Appunti biochimica

Insulina e glicemia

Mercoledì 18 novembre 2020

Biosegnalazione => modalità con cui cellule interagiscono con ambiente esterno, da cui ricevono segnali e a cui mandano risposte.

Proteine coiled coil. Forza propulsiva di che si intrecciano per far fondere membrana vescicole con membrana plasmatica.

Pancreas endocrino e insulina

Pancreas endocrino: regolatore di metabolismo glucidico sta all’interno di pancreas endocrino (organo retroperitoneale). Mediatori del metabolismo glucidico coinvolti anche in biosegnalazione.

Parte endocrina del pancreas => 20% del totale del tessuto pancreatico. Cellule endocrine, 80% del consumo di ossigeno da parte del pancreas è destinato a che hanno metabolismo dipendente da ossigenazione molto importante —> cellule aerobiche ??; metabolismo destinato a produzione di energia.

Lo fanno per produrre e regolare secrezione di alcuni ormoni.

Uno di questi è insulina => espressa nelle cellule del pancreas; sintetizzata in forma di preproinsulina (catena polipeptidica che inizia con peptide segnale, poi rimosso, e 2 parti A e B e parte intermedia C).

Insulina attivata per taglio proteolitico e rimozione di una porzione interna (peptide C), tagliato da proteasi in 2 punti, e rimosso.

Proteina matura ha S-S, cioè ponti disolfuro che tengono legati a sé 2 catene polipeptidiche A e B.

Attivazione dell’ormone necessita la rimozione del peptide C.

Peptide C => sua proporzione direttamente proporzionale a capacità di produrre insulina da parte dell’organismo.

Insulina venduta in farmacia è ricombinante => prodotta con stessa sequenza di insulina umana in cellule procariotiche.

Via per verificare se persona produce insulina propria: vedere quantità di peptide C.

Insulina matura naturale e ricombinante sono identiche, ma per capire se c’è produzione naturale non guardo prodotto finale, ma elemento del processo, quindi quantità di peptide C.

Aggiustamento della glicemia nell’organismo

Gli aggiustamenti minuto per minuto che mantengono la concentrazione ematica di glucosio circa a 4.5 mM è mantenuta dall’azione combinata di:

• Insulina;
• Glucagone;
• Adrenalina;
• Cortisolo.

Meccanismo che lo sovrintende è misto di attività che prevede interazione tra insulina e suo recettore; insulina media abbassamento della glicemia anche grazie a reindirizzamento del trasportatore del glucosio (trasporto passivo, diffusione facilitata) attraverso meccanismi di liberazione del calcio e di attivazione e di fusione delle membrane.

Come fa l’insulina ad essere rilasciata?

Kt => costante di trasporto degli enzimi che devono attivare glicolisi.

Cellule delle isole del Langerhans. Glucosio ha concentrazioni superiori di 130-140 mg/dL. Trasportatore fa entrare glucosio all’interno della cellula.

Glucochinasi fosforila glucosio in posizione 6, si innesta glicolisi e si inizia a produrre ATP.

Se tutto va in aerobiosi si producono 32 molecole di ATP, che interagisce con canale del potassio, che viene chiuso —> depolarizzazione membrana —> apertura canale del calcio.

Calcio inizia a interagire con proteine che circondano vescicole dell’insulina, che quindi vengono rilasciate.

Esistono antidiabetici orali che si usano nel diabete di tipo 2 (incapacità di liberare insulina), che si legano nello stesso sito di legame dell’ATP.

Questi farmaci sono usati da tanto, già da prima che si scoprisse meccanismo di liberazione dell’insulina.

Meccanismo di liberazione dell’insulina dà idea anche di come possa peggiorare capacità di secernere insulina se la resa completa, bioenergetica della produzione dell’ossidazione completa di un glucosio fosse minore di 32 molecole di ATP (migliore resa possibile).

Tra le tante cause genetiche di diabete di tipo 2 ci sono anche anomalie del mitocondrio —> mutazioni a carico di alcune proteine di fosforilazione ossidativa che diminuiscono produzione di ATP causano diabete (fosforilazione ossidativa avviene nel mitocondrio).

Diabete comunque è patologia acquisita, oltre ad avere componente genetica, per cui non è causato solo da mutazione nel mitocondrio.

Eccesso di acidi grassi nella dieta fa aumentare uncoupling protein, che riduce resa completa di fosforilazione ossidativa perché parte dei protoni che devono essere usati per la sintesi dell’ATP bypassano enzima predisposto a sintesi dell’ATP.

Fattori ambientali, di stile di vita, danno al mitocondrio —> minore capacità di lavorare sulla resa di ATP nella cellula beta, e quindi su rilascio di insulina.

Biosegnalazione

Tipi di biosegnalatori

• Proteine accoppiate a recettore e secondi messaggeri. Per dare sua segnalazione, ci vogliono enzimi che amplifichino il segnale: quando ligando (ormone, peptide) interagisce con recettore, cambia la conformazione del recettore. Cambio conformazione del recettore spesso significa attivare enzima presente nel recettore o associate ad altre proteine, che con recettore formano complessi.
• Recettori canali ionici => si aprono e si chiudono in relazione alla presenza di determinati ligandi o in seguito a variazioni del potenziale di membrana. Canali controllati possono essere aperti o chiusi sulle membrane. Depolarizzazione ad esempio può aprire canale —> depolarizzazione a cascata lungo tutto asse della propagazione del segnale. Acetilcolina su recettori sinaptici induce la stessa cosa. Canale non fa trasporto per diffusione facilitata, ma controlla meccanismo aprendosi e chiudendosi. Non ha caratteristiche di facilitare trasporto ione.
• Recettore con attività enzimatica => enzima fa parte del recettore stesso. Legame ligando a porzione extracellulare stimola l’attività enzimatica nella sede intracellulare. A valle nel citoplasma deve esserci substrato e prodotto dell’attività enzimatica.
• Recettori a serpentina GTP-binding protein => ligando esterno che si lega attiva una proteina G intracellulare, che stimola un enzima che genera un secondo messaggero intracellulare. GTP => guanosin-trifosfato; nucleotide. Recettore non ha attività enzimatica, ma innesca cascata di eventi, che genera un prodotto, intermedio per segnalazione successiva.
• Recettori senza un’intrinseca attività enzimatica => interagiscono con le proteine chinasi citosoliche, che attivano una proteina che regola un gene (direttamente o attraverso una cascata di proteine chinasi), cambiando l’espressione del gene. Ad esempio recettore per eritropoietina.
• Recettori per adesione => recettori che interagiscono con matrice extracellulare, che è ricca di proteine fibrose, che rispondono a forze biomeccaniche (tensioni, pressioni). Proteine hanno stretching, quando interagendo con proteine fibrose della matrice che subiscono forti tensioni, pressioni e stiramenti.
• Recettori tireo-steroidei => no bisogno di grande cascata di eventi nel citoplasma, perché possono attraversare membrane nucleari, entrare nel nucleo, legandosi a un recettore per modificare la trascrizione.

Carboidrati coinvolti nella biosegnalazione

Amido => polimero di molecole di glucosio, legate tra di loro tra legami 1,4, e ramificate in 1,6 glicosidico. Amido viene dalle piante. Sistema di ramificazione porta ad avere una struttura più lassa, con una parete con più spazi interni —> ≠ glicogeno.

Glicogeno ha compattezza diversa dall’amido. È molecola di riserva di glucosio a pronto uso. Glucosio può essere riassorbito (carestia) o accumulato in seconda delle circostanze (abbondanza).

Glicogeno => molto compatto.

Struttura amido e glicogeno è simile.

Possono essere idrolizzati da diverse glicosidasi.

Amido deriva dalla dieta.

Prima digestione dell’amido avviene in bocca: ghiandole salivari producono enzimi (amilasi) che rompono legami -1,4. Pancreas produce altre amilasi.

Destrine nell’intestino tenue digerite da maltasi, che rompono legami finali e permettono a glucosio di entrare nell’organismo tramite simporto.

Uno dei problemi di accumulare zuccheri è solvatazione: carichi di glicogeno molto alti implicherebbero enorme solvatazione, quindi appesantimento enorme del sistema.

Piante invece hanno possibilità di avere più spazio di espansione, per cui si può accumulare amido.

Da una singola catena di glucosio ci sono ramificazioni: amido e soprattutto glicogeno devono essere attaccati da estremità non riducente —> avere struttura ramificata consente processo di riassorbimento in molti punti —> enorme possibilità di rilascio rapido di glucosio (meccanismo con cui organismo può far fronte a situazioni improvvise che necessitano molto glucosio).

Cellulosa => non la possiamo digerire. Legame glicosidico -1,4.

Ruminanti invece hanno enzima che riescono ad assimilare cellulosa. Struttura non ramificata.

Serve a scheletro carbonioso dei vegetali.

Fonti di glucosio per il nostro metabolismo: saccarosio, lattosio e galattosio, trealosio (= disaccaride del glucosio presente in piante e funghi; ha anche attività di tipo farmaceutico), amido, fruttosio.

Biosegnalazione dell’insulina

Recettore dell’insulina => recettore con attività enzimatica, in particolare è un enzima tirosin-chinasico (fosforila le tirosine) —> trasferasi.

Dimero costituito da una catena che lega il recettore, e una catena che si prolunga nel citoplasma.

Proteina è enzima ma anche substrato e prodotto (enzima fosforilato).

Cosa succede quando l’enzima viene fosforilato?

Quando recettore così viene attivato, ci sono 2 azioni, una legata a effetti sul nucleo, e una legata direttamente a gestire l’emergenza metabolica.

2 bracci di attivazione legati ad arrivo di insulina su recettore (figura).

Insulina si lega a recettore, che si autofosforila nel dominio tirosin-chinasico e fosforila IRS-1 nei residui di tirosina.

Quando recettore IRS-1 viene fosforilato, attiva aggregazione di proteine all’interno della cellula (citoplasmatiche). Al centro di questo aggregato di proteine citoplasmatiche (non imparare i nomi), c’è Ras (proteina derivata da un protoncogene).

Nel nostro genoma ci sono proteine che derivano da infezioni virali del passato.

Protoncogeni => geni che codificano per proteine legate a proliferazione cellulare; non sono tumorali di per sé. Possono però, se ci sono mutazioni, diventare non controllabili.

Proteina Ras è regolabile.

A fianco di Ras ci sono 2 nucleotidi, GTP (guanosin-trifosfato) e GDP (guanosin-difosfato).

Proteina Ras ha sito di legame per GTP.

Ras apre un sito a GTP, lo MAP K / MEP K e attiva proteine (mitogen kinase => chinasi che attivano la mitogenesi), che viene fosforilato e va nel nucleo. Nel nucleo è fattore trascrizionale, quindi stimola la trascrizione e la traduzione di un set (gruppo) di geni necessario a divisione cellulare.

Se con insulina che attiva recettore attivo mitogenesi (= mitosi), quando insulina non viene più liberata sistema si spegne, grazie a fosfatasi che rimuovono fosfato, e soprattutto perché Ras ha attività GTP-asica (rimuove fosfato in di GTP) —> intermedi, per essere fisiologici, devono spegnersi, perché altrimenti ci sarebbe proliferazione indiscriminata.

Ricordare che si attivano cascate dove le attività enzimatiche sono multiple e in cui compaiono molte fosforilazioni; fattori della mitogenesi, Ras, IRS-1.

Non c’è crescita cellulare senza insulina nel nostro organismo, perché insulina è potente attivatore della mitogenesi, come anche fattore di crescita dell’epidermide.

Uno dei meccanismi di trasformazione di protoncogene in oncogene è nella perdita dell’attività GTP-asica (meccanismo con cui controllo spegnimento della cascata.

Effetti dell’insulina: potenziamento della glicolisi

Insulina potenzia glicolisi, che noi la usiamo per fare energia.

Insulina agisce su enzimi che devono trasformare glucosio in intermedi per la sintesi dei grassi => attraverso glicolisi posso trasformare zucchero in lipidi.

Prodotto finale di glicolisi: acetilcoenzima A.

Faccio glicolisi non solo per produrre energia, ma anche per fronteggiare carestia (sintesi di lipidi).

Insulina potenzia glicolisi per non bruciare tutto lo zucchero, ma per sintetizzare anche acidi grassi.

Cervello deve produrre energia attraverso glicolisi.

Insulina deprime anche l’espressione di tutto ciò che produce glucosio: inibisce geni che producono glucosio partendo da amminoacidi, piruvato, glicerolo.

Insulina deprime anche fosfatasi, che libera glucosio dal fegato.

Nella tabella ricordare vie: glicolisi, sintesi di grassi.

Strada che insulina segue per agire a livello metabolico: insulina —> recettore tirosin-chinasi —> IRS-1 —> attivazione complesso proteico GRB, grow e Ras e attivazione anche fosfoinositide 3-chinasi (PI-3K).

Fosfatidilinositolo 4,5 bifosfato => fosfolipide intermedio di un’attivazione enzimatica da controllo della biosegnalazione.

PI-3K converte PIP2-4,5 in PIP3-4,5 trifosfato.

Formule glicerolo in azzurro esterificato con primo acido grasso molto insaturo, e poi altro acido grasso (acido fosfatidico) + inositolo con fosforilazione 4,5.

Chinasi attivata da insulina attacca fosfato in posizione 3 —> cambia fosforilazione di fosfatidilinositolo.

PBK legato a PIP3 viene fosforilato da PDK-1 —> PBK attivato fosforila GSK3 su un sito di serina, inattivandolo.

PBK-1 molto attiva a livello epatico. Agisce su enzimi a valle nel citoplasma nella cellula epatica.

Insulina attraverso fosfolipide in membrana attiva chinasi che va su glicogeno-sintasi-chinasi (GSK).

Dimensioni del glicogeno dipendono da glicogeno-sintasi e da glicogeno-fosforilasi.

GSK agisce su glicogeno-sintasi (quando è attiva la blocca), che espande il polimero di glicogeno.

Se ho tanta insulina uso glicogeno come spugna, che assorbe glucosio.

GSK => trasferasi (chinasi): trasferisce fosfato da ATP a glicogeno-sintasi (GS).

Meccanismo di inibizione del GSK-3: insulina attiva PKB, che fosforila GSK-3, che diventa inattiva, perché quando è attiva blocca glicogeno-sintasi —> in questo modo GS è attiva, e quindi espande il polimero di glicogeno (sintesi del glicogeno dal glucosio è accelerata).

Glicogeno-sintasi ha punti dove può essere fosforilata; quando fosforilata viene bloccata.

Nella GSK-3 il fosfato che blocca GS si trova in un sito di legame arg-arg-lis, che quindi ha una potente carica positiva.

PBK fosforila coda del GSK-3, dove ci sono cariche positive e coda si richiude —> fosforila quindi dominio mobile che impedisce di legare GS, perché chiude il sito di legame.

Uno dei meccanismi con cui abbattiamo glicemia, oltre ad aprire canali di trasportatori di glucosio dentro cellula, è togliendo inibizione di GSK-3, fosforilandola, lavorare su chi deve espandere riserve di glucosio.

Meccanismo generale: attivare geni, quindi migliorare glicolisi; agire sui trasportatori; agire su espansione del materiale che assorbe.

A chi ha il diabete si consiglia di migliorare massa muscolare, per avere tessuti con enorme capacità di riserva di glicogeno, che sta sia nel fegato, ma anche nel muscolo per essere usato da cellule muscolari.

Insulina è multitarget —> lavora su nucleo e su tessuto periferico.

Recettori a serpentina

Hanno recettore, in cui attività enzimatica è a valle del legame.

Attivazione di proteina che lega GTP e che regola a valle un enzima.

Recettori che ad esempio rispondono a catecolamine, ma non solo: recettore β-adrenergico, recettore del glucagone.

Su recettori di catecolamine si è concentrato studio farmaceutico su beta-bloccanti per le patologie vascolari, come controllo dell’ipertensione e dei disturbi del ritmo cardiaco.

Adrenalina prodotta dalla midollare del surrene.

Oltre ad adrenalina e noradrenalina, sono anche β-recettori recettori del glucagone (struttura di peptidica prodotta da cellule di isole del Langerhans).

Funzionamento del recettore β-adrenergico

Serpentine del recettore: α-elica che attraversa più volte la membrana.

Recettore senza attività enzimatica.

Si associa ad alcune proteine (proteine G) che hanno 3 subunità (α, β e γ).

In subunità α della proteina G c’è subunità Gs (stimolatoria).

Quando trimero legato al recettore, in assenza di ligando, soprattutto subunità α lega GDP.

Se arriva ligando (adrenalina o noradrenalina), GDP scambiato con GTP —> cambio di conformazione.

Subunità stimolatoria si stacca dal dimero β-γ, si muove dentro membrana e raggiunge AC (enzima vero e proprio, distanziato da recettori).

AC => adenilato ciclasi —> ha come substrato ATP, che viene ciclicizzato in cAMP, che è vero mediatore della reazione.

cAMP va a finire su proteina chinasi A (PKA), che agisce in modo opposto a fosfatidil-inositolo chinasi B o D dell’insulina, perché siamo nel campo opposto di insulina —> fosforila proteine cellulari, causando risposta ad adrenalina o a glucagone.

Desensibilizzazione del segnale: cAMP non perennemente attivo, ma continuamente attivato se persiste il segnale su