CORSO DI CHIMICA E BIOCHIMICA PRIMA FACOLTA' DI MEDICINA E CHIRURGIA - CLUPS DIETISTA; INFERMIERE; TECNICO DI LABORATORIO SAPIENZA UNIVERSITA' DI ROMA BIOCHIMICA 2: REPLICAZIONE DEL DNA, SINTESI PROTEICA E METABOLISMO LA REGISTRAZIONE DELLE PRESENZE IN MODALITA' TELEMATICA E' ATTIVA!       Per registrare la tua presenza a questa lezione telematica, se il servizio e' attivo, devi inserire il tuo cognome e numero di matricola. Cognome: Matricola: La presenza sara' registrata soltanto se viene completata la lettura della pagina e vengono date risposte corrette ad almeno 3 dei 4 quiz presenti in fondo alla pagina. Se la lettura viene interrotta non e' possibile effettuare un salvataggio parziale. Ricorda di premere il tasto [invia] prima di lasciare la pagina. Se il servizio di registrazione della presenza e' attivo, riceverai un messaggio di conferma. 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Ovviamente tutti i processi descritti sono sequenze di reazioni catalizzate da enzimi. Infine viene trattato il METABOLISMO propriamente detto, cioe' l'insieme delle reazioni chimiche (tutte catalizzate da enzimi) che servono alla produzione di energia (catabolismo) o alla biosintesi di molecole necessarie al ricambio dei componenti cellulari (anabolismo). Non tutti i metabolismi riportati in questo file vengono spiegati in tutti i corsi e in linea di massima appartengono al programma d'esame i soli metabolismi effettivamente spiegati durante il Corso. GLI ENZIMI       GLI ENZIMI SONO PROTEINE che hanno la funzione di combinarsi reversibilmente con un'altra molecola detta SUBSTRATO, distorcerne la struttura e accelerarne le trasformazioni: OGNI ENZIMA ACCELERA (CATALIZZA) UNA SPECIFICA REAZIONE A CARICO DI UNO SPECIFICO SUBSTRATO. Ad esempio la conversione dell'anidride carbonica in acido carbonico e' lenta a temperatura ambiente, ma diventa molto rapida se e' presente uno specifico enzima, chiamato anidrasi carbonica, che catalizza la reazione:       Praticamente ogni reazione che avviene all'interno dell'organismo, sia in sede intracellulare che extracellulare e' catalizzata (=accelerata) da un enzima. Il ruolo degli enzimi e' fondamentale per tre ragioni: 1) in loro assenza le reazioni chimiche sarebbero troppo lente per le necessita' dell'organismo. 2) In loro assenza le reazioni sarebbero aspecifiche: infatti ogni composto biochimico puo' trasformarsi in molte maniere diverse, la maggior parte delle quali risulterebbero inutili o dannose per l'organismo. Se l'enzima e' presente, la reazione da questo catalizzata diventa molto piu' rapida e quindi prevale sulle altre possibili reazioni (non catalizzate) dello stesso substrato. 3) Gli enzimi possono accoppiare tra loro due reazioni chimiche diverse, in modo tale che la reazione risultante sia energeticamente favorevole; questo permette di far avvenire trasformazioni che sarebbero altrimenti impossibili.       Un esempio di come gli enzimi possono accoppiare tra loro reazioni diverse, in modo tale che la reazione risultante sia energeticamente favorevole e' dato dalla sintesi del glicogeno. La reazione di polimerizzazione del glicogeno aggiunge una molecola di glucosio ad una del suo polimero glicogeno ed e' energeticamente sfavorevole; non avverrebbe mai in modo spontaneo. Quattro enzimi accoppiano la polimerizzazione alla idrolisi dell'ATP (adenosina trifosfato) e UTP (uridina trifosfato), reazioni energeticamente favorevoli; il risultato complessivo e' energeticamente favorevole: 1) glucosio + ATP --> glucosio-6-fosfato + ADP (enzima: esochinasi) 2) glucosio-6-fosfato --> glucosio-1-fosfato (enzima: fosfoglucomutasi) 3) glucosio-1-fosfato + UTP --> UDP-glucosio + H4P2O7 (enzima: glucosio-1-fosfato uridil transferasi) 4) glucosion + UDP-glucosio --> glucosion+1 + UDP (enzima: glicogeno sintetasi)       L'ATP (adenosina trifosfato) e' il donatore di energia per molte reazioni biochimiche; la reazione e': ATP + H2O --> ADP + H3PO4. La formula dell'ATP e' la seguente:       In alcuni casi gli enzimi sono proteine semplici, costituite soltanto da una o piu' catene polipeptidiche; in altri casi sono invece PROTEINE CONIUGATE, nelle quali una o piu' catene polipeptidiche sono associate a molecole organiche di natura non aminoacidica o a ioni metallici, essenziali per il processo della catalisi. Per ragioni storiche, le molecole organiche eventualmente coniugate con le catene polipeptidiche degli enzimi sono chiamate COENZIMI; sono esempi di coenzimi il NAD, il FAD, etc. LA REPLICAZIONE DEL DNA       Il doppio filamento del DNA e' l'unica molecola del nostro organismo che puo' effettivamente essere duplicata; tutte le altre molecole devono essere sintetizzate ex novo. Per chiarire questo concetto occorre porsi uno dei problemi fondamentali della biochimica: quale meccanismo consenta la sintesi degli eteropolimeri. Infatti gli omopolimeri (ad es. il glicogeno) sono sintetizzati da un piccolo numero di enzimi che formano la catena iniziale del polimero e poi aggiungono un monomero per volta alla catena preformata per allungarla. Gli eteropolimeri sono sintetizzati con un meccanismo simile, ma gli enzimi della polimerizzazione non sanno in quale ordine devono essere aggiunti i monomeri, ed hanno bisogno di questa informazione. Nella cellula l'informazione e' contenuta negli acidi nucleici, che svolgono queste due funzioni principali (insieme probabilmente ad altre): contengono l'informazione necessaria per copiare se stessi; e contengono l'informazione necessaria per sintetizzare le proteine, l'altro tipo fondamentale di eteropolimero contenuto nelle nostre cellule.       La duplicazione del DNA precede la replicazione cellulare e avviene in questo modo: i due polimeri che costituiscono la doppia elica (filamenti) vengono separati. Questo fenomeno puo' avvenire soltanto in corrispondenza di alcuni punti dell'intera molecola del DNA chiamati "origini" e caratterizzati da specifiche sequenze nucleotidiche ricche in A-T. Le origini sono riconosciute dai complessi multienzimatici necessari per la separazione dei due filamenti. L'origine e' riconosciuta, dopo il disaccoppiamento, da un enzima chiamato PRIMASI che sintetizza un breve tratto di catena poliribonucleotidica complementare a quella della sequenza dei desossiribonucleotidi. La breve sequenza di RNA cosi' sintetizzata e chiamata primer serve da innesco per il processo di duplicazione vero e proprio che e' dovuto all'enzima DNA POLIMERASI, che allinea un nucleotide trifosfato alla volta in modo da appaiarlo a quello del filamento che sta leggendo in quel momento. Lo stesso enzima (DNA polimerasi) catalizza quindi la formazione del legame fosfodiestere tra il nucleotide trifosfato e la catena di DNA nascente. La DNA polimerasi legge il filamento stampo percorrendolo nella direzione 3'->5' e polimerizza il nuovo filamento complementare nella direzione opposta 5'->3': questo e' dovuto al fatto che i due filamenti devono essere antiparalleli. In pratica, un nuovo desossiribonuleotide trifosfato viene aggiunto all'estremita' 3' della catena nascente e il legame fosfodiestere viene formato con eliminazione di una molecola di acido pirofosforico (H4P2O7). Questo processo fa si che ogni filamento contenga l'informazione necessaria a sintetizzare il suo complementare e quando la duplicazone e' completata la cellula possiede due doppie eliche identiche, ciascuna delle quali contiene un filamento vecchio ed uno neoformato (replicazione "semiconservativa"). Le cellule eucariotiche possiedono molte doppie eliche di DNA, diverse tra loro (i cromosomi) e ciascuna di esse deve essere duplicata indipendentemente dalle altre. Quando l'intero patrimonio di DNA della cellula (genoma) e' stato duplicato la cellula puo' dividersi in due cellule figlie e trasmettere a ciascuna una copia completa del suo DNA. LA SINTESI PROTEICA       La biosintesi delle proteine e' un altro esempio di sintesi di eteropolimeri e utilizza anch'essa l'informazione contenuta nel DNA. Avviene in due processi distinti, la trascrizione e la traduzione.       LA TRASCRIZIONE. Nella trascrizione un segmento della doppia elica del DNA (gene) viene separato nei due filamenti che lo costituiscono e uno di questi viene utilizzato come stampo per la sintesi di un filamento di RNA di sequenza complementare. L'enzima che opera questa sintesi e' la RNA polimerasi, che deve riconoscere una specifica sequenza nucleotidica di inizio del gene chiamata PROMOTORE, a cui legarsi. Il prodotto della RNA polimerasi e' una molecola di RNA messaggero (mRNA). Lo mRNA va in genere incontro ad un processo di maturazione perche' puo' essere costituito di segmenti inutili alla biosintesi proteica (introni) che devono essere eliminati.       LA TRADUZIONE. Lo mRNA maturo si combina con un complesso multienzimatico contenente RNA e proteine presente nel citoplasma cellulare e chiamato RIBOSOMA. Il ribosoma e' costituito da due subunita', una leggera e una pesante e si chiude sopra lo mRNA per leggerlo; la funzione del ribosoma e' quella di appaiare ad ogni terna di basi (tripletta o codone) dello mRNA un piccolo RNA (RNA di trasferimento, tRNA), in modo che si accoppino esattamente tre basi del primo con tre basi del secondo. Il tRNA porta alla sua estremita' C3' un aminoacido legato con legame estere che viene utilizzato per formare la catena polipeptidica nascente. Due aminoacil-tRNA sono ospitati contemporaneamente nel ribosoma in due siti contigui ed il ribosoma scorre lungo il filamento di mRNA di tripletta in tripletta mantenendo sempre legata al tRNA la catena polipeptidica nascente. Quando il ribosoma raggiunge una tripletta che non corrisponde a nessun tRNA (tripletta di stop), la catena polipetidica nascente si distacca dal ribosoma e forma la proteina neosintetizzata.       Ci sono due momenti cruciali nell'accoppiamento tra triplette di basi dello mRNA e aminoacidi della proteina nascente: il primo e' la biosintesi dell'aminoacil-tRNA che viene effettuata da un enzima specifico per ogni tripletta, l'aminoacil-tRNA sintetasi. Questo enzima si combina con un tRNA (riconosciuto per la tripletta di basi che si accoppia con quella del mRNA: l' "antitripletta") e con un aminoacido e lega i due con legame estere tra il gruppo carbossilico dell'aminoacido e il gruppo ossidrilico sul C3' dell'ultimo nucleotide. Il secondo momento cruciale e' l'accoppiamento della tripletta sullo mRNA con l'antitripletta sull'aminoacil-tRNA, che e' garantito dall'allineamento forzato tra mRNA e tRNA all'interno del ribosoma.       IL CODICE GENETICO. Da quanto e' stato detto consegue che ogni gruppo di tre nucleotidi consecutivi nello mRNA (e quindi anche nelle porzioni codificanti del DNA) corrisponde una antitripletta del tRNA e un aminoacido nella proteina. Esiste quindi un "codice" che associa ciascuna delle 64 possibili triplette (le possibili permutazioni di quattro basi in gruppi di tre sono 43) a uno dei 20 aminacidi proteici. Tre delle 64 possibili triplette non corrispondono a nessun tRNA e sono segnali di stop; le rimanenti 61 sono assegnate ai 20 aminoacidi proteici secondo il CODICE GENETICO, che e' universale ed identico per tutti gli organismi viventi. Ovviamente piu' triplette possono codificare per lo stesso aminoacido: questo rende il codice genetico "degenerato": IL CODICE GENETICO   seconda base: prima base : U C A G U UUU: Phe UCU: Ser UAU: Tyr UGU: Cys U UUC: Phe UCC: Ser UAC: Tyr UGC: Cys U UUA: Leu UCA: Ser UAA: stop UGA: stop U UUG: Leu UCG: Ser UAG: stop UGG: Trp           C CUU: Leu CCU: Pro CAU: His CGU: Arg C CUC: Leu CCC: Pro CAC: His CGC: Arg C CUA: Leu CCA: Pro CAA: Gln CGA: Arg C CUG: Leu CCG: Pro CAG: Gln CGG: Arg           A AUU: Ile ACU: Thr AAU: Asn AGU: Ser A AUC: Ile ACC: Thr AAC: Asn AGC: Ser A AUA: Ile ACA: Thr AAA: Lys AGA: Arg A AUG: Met ACG: Thr AAG: Lys AGG: Arg           G GUU: Val GCU: Ala GAU: Asp GGU: Gly G GUC: Val GCC: Ala GAC: Asp GGC: Gly G GUA: Val GCA: Ala GAA: Glu GGA: Gly G GUG: Val GCG: Ala GAG: Glu GGG: Gly IL DOGMA CENTRALE DELLA BIOLOGIA MOLECOLARE       Da quanto esposto sopra consegue che il flusso dell'informazione genica procede in una direzione ben definita: e' contenuto nel DNA e puo' essere duplicato in altro DNA; dal DNA puo' "scendere" verso il mRNA e da questo verso le proteine; ma non puo' mai risalire dalle proteine al mRNA e al DNA. Ovvero dal gene la cellula puo' ottenere il mRNA e la proteina, ma dalla proteina la cellula non puo' ottenere il mRNA e da quest'ultimo non puo' ottenere il DNA. In pratica il flusso dell'informazione genica puo' procedere soltanto nel verso indicato in figura, mai all'indietro:       Se prendiamo in considerazione non soltanto le cellule (eucariotiche o procariotiche) ma anche i virus, ed in particolare i retrovirus, osserviamo che il dogma centrale richiede una rielaborazione. Infatti i virus ad RNA sono in grado di duplicare lo RNA ed i retrovirus, grazie alla trascrittasi inversa sono in grado di sintetizzare DNA utilizzando come stampo lo RNA, come rappresentato in figura:       Rimane valido in ogni caso, anche quando si includono nel dogma tutte le complessita' della genetica virale, che non e' possibile sintetizzare RNA o DNA utilizzando l'informazione contenuta nella sequenza delle proteine. Questo passaggio e' oggi possibile all'uomo, con metodi chimici; ma resta vero il fatto che non esiste meccanismo biologico che renda possibile la trasformazione inversa a quella catalizzata nel ribosoma. GENOMA, LOCI, GENI, ALLELI, OPERONI: LE UNITA' CODIFICANTI DEL GENOMA       Al meccanismo della biosintesi delle proteine descritto sopra conseguono alcune definizioni importanti. Si chiama GENOMA l'insieme di tutto il DNA conteunto nei cromosomi della cellula. Il GENE e' invece il segmento di DNA che contiene la sequenza nucleotidica che codifica per una proteina (insieme con i segmenti di regolazione promotore e terminatore). Ogni cromosoma contiene sequenze di geni e in tutti gli organismi tranne alcuni virus i geni sono di norma presenti in posizioni diverse su entrambi i filamenti della stessa doppia elica. Solo in alcuni virus si ha che tutti i geni sono sullo stesso filamento (chiamato allora filamento +) mentre il filamento complementare serve soltanto per la replicazione.       Alla definizione precedente consegue che ogni doppia elica contiene una sequenza ordinata di geni, e nei diversi individui della stessa specie la sequenze dei geni e' sempre la stessa: ovvero ogni gene occupa una ben definita posizione su un certo cromosoma. La posizione di un gene sul suo cromosoma e' chiamata il LOCUS di quel gene. Questo comporta, ai fini diagnostici, che sia possibile cercare con i metodi della biologia molecolare un certo gene e si possa essere certi di trovarlo sempre sullo stesso cromosoma e nella stessa posizione in qualunque individuo.       Gli individui della stessa specie differiscono tra loro, pur possedendo gli stessi geni negli stessi loci: questo accade perche' ciascuno di noi possiede specifiche varianti di ciascun gene, chiamate ALLELI.       DIPLOIDIA. Tutti gli organismi superiori sono diploidi, cioe' possiedono i cromosomi in coppie omologhe: uno derivante dal genitore di sesso maschile, l'altro dal genitore di sesso femminile. Ad esempio ogni cellula umana possiede 23 coppie di cromosomi omologhi. Soltanto le cellule sessuali, grazie ad un particolare meccanismo di replicazione chiamato MEIOSI, sono APLOIDI cioe' possiedono un solo cromosoma per ogni tipo (ad esempio nell'uomo le cellule sessuali possiedono 23 cromosomi anziche' 23 coppie), e la fecondazione, cioe' l'unione di un uovo ed uno spermatozoo, produce uno zigote diploide capace di dare origine ad un nuovo organismo diploide. Consegue che ciascun individuo possiede almeno due copie dello stesso gene una di origine paterna, l'altra di origine materna. Alcuni geni sono duplicati e sono presenti in piu' di una copia nel genoma aploide e in piu' di due in quello diploide: ad esempio nel genoma umano diploide sono presenti due copie del gene per la subunita' beta dell'emoglobina, la proteina adibita al trasporto dell'ossigeno (e questo e' il numero minimo) e quattro copie del gene per la subunita' alfa dell'emoglobina. ORGANISMI GENETICAMENTE MODIFICATI       Poiche' il codice genetico e i meccanismi di biosintesi del DNA e delle proteine sono comuni a tutti gli organismi, dai batteri all'uomo o al grano, e' possibile che avvengano fenomeni di trasferimento genico nei quali due organismi anche non correlati tra loro si scambiano geni e acquisiscono capacita' genetiche che prima non avevano. In natura questo fenomeni avviene in pratica soltanto negli organismi unicellulari (batteri e protozoi) con due modalita': trasferimento genico diretto tra batteri simili oppure trasferimento mediato da virus. IL trasferimento genico diretto tra batteri e' possibile perche' i batteri possono contenere piccole molecole di DNA circolare a doppio filamento, extra-cromosomiale, chiamate plasmidi e possono scambiarsi tra loro questi plasmidi direttamente, mediante una temporanea fusione cellulare o indirettamente rilasciandoli nell'ambiente e captandoli dall'ambiente. Questo fenomeno avviene soprattutto quando c'e' una forte selezione ambientale in favore del plasmide (ad es. quando il plasmide conferisce resistenza ad un antibiotico presente nel mezzo). Il trasferimento mediato da virus avviene quando per un evento anomalo di replicazione un virus capace di ciclo lisogenico incorpora nel suo DNA un pezzo del DNA della cellula ospite, che puo' poi trasferire, dopo un ciclo lisogeno, ad un nuovo ospite.       Un diverso tipo di variazione genetica si ha in quei rari casi nei quali si incrociano tra loro due organismi diversi. Negli animali questi incroci sono sterili (ad es. il mulo che e' l'incrocio tra il cavallo e l'asino), ma nelle piante si possono realizzare organismi capaci di riproduzione.       Gli eventi di variazione genetica "sistematica" come quelli descritti, insieme alle mutazioni causali, sono alla base dei fenomeni evolutivi e sono di grande interesse per gli scopi biotecnologici: molte piante ed animali da allevamento sono varianti geneticamente modificate nel corso dei millenni per permetterne la domesticazione, incrementarne la resa, o adattarle a climi e ambienti diversi da quelli di origine. Questi passaggi di domesticazione sono cosi' complessi che in alcuni casi (ad es. quello del garno e del granoturco) non e' piu' possibile riconoscere con certezza l'antenato selvatico della specie domestica.       L'avvento delle tecniche di manipolazione del DNA reso possibile dalla GENETICA e BOLOGIA MOLECOLARE, ha consentito di ottenere organismi geneticamente modificati in modo scientifico, rispondente ad un progetto, piuttosto che mediante la selezione di eventi casuali. Il metodo e' simile a quello naturale: in genere si utilizzano vettori virali modficati per ottenere eventi di trasferimento genico selettivo, per scopi medici o alimentari. Per scopi pratici si distinguono due tipi di intervento: la produzione di proteine o organismi ricombinanti e la produzione di organismi transgenici. Questa distinzione pero' e' di comodo e tra ricombinante e transgenico non c'e' differenza concettuale.       L'organismo ricombinante utilizzato per scopi medici e' in genere il batterio non patogeno Escherichia coli, nel quale si possono facilmente inserire geni (contenuti in plasmidi) codificanti per varie proteine di interesse. La prima proteina ricombinante prodotta per usi medici e' stata l'ormone insulina che costituisce un buon esempio delle applicazioni pratiche della genetica molecolare. C'e' una malattia umana molto diffusa e grave chiamata diabete mellito di tipo I nella quale le cellule produttrici dell'insulina muoiono per un attacco autoimmune ed il paziente perde la capacita' di produrre questo ormone. Il diabete mellito e' una malattia molto grave che compromette severamente l'aspettativa di vita del paziente; puo' essere trattato mediante somministrazione sottocutanea di insulina (ovviamente non c'e' cura definitiva, perche' non e' possibile far si che il paziente riprenda a produrre insulina: la terapia sostitutiva, di mantenimento). L'insulina e' una proteina e non puo' essere prodotta chimicamente: fino all'inizio degli anni '80 veniva purificata dal pancreas bovino, ottenuto dopo la macellazione dell'animale per scopi alimentari. Ovviamente il paziente trattato in questo modo riceveva insulina bovina, non insulina umana: le due proteine differiscono relativamente poco e l'azione biologica e' la stessa.       All'inizio degli anni '80 e' entrata in produzione INSULINA UMANA RICOMBINANTE, prodotta in batteri Eschericha coli modificati grazie ad un plasmide che reca il gene dell'insulina umana. Con questo trattamento il paziente riceve insulina umana anziche' insulina bovina.       Con le stesse tecniche usate per l'insulina e' possibile produrre anche altri ormoni umani nonche' antigeni proteici di varia natura utili per la produzione di VACCINI SINTETICI RICOMBINANTI. Non tutte le proteine di interesse medico pero' possono essere prodotte mediante questa tecnica. Ad esempio il fattore VIII della coagulazione, necessario nella terapia degli emofilici e' una proteina che subisce estese modifiche post-traduzionali, delle quali il batterio non e' capace: di conseguenza in questo caso la proteina ricombinante e' biologicamente inattiva e inutilizzabile in terapia.       E' possibile inserire geni estranei anche nel genoma di piante ed animali superiori. Il nuovo organismo ricombinante (transgenico) ha interesse per varie applicazioni aggiuntive alla possibile produzione di proteine ricombinanti: ad esempio potrebbe acquisire resistenza contro parassiti o aumentare la sua resa economica o diventare modello di patologie umane per sperimentazione farmacologica o di altro tipo. Gli organismi geneticamente modificati per uso alimentare sono utilizzati in vari paesi (ma non in Europa). Ad esempio sono state prodotte varieta' di riso adatte a climi o ambienti acquatici che sarebbero inospitali per le piante di tipo "selvatico" (in realta' il cosiddetto selvatico e' gia' una varieta' domesticata e quindi modificata dall'uomo, anche se su tempi molto lunghi).       Conviene a questo punto fornire un chiarimento terminologico: si intende per Organismo Geneticamente Modificato (OGM) un organismo che ha subito una manipolazione genetica intenzionale da parte dell'uomo. L'OGM puo' avere interessi medici o alimentari. Quando la modifica e' l'inserimento di un gene (ce ne sono anche altre possibili) l'organismo e' chiamato transgenico; poiche' le proteine prodotte dall'organismo transgenico sono definite ricombinanti, anche il transgenico finalizzato alla produzione di proteine e' chiamato organismo ricombinante e in linea di massima i termini ricombinante e transgenico sono pressoche' sinonimi.       Sono possibili modificazioni genetiche semi-stabili diverse dall'inserimento di geni ricombinanti. Una tra le piu' importanti e' il SILENZIAMENTO genico, ottenuto con vari metodi, che comporta il blocco dell'espressione di uno o piu' geni e quindi, in ultima analisi la carenza nella cellula (o nell'intero organismo) di una o piu' proteine. Anche questa metodica ha per lo piu' interesse sperimentale in quanto si presta a realizzare modelli di malattie umane in animali da laboratorio nei quali queste malattie non si verificano. E' ovvio l'interesse di disporre di modelli animali delle malattie umane per la sperimentazione delle terapie innovative. MUTAZIONI E MALATTIE GENETICHE       Errori nella duplicazione del DNA sono possibili: la DNA polimerasi umana inserisce un nucleotide "sbagliato" (cioe' non esattamente complementare a quello presente sul filamento "stampo") ogni milione di nucleotidi corretti. Quando questo avviene si ha una MUTAZIONE PUNTIFORME. Le cause delle mutazioni sono varie: un esempio e' la possibile tautomeria cheto-enolica dei nucleotidi. Se la mutazione avviene in una cellula somatica, essa nella maggioranza dei casi non ha conseguenze patologiche per l'organismo; raramente pero' puo' essere causa di tumori, anche maligni.       Se invece la mutazione avviene in una linea di cellule germinali (ovociti o spermatozoi) e queste vanno incontro alla fecondazione, l'intero organismo che ne deriva e' portatore della mutazione e questo puo' risultare in malattie genetiche, ereditabili. Si considerino i casi seguenti: 1) la mutazione interviene in un segmento non codificante del DNA (cioe' non all'interno di un gene): in questo caso in genere risulta silente e non causa malattie. 2) la mutazione interviene nella regione tradotta di un gene, ma grazie alla ridondanza del codice genetico converte una tripletta in un'altra codificanti entrambe per lo stesso aminoacido. Si ha una variazione genetica ma non una variazione della proteina espressa e quindi nessuna malattia. 3) la mutazione interviene nella regione tradotta di un gene e cambia il significato di una tripletta; la proteina risultante avra' una sostituzione aminoacidica e potrebbe avere attivita' biologica diminuita o anomala (ad esempio: la variante dell'emoglobina chiamata emoglobina S che causa la malattia chiamata anemia a cellule falciformi). 4) la mutazione interviene nella regione tradotta di un gene e cambia una tripletta codificante per un aminoacido in una tripletta di stop. In questo caso la proteina risultante sara' un moncone con lunghezza minore della proteina normale (le manchera' un tratto dell'estermita' C-terminale; ad esempio: alcuni tipi di talassemia)). 5) la mutazione interviene nella regione non tradotta di un gene. In questo caso e' possibile che la sintesi del gene sia meno efficace (il promotore mutante potrebbe essere meno espresso, piu' espresso o espresso in modo non regolato) e il risultato sara' una alterazione della quantita' di proteina presente (fino alla totale assenza; ad esempio: altri tipi di talassemia).       I casi 3, 4 e 5 possono corrispondere a malattie ereditarie. L'evento piu' frequente e' che la proteina codificata dal gene mutante sia meno attiva o presente in minor quantita' della proteina normale e la malattia sara' per "difetto di funzione". Una caratteristica di questo tipo di malattie e' che in genere e' recessivo: cioe' il paziente eterozigote, che possiede un gene normale e uno malato e' clinicamente sano (o quasi) perche' un solo gene funzionante produce abbastanza proteina da evitare la malattia. La malattia genetica si manifesta in quegli individui che ereditano due copie entrambe non funzionanti del gene). Un evento raro e' che il gene mutante produca una proteina la cui funzionalita' anomala disturba la fisiologia della cellula. In questo caso la presenza di una copia del gene normale nel genoma dell'individuo eterozigote non puo' compensare e la condizione e' quella di una malattia dominante, che si manifesta anche quando uno solo dei due geni e' mutato. REGOLAZIONE DELLA SINTESI PROTEICA       Le cellule di uno stesso organismo possiedono tutte lo stesso patrimonio genico (genoma, DNA) ed in teoria da questo punto di vista sono tutte uguali tra loro. Una dimostrazione sperimentale di questo assunto fu data negli anni '60 da Gurdon che fece i primi esperimenti di CLONAZIONE: se si prende un ovocita di rana, se ne uccide il pronucleo con le radiazioni X e lo si sostituisce con il nucleo di una cellula qualsiasi di una rana adulta (ad es. un enterocita), l'ovocita e' in grado di andare incontro all'intero processo di morfogenesi, dando origine a girini normali, geneticamente identici alla rana dalla quale era stato prelevato il nucleo cellulare. Questa osservazione dimostra la TOTIPOTENZA del genoma delle cellule differenziate: un enterocita (o qualunque altra cellula) contiene nel suo nucleo l'informazione genetica necessaria e sufficiente all'intero organismo.       Le differenze tra i diversi tipi cellulari dell'organismo sono dunque non genetiche: ogni cellula potrebbe in teoria produrre tutte le proteine dell'organismo, ma ne produce in pratica solo alcune e non altre, e i diversi tipi cellulari sono caratterizzati ciascuno dall'espressione selettiva di un certo numero di geni caratteristici. Il problema dell'espressione genica selettiva e' un aspetto particolare del piu' generale problema della regolazione dell'espressione genica (o della regolazione della sintesi proteica). L'esempio piu' classico e meglio caratterizzato di meccanismo di regolazione dell'espressione genica e' dato dalla regolazione dell'Operone Lac di Escherichia coli. IL METABOLISMO       Il metabolismo e' un sistema assai complesso di reazioni chimiche caratteristiche delle cellule viventi, che puo' avere lo scopo di produrre energia (attraverso la degradazione di molecole complesse: CATABOLISMO) o di produrre composti chimici necessari alla sopravvivenza della cellula (ANABOLISMO). Con la decifrazione del genoma umano, completata nel 2000, e' stato dimostrato che l'uomo e' in grado di produrre circa 30.000 proteine diverse, in maggioranza enzimi. E' quindi ragionevole stimare che le reazioni chimiche che le nostre cellule sono in grad di catalizzare siano in tutto circa 20.000: questo da un'idea della complessita' del metabolismo.       Le circa 20.000 reazioni chimiche catalizzate da enzimi che costituiscono il metabolismo non avvengono disordinatamente, ma sono organizzate in sequenze, chiamate vie o cicli metabolici, nelle quali il prodotto di ciascuna reazione costituisce il reagente della successiva. Nel testo che segue sono illustrate a titolo di esempio solo alcune tra le principali vie metaboliche per un totale di meno di 50 reazioni biochimiche.       LA GLICOLISI. La glicolisi e' il processo metabolico nel quale il glucosio viene degradato per produrre energia. Avviene nel citoplasma di tutte (o quasi tutte) le cellule viventi. Come tutte le VIE METABOLICHE, e' una sequenza di reazioni chimiche nella quale il prodotto di ciascuna reazione costituisce il reagente della successiva; ogni reazione richiede uno specifico enzima. Il prodotto finale della via metabolica e' l'acido PIRUVICO, che puo' venire ulteriormente trasformato in acetil-CoA ed utilizzato nel ciclo di Krebs per sfruttarne ulteriormente il contenuto di energia chimica. Le reazioni della glicolisi sono le seguenti:       La reazione 1 puo' essere catalizzata da due enzimi alternativi: la glicochinasi o l'esochinasi e trasforma il glucosio in glucosio-6-fosfato con consumo di energia (una molecola di ATP e' convertita in ADP). Questa reazione e' irreversibile. Lo schema prevede anche un possibile percorso alternativo per produrre il glucosio-6-fosfato a partire dal glucosio-1-fosfato derivante dalla degradazione del glicogeno (reazione 2, catalizzata dalla fosfoglucomutasi; non riportata in figura).       Il glucosio-6-fosfato viene convertito nel suo isomero fruttosio-6-fosfato dall'enzima esoso fosfato isomerasi (reazione 3, reversibile). La reazione 4 (irreversibile, catalizzata dalla fosfofruttochinasi) converte il fruttosio-6-fosfato in fruttosio-1,6-difosfato con consumo di un'altra molecola di ATP (che viene convertita in ADP). La fosfofruttochinasi e' l'enzima che regola il funzionamento dell'intera glicolisi; viene inibito dall'ATP (questo premette alla cellula di interrompere la via metabolica se le riserve energetiche sono abbondanti) e attivato dall'ADP (una elevata concentrazione intracellulare di ADP segnala che le riserve energetiche sono scarse, e implica che e' necessario attivare la glicolisi, la cui funzione e' produrre energia). Fino a questo punto la glicolisi ha avuto un costo energetico: ha consumato 2 molecole di ATP.       Il fruttosio-1,6-difosfato e' il substrato dell'aldolasi che lo scinde in due triosi-fosfato: la gliceraldeide-3-fosfato e il diidrossi acetone fosfato (reazione 5); i due triosi fosfati possono essere convertiti l'uno nell'altro grazie all'enzima triosofosfato isomerasi (reazione 6, reversibile). Quest'ultima reazione e' importante perche' soltanto la gliceraldeide-3-fosfato puo' essere ulteriormente utilizzata nella glicolisi e quindi in assenza della trioso fosfato isomerasi il diidrossi acetone fosfato sarebbe sprecato.       Nella reazione 7 l'enzima gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi trasforma la gliceraldeide-3-fosfato in acido 1,3-difosfoglicerico. La reazione (reversibile) e' una ossidoriduzione (si ha l'ossidazione di una aldeide all'acido carbossilico corrispondente) e libera energia, che viene utilizzata simultaneamente in due modi: (a) riduce una molecola di NAD+ a NADH; il NADH e' una sorgente di energia per reazioni di ossidoriduzione e puo' anche essere convertito in ATP nella fosforilazione ossidativa (vedi oltre); (b) forma un legame di tipo anidridico ad alta energia tra l'acido 3-fosfoglicerico ed una molecola di acido fosforico. L'energia del legame anidridico e' utilizzata dalla fosfoglicerato chinasi che trasferisce il fosfato dall'acido 1,3-fosfoglicerico all'ADP, producendo acido 3-fosfoglicerico ed ATP (reazione 8).       L'enzima fosfoglicerato mutasi sposta l'acido fosforico dal C3 al C2 dell'acido glicerico; la reazione (n.9) e' reversibile ed il suo prodotto, acido 2-fosfoglicerico e' il substrato di una enolasi che lo converte in acido fosfoenolpiruvico rimuovendo una molecola d'acqua (cioe' rimuove un H ed un OH, che vengono legati insieme in H2O, ed introduce un doppio legame tra due atomi di carbonio; reazione 10). La fosfoenolpiruvato chinasi trasferisce l'acido fosforico dall'acido fosfoenolpiruvico all'ADP, producendo acido enolpiruvico ed ATP (reazione 11); l'acido enolpiruvico si isomerizza spontaneamente ad acido piruvico (reazione 12, unica reazione non catalizzata di questa via metabolica).       BILANCIO ENERGETICO DELLA GLICOLISI. Ogni molecola di glucosio che entra in questa via metabolica costa alla cellula 2 molecole di ATP (reazioni 1 e 4). Pero' nel proseguimento della glicolisi ogni molecola di trioso fosfato rende 2 molecole di ATP (reazioni 8 e 11) e riduce una molecola di NADH (reazione 7); e poiche' da ogni molecola di glucosio si producono due triosi il bilancio della fase attiva della glicolisi e' di 4 ATP e 2 NADH. Sottraendo il costo iniziale di 2 ATP si ottiene il bilancio energetico netto della glicolisi: C6H12O6 + 2 ADP + 2 H3PO4 + 2 NAD+ --> 2 C3H4O3 + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+       IL CICLO DI KREBS (o ciclo degli acidi tricarbossilici). E' una via metabolica fondamentale per tutte le cellule eucariotiche ed avviene nei mitocondri, organelli intracellulari specializzati nella produzione di energia. Il mitocondrio e' rivestito da due membrane e provvisto di DNA proprio, distinto da quello nucleare; la sua origine remota e' quella di un batterio simbionte e nella cellula ospite e' responsabile delle reazioni della respirazione cellulare. Ogni cellula eucariotica contiene moltissimi mitocondri.       Il ciclo di Krebs ossida a CO2 i due atomi di carbonio di una molecola di acido acetico. Per poter entrare nel ciclo l'acido acetico deve essere preventivamente combinato con un cofattore, il coenzima A che possiede un gruppo tiolico molto reattivo ed e' pertanto in genere rappresentato come CoA-SH. IL legame tra il CoA-SH e l'acido acetico e' il tioestere: CH3-CO-S-CoA (e la molecola cosi' fomata e' chiamata acetil-CoA). L'acetil-CoA puo' essere prodotto dalla β - ossidazione degli acidi grassi, oppure a partire dall'acido piruvico prodotto dalla glicolisi, nella reazione seguente (catalizzata dall'enzima piruvato decarbossilasi): C3H4O3 + CoA-SH + NAD+ --> CO2 + CH3-CO-S-CoA + NADH + H+       Il ciclo comincia con la combinazione dell'acetil-CoA con una molecola di acido ossalacetico. La reazione, indicata come 1 nello schema qui sotto, e' catalizzata dalla citrato sintetasi e restituisce una molecola di coenzima A e una di acido citrico. Il coenzima A liberato viene riutilizzato per produrre altre molecole di acetil-CoA.       L'acido citrico viene convertito in cis-aconitico (reazione 2) e questo ancora in acido isocitrico (reazione 3); entrambe le reazioni sono disidratazioni-reidratazioni reversibili ed entrambe sono catalizzate dallo stesso enzima, l'aconitasi, la cui azione consiste nell'estrarre o reintrodurre una molecola d'acqua al posto di un doppio legame (si confronti questa reazione con quella catalizzata dall'enolasi, reazione 10 della glicolisi). L'effetto finale e' lo spostamento di un gruppo OH (dal C3 nell'acido citrico al C2 nell'isocitrico).       L'acido isocitrico va incontro a due decarbossilazioni successive: la prima, operata dalla isocitrato deidrogenasi (reazione 4), produce CO2, acido α - chetoglutarico e riduce una molecola di NAD+ a NADH; la seconda, operata dalla α - chetoglutarato deidrogenasi (reazione 5), richiede una molecola di CoA-SH e produce CO2, succinil-CoA; inoltre riduce un'altra molecola di NAD+ a NADH.       A questo punto le due molecole di CO2 sono state prodotte e lo scopo delle reazioni ulteriori e' quello di riformare la molecola di acido ossalacetico utilizzata dalla citrato sintetasi per permettere la chiusura del ciclo. L'enzima succinico sintetasi distacca il coenzima A dall'acido succinico e utilizza l'energia del legame tioestere per fosforilare una molecola di GDP che viene trasformata in GTP (reazione 6). La succinico deidrogenasi estrae due atomi di idrogeno dall'acido succinico e li trasferisce ad un cofattore chiamato FAD (che viene di conseguenza ridotto a FADH2), mentre l'acido succinico e' trasformato in acido fumarico (reazione 7). L'acido fumarico viene idratato ad acido malico ad opera dell'enzima fumarasi (reazione 8), ed infine la malico deidrogenasi converte l'acido malico in acido ossalacetico, riducendo al contempo una molecola di NAD+ a NADH. L'acido ossalacetico cosi' prodotto puo' essere riutilizzato per un nuovo ciclo.       Il bilancio netto del ciclo di Krebs risulta pertanto: CH3-CO-S-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + H3PO4 + 3 H2O--> 2 CO2 + CoA-SH + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP       PRODUZIONE DELL'ACIDO OSSALACETICO. In alcune circostanze i metaboliti del ciclo di Krebs possono essere sottratti al ciclo e destinati ad altri usi: ad es. l'acido α - chetoglutarico puo' essere convertito nell'aminoacido chiamato acido glutammico mediante transaminazione e quest'ultimo puo' essere utilizzato per la sintesi proteica. Come conseguenza di queste reazioni, accade che il ciclo si interrompe e viene perduta una molecola di acido ossalacetico, che deve quindi essere sostituita. Questo e' possibile grazie alla carbossilazione del piruvato, catalizzata dalla piruvato carbossilasi, che utilizza una molecola di ATP. La reazione e' la seguente: CH3-CO-COOH + CO2 + ATP --> HOOC-CH2-CO-COOH + ADP + H3PO4       FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA: LA CATENA RESPIRATORIA. Sebbene il NADH prodotto nel ciclo di Krebs sia gia' una possibile forma di energia chimica, direttamente utilizzabile nelle reazioni di ossido-riduzione, esso viene prodotto in grande eccesso rispetto alle necessita'. Consegue che la cellula deve rigenerare il NAD+ per poter continuare a far funzionare il ciclo di Krebs e al tempo stesso deve convertire l'energia potenziale contenuta nel NADH in ATP. La fosforilazione ossidativa soddisfa entrambe queste necessita', grazie all'intervento di enzimi distinti: la CATENA RESPIRATORIA catalizza il trasferimento di elettroni dal NADH o dal FADH2 all'ossigeno che respiriamo (che viene convertito in H2O) e crea un gradiente di ioni idrogeno tra i due compartimenti del mitocondrio (la matrice e lo spazio intermembranario); la F0-F1 ATPasi dissipa il gradiente di ioni idrogeno creato dalla catena respiratoria e ne sfrutta l'energia per produrre ATP.       La reazione complessivamente catalizzata dalla catena respiratoria e': 4 H+ + 4 e- + O2 --> H2O.       Il flusso degli elettroni nella catena respiratoria segue il seguente percorso: NADH --> complesso I --> Coenzima Q --> complesso III --> citocromo c --> citocromo ossidasi --> ossigeno. Quando il donatore di elettroni e' il FADH2 gli elettroni vengono donati ad un altro enzima, il complesso II, il quale li trasferisce al coenzima Q; di qui in poi il destino degli elettroni e' lo stesso che per il NADH.       Gli enzimi della catena respiratoria (si tratta in effetti di complessi multienzimatici) si trovano sulla membrana mitocondriale interna e accoppiano il il trasporto degli elettroni al trasferimento di ioni idrogeno dalla matrice allo spazio intermembranario, con la conseguenza che la matrice diventa basica e lo spazio intermembranario diventa acido:       FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA: LA SINTESI DELL'ATP. Il gradiente di pH generato dalla catena respiratoria viene dissipato dalla F0-F1 ATPasi, una pompa per ioni idrogeno che funziona al contrario delle pompe di membrana: anziche' trasferire ioni contro il loro gradiente di concentrazione con consumo di ATP, essa permette agli ioni idrogeno di rientrare dallo spazio intermembranario alla matrice ma accoppia il loro flusso alla biosintesi dell'ATP.       In pratica la riossidazione di ogni molecola di NADH si associa al trasferimento di circa 9 ioni idrogeno dallo spazio intermembranario e la riossidazione di ogni molecola di FADH2 al trasferimento di circa 6 ioni idrogeno nella stessa direzione. La F0-F1 ATPasiassocia il trasferimento di 10 ioni idrogeno alla sintesi di 3 ATP (a partire da ADP e acido fosforico), con un rendimento massimo teorico di 3 ATP/NADH e 2 ATP/FADH2. In condizioni fisiologiche le inevitabili perdite di ioni idrogeno attraverso le membrane biologiche riducono questi rendimenti rispettivamente a circa 2,5 e 1,5.       LA β - OSSIDAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI. La maggior parte delle riserve energetiche del nostro organismo e' accumulata nel tessuto adiposo sotto forma di trigliceridi. Nel momento in cui l'organismo deve attingere a questa riserva (intervalli tra i pasti; condizioni di dieta ipocalorica o di digiuno) i trigliceridi vengono immessi nel circolo sanguigno legati alle lipoproteine plasmatiche e sono captati dalle cellule che li richiedono. All'interno della cellula i trigliceridi vengono scissi da una lipasi in glicerolo e acidi grassi; il glicerolo viene ossidato a diidrossiacetone e avviato verso la glicolisi, mentre gli acidi grassi vengono coniugati con il coenzima A e, nella forma di acil-CoA, entrano in un percorso metabolico chiamato β - ossidazione che li converte in molecole di acetil-CoA (che vengono quindi avviate al ciclo di Krebs. Per ogni acido grasso a numero pari di atomi di carbonio, la β - ossidazione viene ripetuta un numero di volte pari alla meta' meno uno del numero di atomi di carbonio e viene prodotto un numero di molecole di acetil-CoA pari alla meta' del numero degli atomi di carbonio. Lo schema delle reazioni della β - ossidazione e' il seguente:       E' importante osservare che la β - ossidazione produce acetilCoA che puo' essere avviato direttamente al ciclo di Krebs, ma non acido piruvico: apparentemente gli animali non possiedono nessun enzima capace di convertire acetilCoA o acido acetico in acido piruvico. Di conseguenza, non e' possibile utilizzare gli acidi grassi per ripristinare l'acido ossalacetico che venisse sottratto al ciclo di Krebs (vedi sopra: produzione dell'acido ossalacetico). Per questo motivo nessun tessuto puo' utilizzare per il suo metabolismo soltanto acidi grassi: il consumo di acidi grassi deve essere accompagnato da un consumo almeno minimo di glucosio.       BIOSINTESI DEGLI ACIDI GRASSI. La biosintesi degli acidi grassi segue quasi esattamente le stesse tappe della β - ossidazione, percorrendola in direzione inversa; pero' e' catalizzata da un sistema enzimatico completamente distinto ed indipendente da quello della β - ossidazione. Le principali differenze tra la β - ossidazione e la biosintesi degli acidi grassi sono le seguenti: 1) i sistemi enzimatici responsabili delle due vie metaboliche sono diversi, sebbene la sequenza delle reazioni da essi catalizzate sia la stessa; 2) e' richiesto un intermedio biosintetico in piu' rispetto alla β - ossidazione, il malonil-CoA (HOOC-CH2-CO-S-CoA) che viene prodotto a partire dall'acetil-CoA in una reazione catalizzata dall'acetil-CoA carbossilasi; 3) il malonil-CoA viene utilizzato dall'enzima multifunzionale acido grasso sintetasi, che catalizza tutte le reazioni successive. Quando il malonil-CoA si lega all'acido grasso sintetasi viene decarbossilato e ritorna un residuo di acido acetico. Il ciclo di carbossilazione-decarbossilazione e' necessario per fornire l'energia richiesta alla combinazione del substrato con l'enzima; 4) la β - ossidazione avviene nel mitocondrio, la biosintesi degli acidi grassi nel citoplasma. Il fatto che il materiale di partenza sia acetil-CoA, la cui carbossilazione e' soltanto transitoria, ha due conseguenze importanti: (a) quasi sempre gli acidi grassi hanno numero pari di atomi di carbonio perche' vengono sintetizzati unendo tra loro un numero variabile di molecole a due atomi di carbonio; (b) e' possibile produrre acidi grassi a partire da zuccheri o da aminoacidi: infatti tutti questi composti possono essere convertiti in ac. piruvico e questo in acetil-CoA (dalla piruvico deidrogenasi) o, per gli aminoacidi lipogenici, direttamente in acetil-CoA. Per contro il nostro organismo non possiede enzimi capaci di convertire l'acetil-CoA in piruvato e quindi non e' possibile sitetizzare zuccheri o aminoacidi a partire dagli acidi grassi.       IL CATABOLISMO DEGLI AMINOACIDI. Gli aminoacidi derivanti dalla digestione delle proteine di origine interna o alimentare possono essere deaminati ed il loro scheletro carbonioso puo' essere utilizzato per produrre energia. L'ammoniaca derivante dalla deaminazione degli aminoacidi e' tossica e non puo' essere usata per produrre energia; viene invece convertita in urea nel ciclo omonimo ed eliminata con le urine. La deaminazione degli aminoacidi e' possibile in modo diretto per l'acido glutamico, ad opera dell'enzima glutamico deidrogenasi (e in minor misura, per molti aminoacidi dalle aminoacido ossidasi):       Nel caso degli aminoacidi diversi dall'acido glutamico il meccanismo piu' comune di deaminazione avviene in due passaggi: prima una amino transferasi specifica trasferisce il gruppo aminico dall'aminoacido in questione all'acido α - chetoglutarico (un metabolita del ciclo di Krebs); i prodotti di questa reazione sono il chetoacido corrispondente all'aminoacido e l'acido glutamico. Nel secondo passaggio l'acido glutamico prodotto viene deaminato dalla glutamico deidrogenasi. Riporto a titolo di esempio la reazione di transaminazione dell'alanina ad acido piruvico:       In ogni caso, alla fine di questo processo i prodotti sono α - chetoacidi e ammoniaca. L'ammoniaca viene convertita in urea, mentre i chetoacidi vengono convertiti in metaboliti della glicolisi o del ciclo di Krebs ed utilizzati per produrre energia.       IL CICLO DELL'UREA. Il ciclo dell'urea e' un percorso catabolico dissimilatorio, il cui fine non e' produrre energia ma utilizzare l'ammoniaca prodotta nel corso del metabolismo degli aminoacidi per sintetizzare l'urea, molecola che viene finalmente escreta nelle urine. Tutti gli animali assorbono con la dieta aminoacidi in eccesso rispetto al loro fabbisogno; questi vengono deaminati, trasformati in acetil-CoA ed avviati al ciclo di Krebs. L'ammoniaca derivante dalla deaminazione degli aminoacidi e' tossica e deve essere eliminata. I pesci producono una urina diluita e possono eliminare l'ammoniaca come tale; i vertebrati terrestri invece concentrano l'urina ad un livello al quale l'ammoniaca sarebbe dannosa per il tessuto renale e debbono quindi convertire questa molecola in altre molecole meno tossiche (urea per i mammiferi, acido urico per gli uccelli) prima di eliminarla.         Il ciclo dell'urea inizia con la biosintesi del carbamil-fosfato a partire da ammoniaca e bicarbonato; la reazione, catalizzata dalla carbamilfosfato sintetasi consuma due molecole di ATP. L'enzima ornitina carbamil transferasi combina tra loro una molecola di ornitina e una di carbamilfosfato per sintetizzarne una di citrullina (reazione 1; ornitina e citrullina sono due aminoacidi non proteici). La argininsuccinato sintetasi utilizza citrullina e acido aspartico (un aminoacido proteico) per produrre acido argininosuccinico, con consumo di ATP (reazione 2). L'arigininosuccinato liasi rompe l'acido argininosuccinico per produrre acido fumarico e arginina (altro aminoacido proteico; reazione 3); ed infine l'arginasi degrada l'arginina in ornitina ed urea. L'urea viene escreta mentre l'ornitina puo' essere utilizzata in un nuovo ciclo.       Il bilancio complessivo del ciclo dell'urea e' il seguente: NH3 + H2CO3 + COOH-CH2-CHNH2-COOH --> CO(NH2)2 + COOH-CH=CH-COOH + 2 H2O       I due atomi di azoto della molecola di urea vengono uno dall'ammoniaca ed uno dall'acido aspartico. Inoltre e' possibile convertire l'acido fumarico prodotto nel ciclo in acido ossalacetico (ultime reazioni del ciclo di Krebs) e poi quest'ultimo di nuovo in acido aspartico (mediante transaminazione).       CATABOLISMO DEI RESIDUI DEGLI AMINOACIDI. Il chetoacido che risulta dalla deaminazione dell'aminoacido puo' essere convertito in uno zucchero o suo derivato (aminoacidi "glicogenici" o in un acido grasso o suo derivato (aminoacidi "lipogenici"). La maggioranza degli aminoacidi e' glicogenica: ad esempio la deaminazione dell'alanina produce acido piruvico (cfr. glicolisi), quella dell'acido glutammico acido ossalacetico (cfr. ciclo di Krebs); quella dell'acido aspartico acido ossalacetico (cfr. ciclo di Krebs); etc. Pochi aminoacidi sono lipogenici: ad es. leucina e lisina. In genere le vie cataboliche e le transaminazioni sono reversibili e quindi consentono non soltanto la degradazione ma anche la biosintesi degli aminoacidi, se necessaria all'organismo. Nelle proteine sono presenti 20 aminoacidi diversi, e ciascuno ha un suo specifico catabolismo, come riassunto nella seguente tabella: Aminoacidi metabolita terminale Glicina anidride carbonica e ammoniaca (Glicina,) Alanina, Serina, Treonina, Cisteina acido piruvico Metionina Cisteina + propionil-CoA -> acido piruvico Acido aspartico, asparagina acido ossalacetico (ciclo di Krebs) -> ac. piruvico Acido glutamico, glutamina acido alfa chetoglutarico (ciclo di Krebs) -> ac. ossalacetico Arginina, Prolina, Istidina acido glutamico -> alfa chetoglutarico (ciclo di Krebs) -> ac. ossalacetico Lisina acetil-CoA (ciclo di Krebs) + ac. acetoacetico Valina, Isoleucina propionil-CoA (ciclo di Krebs) Leucina acetil-CoA (ciclo di Krebs) + ac. acetoacetico Fenilalanina, Tirosina acetil-CoA (ciclo di Krebs) + ac. acetoacetico Triptofano alanina + ac. acetil-CoA (ciclo di Krebs)       SOMMARIO: IL CATABOLISMO DEGLI AMINOACIDI.       Quando la dieta contiene un eccesso di aminoacidi, o in condizioni di denutrizione, nelle quali si ha riassorbimento di proteine strutturali (spec. actomiosina dal tessuto muscolare), tutti gli aminoacidi possono essere degradati per produrre energia, attraverso il ciclo di Krebs, o per produrre glucosio, attraverso la gliconeogenesi. La maggioranza degli aminoacidi va incontro a trasformazioni che, dopo deaminazione, convertono la struttura carboniosa della molecola in ossalacetato/piruvato (poiche' queste due molecole sono tra loro interconvertibili grazie agli enzimi piruvato carbossilasi e fosfoenolpiruvato carbossichinasi non ha senso tenerle distinte). Tutti gli aminoacidi dalla cui degradazione e' possibile ottenere ossalacetato/piruvato sono definiti glicogenici in quanto da ossalacetato/piruvato si puo' ottenere glucosio mediante la gliconeogenesi. Soltanto due aminoacidi, lisina e leucina, vengono convertiti ad acetil-CoA senza passare per la coppia ossalacetato/piruvato: questi sono chiamati lipogenici, perche' l'acetil-CoA, oltre a poter entrare nel ciclo di Krebs, puo' essere usato per la biosintesi dei lipidi, essendo il precursore sia degli acidi grassi che del colesterolo. Cinque aminoacidi, che includono i tre aromatici (tirosina, fenilalanina e triptofano) sono sia lipogenici che glicogenici in quanto dalla loro degradazione si ottiene sia acetil-CoA che ossalacetato/piruvato. E' importante considerare a parte il caso degli aminoacidi che vengono convertiti in propionil-CoA (valina, metionina, isoleucina): questa molecola infatti viene convertita in succinil-CoA e poi in ossalacetato nel ciclo di Krebs. Come conseguenza, anche se formalmente il propionil-CoA e' un metabolita degli acidi grassi (se a catena dispari di atomi di carbonio), funzionalmente e' un composto della serie glicogenica.       Per quale motivo si da tanta importanza alla natura glicogenica o lipogenica di un metabolita? Come e' spiegato qui sotto, i composti lipogenici non possono produrre altro che lipidi (o essere bruciati nel ciclo di Krebs); i composti glicogenici invece possono essere usati per produrre sia lipidi che glicidi che altri aminoacidi ed hanno quindi un valore nutrizionale maggiore. Inoltre alcuni organi, primo tra tutti il cervello usano esclusivamente o prevalentemente glicidi per il loro metabolismo energetico e non possono essere nutriti con lipidi o con sostanze lipogeniche.       CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE SUL CATABOLISMO. Il catabolismo dei nutrienti finalizzato alla produzione di energia avviene principalmente attraverso il ciclo di Krebs, il quale richiede come metaboliti iniziali ac. ossalacetico e acetil-CoA. Gli zuccheri possono produrre entrambe queste sostanze: l'ac. ossalacetico grazie alla piruvico carbossilasi, l'acetil-CoA grazie alla piruvico deidrogenasi (o decarbossilasi). Gli acidi grassi producono soltanto acetil-CoA e quindi non possono essere ossidati in assenza di una qualche sorgente di ac. ossalacetico (anche in minima quantita'), necessaria a compensare le eventuali sottrazioni di metaboliti del ciclo (ad es. di ac. α - chetoglutarico). Gli aminoacidi, una volta deaminati possono produrre acetil-CoA e varie possibili sorgenti di ac. ossalacetico (piruvico, ossalacetico, α - chetoglutarico, etc.). Le relazioni tra questi percorsi metabolici si possono schematizzare come segue:       E' molto importante considerare quali percorsi catabolici siano reversibili e quali irreversibili: infatti la reversibilita' condiziona la possibilita' di convertire un metabolita in un altro e un nutriente in un altro. Si osserva in questo schema che i lipidi sono metaboliti "poveri" che possono essere usati per produrre energia (come acetil-CoA) ma non possono essere usati per la biosintesi di nient'altro: infatti non esiste nell'organismo umano una acetil-CoA carbossilasi che possa convertire questo metabolita in ac. piruvico. Pertanto non e' possibile utilizzare le nostre riserve di grasso per produrre zuccheri o aminoacidi. Per contro gli zuccheri e gli aminoacidi possono spesso essere interconvertiti tra loro (la reazione delle transaminasi e' infatti reversibile) ed entrambi possono essere convertiti in acetil-CoA ed acidi grassi. METABOLISMO DEGLI ACIDI NUCLEICI E LORO COMPONENTI       Il metabolismo degli acidi nucleici e' complesso e deve essere distinto in due gruppi di reazioni tra loro molto diverse: la biosintesi e degradazione dei nucleotidi e la biosintesi degradazione e funzione biologica dei polinucleotidi.       Acidi nucleici sono introdotti nell'organismo con gli alimenti ma soltanto in quantita' modeste rispetto a quelle degli altri nutrienti. Sono depolimerizzati e trasfromati in singoli nucleotidi dagli enzimi RNAsi, DNAsi e polinucleotidasi prodotti dal pancreas e dall'intestino e i nucleotidi monofosfati, nucleosidi e basi azotate libere possono essere assorbite. Il fegato e gli altri tessuti sono capaci di reazioni di recupero delle basi azotate, che vengono nuovamente combinate con il ribosio (sotto forma di fosforibosil pirofosfato) ed utilizzate per la biosintesi dei polimeri; alternativamente le basi azotate vengono degradate ed eliminate: le basi puriniche sono trasformate in urato, le pirimidiniche in β - alanina o acido β - isobutanoico, secondo gli schemi di reazione seguenti:       LA BIOSINTESI DELLE PIRIMIDINE costituisce un esempio di percorso anabolico, finalizzato alla biosintesi di molecole necessarie alla cellula (le basi pirimidiniche del DNA e dello RNA).       Il ciclo inizia, come quello dell'urea, con la biosintesi del carbamil fosfato; quest'ultimo viene poi combinato con l'acido aspartico per formare acido N-carbamil aspartico; l'enzima e' l'aspartico transcarbamilasi. La deidrogenazione dell'acido N-carbamil aspartico ad opera dell'enzima diidroorotasi produce l'acido diidroorotico, il metabolita successivo. La riduzione dell'acido diidroorotico produce l'acido orotico; l'enzima necessario si chiama orotico reduttasi ed utilizza come cofattore il NAD+. L'acido orotico e' gia' una base pirimidinica e viene combinato con il fosforibosil pirofosfato (PRPP) per formare il nucleotide corrispondente, orotidina 5' fosfato; l'enzima e' la orotico-PRPP transferasi e la reazione rilascia una molecola di acido pirofosforico (H4P2O7) che in acqua si scinde in due molecole di acido fosforico. Domande (la risposta e' obbligatoria se e' stata attivata la registrazione elettronica della presenza) 1) L'enzima primasi: produce un filamento di RNA messaggero (mRNA) produce un breve filamento di RNA che funge da innesco per la duplicazione del DNA produce un filamento di RNA di trasferimento (tRNA) 2) Nella glicolisi: non si verificano reazioni di ossido-riduzione si verificano varie reazioni di ossido-riduzione si verifica una sola reazione di ossido-riduzione, la conversione di gliceraldeide 3P in acido 1,3 difosfo glicerico 3) La respirazione cellulare causa consumo di O2 e produzione di CO2: l'O2 viene consumato dalla catena respiratoria, la CO2 viene prodotta dal ciclo di Krebs l'O2 viene consumato e la CO2 viene prodotta dal ciclo di Krebs l'O2 viene consumato e la CO2 viene prodotta dalla catena respiratoria 4) La funzione del ciclo dell'urea e': eliminare l'eccesso di azoto introdotto nella dieta dagli alimenti proteici convertire l'arginina in urea eliminare le basi azotate presenti negli acidi nucleici Il tuo punteggio: 0 La tua presenza non e' stata registrata perche' il sistema non e' attivo o non hai inserito il numero di matricola. Puoi inserire le tue domande o commenti nello spazio qui sotto (lunghezza massima = 160 caratteri): Come sono disposti gli elettroni del carbonio? Il carbonio ha in tutto 6 elettroni, 2 nell'orbitale 1s, 2 nell'orbitale 2s e 2 negli orbitali 2p. Pertanto la sua costituzione elettronica si esprime come: 1s2 2s2 2p2. Qual e' la definizione di concentrazione di una soluzione? Si definisce concentrazione di una soluzione il rapporto tra la quantita' di soluto (in grammi, mL o moli) e la quantita' di soluzione (di solito espressa in dL o L) Che cos'è l'energia di legame? L'energia di legame tiene uniti due atomi tra i quali si instaura un orbitale di legame (o n legame elettrostatico) e viene emessa sotto forma di calore quando il legame si forma. Per rompere il legame deve essere fornita una quantità di energia (sotto forma di calore o di radiazione elettromagnetica) pari all'energia di legame. che cos'è la delocalizzazione e risonanza? In alcune molecole che possiedono almeno un orbitale pi greco (quindi almeno un doppio legame) è possibile osservare la delocalizzazione di questo: ovvero l'orbitale pi greco non ha una posizione definita ma può trovarsi tra due coppie di atomi; l'esempio tipico di questa condizione è dato dall'acido nitroso (si vedano le formule nel capitolo sul legame chimico). Risonanza è un sinonimo di delocalizzazione ed indica le due strutture possibili per la molecola, che presentano ciascuna il doppio legame in una posizione diversa. Che cosa la fase termodinamica e la relazione con gli stati di aggregazione? Si definisce fase termodinamica un corpo nel quale le molecole si trovano tutte in condizione di interagire tra loro. Un liquido o un gas costituiscono ciascuno una fase termodinamica; un sistema che ha sia il liquido che il gas (ad esempio una bottiglia tappata, piena per metà di acqua e per metà di aria) è composto da due fasi termodinamiche perché le molecole del gas non possono direttamente interagire con quelle del liquido. Il concetto di fase non coincide con quello di stato di aggregazione perché un sistema costituito da due liquidi immiscibili (ad esempio acqua e olio) è costituito da due fasi, entrambe allo stato liquido. Cosa sono le diluizioni seriali? Se una soluzione iniziale che chiamiamo S1 viene diluita con solvente puro si ottiene una seconda soluzione che chiamiamo S2 a minore concentrazione. Se S2 viene a sua volta diluita con solvente pure si ottiene una terza soluzione con concentrazione inferiore a quella di S2 che chiamiamo S3. La ripetizione di questo processo costituisce una diluizione seriale. Cosa sono l'entropia e l'entalpia e quale è la differenza tra le due? L'entropia e l'entalpia sono le energie attive nei sistemi termodinamici (o meglio nel corso dei cambiamenti che avvengono nei sistemi termodinamici). In chimica l'entalpia è essenzialmente conservata nelle energie di legame tra gli atomi e tra le molecole. L'entropia è invece una misura del grado di probabilità del sistema considerato e può essere espressa nella forma di una energia grazie alla legge di Boltzmann. Per domande come questa, però, è preferibile fare riferimento al contenuto delle dispense che spiegano il concetto più estesamente. Qual è la definizione di omeopatia? L'omeopatia è una complessa teoria medica sviluppata tra la fine del XVIII e l'inizio del XIX secolo da un medico tedesco di nome Samuel Hahnemann (1755- 1843). Oggi questa teoria è completamente obsoleta e sconfessata. Puoi trovare una descrizione dei principi della teoria omeopatica su questo sito web (seguendo i links indicati). Qual è la differenza tra entropia ed entalpia? Ho risposto a questa domanda poco piu' in alto in questa serie di domande. Quando si forma l'idrolisi salina? L'idrolisi salina si verifica quando si discioglie in acqua un sale che nella sua dissociazione elettrolitica libera o uno ione positivo che e' l'acido coniugato di una base debole o uno ione negativo che e' la base coniugata di un acido debole. Vada a vedere gli esempi del cloruro di ammonio e dell'acetato di sodio descritti nella dispensa sull'equilibrio ionico. Cosa si intende per specie intermedia del carbonile idratato quando si parla di emiacetale ed emichetale? Il carbonile idratato e' un (ipotetico) intermedio di reazione nella sintesi del semiacetale o semichetale che deriva dalla reazione con l'acqua: R - CHO + H2O <=> R - CH(OH)2 R - CH(OH)2 è il carbonile idratato. Dove ha trovato questa molecola? Nelle dispense non viene spiegata perche' lo stato idratato del carbonile è pochissimo popolato ad equilibrio, puo' essere ignorato: la reazione procede come se questo stato non esistesse. Perchè il fruttosio nella forma ciclica ha la forma di un pentano se prima lo scrive in forma lineare con sei atomi di carbonio? Il fruttosio ha 6 atomi di carbonio, sia nella forma lineare che in quella ciclica. La forma ciclica non assomiglia a un pentano perché uno degli atomi dell'anello è un ossigeno anziché un carbonio. Quindi l'anello ha 4 atomi di C. In aggiunta a questi ci sono altri 2 atomi di C fuori dell'anello. Come avviene la sintesi del glicogeno e perche' e' una reazione energicamente favorevole? La biosintesi del glicogeno avviene in vari passaggi, ciascuno catalizzato da un enzima, ed e' energeticamente favorevole perche' comporta consumo di ATP. Per riassumere al massimo, i passaggi della via metabolica sono: glucosio -> glucosio 1-fosfato -> uridina-difosfo-glucosio -> glicogeno. Qual e' la funzione dell'amminoacil tRNA? L'amminoacil-tRNA svolge una funzione fondamentale perché 1) possiede l'antitripletta e quindi riconosce tramite l'accoppiamento delle basi azotate la tripletta sul mRNA; e 2) trasporta l'aminoacido corrispondente all'antitripletta legato con legame estere all'OH in posizione 3' del ribosio. Di fatto l'amminoacil-tRNA e' l'unico elemento che veramente "realizza" il codice genetico (insieme all'enzima amminoacil-tRNA sintetasi che attacca l'aminoacido giusto al tRA con l'antitripletta giusta): nessun altro elemento del sistema della sintesi proteica accoppia amminoacidi e triplette nucleotidiche. Nella glicolisi quali sono le fasi dove avviene consumo di ATP e quelle in cui c'e' acquisto di atp? e dove si formano le 2 molecole di NADH? perche' nella fase di rendimento della glicolisi si producono 4 molecole di ATP e 2 di NADH? Devi fare riferimento allo schema della glicolisi riportato nel materiale disponibile sul sito. Il consumo di ATP avviene nella conversione del glucosio a gluosio 6 fosfato (catalizzata dall'esochinasi) e nella conversione del furttosio 6 fosfato in fruttosio 1,6 difosfato (catalizzata dalla fosfofruttochinasi). Guadagno di ATP si ha nelle conersioni dell'acido 1,3 difosfoglicerico in acido 3 fosfoglicerico e dell'acido fosfoenolpiruvico in acido piruvico. La riduzione del NAD a NADH si verifica nella conversione della gliceraldeide 3 fosfato in acido 1,3 difosfoglicerico. Per il bilancio energetico devi contare l'ATP consumato, e quello prodotto. Quali sono i prodotti finali del ciclo di krebs? I prodotti finali del ciclo di Krebs sono CO2, NADH, FADH2 e GTP; però bisogna evitare questo tipo di domande e riferirsi alla trattazione del ciclo nel materiale didattico. Cosa la piruvato decarbossilasi? La piruvato decabossilasi è l'enzima che converte il piruvato in acetil-CoA. La reazione comporta la produzione di una molecola di CO2 e la riduzione di una molecola di NADH Qual è la funzione dell'ATPasi? La funzione dell'ATPasi mitocondriale è quella di trasferire gli ioni idorgeno dallo spazio intermembranario alla matrice mitocondriale, seguendo il loro gradiente di concentrazione. Poiché il trasferimento avviene secondo il gradienti di concentrazione, esso è accoppiato alla fosforilazione di ATP, secondo la reazione: ADP + acido fosforico --> ATP. Quante molecole di ATP vengono prodotte tra la glicolisi ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa?? Questo e' spiegato nella lezione di Biochimica 2: il bilanco finale massimo e' di 38 ATP per molecola di glucosio: 2 ATP e 2 NADH nella glicolisi; 2 NADH dalla piruvato decarbossilasi (per 2 molecole di piruvato); 6 NADH, 2 FADH2 e 2 GTP nel ciclo di Krebs (per 2 molecole di acetilCoA). Totale 4 ATP/GTP, 10 NADH e 2 FADH2. Ogni NADH puo' produrre fino ad un massimo di 3 ATP nella fosforilazione ossidativa e ogni FADH2 fino ad un massimo di 2 ATP. Totale 4 + 10x3 + 2x2 = 38 ATP. Qual è il bilancio energetico della glicolisi? Bellelli: il bilancio energetico netto della glicolisi è 2 ATP e 2 NADH per ogni molecola di glucosio convertita in due molecole di piruvato. Questo tiene conto del fatto che 2 ATP sono consumati nella fase iniziale, ma 4 sono prodotti nella fase successiva. C'è un sito simile dedicato agli studenti di medicina dove sottoporre le domande? Bellelli: per il corso di Chimica e Propedeutica Biochimica di Medicina c'è un sito analogo a questo sulla pagina web dedicata, che viene comunicata all'inizio dei corsi: in pratica ogni argomento di lezione tra quelli indicati al link: https://www.andreabellelli.it/html/didattica/bellelli.htm Per quale motivo la solubilita' di un gas diminuisce all'aumentare della temperatura? Bellelli: in linea di massima ogni aumento di temperatura favorisce lo stato piu' disperso del sistema, che corrisponde allo stato in cui le molecole hanno maggiore energia cinetica. Come l'aumento di temperatura favorisce lo stato gassoso su quello liquido (cioè favorisce l'evaporazione) così favorisce anche lo stato gassoso rispetto a quello di soluzione del gas in un solvente liquido. Pero' io sconsiglio di eccedere nell'approfondimento razionale delle nozioni fornite: in una scienza empirica quello che principalmente conta e' cosa il sistema fa, non la nostra razionalizzazione del sistema. Molte nostre razionalizzazioni sono semplificate e trascurano una parte dei parametri effettivamente in gioco. Ad esempio la spiegazione appena data sulla solubilità dei gas è valida per gas perfetti che si disciolgono nei liquidi senza formare interazioni con le molecole del liquido; se queste ci fossero (come accade ad es. per la CO2) il delta H della formazione di queste interazioni andrebbe considerato e potrebbe cambiare la regola generale. Come avviene il trasferimento degli elettroni durante le ossido-riduzioni? Bellelli: in una reazione chimica alcuni legami chimici (cioe' orbitali di legame) dei reagenti si rompono, mentre altri si formano nei prodotti. In una reazione di ossido-riduzione si osserva che i legami neoformati, dei prodotti, presentano maggiore polarizzazione di quelli presenti nei reagenti; cioe' che intervengono tra atomi che hanno maggiore differenza di elettronegativita'. Cos'è un legame peptidico? Bellelli: Il legame peptidico è quello che si instaura tra due aminoacidi ed ha la formula R-CO-NH-R'. Ha un parziale carattere di doppio legame a causa della delocalizzazione dell'orbitale pi greco. Per una spiegazione più approfondita deve fare riferimento alle lezioni indicate come "Biochimica 1" sul sito della didattica.       Torna a: home page del corso; didattica; pagina iniziale.