Biochimica

Biochimica 9 CFU

Concetti generali sul metabolismo

Il metabolismo è il complesso delle trasformazioni chimiche che avvengono nelle cellule degli organismi eucarioti e procarioti in modo coordinato e finalizzato, al quale cooperano molti enzimi e sistemi multienzimatici intracellulari. Il metabolismo ha quattro funzioni principali e specifiche: ricavare energia chimica dalla degradazione di sostanze nutritive ricche di energia, dall'ambiente o dall'energia solare; convertire le molecole nutritive nei precursori di base delle macromolecole cellulari; utilizzare questi precursori di base per formare proteine, acidi nucleici, lipidi, polisaccaridi e altre sostanze; formare e degradare biomolecole necessarie a funzioni specializzate delle cellule.

L'energia totale posseduta da un sistema si può dividere in due parti nettamente distinte, energia libera (che produce lavoro) ed energia vincolata (non produce lavoro; è calore latente). L'energia libera è una quota di energia che, in un sistema termodinamico, può essere trasformata in lavoro. Essa può essere definita secondo due modalità differenti, che danno luogo a due diverse funzioni dette energia libera di Helmholtz ed energia libera di Gibbs. La prima si può scrivere come F=U−TS, dove U è l'energia interna, S l'entropia e T la temperatura assoluta. Da questa espressione segue pertanto che U=F+TS, e quindi si può concludere che solo una parte (pari a F) dell'energia interna U può essere impiegata come lavoro meccanico, mentre il resto (pari a TS) risulta inutilizzabile in quanto energia legata.

L'energia libera di Gibbs, invece, si può scrivere come G=H−TS, dove H è l'entalpia, la quale sostituisce l'energia intensa in condizioni di pressione costante. L'energia libera è la funzione termodinamica per stabilire se una reazione avrà luogo e seguire le variazioni energetiche legate alla catalisi, infatti una reazione può avvenire spontaneamente solo se la sua energia libera è negativa. La variazione di energia libera che avviene quando i reagenti e i prodotti sono a concentrazione unitaria è detta variazione di energia libera standard.

La molecola trasportatrice di energia più diffusa nelle cellule è l'adenosintrifosfato o ATP, un nucleotide formato da adenosina legata a tre gruppi fosfato. L'ATP quindi funge così da accumulatore di energia destinata a essere spesa a breve termine dalla cellula, energia che viene trasportata mediante il trasferimento di un residuo fosforico dell'ATP e si dice fosforilazione. Altre molecole catturano e trasportano l'energia insieme a elettroni energetici prodotti da reazioni esoergoniche. Queste molecole come il coenzima NAD (nicotinammide-adenin-dinucleotide) e il flavin-adenin-dinucleotide FAD cedono poi gli elettroni e l'energia ad altre molecole nei processi di respirazione cellulare e di fotosintesi.

Metabolismo: anabolismo e catabolismo

Il metabolismo è caratterizzato da due fasi, anabolismo (in cui avviene la sintesi delle molecole complesse e un consumo energetico) e catabolismo (in cui le molecole complesse vengono degradate in molecole più semplici e viene liberata energia). Le molecole contenute negli alimenti contengono energia potenziale che viene liberata attraverso le reazioni di idrolisi e ossidazione del metabolismo energetico, seguendo il secondo principio della termodinamica. L'energia prodotta da queste reazioni viene utilizzata per sintetizzare ATP.

Metabolismo nel fegato

Durante la digestione le tre principali classi di nutrienti, cioè carboidrati, grassi e proteine, subiscono idrolisi dando i loro componenti di base come prodotto. Molti degli acidi grassi e dei monogliceridi vengono riassemblati nelle cellule epiteliali intestinali come trigliceridi. Molti degli zuccheri e degli amminoacidi e dei trigliceridi passano poi nei capillari dirigendosi al fegato (parte dei trigliceridi si dirige invece al tessuto adiposo) attraverso la vena porta. All'interno del fegato gli epatociti trasformano i nutrienti in carburanti e precursori per gli altri tessuti e li esportano per via ematica.

Gli zuccheri vengono trasportati all'interno dell'epatocita da GLUT2, un trasportatore che garantisce che all'interno della cellula la concentrazione di glucosio sia quella ematica. Il fegato ha il compito di mantenere sotto controllo la concentrazione ematica di glucosio, per cui subito dopo un pasto effettua la glicogenesi, dopo un breve digiuno (2-3 ore) effettua la glicogenolisi e dopo un lungo digiuno la gluconeogenesi.

Gli amminoacidi che entrano nel fegato hanno moltissime vie di metabolizzazione, nel fegato possono avvenire: deaminazione e transaminazione degli amminoacidi seguita dalla trasformazione delle parti non azotate in glucosio o lipidi; rimozione dell'ammoniaca e trasformazione in urea; sintesi di aminoacidi non essenziali; sintesi della maggior parte delle proteine ematiche.

Gli acidi grassi che costituiscono i lipidi in ingresso negli epatociti hanno vari destini: alcuni vengono convertiti a lipidi epatici; la maggior parte rappresenta il carburante principale per le ossidazioni nel fegato: la porzione ossidata diventerà poi NADH o acetil-CoA; la porzione trasformata in acetil-CoA viene ossidata ulteriormente nel ciclo di Krebs per in definitiva produrre ATP; l'eccesso di acetil-CoA viene convertito in corpi chetonici; una piccola porzione viene usata per sintetizzare colesterolo; si ha conversione a fosfolipidi e trigliceridi per le proteine del sangue che portano i grassi al tessuto adiposo; una quantità di acidi grassi liberi viene legata all'albumina e portata a cuore e muscolatura dove produrrà energia.

Metabolismo dei glucidi

La digestione dei glucidi contenuti negli alimenti (amidi, destrine, disaccaridi) porta alla formazione di monosaccaridi, in particolare glucosio, fruttosio e galattosio. Questi monosaccaridi vengono assorbiti dalle cellule di rivestimento dei villi intestinali (intestino tenue) e raggiungono, con il sangue della vena porta, il fegato e, da qui, il resto dell'organismo. Il glucosio, carburante di pronto utilizzo delle cellule, deve essere sempre presente nel sangue a una concentrazione costante, compresa tra i 60 e i 100 mg/100 ml. Se la concentrazione del glucosio, detta glicemia, si riduce eccessivamente (condizione chiamata ipoglicemia), le cellule risentono negativamente della sua mancanza, in particolare quelle del cervello, che utilizzano come carburante solo glucosio: un'ipoglicemia provoca difficoltà di concentrazione, irrequietezza, tremori, debolezza e, se particolarmente marcata, coma.

Poiché l'approvvigionamento di zuccheri con l'alimentazione è discontinuo, avviene cioè solo 2-4 volte al giorno con i pasti, mentre il consumo è continuo, a regolare la glicemia intervengono diversi ormoni che consentono di immagazzinare gli eccessi di glucosio (dopo i pasti), trasformandolo in glicogeno, e di liberare poi glucosio dalle riserve di glicogeno man mano che le cellule lo consumano, facendo diminuire la sua concentrazione nel sangue. Il fegato svolge una funzione fondamentale nella regolazione della glicemia. Infatti, tutto il glucosio assunto con gli alimenti passa al fegato; le cellule del fegato possono quindi:

• Assorbirlo e utilizzarlo subito per produrre energia attraverso la glicolisi e poi il ciclo di Krebs;
• Assorbirlo e immagazzinarlo sotto forma di glicogeno (glicogeno-sintesi);
• Convertirlo in lipidi (lipogenesi);
• Convertirlo in amminoacidi;
• Convertirlo in ribosio e desossiribosio (via dei pentoso-fosfati), costituenti degli acidi nucleici (RNA e DNA).

Tutte queste operazioni determinano un consumo di glucosio, cioè una riduzione della glicemia. Quando la glicemia tende a ridursi, il fegato libera il glucosio dal glicogeno (glicogenolisi) e attiva la gluconeogenesi, ossia la trasformazione di alcune sostanze (come il glicerolo dei trigliceridi e alcuni amminoacidi) in glucosio. Attraverso questi due processi il fegato libera nel sangue glucosio, riportando così la glicemia a livelli più elevati.

L'unico ormone che abbassa la glicemia è l'insulina, questa stimola la penetrazione del glucosio nelle cellule (lo toglie dal sangue); stimola l'utilizzo del glucosio sia per produrre energia (glicolisi e ciclo di Krebs), sia per la sintesi del glicogeno; favorisce la conversione del glucosio in grassi (lipogenesi), mentre blocca la gluconeogenesi (produzione di glucosio da composti non glucidici). Numerosi ormoni, invece, aumentano la glicemia (adrenalina, glucagone, tiroxina, ACTH, cortisolo, ormone della crescita), agendo con meccanismi diversi: stimolando la glicogenolisi e la gluconeogenesi; bloccando l'utilizzazione del glucosio per produrre energia (blocco della glicolisi) e aumentando la velocità di assorbimento intestinale del glucosio.

Trasportatori GLUT

I trasportatori GLUT, pur presenti tanto nella membrana apicale quanto in quella basolaterale, si occupano del trasferimento passivo del glucosio dal citoplasma al liquido interstiziale e, in seguito, nel torrente sanguigno. Il movimento dello zucchero verso il capillare è di tipo passivo ma, nel complesso, si considera, globalmente, il trasporto del glucosio come un evento attivo. I trasportatori GLUT sono presenti in numerose isoforme e sono, convenzionalmente, indicati con un numero progressivo dopo la sigla, ad esempio GLUT1 (presente in quasi ogni tipo cellulare e può trasportare glucosio indifferentemente dalla concentrazione), GLUT2 (evidenziato a livello del tubulo contorto, nella zona del nefrone, nel fegato e nelle cellule beta del pancreas, assicura che il glucosio entri nel fegato solo in periodi di abbondanza), GLUT3 (presente nella placenta e nei neuroni, è molto sensibile alle basse concentrazioni dello zucchero), GLUT4 (è modulato dall'ormone insulina e media l'entrata di glucosio nel muscolo e nel tessuto adiposo) e GLUT5 (sembra essere specifico per lo zucchero fruttosio, è presente nella membrana baso-laterale degli eritrociti, lavora con il simporto sodio/glucosio).

L'assunzione del glucosio è mediata dai trasportatori GLUT1 e GLUT2 per gli epatociti, GLUT3 per i neuroni e GLUT4 per la muscolatura scheletrica e cardiaca e per il tessuto adiposo, quest'ultimo è sequestrato in vescicole e viene diretto alla membrana plasmatica solo in risposta al segnale mediato dall'insulina. Le differenze tra i vari trasportatori sono legate soprattutto alla velocità con cui questi si saturano: il trasportatore per il tessuto nervoso, ad esempio, non è mai saturo e quindi continua a garantire un apporto costante di glucosio al cervello, mentre il trasportatore per gli epatociti è in grado di rispondere in modi diversi a seconda delle quantità intra ed extracellulari di glucosio.

Niacina

La niacina, anche nota come vitamina B3, vitamina PP (pellagra preventing factor), è una vitamina idrosolubile, molto resistente al calore, alla luce, all'aria, agli acidi e agli alcali. La niacina è un efficace disintossicante (anche per narcotici e alcool). La niacina è efficace per la circolazione e la riduzione del tasso di colesterolo nel sangue, ma è anche vitale per una corretta attività del sistema nervoso, per il mantenimento della salute della pelle e della lingua e per la formazione dei tessuti del sistema digestivo. È necessaria per la sintesi degli ormoni sessuali.

I sintomi da carenza di niacina sono molti. Nella prima fase si manifestano debolezza muscolare, stanchezza generale, perdita dell'appetito, cattiva digestione e svariate eruzioni cutanee. La carenza di niacina può causare anche alito cattivo, piccole ulcere, insonnia, irritabilità, nausea, vomito, mal di testa ricorrente, gengive sensibili, bruciori alla bocca e alla lingua, tensione e profonda depressione. Una grave carenza di niacina può causare la pellagra, caratterizzata da dermatiti, diarrea, pelle rugosa e infiammata, tremori, disordini nervosi e demenza. Molte disfunzioni digestive che causano irritazione e infiammazione alle mucose della bocca e del tratto intestinale sono dovute a carenza di niacina.

La niacina viene assorbita a livello intestinale, dopo un processo di idrolisi, sotto forma di nicotinammide e acido nicotinico; tali sostanze vengono poi cedute ai vari tessuti. Viene immagazzinata soprattutto a livello epatico. Oltre che per via alimentare, la vitamina B3 può essere sintetizzata a partire da uno degli aminoacidi essenziali, il triptofano. L'assorbimento di vitamina B3 può essere ridotto dal fumo di sigaretta. La pellagra è una malattia causata da un deficit di niacina o triptofano nella dieta o da uno malassorbimento, dovuto a malattie gastrointestinali o un eccessivo consumo di mais e altri carboidrati o farmaci antibiotici. I sintomi della pellagra sono confusione mentale, delirio, nausea, mucosa infiammata e pelle squamata e con piaghe.

Il NAD e il NAD fosfato costituiscono le due forme attive della niacina (nota anche come vitamina PP o vitamina antipellagra – la sigla PP sta per Pellagra Preventing); il NADH è un coenzima che interviene nel ciclo di produzione aerobica dell'energia (catena di trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa). Questo coenzima esiste in due forme, una ossidata (NAD, più correttamente NAD⁺) e l'altra ridotta (NADH, ha accettato un elettrone; più correttamente NADH+H⁺; in alcuni casi la si indica con la sigla NADH₂); è presente in tutte le cellule con funzione di trasportatore degli elettroni.

Glicogenolisi

La glicogenolisi è un processo metabolico di scissione del glicogeno in glucosio, che avviene nel fegato e nei muscoli sotto stretto controllo ormonale. L'enzima glicogeno fosforilasi nel muscolo esiste in due forme convertibili tra loro: la forma "a" attiva e la forma "b" meno attiva. L'enzima fosforilasi b chinasi è responsabile dell'attivazione della fosforilasi grazie al trasferimento di un gruppo fosfato; questo enzima è a sua volta attivato dall'epinefrina o dal glucagone. Quando il muscolo torna a riposo, un secondo enzima chiamato fosforilasi a fosfatasi rimuove il gruppo fosfato convertendo la forma "a" in forma "b". Analogamente anche la glicogeno fosforilasi esiste in due forme e, in linea con la sua azione opposta, sarà la forma non fosforilata ad essere attiva. Questo enzima è notevole per la sua capacità di essere fosforilato da almeno undici protein chinasi diverse, tra cui la più importante è la glicogeno sintetasi chinasi 3 (GSK3). Questo enzima regolatore non può fosforilare la sintasi se prima questa non è stata fosforilata dalla casein chinasi II in un processo definito priming. Nel fegato la conversione tra le forme "a" e "b" è promossa da PP1 (fosfoprotein fosfatasi 1) che rimuove i gruppi fosfati collocati da GSK3.

Le unità di glucosio dalle ramificazioni esterne del glicogeno entrano nella via glicolitica attraverso l'azione di tre enzimi: glicogeno fosforilasi, enzima deramificante del glicogeno e fosfoglucomutasi. Il primo enzima catalizza la reazione in cui un legame glicosidico tra due residui di glucosio ad un'estremità non riducente viene attaccato da un fosfato inorganico rimuovendo un residuo terminale sotto forma di α-D-glucosio1-fosfato. Per questa reazione il piridossal fosfato è un cofattore essenziale anche se questo è un ruolo inusuale in quanto di solito è un cofattore nel metabolismo degli aminoacidi. L'azione della glicogeno fosforilasi continua fino a che non raggiunge un punto quattro residui a monte di un legame α1-6, cioè ad una ramificazione, dove la sua attività si ferma. Un'ulteriore degradazione da parte della fosforilasi può avvenire solo a seguito dell'azione dell'enzima deramificante che catalizza due reazioni successive che trasferiscono ramificazioni intere: i tre residui lasciati dalla fosforilasi vengono staccati e portati all'estremità non riducente di una seconda ramificazione e l'attività del primo enzima è libera di continuare.

Il glucosio 1-fosfato viene convertito a glucosio 6-fosfato dall'azione della fosfoglucomutasi, che catalizza la reazione reversibile Glucosio 1-fosfato ⇔ Glucosio 6-fosfato e si ha l'ingresso nella glicolisi e dunque nel rifornimento energetico al tessuto.

La degradazione del glicogeno a glucosio-6-fosfato nel fegato è promossa dall'azione dell'ormone glucagone, mentre nei tessuti muscolari e cardiaci è promossa dall'adrenalina. In contemporanea, inoltre, questi ormoni stimolano la sintesi del glicogeno a partire dal glucosio (glicogenosintesi), e la produzione di glucosio a partire dal lattato e da alcuni amminoacidi nel processo metabolico definito gluconeogenesi. Il legame del glucagone o dell'adrenalina ai loro specifici recettori di membrana attiva l'adenilato ciclasi, determinando quindi un aumento, a partire dall'ATP, della velocità di sintesi dell'AMP ciclico (cAMP), il quale attiva successivamente la proteina chinasi A. La proteina chinasi A, così attivata, può catalizzare la fosforilazione di un altro enzima, la fosforilasi-chinasi, che risulta così a sua volta attivata. La fosforilasi-chinasi fosforilata catalizza la fosforilazione della fosforilasi b nella sua forma attiva chiamata fosforilasi a. La fosforilasi a, ora, può scindere il glicogeno addizionando PO₄³⁻ ai residui di glucosio e formando in questo modo glucosio-1-fosfato che viene rapidamente trasformato in glucosio-6-fosfato. In questa forma, il glucosio può entrare nella via glicolitica o essere defosforilato e, dopo essere stato trasportato attraverso la membrana plasmatica, può entrare nel circolo sanguigno.