Appunti di Biochimica

Appunti di biochimica

Catecolamine

Tutte le catecolamine derivano dall’amminoacido fenilalanina. La fenilalanina viene idrossilata dalla fenilalanina idrossilasi in tirosina, a sua volta idrossilata (dalla tirosina idrossilasi) in DOPA (diidrossifenilalanina). La DOPA viene a sua volta decarbossilata da un enzima, la DOPA decarbossilasi, per formare un neurotrasmettitore, la dopamina. La dopamina è anche un precursore di altre catecolamine, infatti può essere idrossilata in noradrenalina. La noradrenalina può anche essere metilata (attraverso SAM) in adrenalina. Tutte queste reazioni avvengono nella midollare del surrene che poi li rilascia all’esterno.

Il meccanismo di trasduzione di segnale delle catecolamine è lo stesso di quello del glucagone. L’adrenalina ha diversi recettori in comune con la noradrenalina, alcuni dei quali hanno affinità maggiore verso uno o l’altro ligando. I recettori in questione sono chiamati recettori adrenergici e sono recettori accoppiati a proteine G. Esistono 2 categorie di recettori adrenergici:

Alfa

Esistono gli α1 e gli α2:

• I recettori α1 utilizzano una proteina Gq pertanto l’attivazione di questo recettore attiva la produzione di IP3, con conseguente rilascio di calcio dal reticolo endoplasmatico.
• I recettori α2 utilizzano la proteina Gi, quindi proteina G inibitoria, provocando una diminuzione del cAMP e quindi di PKA.

I recettori α controllano la contrazione delle cellule muscolari lisce di vasi e di alcuni organi. I recettori α2 hanno funzioni opposte anche a quelle dei recettori β.

Beta

Esistono i β1 e β2. Entrambi utilizzano proteine Gs, quindi stimolatorie, che incrementano la produzione di cAMP. I recettori β svolgono diverse funzioni:

• Aumento della glicogenolisi epatica e muscolare (effetto iperglicemizzante)
• Aumento della lipolisi del tessuto adiposo
• Aumento del ritmo contrattile e rilassamento cellule muscolari dell’aorta e delle arterie polmonari (fenomeno utile per attutire l’aumento della pressione per l’aumentato ritmo contrattile).
• Rilasciamento cellule muscolari lisce dei vasi e di alcuni organi

La risposta metabolica dipende dal recettore prevalente nel tessuto e i meccanismi attivati dai vari recettori sono utili per preparare l’organismo a situazioni di emergenza. N.B: la noradrenalina lega gli stessi recettori ma ha un effetto minore. Noradrenalina e adrenalina che agiscono da ormoni vengono eliminati dagli enzimi MAO e COMT nel fegato.

Il calcio, oltre a rivestire un ruolo importante nella contrazione muscolare, svolge una funzione importante anche nella glicogenolisi mediata da catecolamine. Infatti il calcio può legarsi a delle molecole, tra cui la calmodulina formando il complesso calcio-calmodulina. Questo complesso è in grado di attivare la glicogeno fosforilasi chinasi (vedi meccanismo di trasduzione del segnale del glucagone). In realtà il complesso calcio-calmodulina costituisce una porzione della fosforilasi chinasi, cioè la subunità delta. La fosforilasi chinasi può essere quindi attivata sia dalle PKA che dal complesso calcio-calmodulina.

Coagulazione

La coagulazione del sangue consiste in quella serie di processi che portano alla formazione di coagulo nella parete di un vaso danneggiato, utile per arrestare la fuoriuscita di sangue. Il processo di coagulazione avviene attraverso la produzione di fibrina, la degradazione del coagulo cioè la fibronolisi.

Produzione di fibrina

In situazioni normali le cellule endoteliali hanno effetto antitrombotico tramite la produzione di NO e prostaglandina PG-I2. Quando avviene un danno al vaso, gli endoteliociti rilasciano molecole che provocano la contrazione della muscolatura liscia del vaso, quindi si genera vasocostrizione che evita l’eccessiva perdita di sangue. In seguito al danno le cellule endoteliali secernono il fattore di von Willebrand che trova il proprio recettore sulle piastrine e permette di far aderire le piastrine stesse al collagene subendoteliale che è stato esposto in seguito al danno. Le piastrine rilasciano anche molecole contenute in granuli intracellulari, tra cui serotonina (che provoca l’ulteriore costrizione del vaso), e anche ADP e trombossani che permettono l’ulteriore aggregazione piastrinica e fanno aderire le piastrine al fibrinogeno. All’attivazione delle piastrine partecipa anche il fattore PAF prodotto dalle cellule endoteliali.

L’aggregazione piastrinica forma così un coagulo primario che però non è ancora stabile. La fase successiva consiste nella stabilizzazione del coagulo primario in coagulo secondario, che si raggiunge attraverso l’attivazione del fibrinogeno in fibrina. Questa attivazione può avvenire secondo due vie, che comunque non sono nettamente diverse perché l’una richiama anche l’altra:

Via intrinseca

• È sostenuta da fattori tutti presenti nel sangue. Il legame della piastrina con il collagene attiva il fattore XII in fattore XIIa. Quest’ultimo attiva il fattore XI in fattore XIa che a sua volta attiva il fattore IX in fattore IXa. Questo attiva il fattore X o fattore di Stuart in fattore Xa che permette la trasformazione della protrombina in trombina.

Via estrinseca

• È attivata da fattori non presenti normalmente nel sangue, ma che sono di origine tissutale e che giungono nel lume vasale in seguito al danno. In questa via il fattore VIIa (anche chiamato preconvertina attivata) insieme al fattore tissutale tromboplastina attivano il fattore X ricollegandosi alla via intrinseca.

N.B: ovviamente una lesione tissutale permette di attivare entrambe le vie, perché vengono immessi in circolo i fattori tissutali e le cellule endoteliali prendono contatto con il collagene. La sola via intrinseca si attiva invece in situazioni patologiche.

Il fattore Xa in entrambe le vie si unisce poi al fattore Va permettendo di convertire la protrombina in trombina, la quale attiva poi il fibrinogeno in fibrina. La fibrina crea delle reti che intrappolano ulteriori piastrine e altre cellule ematiche permettendo di formare il coagulo secondario stabile.

La protrombina, il fibrinogeno e la maggior parte dei fattori sono prodotti dal fegato, quindi alterazioni della funzionalità epatica possono provocare difetti di coagulazione. Tutti i vari fattori sono proteasi a serina che quando vengono prodotti vengono carbossilati sui residui di glutammato per formare residui di GAMMA-CARBOSSI-GLUTAMMATO. Queste reazioni avvengono grazie a enzimi che utilizzano la vitamina K come co-fattore quindi una sua carenza può provocare sanguinamenti.

I residui carbossilati permettono di legare ioni Ca²⁺ che attiva l’enzima e può permettere la proteolisi. Infatti, gli agenti anticoagulanti come EDTA o citrato sono chelanti del calcio, cioè lo legano, e non gli permettono di attivare gli enzimi. Durante la reazione di carbossilazione la vitamina K ridotta viene ossidata e poi intervengono reduttasi che la riducono nuovamente. Esistono dei farmaci che appartengono alla famiglia delle dicumarine, i quali inibiscono la riduzione della vitamina K e quindi sono farmaci anticoagulanti. Vengono utilizzati quindi come antitrombotici in patologie che aumentano il rischio di coagulazione.

La vitamina K è contenuta negli alimenti ed è in prodotta in parte dalla flora batterica; una sua carenza può derivare quindi da malassorbimento o da alterazioni della flora intestinale.

Degradazione del coagulo: fibronolisi

Pochi giorni dopo la formazione del coagulo il plasminogeno, prodotto dai reni, viene attivato in plasmina che degrada le reti di fibrina. L’attivazione del plasminogeno è stimolata dall’urochinasi, prodotta anch’essa dal rene, dalla streptochinasi, prodotta dallo streptococco emolitico, e dall’attivatore tissutale del plasminogeno prodotto dalle cellule endoteliali che a differenza dei precedenti attiva il plasminogeno solo quando si forma un coagulo. Esistono dei test che permettono di valutare la velocità della coagulazione come il tempo della tromboplastina parziale attivata (che misura la via intrinseca) o il tempo della trombina (che misura la via estrinseca). In questi test, che in situazioni ottimali hanno velocità standard, si usa il plasma privato di piastrine e contenente citrato che chela gli ioni calcio.

Fosforilazione ossidativa

La fosforilazione ossidativa è quel processo mitocondriale in cui si ossidano i substrati per ottenere ATP a partire da ADP. La fosforilazione ossidativa rappresenta il processo finale delle reazioni cataboliche che permettono di ottenere ATP.

Catena respiratoria

La catena respiratoria rappresenta la prima tappa della fosforilazione ossidativa in cui si permette il trasporto degli elettroni nella membrana mitocondriale interna. Avviene grazie a specifici enzimi coniugati a gruppi non proteici che formano insieme dei complessi ancorati alla membrana stessa. Si tratta quindi di una serie di reazioni redox in cui l’energia che si libera è utilizzata per produrre ATP e anche per permettere il flusso di protoni attraverso la membrana, in modo tale da generare un gradiente ionico utile per la sintesi di ATP.

Componenti della catena respiratoria

I componenti della catena respiratoria sono rappresentati da una serie di proteine enzimatiche coniugate a gruppi prostetici che nel loro insieme formano dei complessi ancorati alla membrana mitocondriale interna.

Complesso I

È un complesso enzimatico formato da un enzima il NADH deidrogenasi legato a un gruppo non proteico FMN. Questo gruppo accetta gli elettroni provenienti dal NADH e li trasferisce poi ai cosiddetti centri Fe-S. Tali centri sono delle proteine formate da un atomo di zolfo legato ad uno di ferro, che cambia ciclicamente tra la forma +2 a quella +3. I centri sono di vario tipo e sono anche numerosi nei vari complessi; ricevono un elettrone alla volta e li cedono poi al CoQ che viene ridotto a CoQH2. Il complesso I quindi catalizza la prima fase della catena respiratoria. La prima fase della catena può avvenire anche in una via alternativa in cui si utilizzano altre deidrogenasi che permettono l’ossidazione del succinato, glicerolo-3P o degli acil-CoA.

Complesso II

La succinato deidrogenasi costituisce il complesso II della catena; gli altri due enzimi non partecipano strutturalmente alla formazione dei complessi. Tutte queste deidrogenasi legano il gruppo non proteico FAD che acquista gli elettroni dai substrati e li cede ai centri Fe-S che poi riducono il CoQ. Il complesso II lega anche un gruppo eme b che serve per evitare la formazione delle specie reattive all’ossigeno (ROS) che sono dannose per l’organismo.

Coenzima Q

È un benzochinone che gode di ampia mobilità nella membrana mitocondriale interna. Acquista gli elettroni dai centri Fe-S del complesso I o delle altre deidrogenasi, riducendosi a CoQH2 e li cede al citocromo b.

Citocromi

Sono cromoproteine che permettono il trasporto degli elettroni a partire dal CoQ. Sono proteine costituite da una catena polipeptidica legata ad un gruppo prostetico eme che, a differenza di quello dell’emoglobina e della mioglobina, oscilla tra lo stato +2 e quello +3. Esistono diversi citocromi che si differenziano per la catena polipeptidica e sono organizzati in maniera diversa nella membrana mitocondriale interna:

• Citocromi B e C1: sono associati ad altre proteine e costituiscono il complesso III, ancorato alla membrana e quindi non mobile. Ricevono gli elettroni dal CoQ e li cedono al citocromo c.
• Citocromo C: è una piccola proteina che è legata al versante esterno della membrana e gode di ampia mobilità. Riceve gli elettroni dal complesso III e li cede al prossimo citocromo. È quindi un intermedio tra il complesso III e il complesso IV.
• Citocromo A e A3: insieme ad altre proteine costituiscono il complesso IV. Anche questi citocromi non hanno capacità di movimento.

La catena respiratoria comincia dall’utilizzo di equivalenti riducenti, NADH e FADH2, provenienti dai processi ossidativi dei nutrienti assunti con la dieta. Con il termine di equivalente riducente si indica un elettrone libero associato ad un protone o ad un atomo di idrogeno formando rispettivamente un atomo di idrogeno o uno ione idruro H⁻ che viene trasferito da un donatore ad un accettore. Il NADH si forma grazie all’acquisto di due elettroni che vengono ceduti da substrati ossidabili, mediante l’azione di deidrogenasi. In particolare un elettrone forma lo ione idruro che passa al NAD⁺ che diventa NADH; l’altro elettrone forma un atomo di idrogeno che si perde nell’ambiente. Le deidrogenasi che formano NADH non fanno parte della catena respiratoria e si trovano nel citosol o nella matrice mitocondriale. Il NADPH viene utilizzato principalmente nella sintesi di altre molecole anche se può originare NADH grazie alla perdita del fosfato.

Tappe

1. Il NADH viene ossidato e cede due elettroni all’FMN della NADH deidrogenasi (o complesso I) che diventa FMNH2. Questa a sua volta perde i due elettroni che passano ai centri Fe-S che poi trasferiscono gli elettroni al CoQ che viene ridotto a CoQH2. Durante il passaggio degli elettroni nel complesso I viene liberata energia che serve per pompare i protoni contro gradiente dalla matrice verso lo spazio intermembrana del mitocondrio. La prima tappa può avvenire anche attraverso una via alternativa del complesso II e delle altre deidrogenasi che però non hanno funzione di pompa protonica. La acil-CoA deidrogenasi utilizza i NADH ottenuti dalla β-ossidazione degli acidi grassi.
2. Il CoQH2 viene ossidato perdendo gli elettroni, che vengono acquistati dal complesso III che li cede a sua volta al citocromo c. Il CoQ ridotto è in grado di trasportare due elettroni alla volta, mentre il citocromo c ne trasporta solo uno: il complesso III forma così un meccanismo che permette di ossidare totalmente il CoQ che viene chiamato ciclo dell’ubichinone. Inoltre il complesso III, così come il complesso I, è in grado di svolgere la funzione di pompa protonica sempre verso lo spazio intermembrana. Il complesso III è costituito dal citocromo b, dalla proteina di Rieske ferro-specifica, dal citocromo c1 e da altre proteine. Il citocromo b ha 2 gruppi eme che acquistano gli elettroni del CoQ, li cedono poi alla proteina di Rieske che a sua volta li cede al citocromo c1. Infine il citocromo c1 cede gli elettroni al citocromo c, che non fa parte del complesso III.
3. 4 molecole di citocromo c cedono 4 elettroni al complesso IV, l’ultimo componente della catena. Il complesso IV è formato da diverse proteine, due gruppi eme e tre atomi di rame, tutti coinvolti nel trasporto degli elettroni. Gli atomi di rame A ricevono gli elettroni dal citocromo c, poi vengono trasferiti sull’eme a (citocromo a) e infine all’insieme eme a3-Cu B (citocromo A3- rame b). Questo insieme infine cede gli elettroni ad una molecola di O2 per formare due molecole di H2O. La formazione di acqua avviene quasi senza la formazione di intermedi come H₂O₂, dannoso per la cellula. Il complesso IV ha attività di pompa protonica.

Il trasferimento degli elettroni avviene prima per due elettroni alla volta, poi per un elettrone alla volta perché i citocromi possono legare solo un elettrone. Il trasferimento avviene secondo un potenziale redox decrescente dal NADH con potenziale negativo più alto a quello positivo dell’ossigeno.

Inibitori della catena respiratoria

Gli inibitori della catena respiratoria sono composti in grado di inibire il flusso degli elettroni in determinati siti. Il rotenone inibisce l’ossidazione del NADH nel complesso I, quindi solo il complesso II e le altre deidrogenasi permettono l’avvio del processo. L’antimicina A blocca il complesso III e permette solo l’ossidazione dell’ascorbato che immette gli elettroni nel citocromo c. Il cianuro e il monossido di carbonio bloccano il complesso IV impedendo la riduzione dell’ossigeno e quindi il processo non avviene in nessun modo. Per questo motivo quest’ultime molecole sono mortali.

I complessi I, III e IV hanno funzione di pompa protonica in quanto sfruttano l’energia liberata dal passaggio degli elettroni per pompare in totale 10 ioni idrogeno contro gradiente di concentrazione dalla matrice allo spazio intermembrana. Il gradiente protonico così formato viene utilizzato poi per la sintesi degli ATP quando gli idrogeni ritornano alla matrice. Si crea così una forza motrice protonica e il meccanismo che porta alla produzione di ATP viene indicato come modello chemiosmotico. Da ogni molecola di NADH si formano 2,5 molecole di ATP, da una molecola di succinato o dagli altri substrati si ottengono 1,5 molecole di ATP. La minore resa energetica del succinato è dovuta al fatto che il succinato stesso non viene ossidato dal complesso I che ha funzione di pompa, così non vengono pompati i protoni dal complesso I e quindi il gradiente protonico è minore. Da questi dati deriva che per la formazione di una molecola di ATP devono essere pompati nella matrice 4 idrogeni.

Il complesso enzimatico che permette la sintesi di ATP, ovvero l’ATP sintasi, è stato individuato nei corpi peduncolati ancorati alla membrana mitocondriale.