Biochimica degli alimenti, della nutrizione e delle malattie metaboliche mod.2 prinetti

Lezioni Prinetti - 23 novembre

Biochimica delle malattie metaboliche

Cosa si intende per biochimica delle malattie metaboliche? Per biochimica si intende l'insieme di reazioni chimiche che avvengono all'interno di un essere vivente (non necessariamente in una cellula).

Che cos'è una malattia metabolica?

Con il termine metabolismo, in generale, si indica l'insieme dei processi che l'organismo mette in atto per trasformare le proteine, i grassi e gli zuccheri contenuti negli alimenti in altri composti utili, oppure in sostanze più semplici allo scopo di ricavarne energia. Le malattie metaboliche sono un gruppo di patologie del metabolismo rare, genetiche e non tutte di natura ereditaria, molte delle quali non hanno ancora una diagnosi certa né una terapia. Esse sono causate da un difetto nella catena di funzionamento delle reazioni metaboliche, dove per un piccolissimo tassello una sostanza può non essere correttamente metabolizzata, può accumularsi in eccesso interferendo con altre funzioni, può essere metabolizzata attraverso sistemi alternativi con la liberazione di intermedi tossici, oppure determinare un disturbo della crescita.

Cosa sono gli enzimi?

Sono i catalizzatori di quelle reazioni chimiche che avvengono all'interno di un organismo vivente; il catalizzatore aumenta la velocità di una reazione.

Reazioni spontanee e non spontanee

In un generico sistema chimico, una certa aliquota di energia è conservata dalle specie reagenti sotto forma di energia di legame, associata ai legami chimici che tengono uniti gli atomi che compongono le entità molecolari delle specie chimiche in questione. Durante lo svolgimento di una reazione chimica, alcuni o tutti i legami chimici associati alle specie reagenti si rompono, rilasciando una certa quantità energia, quindi si formano nuovi legami chimici grazie all'assorbimento di una certa quantità energia. A reazione avvenuta, dunque, una certa aliquota di energia è conservata dalle specie prodotte sotto forma di energia di legame.

Tale energia di legame "finale" associata alle specie prodotte può essere maggiore o minore rispetto all'energia di legame "iniziale" associata alle specie reagenti. Se l'energia di legame finale è minore dell'energia di legame iniziale, vuol dire che è stata rilasciata verso l'ambiente una certa quantità di energia (ad esempio sotto forma di calore): in tal caso si dice che la reazione è "spontanea". Se invece l'energia di legame finale è maggiore dell'energia di legame iniziale, vuol dire che è stata assorbita dall'ambiente una certa quantità di energia (ad esempio sotto forma di calore): in tal caso si dice che la reazione non è spontanea.

Le trasformazioni che hanno luogo durante una reazione chimica spontanea portano dunque a una diminuzione dell'energia totale del sistema, mentre le trasformazioni che hanno luogo durante una reazione chimica non spontanea portano a un aumento dell'energia totale del sistema. Tale energia totale del sistema è pari alla grandezza termodinamica chiamata "energia libera di Gibbs" nel caso in cui la reazione avvenga a temperatura e pressione costanti.

Reazioni esoergoniche e endoergoniche

Le reazioni che avvengono all'interno degli organismi sono divise in endoergoniche ed esoergoniche in base alle variazioni di energia tra i reagenti e i prodotti della reazione. Vengono chiamate esoergoniche quelle reazioni in cui il contenuto di energia dei prodotti è diminuito rispetto a quello dei reagenti: si è avuta quindi una liberazione di energia verso l'esterno. Un esempio di reazione esoergonica può essere quello della demolizione del glucosio, ma più in generale ogni reazione del catabolismo. Vengono chiamate endoergoniche quelle reazioni in cui il contenuto di energia dei prodotti è aumentato rispetto a quello dei reagenti: si è avuta quindi un assorbimento di energia dell'esterno. Un esempio di reazione endoergonica può essere quello della sintesi del glucosio, ma più in generale ogni reazione dell'anabolismo.

La velocità delle reazioni chimiche

Una reazione chimica che avviene dentro la cellula o in altre parti dell'organismo avviene sempre con la stessa velocità? Può cambiare in base a esigenza; deve essere regolabile.

Cos'è l'enzima dal punto di vista chimico?

È una proteina! L'enzima è un ottimo catalizzatore perché è una proteina; una proteina è una struttura che si adatta molto bene a catalizzatore. Quando le proteine vengono sintetizzate, la proteina subisce quelle che si chiamano le "strutture di ordine superiore", struttura 3D (non la struttura primaria che è la sequenza di amminoacidi ma la struttura 2°, 3°, 4°). Facilmente si può modificare la loro struttura e quindi può essere modificata la loro attività.

L'enzima trasforma A (substrato) in B (prodotto); perché il substrato diventa un prodotto? Perché c'è un enzima che può legare il substrato dato che sull'enzima vi è un sito di legame per il substrato; e perché c'è un sito di legame per il substrato? Per esempio, nell'emoglobina che è una proteina c'è un sito di legame per la molecola che deve essere trasformata che è l'ossigeno, ma quello che vi è dietro è molto simile all'azione dell'enzima infatti viene preso ad esempio per far capire come funzionano gli enzimi; l'enzima ha un sito di legame per il substrato perché ha una struttura tridimensionale per cui certi gruppi laterali degli amminoacidi, certe catene, certe porzioni della sua struttura si dispongono in un certo modo nello spazio, e formano una zona, una cavità.

La struttura tridimensionale dell'enzima può cambiare la sua struttura, possono modificarsi le interazioni deboli, quindi la struttura dell'enzima cambia la struttura del substrato perché essa stessa è in grado di cambiare la sua struttura (perché l'enzima è una proteina).

Ricapitolando, l'attività degli enzimi è determinata dalla struttura quaternaria (ovvero l'arrangiamento spaziale delle subunità) e dalla struttura terziaria (ovvero la conformazione tridimensionale) degli enzimi stessi. La maggior parte degli enzimi presenta dimensioni decisamente maggiori dei substrati su cui agiscono. Solitamente la regione dell'enzima coinvolta nell'attività catalitica è molto ridotta (conta spesso solo 3-4 amminoacidi). La regione contenente questi residui catalitici, nota come sito attivo, si occupa di prendere contatto con il substrato e di portare a termine la reazione. Gli enzimi possono anche contenere regioni che legano cofattori necessari per la catalisi. Alcuni enzimi sono provvisti, oltre che del sito attivo, anche di cosiddetti siti allosterici, che funzionano come degli interruttori, potendo bloccare o attivare l'enzima. Quando una molecola particolare fa infatti da substrato per questi siti, la struttura dell'enzima viene completamente modificata, al punto che esso può non funzionare più. Al contrario, può avvenire che la deformazione metta in funzione l'enzima. Molto spesso la deformazione consiste in un riorientamento dei domini che compongono l'enzima in modo da rendere il sito attivo più accessibile (attivatori) o meno accessibile (inibitori). Queste molecole che regolano l'attività enzimatica sono dette effettori allosterici o modulatori allosterici.

Il sito allosterico può essere anche lo stesso sito attivo dell'enzima: in questo caso, in genere, gli attivatori sono gli stessi reagenti, mentre gli inibitori allosterici saranno i prodotti.

Inibizione enzimatica

L'attività enzimatica può essere influenzata da altre molecole. Esistono infatti molecole in grado di inibire tale attività (molti farmaci e veleni sono inibitori enzimatici). Sono note anche molecole attivatrici dell'enzima, in grado di aumentarne l'attività. L'attività può essere anche influenzata dalla temperatura, dal pH e dalla concentrazione di substrato. Gli inibitori enzimatici sono sostanze in grado di diminuire o annullare l'azione catalitica di un enzima. Possono agire legandosi al sito attivo competitivamente al substrato (inibizione competitiva) o legandosi a un sito allosterico. L'inibizione può essere reversibile, rendendo possibile il ripristino della funzione catalitica dell'enzima tramite aumento della concentrazione del substrato rispetto all'inibitore; o irreversibile con l'impossibilità di poter ripristinare l'attività catalitica.

La maggior parte degli enzimi presenta una notevolissima specificità per la reazione catalizzata e per i substrati coinvolti. Tale specificità è legata a diversi fattori che caratterizzano l'associazione tra il substrato e il sito attivo, come la complementarietà dal punto di vista strutturale, le cariche elettriche, la natura idrofila o idrofoba.

Dal momento che il controllo dell'attività enzimatica è necessario per l'omeostasi cellulare, qualsiasi suo malfunzionamento può indurre risultati patologici. Mutazioni, sovrapproduzione o sottoproduzione del gene codificante per un enzima può indurre ad esempio una patologia genetica. L'importanza degli enzimi nei processi cellulari può essere ulteriormente dimostrata dal fatto che il malfunzionamento di un solo enzima (su migliaia) è in grado di indurre una patologia seria.

Ad esempio, la fenilchetonuria è dovuta alla mutazione di un solo amminoacido nel gene per la fenilalanina idrossilasi, che catalizza il primo step nella conversione della fenilalanina a tirosina, essenziale per evitare all'organismo gli effetti tossici dovuti all'accumulo ematico di fenilalanina. Tale mutazione genera la perdita di ogni attività enzimatica, con conseguenze neurologiche gravi, tra cui un importante ritardo mentale.

Lezioni Prinetti - 26 novembre

C'è una reazione A che diventa B grazie a un determinato enzima, tolgo l'enzima e non si forma più B e questo può avere delle conseguenze gravissime o non gravissime. Una reazione A che diventa B in un organismo non è mai fine a se stessa, di solito A diventa B perché B deve diventare C, perché C deve diventare D, perché D deve diventare E e così via; questa è quella che si chiama una "via di reazione". Ad esempio, quando utilizziamo glucosio per produrre energia all'interno delle cellule, facciamo una via di reazione, una trentina di reazioni diverse; se manca un enzima che catalizza le reazioni, la via metabolica viene rallentata con in alcuni casi conseguenze estremamente gravi; ad esempio, ci sono malattie metaboliche legate a difetti di enzimi che sono in grado di metabolizzare il glicogeno.

Altra cosa che può succedere quando A non diventa B, è che si accumula A, ciò vuol dire che una molecola che normalmente è presente nella cellula a una determinata concentrazione all'improvviso altera la sua concentrazione nella cellula; la sua concentrazione diventa estremamente più alta con delle conseguenze molto importanti: per esempio, può diventare molto pericolosa, tossica per l'organismo! Per esempio, il glucosio che è il nutriente principale del sangue, molecola normalmente presente nell'organismo, quando è presente al di sopra della sua concentrazione diventa tossica, pericolosa per l'organismo.

Non solo vi è la possibilità che la molecola che non viene trasformata diventa tossica, ma c'è anche un'altra possibilità: nella cellula esistono diverse vie enzimatiche, alcune di queste vie enzimatiche competono per le stesse molecole, ciò vuol dire che di solito A può diventare B (la reazione appena descritta), però magari A può diventare anche C, quindi ci sono 2 reazioni che competono per A. Se A diventa C, di solito vuol dire che l'enzima che catalizza la reazione che trasforma A in B, si dice ha un'affinità maggiore per l'altro enzima. Cosa vuol dire? Vuol dire che quando la concentrazione di A è quella che c'è normalmente in una cellula funziona l'enzima che trasforma A in B, e non l'enzima che trasforma A in C, ma se per qualche motivo l'enzima che trasforma A in B non c'è, e la concentrazione di A aumenta, può essere che il secondo enzima che prima funzionava molto poco perché ha un'affinità più bassa per il substrato entri in gioco e cominci a trasformare A, quindi si innesca una via di reazione che normalmente va con una velocità molto bassa e questa via di reazione può portare alla formazione di prodotti che non sono A ma che derivano da un anomalo accumulo di A e che possono essere tossici.

Le conseguenze di quella che è un prototipo di malattia metabolica sono senza dubbio conseguenze molto gravi e sono legate a difetti delle vie enzimatiche. Quando pensiamo a una malattia metabolica, ci viene in mente per esempio il diabete; perché il diabete è una malattia metabolica? Ci sono delle forme di diabete dove la quantità di insulina è del tutto normale quindi l'insulina non è coinvolta necessariamente; una malattia metabolica come il diabete, non è una malattia in cui abbiamo un difetto di una reazione enzimatica ma c'è di difettoso qualcosa che non ha tanto a che fare con la capacità di far avvenire una reazione ma di far avvenire nel complesso un insieme di cose; si può dire che il diabete è una malattia metabolica perché l'organismo non è in grado per motivi estremamente diversi di utilizzare il glucosio per produrre energia; ci sono determinati tessuti, che nel diabete, nonostante abbiano glucosio a disposizione, sono costretti a usare altre molecole per produrre energia perché quella via metabolica che serve per usare il glucosio per produrre energia non funziona correttamente (1° conseguenza) e l'altra conseguenza è che si accumula il glucosio (iperglicemia = accumulo di glucosio)!

Quindi, che cos'è che non va nel diabete? Cosa non permette di utilizzare il glucosio nel modo corretto? Se l'ormone insulina non c'è o funziona male, il glucosio viene fosforilato meno nel fegato dall'enzima inducibile glucochinasi (infatti uno dei modi di azione dell'insulina –ormone ipoglicemizzante- per abbassare la concentrazione glucidica in circolo è proprio quello di stimolare negli epatociti la sintesi di grandi quantità di enzima glucochinasi, in grado di avviare la glicogeno sintesi e immagazzinare glucosio nel fegato) (enzima inducibile significa che i livelli di sintesi nell'organismo variano perché la sua sintesi può essere indotta o repressa; il contrario di enzima inducibile è enzima costitutivo che invece significa che è un enzima sempre presente in quantità costante in un organismo), quindi viene usato poco e male!

Ripasso meccanismi regolazione attività enzimatica

In una cellula le varie vie metaboliche devono funzionare in maniera coordinata. La regolazione dell'attività enzimatica consente di rispondere alle diverse esigenze metaboliche della cellula. In ogni via metabolica una o più reazioni sono catalizzate da enzimi regolatori. Gli enzimi regolatori possono aumentare o ridurre la loro attività catalitica in risposta a determinati segnali.

• Enzimi allosterici  Gli enzimi allosterici possiedono: un sito catalitico al quale si lega il substrato/i; un sito regolatore al quale si lega il modulatore/i (effettore/i). Gli enzimi allosterici esistono in due stati conformazionali interconvertibili tra loro: conformazione tesa (T); conformazione rilassata (R). Il legame del substrato e/o dei modulatori determina il cambio conformazionale verso l'una o l'altra conformazione. L'enzima in conformazione tesa (T) è caratterizzato da: bassa affinità per il substrato e minore attività catalitica; L'enzima in conformazione rilassata (R) è caratterizzato: alta affinità per il substrato e maggiore attività catalitica. Piccole variazioni di concentrazione del substrato possono determinare notevoli variazioni nell'attività dell'enzima. Il principale regolatore dell'attività catalitica degli enzimi allosterici è il substrato stesso. Gli enzimi allosterici sono regolati anche da molecole diverse dal substrato, i modulatori. Il modulatore può indurre l'attivazione dell'enzima (modulatore positivo) o l'inattivazione (modulatore negativo). Il modulatore positivo spinge l'enzima verso la conformazione R. Il modulatore negativo spinge l'enzima verso la conformazione T.
• Enzimi regolati mediante modificazioni covalenti reversibili  La modificazione covalente reversibile consiste nell'aggiunta o rimozione di alcuni gruppi chimici su determinati residui amminoacidici della molecola di enzima. I gruppi chimici sono il fosfato, l'adenosina monofosfato, l'uridina monofosfato e i gruppi metilici. Questi gruppi possono legarsi all'enzima ed essere rimossi mediante l'azione di specifici enzimi. La fosforilazione di specifici residui amminoacidici è uno dei meccanismi più comuni di regolazione dell'attività enzimatica. L'aggiunta dei gruppi fosfato è catalizzata da una proteina chinasi. La rimozione dei gruppi fosfato avviene ad opera di una proteina fosfatasi. La fosforilazione di determinati residui amminoacidici causa modificazioni strutturali dell'enzima con conseguente modificazione dell'attività catalitica. Alcuni enzimi sono attivati mediante modificazione covalente irreversibile. Ad esempio, gli enzimi digestivi (pepsina, tripsina, chimotripsina) sono secreti in forma inattiva (zimogeni). La conversione nella proteina matura richiede uno o più tagli proteolitici che determinano modificazioni conformazionali che favoriscono la formaz