Biochimica

PRINCIPI DI REGOLAZIONE METABOLICA

ogni via metabolica è interconnessa con le altre

• le cellule hanno la capacità di catalizzare simultaneamente processi

• metabolici diversi

la regolazione metabolica è quindi una caratteristica peculiare degli

• organismi

attraverso una serie di meccanismi in tempi diversi, la velocità ddel flusso

• metabolico viene regolata in base alle condizioni esterne

CONDIZIONE DI STATO STAZIONARIO DINAMICO

è lo stato in cui si trovano le cellule , definito come OMEOSTASI: per

• ciascuna reazione della via metabolica il substrato viene fornito dalla

reazione precedente, alla stessa velocità con la quale viene convertito in

prodotto.

Quindi anche se la velocità del flusso della via metabolica può subire

variazioni, la concentrazione del substrato rimane costante.

LA QUANTITA' E L'ATTIVITA' CATALITICA DI UN ENZIMA

POSSONO ESSERE REGOLATE

FATTORI CHE INFLUENZANO L' ATTIVITA' ENZIMATICA:

1. SEGNALI EXTRACELLULARI(ormonali, neuronali, fattori di crescita,

citochine)

2. FATTORI DI TRASCRIZIONE DI GENI SPECIFICI(proteine che

quando legate al DNA attivano o disattivano la trascrizione del gene)

3. STABILITA' DELL'mRNA

4. mRNA TRADOTTO AI RIBOSOMI

5. DEGRADAZIONE DELLA PROTEINA (dipende dalle condizioni della

cellula)

6. SEQUESTRO DELL'ENZIMA IN ORGANELLI(trasporto dei substrati

attraverso le membrane degli organelli cellulari)

7. VARIAZIONI DELLE CONCENTRAZIONI DEI SUBSTRATI

8. ENZIMA LEGA IL LIGANDO (EFFETTORE ALLOSTERICO)

9. ENZIMA VIENE FOSF/DEFOSFORILATO

10. COMBINAZIONE ENZIMA/PROTEINA REGOLATRICE:

ad esempio le proteine chinasi AMPc-dipendenti, che rimangono inattive

fino che il legame con AMPc non separa la subunità catalitica da quella

regolatrice.

I più comuni punti di regolazione sono le reazioni lontane dall' equilibrio,

• quindi fortemente esoergoniche, che tendono all' accumulo dei prodotti:

esse non possono raggiungere l' equilibrio, in caso contrario si avrebbe

un' alterazione dell'osmolarità cellulare

•

NUCLEOTIDI ADENINICI

RUOLO SPECIALE NELLA REGOLAZIONE METABOLICA

• CONCENTRAZIONI DI ATP DEVE RIMANERE COSTANTI

•

Se la [ATP] diminuisse significativamente, gli enzimi non sarebbero più saturati

dal loro substrato, cioè l'ATP, e la velocità di migliaia di reazioni che richiedono

energia diminuirebbe.

Rapporto[ATP]/[ADP]influenza tutte le reazioni che utilizzano questi due

nucleotidi, dal momento che l'ATP viene convertito in ADP o AMP quando viene

"speso" per compiere un lavoro cellulare

La concentrazione di AMP è un indicatore dello stato energetico della

cellula.

Normalmente nella cellula la [ATP] (5-10 mM) è maggiore di quella di

[AMP] (<0,1mM)

Se qualche processo consuma ATP, l'AMP viene così prodotto attraverso due

reazioni distinte:

1. idrolisi dell'ATP-->ADP

2. 2ADP--> ATP + AMP enzima: ADENILATO CHINASI

quindi se viene utilizzato il 10% di ATP l aumento di AMP è superiore della

ADP, è per questo che molti processi di regolazione dipendono dalle

variazioni di AMP

PROTEINA CHINASI ATTIVATA DA AMP (AMPK): enzima regolato dall'

AMP.

Esso incrementa il trasporto del glucosio e l'attività della glicolisi e della

ossidazione degli acidi grassi. Inoltre rallenta alcuni processi che richiedono

energia, come la sintesi degli acidi grassi, del colesterolo e delle proteine.

VIENE ATTIVATA DA:

elevate [AMP] o basse [ATP]

• esercizio fisico

• sist. Nervoso simpatico

• ormoni peptidici prodotti da tessuto adiposo

•

QUANDO VIENE ATTIVATA:

fosorila le proteine bersaglio

• devia in una serie di tessuti il metabolismo dai processi che conservano

• energia

fuori dal fegato attiva il metabolismo che utilizza gli acidi grassi come

• combustibili

stimola gluconeogenesi epatica per fornire glucosio al cervello

•

REGOLAZIONE COORDINATA GLICOLISI-GLUCONEOGENESI

Tre reazioni della glicolisi sono fortemente esoergoniche->irreversibili

Gluconeogenesi le risolve utilizzando gruppi differenti di enzimi, citosolici e

mitocondriali.

I punti di regolazione consistono proprio nel controllo sugli enzimi che

catalizzano queste reazioni:

1. glucosio <-> glucosio 1P

HK VS G6-Pasi

2. fruttosio 6P <-> fruttosio 1,6 bifosfato

PFK-1 VS F1,6-BPasi-1

3. fosfoenolpiruvato <-> piruvato

PK VS PC

se le due vie procedessero contemporaneamente, si avrebbe un CICLO

• FUTILE, cioè non biochimicamente produttivo e altamente dispendioso in

termini energetici:

ATP + H20 -> ADP + P + CALORE

(un ciclo futile può risultare utile in certe circostanze a mantenere la

temperatura corporea costante ad es. nei bombi)

PUNTO DI REGOLAZIONE PIU IMPORTANTE: PFK-1 VS F1,6-BPasi

PFK-1:

oltre al sito attivo per il substrato della molecola che catalizza, possiete

modulatori + e -:

diversi siti di regolazione a cui si legano

ATP: è sia il prodotto che il modulatore della PFK-1.

•

Quando viene prodotta più velocemente di quanto venga consumata, agisce come

modulatore negativo inibendo l enzima.

Si lega ad un sito allosterico T ( spostando quindi l' equilibrio R<->T verso T) e

diminuisce così l' affinità per il suo substrato ( fruttosio 6-P)

ADP e AMP: rimuovono l'inibizione attuata dall' ATP ,bilanciano

• l'inibizione dell' ATP legandosi allo stato R (spostano l'equilibrio R<->T

verso R)

(Quindi l' attivita dell' enzima aumenta quando ADP e AMP si accumulano, e

diminuisce quando ATP aumenta)

CITRATO: segnala alle cellule che le richieste energetiche sono state

• effettuate e inibisce quindi l'enzima PFK-1

FBFasi-1:

AMP: inibitore allosterico. Quando la sua concentrazione è alta,

• concentrazione di ATP bassa, modulatore negativo. Quindi la

gluconeogenesi, che richiede molta energia, viene rallentata.

FRUTTOSIO 2,6-BIFOSFATO

il fegato controlla i livelli ematici di glucosio (GLICEMIA), ed è sotto il

controllo di due ormoni:

1. GLUCAGONE: iperglicemizzante, segnala al fegato di produrre e

rilasciare nel sangue glucosio (gluconeogenesi)

2. INSULINA: ipoglicemizzante, quando le concentrazioni di glucosio sono

alte stimola il fegato a usare le zucchero come combustibile (glicolisi)

Fruttosio 2,6-bifosfato media la regolazione ormonale della

• gluconeogenesi e glicolisi

è effettore allosterico degli enzimi PFK-1 e FBPasi-1:

•

Quando esso si lega al sito allosterico della PFK-1, aumenta la affinità tra

enzima per il substrato (fruttosio 6P) e diminuisce l'affinità per gli inibitori

allosterici ATP e citrato, accellerando quindi la glicolisi .

Quando esso si lega all'enzima FBP-1, riduce l'affinità per il substrato,

rallentando quindi la gluconeogenesi.

la sua concentrazione è regolata dalla velocità di formazione e

• demolizione operata dai 2 enzimi che la fosforilano/defosforilano

Fruttosio 2,6 bifosfato si forma per fosforilazione del fruttosio 6P per

• opera della fosfofruttochinasi-2 ( PFK-2

) e viene defosforilato

dall'enzima fruttosio 2,6-bifosfatasi ( FBPasi-2 ). Sono due entità

enzimatiche separate presenti però sulla stessa proteina, che è

bifunzionale

Il bilancio di queste due attività enzimatiche che regolano il livello

• cellulare di fruttosio 2,6-bifosfato, è controllato dal glucagone e insulina

1. GLUCAGONE: determina un abbassamento dei livelli di fruttosio 2,6-BP

inibendo quindi la glicolisi e stimolando la gluconeogenesi. Ciò consente al

fegato di rifornire in sangue in risposta al glucagone.

DINAMICA:

il glucagone stimola l' adenil ciclasi epatica---> sintetizza AMPc (ciclica)

• dall'ATP

AMPc attiva la proteina chinasi cAMP-dipendente--> trasferisce gruppo P

• dall'ATP alla proteina bifunzionale PFK-2/FBFasi-2

la fosforilazione di questa proteina bifunzionale aumenta la sua attività

• fosfatasica (FBPasi-2) e inibisce l'attività chinasica (PFK-2)

2. INSULINA:

stimola l' attività di ua fosfoproteina fosfatasi---> catalizza la rimozione

• del gruppo P dalla proteina bifunzionale

l'attivita enzimatica chinasica viene attivata (PFK-2)

• i livelli di fruttosio 2,6 bifosfato tendono così ad aumentare , viene quindi

• stimolata la glicolisi e inibita la gluconeogenesi.

REGOLAZIONE DELLA PIRUVATO CHINASI (PK)

La piruvasi è l'enzima che catalizza l'ultima tappa della glicolisi, dove il

fosfoenolpiruvato viene trasformato in piruvato.

aumento della concentazione di alanina: inibizione allosterica della PK

• ATP

• Acetil-CoA

• Acidi grassi a catena lunga

•

Indicano un alto apporto energetico, andranno a inibire in modo negativo l'

attività della piruvato chinasi

accumulo di fruttosio 1,6 bifosfato determina l'attivazione della PK

•

L'isozima del fegato è soggetto a un' ulteriore regolazione ormonale tramite

fosforilazione:

GLUCAGONE attiva la PKA (proteina chinasi AMPc dipendente)--

• >fosforila quindi inattiva la PK L(isozima L)

diminuisce utilizzo del glucosio come combustibile nel fegato

• rende il glucosio disponibile per essere trasportato al cervello e altri

• organi

Basse concentazioni di glucagone: proteina fosfatasi (PP) defosforila la

• PK L attivandola

Questo meccanismo impedisce che il fegato consumi glucosio (glicolisi) quando

la glicemia è bassa, fornendo quindi glucosio

VIA DEL PENTOSIO FOSFATO

Avviene nelle cellule che si dividono rapidamente: midollo osseo, pelle,

• mucosa intestinale, cellule tumorali

utilizzano il ribosio 5-P (il prodotto della via) per costruire il DNA, RNA,

• e coenzimi (ATP, NADH, CoA,NADPH )

2

viene prodotto NADPH a partire dal NADP+

• gli altri tessuti considerano il prodotto principale della via del pentosio P

• il NADPH: necessario per le biosintesi riduttive

tessuti che necessitano l'apporto di NADPH: tessuti che sintetizzano

• attivamente gli acidi grassi (fegato, adipociti, ghiandola mammaria) o che

sintetizzano attivamente il colesterolo e gli ormoni steroidei (fegato,

ghiandole surrenali, gonadi)

NAPH inoltre è necessario per la protezione dai danni ossidativi causati

• dal perossido di idrogeno e dal radicale libero anione superossido ( sono

sottoprodotti del metabolismo della via del pentosio)

durante le reazioni di detossificazione, H O viene solitamente convertito

• 2 2

in H O grazie al NADPH

2

1. FASE OSSIDATIVA: produce NADH e pentosio 5P (irreversibile)

2. FASE NON OSSIDATIVA: vengono riciclati 6 pentosi fosfati in 5

glucosio 6-P (reversibile)

Tutti gli enzimi della via del pentosio fosfato della glicolisi e alcuni della

gluconeogenesi sono localizzati nel citosol. Tali vie sono intersonnesse dalla

condivisione di enzimi ed intermedi

FASE OSSIDATIVA

glucosio 6P-->6-fosfoglucono-d-lattone

•

ossidazione, catalizzata da glucosio 6P deidrogenasi

accettore degli elettroni è NADP+-->NADPH

L entrata del glucosio 6P nella glicolisi o nella via del pentosio fosfato dipende

dal fabbisogno momentaneo della cellula e dalla concentrazione di NAD+ nel

citosol.

In assenza di NAD+ la prima reazione catalizzata dall G6PD non può procedere.

Quando la cellula converte rapidamenre il NADPH in NAD+ nelle biosintesi

riduttive, aumenta il livello di NADP+, la G6PD viene stimolata e il flusso del

glucosio 6P incrementa verso la via del pentosio fosfato.

Quando la velocità di formazione del NADPH è superiore a quella del suo

utilizzo, la concentrazione di NADPH aumenta --> inibisce il primo enzima della

via: maggiore disponibilità di glucosio 6P per glicolisi

6-fosfoglucono-d-lattone-->6-fosfogluconato

•

idrolisi Mg dipendente catalizzato da lattasi

6-fosfogluconato--> ribulosio cheto-P

•

decarbossilazione ossidativa, catalizzata da 6-fosfogluconato deidrogenasi

si genera una seconda molecola di NADPH

ribulosio cheto-P-->ribosio 5-P (isomero)

•

catalizzato da fosfopentosio isomerasi

reazione complessiva:

glucosio 6P + 2NADP + H2O--> ribosio 5P + 2NADPH + CO2 + 2H+

+

FASE NON OSSIDATIVA

ribulosio 5P epimerizzato in xilulosio 5P

• avvengono riarrangiamenti carbocationici degli scheletri carboniosi

• il ripetersi del ciclo che converte 6 molecole pentosio fosfato in 5

• glucosio 6-P porta alla conversione del glucosio 6 P in 6 molecole di CO2

qui agiscono due enzimi tipici: la tranchetolasi e la transaldolasi

• tranchetolasi: catalizza il trasferimento di un frammento a 2 atomi di C

(C1 e C2)

dello xilulosio 5P al ribosio 5P--> si forma sedoeptulosio 7P + gliceraldeide

3P

transaldolasi: rimuove un frammento a 3 atomi di C

del sedoeptulosio 7P alla gliceraldeide 3P--> si forma fruttosio 6P +

eritrosio 4P

transaldolasi: forma fruttosio 6P e gliceraldeide 3P a partire da eritrosio

4P e xilulosio 5P

le due molecole di gliceraldeide 3P che si formano in due cicli vengono

• convertite in una molecola di fruttosio 1,6 bifosfato

fruttosio 1,6 bifosfato viene convertito in glucosio 6P da enzimi FBPasi-1

• e fosfoesosio isomerasi

METABOLISMO DEL GLICOGENO

l'eccesso di glucosio viene immagazzinato convertendolo in forme

• polimeriche di glucosio (glicogeno)

si trova soprattutto nel fegato (max 10% di peso) e nei muscoli

• scheletrici (fibre bianche utilizzate nell'emergenze, hanno pochi

mitocondri, si avrà quindi fermentazione lattica) (max 1-2% di peso)

glicogeno epatico è utilizzato come riserva di glucosio in condizioni di

• digiuno

glicogeno muscolare è utilizzato come riversa di energia immediatamente

• disponibile per il metabolismo aerobico e anaerobico

il glicogeno viene immagazzinato nel citosol sottoforma di granuli che

• contengono: glicogeno, enzimi necessari per la sua sintesi/degradazione,

componenti del sistema di regolazione degli enzimi

STRUTTURA GLICOGENO:

è un omopolisaccaride (formato da un grande numero di saccaridi identici,

• il glucosio).

molecole di glucosio unite mediante legami α1-4, ogni 8-12 unità si ha il

• punto di ramidificazione attraverso legame α1-6

ogni estremità libera delle ramificazioni presentano un gruppo -O- (non

• reattivo)--> chiamate quindi estremità non riducenti !qui lavorano gli

enzimi!

ogni molecola di glicogeno ha una sola estremità riducente -OH

•

GRANULI:

diametro: 21 nm

• formato da 55.000 residui di glucosio

• rosette,

20-40 granuli si riunoscono a formare le strutture visibili al

• microscopio elettronico

GLICOGENOLISI

glicogeno fosforilasi, agisce sulle estremità non riducenti: legame

1. glicosidico a1-4 (quindi tra due residui di glucosio) viene scisso

mediante l'utilizzo del Pi--> si forma (a-D-)glucosio-1P

è una reazione fosforolitica, parte dell'energia del legame

◦ glicosidico viene immagazzinata della formazione dell'estere

fosfato

la glicogeno fosforilasi agisce ripetutamente sulle estremità non

◦ riducenti delle ramificazioni, la sua azione poi si blocca a 4 residui

dalla ramificazione a1-6

2. enzima deramificante: con attività transferasica e glucosidasica

catalizza due reazioni di trasferimento delle ramificazioni:

attività transferasica: sposta un blocco di 3 residui dalla

◦ ramificazione a un' estremità non riducente vicina,

attraverso un legame glicosidico a1-4

attività glucosidasica a1-6: il singolo residuo di glucosio

◦ rimasto sul punto della ramificazione viene rilasciato sotto

forma di glucosio libero

si forma così un polimero (a1-4) deramificato che può subire

◦ ulteriormente l'azione della glicogeno fosforilasi!

3. fosfoglucomutasi: sotto classe dell'isomerasi

glucosio 1P <---> glucosio 6P

◦

DESTINO DEL GLUCOSIO 6P:

nel muscolo scheletrico: entra nella glicolisi per fonire energia alla

• contrazione muscolare, viene ossidato a piruvato, che viene ridotto a

lattato

può inoltre entrare nella via del pentosio fosfato per creare ribosio e

• NADPH

nel fegato: obiettivo è quello di rilasciare glucosio nel sangue quando la

• glicemia è bassa (cond. di digiuno) quindi interviene la glucosio 6Pasi che

scinde il legame col gruppo P rilasciando il glucosio libero

glucosio 6Pasi: presente solo nei reni e nel fegato, è una proteina

• integrale di membrana del RE, con sito attivo rivolto verso il lume della

membrana

quindi il glucosio 6P formatosi viene trasportato nel lume della memrana

• del RE da un trasportatore specifico T1 e viene cosi idrolizzato

i prodotti, cioè il glucosi e il Pi vengono trasferiti nel citosol da due

• diversi trasportatori T2 e T3

il glucosio esce dall' epatocita grazie a un trasportatore specifico

• localizzato sulla membrana plasmatica, il GLUT2

UDP-GLUCOSIO

molte delle reazioni di trasformazione e polimerizzazione di esosi, coinvolgono gli zuccheri

nucleotidi: sono i substrati per la polimerizzazione dei mono e di-saccaridi(glicogeno, amido,

cellulosa).

La loro idoneidà in queste biosintesi dipende da:

1. la loro formazione è irreversibile, grazie all'idrolisi del Ppi in 2Pi, che rende la reazione altamente

esoergonica e quindi favorevole alla biosintesi

2. le trasformazioni chimiche che avvengono con l'UDPglucosio non coinvolgono gli atomi di C del nucleotide

3. i gruppi nucleotidilici sono degli ottimi gruppi uscenti, in quanto attivano l'atomo di C a cui sono legati (il

lega