Parte II- Bioenergetica e metabolismo di carboidrati e lipidi Risposte e breve discussione 1) d. Il glucosio-6-fosfato è l'unico estere tra le sostanze elencate. L'energia libera di idrolisi standard di questo composto è di circa 4 kcal/mole. Tutti gli altri composti hanno energie libere di idrolisi superiori alle 7 kcal/mole. 2) d. Le ossidasi sono ossidoreduttasi che utilizzano ossigeno come accettore di elettroni producendo acqua ossigenata. Le deidrogenasi, flaviniche e piridiniche, utilizzano i rispettivi coenzimi FAD e NAD (NADP) come agenti ossidanti. Le perossidasi impiegano acqua ossigenata come agente ossidante. Le decarbossilasi non catalizzano reazioni di ossidoriduzione. 3) b. L'ipotesi chemioosmotica di Mitchell spiega l'accoppiamento tra la fosforilazione ossidativa e il trasporto elettronico. Il trasferimento degli elettroni lungo la catena di trasporto elettronico comporta un trasferimento di protoni dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana. I protoni vengono pompati a livello di tre siti della catena respiratoria generando così un gradiente protonico. Quando i protoni tornano nella matrice attraversando i canali protonici dell'atpasi asimmetrica posta nella membrana mitocondriale interna, si sintetizza ATP. Oggigiorno è comunemente accettato che l'ipotesi di Mitchell spieghi in modo corretto il legame tra fosforilazione ossidativa e trasporto elettronico. 4) d. L'oligomicina inibisce l'atpasi mitocondriale e quindi previene la fosforilazione dell'adp a formare ATP. Impedisce l'utilizzazione dell'energia derivata dal trasporto elettronico per la sintesi di ATP. L'oligomicina non ha alcun effetto sull'accoppiamento ma blocca la fosforilazione mitocondriale bloccando sia l'ossidazione sia la fosforilazione. 5) d. I sistemi navetta sono utilizzati per il trasferimento degli elettroni presenti sul NADH prodotto nel citosol alla catena respiratoria mitocondriale. Si tratta di due sistemi, noti come sistema del glicerofosfato e del malato-aspartato, che operano inizialmente una riduzione, rispettivamente, del diossiacetone fosfato e dell'ossalacetato citosolico. 6) d. Il fruttosio è l'unico chetoso tra i monosaccaridi elencati. Il glucosio è l'aldoesoso più importante da un punto di vista metabolico. Mannosio e galattosio sono epimeri del glucosio rispettivamente in posizione 2 e 4. Il ribosio è un aldoso a cinque atomi di carbonio particolarmente importante per la sua presenza nell'acido ribonucleico. 7) d. Il glicogeno e l'amido sono due polimeri costituiti esclusivamente da α-glucosio. In entrambi questi polisaccaridi le singole unità monosaccaridiche sono unite tra loro con legami 1,4- o 1,6-glicosidici. Il glicogeno, diffuso nel mondo animale, presenta un numero di ramificazioni sensibilmente superiore rispetto all'amido. In nessuna delle due molecole sono presenti catene polipeptidiche coniugate. 8) c. Il concetto di essenzialità si riferisce all'impossibilità di biosintetizzare una molecola in un determinato organismo. In questi casi le molecole essenziali debbono essere introdotte con l'alimentazione. Nel caso degli acidi grassi, l'uomo non è in grado di sintetizzare doppi legami ad una distanza uguale o inferiore a sei atomi di carbonio dall'estremità metilica terminale. L'acido linoleico, che presenta un doppio legame a distanza di sei atomi di carbonio dall'estremità metilica (ω6), è pertanto essenziale per l'uomo. Gli acidi palmitoleico e oleico sono rispettivamente ω7 e ω9 e quindi non sono essenziali. Gli acidi palmitico e stearico non contengono doppi legami. 9) b. Le lecitine sono particolari tipi di fosfogliceridi costituiti da uno scheletro di glicerolo a cui sono esterificate due molecole di acido grasso. La terza posizione alcolica del glicerolo è esterificata da una molecola di acido fosforico che, a sua volta, è legata ad una molecola di colina. Le molecole di zucchero, quali il ribosio, non sono presenti nelle lecitine. La sfingosina è invece una molecola che costituisce lo scheletro di un'altra classe di fosfolipidi, le sfingomieline.
10) b. Una molecola di GTP si sintetizza a partire da GDP e fosfato inorganico nella reazione in cui il succinil CoA è idrolizzato a succinato e CoA. Questa reazione rappresenta una fosforilazione a livello del substrato e, in contrapposizione alla fosforilazione ossidativa, è l'unica reazione del ciclo dell'acido citrico che fornisce direttamente una molecola fosforilata ad alta energia libera di idrolisi. La sequenza di reazioni che parte dall'α-chetoglutarato per arrivare al succinato è catalizzata dal complesso dell'α-chetoglutarato deidrogenasi e della succinil CoA sintetasi. α-chetoglutarato + NAD + + CoA succinil CoA + CO 2 + NADH succinil CoA + P i + GDP succinato + GTP + CoA 11) b. Equivalenti riducenti sono prodotti in quattro momenti del ciclo dell'acido citrico. Il NADH è prodotto dalla conversione dell'isocitrato in α-chetoglutarato catalizzata dall'isocitrato deidrogenasi, dalla conversione dell'α-chetoglutarato in succinil CoA catalizzata dal complesso dell'α-chetoglutarato deidrogenasi e dalla conversione del malato in ossalacetato catalizzata dalla malato deidrogenasi. Il FADH 2 è prodotto dalla conversione del succinato in fumarato catalizzata dalla succinato deidrogenasi. La succinil CoA sintetasi catalizza la formazione di succinato a partire da succinil CoA, con la formazione contemporanea di GTP a partire da GDP e fosfato inorganico. 12) b. La glicolisi aerobia può essere definita come la conversione ossidativa del glucosio a due molecole di piruvato. In questo processo si generano due molecole di ATP e due molecole di NADH. Poiché gli equivalenti riducenti citosolici debbono essere trasferiti nel mitocondrio per la riossidazione, non è certo il numero di molecole di ATP prodotte. Assumendo che si formino due molecole di ATP per ogni NADH citosolico trasferito nel mitocondrio con il sistema navetta del glicerofosfato e qui riossidato, la resa energetica della glicolisi aerobia può essere stimata in sei molecole di ATP per molecola di glucosio utilizzata. 13) e. Gruppi fosfato sono trasferiti su molecole di substrato in tre reazioni della glicolisi. Tuttavia, solo il trasferimento di fosfato sull'aldeide 3-fosfoglicerica accoppiato alla sua ossidazione e catalizzato dalla gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi genera un composto ad alta energia libera di idrolisi, l'1,3-bifosfoglicerato. Le fosforilazioni del glucosio e del fruttosio-6-fosfato, catalizzate rispettivamente da esochinasi e fosfofruttochinasi, portano alla formazione di esteri fosforici il cui contenuto energetico non è considerato elevato. La fosfoglicerato chinasi e la piruvato chinasi sono enzimi che catalizzano il trasferimento di gruppi fosfato da composti ad alta energia libera di idrolisi all'adp per formare ATP. 14) b. Il prodotto finale della glicolisi negli eritrociti, che non possiedono mitocondri, è il lattato. La conversione del piruvato in lattato catalizzata dalla lattato deiderogenasi permette di rigenerare il NAD + dal NADH accumulato nella reazione di ossidazione della gliceraldeide- 3-fosfato. Ciò fa si che la glicolisi possa procedere. Il lattato si accumula anche nel muscolo in attività intensa, quando l'ossigeno non è più sufficiente. Nei mammiferi, il lattato diffonde in circolo ed è metabolizzato nel fegato. Il lattato si forma in modo simile nei microrganismi quando questi crescono in condizioni anaerobie. In alternativa, i microrganismi (ma non gli eritrociti) possono formare etanolo in condizioni di anaerobiosi. In tutti i casi il prodotto finale favorisce la rigenerazione del NAD + e il procedere della glicolisi. 15) c. La glicogeno sintetasi è un enzima che trasferisce unità glicosidiche dall'udp-glucosio alla molecola di glicogeno in crescita. Nelle piante è l'adp-glucosio a fare la parte dell'udp-glucosio degli animali. L'enzima esiste in due forme: l'una attiva, defosforilata, l'altra inattiva, fosforilata. L'inattivazione dipende perciò dalla fosforilazione di un residuo specifico di serina. La depolimerizzazione del glicogeno, non la sintesi, è influenzata positivamente dall'aumento dei livelli di ione calcio. 16) b. Le condizioni patologiche note come galattosemie possono derivare da un deficit di galattochinasi, 4'-epimerasi o uridiltransferasi. Ognuno di questi deficit conduce ad un alterato metabolismo del galattosio, che si forma per idrolisi del lattosio, lo zucchero del
latte. L'accumulo prolungato di galattosio nel sangue, che viene in parte perduto con le urine, porta alla cataratta. Il galattosio viene, infatti, ridotto a galattitolo e accumulato nell'occhio. Tutti gli altri enzimi elencati nelle risposte partecipano al metabolismo del glicogeno e il loro deficit porta all'accumulo di glicogeno. 17) d. Nel momento in cui una cellula facoltativa, che può metabolizzare glucosio sia in condizioni aerobie sia anaerobie, passa dal metabolismo anaerobio a quello aerobio, riduce nettamente il consumo di glucosio. In condizioni aerobie la cellula guadagna, in termini di resa energetica del catabolismo del glucosio, fino a 18 volte rispetto al metabolismo anaerobio. E' evidente che in tali condizioni la cellula richieda una minor quantità di glucosio. L'aumento dei livelli di ATP citosolico e il rilascio del citrato dal mitocondrio che avvengono in condizioni aerobie, inibiscono allostericamente la fosfofruttochinasi, enzima chiave della via glicolitica. 18) d. Tutti gli enzimi elencati, ad eccezione della fosfoglicerato chinasi, sono specifici della glicolisi o della gluconeogenesi. La fosfoglicerato chinasi è uno dei sette enzimi comuni alle due vie metaboliche. Gli enzimi esochinasi, fosfofruttochinasi e piruvato chinasi catalizzano irreversibilmente le rispettive reazioni della glicolisi. Nella gluconeogenesi tali passaggi sono catalizzati da enzimi diversi. Il piruvato è trasformato in fosfoenolpiruvato attraverso due passaggi. Nel primo si forma ossalacetato per carbossilazione catalizzata dalla piruvato carbossilasi; nel secondo la fosfoenolpiruvato carbossichinasi decarbossila e fosforila l'ossalacetato in presenza di GTP. L'altro passaggio irreversibile che deve essere saltato nella gluconeogenesi prevede la formazione di fruttosio-6-fosfato da fruttosio-1,6-bifosfato per azione della fruttosio-1,6-fosfatasi. Quando il glucosio-6-fosfato è finalmente prodotto nella gluconeogenesi, questo è convertito in glucosio dalla glucosio-6-fosfatasi, un enzima presente soltanto nel reticolo endoplasmatico degli epatociti. Il glucosio libero può così diffondere nel sangue dal fegato. Tra tutti gli enzimi indicati nelle risposte, soltanto la fosfoglicerato chinasi catalizza una reazione reversibile comune alla glicolisi e alla gluconeogenesi. 19) d. L'adrenalina stimola l'adenilato ciclasi muscolare e epatica portando alla produzione di AMP ciclico. Nel fegato, l'aumento dei livelli di camp comporta l'attivazione di una fosfatasi che defosforila il fruttosio-2,6-bifosfato e, contemporaneamente, inattiva la chinasi che lo produce. Il risultato di questo processo è che i livelli di fruttosio-2,6-bifosfato si riducono e che l'attività della fosfofruttochinasi diminuisce. Nel muscolo scheletrico, tuttavia, la chinasi responsabile della sintesi di fruttosio-2,6-bifosfato è attivata, piuttosto che inibita, dal camp. Ne consegue che la stimolazione da adrenalina provoca nel muscolo un aumento del flusso glicolitico, contrariamente a ciò che succede nel fegato. In entrambi i tessuti la glicogeno fosforilasi è attivata e si ha intensa glicogenolisi. In queste condizioni, il glucosio è impiegato in modo diverso nei due organi: nel muscolo serve per la produzione di ATP utile per l'attività contrattile mentre nel fegato esso viene esportato nel sangue. 20) a. Le fonti metaboliche di NADPH per la sintesi degli acidi grassi e del colesterolo sono la via del pentoso fosfato ed il malato che si genera durante il trasferimento di gruppi acetile dal mitocondrio al citosol sottoforma di citrato. L'enzima citrato liasi spezza il citrato in acetil CoA e ossalacetato. Quest'ultimo è ridotto a malato dal NADH. L'enzima malico NADP-dipendente catalizza la decarbossilazione ossidativa del malato a piruvato e biossido di carbonio. Quindi la diffusione del citrato in eccesso dal mitocondrio al citosol delle cellule non fornisce soltanto acetil CoA per la sintesi di acidi grassi e colesterolo ma anche il NADPH. Per ogni molecola di acetil CoA prodotta si forma una molecola di NADPH. Tuttavia, la maggior parte del NADPH richiesto per la sintesi degli acid grassi è fornito dalla via del pentoso fosfato. Per questo motivo nel tessuto adiposo questa via metabolica è particolarmente attiva. 21) b. In condizioni normali, il galattosio è convertito rapidamente in glucosio-6-fosfato nel fegato e negli eritrociti. La maggior parte degli altri organi non metabolizza il galattosio. Il galattosio è inizialmente fosforilato dall'atp per produrre galattosio-1-fosfato in presenza
dell'enzima galattochinasi. La galattosio-1-fosfato uridiltransferasi trasferisce quindi l'udp dall'udp-glucosio al galattosio-1-fosfato per formare UDP-galattosio e glucosio-1-fosfato. Grazie alla presenza di UDP-galattosio-4-epimerasi, l'udp-galattosio è epimerizzato a UDPglucosio. Il glucosio-1-fosfato è, infine, isomerizzato a glucosio-6-fosfato dalla fosfoglucomutasi. Il deficit genetico di galattosio-1-fosfato uridiltransferasi provoca la galattosemia. In questa malattia autosomica recessiva, i bambini affetti hanno complicazioni fino a che il latte, principale fonte di galattosio, non è eliminato dalla dieta. I principali sintomi che permangono fino a quando non si elimina il galattosio dall'alimentazione sono vomito, diarrea, epatomegalia, ittero e ritardo mentale. I problemi di sviluppo sono causati dalla riduzione del galattosio a galattitolo (dulcitolo) in presenza dell'enzima aldoso reduttasi. L'accumulo di galattosio-1-fosfato è inoltre responsabile dell'epatomegalia. 22) e. Il complesso dell'acido grasso sintetasi di mammifero è costituito da due subunità identiche. Ognuna delle due subunità è un complesso multienzimatico costituito da sette attività enzimatiche e dalla proteina trasportatrice di gruppi acile (ACP). Tutte le componenti sono legate covalentemente tra loro e sono quindi comprese in una singola catena polipeptidica che funziona soltanto in presenza di un'altra catena polipeptidica identica. Ogni ciclo di sintesi vede il funzionamento della proteina trasportatrice di acili e di sei attività enzimatiche: acetil transferasi, malonil transferasi, β-chetoacil sintasi, β-chetoacil reduttasi, deidratasi ed enoilreduttasi. Quando la catena idrocarburica raggiunge la lunghezza finale, in genere C 16, la tioesterasi idrolizza l'acido grasso staccandolo dal complesso della sintasi. 23) d. Nell'uomo il prodotto finale della sintesi degli acidi grassi che avviene nel citosol è l'acido palmitico. La specificità del complesso multienzimatico dell'acido grasso sintetasi è tale che non appena si raggiunge la lunghezza di 16 atomi di carbonio, una tioesterasi stacca l'acido grasso dal complesso. L'allungamento e l'insaturazione del palmitato appena sintetizzato e degli acidi grassi introdotti con la dieta avviene per azione di enzimi localizzati nelle membrane del reticolo endoplasmatico liscio. 24) a. Durante ogni ciclo di β-ossidazione l'acil CoA saturo viene degradato attraverso un accorciamento di due atomi di carbonio rilasciati in forma di acetil CoA. Complessivamente avvengono quattro reazioni: l'ossidazione dell'acil CoA ad enoil CoA con produzione di FADH 2 ; l'idratazione, con consumo di H 2 O, per formare L-idrossiacil CoA; l'ossidazione a chetoacil CoA associata alla formazione di NADH + H + ; infine, la rottura del chetoacil CoA per introduzione di una nuova molecola di CoA per fornire acetil CoA e un acil CoA accorciato di due atomi di carbonio. 25) e. Il precursore metabolico dell'acetacetil CoA prodotto dalla condensazione di acetil CoA nel fegato è il 3-idrossi-3-metilglutaril CoA (HMG CoA). In condizioni normali, la produzione di HMG CoA avviene nel citosol degli epatociti, nel quadro della biosintesi del colesterolo. A digiuno, tuttavia, ma anche in pazienti diabetici, la produzione di HMG CoA avviene nei mitocondri epatici durante la biosintesi dei corpi chetonici. In questo processo, l'hmg CoA viene spezzato dalla HMG CoA liasi per dare acetacetato e acetil CoA. L'enzima β-idrossibutirrato deidrogenasi, NADH-dipendente, converte la maggior parte dell'acetacetato in β-idrossibutirrato che diffonde nel sangue ed è trasportato ai tessuti periferici. 26) c. Nei mammiferi l'acido arachidonico (5,8,11,14-eicosatetraenoico) può essere sintetizzato esclusivamente a partire da acidi grassi essenziali introdotti con la dieta. Dall'acido linoleico (9,12-ottadecadienoico) si può ottenere acido arachidonico mediante due insaturazioni e allungamento della catena. Nonostante l'acido linolenico (9,12,15-ottadecatrienoico) sia anch'esso un acido grasso essenziale, la sua insaturazione e l'allungamento portano alla formazione di acido 8,11,14,17-eicosatetraenoico, una molecola diversa dall'acido arachidonico. Gli acidi palmitico, oleico e stearico non sono acidi grassi essenziali nei mammiferi e non possono portare alla formazione di acido arachidonico. 27) b. La lipolisi negli adipociti è regolata direttamente dagli ormoni. L'adrenalina stimola l'adenilato ciclasi a produrre AMP ciclico che, a sua volta, attiva una proteina chinasi. La
chinasi attiva la trigliceride lipasi attraverso una reazione di fosforilazione. La lipolisi quindi prosegue e porta al rilascio di acidi grassi e glicerolo. L'inutile riesterificazione dell'acido grasso è prevenuta dal fatto che gli adipociti possiedono una bassissima attività glicerochinasica per fosforilare il glicerolo libero, che deve quindi essere metabolizzato nel fegato. L'inibizione della lipolisi avviene in presenza di insulina, che determina un abbassamento dei livelli di AMP ciclico. La lipoproteina lipasi non è un enzima presente negli adipociti. 28) d. la regolazione del metabolismo del colesterolo è per definizione esercitata su di una tappa obbligata. Questa è la reazione catalizzata dalla 3-idrossi-3-metilglutaril CoA reduttasi. L'attività reduttasica diminuisce in modo sensibile quando la dieta è ricca di colesterolo e ciò rappresenta un efficace sistema di controllo retrogrado del metabolismo del colesterolo. 29) b. I chilomicroni sono lipoproteine ricche in trigliceridi di origine alimentare. Le lipoproteine a densità molto bassa (VLDL) contengono trigliceridi e colesterolo di origine epatica. La progressiva riduzione della quota di trigliceridi contenuta nelle VLDL porta alla formazione delle lipoproteine a densità intermedia (IDL) e, infine, di quelle a densità bassa (LDL). Da qui l'ordine chilomicroni VLDL IDL LDL 30) e. Gli acidi biliari sono spesso coniugati con la glicina per formare l'acido glicocolico o con la taurina per formare l'acido taurocolico. Nella bile umana l'acido glicocolico è senz'altro il più abbondante. La presenza del gruppo carbossilato della glicina o del gruppo solfato della taurina aumenta l'idrofilicità degli acidi biliari e comporta, di conseguenza, una maggior efficacia da parte di questi nell'emulsionamento dei lipidi durante la digestione.