Biochimica metabolica

Biochimica metabolica

Introduzione al metabolismo

Per metabolismo si intende l'insieme delle vie cataboliche, di degradazione, e anaboliche, di biosintesi. L'essere umano è un organismo chemioeterotrofo in quanto utilizza carbonio derivato da molecole organiche per attuare le varie vie metaboliche, in particolare dipendiamo da proteine, lipidi e carboidrati.

All'interno delle vie metaboliche spesso non si produce energia direttamente, ma vengono prodotte molecole che presentano legami che sono potenzialmente energetici, in quanto la loro idrolisi porta alla liberazione di una buona quantità di energia. Le vie metaboliche sono inoltre catalizzate da enzimi che favoriscono reazioni cineticamente sfavorite grazie anche a un meccanismo di accoppiamento tra reazioni che permette a certe reazioni sfavorite di avvenire in sequenza.

Data la presenza di enzimi, all'interno delle vie metaboliche esistono anche delle vie di regolazione, date da molecole esterne o interne alla via di interesse. Queste vie metaboliche possono essere lineari, cicliche o presentare diramazioni che possono anche entrare in altre vie metaboliche, infatti tutte le vie metaboliche all'interno dell'organismo sono collegate tramite substrati che sono prodotti di un'altra via e viceversa.

Le molecole che entrano direttamente a fare parte delle vie metaboliche, come proteine, lipidi, carboidrati e vitamine, vengono dette nutrienti e sono presenti in quantità moderate negli alimenti, mentre vengono detti micronutrienti quelle sostanze presenti in tracce negli alimenti e che fungono principalmente da cofattori per enzimi, come gli ioni metallici.

Una fase importante del metabolismo è la digestione degli alimenti per ottenere le varie molecole utili ad esso. Avviene in vari step nei vari organi digestivi.

• Bocca → la masticazione riduce le dimensioni degli alimenti e la saliva contenente amilasi inizia la degradazione dell'amido.
• Stomaco → digestione di proteine e trigliceridi grazie all'azione degli enzimi digestivi e del pH acido a cui lavorano.
• Intestino → grazie agli enzimi pancreatici e al pH alcalino vengono degradati definitivamente proteine, lipidi e carboidrati nei loro componenti più piccoli.

Metabolismo glucidico

Il metabolismo glucidico vede come molecola principale il glucosio, che si può ossidare per formare molecole che possono produrre energia, infatti è una delle fonti di energia più utili per l'organismo. Il glucosio può essere assunto attraverso la dieta grazie ad altri zuccheri, ottenuto da riserve all'interno dell'organismo o sintetizzato a livello del fegato (gluconeogenesi).

Il livello di glucosio nel sangue (glicemia) è un valore di riferimento utile a determinare scompensi metabolici; in condizioni di digiuno notturno la concentrazione di glucosio è di circa 5mM, diminuisce a 3,5mM in caso di digiuno prolungato e si aggira attorno a 7mM dopo un pasto. La glicemia è controllata da vari ormoni, l'insulina come ipoglicemizzante che favorisce il catabolismo e l'immagazzinamento del glucosio, e glucagone, cortisolo e adrenalina come iperglicemizzanti che impediscono al glucosio di scendere sotto i 5mM.

Digestione dei carboidrati

Dopo aver subito una digestione iniziale grazie all'amilasi salivare, i carboidrati vengono degradati nell'intestino tenue grazie alla presenza di enzimi sulla membrana apicale degli enterociti. Questi enzimi sono principalmente maltasi, saccarasi e isomaltasi. È presente anche la lattasi che scinde il legame β-1,4 tra glucosio e galattosio nel lattosio.

La carenza di lattasi è comune negli adulti, in quanto viene meno la necessità di essa che è maggiore nei neonati per l'assunzione del latte materno, e porta a un'intolleranza nella quale il lattosio non degradato viene utilizzato dai batteri per la fermentazione producendo dei gas che possono causare irritazione.

Assorbimento dei monosaccaridi

Sulla membrana dell'enterocita rivolta verso il lume sono presenti GLUT-5 per il fruttosio e un cotrasportatore sodio-glucosio che sfrutta il gradiente creato dalla pompa Na⁺/K⁺. Il cotrasportatore serve per trasportare all'interno della cellula anche eventuale Glc in eccesso contro gradiente. Sulla lamina basale è presente un trasportatore GLUT-2.

Per il Glc esistono vari trasportatori presenti su cellule diverse che funzionano in modo diverso.

• GLUT-1 è presente sull'eritrocita e permette il trasporto di Glc anche a livelli bassi di glicemia.
• GLUT-2 è presente su fegato, intestino e cellule β del pancreas e lavora a livelli elevati di glicemia per far entrare nelle cellule il Glc in eccesso.
• GLUT-3 è presente nel cervello e nella placenta ed ha un'elevata affinità per il Glc permettendo la sua internalizzazione anche a bassissime concentrazioni.
• GLUT-4 è presente nel muscolo e nel tessuto adiposo, viene sintetizzato ma tenuto in vescicole sotto la membrana che si fondono alla membrana e attivano il trasportatore in presenza di insulina.
• GLUT-5 è un trasportatore per il fruttosio.

Il Glc all'interno della cellula viene fosforilato dall'esochinasi che lo rende Glc 6-fosfato portando così il Glc a non essere presente all'interno e ad avere il Glc che entra secondo gradiente.

Glicolisi

La glicolisi è una via ossidativa che permette di ottenere ATP a prescindere dalla presenza di ossigeno grazie alla formazione di substrati ad alta energia e a una fosforilazione a livello del substrato. Durante la glicolisi si passa da Glc a piruvato (che prenderà parte ad ulteriori ossidazioni) attraverso 10 reazioni divise in due fasi, una di investimento in cui si consuma ATP e una di rendimento in cui si produce ulteriore ATP.

1. Attivazione del Glc [ΔG<0; -ATP]
   L'attivazione del Glc a Glc 6-fosfato avviene ad opera dell'enzima esochinasi che trasferisce il fosfato in posizione γ dell'ATP al Glc bloccando così il Glc 6-fosfato, non riconosciuto dai trasportatori, all'interno della cellula. Viene utilizzato ²⁺Mg per stabilizzare le cariche negative dell'ATP.
2. Isomerizzazione del Glc 6-fosfato a fruttosio 6-fosfato [ΔG>0]
   Con una reazione reversibile catalizzata dalla fosfoglucoisomerasi il Glc 6-fosfato viene isomerizzato a fruttosio 6-fosfato.
3. Fosforilazione del fruttosio 6-fosfato a fruttosio 1,6-bisfosfato [ΔG<0; -ATP]
   Il fruttosio 6-fosfato viene fosforilato a fruttosio 1,6-bisfosfato grazie alla fosfofruttochinasi 1 (PFK-1). La PFK-1 è un enzima soggetto a modulazione allosterica da parte di numerosi effettori: l'ATP e il citrato agiscono da effettori negativi, mentre il fruttosio 2,6-bisfosfato agisce da effettore positivo.
4. Scissione del fruttosio 1,6-bisfosfato a gliceraldeide 3-fosfato (G3P) e diidrossiacetone fosfato (DHAP) [ΔG>0]
   L'azione dell'enzima aldolasi permette la scissione del fruttosio 1,6-bisfosfato formando G3P e DHAP.
5. Isomerizzazione del DHAP a G3P [ΔG>0]
   L'enzima trioso fosfato isomerasi catalizza la reazione portando alla formazione di una seconda molecola di G3P. Da questo punto ogni reazione avviene due volte, una per ogni molecola di G3P.
6. Fosforilazione ossidativa della G3P a 1,3-bisfosfoglicerato [ΔG>0]
   La G3P viene ossidata a 1,3-bisfosfoglicerato tramite l'azione della G3P deidrogenasi. Utilizza un agente ossidante, il NAD⁺ che si riduce a NADH+H⁺. Il mercurio ha azione tossica in quanto si lega a una Cys nel sito attivo dell'enzima inattivandolo.
7. Defosforilazione dell'1,3-bisfosfoglicerato (1,3-BPG) a 3-fosfoglicerato [ΔG<0; +ATP]
   La fosfoglicerato chinasi trasferisce un gruppo fosfato dall'1,3-BPG ad un ADP formando quindi un ATP.
8. Isomerizzazione del 3-fosfoglicerato a 2-fosfoglicerato [ΔG>0]
   Il 3-fosfoglicerato viene isomerizzato a 2-fosfoglicerato grazie alla fosfoglicerato mutasi. La fosfoglicerato mutasi differisce da una transferasi in quanto il fosfato che si lega in posizione 2 è diverso dal fosfato che era in posizione 3, e il passaggio avviene grazie a un His nel sito attivo che si lega formando un intermedio (2,3-BPG) e poi staccandosi di nuovo.
9. Formazione del fosfoenolpiruvato [ΔG>0]
   Grazie a un enolasi il 2-fosfoglicerato viene disidratato formando fosfoenolpiruvato.
10. Defosforilazione del fosfoenolpiruvato a piruvato [ΔG<0; +ATP]
    Si ha una fosforilazione a livello del substrato in cui il fosfoenolpiruvato diventa piruvato e un ADP viene fosforilata ad ATP. La reazione è catalizzata dall'enzima piruvato chinasi.

Al termine della glicolisi vengono prodotti 2 ATP e 2 molecole di NADH+H⁺. Il piruvato prodotto, in seguito prenderà parte a due processi: in presenza di ossigeno prenderà parte al ciclo di Krebs (o degli acidi tricarbossilici, o dell'acido citrico), in assenza di ossigeno prenderà parte a processi di fermentazione.

Regolazione dell'esochinasi

L'esochinasi è presente in 4 isoforme, principalmente esochinasi e glucochinasi. La glucochinasi è legata a una proteina regolatrice nel nucleo; nel momento in cui il Glc passa in GLUT-2 ad alte concentrazioni di Glc attiva la glucochinasi dissociando la proteina regolatrice permettendo il suo arrivo nel citosol. A bassi livelli di Glc aumenta il fruttosio 6-fosfato che favorisce la formazione del complesso enzima-proteina bloccando la glicolisi.

Regolazione della fosfofruttochinasi

Un modulatore positivo della PFK-1 è il fruttosio 2,6-bisfosfato, prodotto da un enzima sotto controllo ormonale detto enzima tandem (PFK-2). La PFK-2 può avere attività chinasica formando il fruttosio 2,6-bisfosfato oppure attività fosfatasica rimuovendo il fosfato e rallentando la glicolisi.

In condizioni di digiuno viene liberato glucagone che porta alla fosforilazione della PFK-2, favorendo l'attività fosfatasica, rallentando la glicolisi e aumentando la concentrazione di Glc. Il glucagone ha quindi azione iperglicemizzante. A livelli alti di glicemia viene liberata insulina che favorisce l'attività chinasica della PFK-2 favorendo la glicolisi e riducendo la concentrazione di Glc. L'insulina ha quindi azione ipoglicemizzante.

Regolazione della piruvato chinasi

La piruvato chinasi subisce una modulazione allosterica negativa ad opera di CoA e ATP, oppure positiva ad opera di fruttosio 1,6-bisfosfato. La piruvato chinasi nel fegato può essere regolata anche da ormoni e può essere inibita per fosforilazione.

Fruttosio nella glicolisi

Nel muscolo il fruttosio viene direttamente fosforilato ad opera di una esochinasi ed entra nella glicolisi come fruttosio 6-fosfato. Nel fegato viene fosforilato in posizione 1 grazie a una fruttochinasi regolata dalla presenza di fruttosio. Il fruttosio 1-fosfato diventa substrato di un'aldolasi specifica che forma DHAP e gliceraldeide. Il DHAP diventerà G3P grazie alla trioso fosfato isomerasi ed entrerà nella glicolisi. La gliceraldeide produce glicerolo grazie a un'alcol deidrogenasi grazie all'ossidazione del NADH+H⁺ a NAD⁺. Oppure può essere fosforilata direttamente a G3P ed entrare nella glicolisi. Il glicerolo viene quindi fosforilato ad opera di una glicerolo chinasi e poi convertito in DHAP grazie a una glicerolo fosfato deidrogenasi.

Lattosio nella glicolisi

Grazie alla lattasi si ottiene glucosio e galattosio. Il galattosio viene processato in tre tappe:

1. La galattochinasi fosforila il galattosio formando galattosio 1-fosfato.
2. L'uridiltransferasi utilizza l'UDP-Glc come substrato per legare l'UDP al galattosio formando UDP-galattosio e Glc 1-fosfato che entra nella glicolisi grazie a una fosfoglucomutasi che lo rende Glc 6-fosfato.
3. L'UDP-galattosio viene trasformato in UDP-Glc grazie a un'epimerasi in modo da avere nuovamente substrato per l'uridiltransferasi.

Metabolismo del glicogeno

Il glicogeno funge da riserva di glucosio per permetterne l'utilizzo in caso di necessità. Il glicogeno può essere assunto tramite la dieta ma viene in gran parte sintetizzato da muscoli e fegato. Durante un pasto con elevato contenuto di carboidrati viene sintetizzato glicogeno per riserva. A livelli bassi di glicemia invece il glicogeno viene demolito formando Glc per immetterlo in circolo.

Glicogenolisi

Durante la glicogenolisi gli enzimi agiscono sulle estremità riducenti del glicogeno per farlo scindere.

1. Il primo enzima che agisce è la glicogeno fosforilasi sulle estremità C4 rompendo un legame α-1,4. Avviene grazie a un fosfato proveniente dal piridossal fosfato (Vitamina B6). Si libera Glc 1-fosfato che rimarrà nella cellula.
2. Inizia l'azione dell'enzima deramificante con azione transferasica e glicosidasica così da trasferire i monomeri alle estremità riducenti rimuovendo i legami α-1,6.
3. Il Glc 1-fosfato viene utilizzato come substrato dalla fosfoglucomutasi per ottenere Glc 6-fosfato (G6P). Nel sito attivo è presente una serina fosforilata che fosforila il C6 e riprende il fosfato dal C1.
4. Nel muscolo il G6P entra nella glicolisi spostando l'equilibrio di reazione della mutasi sempre verso i prodotti.
5. Nel fegato viene attivata una glucosio 6-fosfatasi che defosforila il G6P permettendo al Glc ottenuto di uscire dalla cellula. La Glc 6-fosfatasi deve essere contenuta nel RE per non interferire con l'esochinasi.

Regolazione della glicogeno fosforilasi

La glicogeno fosforilasi è un enzima allosterico che presenta modulatori differenti in base all'organo in cui si trova; nel fegato viene inibito da G6P, ATP e Glc, nel muscolo presenta anche attivatori: Ca²⁺ e AMP. È un enzima che agisce sotto controllo ormonale ed è presente in due forme: fosforilasi a (attiva) e fosforilasi b (inattiva). Le due forme sono interconvertibili grazie a una fosforilazione o defosforilazione che attiva o disattiva l'enzima.

La regolazione ormonale della glicogeno fosforilasi avviene grazie al glucagone nel fegato e all'adrenalina nel muscolo, quando l'ormone si lega al recettore inizia una cascata di segnalazione intracellulare. Dal lato del citosol del recettore è presente una proteina G eterotrimerica. La subunità α lega GDP, che viene sostituito da GTP formando α-GTP che interagisce con l'adenilato ciclasi attivandola. L'adenilato ciclasi sintetizza AMP ciclico (cAMP) a partire da ATP attivando la protein chinasi a (PKA) che fosforila la fosforilasi b chinasi che fosforila la glicogeno fosforilasi attivandola. Successivamente l'insulina attiverà la fosfoprotein fosfatasi I (PP1) che defosforila l'enzima disattivandolo.

Nel muscolo il processo è analogo ma sfrutta l'adrenalina e due effettori positivi: il Ca²⁺ che attiva la fosforilasi b chinasi e l'AMP che favorisce la glicogenolisi. Nel muscolo a riposo poi agisce la fosfoprotein fosfatasi I (PP1) che defosforila la glicogeno fosforilasi disattivandola.

Glicogenosintesi

L'obiettivo del processo è opposto, ottenere glicogeno, ma non avviene con le stesse reazioni al contrario per permettere un controllo indipendente.

1. Con un'elevata disponibilità di Glc, esso attraversa GLUT-2 e GLUT-4 e all'interno della cellula viene fosforilato dalla esochinasi.
2. Agisce la fosfoglucomutasi per ottenere Glc 1-fosfato.
3. Il Glc 1-fosfato è substrato della UDP-glucosio fosforilasi (uridiltransferasi) assieme all'UTP per formare UDP-glucosio. La scissione del pirofosfato che si libera fornisce l'energia per spostare il processo verso i prodotti.
4. A questo punto la glicogeno sintasi catalizza la formazione dei legami α-1,4 trasferendo il Glc dall'UDP-glucosio al glicogeno liberando UDP ed energia.
5. L'UDP viene riportato a UTP grazie a una nucleoside difosfato chinasi che trasferisce un fosfato dall'ATP all'UDP ottenendo ADP e UTP.
6. Le ramificazioni vengono rigenerate grazie alla transglicosidasi che trasferisce parte della catena con una ramificazione α-1,6. La glicogenosintesi può iniziare nel momento in cui è finito tutto il glicogeno grazie alla glicogenina, una proteina che lega il Glc da un UDP-glucosio grazie a una Tyr, formando un'estremità riducente per far lavorare la glicogenosintasi.

Regolazione della glicogeno sintasi

La glicogeno sintasi è presente in due forme: glicogeno sintasi a (defosforilata e attiva) e glicogeno sintasi b (fosforilata e inattiva). Per passare alla glicogeno sintasi b, la glicogeno sintasi a subisce la fosforilazione ad opera della glicogeno sintasi 3 (GSK3), che fosforila tre residui di Ser dopo che ha subito una fosforilazione ad opera della caseina chinasi II (CKII). La PP1 in questo caso agisce da attivatore, rimuovendo i gruppi fosfato dalle Ser defosforilando e attivando l'enzima. Essa viene attivata dalla presenza di insulina, Glc e G6P, mentre l'insulina inibisce anche la GSK3 agendo da segnalatore per una PKb. Il glucagone invece blocca la glicogeno sintasi per favorire la glicogeno fosforilasi.

AMP ciclico

La formazione di cAMP avviene grazie all'adenilato ciclasi che rimuove un pirofosfato dall'ATP in modo che l'ultimo fosfato leghi il ribosio in 3' formando un ciclo con funzione di secondo messaggero. Si può ottenere AMP rompendo il cAMP con l'azione di una fosfodiesterasi. La segnalazione di glucagone e adrenalina produce cAMP che attiva la PKA che, oltre a fosforilare la fosforilasi b chinasi, agisce...