Appunti di Biochimica

Biochimica: macronutrienti e micronutrienti

Un nutriente è una sostanza fondamentale per l'organismo senza la quale non ci sarebbe vita, crescita e rinnovamento. I nutrienti che introduciamo con l'alimentazione si suddividono in:

• Macronutrienti: Carboidrati, lipidi e proteine.
• Micronutrienti: Vitamine, sali minerali e acqua.

Vitamine

Le vitamine sono sostanze facenti parte della categoria dei micronutrienti. Sono infatti necessarie piccole quantità per soddisfare le richieste biologiche dell'organismo. La maggioranza delle vitamine sono molecole essenziali, non sintetizzabili dal nostro organismo, e necessitano dunque di essere assunte attraverso la dieta. La funzione principale delle vitamine è la regolazione di molte reazioni chimiche che avvengono all'interno del nostro organismo. Sono chimicamente classificabili in due gruppi principali:

• Le vitamine idrosolubili: non accumulabili all'interno del nostro corpo, per cui vanno assunte con regolarità attraverso gli alimenti.
• Le vitamine liposolubili: che sono invece immagazzinabili (vengono assorbite in particolare dal fegato e dalla pelle) e non è dunque necessario assumerle con regolarità: il corpo le conserverà sino al momento in cui saranno ritenute necessarie, quando le rilascerà a piccole dosi.

Vitamine idrosolubili

• Vitamina B1 (tiamina o aneurina)
• Vitamina B2 (riboflavina o lactoflavina)
• Vitamina B3 (niacina o acido nicotinico)
• Vitamina B5 (acido pantotenico)
• Vitamina B6 (piridossina o piridossamina o piridossale)
• Vitamina B8 (biotina)
• Vitamina B9 (acido folico o acido pteroil(mono) glutammico o folacina)
• Vitamina B12 (cobalamina)
• Vitamina C (acido ascorbico, principio antiscorbutico)

Vitamine liposolubili e funzioni

• Vitamina A: Importante per la produzione di globuli rossi e dei pigmenti visivi.
• Vitamina D: Favorisce la mineralizzazione delle ossa e il loro sviluppo.
• Vitamina E: Contrasta le infezioni.
• Vitamina K: Regola la coagulazione.

Enzimi

Gli enzimi sono i catalizzatori biologici, sostanze di natura proteica, ad eccezione dei ribozimi (RNA con attività catalitica), in grado di accelerare una specifica reazione chimica nelle condizioni fisiologiche (temperatura e pH blandi), al termine della quale la struttura iniziale dell'enzima stesso è inalterata. Le sostanze soggetto dell'azione enzimatica sono definite substrati. Gli enzimi, dunque, modificano la velocità della reazione chimica non alterando l'equilibrio della stessa.

Caratteristiche degli enzimi

• Efficienza: la velocità di una reazione catalizzata da un enzima può aumentare di fattore fino a 10¹⁵, rispetto a quella della reazione non catalizzata.
• Specificità di substrato e di azione: ciascun enzima è affine esclusivamente per un determinato substrato e catalizza una particolare reazione chimica (molti enzimi sono stereospecifici, essendo attivi su uno solo dei due enantiomeri).
• Modulabilità: la velocità di una reazione enzimatica può essere regolata in maniera fine e selettiva, sia in senso positivo che negativo, mediante l'interazione con altre molecole, attivatori o inibitori.

Classificazione degli enzimi

In base alla reazione che catalizzano, gli enzimi possono essere classificati in:

• Ossidoriduttasi: Catalizzano il trasferimento di idrogeno e ossigeno o di elettroni da un substrato all’altro.
• Transferasi: Catalizzano il trasferimento di un gruppo specifico da un substrato all’altro.
• Idrolasi: Catalizzano l’idrolisi di un substrato.
• Liasi: Catalizzano reazioni in cui vi è la rottura di diversi legami chimici in processi diversi rispetto all’idrolisi e all’ossidazione (spesso con formazione di un nuovo doppio legame).
• Isomerasi: Catalizzano l’isomerizzazione (variazione della forma molecolare) di un substrato.
• Ligasi: Catalizzano l’unione di due molecole con la formazione di una nuova molecola.

Enzimi monomerici e oligomerici

A seconda del numero di sub unità costituenti, gli enzimi possono essere:

• Monomerici: Costituiti da una sola catena peptidica (subunità). Ne sono noti pochi. Es: pepsina, trombina.
• Oligomerici: Costituiti da 2 o più subunità, che possono essere uguali o diverse.

Energia libera di Gibbs

Una reazione chimica può essere caratterizzata dalla liberazione di energia (reazione spontanea o esoergonica) o dall'assorbimento di energia (reazione non spontanea o endoergonica). La Variazione dell'energia libera (indicata con Delta G) è la variazione di energia che si ha quando un sistema passa dallo stato iniziale a quello di equilibrio, in condizioni di pressione e temperatura costanti. In tal senso una reazione è definita:

• Non spontanea o Endoergonica: quando l'energia dei prodotti è maggiore rispetto a quella dei reagenti (Delta G>0).
• Spontanea o Esoergonica: quando l'energia dei prodotti è minore rispetto a quella dei reagenti (Delta G<0).
• Reversibile: Delta G = 0.

Affinché una reazione abbia luogo è necessario che si soddisfino determinate condizioni:

• I reagenti devono entrare in collisione.
• La collisione deve avvenire secondo uno specifico orientamento.
• I reagenti devono possedere sufficiente energia per reagire.

L'energia di attivazione corrisponde all'energia libera supplementare che le molecole devono possedere per raggiungere una condizione reattiva nota come stato di transizione.

Fattori che influenzano l'attività degli enzimi

L'attività catalitica degli enzimi può essere influenzata da:

• Le concentrazioni relative del substrato e dell'enzima.
• La temperatura, dal pH. Ogni enzima si presenta altamente efficiente in corrispondenza di un dato valore della temperatura e del pH. Gli enzimi che agiscono nell'ambiente gastrico, ad es., sono efficienti a bassi valori di pH, mentre quelli presenti in altri tratti dell’apparato digerente sono attivi in ambiente alcalino.

Energia di attivazione

È necessario, dunque, che il sistema si trovi a un livello di energia maggiore per far sì che abbia luogo la reazione (energia di attivazione). Quest'ultima è definibile come l'energia libera supplementare che le molecole devono possedere per raggiungere questa condizione chiamata stato di transizione. Gli enzimi diminuiscono l'energia di attivazione.

Meccanismo d'azione degli enzimi

Gli enzimi aumentano notevolmente la velocità delle reazioni biochimiche legando i reagenti (i substrati dell'enzima stesso) facendo avvenire la reazione mediante un meccanismo diverso che comporta una minore energia di attivazione. L'equilibrio della reazione non viene modificato dall'enzima. Il meccanismo con il quale l'enzima abbassa l'energia di attivazione è legato alla formazione di un composto intermedio chiamato complesso Enzima-Substrato.

Sito attivo

Il sito attivo corrisponde alla regione proteica dell'enzima a cui si lega il substrato. Inizialmente si pensava che il sito attivo presentasse una conformazione tale da essere complementare al substrato (modello chiave serratura proposto da Fischer nel 1890). Successivamente si è giunti alla scoperta di come gli enzimi presentassero, invece, un sito attivo in grado di assumere una forma complementare a quella del substrato solo in seguito al legame del substrato stesso con il sito attivo dell'enzima (modello dell'adattamento indotto, per cui il legame enzima-substrato induce un cambiamento conformazionale nel sito attivo che diventa complementare al substrato).

Fattori che influenzano la velocità degli enzimi

La concentrazione del substrato influenza positivamente la velocità dell'attività enzimatica, in maniera non lineare ma iperbolica. Per Km intendiamo la concentrazione di substrato per cui si ha un livello di velocità della reazione enzimatica pari al 50% della velocità massima. Minore è il valore di Km, maggiore sarà l'affinità dell'enzima con il substrato, che sarà necessario in minore concentrazione per raggiungere 1/2 della velocità massima della reazione enzimatica. La velocità massima della reazione enzimatica si raggiunge nel momento in cui l'enzima è saturato dal substrato.

La temperatura influenza positivamente la velocità di una reazione, abbassando l'energia di attivazione. Tuttavia, in corrispondenza di una data temperatura, un ulteriore aumento della stessa provoca un effetto opposto, influenzando negativamente la velocità della reazione enzimatica.

Ogni enzima si presenta altamente efficiente in corrispondenza di un dato valore della temperatura e del pH. Gli enzimi che agiscono nell'ambiente gastrico, ad esempio, sono efficienti a bassi valori di pH, mentre quelli presenti in altri tratti dell’apparato digerente sono attivi in ambiente alcalino.

Inibizione enzimatica

L'attività enzimatica può essere inibita in maniera:

• Irreversibile: Dovuta a sostanze tossiche che formano legami covalenti stabili con residui di amminoacidi dell'enzima indispensabili per l'attività catalitica.
• Reversibile: Dovuta a sostanze che si legano in maniera reversibile, non covalente, all'enzima. Distinguiamo in tal senso gli:
  • Inibitori competitivi: Sono molecole strutturalmente simili al substrato che si legano reversibilmente al sito attivo, in competizione con il substrato (aumento della Km).
  • Inibitori non competitivi: Si legano in regioni dell'enzima diverse dal sito attivo e non interferiscono con il legame del substrato con l'enzima, ma ne bloccano la sua trasformazione in prodotto (riducono la velocità massima).

Enzimi regolatori

Nel metabolismo gruppi di enzimi lavorano insieme per produrre una via metabolica in cui il prodotto del primo enzima diventa il substrato del secondo enzima e così via. L'enzima che catalizza la reazione più lenta è un enzima regolatore, dunque regolato in risposta a determinati segnali. Nella maggior parte dei casi l'enzima regolatore è quello che catalizza la prima reazione. A seconda della domanda cellulare di energia e di biomolecole una determinata via metabolica può essere attivata o inibita.

Regolazione dell'attività enzimatica

La regolazione dell'attività enzimatica può essere:

A lungo termine

Variazione della concentrazione dell'enzima:

• Induzione: Aumenta la concentrazione dell'enzima. Ciò è reso possibile grazie all'azione di particolari fattori di trascrizione che si legano alla sequenza regolatrice del gene sintetizzante la proteina enzimatica, con lo scopo di attivare il processo di trascrizione per una maggiore produzione della proteina stessa.
• Repressione: Quando i fattori di trascrizione che si legano alla sequenza regolatrice del gene sintetizzante la proteina enzimatica inibiscono il processo di trascrizione per una minore produzione della proteina stessa.
• Turnover: Processo bilanciato di degradazione e nuova sintesi. Nel caso in cui l'attività di un particolare enzima non risultasse più utile, le proteine enzimatiche andrebbero incontro alla degradazione, operata dagli enzimi proteasi. Gli amminoacidi che componevano l'enzima che ha subito la degradazione verranno utilizzati per la sintesi della proteina enzimatica nel momento in cui ve ne sarà la necessità.

A breve termine

Quando varia in funzione di stimoli ambientali, come la concentrazione di substrato e di prodotto, o attraverso dei meccanismi di modulazione:

• Regolazione allosterica, non covalente (reversibile).
• Modifica covalente (reversibile o irreversibile).

A livello di substrato, l'attività enzimatica può essere influenzata da:

• Concentrazione di substrato.
• Inibizione da prodotto: Un aumento della concentrazione del prodotto conduce, infatti, al blocco dell'attività enzimatica.

Regolazione allosterica

La regolazione allosterica consiste nel legame non covalente e reversibile di molecole in un sito diverso dal sito attivo. Gli effettori allosterici possono funzionare come attivatori (regolazione feed-forward) o come inibitori (regolazione feedback).

Enzimi allosterici

Gli enzimi allosterici sono proteine oligomeriche composte da più subunità, quindi da più catene polipeptidiche, che possono essere:

• Catalitiche: Quando presentano il sito attivo che lega il substrato.
• Regolatrici: Quando si possono legare delle molecole che possono attivare o inibire l'attività enzimatica.
• Strutturali: Che entrano a far parte della struttura dell'enzima.

La regolazione allosterica consiste nel legame reversibile di un modulatore allosterico in un sito diverso dal sito attivo (il sito regolatorio). Il modulatore allosterico è negativo se inibisce l'attività enzimatica, provocando una modifica conformazionale nell'enzima che perde affinità di legame con il substrato, mentre è positivo, se provoca cambiamenti conformazionali nell'enzima rendendolo più affine al legame con il rispettivo substrato.

Si parla di modulatore etero allosterico quando questa molecola è diversa dal substrato.

Conformazioni dell'enzima

Legandosi con l'enzima, il modulatore cambia la conformazione dell'enzima stesso, che può essere:

• Tight: La conformazione in cui si trova l'enzima quando è legato ad un effettore allosterico (negativo) che inibisce l'attività enzimatica.
• Relax: La conformazione in cui si trova l'enzima quando è legato ad un effettore allosterico (positivo) che attiva l'attività enzimatica.

Regolazione enzimatica per dissociazione

Esempio: proteina chinasi A AMP ciclico dipendente. Questo enzima è composto da 4 subunità di cui 2 regolatorie e 2 catalitiche. Quando le 2 subunità regolatorie sono legate alle 2 subunità catalitiche l'enzima è inattivo. Affinché venga attivato è necessario l'AMP ciclico. Il glucagone lega il suo recettore sulla membrana plasmatica della cellula bersaglio, producendo l'AMP ciclico che si va a legare a dei siti specifici sulla proteina chinasi A, provocando la dissociazione delle subunità dell'enzima, che viene attivato.

Regolazione enzimatica per associazione

L'acetil-coenzima-a carbossilasi è regolato per associazione. In forma inattiva, dunque, si trova sotto forma di dimeri, che devono essere uniti tra di loro affinché l'enzima assuma la sua conformazione attiva di polimero. La molecola che promuove la polimerizzazione è il citrato, un metabolita presente all'interno dei mitocondri. Se presente all'interno del citosol l'organismo è in abbondanza energetica. In questa condizione è necessario che vengano attivati i processi anabolici, tra questi la biosintesi di acidi grassi.

Regolazione per modifica covalente

La regolazione per modifica covalente dell'attività enzimatica ha luogo a seguito ad una modificazione della struttura chimica dell'enzima stesso, al quale vengono aggiunti determinati gruppi chimici.

Focus gruppo fosfato

Nel caso il gruppo fosfato venga:

• Aggiunto: l'enzima viene fosforilato.
• Rimosso: l'enzima viene defosforilato.

La fosforilazione implica l'intervento di proteine con attività chinasica denominate chinasi, mentre la defosforilazione coinvolge proteine con attività fosfatasica denominate fosfatasi. Entrambi i processi possono attivare o inibire l'attività di un particolare enzima. Generalmente il gruppo OH su cui si esplica la fosforilazione è un gruppo OH che può appartenere a 3 amminoacidi (Serina, Treonina e Tirosina). La modifica covalente che l'enzima subisce è una modifica reversibile.

Fosforilazione e defosforilazione indotta dagli ormoni

Gli ormoni, anche definiti messaggeri chimici, sono particolari sostanze secrete dalle ghiandole endocrine in presenza di determinate condizioni (glucagone secreto in condizioni di ipoglicemia e insulina secreta in condizioni di iperglicemia). Una volta secreti, viaggiano nel circolo sanguigno e si legano al recettore presente nella membrana plasmatica delle cellule dei tessuti bersaglio, innescando diversi segnali che culminano con l'aggiunta o la rimozione di un gruppo fosfato su determinati enzimi (fosforilazione o defosforilazione).

Glucagone induce la fosforilazione mentre insulina induce la defosforilazione.

La fosforilazione indotta dal glucagone

Il glucagone, secreto in condizioni ipoglicemiche, ha dunque lo scopo di promuovere un aumento della concentrazione del glucosio nel sangue. Quando secreto, attraversa il sangue e raggiunge le cellule bersaglio, dove si lega con il suo recettore a livello della membrana plasmatica. Il recettore del glucagone è associato alla proteina G. Il legame dell'ormone con il suo recettore causa il distacco della subunità alfa dalla proteina G, che attiva l'enzima adenilato-ciclasi che promuove un aumento della concentrazione di AMP ciclico. L'AMP ciclico si lega alle due subunità regolatorie della proteina chinasi A (PKA), determinando l'attivazione delle due subunità catalitiche, che fosforilano diversi substrati.

La fosforilazione indotta dal glucagone:

• Attiva gli enzimi coinvolti nei processi mirati all'aumento del glucosio nel sangue (glicogenolisi e gluconeogenesi).
• Inibisce gli enzimi coinvolti in altri processi.