Nel muscolo in attività è più alto che nel cuore e nel fegato che quindi riossidano il lattato in piruvato

64 Quando nel muscolo scheletrico la produzione di NADH eccede la capacità riossidativa (catena respiratoria), allora il rapporto NADH/NAD diventa elevato e questo favorisce la trasformazione del piruvato in lattato. Nel fegato e nel cuore questo rapporto (NADH/NAD) è basso quindi il lattato è ossidato a piruvato. Nel fegato il piruvato è poi convertito in glucosio oppure è decarbossilato a AcetilCoA Acidosi lattica. Elevata concentrazione nel plasma di ac. Lattico. Si verifica per un collasso del sistema circolatorio (infarto,embolia polmonare, emorragie massive). Tutte hanno in comune il deficit di O 2 a carico dei tessuti con conseguente rallentamento della catena respiratoria e riduzione di ATP. Per sopravvivere le cellule usano la glicolisi anaerobia. Quando il danno viene risolto le cellule recuperano una normale attività, utilizzando un surplus di ossigeno. Debito di ossigeno

65 Acidosi lattica: Per un collasso del sistema circolatorio, come l infarto del miocardio, embolia, emoraggia, shock, che impediscono un apporto adeguato di Ossigeno, si produce una riduzione della fosforilazione ossidativa, con riduzione di ATP. Per sopravvivere le cellule passano a glicolisi anaerobica con produzione di lattato Debito di Ossigeno: quell ossigeno extra che deve essere fornito dopo un periodo di inadeguata assunzione, per recuperare la normalità. L ac. Lattico ematico può fornire un indice indiretto del debito di ossigeno di un paziente e monitorare il recupero.

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67 Il glucosio può essere sintetizzato a partire da precursori non glicidici 120g di glucosio servono al cervello (120/160 totali per l organismo intero). 20g sono nei liquidi organici. 190g rappresentano la riserva sotto forma di glicogeno La gluconeogenesi converte: piruvato glucosio

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71 Piruvato carbossilasi PEP carbossichinasi Fruttosio1,6-bis fosfatasi Glucosio-6-P-fosfatasi

72 Decima reazione nella via glicolitica Prima nella neoglucogenesi

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76 Quando nel muscolo scheletrico la produzione di NADH eccede la capacità riossidativa (catena respiratoria), allora il rapporto NADH/NAD diventa elevato e questo favorisce la trasformazione del piruvato in lattato. Nel fegato e nel cuore questo rapporto (NADH/NAD) è basso quindi il lattato è ossidato a piruvato. Nel fegato il piruvato è poi convertito in glucosio oppure è decarbossilato a AcetilCoA Acidosi lattica. Elevata concentrazione nel plasma di ac. Lattico. Si verifica per un collasso del sistema circolatorio (infarto,embolia polmonare, emorragie massive). Tutte hanno in comune il deficit di O 2 a carico dei tessuti con conseguente rallentamento della catena respiratoria e riduzione di ATP. Per sopravvivere le cellule usano la glicolisi anaerobia. Quando il danno viene risolto le cellule recuperano una normale attività, utilizzando un surplus di ossigeno. Debito di ossigeno P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006

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78 Fosfenolpiruvato 2-fosfoglicerato 3-fosfoglicerato 1,3bisfosfoglicerato gliceraldeide3-p Diidrossiaceton-P Fruttosio 1,6bP fosfofrottochinasi: AMP ATP e citrato Fruttosio 1,6 bis fosfatasi:amp ATP e citrato

79 _ -fosfatasi + +

80 Fruttosio 6-P Glucosio 6-P

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88 Ciclo di Cori

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92 :2 per la Piruvato carbossilasi 2 per la fosfenolpiruvato carbossichinasi

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97 Ciclo dell Alanina

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99 Le vie cataboliche Le reazioni cataboliche disgregano le molecole complesse (proteine, polisaccaridi, lipidi) producendo poche molecole semplici come CO 2, NH 3 ed H 2 O. Servono a catturare, sotto forma di ATP, l energia chimica liberata dalla degradazione di molecole combustibili. La liberazione di energia nella degradazione di molecole complesse avviene in 3 stadi: I) l idrolisi delle molecole complesse II) conversione dei monomeri in molecole più semplici III) ossidazione fino ad acetil CoA e dell acetil CoA Il catabolismo è un processo convergente (una grande varietà di molecole si trasforma in pochi prodotti finali comuni).

100 Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli

101 Le vie anaboliche Partendo da precursori semplici (p.es. amminoacidi) si ottengono prodotti terminali complessi (p.es. proteine), o piruvato per la produzione di glucosio. Richiedono energia, generalmente fornita dalla degradazione dell ATP in ADP e P i. Molte reazioni comportano una riduzione chimica, nella quale spesso il potere riducente è fornito dal donatore di elettroni NADPH. L anabolismo è un processo divergente, pochi precursori formano una varietà di prodotti complessi.

102 Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli