Biochimica Ortop.

La I legge della termodinamica dice che in qualunque processo l’energia totale del sistema + quella dell’ambiente La I legge della L’energia termodinamica dicesubire che intrasformazioni. qualunque processo del sistema dell’ambiente rimane costante. può solo Nella l’energia molecola totale dell’ATP vi sono +trequella legami anidridici ad rimane costante. L’energia può solo subire trasformazioni. Nella molecola dell’ATP vi sono tre legami anidridici ad elevata energia. elevata energia.

Se vogliamo sintetizzare una molecola che ha più energia della molecola di partenza come possiamo fare? 4Kcal

7Kcal

Glucosio

Glucosio 6-P reaz. endoergonica ATP

ADP

4.5 Kcal si liberano come calore

E’ dalla degradazione degli alimenti, per rottura dei loro legami chimici, che noi traiamo l’energia che trasforma l’ADP presente nel nostro organismo in ATP. Le ossidazioni degli alimenti decorrono in tre stadi

Fosforilazione a livello di substrato Fosforilazione ossidativa

ENZIMI: catalizzatori biologici che accellerano la velocità delle reazioni, abbassando l’energia di attivazione VITAMINE: cofattori di molti enzimi PROTEINE: glicina: NH2-CH2-COOH O H O ACIDO GLUTAMMICO-C-N-GLICINA-C-N-ALANINA-C-NH O H E-S

E+ PRODOTTO

Modulabilità: inibizione da prodotto proenzima enzima fosforilazione defosforilazione spesso regolata da legame ormone - recettore (II messaggero cAMP)

ORMONI: rilasciati da cellule specializzate e raccolti a distanza da cellule sensibili a quello specifico ormone. Hanno un ruolo nella comunicazione intercellulare per il coordinamento generale dell’organismo OMEOSTASI: insieme dei processi che contribuiscono a mantenere costante la composizione dell’ambiente intra ed extracellulare

ALIMENTI CIRCOLO

INTESTINO

DIGESTIONE

ASSORBIMENTO

LIQUIDO EXTRACELLULARE

VIE METABOLICHE

CELLULE

ENERGIA MONOMERI PER NEOSINTESI PRODOTTI DI RIFIUTO CIRCOLO

DIGESTIONE DEGLI ALIMENTI: AVVIENE IN DIVERSI TRATTI DELL’APPARATO DIGERENTE. LIPIDI COMPLESSI ACIDI GRASSI LIPIDI COMPLESSI LIPOPROTEINE POLISACCARIDI MONOSACCARIDI PROTEINE AMINOACIDI: sintesi nuove proteine o transaminazione e decarbossilazione ossidativa(energia) o gluconeogenesi

Digestione e assorbimento Intervento di numerosi organi facenti parte del tratto gastrointesinale: Ghiandole salivari:secrezione di fluidi ed enzimi digestivi: digestione degli zuccheri(amilasi) Stomaco: secrezione di acido cloridrico e proteasi (pepsine) digestione delle proteine Pancreas: secrezione di bicarbonato di sodio e numerosi enzimi idrolitici -digestione delle proteine (tripsina, chimotripsina, elastasi, carbossipeptidasi) -digestione dei lipidi (lipasi, colesterolo esterasi, fosfolipasi -digestione dei carboidrati (amilasi) Fegato/colecisti: secrezione e immagazzinamento della bile digestione e assorbimento dei lipidi Intestino tenue: enzimi digestivi alla superficie delle cellule epiteliali digestione terminale sistemi di trasporto assorbimento delle sostanze nutritive

Regolazione neuroendocrina dei processi secretori 1-Neurotrasmettitori: acetilcolina: stimolo della secrezione di enzimi digestivi salivari, gastrici e pancreatici neurotrasmettitori peptidici: stimolo della secrezione di elettroliti 2-Mediatori locali (secreti da cellule endocrino-epiteliali del tratto g.i.) Amine biogene: Istamina: stimolo della secrezione di HCL Serotonina: stimolo della secrezione di elettroliti Ormoni peptidici: Gastrina: prodotta nella stomaco, stimola la secrezione di HCL Colecistochinina/pancreozimina:prodotta nel duodeno, stimola la contrazione della muscolatura liscia della colecisti e la secrezione di enzimi pancreatici Secretina: prodotta nel duodeno, stimola la secrezione di succo pancreatico ricco di bicarbonato di sodio

I lipidi ingeriti con la dieta vengono accumulati nel t. adiposo

Importanza del glucosio -Il glucosio è la forma principale con cui i carboidrati introdotti con la dieta provenienti dal tratto gastrointestinale si presentano alle cellule del resto dell’organismo -Il glucosio è la sola fonte energetica utilizzata in misura apprezzabile da alcune cellule specializzate, in particolare da quelle del cervello. L’importanza è tale che il livello di glucosio nel sangue è controllato con meccanismi molto efficienti ed il fegato effettua una enorme quantità di lavoro biochimico per mantenerlo costante -Il metabolismo del glucosio è alterato in due comunissime malattie (obesità e diabete) dalle conseguenze anche molto gravi

Principali vie metaboliche del glucosio Il glucosio può -Essere utilizzato per la produzione di energia(glicolisi) -Essere immagazzinato sotto forma di glicogeno (glicogenosintesi) e successivamente di nuovo liberato (glicogenolisi) per venire utilizzato da parte della cellula -Essere formato quando serve anche da precursori diversi dai carboidrati (gluconeogenesi) -Essere utilizzato a scopi diversi da quelli energetici (ciclo dei pentosi) Il metabolismo dei carboidrati è sotto stretto controllo ormonale- Insulina e Glucagone controllano la glicemia

Organizzazione del metabolismo dei carboidrati Glucosio Glicogeno

Glucosio-1-P

glucosio 6P Acido Piruvico

Via dei pentoso fosfati Acido Lattico

Acetil Coenzima A H2O

Ciclo di Krebs ATP

CO2

La glicolisi -La glicolisi è una via metabolica utilizzata da tutte le cellule per estrarre una parte dell’energia chimica del glucosio -Essa prevede la parziale ossidazione di una molecola di glucosio con la formazione di due molecole a 3 atomi di carbonio: acido lattico (in assenza di Ossigeno) o acido piruvico (in presenza di Ossigeno) -L’energia così estratta consente la sintesi di sue molecole di ATP. Questo è l’unico ATP che si forma nella cellula anche senza O2 -Inoltre la glicolisi è una via preparatoria per la completa ossidazione aerobica del glucosio: in presenza di O2 il prodotto finale della glicolisi è l’acido piruvico che viene convertito ad acetil CoA dall’enzima Piruvato deidrogenasi. L’acetil CoA viene completamente ossidato a CO2 ed H2O nel ciclo di Krebs con produzione di una grande quantità di ATP

La glicolisi La glicolisi avviene nel citosol. Nella via glicolitica si producono due molecole di NADH. Poiché la quantità di questo coenzima nel citosol è limitata, esso deve essere riossidato a NAD+. Questo avviene nella reazione che converte il piruvato a lattato. Questo equilibrio tra NADH consumato e prodotto a livello citosolico nella glicolisi si verifica solo in assenza di Ossigeno o in cellule prive di mitocondri (globuli rossi). Se la cellula dispone di mitocondri e di ossigeno per farli funzionare il NADH prodotto dalla glicolisi può essere riossidato a livello mitocondriale. Il prodotto finale della glicolisi aerobia è quindi il piruvato che può essere convertito ad acetil CoA e completamente catabolizzato nel ciclo di Krebs. In questo modo la massima parte di energia chimica della molecola di glucosio è utilizzabile per la sintesi di ATP

La glicolisi La glicolisi è una via metabolica di grande importanza perché -Rappresenta una via di emergenza per la produzione di energia: infatti consente di produrre 2 molecole di ATP a partire da una molecola di glucosio in assenza di Ossigeno: consente di mantenere costanti i livelli di ATP in un tessuto per breve tempo anche in assenza del normale rifornimento di ossigeno (nascita, sforzo muscolare anaerobico) Glucosio (C6H12 O6) + 2ADP+2 P 2 Acido Lattico (C3H6O3)+ 2 ATP -Rappresenta la prima fase della combustione controllata del glucosio nella cellula. La combustione totale del glucosio (glicolisi + ciclo di Krebs + fosforilazione ossidativa) avviene in circa 30 tappe e consente di conservare una grande quantità dell’energia chimica del glucosio come ATP Glucosio (C6H12 O6) + 6 O2+38ADP+38 P 6CO2+ 6H2O+ 38 ATP

La regolazione della glicolisi Nella via glicolitica esistono almeno 3 enzimi regolatori: l’esochinasi, la fosfofruttochinasi e la piruvato chinasi. La fosfofruttochinasi è il più importante sito regolatorio della glicolisi. La reazione catalizzata da questo enzima (conversione del fruttosio 6fosfato a fruttosio 1,6 difosfato) indirizza irreversibilmente il metabolismo del glucosio verso la glicolisi. Essa è quindi la tappa limitante la velocità della glicolisi e la attività della PFK è soggetta al massimo livello di regolazione da parte di numerosi effettori allosterici. L’effetto di questi attivatori o inibitori determina il cambiamento della velocità della glicolisi in risposta a: -stato energetico della cellula (ATP, AMP, P) -ambiente interno della cellula (H+) -disponibilità di combustibili alternativi per il ciclo di Krebs (acidi grassi, corpi chetonici, citrato) -rapporto insulina glucagone -+ ATP, citrato, H+ PFK AMP, Insulina, P

In abbondanza energetica il ciclo si satura e il citrato esce dal mitocondrio e e va a dare, nel citosol, trigliceridi e colesterolo

Strategia del Ciclo di Krebs -Un composto attivato a due atomi di Carbonio (acetilCoA condensa con un composto a 4 atomi di C (ossalacetato) a dare un composto a 6 atomi di C (citrato) -Il citrato va incontro a trasformazioni che determinano l’ossidazione a CO2 di due suoi atomi di C con ottenimento di un composto a 4 atomi di C (succinato) -Il succinato viene rimaneggiato per rigenerare il composto inziale a 4 atomi di C, l’ossalacetato RESA: CH3-CO-SCoA + 3 NAD+ +FAD+GDP+Pi 2 CO2+3NADH+3H++FADH2+GTP

12 ATP Come è regolato il processo? Dalla disponibilità di substrato (acetilCoA) Dalla carica energetica della cellula (NADH/NAD e ATP/ADP)

Itinerario lungo il quale i protoni presenti nella matrice mitocondriale vengono trasferiti alla matrice tra la m. int. e la m. est.e gli elettroni presenti sui coenzimi ridotti vengono trasferiti all’O2. I protoni tenderanno a rientrare e cederanno l’energia vettoriale assimilata per saldare il Pi all’ADP

Destini del piruvato Il piruvato che si origina dalla glicolisi può: -essere transaminato ad alanina (aminoacido glucogenetico) -essere trasformato in acetil CoA e ossidato nel ciclo di Krebs (la piruvato deidrogenasi è attiva defosforilata e la defosforilazione è promossa dall’abbondanza dei substrati, piruvato, NAD+. L’abbondanza dei prodotti, acetilCoA, NADH, attiva una chinasi che fosforila l’enzima e lo rende inattivo- NON c’è mediazione del cAMP) -essere trasformato in ossalacetato (intermedio del ciclo di Krebs) -essere trasformato in lattato

L’acetilCoA da dove può pervenire oltre che dal piruvato? Dalla beta ossidazione degli acidi grassi( dal catabolismo dei trigliceridi) , processo che avviene in assenza di insulina e presenza di glucagone. Questo acetilCoA (che si forma nei mitocondri) può entrare nel ciclo di Krebs a dare energia (il piruvato va a dare ossalacetato). Per questo motivo i lipidi sono molto energetici. Ma se il catabolismo lipidico è eccessivo …. CORPI CHETONICI

Glicogenosintesi e glicogenolisi Ruolo del glicogeno Il fegato ha un’enorme capacità di accumulare glicogeno (fino al 10% del peso totale dell’organo) I livelli di glicogeno epatico variano notevolmente in seguito all’assunzione di cibo o al digiuno Il glicogeno nel fegato si accumula ad alti livelli subito dopo i pasti e poi diminuisce lentamente perché la sua mobilizzazione aiuta a mantenere praticamente costante la glicemia

Sintesi ed utilizzazione del glicogeno Processi ubiquitari ma di particolare importanza nel fegato e nel muscolo Glicogeno epatico: -10% del peso -mantenimento della glicemia -sintetizza glicogeno quando la glicemia è elevata (glucocinasi) -degrada glicogeno quando la glicemia è bassa (glucosio-6fosfato fosfatasi)

Sintesi ed utilizzazione del glicogeno Glicogeno muscolare 1-2 % del peso corporeo Riserva energetica per il fabbisogno del muscolo durante attività fisica intensa Nessun rilascio di glucosio nel sangue (manca la glucosio-6-P-fosfatasi

Regolazione della sintesi e degradazione del glicogeno Glicogeno sintetasi

sintesi enzimi regolatori

glicogeno fosforilasi

degradazione

attività regolata mediante -effettori allosterici(primitivo) -modificazione covalente(fosf, defosf.)

A digiuno

Nel tessuto adiposo da acidi grassi a acetilCoA ciclo di Krebs e corpi chetonici

OSSO Elemento di supporto dinamico e deposito di minerali (18% rinnovato annualmente)

STRUTTURA Matrice organica: 90-95% collagene di tipo I che subisce processi posttraduzionali che lo differenziano dal collagene della pelle → grossi spazi per il deposito di minerale albumina, osteocalcina, osteonectina, proteoglicani, osteopontina, fosfatasi alcalina Degradata da proteasi acide Fase minerale (=volume) calcio e fosfato in forma simile all’idrossiapatite (calcio/fosfato= 1.2) cristalli esagonali (5 nm) OSTEOBLASTI: provengono dalle cellule mesenchimali dell’osso, regolano le concentrazioni locali di calcio, fosfato ed altri ioni→precipitazione OSTEOCLASTI: derivanti da cellule staminali emopoietiche di tipo macrofagico: pompa protonica e anidrasi carbonica→ ↓ pH→solubilizzazione Fattori di crescita: TGFß sintetizzato da osteoblasti in forma inattiva e attivato da fattori liberati da osteoclasti

Gli osteoblasti producono una rete di collageno Le membrane, esposte ad alte conc. Di Ca++ e Pi fondono e vescicolano.

Fosfatasi alcalina: da fosfolipidi libera Pi

Sulla membrana degli osteoclasti sono presenti pompe protoniche. Inoltre essi secernono collagenasi(attivata da catepsine lisosomali e anche da proteasi secrete da osteoblasti). La fase minarale denudata viene fagocitata dagli osteoclasti

A: numerose fibrille di collageno formano una fibra (periodo D pari a 60 nm) Ogni 3 AA uno è glicina. La posizione X dopo la glicina è spesso occupata dalla prolina (1/4 )e la Y che precede dalla idrossiprolina

Tipo 1

Scorbuto: in assenza di vit.C, cofattore dell’idrossilasi si ha difettosa coesione delle catene Osteogenesi imperfetta: glicina sostituita da Cisteina mancato avvolgimento

Latirismo( ingestione di semi di pisello Lathyrus odoratus) inibizione della ossidasi, carenza dell’enzima lisina ossidasi, o sottrazione del Ca++ da parte di D-penicillamina: mancanza legami crociati, anomalie ossa, pelle, giunture mobili

Ponti disolfuro R-S-O-S-R

PROTEINE DELLA MATRICE ORGANICA COLLAGENE: la più abbondante nei vertebrati, componente fondamentale dei tessuti connettivi. Una fibra può sostenere 10-40
PROTEOGLICANI COMPOSTI FORMATI DA UNA PICCOLA COMPONENTE PROTEICA E 95% DI SACCARIDI [GLICOSAMINOGLICANI: polimeri ad alto PM costituiti da unità disaccaridiche contenenti un aminozucchero, glucosammina o galattosammina e carichi negativamente ialuronato, cheratan solfato, condroitin solfato)] Essi formano la matrice gelatinosa dei tessuti connettivi ove sono immerse le proteine extracellulari. Legano H2O e cationi, danno elasticità e resistenza. Proteoglicani dell’osso: DECORINA e FIBROMODULINA ricchi di leucina

IL CALCIO (1000 grammi) INTESTINO: ASSORBIMENTO ED ESCREZIONE OSSO: RISERVA (99%) RENE: ELIMINAZIONE FUNZIONI: eccitabilità muscolare Permeabilità delle membrane Contrazione muscolare e trasmissione dell’impulso Coagulazione del sangue Attività enzimatiche Secondo messaggero LA CONCENTRAZIONE EXTRACELLULARE DEL CALCIO HA EFFETTI SULLA SOGLIA DEL POTENZIALE D’AZIONE DELLA TRASMISSIONE NERVOSA: IPERCALCEMIA: ↑ LA SOGLIA(IPOTONIA) IPOCALCEMIA : ↓ LA SOGLIA (TETANIA) CALCEMIA: 10 mg/ml 40% legato all’albumina 10% complessato a bicarbonato, citrato e fosfato 50% in forma ionica

Un adulto dovrebbe assumare 0.8 grammi al giorno, una donna gravida o un adolescente 1.2 grammi.Viene assunto sotto forma di Sali di Ca fosfato. La caseina (proteina principale del latte) è sotto forma di sale di Ca++. Viene assorbito a livello del duodeno dove si ricompone sotto forma di sali di fosfato dopo che era stato ionizzato dall’acidità dello stomaco. Se ne assorbe circa il 50%. Lattosio, alcuni aa e acido citrico fanno aumentare l’assorbimento, mentre acidi grassi, fosforici e gli ftalati dei cereali lo fanno diminuire

In alcalosi diminuisce il Ca++ In acidosi aumenta

Nella cellula il Ca++ è sequestrato in organuli subcellulari. Il totale di Ca++ intracellulare è 10-7 M (1/104 nel citosol) quello extracellulare è 10-3 M Poiché molte attività cellulari sono stimolate dal Ca++ la cellula per mantenere il suo stato quiescente ha bisogno di meccanismi di trasporto molto sofisticati sia a livello della membrana plasmatica che delle m. intracellulari., mediati da stimoli elettrici o chimici (ormoni) che portano all’apertura dei canali del Ca++. L’azione del Ca++ si esplica poi mediante legame con enzimi di cui modula l’attività o con altre proteine (calmodulina) che a sua volta modula attività enzimatiche

IPERCALCEMIA

IPOCALCEMIA

↓ TIROIDE ↓ ↑ CALCITONINA * Inibisce l’attività osteoclastica

↓ PARATIROIDI ↓ ↑ PARATORMONE * attiva osteoclasti

↓ CALCITRIOLO ↑ stimola la produzione di osteocalcina (mineralizzazione) e calbindina

↓

ASSORBIMENTO INTESTINALE

↓

↑

MOBILIZZAZIONE DEL CALCIO SCHELETRICO

↑ * EFFETTI MEDIATI DAL cAMP

ESCREZIONE RENALE DI CALCIO

↓

↑

ORMONI COINVOLTI NEL METABOLISMO FOSFOCALCICO SPECIFICI Paratormone Calcitonina Calcitriolo (1-25 diidrossicolecalciferolo, Vit.D3) ASPECIFICI Glicocorticoidi: inibiscono l’attività osteoblastica e l’assorbimento del calcio dall’intestino Estrogeni: azione protettiva. Inibiscono la produzione di IL6, che stimola gli osteoclasti, da parte delle cellule stromali Androgeni: stimolano l’attività osteoblastica, la liberazione di calcitonina, riducono la risposta al paratormone Progesterone: azione simile agli estrogeni e blocca l’attività osteolitica dei glicocorticoidi Ormoni tiroidei: stimolano il turnover minerale osseo, ma soprattutto il riassorbimento GH: effetto mitogeno sugli osteoblasti

Elevato rischio di frattura

Incidenza in aumento