Appunti biochimica

Vie del glucosio

Glucosio unica fonte energetica per cervello, spermatozoi ed eritrociti (respirazione anaerobica). Se liberata tutta l'energia: 2840 kJ/mol. La glicolisi è un processo citosolico per ottenere piruvato ed energia (unica fonte in anaerobici), con un guadagno netto di 2 ATP e 2 NADH (guadagnati in fase di recupero, prima fase fortemente endoergonica con il consumo di 2 ATP per attivare intermedi).

Enzimi e regolazione

Esochinasi II ha Km=0.4 mM (lavora sempre a Vmax) ed è inibita dal prodotto glucosio 6-fosfato. Esochinasi IV ha Km=10 mM (mai al massimo, aumenta con l'entrata) ed è inibita da un inibitore legato al fruttosio 6-fosfato; se arriva glucosio 6-fosfato, scalza ed enzima è più attivo.

Fosfofruttochinasi 1 è inibita da eccessiva disponibilità energetica (ATP) e dal conseguente rallentamento del ciclo di Krebs (citrato). Viene stimolata dall'AMP e solo nel muscolo dalla cAMP, segnale di contrazione muscolare (2° messaggero adrenalina); stimolata dal fruttosio 2,6-bisfosfato, sintetizzato grazie alla PK2 attivata dall'insulina (che stimola anche i fattori di trascrizione di questo enzima) o dallo xilulosio (per PP2).

Metabolismo del fruttosio e del diidrossiacetone fosfato

A livello del fruttosio 6-fosfato entra il fruttosio della dieta nei tessuti periferici, a livello dei triosi fosfati entra lo stesso nel fegato (fruttosio 1-fosfato → gliceraldeide, poi substrato di una chinasi più diidrossiacetone fosfato). Diidrossiacetone fosfato deidrogenasi lo converte in glicerolo 3-fosfato, per la sintesi di triacilgliceroli e fosfolipidi. La reazione inversa mitocondriale è per shuttle, per trasferire nella catena degli elettroni gli intermedi metabolici raccolti nel citosol durante la glicolisi.

Gliceroneogenesi

Se non è possibile ricavare il diidrossiacetone dalla glicolisi perché questa rallenta durante il digiuno, si attiva la gliceroneogenesi (inibita negli adipociti da ormoni glucocorticoidi, mentre stimolata negli stessi dai tiazolidinedioni, utilizzati nel trattamento del diabete mellito di tipo 2).

Produzione di NADH e ATP

Grazie alla reazione catalizzata dalla gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi, viene sintetizzato 1 NADH e liberato 1 gruppo fosfato (2 per ogni molecola di glucosio). L'ATP è sintetizzata dalla 3-fosfoglicerato-chinasi e dalla piruvato chinasi per reazioni di fosforilazione del substrato (che in questo caso è ADP).

Regolazione della piruvato chinasi

La piruvato chinasi è inibita dall’eccessiva disponibilità energetica (ATP), dall’accumulo dei derivati del piruvato (alanina) e dalla presenza di molti acidi grassi (segnale che sono in fase di accumulo energetico, non di sintesi energetica nel breve periodo). È stimolata dalla presenza dell’insulina (abbondanza di glucosio) e dal fruttosio 1,6-bisfosfato (presenza di substrato); la trascrizione è favorita da ChERBP (quando defosforilata da PP2 può entrare nel nucleo e qui, ulteriormente defosforilata, si attiva e lega a Mix).

Fermentazioni anaerobiche

Se anaerobici, avvengono le fermentazioni (redox che lasciano inalterato il rapporto C:O). La lattica avviene tramite lattato deidrogenasi (acidosi se eccessivo), l'alcolica tramite piruvato decarbossilasi + TPP e poi acetaldeide deidrogenasi.

Effetto Warburg

L'effetto Warburg descrive come le cellule tumorali preferiscano produrre energia in modo anaerobico, anche dopo che il fattore dell’angiogenesi stimolato dal fattore dell’ipossia ha fatto sì che si crei una vasta rete di vasi sanguigni per l’apporto di ossigeno (forse perché la respirazione anaerobica è più immediata). Le cellule tumorali, per lo stesso motivo, sopportano livelli di pH bassi dovuti all'acido lattico/H⁺.

Piruvato deidrogenasi

La piruvato deidrogenasi è inibita allostericamente dall'acetil-CoA (derivato di acidi grassi degradati) tramite la stimolazione di una chinasi che fosforila la PDH.

PET e consumo di glucosio

Con la PET si somministra glucosio fluorescente per vedere la velocità con cui è consumato dai tessuti. Non può essere eseguita sul cervello, poiché questo ha glucosio come unica fonte energetica e lo elabora molto velocemente fisiologicamente.

Piruvato carbossilasi e PEP carbossichinasi

La piruvato carbossilasi è un enzima mitocondriale che lavora con la biotina e produce ossalacetato. Questo, se il piruvato deriva da lattato, viene subito convertito in PEP grazie alla PEP carbossichinasi mitocondriale e quest’ultimo ritorna nel citoplasma; se il piruvato non deriva dal lattato, l’ossalacetato è convertito in malato da una deidrogenasi mitocondriale, il malato è riconvertito da una deidrogenasi citosolica e poi l’ossalacetato è substrato della PEP carbossichinasi citosolica. In questo modo si riforma il NADH (nel primo caso riformato direttamente dalla lattato deidrogenasi).

L’acetil-CoA è effettore allosterico positivo della piruvato carbossilasi (perché deriva da acidi grassi degradati, quindi indica che non è necessaria l'ossidazione del glucosio). La PEP carbossichinasi viene trascritta grazie ai CREBP (glucagone) e ai FOXO1.

Fruttosio 1,6 BPasi e regolazione

La fruttosio 1,6 BPasi è inibita dal fruttosio 2,6-bisfosfato, che a sua volta viene distrutta dalla F26BPasi nel caso questa fosse attivata per una fosforilazione da parte della PKA; allostericamente influisce negativamente AMP (bisogna degradare glucosio per energia).

Il gene della glucosio 6-fosfatasi è trascritto grazie ai CREBP e ai FOXO1.

Shunt dei pentosi

Lo shunt dei pentosi permette di ottenere il ribosio 5-fosfato, necessario per la sintesi dei nucleotidi purinici (per il fosforibosilpirofosfato), e NADPH, utilizzato nella sintesi degli acidi grassi, del colesterolo e contro lo stress ossidativo (serve per riformare il glutatione dopo che questo è stato ossidato ad opera della glutatione superossidasi). Lo stress ossidativo può essere problematico nel cervello, nei globuli rossi e nel fegato.

Un intermedio è lo xilulosio 5-fosfato, che, indicando un'abbondanza di glucosio, attiva la PP2 che stimola la PK2 a sintetizzare fruttosio 2,6-bisfosfato, effettore allosterico positivo della PK1 (incremento della glicolisi). I 2 NADPH sono formati grazie all’opera della glucosio 6-fosfato deidrogenasi e della 6-fosfogluconato deidrogenasi.

Glicogeno

Il glicogeno è un polisaccaride del glucosio, che viene immagazzinato in modo da non influire sull’equilibrio osmotico della cellula (la stessa quantità di glucosio avrebbe concentrazione 4 mM se come monosaccaride, ma così solo 0,01 mM). Vi sono legami alfa(1-4) glucosidici e ramificazioni alfa(1-6).

Macroscopicamente, subunità beta più piccole si associano in subunità rosetta alfa; sul cristallo si trovano i principali enzimi per la sintesi e degradazione della stessa molecola (glicogeno sintasi, glicogeno fosfatasi, fosforilasi chinasi e PP1), unite per GM.

Regolazione della glicogeno fosforilasi

La glicogeno fosforilasi è attiva se fosforilata. Il glucagone e l'adrenalina hanno come secondo messaggero cAMP, che innesca una cascata con PKA che fosforila la fosforilasi chinasi, la quale a sua volta fosforila la glicogeno fosforilasi. Anche AMP stimola la fosforilazione (AMPK) da parte dell’ultima chinasi, mentre solo nel muscolo, alti livelli di calcio attivano (con chinasi calmodulina-calcio dipendenti) la fosforilasi chinasi. La PKA fosforila sul sito 2 della GM, provocando la dissociazione della PP1, che si lega alla sua proteina inibitrice (attiva perché anch’essa fosforilata).

Nel muscolo si guarda il livello energetico, nel fegato la glicemia.

La glicogeno fosforilasi utilizza il PLP come coenzima ed è aiutata dal deramificante.

Metabolismo del glicogeno nel fegato

Solo nel fegato, il glucosio-6-fosfato derivato dalla degradazione del muscolo viene scisso grazie alla glucosio-6-fosfatasi. Questa si trova sulla faccia interna della membrana del reticolo endoplasmatico, così che si possa separare questa reazione da quelle della glicolisi. Una volta convertito in glucosio, questo esce attraverso Glut 2.

Per la sintesi del glicogeno è necessario l’intervento del nucleotide uridilato, che lega grazie all’UDP-glucosio pirofosforilasi un glucosio1P (da 6P per isomerizzazione). Questo subito trasferisce glucosio alla glicogenina (attacco di altri 7/8), poi la glicogeno sintasi opera (coadiuvata dal ramificante).

Regolazione della glicogeno sintasi

La glicogeno sintasi è attiva se defosforilata; l’insulina (recettore tirosinchinasico), tramite cascata, promuove l’attivazione della PKB, che fosforila GSK3 (che fosforilerebbe, dopo caseina chinasi 2, la glicogeno sintasi) e la PP1, attivandola. Così come la GSK3, è inibitore covalente negativo l’AMPK.

Ciclo di Krebs (acido citrico)

Per entrare nel ciclo, il piruvato proveniente dalla glicolisi deve essere attivato e convertito in acetil-CoA, grazie al complesso piruvato deidrogenasi nella matrice mitocondriale.

Enzimi del complesso piruvato deidrogenasi

Il complesso presenta 3 enzimi:

• La piruvato deidrogenasi (con TPP, a cui si lega il piruvato come gruppo idrossietilico, eliminando CO₂)
• La diidrolipoil transacetilasi (che presenta 3 domini: con il lipoato che costituisce il braccio mobile con un numero di subunità variabile a seconda della specie, di legame, per l’attacco di SH-CoA)
• La diidrolipoil deidrogenasi con un FAD

La piruvato deidrogenasi catalizza la formazione degli intermedi idrossietil-TPP e, una volta ridotto l’etile ad acetile, acetil-lipoil-lisina. La diidrolipoil transacetilasi catalizza la formazione del tioestere acetil-CoA e l’ultima l’ossidazione del lipoato, così che possa essere riciclato. Il FADH₂ ridotto in questo caso, non avendo un potenziale di riduzione proprio, dona gli equivalenti riducenti al NAD → NADH.

Reazioni del ciclo di Krebs

L’acetil-CoA è convertita in citrato così che il gruppo metilico sia convertito in metilenico, più facilmente ossidabile. Le normali reazioni di ossidazione prevedono la presenza di due gruppi metilenici, di cui uno adiacente ad un gruppo carbossilico: il carbonio carbossilico ha una parziale carica positiva data dall’elettrofilità dell’ossigeno, quindi può stabilizzare il carboanione adiacente. Inoltre, l’acetil-CoA non è direttamente ossidabile perché produrrebbe metano, molto stabile. Infine, il ciclo di Krebs non ha solo un valore energetico, ma garantisce la sintesi dei precursori delle biomolecole. Per rimpiazzare gli intermedi utilizzati in altre vie, vi sono le reazioni anaplerotiche.

• Citrato sintasi irreversibile per idrolisi del tioestere
• L’aconitasi promuove disidratazione e idratazione per passare da alcool terziario (non ossidabile) a secondario. Lo stesso enzima è un "moonlight", perché ha un centro Fe/S ed è quindi anche un sensore per il ferro. La reazione catalizzata sarebbe reversibile, ma l'isocitrato è velocemente utilizzato
• Isocitrato deidrogenasi inserisce doppio legame, mentre alfa-cheto è complesso simile a quello della PDH (evoluzione selettiva)
• Succinil-CoA sintetasi conserva parte dell’energia del tioestere formando GTP/ATP, con subunità beta specifica per il substrato mentre la alfa ha Hys per il gruppo fosfato (nucleoside difosfato chinasi permette conversione GTP → ATP)
• Succinato deidrogenasi introduce altro doppio legame (succinato e fumarato simmetrici) e con FADH₂ fa parte della catena respiratoria come complesso 2 (a questo livello della catena entrano anche i FADH₂ della acetil-CoA deidrogenasi, enzima per la prima reazione della beta ossidazione)
• Fumarasi estremamente stereospecifica, malato deidrogenasi verso dx solo perché (e solo se) ossalacetato viene rimosso velocemente

Regolazione del ciclo di Krebs

Per quanto riguarda la regolazione (che è da PDH), le singole reazioni sono sempre influenzate dalla disponibilità di substrato e dalla quantità di prodotto della propria e delle reazioni successive. Le deidrogenasi sono stimolate da una bassa disponibilità energetica e inibite da alti valori dei rapporti di massa ATP/AMP o NADH/NAD. Il calcio è inoltre effettore allosterico positivo (soprattutto nel muscolo, per contrazione). L’insulina promuove defosforilazioni che stimolano l’attività della piruvato deidrogenasi.

Mutazioni del ciclo di Krebs

Mutazioni a carico degli enzimi del ciclo di Krebs possono portare all’accumulo degli intermedi (succinato), che stimola l’azione del fattore di trascrizione di risposta all’ipossia; per uno stato pseudoipossico si potrebbero generare tumori. Una mutazione della isocitrato deidrogenasi provoca l’attività catalitica di questa a convertire alfachetoglutarato in 2-idrossiglutarato, che compete e non permette il giusto regolamento dell’acetilazione di alcuni residui.

Catabolismo acidi grassi

Metabolismo dei lipidi

Destino dei lipidi introdotti con la dieta. Mobilitazione degli acidi grassi avviene se ci sono bassi livelli di glicemia: cascata da glucagone a PKA, fosforilazione perilipina (con distacco proteina che attiva lipasi dei triacilgliceroli) più fosforilazione lipasi ormone sensibile (lipasi diacilgliceroli) più attivazione lipasi per monoacilgliceroli, poi acidi grassi a miocita per beta ossidazione.

Beta ossidazione

Beta ossidazione: iniziare con shunt carnitina per entrare in mitocondrio del miocita. Controllo a livello genico è mediato da CREBP per cAMP e PPAR alfa se necessità di energia.

Corpi chetonici

Corpi chetonici sono sintetizzati nel fegato e possono causare chetoacidosi per accumulo (poco glucosio → poco malonil-CoA più ossalacetato in gluconeogenesi e non in Krebs).

Sintesi acidi grassi

Immagazzinamento per energia/membrana/ormoni/cofattori. Sintesi citosolica: l'acil-CoA deve uscire ed essere attivato. L’acido grassi sintetasi è un unico polipeptide con 7 domini, braccio 4-fosfopanteteina per incanalamento massimo del substrato e sempre legame covalente.

Sintesi fino ad acido palmitico, troppo ingombro sterico poi; da questo tutti gli altri per allungamento/desaturazione/condensazione con Ser/attacco al glicerolo-3-fosfato. Il glicerolo 3 fosfato deriva da diidrossiacetone fosfato per deidrogenasi citosolica (poi reazione contraria per shunt per NADH in catena respiratoria mitocondriale) / poco da glicerolo libero in fegato e rene per chinasi; se manca diidrossiacetone perché glicolisi interrotta durante il digiuno, gliceroneogenesi (da piruvato, non diretto da glicerolo perché in adipe non ho chinasi).

Perché anche se a digiuno ho bisogno di sintesi degli acidi grassi...