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Lezioni di biochimica 2 2 2

Il metabolismo di lipidi e proteine Lezione 6 Il metabolismo di lipidi e proteine 3 © Zanichelli editore, 2014 3 3

Il metabolismo dei lipidi (I) I lipidi sono l’altra principale fonte di energia delle cellule, in particolare per tessuti muscolari e fegato. I lipidi possono derivare dalla dieta oppure mobilizzati dalle riserve presenti nelle cellule adipose. I lipidi alimentari (trigliceridi) assorbiti dall’intestino viaggiano nel sangue legati a proteine (lipoproteine) che li distribuiscono ai tessuti. Gli acidi grassi mobilizzati dal tessuto adiposo, invece, vengono trasportati dalla proteina albumina. © Zanichelli editore, 2014 4 4

Il metabolismo dei lipidi (II) Il fegato è in grado di sintetizzare trigliceridi che vengono veicolati alle cellule dalle proteine VLDL (very low density lipoprotein). Una volta ceduto il loro carico, esse diventano LDL (low density lipoprotein), ricche in colesterolo, che sono internalizzate dalle cellule che necessitano di colesterolo per la sintesi delle membrane. L’eccesso di colesterolo nel sangue, invece, viene rimosso dalle HDL (high density lipoproteins) che lo trasportano al fegato per la sua eliminazione. © Zanichelli editore, 2014 5 5

Il metabolismo dei lipidi (III) © Zanichelli editore, 2014 6 6

Il catabolismo dei lipidi I trigliceridi sono idrolizzati a glicerolo e acidi grassi. Il glicerolo è trasformato in gliceraldeide 3-P ed entra nella glicolisi, mentre gli acidi grassi vengono trasportati nei mitocondri per essere ossidati. L’ossidazione degli acidi grassi ha un’elevata resa energetica: una molecola di acido palmitico (16 C) completamente ossidata genera 129 molecole di ATP che corrispondono al 40% dell’energia totale contenuta nell’acido palmitico. Oltre all’ATP dall’acido palmitico sono prodotte 129 molecole di H2O. Alcuni animali (come il cammello) usano gli acidi grassi anche come fonte di acqua. © Zanichelli editore, 2014 7 7

L’ingresso degli acidi grassi nel mitocondrio (I) L’ossidazione degli acidi grassi avviene nel mitocondrio. Per arrivarci, gli acidi grassi devono superare 3 passaggi: Esterificazione con Coenzima A a formare l’acil-CoA (nel citosol) con consumo di 1 ATP. Cessione dell’acido grasso alla carnitina con liberazione del Coenzima A. © Zanichelli editore, 2014 8 8 8

L’ingresso degli acidi grassi nel mitocondrio (II) Ingresso del complesso acil-carnitina nel mitocondrio attraverso un trasportatore specializzato e cessione dell’acido grasso al Coenzima mitocondriale generando un nuovo acil-CoA e carnitina libera. © Zanichelli editore, 2014 9 9

La b-ossidazione (I) L’ossidazione degli acidi grassi è detta b-ossidazione perché nella prima reazione due idrogeni sono strappati al legame tra i carboni 2 e 3 dell’acil-CoA (detti carboni a e b) con formazione di FADH2 (che entrerà nella catena respiratoria). Il ciclo di reazioni successive porta alla generazione di un acetil-CoA e di un acil-CoA con 2 atomi di carbonio in meno. © Zanichelli editore, 2014 10 10

La b-ossidazione (II) A questo punto l’acil-CoA così generato re-inizia un nuovo ciclo. La reazione procede quindi eliminando 2 C ad ogni ciclo e generando un acetil-CoA, fino ad esaurimento della catena dell’acido grasso. L’acido palmitico (16 C), genera quindi 8 Acetil CoA a 2 atomi di C. Per ogni ciclo si generano 1 FADH2 e 1 NADH e viene utilizzato un Coenzima A. © Zanichelli editore, 2014 11 11 11

La b-ossidazione La β-ossidazione dell’acido palmitico 12 © Zanichelli editore, 2014 12 12

Destino dell’acetil CoA derivato dai lipidi (I) La maggior parte dell’ acetil CoA derivato dalla b-ossidazione entra nel ciclo di Krebs. Tuttavia il fegato può utilizzarne una parte per formare acetoacetato da cui derivano acetone e b-idrossibutirrato: i corpi chetonici. © Zanichelli editore, 2014 13 13

Destino dell’acetil CoA derivato dai lipidi (II) I corpi chetonici possono essere utilizzati per generare acetil CoA da tessuti (muscolo, cervello), soprattutto in caso di digiuno (scarso apporto di glucosio). Sfruttamento energetico dell’acetoacetato © Zanichelli editore, 2014 14 14 14

La biosintesi degli acidi grassi: l’acido palmitico (I) Gli acidi grassi cellulari sono sintetizzati da una via completamente diversa dalla b-ossidazione. La biosintesi avviene nel citosol ad opera dei 7 enzimi del complesso della acido grasso sintasi. La biosintesi inizia con una molecola di Acetil CoA che funge da iniziatore. Ad essa vengono via via condensate unità a 2 C di malonil-CoA. © Zanichelli editore, 2014 15 15

La biosintesi degli acidi grassi: l’acido palmitico (II) Quindi, per sintetizzare un acido palmitico (16 C) serviranno 1 acetil-CoA e 7 malonil-CoA. Serve anche potere riducente, fornito da NADPH+H+. © Zanichelli editore, 2014 16 16 16

La biosintesi degli acidi grassi: allungamento (I) L’acido palmitico è il precursore degli altri acidi grassi a catena lunga. L’allungamento avviene sia nel mitocondrio (acidi grassi sia saturi che insaturi) sia nel reticolo endoplasmatico (acidi grassi monoinsaturi come palmitoleato e oleato). © Zanichelli editore, 2014 17 17

La biosintesi degli acidi grassi: allungamento (II) Nel mitocondrio il processo prevede l’aggiunta di unità acetile (acetil-CoA) successive, mentre la sintesi di acidi monoinsaturi nel reticolo endoplasmatico richiede reazioni complesse con l’intervento di una catena di trasporto di elettroni microsomiale e proteine del citocromo b. Gli acidi grassi sono poi esterificati sul glicerolo per dare trigliceridi. © Zanichelli editore, 2014 18 18 18

La biosintesi del colesterolo (I) Il colesterolo è un componente essenziale delle membrane cellulari. La sua biosintesi richiede 25 distinte reazioni ed è molto complessa. Inizia con la condensazione di tre molecole di acetil CoA a formare l’acido L-mevalonico che viene successivamente convertito in squalene (a 30 atomi di C). Questo è il precursore del colesterolo. © Zanichelli editore, 2014 19 19

La biosintesi del colesterolo (II) Questa via biosintetica è molto dispendiosa, richiedendo il consumo di 18 acetil-CoA, 16 NADPH+H+ e 18 ATP. © Zanichelli editore, 2014 20 20 20

Il metabolismo degli amminoacidi Gli amminoacidi, assunti dalle proteine della dieta, contribuiscono in misura minoritaria al fabbisogno energetico. Tuttavia, in caso di digiuno prolungato, la demolizione delle proteine endogene (soprattutto del muscolo scheletrico) può diventare una fonte di riserva importante, anche se pericolosa per l’organismo (in quanto porta al deperimento e alla morte). Gli amminoacidi, tuttavia, forniscono precursori essenziali per la biosintesi di molte macromolecole dell’organismo. © Zanichelli editore, 2014 21 21

Catabolismo degli amminoacidi Le vie di degradazione dei 20 amminoacidi essenziali sono molto diversificate. Contrariamente alle vie cataboliche di carboidrati e lipidi, il catabolismo energetico degli amminoacidi non converge unicamente su acetil-CoA, ma entra nel ciclo di Krebs a differenti livelli, come riportato nella tabella successiva. © Zanichelli editore, 2014 22 22

Amminoacidi e ciclo di Krebs Amminoacido Intermedio del ciclo di Krebs alanina, treonina, glicina, serina, cisteina piruvato leucina, lisina, triptofano Acetil-CoA acido aspartico, asparagina ossalacetato fenilalanina, tirosina fumarato isoleucina, metionina, valina Succinil-CoA arginina, istidina, glutamina, prolina a-chetoglutarato (attraverso l’acido glutamico) © Zanichelli editore, 2014 23 23

Amminoacidi nelle vie biosintetiche (I) Gli amminoacidi sono distinti in glucogenici, chetogenici o entrambi, a seconda che gli intermedi del loro catabolismo possano essere precursori di glucosio, acidi grassi o entrambi, come dalla tabella. © Zanichelli editore, 2014 24 24

Amminoacidi nelle vie biosintetiche (II) Inoltre dal catabolismo degli amminoacidi si generano precursori di una grande varietà di macromolecole essenziali. © Zanichelli editore, 2014 25 25

Rimozione del gruppo amminico (I) Uno degli aspetti più importanti del catabolismo degli amminoacidi è la rimozione del loro gruppo amminico. Per la maggior parte degli amminoacidi questo avviene tramite due reazioni: la transaminazione e la deaminazione ossidativa. Al termine il gruppo amminico è eliminato sotto forma di ione ammonio. © Zanichelli editore, 2014 26 26

Rimozione del gruppo amminico (II) Lo ione ammonio è eliminato in forme diverse nei diversi organismi. © Zanichelli editore, 2014 27 27 27

Transaminazione (I) In questa reazione, catalizzata nel fegato dalle transaminasi (citosoliche e mitocondriali), il gruppo amminico di un amminoacido viene trasferito ad un accettore a-chetoacido (solitamente a-chetoglutarato), generando un amminoacido (acido glutamico) e un a-cheotacido diverso a seconda dell’amminoacido di partenza. © Zanichelli editore, 2014 28 28

Transaminazione (II) Le transaminasi utilizzano il cofattore piridossal fosfato (PLP), derivato dalla vitamina B6. © Zanichelli editore, 2014 29 29 29

Deaminazione ossidativa L’acido glutamico prodotto dalla transaminazione viene deidrogenato nel fegato dalla glutammato deidrogenasi che rigenera l’ a-chetoglutarato e trasforma il gruppo amminico in ione ammonio. Gli elettroni sono ceduti al preferenzialmente al NAD+ (ma anche al NADP+). © Zanichelli editore, 2014 30 30

Accoppiamento di transaminazione e deaminazione Le due reazioni accoppiate consentono l’eliminazione del gruppo amminico di molti amminoacidi attraverso l’intermedio comune acido glutamico. © Zanichelli editore, 2014 31 31

Eliminazione dello ione ammonio Le due reazioni accoppiate di transaminazione e deaminazione, formano un ciclo in cui viene continuamente rigenerato a-chetoglutarato. Tuttavia, se lo ione ammonio non venisse rapidamente rimosso, la seconda reazione si fermerebbe, causando l’accumulo di acido glutamico e il consumo di alfa-chetoglutarato. Quest’ultimo è un importante intermedio del ciclo di Krebs, per cui la sua deplezione avrebbe un efetto nocivo, soprattutto per il metabolismo cerebrale. Lo ione ammonio viene eliminato trasformandolo in urea. © Zanichelli editore, 2014 32 32

Ciclo dell’urea: fase mitocondriale (I) L’ammonio è trasformato in urea in una serie di reazioni cicliche che avvengono nel mitocondrio e nel citosol. La prima reazione avviene nei mitocondri del fegato ad opera della carbamilfosfato sintetasi. In questa reazione, che consuma 2 ATP, l’ammonio reagisce con il bicarbonato per generare carbamilfosfato. © Zanichelli editore, 2014 33 33

Ciclo dell’urea: fase mitocondriale (II) Il carbamilfosfato sua volta reagisce con l’ornitina per formare la citrullina. È questo composto che è in grado di trasportare il gruppo amminico derivante dall’ammonio dal mitocondrio al citosol. © Zanichelli editore, 2014 34 34 34

Ciclo dell’urea: fase citosolica (I) L’urea contiene due gruppi amminici. Il primo è quello derivato dall’ammonio. Il secondo è donato dall’acido aspartico, generato dalle transaminasi citosoliche a partire da amminoacidi e ossalacetato. A partire da citrullina e acido aspartico, attraverso una serie di reazioni si formano arginina e fumarato. © Zanichelli editore, 2014 35 35

Ciclo dell’urea: fase citosolica (II) Il fumarato rientra nel ciclo di Krebs, mentre l’arginina è usata per generare urea e ornitina, che rientra nel ciclo dell’urea. L’urea è poi escreta con l’urina. Il ciclo dell’urea © Zanichelli editore, 2014 36 36 36

Metabolismo degli amminoacidi e salute Difetti ereditari nel metabolismo degli amminoacidi sono correlati a numerose patologie nell’uomo, come dalla tabella. Malattia genetica Causa Albinismo Difettoso metabolismo della tirosina Cistinuria Difettoso trasporto della cisteina Fenilchetonuria Difettoso metabolismo della fenilalanina Malattia delle urine a sciroppo d’acero Difettoso metabolismo degli a-chetoacidi © Zanichelli editore, 2014 37 37