Chimica generale e inorganica - Regolazione

In presenza di elevate concentrazioni di glucosio , invece, questo si va a

sostituire al fruttosio 6 fosfato , rompendo il complesso ternario :

conseguentemente la glucochinasi potrà uscire dal nucleo e risulterà attiva

all’interno del citosol.

Osservando il grafico si comprende come , a parità di concentrazione di

glucosio , l’attività dell’esochinasi muscolare ed epatica sono molto

diverse ; A valori normali di glicemia (4,5 mM):

-L’Esochinasi I lavora in condizioni di saturazione completa

-l’esochinasi IV lavora al di sotto della saturazione

Pertanto , la cellula epatica tendenzialmente non effettua glicolisi : il

processo si verifica solo in corrispondenza di un’elevata concentrazione di

glucosio.

inibizione dell’esochinasi di tipo IV~ SCHEMA

glucosio entra all’interno della cellula epatica , se la glicemia è elevata ,

Il

tramite il trasportatore GLUT 2 : conseguentemente la velocità di

trasporto è molto elevata e la cellula internalizza il glucosio efficacemente.

In corrispondenza di concentrazioni basse di glucosio nel citosol della

cellula epatica , l’esochinasi si trova nel nucleo : si è infatti formato in

complesso ternario ( fruttosio 6-fosfato , proteina regolatrice , esochinasi

IV) che sequestra l’enzima nel nucleo.

Nel momento in cui la concentrazione del glucosio all’interno della cellula

aumenta , lo steso rimpiazza il fruttosio 6/fosfato all’interno del complesso

ternario.

In questo modo il fruttosio 6-fosfato torna nel citosol : conseguentemente

l’esochinasi risulta attiva e può espletare la sua attività enzimatica

( conversione del glucosio in glucosio 6-fosfato).

La fosfofruttochinasi I La regolazione della tappa che vede

protagonista la fosfofruttochinasi I , è di

fondamentale importanza: questa tappa ,

infatti , è quella che determina in maniera

irreversibile l’ingresso del glucosio nella

via glicolitica.

Inoltre , questa è la prima tappa irreversibile ESCLUSIVA DELLA

GLICOLISI: il fruttosio 6-fosfato viene convertito in fruttosio 1.6-bifosfato.

Questo prodotto , infatti , non può essere utilizzato direttamente per la

sintesi del glicogeno e pertanto la regolazione enzimatica deve essere

precisa e stringente.

Osservando la struttura dell’enzima , si evidenzia come l’ATP si sia legato:

- al sito attivo dell’enzima

- Ad un sito allosterico

L’enzima in questione è sottoposto a diversi tipi di controllo allosterico:

1) controllo allosterico che deriva dal bilancio energetico della

cellula

Il bilancio [ATP], [AMP] , [ADP] è importante all’interno della cellula ,

poichè fornisce informazioni sullo stato energetico della stessa : quando la

concentrazione di ATP è elevata , saranno basse le concentrazioni di ADP

e AMP. Pertanto il rapporto ATP,AMP,ADP sarà elevato : la cellula ha

energia ( ad esempio derivante da un altro tipo di metabolismo).

Questo bilancio regola , direttamente , l’attività della fosfofruttochinasi I:

in particolare , l’ATP è un inibitore dell’enzima e , legandosi al sito

allosterico, produce una modificazione conformazionale dello stesso che

ne abbassa l’attività.

Quando , invece , la concentrazione di ATP è bassa risultano più elevate le

concentrazioni di AMP e ADP ( fluttuazioni molto rilevanti ) : queste due

molecole andranno ,pertanto , a sostituirsi sul sito allosterico all’ATP ,

producendo una conseguente modificazione conformazionale che rende

l’enzima più attivo.

2) controllo allosterico dettato dalla concentrazione citosolica di

citrato:

Il citrato è un intermedio del ciclo di Krebs: pertanto questo si forma

all’interno della matrice mitocondriale.

Quando la concentrazione di citrato si accumula all’interno della matrice ,

questo può fuoriuscire della stessa sfruttando uno specifico trasportatore :

andrà, a questo punto , ad inibire la fosfofruttochinasi I.

Il citrato segnala che le necessità energetiche sono soddisfatte

dall’ossidazione degli acidi grassi e delle proteine lasciando gli atomi di

carbonio e glucosio a disposizione della biosintesi.

NB~ queste due tipologie di controllo si attengono allo stato energetico

della cellula in questione

3) controllo sistemico legato ai livelli di glicemia del sangue

a livello della fosfofruttochinasi I si

mediato da ormoni specifici:

esercita SEMPRE in maniera allosterica a mezzo del fruttosio 2,6-

bifosfato. Questo risulta essere un modulatore positivo dell’attività della

fosfofruttochinasi I e media il controllo ormonale sia della glicolisi che della

gluconeogenesi.

Il grafico a sinistra riporta l’attività della fosfofruttochinasi I in relazione

alla concentrazione di fruttosio 6-fosfato ; a destra , invece , si osserva

l’attività dell’enzima della Gluconeogenesi che catalizza la reazione

opposta a quella della fosfofruttochinasi I.

Il principale meccanismo di controllo è , però, effettuato dalla fruttosio

che regola in contemporanea sia glicolisi che

2,6-bifosfato

Gluconeogenesi. Esso è un attivatore allosterico della

fosfofruttochinasi I ed un inibitore allosterico della fruttosio

1,6-bifosfato fosfati I ( FPBasi).

In assenza di fruttosio 2,6-bifosfato , indipendentemente dallo stato

energetico della cellula , per intervalli di concentrazione elevati di substrato

l’enzima è inattivo : questo diventa , invece, attivo solo quando la

concentrazione del fruttosio 6-fosfato cresce di molto .

La FBPasi-1 si comporta in maniera opposta: in assenza di fruttosio 2,6-bifosfato, essa è particolarmente

attiva (grafico a destra, linea blu); se invece è presente il fruttosio 2,6-bifosfato, diventa molto meno attiva.

Quindi si può dire che questo metabolita (fruttosio 2,6-bifosfato, nel grafico indicato con F26BP)

contemporaneamente attiva la fosfofruttochinasi-1 ed inibisce FBPasi- 1, esercitando un controllo molto

importante e preciso in contemporanea su tutti e due gli enzimi chiave della glicolisi e della gluconeogenesi.

Quindi tramite lo stesso metabolita siamo in grado di regolare insieme questi due enzimi, e quindi la velocità

Riassumendo :

delle due vie metaboliche.

In presenza di fruttosio 2,6-bifosfato l’enzima è attivo e la sua attività

aumenta all’ aumentare della concentrazione di fruttosio 6 fosfato.

La fosfofruttochinasi I si comporta , invece , in maniera opposta : in

assenza di fruttosio 2,6-bifosfato risulta essere particolarmente attiva; in

presenza di fruttosio 2,6-bifosfato risulta essere inattiva.

I livelli di fruttosio 2,6 -bifosfato sono controllati da ormoni

Il fruttosio 2,6-bifosfato viene sintetizzato a

partire da fruttosio 6-fosfato a mezzo della

fosfofruttochinasi II ( fosforilazione).

La fruttosio 2,6-bifosfato fosfatasi

,invece, idrolizza il fruttosio 2,6-bifosfato.

2

I livelli di fruttosio 2,6-bifosfato all’interno della cellula , dipendono ,

criticamente dall’attività di una chinasi e di una fosfatasi: entrambi questi

enzimi si trovano sulla stessa catena peptidica. Esiste un gene che codifica

per una proteina bifunzionale a due domini : uno chinasico e uno

fosfatasico.

Il fatto che queste due attività enzimatiche siano presenti nella stessa

proteina è molto importante : ciò permette di regolare i due processi in

maniera concertata , sfruttando un unico segnale. Questo è

rappresentato da una fosforilazione reversibile della proteina.

Quando la glicemia è bassa viene secreto ( ormone peptidico)

glucagone

nel sangue da parte delle cellule alfa del pancreas: quando ci si allontana

dai pasti e prima del pasto successivo , la glicemia scende lentamente

poichè il glucosio viene internalizzato dalle cellule che lo sfruttano.

Esso , essendo idrosolubile, si lega ad un rettore specifico , presente nella

membrana delle cellule epatiche ed appartenente alla famiglia dei

recettori accoppati a proteine G (GPCR-recettori con sette eliche

transmembrana).

Il glucagone stimola l’enzima adenilil ciclasi a sintetizzare c-AMP a partire

dall’ATP : questo rappresenta un secondo messaggero nella trasduzione del

segnale.

NB~ per trasduzione del segnale si intende il processo attraverso il quale

un ormone , solitamente di natura peptidica, sfrutta un recettore posto

sulla membrana per entrare nella cellula stessa. Il segnale , mediato

dall’ormone , viene comunicato all’interno delle cellula a mezzo del

recettore specifico.

Il secondo messaggero , invece, è una molecola intracellulare che viene

sintetizzata in funzione dello stimolo ormonale.

Il C-AMP attiva un proteina chinasi c-AMP dipendente ( PKA) la quale

trasferisce un gruppo fosforico dall’ATP alla proteina bifunzionale PFK-2

FBasi-2.

In particolare , la fosforilazione attiva il sito catalitico della

FBPasi-2 ed inattiva il sito catalitico della fosfofruttochinasi II.

L’effetto del glucagone è, quindi, quella di abbassare i livelli

cellulari di fruttosio 2,6-bifosfato con conseguente attivazione

della FBPasi-1 ( Gluconeogenesi attiva) ed inibizione della PFK-1

( glicolisi inattiva).

Questo, ovviamente , si verifica solo a livello del tessuto epatico : l’effetto

del glucagone è quello di abbassare i livelli cellulari di fruttosio 2,6-

bifosfato.

Schema di trasduzione del segnale

Le cellule epatiche presenta sia il recettore del glucagone che quello

dell’adrenalina : in particolare , il recettore per il glucagone ha la forma di

una serpentina , costituita da sette eliche transmembrana.

Questa proteina integrale di membrana presenta il sito di legame per

l’ormone , sul lato extra-citosolico; sul versante intra-citosolico , invece,

risulta legata ad un proteina G stimolatoria.

La proteina G è trimerica e , pertanto , contiene una subunità alfa , una

beta e una gamma : quando il recettore è a riposo , prima dell’arrivo

dell’ormone , la subunità alfa ha legata a se’ una molecola di

GDP( guanosina difosfato).

Nel momento in cui si abbassa la glicemia e il glucagone viene secreto nel

sangue , questo si lega al recettore promuovendo al suo interno una

modificazione conformazionale.

In seguito alla modificazione conformazionale del recettore , la subunità

alfa :

1) scambia il GDP con il GTP

2) Nel legare il GTP si stacca delle subunità beta e gamma : a questo

punto si lega ad un particolare enzima , proteina integrale di

membrana con attività enzimatica rivolta verso il lume della cellula

( e lo attiva.

adenilato ciclasi)

L’attivazione dell’adenilato ciclasi determina la conversione dell’ATP in

c-AMP : qu