CORSO DI BIOCHIMICA DELLA NUTRIZIONE 8 CFU divisi in 3 moduli: 1) Metabolismo glucidico (Prof.ssa Tiziana Cabras)

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1 CORSO DI BIOCHIMICA DELLA NUTRIZIONE 8 CFU divisi in 3 moduli: 1) Metabolismo glucidico (Prof.ssa Tiziana Cabras) 2) Metabolismo lipidico (Prof.ssa Rosaria Medda) 3) Metabolismo di amminoacidi, dell EME, dell etanolo, nutrigenomica e nutrigenetica (Prof.ssa Alessandra Padiglia) Modalità di verifica: a) verifiche in itinere e seminari che saranno valutati le parti insufficienti delle verifiche saranno rivalutate in occasione dell esame orale b) esame orale (vedi calendario esami sito web CdS) CONOSCENZE PRELIMINARI: È FONDAMENTALE SAPER SCRIVERE LA STRUTTURA DI CARBOIDRATI, LIPIDI, AMMINOACIDI, COENZIMI (BIOCHIMICA STRUTTURALE), CONOSCERE I GRUPPI FUNZIONALI E I LEGAMI CHIMICI, CONOSCERE I PRINCIPI DELLA CINETICA ENZIMATICA

2 Testi adottati: - I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER di D.L. Nelson, M.M. Cox. Ed. ZANICHELLI. Settima Edizione, PRINCIPI DI BIOCHIMICA. Horton, Moran, Scrimgeour, Perry, Rawn. Ed. Pearson. Quarta Ed. - BIOCHIMICA DELLA NUTRIZIONE. Leuzzi U., Bellocco E., Barreca D. Ed. Zanichelli Ricevimento studenti: per appuntamento contattare via mail, tcabras@unica.it; rmedda@unica.it; padiglia@unica.it TUTOR: Dott.ssa Cannea Faustina

3 METABOLISMO GLUCIDICO

4 CONSERVAZIONE AMIDO GLICOGENO SACCAROSIO GLUCOSIO OSSIDAZIONE GLICOLISI GLICEMIA SINTESI DI POLISACCARIDI STRUTTURALI OSSIDAZIONE VIA DEI PENTOSO- FOSFATI LATTATO LIPIDI PIRUVATO ACETIL-CoA CO 2 + H 2 O RIBOSIO-5-FOSFATO AMMINOACIDI GLUCONEOGENICI

5 IL GLUCOSIO è UN MONOSACCARIDE ALDOSO A 6 ATOMI DI CARBONIO, DI CUI 4 ASIMMETRICI, CHE IN SOLUZIONE ACQUOSA CICLIZZA SPONTANEAMENTE FORMANDO UN EMIACETALE. NELLA FORMA CICLICA PUO AVERE 2 CONFIGURAZIONI SUL CARBONIO 1 EMIACETALICO α-d-glucopiranosio ~ 33% D-glucosio ~ 1% β-d-glucopiranosio ~ 66%

6 Ciclizzazione dei monosaccaridi aldosi. Glucosio: Legame emiacetalico fra il carbonio carbonilico in 1 e il gruppo alcolico in 5. Il carbonio carbonilico C-1 diventa asimmetrico e viene chiamato ANOMERICO H + δ- δ+ Attacco nucleofilo dell ossigeno sul C1 C-1 negli aldosi diventa chirale Ossigeno del C-1: diventa un ossidrile H O Ossigeno del C-5 Idrogeno liberato come H + D-glucosio

7 α-d-glucopiranosio D-glucosio β-d-glucopiranosio Configurazione dei Carboni chirali nella struttura ciclica: posto il gruppo alcolico primario (-CH 2 OH in 6) sopra il piano dell anello, L -OH legato al C emiacetalico è sotto il piano dell anello della configurazione α L -OH legato al C emiacetalico è sotto il piano dell anello della configurazione β gli -OH che nella proiezione di Fisher stanno a destra si scrivono sotto il piano dell anello, Gli OH che stanno a sinistra si scrivono sopra il piano dell anello.

8 Dai polissaccaridi di riserva e polissaccaridi/oligossaccaridi introdotti con la dieta 2x Condizioni aerobiche ADP ATP Condizioni anaerobiche x2 x2 ATP

9 Il glucosio ottenuto dalla digestione di polisaccaridi, oligosaccaridi, disaccaridi Assunto e trasportato all interno delle cellule per mezzo di trasportatori specifici (DIFFUSIONE FACILITATA o SIMPORTO) I TRASPORTTORI GLUT AGISCONO PER DIFFUSIONE FACILITATA I TRAPORTATORI SGLUT AGISCONO PER SIMPORTO 2 x Il gradiente elettrochimico del Na + esistente a cavallo della membrana viene sfruttato per co-trasportare anche glucosio dal lume intestinale al citosol dell enterocita Enterocita Biology of Human Sodium Glucose Transporters. E.M. Wright, et al. Physiological Reviews, 2011, 91:

10 Localizzazione Funzione Km GLUT1 In tutti i tessuti (mammiferi) Assunzione basale di glucosio 1 mm GLUT2 Fegato, rene, pancreas Rimuove l eccesso di glucosio plasmatico. Nel pancreas regola il rilascio di insulina mm GLUT3 In tutti i tessuti (mammiferi) Assunzione basale di glucosio 1 mm GLUT4 Muscolo, cellule adipose Rimuove eccesso di glucosio plasmatico, attivo durante il lavoro muscolare GLUT5 Intestino tenue Trasporto di fruttosio 5 mm GLUT1: 2 conformazioni, T1 con il sito di legame per il glucosio aperto sul lato esterno della membrana, T2 con il sito di legame esposto verso il citosol.

11 GLICOLISI VIA PENTOSO FOSFATI GLICOGENO-SINTESI Appena il glucosio entra nel citosol, viene fosforilato in posizione 6, in modo da impedirne l uscita. Solo il glucosio non fosforilato, e in generale i monosaccaridi non fosforilati possono attraversare la membrana plasmatica utilizzando i trasportatori

12 GLICOLISI È la principale via di produzione di energia di tutti i sistemi viventi. Alcune cellule o tessuti traggono tutta la loro energia dalla demolizione del glucosio tramite glicolisi nei mammiferi (eritrociti, cornea, midollare del rene, cervello) così come in diversi tessuti vegetali. PROCESSO CITOSOLICO Durante la glicolisi lo scheletro carbonioso del glucosio è ossidato e l energia liberata è usata per produrre ATP e NADH PRODUZIONE IMMEDIATA DI ATP NEL CITOSOL PRONTO PER L UTILIZZO PRODUZIONE DI NADH CITOSOLICO PER SPINGERE LA PRODUZIONE DI ATP MITOCONDRIALE FOSFORILAZIONI A LIVELLO DEL SUBSTRATO FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

13 ΔG = KJ/mol Punto di controllo Reazione irreversebile ΔG = -2.5 KJ/mol ΔG = KJ/mol ΔG = -1.3 KJ/mol ΔG = +2.5 KJ/mol ΔG = -3.4 KJ/mol ΔG = +2.6 KJ/mol ΔG = +1.6 KJ/mol Punto di controllo Reazione irreversebile RESA ENERGETICA: 4 molecole di ATP prodotte - 2 consumate = 2 ATP prodotte per ogni glucosio ossidato 2 NADH prodotti per ogni glucosio ossidato ΔG = -6.6 KJ/mol ΔG = KJ/mol ΔG TOT = KJ/mol Punto di controllo Reazione irreversebile

14 1 a reazione della glicolisi: fosforilazione del glucosio sul gruppo alcolico in posizione Mg 2+ ESOCHINASI D-GLUCOSIO D-GLUCOSIO-6-fosfato

15 Glucosio Esochinasi Esochinasi Nei mammiferi: 4 forme di Esochinasi I, II e III Km ~ mm IV (glucochinasi) Km ~ 10 mm Riconoscono vari esosi. Inibite dal prodotto (G-6P) Specifica per glucosio. Non inibita dal G-6P È attiva nel fegato e risponde a forti aumenti della [glucosio] ematica: dopo i pasti, quando il livello ematico basale di glucosio è superiore a 5 mm. D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, FONDAMENTI DI BIOCHIMICA 2/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2007

16 2 a reazione della glicolisi: isomerizzazione del glucosio 6-fosfato in fruttosio 6-fosfato Glucosio 6-fosfato isomerasi Glucosio 6-fosfato anomero α Fruttosio 6-fosfato anomero α

17 Glucosio 6-fosfato Fruttosio 6-fosfato Glucosio 6-fosfato isomerasi residuo basico: strappa 1 H + dal C2 Si forma un doppio legame C1-C2 Una coppia di e- 1 2 dell Enediolo forma un legame C-H con 1 H + donato dal 1 residuo basico 1 2 Gli elettroni del carbonile formano un OH con un H + donato da un 2 residuo basico 2 residuo basico: strappa 1 H + dall - OH in C2. In posizione C1 si è formato un gruppo ossidrilico e in posizione C2 un carbonile

18 FRUTTOSIO: MONOSACCARIDE CHETOSO A 6 ATOMI DI CARBONIO DI CUI 3 SONO ASIMMETRICI. Quando ciclizza spontaneamente in soluzione acquosa 6 si forma un legame emichetalico fra il carbonio carbonilico in C-2 e il gruppo 5 2 alcolico in C-5: anello a 5 atomi H + δ- δ+ Attacco nucleofilo dell ossigeno sul C2 O 4 3 Il carbonio ANOMERICO del fruttosio è il C-2, diventa un Carbonio sp 3 chirale H 5 6 OH 1 Idrogeno liberato come H + O 4 3 Tymoczko et al., PRINCIPI DI BIOCHIMICA zanichelli editore S.p.A Copyright 2010

19 L introduzione di un nuovo centro chirale in posizione 2 genera due forme cicliche stereoisomere: ANOMERI α e β. La forma ciclica più comune del fruttosio è quella furanosica 5 6 O OH H O Carbonio anomerico in posizione 2 Tymoczko et al., PRINCIPI DI BIOCHIMICA zanichelli editore S.p.A Copyright 2010

20 3 a reazione: consumo di un secondo ATP per fosforilare il fruttosio 6-fosfato sul gruppo alcolico in posizione 1 OH CH 2 OH Mg 2+ Fosfofruttochinasi-1 (PFK-1) OH CH 2 OPO D-Fruttosio 6-fosfato D-Fruttosio 1,6-bisfosfato

21 4 a reazione OH CH 2 OPO ALDOLASI Fruttosio 1,6-bisfosfato Reazione reversibile, è prossima all equilibrio nelle cellule Deriva dagli atomi di carbonio 1, 2 e 3 del glucosio Diidrossiacetone fosfato Gliceraldeide 3- fosfato Deriva dagli atomi di carbonio 4, 5 e 6 del glucosio

22 Meccanismo di reazione dell ALDOLASI Si formerà duna base di Shiff Scissione aldolica H 2 O Gliceraldeide 3-fosfato Base di Shiff protonata D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, FONDAMENTI DI BIOCHIMICA 2/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2007

23 Diidrossiacetone fosfato Intermedio enamminico Idrolisi Tautomerizzazione e protonazione del C3 D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, FONDAMENTI DI BIOCHIMICA 2/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2007 Complesso enzima-prodotto

24 5 a reazione: Delle 2 molecole prodotte dalla scissione del fruttosio 1,6-bisfosfato solo la gliceraldeide 3-P è il substrato della successiva reazione della glicolisi, perciò il diidrossiacetonefosfato viene rapidamente convertito in D-gliceraldeide-3-fosfato Reazione prossima all equilibrio Molto rapida Trioso-fosfato isomerasi Diidrossiacetone fosfato D-Gliceldeide 3-fosfato È rapidamente formata ma è anche rapidamente consumata dal passaggio successivo: la concentrazione di gliceraldeide 3- fosfato è mantenuta pressoché costante.

25 Con la formazione di gliceraldeide 3-P termina la fase di consumo energetico: Da 1 molecola di glucosio abbiamo ottenuto 2 molecole di gliceraldeide 3-P e consumato 2 molecole di ATP La GLICERALDEIDE 3-FOSFATO deve essere OSSIDATA: IL CARBONIO ALEDIDICO (1) viene OSSIDATO IN CARBONIO CARBOSSILICO 1 H: - È TRASFERITO SUL NAD + il quale si riduce a NADH A SEGUITO DELL OSSIDAZIONE VIENE INTRODOTTO UN GRUPPO FOSFATO CHE SI LEGA AL CARBOSSILE IN POSIZIONE 1 CON UN LEGAME ANIDRIDICO L energia liberata dall ossidoriduzione è utilizzata per formare un ANIDRIDE MISTA e quindi immagazzinata sotto forma di elevato potenziale di trasferimento del gruppo fosfato.

26 6 a reazione Il NADH prodotto in questa reazione DOVRA essere ri-ossidato affinché la glicolisi non si fermi (2 x) (2 x) Gliceraldeide 3-fosfato Fosfato inorganico Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi Reazione di ossidoriduzione: NAD + viene ridotto a NADH CHO in 1 viene ossidato a COOH, il quale a sua volta si impegna in un legame fosfoanidridico. (2 x) 1,3-bisfosfoglicerato

27 Meccanismo della reazione catalizzata dalla glicerladeide 3-P deidrogenasi Cys S Intermedio tioacetale Il NAD + strappa uno ione idruro :H dal carbonio 1 della GA3P Cys S H Complesso enzimasubstrato: Cys acida del sito attivo attacca il gruppo aldeidico della GA3P Cys S Il tioacetale si trasforma in un intermedio tioestere Cys S H Entrano NAD + e GA3P Cys S Entra un fosfato inorganico E avviene una fosforolisi 1,3-BPG

28 7 a reazione Anidride mista ad alta energia Fosforilazione a livello del substrato in cui sono prodotti 2 ATP/glucosio X 2 1,3-bisfosfoglicerato + ADP Nella cellula è una reazione prossima all equilibrio (è importante che possa avvenire anche nel verso opposto) Fosfoglicerato chinasi (PGK) X 2 3-fosfoglicerato + ATP

29 8 a reazione X 2 Fosfoglicerato mutasi X 2 3-fosfoglicerato 2-fosfoglicerato Interconversione prossima all equilibrio Nelson Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER, Zanichelli editore S.p.A. Copyright

30 9 a reazione X 2 2Mg 2+ ENOLASI X 2 2-fosfoglicerato Reazione di Disidratazione: un fosfoestere è convertito in un estere enol-fosfato fosfoenolpiruvato ENOL-FOSFATO: legame con elevato potenziale di trasferimento del gruppo fosfato

31 10 a reazione: Fosforilazione a livello del substrato + Mg 2+, K + PIRUVATO CHINASI PIRUVATO X 2 X 2 PIRUVATO CHINASI e D. Voet C. W. Pratt J. G. Voet, FONDAMENTI DI BIOCHIMICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright