Appunti di Biochimica - metabolismo e regolazione

Il metabolismo riguarda due processi in particolare:

●​ il catabolismo: che consiste nella degradazione del cibo introdotto e delle riserve

energetiche, questo comporta le conversioni di grandi molecole complesse in

molecole più piccole. Questo processo nei mammiferi richiede O . Interessa, inoltre,

2

reazioni esoergoniche con formazione di ATP. Si ha la produzione anche di NADH e

NADPH.

●​ l’anabolismo: ovvero la biosintesi di grandi molecole a partire da precursori più

piccoli.

eritrociti maturi e l’encefalo utilizzano solo i carboidrati come fonte di energia.

fegato e pancreas sono coinvolti in reazioni biosintetiche e secretorie.

i muscoli cardiaco e scheletrico convertono l’energia metabolica in energia meccanica

durante la contrazione muscolare.

Il glucosio è la principale forma con cui i carboidrati assorbiti dal tratto intestinale si

presentano alle cellule dell’organismo.

Il glucosio entra nella cellule e va incontro alla glicolisi in cui viene convertito in piruvato e

alla fine si avrà l’ossidazione completa con produzione di CO e H O.

2 2

La glicolisi avviene in 2 fasi:

1.​ fase preparatoria

2.​ fare di recupero energetico

per un totale di 10 tappe.

Quando il glucosio entra nella cellula viene fosforilato sul gruppo ossidrilico in C6 in

glucosio-6P da una glucochinasi (specifica per il glucosio) o da una esochinasi (specifica

per gli esosi) con consumo di ATP. Dopodiché viene convertito in fruttosio-6P da una

isomerasi. Segue un’altra fosforilazione che questa volta coinvolge il fruttosio in C1 con

produzione di fruttosio-1,6- bisfosfato ad opera di una chinasi che utilizza ATP.

Il fruttosio-1,6 bisfosfato viene scisso in 2 molecole a 3C: diidrossiacetone fosfato e

gliceraldeide 3P. Per mezzo di una isomerasi il diidrossiacetone sarà convertito in

+

gliceraldeide che verrà convertita in 1,3-bisfosfoglicerato con riduzione di NAD in NADH.

Il bisfosfoglicerato verrà convertito in 3-fosfoglicerato ad opera di una chinasi con

produzione di ATP. Si avrà la conversione del 3-fosfoglicerato in 2-fosfoglicerato ad opera

di una mutasi al quale verrà rimossa una molecola di H O tramite una enolasi convertendolo

2

in fosfoenolpiruvato. A questo punto interviene la piruvato chinasi che lo defosforila in

piruvato con produzione di ATP.

Quindi abbiamo il consumo di 2 ATP nelle prime fasi e la produzione di 2 ATP nelle ultime

fasi per ogni molecola di glucosio.

+ +

glucosio + 2 NAD + 2 ATP + 2 Pi → 2 piruvato + 2 NADH + 2H + 2 ATP + 2 H O

2

Le ossido-riduzioni biologiche avvengono grazie a trasportatori di elettroni:

+

●​ NAD : gli equivalenti riducenti sono rilasciati dai substrati come protoni o elettroni,

+

che vengono trasferiti dalle deidrogenasi al NAD e si forma NADH. Gli equivalenti

riducenti vengono trasportati ai mitocondri dove avviene la fosforilazione ossidativa

cioè una serie di reazioni esoergoniche in cui l’energia viene utilizzata per la

produzione di ATP

+

●​ FAD : è un coenzima che trasporta elettroni e protoni, in particolare accetta 2 protoni

e 2 elettroni riducendosi a FADH . È coinvolto nel ciclo di krebs e nell’ossidazione

2

degli acidi grassi.

●​ FMN: è un coenzima derivato dalla riboflavina (vit. B2), partecipa alla catena di

trasporto degli elettroni ed è coinvolto nel metabolismo degli acidi grassi, delle

vitamine, degli amminoacidi.

●​ NADPH: utilizzato nel pathway dei pentosi fosfati.

Abbiamo detto che il glucosio è la principale forma con cui i carboidrati si presentano alle

cellule dell’organismo. Infatti il glucosio può essere assunto sotto forma di amido (deposito

di glucosio nei vegetali). L’amido presenta due forme:

-​ una forma lineare costituito da legami stiamo parlando

-1,4-glicosidici,

dell’amilosio

-​ una forma ramificata che presenta, oltre ai legami nella catena

-1,4-glicosidici

principale, legami a livello delle ramificazioni, stiamo parlando

-1,6-glicosidici

dell’amilopectina.

Negli animali, invece, il deposito di glucosio è il glicogeno ed è depositato nel:

-​ fegato che si occupa di mantenere la glicemia

-​ muscolo che, invece, lo utilizza per se stesso.

Quando la glicemia (concentrazione di glucosio nel sangue-> 80-90 mg/dl a digiuno

) si abbassa, le cellule del pancreas rilasciano il glucagone (ormone

≃ 4, 5

iperglicemizzante, quindi aumenta la glicemia). Il glucagone trova i suoi recettori nel fegato e

promuove la glicogenolisi cioè quella via metabolica che scinde il glicogeno per ottenere

glucosio.

Inoltre, in caso di stress, viene rilasciata l’adrenalina dalla ghiandola del surrene che funge

da ormone iperglicemizzante e promuove la glicogenolisi.

Ma quali enzimi ci permettono di ottenere i monomeri di glucosio?

●​ amilasi: agisce sull’amido rilasciando maltosio e maltotriosio. Distinguiamo

l’amilasi salivare che esercita una digestione più blanda dell’amido nella bocca e

che poi verrà inattivata nello stomaco a causa del pH acido; e l’amilasi pancreatica,

prodotta nel pancreas e rilasciata dalla componente esocrina nell’intestino tenue (in

particolare nel duodeno). Le amilasi, però, non scindono il legame -1,6-glicosidici

e quindi rimangono le destrine che saranno poi soggette a idrolisi (aggiunta di H O)

2

nell’intestino, a pH basico.

●​ maltasi/dopamilasi: scindono le unità di glucosio in monomeri di glucosio.

●​ lattasi/florizin idrolasi: scinde sia il lattosio in glucosio+galattosio che le ceramidi in

sfingosine+acidi grassi.

●​ saccarasi/isomaltasi: scinde il saccarosio in glucosio+fruttosio e il maltosio in

monomeri di glucosio.

Una volta ottenuto il glucosio dai suoi polimeri, questo deve essere trasportato

nell’enterocita, poi nel sangue, poi nelle cellule dei tessuti. Del trasporto del glucosio si

occupano i GLUT (glucose transporters) che sono proteine a forma di pinza a 12 eliche

transmembrana. Distinguiamo diversi GLUT in base alla localizzazione e all’affinità per

molecole glucidiche:

●​ GLUT-1 / S-GLUT : è detto S-GLUT perché per ogni molecola di glucosio che entra,

+

escono 2 ioni Na (trasporto facilitato dal sodio). Si trova nella porzione apicale

dell’enterocita e permette l’ingresso di glucosio dal lume intestinale all’enterocita.

●​ GLUT-2 : si trova nella porzione basolaterale dell’enterocita e trasporta il glucosio,

entrato precedentemente tramite la GLUT-1, ai vasi sanguigni.

●​ GLUT-5 : si occupa del trasporto di fruttosio all’interno delle cellule, è localizzato nel

sarcolemma delle cellule muscolari del muscolo scheletrico.

●​ GLUT-7 : scoperta più recentemente, è specifica per il fruttosio. Si pensa intervenga

secondariamente al GLUT-5, quando i livelli di fruttosio iniziano a diminuire, infatti il

GLUT-7 ha affinità molto elevata.

Abbiamo visto che il glucosio, una volta entrato nella cellula, viene ossidato a piruvato. Il

piruvato entra nel mitocondrio dove viene decarbossilato e ossidato ad acetil-CoA che sarà

utilizzato per la sintesi di acidi grassi, lipidi, amminoacidi, proteine, glicerolo.

Il glucosio, quindi, è:

●​ combustibile energetico -> si ha la produzione di ATP

●​ substrato per la biosintesi del glicogeno -> glicogenosintesi

●​ segnalatore di se stesso

L’attività enzimatica è, infatti, promossa dalla concentrazione del substrato da cui dipende la

k ovvero la concentrazione ottimale di substrato per la quale la velocità della reazione è

m

pari a metà della velocità massima. Minore è il valore della k più forte è l’interazione tra il

m

substrato e l’enzima. Un valore minore significa che ci vuole meno substrato per saturare il

50% dell’enzima.

Ad esempio l’esochinasi ha k = 0,1 mM mentre la glucochinasi ha k = 5 mM. In

m m

ipoglicemia, per fosforilare il glucosio, si utilizza solo l’esochinasi mentre, quando dopo i

pasti la glicemia aumenta, si usa anche l’enzima con k maggiore (glucochinasi).

m

Regolazione ormonale.

Nel pancreas ci sono gli isolotti del Langherans ( 1 milione) che contengono 3 tipi di

≃

cellule:

●​ cellule che producono glucagone → è un ormone iperglicemizzante quindi è

rilasciato in ipoglicemia e aumenta la glicemia.

●​ cellule che producono insulina → ormone proteico ipoglicemizzante quindi viene

rilasciato in caso di iperglicemia e abbassa la glicemia.

●​ cellule che producono somatostatina → controlla le cellule e del pancreas →

azione paracrina

Il pancreas è una ghiandola endocrina perché produce segnalatori di varia natura ma anche

esocrina perché produce qualcosa che viene riversato all’esterno.

La secrezione può essere:

●​ paracrina quando la sostanza secreta agisce direttamente attraverso gli interstizi

●​ autocrina quando la molecola segnale agisce sulla stessa cellula che l’ha prodotta

●​ giustacrina quando la sostanza passa attraverso trasportatori cellula-cellula

INSULINA

La cellula è particolare perché somiglia molto a una cellula nervosa infatti regge una sorta

di potenziale funzionale alla cellula stessa perché ci sono dei canali nella membrana che

regolano la differenza di potenziale a cavallo della membrana e che determina la funzione

della cellula stessa. La cellula risponde sia al glucosio che all’adrenalina, ad altri ormoni e

a stimoli nervosi.

La cellula durante il digiuno, produce insulina e la impacchetta nei granuli compatti dove

,

forma degli esameri grazie allo zinco (Zn liberato funge da sensore per la cellula In

).

questo modo l’insulina sarà pronta ad agire in caso di necessità cioè quando si ha il picco

glicemico.

Si ha la cellula pancreatica silente con i granuli pronti, quando si ha un pasto ricco

vengono degradate le macromolecole come carboidrati e il sangue portale si è riempito di

glucosio, la concentrazione elevata viene percepita dalla cellula Il GLUT2 fa entrare il

. +

glucosio e la cellula lo utilizza per produrre energia (ATP), si ha la chiusura dei canali K -

+

ATP dipendenti. In questo modo il K resta confinato all’interno della cellula causando la

2+

depolarizzazione della membrana che induce l’apertura dei canali del Ca che porta alla

liberazione dei granuli contenenti insulina.

Il GLUT2 ha affinità bassa (perché deve far entrare glucosio in cellula SOLO quando c’è il

picco glicemico, al momento di necessità) quindi lega il glucosio solo quando c’è il picco.

Quando il glucosio entra viene fosforilato dalla glucochinasi (k alta, affinità bassa- si attiva

m

quando la concentrazione di glucosio è alta) così non può uscire dalla cellula e questo

comporta il rilascio dell’insulina dai granuli.

La cellula deve possedere anche un esochinasi con k alta, in modo tale da rilasciare

m

insulina solo quando la concentrazione di glucosio è elevata, perché se rilasciasse insulina a

concentrazioni basse di glucosio moriremmo in poco tempo, l’insulina abbassa la glicemia e

non arriva glucosio al cervello. È importante mantenere la glicemia costante perché ci sono

cellule come quelle nervose e gli eritrociti, che utilizzano solo il glucosio in quanto

adoperano un metabolismo glucidico e aerobio dipendente dal glucosio.

Per una mole di glucosio consumata si ottengono due moli di ATP dalla glicolisi,

completando con il ciclo di krebs e catena di trasporto mitocondriale se ne ottengono 34

molecole di ATP, le cellule nervose non possono utilizzare gli acidi grassi, l’unica fonte è il

glucosio e dovrà sempre essere disponibile, per mantenere i potenziali di membrana, per i

trasportatori e non solo. La cellula nervosa non ha espressi i geni per la al

-ossidazione,

massimo può consumare i corpi chetonici nel caso in cui la glicemia inizia ad abbassare, ma

la cellula andrà in sofferenza. L’esochinasi della cellula nervosa hanno una k 0.1-0.2 mM

m

bassa perché l’affinità deve essere alta, per permettere loro di funzionare sempre.

In condizioni di ipoglicemia interviene l’insulina ma se questa non funziona, la glicemia

permane elevata, condizione di iperglicemia, porta al diabete e se la glicemia rimane elevata

in maniera costante crea problemi ai vasi.

L’insulina e il glucagone “combattono” tra loro per evitare queste condizioni.

La glucochinasi/ esochinasi 4 trasforma il glucosio in glucosio-6P garantendo che non

torni indietro e venga immediatamente metabolizzato. Il glucosio-6P attraverso la glicolisi

produrrà acetil-CoA, che va al ciclo di krebs, produce NADH, promuove la fosforilazione

+

ossidativa, viene prodotto ATP elevato nel sangue, si chiudono i canali K -ATP dipendenti.

La chiusura determina la depolarizzazione della membrana, apertura dei canali

2+

Ca -voltaggio dipendenti presenti sia sulla membrana cellulare esterna che sul RE. La

concentrazione di calcio citosolico deve essere mantenuta bassa, ma si mantiene ad una

concentrazione più elevata nell’ambiente extracellulare o la cellula lo deposita all’interno del

reticolo. Quando si attivano questi canali, si aprono sia i canali della membrana che quelli

del RE, incrementa il calcio citosolico ed, essendo un secondo messaggero, innesca

l’esocitosi dei granuli di insulina nelle cellule grazie ad un movimento

-pancreatica,

citoscheletrico, i granuli vengono spinti verso la membrana cellulare che si fonde con la

membrana che circonda i granuli stessi e il contenuto viene riversato all’esterno.

la miotrofina serve, sulla cellula per la ricettività della membrana cellulare al passaggio

degli esameri di insulina.

-​ promuove l’apertura dello strato di actina -> permette il passaggio del granulo

-​ promuove l’assemblaggio e il disassemblaggio dell’actina F che può esistere

anche nella conformazione G, quindi permette/favorisce i movimenti citoscheletrici

2+

DOMANDA: quali sono i sensori del Ca cellulari?

Sono proteine leganti il calcio come la calmodulina legate a CAM chinasi.

La glucochinasi/ esochinasi 4 è il sensore della glicemia perché:

• Si attiva solo se la concentrazione di glucosio è alta

• Fosforila il glucosio

L’esochinasi si chiama così perché è una chinasi che fosforila gli esosi, invece la

glucochinasi fosforila nello specifico SOLO il glucosio.

Differenze tra glucochinasi ed esochinasi 2:

●​ glucochinasi

- k = 10mM

m

- è specifica per il glucosio

- non ha retroinibizione da prodotto

- tutto il glucosio deve essere fosforilato per garantire maggiori quantità di ATP

- funge da sensore del glucosio

●​ esochinasi 2

-​ k = 2mM

m

-​ fosforila il glucosio

-​ ha retroinibizione da prodotto: si ferma quando la concentrazione di glucosio-6P è

elevata

L’insulina nasce come pre-pro-insulina dai ribosomi associati al RE. Il taglio della sequenza

iniziale permette l’ingresso della pro-insulina nel RE dove matura grazie alla formazione di

ponti disolfuro. La maturazione viene completata nelle vescicole del Golgi dove viene

eliminato il peptide C tramite taglio proteolitico e restano la catena A e la catena B legate dai

ponti disolfuro. Nei granuli, dunque, è presente sia insulina immatura che matura. Inoltre il

peptide C è un marker indiretto per dosare l’insulina matura.

RILASCIO BIFASICO DELL’INSULINA:

L’insulina ha un’emivita breve (qualche ora). Quando la glicemia è bassa, anche la

concentrazione di insulina è bassa. Qualche minuto dopo l’assunzione di glucosio, l’insulina

ha un picco perché c’è stato il rilascio da parte dei granuli.

Si ha un primo picco di rilascio dell’insulina e poi un

secondo picco anche più alto di prima perché la cellula

si era scaricata e il gene è stato trascritto per produrre

altra insulina.

Quindi la cellula si era scaricata e si deve risintetizzare

insulina, si attiva un processo trascrizionale, se ha un

messaggero stabilizzato da utilizzare traduce

immediatamente. Con la trascrizione serve un segnale

che arriva al nucleo, un gene che si attiva, un mRNA

che va sui ribosomi e fa produrre insulina in maniera

COSTANTE, grazie all’attività trascrizionale sostenuta,

l’insulina si mantiene elevata costantemente grazie a

tutto ciò. La trascrizione del gene dell’insulina è indotta dal glucosio ma anche da ormoni

come il GIP e il GLP-1. Parliamo, dunque, di un rilascio bifasico, il che comporta che vi sia

un rilascio iniziale immediato con un picco massimo di insulina nel plasma nei primi minuti.

Nei successivi minuti comincia ad abbassarsi, per poi cominciare una nuova produzione che

si manterrà più a lungo nel tempo.

Il picco iniziale riguarda i granuli che erano già impacchettati all’interno della cellula

durante il periodo di “latenza”. Col passare del tempo, la diminuzione di insulina nel sangue

e l’aumento successivo, è dato dal fatto che la cellula incrementa una nuova sintesi e

quindi un nuovo rilascio dell’ormone proteico nel sangue. Pertanto la nuova sintesi di

insulina è legato al metabolismo del glucosio nella cellula È il glucosio stesso che

.

garantisce il ripristino e mantenimento del pool di insulina nella cellula β e la sua secrezione

prolungata nel tempo. L’attivazione della nuova sintesi nei minuti seguenti può avvenire in

diversi modi. Dal punto di vista trascrizionale, attraverso l’attivazione di processi di

segnalazione extracellulare l