Biochimica (organo e ormonale)

Biochimica III

Biochimica Ormonale

• Insulina e Glucagone

• Ormoni pituitari e ipotalamici

• Ormoni Tiroidei

• Ormoni della corteccia surrenalica

• Ormoni delle gonadi

• Ormoni della midollare del surrene mah

CdL in Medicina e Chirurgia Biochimica (C.I.) // A.A. 2020-21

Insulina e Glucagone

• Si tratta di ormoni pancreatici di natura peptidica.

• Il pancreas è formato da una porzione esocrina che secerne enzimi e ioni con funzione digestiva

nel lume intestinale, e da una porzione endocrina (rappresentate dalle isole di Langherhans) che

produce quattro molecole diverse: insulina, glucagone, somatostatina (prodotta anche a livello

ipotalamico) e polipeptide pancreatico.

• A livello degli isolotti di Langherhans vi sono quattro tipologie di

cellule diverse:

Cellule α (25%), producono glucagone

• Cellule β (70%), producono insulina

• Cellule δ (5%), producono somatostatina

• Cellule γ, producono polipeptide pancreatico (presenti in tracce)

•

• Insulina e glucagone influenzano tutti i metabolismi dell’organismo.

• L’insulina ha azione ipoglicemizzante, il glucagone ha azione

iperglicemizzante.

• I livelli normoglicemici rientrano nell’intervallo di 70-110 mg/100mL

di plasma.

Enzimi regolati da insulina e glucagone

• Se il rapporto insulina/glucagone è a favore dell'insulina si ha l'attivazione di enzimi che devono

dare una risposta anabolica, si tratta degli enzimi: glucochinasi, acetil-CoA carbossilasi, HMG-

CoA reduttasi, piruvato chinasi, fosfofruttochinasi I.

• Quando predomina il glucagone si ha l'attivazione di enzimi impegnati in vie cataboliche come:

glucosio 6-fosfatasi, PEPCK, fruttosio 1-6 bisfosfatasi.

• Questi rappresentano solo una parte degli enzimi attivati, che nel caso dell’insulina intervengono

principalmente a livello anabolico, nel caso del glucagone a livello catabolico.

• L’insulina ha un recettore ad attività tirosin-chinasica, quindi interagendo con tale recettore

determina la fosforilazione su residui si tirosina ma a valle determina anche reazioni di

defosforilazione, per cui gli enzimi attivati da insulina sono attivati tramite defosforilazione.

Insulina

• L’insulina è un ormone peptidico, formato da due catene A e B,

costituite rispettivamente da 21 e 30 amminoacidi.

• L’insulina è importante poiché è la proteina dei primati, dal momento

che è stata la prima proteina ad essere stata cristallizzata, la prima

proteina prodotta con tecniche del DNA ricombinante, la prima

proteina ad essere stata sequenziata (sia per la sua importanza come

regolatore metabolico, sia perché è una proteina con struttura molto

semplice).

• A livello dell’insulina si trovano ponti disolfuro intracatena a livello della

catena A e ponti disolfuro intercatena tra catena A e B, che si formano

durante il processo di sintesi e traslocazione dell’insulina dal REL alle

vescicole di secrezione.

• Essendo una proteina di secrezione, l’insulina viene sintetizzata come

pre-pro-ormone

• Nel momento in cui inizia la sintesi questa proteina viene inserita a

livello delle membrane del RE e traslocata nel lume del RE grazie alla

presenza di una sequenza segnale amino-terminale

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• Tale sequenza viene riconosciuta da determinate signal-recognition-particels per indirizzarla a

livello del RE.

• Questa sequenza segnale è poi rimossa nel RE

• Aquesto livello l’insulina è ancora sotto forma di unico polipeptide, ovvero quello che viene

tradotto è un peptide che contiene sia catena A che B, le quali sono divise da una sequenza che

darà origine poi al cosiddetto peptide C.

• A partire dalla sequenza amino-terminale vi sono quindi la sequenza segnale, la catena B, la

sequenza che formerà il peptide C e la catena A.

• Durante la traslocazione verso il RE vengono formati i ponti disolfuro e solo successivamente

per taglio proteolitico viene rimossa la sequenza che formerà il peptide C, che quindi non sarà

presente a livello della proteina matura.

• La produzione del peptide C è equimolare con la sintesi di insulina: il peptide C non ha attività

biologica ma ha importanza diagnostica, poiché viene utilizzato per dosare indirettamente la

quantità di insulina endogena in pazienti trattati con insulina esogena.

Il recettore per l’insulina

• Ha una struttura tetramerica con subunità α che

legano l’insulina e subunità β dotate di attività

tirosin-chinasica che si transfosforilano in

tirosina.

• L'IR è costituito da due subunità α extracellulari

bersaglio dell’insulina legate con ponti disolfuro

a due subunità β intracellulari le quali hanno

attività tirosino-chinasica.

• Il recettore si autofosforila su residui di tirosina

e scatena una serie di eventi intracellulari

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Effetto mitogenico dell’insulina

• Il recettore ha sempre una struttura tetramerica,

anche quando inattivo, e presenta come target

principale IRS-1, ovvero il punto di snodo delle due

vie principali che si dipartono dal recettore insulinico,

ovvero la via mitogenica (l'insulina è un debole

mitogeno) che passa dall'attivazione delle MAPK e la

via metabolica. La regolazione del metabolismo del glucosio da

1. Il recettore di

insulina fosforila insulina:

Regolazione insulinica del metabolismo del glucosio

IRS1

• La via metabolica passa attraverso la

2.

fosfatidilinositolo 3-chinasi (specifica

PI3P attiva PKB

per i fosofilipidi di membrana) che

3. La PKB stimola la

fosforila in posizione 3 il

traslocazione alla

fosfatidilinositolo 4,5-bisfosfato

membrana di Glut4

trasformato in PIP3.

• PIP3 va quindi ad attivare la PKB

glucosio incrementa

attraverso una proteina che è la PDK1,

questa PKB poi fosforilerà la GSK3.

4. PKB fosforila GSK3

su ser e la

• L’insulina determinerà anche a livello del

INATTIVA

tessuto adiposo la traslocazione dei

5.

trasportatori GLUT4 alla membrana per

convertita nella

promuovere l'uptake del glucosio.

forma inattiva per

fosforilazione da

• L’insulina agisce a livello del tessuto

GSK3 e resta attiva

muscolare, del tessuto adiposo e del

fegato. 6. La sintesi di

• I metabolismi influenzati sono:

accellerata

Metabolismo del glucosio

• Metabolismo del glicogeno

• Metabolismo degli acidi grassi

• Regolazione della sintesi proteica

•

• Classicamente l’insulina ha un ruolo anabolico (di sintesi e up-regolazione).

Metabolismo del glucosio

• Incrementa l'uptake cellulare del glucosio.

• Incrementa l'utilizzo del glucosio (glicolisi).

• Incrementa la glicogenosintesi.

• Si ha la diminuzione della gluconeogenesi (l'insulina a livello del fegato determina la diminuzione

del glucosio libero del plasma, il glucosio viene infatti conservato sotto forma di glicogeno).

• Si ha diminuzione della glicogenolisi (tramite la regolazione della glucosio 6-fosfatasi che porta a

una diminuzione della disponibilità di glucosio libero).

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Sintesi di glicogeno

• La sintesi del glicogeno è promossa dall’insulina.

• L’enzima coinvolto in questa via è la glicogeno sintasi che, utilizzando come substrato attivato

l’UDP glucosio, aggiunge residui di glucosio a partire da una piccola sequenza preformata di

glicogeno.

• La glicogenina è la proteina alla quale si attaccano le prime molecole di glucosio e sulla quale

poi andrà ad agire la glicogeno sintasi che non riesce a sintetizzare ex-novo la formazione del

legame glicolitico tra due residui di glucosio liberi.

Glicogenolisi

• Dall’altra parte, al termine del metabolismo che prevede la degradazione del glicogeno, è

glicogenolisi

presente la glicogeno fosforilasi che con un meccanismo fosforolitico, ovvero utilizzando un

fosfato inorganico, stacca glucosio 1-fosfato dalle catene di glicogeno nei punti in cui non si ha

ramificazione.

• Laddove si ha legame α-1,6 viene rilasciato glucosio libero.

Regolazione della PKA mediata da cAMP

• A monte della cascata della glicogenolisi si ha l'attivazione

della PKA che fosforila nel caso della glicogenolisi la

glicogeno-fosforilasi-chinasi, la quale è a monte della

glicogeno fosforilasi.

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Fosforilasi cinasi

• L’isoforma muscolare della glicogeno-fosforilasi-cinasi è parzialmente attiva tramite

fosforilazione e risulta essere completamente attivata quando si innalzano i livelli del calcio.

• Quindi da un lato si trova fosforilata dalla PKA mentre dall’altro la contrazione muscolare

determina l'innalzamento livelli di calcio, il quale lega la subunità δ dell’enzima (una

calmodulina).

• La glicogeno-fosforilasi-cinasi è un grande enzima formato da 4 subunità diverse, ciascuna della

quali è rappresentata 4 volte, per un totale di 16 subunità che costituiscono l’enzima.

La fosforilasi cinasi:

• Le subunità β sono fosforilate dalla PKA e le subunità δ rispondono al calcio.

Enzimi chiave regolati dall’insulina

• La glicogeno-fosforilasi è l’ultimo enzima che con un meccanismo fosforolitico stacca i residui di

forma B inattiva forma A

glucosio dal glicogeno ed esiste in due forme: la non fosorilata e e la

attiva.

fosforilata e

• L’insulina ha un effetto inibitorio sulla glicogeno-fosforilasi, determinando defosforilazione su di

esso.

• Il livello di fosforilazione di questo enzima dipende dall’azione della fosfatasi PP1 e dalla

glicogeno-fosforilasi-cinasi a monte.

• La glicogeno sintasi, enzima che sintetizza glicogeno, viene attivato dall’insulina tramite

defosforilazione.

• L’attivazione dell’insulina non è diretta su questo enzima ma agisce su una fosfodiesterasi

specifica per il cAMP e agisce attivando la PP1 (fosfoproteina fosfatasi).

• La fosfodiesterasi per il cAMP catalizza la conversione del cAMP ad AMP, disattivando il

secondo messaggero.

• La cascata di cAMP determina l'attivazione della glicogenolisi, quindi l’insulina taglia il segnale

tagliando a monte il secondo messaggero cAMP.

• L’altra via è data dall'attivazione della PP1 che defosforila in maniera specifica la glicogeno-

fosforilasi-cinasi, la glicogeno-fosforilasi e la glicogeno sintasi determinando l’inattivazione delle

prime due (coinvolte nella cascata della glicogenolisi) e l’attivazione dell’ultima (coinvolta nella

glicogenosintesi).

• Anche se a monte viene attivata una cascata di fosforilazione in tirosina, a valle, a livello dei vari

enzimi, si hanno azioni di defosforilazione poiché una delle principali molecole attivate è la

fosfatasi PP1 determinando così l'inattivazione della glicogenolisi e l'attivazione della

glicogenosintesi.

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• A livello della gluconeogenesi e della glicolisi, l’insulina determina:

L’attivazione della PFK1 (fosfofruttochinasi-1), un enzima chiave della via glicolitica regolato in

• maniera allosterica dai livelli di fruttosio 2,6-bisfosfato, i cui livelli a sua volta sono regolati

dall’enzima tandem, enzima bifunzionale che contiene attività chinasica (fosfofruttochinasi 2) e

attività fosfatasica.

L’insulina attiva la fosfofruttochinasi-2, che promuove la sintesi del fruttosio 2,6-bisfosfato,

• che attiva la fosfofruttochinasi1, promuovendo la via glicolitica.

In maniera opposta inibisce la fruttosio 1,6-bisfosfatasi, enzima della via gluconeogenica.

• Inibisce la sintesi della fosfoenolpiruvato carbossichinasi e della G6P fosfatasi (enzimi chiave

• della via gluconeogenetica).

Aumenta la sintesi della glucochinasi, il primo enzima della via glicolitica, quindi l'insulina

• indirizza il glucosio all’interno della cellula fosforilandolo per intrappolarlo dentro la cellula.

• Il fruttosio 2-6 bisofosfato (F26BP) è regolato dagli ormoni insulina e glucagone in maniera

opposta:

Il glucagone provoca un abbassamento dei livelli cellulari di F26BP, inibendo la glicolisi e

• attivando la gluconeogenesi.

L’ insulina aumenta i livelli cellulari di F26BP, attivando la glicolisi e inibendo la

• gluconeogenesi.

Metabolismo lipidico e proteico

• L’insulina svolge un ruolo anabolico andando a stimolare la lipogenesi: attiva infatti l'Acetil-CoA

carbossilasi tramite defosforilazione.

• Inoltre inibisce la lipolisi inattivando la lipasi ormone sensibile (ormone che determina il rilascio

di acidi grassi dai trigliceridi), tale ormone è invece attivato dal glucagone

• L’insulina promuove genericamente la sintesi proteica soprattutto a livello muscolare ed epatico.

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Glucagone

• SI tratta di un ormone proteico di piccole dimensioni, contenente 29 amminoacidi.

• Ha un'azione iperglicemizzante bersagliando organi quali il fegato e il tessuto adiposo.

• A livello muscolare invece, un’azione simile a quella del glucagone è svolta dall'adrenalina.

• Il glucagone è secreto in risposta ad abbassamenti di concentrazione del glucosio ematico e in

seguito a stimolazione da catecolammine.

Recettore GCPR per il glucagone

Il recettore del glucagone ha 7 domini transmembranali che attiva una proteina G stimolatoria,

• α

questa ha come effettore l'adenilato ciclasi determinando la sintesi del cAMP.

• Il cAMP attiva poi la cascata della PKA (si noti che questa via segnalatoria è invece tagliata

dall’insulina).

• La PKA fosforila e attiva la fosforilasi chinasi, che fosforila e attiva a sua volta la glicogeno

fosforilasi.

Effetti del glucagone

• A livello epatico, il glucagone stimola la gluconeogenesi (ovvero la sintesi ex-novo di glucosio),

stimola la glicogenolisi (cioè il rilascio di glucosio), inibisce la glicogenosintesi e la glicolisi.

• SI tratta quindi di un ormone che rende disponibile il glucosio in forma monomerica (glucosio

libero).

Effetto della PKA sulla PP1

• La fosfatasi PP1 è regolata da un inibitore della fosfatasi.

• Quando l’inibitore della fosfatasi è inattivo, questo è

defosforilato.

• La PKA attivata dal glucagone fosforila l'inibitore

attivandolo, quindi l’inibitore si lega alla fosfatasi e la

blocca.

• Quando vi sono alte concentrazioni di glucagone la

fosfatasi viene bloccata e gli enzimi coinvolti nella

glicogenolisi sono fosforilati e attivi.

• L’insulina invece attiva questa fosfatasi e quindi defosforila

gli enzimi coinvolti nella glicogenolisi inattivandoli mentre

defosforila la glicogeno sintasi attivandola.

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Effetti della variazione del cAMP sul metabolismo del glicogeno

• In seguito a un aumento dei livelli di cAMP indotto da glucagone la PKA fosforila la glicogeno

fosforilasi chinasi attivandola, questa poi fosforila e attiva la glicogeno fosforilasi che promuove

la glicogenolisi.

• A livello della sintesi di glicogeno la fosfatasi viene inattivata attraverso l'inibitore, per cui la

glicogeno sintasi fosforilata determina l'inibizione della glicogenolisi.

• La diminuzione dei livelli di cAMP determina l'inibizione della sintesi di glicogeno perché la via di

fosforilazione che dipende dal cAMP è meno attiva.

• Si ha poi un'alta attività di fosfatasi che va direttamente a defosforilare gli enzimi coinvolti nella

glicogenolisi inattivandoli, quindi defosforila la glicogeno sintasi attivandola e promuovendo la

sintesi di glicogeno.

Metabolismo del glicogeno in cellule muscolari

• Si analizza il caso del glucagone e degli effetti dell'equilibrio glucagone-insulina a livello del

metabolismo del glicogeno, metabolismo lipidico ed amminoacidi.

• In questo contesto la stimolazione dei recettori β-adrenergici è sinergica con la stimolazione

nervosa della fibra muscolare che determina un rilascio degli ioni calcio dal reticolo

Metabolismo del glicogeno in

sarcoplmastico.

• L'azione sinergica si viene a focalizzare sulla glicogeno fosforilasi-chinasi, un grosso enzima

cellule muscolari

formato da 16 subunità che contiene sia

subunità calmodulina-dipendenti sia subunità

che vengono fosforilate dalla PKA e quindi dai

livelli incrementati di cAMP.

• Sulla via glicogenolitica e sulla via di glicogeno

sintesi l'attivazione della stimolazione β-

adregnergica in sinergia con la stimolazione

nervosa fa sì che la cascata di attivazione che

porta all'attivazione della glicogeno fosforilasi-

chinasi e successivamente della glicogeno-

fosforilasi determini un aumento della

degradazione del glicogeno.

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• Nel caso della glicogenosintesi la fosforilazione ha effetto opposto, la PKA porta alla

fosforilazione della glicogenosinstasi e la fosforilazione ha effetto inibitorio sulla sintesi del

glicogeno, in questo caso si ha quindi un aumento della disponibilità del glucosio libero che

viene sfruttato poi nel contesto muscolare per creare energia necessaria alla contrazione.

Glucagone e adrenalina

• Il glucagone esercita la sua azione a livello degli

epatociti, l&