L'anabolismo eterotrofo

Definisci l'anabolismo eterotrofo e fai due esempi concreti di processi anabolici di una cellula umana (sintesi di proteine, di acidi grassi o di glicogeno), indicando che cosa consumano questi processi (ATP, NADPH e precursori).

Per fabbricare le proprie proteine, una cellula ha bisogno di amminoacidi, energia e informazione. Spiega da dove ottiene una cellula umana ciascuna di queste tre cose.

Durante la digestione, i nutrienti vengono scomposti in molecole piccole e l'anabolismo fa il contrario. Fai due esempi di polimeri che l'organismo umano fabbrica a partire da monomeri provenienti dalla dieta e indica qual è il monomero di ciascuno.

La sintesi proteica è uno dei processi che consumano più energia nella cellula. Indica in quali passaggi della sintesi si consuma energia (attivazione degli amminoacidi, traduzione) e spiega perché una cellula che produce molte proteine ha bisogno di respirare intensamente.

Le proteine muscolari vengono costantemente degradate e risintetizzate anche se il muscolo non cresce. Spiega in che cosa consiste questo ricambio proteico (turnover) e quale implicazione ha per il dispendio energetico a riposo.

La transamminazione permette alle cellule di fabbricare amminoacidi non essenziali. Spiega in che cosa consiste questa reazione e come gli intermedi del ciclo di Krebs (come l'α-chetoglutarato o l'ossalacetato) servano da punto di partenza per sintetizzare amminoacidi.

Ragiona sul perché gli amminoacidi essenziali devono obbligatoriamente essere apportati con la dieta mentre quelli non essenziali no, e spiega quale problema metabolico compare quando una dieta è povera di proteine complete.

Spiega che cos'è il glicogeno, in quali organi viene sintetizzato principalmente e a partire da quale precursore si forma, indicando se il processo consuma o libera energia.

Quando il glucosio è in eccesso, la cellula sintetizza acidi grassi nel citosol a partire da acetil-CoA. Spiega da dove proviene questo acetil-CoA, come arriva al citosol e quale ruolo svolge il NADPH in questa sintesi.

Il colesterolo viene sintetizzato nell'organismo a partire da acetil-CoA, anche se si ottiene pure dalla dieta. Spiega perché l'organismo regola la propria sintesi di colesterolo in base all'apporto alimentare e fai due esempi di molecole essenziali che si fabbricano a partire da esso.

Una persona perde $5\ \text{kg}$ di grasso corporeo dopo mesi di dieta ed esercizio. Ragiona su che cosa è accaduto metabolicamente a questo tessuto adiposo (lipolisi e ossidazione degli acidi grassi) e spiega perché la maggior parte del carbonio perso lascia il corpo sotto forma di $\text{CO}_2$ espirato.

Che cos'è la gluconeogenesi e in quale organo avviene principalmente? Fai due esempi di precursori non carboidrati a partire dai quali l'organismo può produrre glucosio.

La gluconeogenesi utilizza quasi tutti gli enzimi della glicolisi in senso inverso, ma aggira tre passaggi irreversibili con reazioni diverse. Spiega perché la cellula evita che glicolisi e gluconeogenesi funzionino contemporaneamente (cicli futili) e come le due vie vengono coordinate dagli ormoni insulina e glucagone.

Dopo un pasto ricco di carboidrati aumenta la secrezione di insulina. Spiega quali processi anabolici attiva l'insulina nel fegato, nel muscolo e nel tessuto adiposo, e che cosa accade a questi stessi processi nel periodo tra i pasti.

Quale ruolo svolge il fegato nell'anabolismo? Nomina due processi di sintesi che esso realizza (glicogeno, proteine del plasma, colesterolo, acidi grassi) e spiegane brevemente uno.

Il muscolo accumula glicogeno ma non può rilasciare glucosio nel sangue, perché è privo dell'enzima glucosio-6-fosfatasi. Spiega a che cosa serve allora il suo glicogeno, perché il fegato invece può immettere glucosio nel sangue e quale vantaggio ha questa divisione del lavoro per l'organismo nel suo complesso.

In uno studio sul digiuno prolungato vengono monitorati i parametri metabolici di un volontario per 25 giorni. Si osservano le seguenti fasi:

1. La glicemia scende leggermente durante le prime 36 ore e poi si mantiene stabile intorno a $3,8\ \text{mmol/L}$.

2. L'escrezione urinaria di azoto (urea) raggiunge un massimo verso il giorno 3 (circa $13\ \text{g/giorno}$), ma scende a un terzo verso il giorno 10 ($4\ \text{g/giorno}$) e si stabilizza.

3. La concentrazione plasmatica di acetoacetato e $\beta$-idrossibutirrato si moltiplica per più di 25 nel corso delle prime due settimane.

1. a) Giustifica il picco di escrezione di urea del giorno 3: quali macromolecole vengono degradate preferenzialmente, in quale tessuto avviene e quale via metabolica epatica alimenta questo catabolismo.
2. b) Interpreta la drastica riduzione dell'escrezione di urea a partire dal giorno 10: collega questo fatto all'aumento dei corpi chetonici e spiega quale cambiamento metabolico nell'encefalo permette di preservare la massa muscolare dell'organismo.
3. c) Uno studente propone che, per non perdere muscolo, il fegato potrebbe convertire direttamente gli acidi grassi provenienti dal tessuto adiposo in glucosio mediante gluconeogenesi. Confuta motivando la sua proposta basandoti sulla stechiometria della decarbossilazione nel ciclo di Krebs.

Un individuo sano si sottopone a una prova clinica di digiuno controllato di 48 ore dopo aver consumato una dieta equilibrata. Nel suo sangue vengono monitorati periodicamente i livelli di glucosio, acidi grassi liberi, corpi chetonici, insulina e glucagone.

1. a) Durante le prime 12 ore, la glicemia rimane pressoché costante senza apporto di cibo. Giustifica quale via epatica è la principale responsabile del mantenimento della glicemia in questa prima fase e come il rapporto glucagone/insulina regola l'attivazione di tale via rispetto alla via antagonista.
2. b) Dopo 36 ore di digiuno, il glicogeno epatico si è esaurito completamente; tuttavia la glicemia non scende a zero e la concentrazione di corpi chetonici nel sangue aumenta in modo molto marcato. Spiega quali substrati non glucidici utilizza il fegato per sintetizzare glucosio de novo e perché la degradazione massiva degli acidi grassi negli epatociti sfocia necessariamente nella chetogenesi in questa fase.
3. c) Se questo individuo presentasse una mutazione inattivante della carnitina palmitoiltransferasi I (CPT-I) epatica, prevedi motivando che cosa accadrebbe ai suoi livelli di glucosio plasmatico e di corpi chetonici dopo 24 ore di digiuno.

In una coltura di epatociti sottoposti a una dieta ipercalorica ricca di carboidrati si osserva un'intensa sintesi citosolica di acidi grassi e, in modo coordinato, la sintesi di amminoacidi non essenziali. Lo schema mostra il ciclo di Krebs che funziona come asse metabolico centrale.

1. a) Deduci con ragionamento l'identità dell'intermedio ?1 che lascia il mitocondrio e spiega quale problema di permeabilità di membrana risolve la sua uscita per rendere possibile la sintesi degli acidi grassi nel citosol.
2. b) Identifica gli intermedi ?2 e ?3 precursori di glutammato e aspartato (od ossalacetato per la gluconeogenesi) e giustifica perché la sottrazione continua di queste molecole fermerebbe l'ossidazione dell'acetil-CoA se non intervenissero le «reazioni anaplerotiche».
3. c) Sulla base di quanto sopra, giustifica perché definire il ciclo di Krebs una via meramente catabolica è un errore biologico.

Un neonato con una malattia metabolica congenita presenta ipoglicemia a digiuno, grave acidosi lattica e una concentrazione elevata di alanina plasmatica. Le prove enzimatiche dimostrano un deficit totale di piruvato carbossilasi mitocondriale, mentre il complesso della piruvato deidrogenasi presenta un'attività normale.

1. a) Scrivi la reazione catalizzata dalla piruvato carbossilasi e spiega perché viene classificata come reazione anaplerotica.
2. b) Giustifica perché la carenza di questo enzima blocca sia la gluconeogenesi a partire da piruvato sia la capacità dei mitocondri di ossidare l'acetil-CoA proveniente dalla $\beta$-ossidazione degli acidi grassi.
3. c) Prevedi che cosa accadrà alla concentrazione cellulare di acetil-CoA e spiega la causa biochimica per cui questo paziente accumula quantità patologiche di acido lattico nel sangue.

Durante una gara di atletica di $400\ \text{m}$ piani, le fibre muscolari scheletriche funzionano in condizioni di anaerobiosi quasi totale. Al traguardo l'atleta si ferma, ma il suo consumo di ossigeno rimane molto elevato rispetto al riposo per più di 20 minuti (fenomeno del «debito di ossigeno» o EPOC).

1. a) Giustifica perché le cellule muscolari devono trasformare il piruvato in lattato invece di interrompere la glicolisi, specificando quale coenzima limitante viene riciclato in questa reazione.
2. b) Il lattato viene riversato nel sangue e partecipa al ciclo di Cori. Calcola il bilancio netto di ATP per l'organismo per ogni molecola di glucosio fermentata nel muscolo e risintetizzata nel fegato, e giustifica perché questo ciclo rappresenta un costo energetico netto per l'organismo.
3. c) Metti in relazione il bilancio netto ottenuto nel punto b con l'elevato consumo di ossigeno epatico dopo la corsa: quale processo mitocondriale epatico consuma quel $\text{O}_2$ in più e per quale fine metabolico?

Un adolescente di 15 anni in pieno scatto di crescita e un adulto sedentario di 35 anni hanno esattamente la stessa massa corporea ($62\ \text{kg}$). Tuttavia, le analisi fisiologiche mostrano che l'adolescente ha un bilancio dell'azoto netto marcatamente positivo (+3,8 g di N/giorno) rispetto al bilancio nullo dell'adulto, e il suo fabbisogno energetico giornaliero raccomandato è superiore a quello dell'adulto di circa $600\ \text{kcal}$.

1. a) Interpreta il bilancio dell'azoto dei due individui e deduci quali famiglie di biomolecole vengono sintetizzate e accumulate in modo netto nell'adolescente.
2. b) Giustifica in termini termodinamici (entalpia ed entropia) perché la polimerizzazione dei monomeri per formare massa muscolare e membrane cellulari richiede un apporto continuo di energia metabolica, spiegando come interviene l'accoppiamento con l'idrolisi dell'ATP.
3. c) Se l'adolescente mantenesse un apporto calorico ristretto identico a quello dell'adulto, prevedi motivando l'impatto sulla sua crescita ossea e muscolare, giustificando l'origine metabolica dei precursori carboniosi e del potere riducente necessari per l'anabolismo.

Una madre che allatta secerne ogni giorno circa $750\ \text{mL}$ di latte materno, il che significa cedere al lattante circa $500\ \text{kcal/giorno}$ sotto forma di nutrienti chimici: carboidrati (lattosio: $7,0\,\%$), lipidi (trigliceridi: $4,0\,\%$) e proteine (caseina e lattoalbumina: $1,0\,\%$). Tuttavia, i comitati di nutrizione stimano che il suo dispendio calorico basale e funzionale aumenti di circa $650\ \text{kcal/giorno}$.

1. a) Applica le leggi della termodinamica al metabolismo cellulare per giustificare perché l'energia che la madre deve assumere ($650\ \text{kcal}$) è nettamente maggiore dell'energia chimica contenuta nel latte che secerne ($500\ \text{kcal}$).
2. b) Analizza a livello biochimico il costo energetico necessario per assemblare i componenti del latte: indica quali nucleosidi trifosfato o equivalenti di riduzione vengono consumati specificamente nell'attivazione dei monosaccaridi per formare il legame O-glicosidico del lattosio e nella condensazione degli amminoacidi per formare i legami peptidici.
3. c) Se la madre segue una dieta con un severo deficit calorico e di carboidrati, prevedi quali tessuti corporei mobiliteranno le riserve per sostenere la lattogenesi e giustifica quali vie cataboliche si attiveranno in modo prioritario in essi.

In una prova agronomica si analizza la simbiosi tra Rhizobium e piante di soia (Glycine max). Si studiano tre condizioni: il Lotto A cresce in un suolo povero di azoto; al Lotto B viene fornito fertilizzante azotato inorganico in modo continuo; il Lotto C è una linea di soia mutante priva del gene funzionale della leghemoglobina, inoculata con un ceppo normale di Rhizobium.

1. a) Nel Lotto A, i batteroidi consumano fino al 20 % dei carboidrati prodotti dalla pianta per sostenere l'attività della nitrogenasi. Giustifica a livello molecolare perché la riduzione di $\text{N}_2$ a $\text{NH}_4^+$ richiede una spesa così elevata di ATP e potere riducente (tieni conto del tipo di legame del diazoto) e quale beneficio metabolico netto ottiene la pianta in cambio della cessione di quei carboidrati.
2. b) Nel Lotto B, la pianta riduce drasticamente la formazione di noduli e reprime l'attività della nitrogenasi batterica. Giustifica la logica bioenergetica di questa risposta adattativa.
3. c) Nel Lotto C, la fissazione biologica dell'azoto scende a zero nonostante l'enzima nitrogenasi sia strutturalmente intatto. Spiega a che cosa è dovuto questo malfunzionamento e prevedi motivando quali macromolecole essenziali vedranno interrotta la loro sintesi nella pianta.