Metabolismo Cellulare: Energia e Macromolecole, Dispense di Chimica organica

Scarica Metabolismo Cellulare: Energia e Macromolecole e più Dispense in PDF di Chimica organica solo su Docsity! 5 Le trasformazioni chimiche nella cellula Metabolismo: insieme delle reazioni chimiche che, in modo coordinato e integrato, degrada e sintetizza le biomolecole cellulari. Tre funzioni principali: ‡ ricavare energia utile per la cellula attraverso la degradazione di sostanze nutrienti ‡ convertire i nutrienti in molecole utili per la cellula ‡ sintetizzare macromolecole e polimeri a partire dai precursori Valitutti et al., Chimica organica, biochimica e biotecnologie © Zanichelli editore 2020 La vita di una cellula dipende dalle trasformazioni chimiche che avvengono. Le biomolecole come i carboidrati, i lipidi e gli amminoacidi sono continuamente trasformate. 1) Ricavare energia utile per la cellula attraverso la degradazione di sostanze nutrienti. Le sostanze assunte sono demolite e degradate fino a generare prodotti di rifiuto. L’energia ricavata può essere impiegata in diversi modi. 2) Convertire i nutrienti in molecole utili per la cellula, come avviene durante la produzione di coenzimi a partire dalle vitamine. In genere, queste trasformazioni richiedono il consumo di parte dell’energia ricavata dalla degradazione dei nutrienti. 3) Sintetizzare macromolecole e polimeri a partire dai precursori. Le biomolecole descritte, possono essere sintetizzate da molecole più semplici (precursori). I processi di biosintesi implicano il consumo dell’energia metabolica. Le reazioni metaboliche sono lente e vengono catalizzate da enzimi che garantiscono le reazioni. Quelle non catalizzate sono una minoranza e sono meno importanti o o o Le reazioni anaboliche e cataboliche non si verificano simultaneamente né in modo indipendente, ma sono regolate e coordinate all’interno di vie metaboliche. Le molecole prodotte e utilizzate prendono il nome di intermedi metabolici. Il metabolismo è un insieme di vie metaboliche lineari e ramificate interconnesse; gli intermedi possono partecipare anche ad altre reazioni in più vie metaboliche. Alcune vie del metabolismo degradativo (vie cataboliche) sono uguali e contrarie alle corrispondenti vie del metabolismo sintetico (vie anaboliche). In realtà, la perfetta sovrapposizione tra vie cataboliche e anaboliche non si verifica. Ciò consente di regolare i processi catabolici e anabolici a seconda delle esigenze. In questo modo si possono superare le barriere energetiche; grazie al consumo di ATP. La quantità di energia rilasciata è uguale a quella assorbita. 7 Le trasformazioni chimiche nella cellula Le vie metaboliche sono convergenti, divergenti e cicliche. Valitutti et al., Chimica organica, biochimica e biotecnologie © Zanichelli editore 2020 Le vie metaboliche sono strutturate in modo diverso. Il catabolismo sfrutta biomolecole degradabili per produrre un numero limitato di prodotti detti cataboliti. Le vie cataboliche sono convergenti, cioè partono da numerosi substrati e portano a poche molecole semplici. Nella maggior parte delle cellule le vie cataboliche convergono portando alla for- mazione di un piccolo catabolita acetil-CoA. Ouest'ultimo alimenta la via metabolica chiamata ciclo dell'acido citrico (o ciclo di Krebs) che ha andamento ciclico e liberazione di CO2. Il ciclo dell'acido citrico è una via metabolica terminale. Il metabolismo terminale completa l'ossidazione e la degradazione delle molecole di partenza e produce una serie di coenzimi ridotti che partecipano alla catena di trasporto elettronico (o catena respiratoria). Le vie anaboliche partono da pochi precursori semplici per dare origine a molecole complesse. L'anabolismo è costituito da un insieme di vie divergenti. 9 Le trasformazioni chimiche nella cellula Molte reazioni cataboliche sono reazioni esoergoniche che SRVVRQRDYYHQLUHVSRQWDQHDPHQWH ǻG < 0). Molte reazioni anaboliche sono endoergoniche ǻG > 0) e possono svolgersi perché sono accoppiate a reazioni IRUWHPHQWHHVRHUJRQLFKHFRPHODUHD]LRQHGLLGUROLVLGHOO¶$73 Valitutti et al., Chimica organica, biochimica e biotecnologie © Zanichelli editore 2020 Questo processo di accoppiamento energetico è il “motore” di numerosi processi fisiologici: un esempio lo scorrimento dei filamenti delle proteine actina e miosina per la contrazione muscolare. 10 Le trasformazioni chimiche nella cellula Il metabolismo energetico di tutti gli organismi si basa su reazioni di ossidoriduzione, in cui agenti ossidanti acquistano elettroni dal substrato che deve essere ossidato, riducendosi a loro volta. Il FAD e il NAD+ sono i principali agenti ossidanti delle reazioni redox cellulari. I due coenzimi legano gli elettroni trasformandosi nella forma ridotta, rispettivamente, FADH2 e NADH. FADH2 e NADH trasferiscono gli elettroni nella catena di WUDVSRUWRHOHWWURQLFRILQRDOO¶RVVLJHQRJHWWDQGROHEDVLSHU ODSURGX]LRQHGHOODPDJJLRUSDUWHGHOO¶HQHUJLD Valitutti et al., Chimica organica, biochimica e biotecnologie © Zanichelli editore 2020 G.it La molecola di ossigeno è il più potente agente ossidante: per la sua elevata reattività, la molecola di O2 è pericolosa e in grado di generare specie reattive che possono danneggiare strutture. Per questo, la sua azione è circoscritta all'interno di reazioni finemente controllate. Per limitare l'utilizzo delle molecole di ossigeno, negli organismi superiori l'evoluzione ha favorito l'impiego di due coenzimi come principali agenti ossidanti: NAD+ e FAD. La rapida regolazione di una specifica via metabolica avviene mediante il controllo dell'attività dell'enzima che catalizza la reazione più lenta che è la tappa chiave della via. La portata dell'intero condotto è determinata dalla portata della sezione più ristretta: allargando o restringendo questa sezione si aumenta o si riduce la portata. L'attività catalitica degli enzimi può essere regolata attraverso tre meccanismi: allosterismo, modificazioni covalenti o inibizione enzimatica. Inibitori ed effettori allosterici sono i prodotti ultimi della via metabolica controllata. Questa strategia di regolazione, detta a feedback negativo, consente il controllo retrogrado dell'attività di enzimi chiave ed evita lo spreco di substrati essenziali. 13 Le trasformazioni chimiche nella cellula Controllo delle concentrazioni intracellulari degli enzimi chiave. Avviene favorendo o ostacolando due processi opposti: la biosintesi e la degradazione LQWUDFHOOXODUHGHOO¶HQ]LPD Compartimentazione delle vie metaboliche: alcune vie metaboliche si realizzano solo nel citoplasma, mentre altre si svolgono solo nel reticolo endoplasmatico liscio oppure nei mitocondri o in più di un distretto. In questo modo, gli intermedi di vie metaboliche diverse si trovano separati dalle membrane degli organuli cellulari, e ODORURFRQFHQWUD]LRQHGLSHQGHDQFKHGDOO¶HIILFLHQ]DGHL sistemi di trasporto attraverso le membrane. Valitutti et al., Chimica organica, biochimica e biotecnologie © Zanichelli editore 2020 CELLULE EUCARIOTE 30 Il secondo meccanismo di controllo è più lento e si basa sulla variazione delle concentrazioni intracellulari degli enzimi chiave. La concentrazione intracellulare può essere variata favorendo o ostacolando due processi: la biosintesi e la degradazione intracellulare. Un aumento della biosintesi di un enzima associato alla riduzione della sua degradazione determina l'incremento della concentrazione intracellulare dell'enzima; un aumento del processo degradativo non accompagnato da adeguata biosintesi si traduce nella riduzione della concentrazione dell'enzima. 15 Gli organismi viventi e le fonti di energia Classificazione degli organismi viventi in base alla fonte chimica che usano per ottenere gli atomi di carbonio: ‡ autotrofi sintetizzano le molecole organiche a partire da composti inorganici, come CO2 o altri composti ‡ eterotrofi usano come nutrienti le sostanze organiche prodotte da organismi autotrofi Classificazione degli organismi viventi in base alla fonte di energia usata per lo svolgimento delle loro attività vitali: ‡ fototrofi RWWHQJRQRO¶HQHUJLDGDOODOXFHVRODUH ‡ chemiotrofi RWWHQJRQRO¶HQHUJLDGDOO¶RVVLGD]LRQHGHOOH VRVWDQ]HFKLPLFKHSUHVHQWLQHOO¶DPELHQWH Valitutti et al., Chimica organica, biochimica e biotecnologie © Zanichelli editore 2020 Gli organismi viventi possono essere classificati in quattro categorie. Fotoautotrofi, come le piante, le alghe e alcuni batteri, che traggono energia • dalla luce solare e fissano il CO2. Chemioautotrofi, come i batteri litotrofi che ottengono l'energia dall'ossidazione • di sostanze inorganiche come lo zolfo e alcuni suoi composti (solfuri e solfiti), i nitriti e gli ioni Fe2+. Questi organismi fissano il CO2. Fotoeterotrofi, come alcuni rari batteri che, pur utilizzando la luce solare come • fonte di energia, assorbono sostanze organiche. Chemioeterotrofi, come gli animali, la maggior parte dei funghi, dei protisti e dei • batteri che ossidano sostanze organiche per produrre energia. Organismi autotrofi ed eterotrofi convivono sulla Terra mettendo in atto un rici- clo di sostanze vitali che consente un reciproco sostegno. Negli organismi più complessi, la produzione dell’energia si basa su due processi: l’ossidazione delle sostanze organiche nelle vie metaboliche; • lo sfruttamento della luce del Sole nella fotosintesi clorofilliana.• 16 Il glucosio come fonte di energia 1HOSURFHVVRGLSURGX]LRQHGHOO¶HQHUJLDFHOOXODUHLO glucosio rappresenta il principale combustibile. /DUHD]LRQHIUDLOJOXFRVLRHO¶RVVLJHQRqXQSURFHVVR altamente esoergonico: Valitutti et al., Chimica organica, biochimica e biotecnologie © Zanichelli editore 2020 La demolizione del glucosio ha inizio con la glicolisi, una via metabolica che converte il glucosio a piruvato. ATP CONOSSIGENO NOOSSIGENO 3ATOMI DI C Nella prima fase, il glucosio viene metabolizzato nella glicolisi e il piruvato è • trasformato in acetil CoA con liberazione di una molecola di CO2 e coenzimi ridotti (NADH). Nella seconda fase, i due atomi di carbonio del gruppo acetile dell'acetil CoA • sono ossidati nel ciclo dell'acido citrico con produzione di altre due molecole di CO2 e coenzimi ridotti (NADH e FADH2). Nella terza fase, NADH e FADH2 vengono riossidati nella catena. Il trasferimento • elettronico è accoppiato alla produzione della maggior parte dell'energia, immagazzinata sotto forma di ATP: questa fase è nota con il nome di fosforilazione ossidativa. In condizioni anaerobiche si ha la fermentazione, un processo che porta alla demolizione incompleta della molecola di glucosio. Il piruvato viene trasformato in sostanze come il lattato e l'etanolo. La fermentazione produce una quantità di energia più bassa. 18 La glicolisi e le fermentazioni La glicolisi è la più importante via metabolica attraverso cui la maggior parte degli organismi demolisce la molecola del glucosio allo scopo di trarne energia. La glicolisi determina una parziale ossidazione del glucosio: da una molecola a sei atomi di carbonio si ottengono due molecole di acido piruvico (piruvato) a tre atomi di carbonio. Il processo si accompagna alla riduzione di due molecole di NAD+ D1$'+HIRUQLVFHO¶HQHUJLD necessaria per formare due molecole di ATP. Valitutti et al., Chimica organica, biochimica e biotecnologie © Zanichelli editore 2020 VIADELLAGLICOLISI 19 La glicolisi e le fermentazioni La glicolisi procede per tappe e comprende dieci diverse reazioni, ciascuna delle quali è catalizzata da uno specifico enzima. Valitutti et al., Chimica organica, biochimica e biotecnologie © Zanichelli editore 2020 Nella glicolisi le molecole di zucchero si trovano sotto forma di esteri fosforici: il legame con un gruppo fosfato una carica negativa che impedisce alle molecole di glucosio di fuoriuscire dalla cellula. 22 La glicolisi e le fermentazioni Affinché la glicolisi possa procedere è necessario che il NAD+ sia continuamente rigenerato attraverso un processo di riossidazione del NADH. Ciò avviene in modi diversi in presenza di ossigeno o in sua assenza. Valitutti et al., Chimica organica, biochimica e biotecnologie © Zanichelli editore 2020 La glicolisi è regolata e si attiva in caso di necessità. Se non è necessaria la sintesi di nuovo ATP, il processo viene bloccato. La regolazione della glicolisi avviene tramite il controllo allosterico della fosfofruttochinasi, l'enzima chiave. Questo enzima è attivato da AMP e fruttosio 2,6-bisfosfato, mentre è inibito da ATP e citrato. In condizioni di abbondanza energetica la cellula è ricca in ATP e citrato e la • glicolisi viene rallentata; La carenza energetica nella cellula, che si traduce in un aumento di AMP, porta • all'attivazione della glicolisi e alla produzione di energia. Il prodotto principale di idrolisi dell'ATP è l'ADP. Nella cellula l'enzima adenilato chinasi trasforma continuamente due molecole di ADP in una di ATP e una di AMP. Per questo, la concentrazione di AMP aumenta. In queste condizioni, la glicolisi cellulare si attiva al massimo per smaltire il glucosio assorbito dall'intestino. In presenza di ossigeno (condizioni aerobiche) si svolge la respirazione cellulare e il NADH viene trasferito nel mitocondrio dove è ossidato a NAD+, che usa l'ossigeno come accettore di elettroni. In queste condizioni, la glicolisi si conclude con la produzione di piruvato che viene trasferito nel mitocondrio. In assenza di ossigeno (condizioni anaerobiche), sono necessarie una o più reazioni aggiuntive, reazioni di fermentazione, che rigenerano il NAD+ nel citoplasma. La glicolisi anaerobica trasforma il piruvato con le fermentazioni in altre molecole senza trasferirlo. 23 La glicolisi e le fermentazioni Gli organismi anaerobi utilizzano come accettori degli atomi GLLGURJHQRGHO1$'+LOSLUXYDWRHO¶DOGHLGHDFHWLFD ‡ fermentazione alcolica ĺSURGX]LRQHGLHWDQROR ‡ fermentazione lattica ĺSURGX]LRQHGLDFLGRODWWLFR Valitutti et al., Chimica organica, biochimica e biotecnologie © Zanichelli editore 2020 ma La resa energetica della glicolisi è di per sé molto bassa ma il piruvato può innescare una nuova via e fornire altra energia. In presenza di ossigeno, una cellula provvista di mitocondri è in grado di ossidare il piruvato fino al CO2. Negli eucarioti, compresi gli esseri umani, i processi ossidativi completi che avvengono dopo la glicolisi si svolgono nei mitocondri, organuli rivestiti da un doppio sistema di membrane. La membrana interna si introflette a formare numerose pieghe, dette creste mitocondriali, che delimitano uno spazio interno, la matrice mitocondriale. La matrice è sede di molteplici vie. La membrana mitocondriale è sede della catena di trasporto elettronico e della produzione di ATP. 25 ,OFLFORGHOO¶DFLGRFLWULFR ,OSXQWRGLSDVVDJJLRIUDODJOLFROLVLHLOFLFORGHOO¶DFLGRFLWULFR consiste nella decarbossilazione ossidativa del piruvato ad acetile e nella trasformazione di questo in acetil-CoA grazie al legame con il coenzima A. Valitutti et al., Chimica organica, biochimica e biotecnologie © Zanichelli editore 2020 caso AEROBICO TUTTOPOI MOLTIPLICATEPER Il coenzima A (CoA) è un composto derivato dal pantotenato, una vitamina idroso- lubile del gruppo B. Il processo inizia con l'ingresso della molecola di piruvato nei mitocondri. A questo punto il piruvato diviene il substrato di una reazione catalizzata dal complesso multienzimatico della piruvato deidrogenasi, costituito da numerose subunità proteiche dotate di tre diverse attività enzimatiche e da cinque coenzimi: tiaminapirofosfato, CoA, lipoamide, FAD e NAD+. La decarbossilazione ossidativa del piruvato è una reazione irreversibile in cui si ha la produzione di una molecola di acetil-CoA, accoppiata a una molecola di NADH e a una molecola di CO2. Il principale destino metabolico dell'acetil-CoA prodotto è quello di entrare nel ciclo dell'acido citrico. L'attività del complesso è regolata in modo allosterico: ATP, NADH e acetil-CoA sono inibitori; AMP, CoA e NAD+ sono attivatori. Il ciclo ha un ruolo anfibolico, ovvero partecipa sia al catabolismo sia all'anabolismo: oltre a rappresentare la via terminale del metabolismo ossidativo (catabolismo), il ciclo fornisce i precursori di alcune vie. Nelle cellule del fegato il citrato può essere trasferito nel citoplasma, dove viene degradato. Molti amminoacidi possono essere sintetizzati direttamente o indirettamente dall'alfa-chetoglutarato e dall'ossalacetato, intermedi. Data l'importanza del ciclo, è fondamentale che gli intermedi della via siano sempre presenti in quantità adeguate. In caso contrario, la cellula morirebbe per carenza di energia. Per evitare ciò, sono importanti le reazioni anaplerotiche (reazioni di riempimento), in cui vengono prodotti intermedi del ciclo. 27 Il trasferimento di elettroni nella catena respiratoria La catena respiratoria (o catena di trasporto elettronico) ossida i coenzimi NADH e FADH2 a NAD+ e FAD. Per fare questo, i coenzimi nella forma ridotta trasferiscono in modo graduale gli HOHWWURQLDOO¶RVVLJHQR Valitutti et al., Chimica organica, biochimica e biotecnologie © Zanichelli editore 2020 COENZIMA Q Dopo la glicolisi e il ciclo dell'acido citrico, affinché il metabolismo ossidativo possa svolgersi senza interruzioni, è necessario che i coenzimi NADH e FADH2 siano riconvertiti alla loro torma ossidata, NAD+ e FAD. Per tare questo, i coenzimi ridotti trasferiscono gli elettroni all'ossigeno attraverso una serie di reazioni redox cui partecipano i trasportatori di elettroni della catena respiratoria (detta catena di trasporto elettronico). L'energia che si libera viene usata per la biosintesi dell'ATP prodotto. I TRASPORTATORI Nei mitocondri il processo di ossidazione del NADH e del FADH2 non si svolge attraverso una singola reazione redox. Se così fosse, l’energia liberata sarebbe dispersa completamente. Al contrario, il 40% di tale energia viene immagazzinata sotto forma di energia chimica con la formazione di molecole di ATP. Ciò è possibile perché il passaggio degli elettroni si realizza in modo graduale, attraverso trasportatori, ovvero molecole in grado di acquistare e poi cedere elettroni. Ogni volta che un trasportatore riceve uno o più elettroni si riduce, per riossidarsi immediatamente, attraverso la cessione degli stessi elettroni a un altro trasportatore con potenziale di riduzione maggiore. I trasportatori di elettroni: le flavoproteine (FMN o FAD), le proteine ferro-zolfo (Fe-S), i citocromi (cyt), le proteine contenenti ioni Cu (CuA, CuB,), il coenzima Q (Q). Il trasferimento di due elettroni comporta il passaggio di quattro ioni H+ a livello del complesso I, quattro ioni H+ al complesso III e due ioni H+ al complesso IV. Il trasferimento di due elettroni dal NADH all'ossigeno pompa dieci ioni H+ nello spazio intermembrana. L'accumulo di ioni H+ nello spazio intermembrana è proporzionale all'intensità del flusso di elettroni nella catena respiratoria. Questo gradiente rappresenta la forza motrice del processo di sintesi dell’ATP. 29 La fosforilazione ossidativa e la ELRVLQWHVLGHOO¶$73 La fosforilazione ossidativa è il processo grazie al quale O¶HQHUJLDGHULYDWDGDOFDWDEROLVPRRVVLGDWLYRqLPSLHJDWD per produrre molecole di ATP a partire da ADP e Pi. Questo processo avviene grazie a un complesso proteico associato alla membrana mitocondriale interna, chiamato ATP sintasi. Valitutti et al., Chimica organica, biochimica e biotecnologie © Zanichelli editore 2020 CATABOLISMO LIBERAENERGIA Il trasferimento di elettroni lungo la catena respiratoria mitocondriale libera l'energia necessaria alla sintesi di ATP: il meccanismo prende il nome di fosforilazione ossidativa. Nel secolo scorso sono state proposte diverse teorie e solo la teoria chemiosmotica ha superato i test. LA TEORIA CHEMIOSMOTICA Mitchell formulò la teoria chemiosmotica per spiegare in che modo l'energia liberata durante il trasporto di elettroni potesse essere utilizzata per la sintesi dell'ATP. In base alla teoria chemiosmotica, la biosintesi dell'ATP dipende dalla creazione di un gradiente elettrochimico ai due lati della membrana; la formazione di questo gradiente deriva dal trasferimento di elettroni nella catena respiratoria. Questa teoria ha trovato conferma nei dati sperimentali con la dimostrazione dell'esistenza di un gradiente di ioni H+ ai due lati della membrana. L’ATP SINTASI In concomitanza con il trasferimento degli elettroni da NADH e FADH2 all'ossigeno attraverso i complessi della catena si ha il passaggio di ioni H+ dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana. Questo gradiente elettrochimico che si crea tra i due lati della membrana mitocondriale è associato a un'energia potenziale che può essere impiegata per generare molecole di ATP. La sintesi di ATP avviene a livello dell'ATP sintasi (o F0F1ATPasi), un complesso proteico associato alla membrana mitocondriale interna. Il complesso della ATP sintasi usa l'energia associata al gradiente protonico ai due lati della membrana mitocondriale interna per sintetizzare ATP da ADP e Pi. L'ATP sintasi è separata dai complessi che costituiscono i trasportatori degli elettroni e presenta una struttura particolare. Si possono identificare due porzioni collegate: una testa rotonda (F1), sporgente verso la matrice e composta da molte subunità; contiene il sito di sintesi dell'ATP; un corpo allungato (F0), una porzione immersa nella membrana mitocondriale interna costituita da varie subunità; è la porzione con funzione di canale per gli ioni H+. Alcune parti, le subunità di F1, sono fisse e costituiscono lo statore della ATP sintasi; altre, porzione F0 e lo stelo, sono mobili e costituiscono il rotore. Il bilancio energetico dell'ossidazione completa di una molecola di glucosio in condizioni aerobiche: Oltre alle due molecole di ATP provenienti dalla glicolisi e a due molecole di GTP generate nel ciclo dell'acido citrico, rientrano nel bilancio anche le dieci molecole di NADH e le due di FADH2. Si tratta di un notevole guadagno di energia. 31 Il metabolismo di carboidrati, lipidi e amminoacidi Il metabolismo dei carboidrati Il metabolismo dei lipidi Valitutti et al., Chimica organica, biochimica e biotecnologie © Zanichelli editore 2020 La demolizione aerobica di una molecola di glucosio a CO2 e H2O rappresenta l'insieme di vie cataboliche più importante per la produzione di energia chimica sotto forma di ATP. Le attività metaboliche si articolano in modo molto complesso, ma è possibile individuare alcuni elementi principali che regolano le trasformazioni di carboidrati, lipidi e amminoacidi. IL METABOLISMO DEI CARBOIDRATI Il glucosio è al centro del metabolismo cellulare dei carboidrati. Il glucosio può essere degradato a piruvato attraverso la glicolisi o a lattato con la fermentazione. Alternativamente, il glucosio può prendere la via dei pentoso fosfati, un processo catabolico che si svolge in tutte le cellule, la cui funzione è quella di produrre zuccheri a cinque atomi di carbonio (come il ribosio) e il coenzima NADPH, usato come agente riducente nei processi di biosintesi dei grassi. Nei muscoli e nel fegato, dopo un pasto, il glucosio può essere immagazzinato come riserva sotto forma di glicogeno attraverso la glicogenosintesi. Il glicogeno accumulato è poi demolito a glucosio al momento del bisogno attraverso la glicogenolisi: nel caso del muscolo, la glicogenolisi si attiva quando le cellule muscolari sono sottoposte a intensa attività e devono produrre l'energia per la contrazione; nel fegato, le cellule epatiche rigenerano glucosio da immettere in circolo per impedire un calo eccessivo della glicemia. Il fegato ha anche la capacità di produrre glucosio a partire da precursori diversi, come lattato, piruvato e amminoacidi. Questo processo, gluconeogenesi, è importante in condizioni di digiuno prolungato, quando le riserve di glicogeno del fegato sono esaurite. È il glucosio generato dal fegato a consentire il mantenimento della glicemia. IL METABOLISMO DEGLI AMMINOACIDI Gli amminoacidi sono molecole utilizzate per la biosintesi di proteine (anabolismo proteico). Gli amminoacidi sono impiegati come precursori per la sintesi di importanti molecole quali ormoni, neurotrasmettitori e basi azotate. Il 15% dell'energia richiesta dall'organismo proviene dal catabolismo degli amminoacidi. La prima tappa comporta l'eliminazione del gruppo amminico legato al carbonio alfa. Ciò avviene grazie all'accoppiamento di una reazione di transaminazione con una deaminazione ossidativa. Nella reazione di transaminazione il gruppo NH2 viene spostato all'alfa-chetoglutarato per generare un alfa-chetoacido e glutammato; la reazione di deaminazione ossidativa del glutammato porta alla formazione di alfa-chetoglutarato e ione ammonio. Qualsiasi amminoacido perde il proprio gruppo amminico e può essere degradato fino a produrre acetil-CoA, che entra nel ciclo dell'acido citrico, o intermedi utili per la sintesi di glucosio (da amminoacidi glucogenici) o corpi chetonici (da amminoacidi chetogenici). Lo ione ammonio NH+4 è eliminato attraverso un processo, ciclo dell'urea, che si svolge nelle cellule del fegato. Lo ione è un composto tossico che non può accumularsi nell'organismo e viene trasformato in urea. I mammiferi che eliminano azoto sotto forma di urea sono detti ureotelici; gli organismi che eliminano l'azoto sotto forma di acido urico, uccelli e serpenti, sono detti uricotelici, mentre quelli che eliminano direttamente lo ione ammonio, pesci, sono detti ammoniotelici. 33 La glicemia e la sua regolazione La glicemia è la concentrazione di glucosio nel sangue. Le attività metaboliche di qualsiasi cellula, tessuto o organo dipendono dal mantenimento della glicemia a valori costanti (65-110 mg/dl a digiuno). La glicemia è soggetta a un controllo omeostatico molto stretto mediato dal pancreas attraverso due ormoni: ‡ O¶insulina ha azione ipoglicemizzante, lipogenetica, anabolizzante ‡ il glucagone ha azione iperglicemizzante, lipolitica e promuove la produzione di corpi chetonici. Valitutti et al., Chimica organica, biochimica e biotecnologie © Zanichelli editore 2020 La variabile biochimica più importante è la glicemia, cioè la concentrazione di glucosio nel sangue. Le attività metaboliche dipendono dal mantenimento della glicemia a valori costanti. L'intervallo di normalità a digiuno è 65-110 mg/dI. Quando scendono sotto i 65 mg/dI si parla di ipoglicemia. Se una persona digiuna per molto tempo, può diventare leggermente ipoglicemica: l'insufficiente apporto di glucosio al cervello causa i sintomi caratteristici, ovvero il giramento di testa, il senso di stordimento e la difficoltà a concentrarsi. Nel nostro organismo esistono meccanismi fisiologici che prevengono ipoglicemia, ma se la glicemia scende al di sotto dei 45 mg/dI, il mancato apporto di glucosio al cervello può portare al coma e alla morte. Valori superiori a 110 mg/dl si ha iperglicemia. Una condizione di iperglicemia transitoria è normale dopo un pasto. Quando si manifesta iperglicemia a digiuno con valori superiori a 126 mg/dl si parla di diabete mellito, una malattia. Il diabete, se non adeguatamente trattato, ha gravi conseguenze, fra cui danni renali, oculari e cardiovascolari. Si distinguono due forme: una in età giovanile e può essere trattata con la somministrazione di insulina; un'altra si manifesta nell'età adulta, non risponde alla terapia insulinica e deve essere trattata con farmaci. La glicemia è soggetta a un controllo omeostatico molto stretto mediato dal pancreas, un organo che produce gli ormoni insulina e glucagone. Dopo un pasto, le cellule beta del pancreas rilevano un aumento della glicemia e rispondono liberando insulina. L'insulina è una proteina costituita da 51 amminoacidi che svolge l’azione legandosi a specifici recettori. La maggior parte delle cellule risponde all'azione dell'insulina, ma gli effetti principali sono sul fegato. L’insulina promuove tre funzioni: la captazione del glucosio e il suo utilizzo nel metabolismo (azione ipoglicemizzante); • l'accumulo di grassi nel tessuto adiposo (azione lipogenetica); • la sintesi delle proteine muscolari (effetto anabolizzante).•