Il catabolismo di lipidi e proteine

Spiega che cos'è la β-ossidazione, in quale parte della cellula avviene e quale prodotto fornisce al ciclo di Krebs. Indica inoltre quali molecole cariche di elettroni si generano durante il processo.

Nella β-ossidazione gli acidi grassi si accorciano di due in due atomi di carbonio. Spiega perché ha questo nome (su quale carbonio della catena avviene l'ossidazione) e quale frammento viene liberato in ogni ciclo del processo.

Un acido grasso saturo di $18$ atomi di carbonio viene degradato completamente per β-ossidazione. Calcola quanti cicli di β-ossidazione sono necessari e quante molecole di acetil-CoA si ottengono, motivando il calcolo.

Prima di essere ossidati, gli acidi grassi devono attivarsi legandosi al coenzima A. Spiega che cos'è il coenzima A e quale ruolo generale svolge come trasportatore di gruppi acilici nel metabolismo.

Dove si accumulano i grassi di riserva nell'organismo? Spiega che cosa accade nel tessuto adiposo quando il corpo ha bisogno di energia (lipolisi) e quali molecole vengono allora rilasciate nel sangue.

Spiega perché 1 g di grasso produce più ATP di 1 g di glucosio, facendo riferimento al grado di riduzione dei carboni della catena idrocarburica degli acidi grassi e alla quantità di elettroni che possono cedere alla catena respiratoria.

Durante un digiuno prolungato o una dieta molto ricca di grassi aumentano i corpi chetonici nel sangue. Spiega che cosa sono i corpi chetonici e ragiona sul perché compaiono quando il ciclo di Krebs non riesce ad assimilare tutto l'acetil-CoA proveniente dalla β-ossidazione.

Le proteine della dieta non vengono immagazzinate nell'organismo. Spiega che cosa accade agli amminoacidi in eccesso: quale gruppo viene loro rimosso, come viene eliminato l'azoto in eccesso e quale destino ha il resto della molecola.

L'urea si forma nel fegato a partire dall'ammonio. Spiega perché l'organismo investe energia per convertire l'ammonio, molto tossico, in urea e indica come questa viene eliminata dal corpo.

Gli amminoacidi delle proteine ingerite possono seguire tre destini: costruire nuove proteine, trasformarsi in altre molecole azotate o essere degradati per ottenere energia. Spiegali brevemente e indica quale è prioritario quando la dieta è equilibrata.

Descrivi la deamminazione degli amminoacidi e spiega il destino delle due parti risultanti: il gruppo amminico (e la sua conversione in urea) e lo scheletro carbonioso (che può entrare nelle vie cataboliche come piruvato, acetil-CoA o intermedi del ciclo di Krebs).

Ordina i tre tipi di biomolecole energetiche (carboidrati, lipidi e proteine) in base all'energia che forniscono per grammo e spiega perché l'organismo utilizza preferenzialmente i carboidrati e ricorre alle proteine solo in situazioni estreme.

Il glicerolo proveniente dai trigliceridi può entrare nella glicolisi convertito in un intermedio a tre atomi di carbonio. Spiega perché questa parte dei grassi può trasformarsi in glucosio, mentre gli acidi grassi a catena pari, negli animali, non possono (l'acetil-CoA non è gluconeogenico).

Lo schema riassume come convergono le vie cataboliche di carboidrati, lipidi e proteine nel catabolismo cellulare aerobico:

1. a) Identifica i processi catabolici indicati con ?1 e ?2. Se un farmaco inibisce selettivamente la navetta della carnitina mitocondriale, deduci quale via (?1, ?2 o glicolisi) verrà bloccata e quali substrati dovrà privilegiare la cellula per mantenere i livelli di acetil-CoA.
2. b) In un digiuno prolungato, gran parte dell'ossalacetato del ciclo di Krebs viene deviata verso la gluconeogenesi epatica mentre la via ?1 è iperattivata. Giustifica quale destino alternativo seguirà l'acetil-CoA accumulato, non potendo condensarsi nel ciclo di Krebs.
3. c) Se si aggiunge rotenone (un inibitore che blocca il passaggio degli elettroni dal NADH al complesso I della catena respiratoria), prevedi come varierà il rapporto intramitocondriale $[\text{NADH}]/[\text{NAD}^+]$ e quale conseguenza diretta avrà sulla velocità del ciclo di Krebs.

L'acido palmitico ($\text{C}_{16}\text{H}_{32}\text{O}_2$) rende circa $106\ \text{ATP}$ dopo la sua ossidazione completa con un consumo di $23\ \text{moli di }\text{O}_2$. Il glucosio ($\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$), invece, genera circa $36\ \text{ATP}$ consumando $6\ \text{moli di }\text{O}_2$.

1. a) Calcola la resa energetica per atomo di carbonio ($\text{ATP}/\text{C}$) di entrambi i substrati e giustifica dal punto di vista biochimico la causa di questa differenza analizzando lo stato di ossidazione medio del carbonio in carboidrati e lipidi.
2. b) Il glicogeno si accumula idratato (trattiene circa $2\ \text{g}$ di acqua per ogni grammo di glicogeno secco), mentre i trigliceridi si accumulano in forma anidra. Sapendo che $1\ \text{g}$ di grasso puro apporta circa $9\ \text{kcal}$ e $1\ \text{g}$ di glicogeno secco apporta $4\ \text{kcal}$, calcola il peso totale che dovrebbe accumulare un uccello migratore per disporre di una riserva di $18.000\ \text{kcal}$ se la immagazzinasse sotto forma di trigliceridi rispetto a glicogeno idratato, e deduci il vantaggio adattativo che ciò rappresenta.
3. c) Durante uno sforzo muscolare intenso in cui l'apporto di $\text{O}_2$ è limitante, calcola quale substrato rende più molecole di ATP per ogni mole di $\text{O}_2$ consumata ($\text{ATP}/\text{O}_2$) e prevedi quale sarà privilegiato dal muscolo in tale situazione.

Si analizzano i parametri ematici e urinari di un volontario durante uno sciopero della fame di quattro settimane. Nelle prime $24$ ore il glicogeno epatico si esaurisce totalmente; tuttavia la glicemia si mantiene stabile intorno a $60\text{ mg/dL}$. I livelli plasmatici di acetoacetato e $\beta$-idrossibutirrato aumentano di oltre $25$ volte a partire dal quarto giorno, mentre l'eliminazione di urea urinaria presenta un picco iniziale nei giorni 2-3 per poi scendere a valori minimi stabili.

1. a) Giustifica da dove proviene il glucosio plasmatico a partire dal secondo giorno se il glicogeno non è più disponibile, e spiega perché la degradazione netta delle proteine muscolari (riflessa nell'urea) diminuisce in modo così marcato dopo la prima settimana.
2. b) Ragiona sul perché l'encefalo non può ossidare direttamente gli acidi grassi provenienti dal tessuto adiposo e su come la sintesi dei corpi chetonici agisca come meccanismo protettivo della massa muscolare scheletrica.
3. c) Se a questo individuo venisse somministrata per errore una dose elevata di insulina al giorno 15 di digiuno, prevedi e giustifica che cosa accadrebbe alla lipolisi negli adipociti, alla produzione di corpi chetonici e all'apporto energetico al cervello.