Regolazione metabolica

Regolazione metabolica

Per poter sopravvivere con successo in natura, i microrganismi devono essere in grado di rispondere rapidamente ai cambiamenti delle condizioni ambientali. Devono cioè regolare il tipo e la quantità di macromolecole che sintetizzano.

Tipi di regolazione enzimatica

La regolazione dell'attività di un enzima avviene dopo che la proteina è stata sintetizzata, ovvero a livello post traduzionale. La regolazione della quantità di un enzima, invece, può essere attuata a livello della trascrizione, variando la quantità di RNA messaggero prodotto, o della traduzione, traducendo o meno un mRNA in proteine.

• A livello del DNA, in seguito a modificazioni geniche (variazione di fase)
• A livello della trascrizione dell’mRNA mediante modulazione (induzione e repressione)
• Per modificazione della traduzione (regolazione operone ribosomale)
• Per modificazioni post-traduzionali (adenilazione della glutamminasintetasi)
• A livello enzimatico ad esempio le proteine allosteriche

Regolazione a livello del DNA: variazione di fase in Salmonella

Nel cromosoma dei batteri del genere Salmonella sono presenti due unità trascrizionali che codificano rispettivamente le proteine flagellari H1 e H2; nella seconda è presente anche un gene che codifica un repressore che si lega al promotore dell'unità trascrizionale H1 impedendone la funzione. Il promotore dell'unità trascrizionale H2 si trova in un elemento invertibile (un tipo di elemento trasponibile simile a un trasposone), che, oltre ai geni codificatori dei materiali necessari ai processi di trasposizione, codifica anche un enzima peculiare denominato DNA-invertasi, capace d'invertire l'orientamento dell'elemento che lo possiede nella sua collocazione nel cromosoma.

Se in coincidenza con la trascrizione della sequenza invertibile si produce l'enzima hin, tutto l'elemento invertibile cambia il suo orientamento nel cromosoma, per cui il promotore dell'unità trascrizionale H2 in esso contenuto assume anch'esso un orientamento opposto e non è più in grado di funzionare, portando al blocco della sintesi non solo di flagellina H2 ma anche del repressore per il promotore dell'unità trascrizionale H1. A questo punto, H1 inizia a funzionare, fornendo al batterio flagelli H1. Una successiva inversione del trasposone invertibile ripristinerà la condizione di partenza.

Questo elemento è responsabile della variazione di fase nella composizione antigenica dei flagelli e rende possibile nei batteri del genere Salmonella la presentazione di flagelli con due diversi makeup antigenici, consentendo di sottrarsi alla risposta immunitaria dell'ospite durante l'infezione.

Regolazione dell'attività enzimatica

Ci sono vari meccanismi per regolare un enzima già sintetizzato, quindi a livello di regolazione post-traduzionale.

Inibizione non covalente dell'attività enzimatica

In alcune proteine, l'attività enzimatica viene ridotta o inibita da alcuni composti cellulari specifici. Questi composti sono di solito correlati con le vie metaboliche delle quali l'enzima stesso fa parte. L'inibizione può essere dovuta a dei cambiamenti di tipo covalente o non covalente dell'enzima.

Tra le interazioni non covalenti si annoverano l’inibizione da feedback e gli isoenzimi.

Inibizione da feedback

L'inibizione enzimatica retroattiva da prodotto finale è l'inibizione allosterica dell'enzima da parte di uno o più dei suoi prodotti. Un tale meccanismo di regolazione è definito a feedback negativo, perché la quantità di prodotto generato dipende dalla concentrazione del prodotto stesso. I meccanismi di feedback negativo sono in grado di regolare finemente l'attività degli enzimi in base alle necessità della cellula, permettendo un'ottimizzazione della gestione dei metaboliti.

Inibendo la prima tappa, si inibisce effettivamente tutta la via biosintetica, in quanto non vengono più generati gli intermedi necessari come substrato per gli altri enzimi coinvolti nel processo. L’inibizione da feedback è reversibile, in quanto non appena il prodotto finale si esaurisce, la sintesi può riprendere. Tutto ciò è reso possibile grazie a una particolare proprietà dell’enzima inibito definita allosteria.

Un enzima allosterico ha due importanti siti di legame: il sito attivo, dove avviene il legame del substrato, e il sito allosterico, dove l'inibitore si lega in modo reversibile. Quando un inibitore si lega generalmente in modo non covalente al sito allosterico, la conformazione dell'enzima cambia così che il substrato non riesce più a legarsi efficientemente al sito attivo. Quando nella cellula diminuisce la concentrazione di inibitore, l'equilibrio favorisce la sua dissociazione dal sito allosterico, facendo così ritornare il sito attivo nella sua forma catalitica.

Per esempio, la prolina e l'arginina sono sintetizzate a partire dall'acido glutammico. Questi due amminoacidi possono controllare il primo enzima specifico per la propria sintesi senza interferire con gli altri, in modo che, per esempio, un eccesso di prolina non provochi nell'organismo una carenza di arginina.

Isoenzimi

Alcune vie biosintetiche che sono sotto controllo dell’inibizione da feedback utilizzano isoenzimi che catalizzano tutte la stessa reazione, ma sono soggette a sistemi di regolazione indipendenti. Un esempio è l’enzima DAHP-sintetasi che svolge un ruolo importante nella biosintesi degli amminoacidi aromatici in Escherichia coli. Ci sono tre diversi isoenzimi con attività di DAHP-sintetasi che catalizzano la prima reazione della via biosintetica; ciascuno di essi è regolato in modo indipendente da ognuno dei tre diversi amminoacidi che sono i prodotti finali delle rispettive vie metaboliche.

In questo caso, la quantità totale di attività enzimatica iniziale diminuisce gradualmente e si azzera soltanto quando sono presenti in abbondanza tutti e tre i prodotti di reazioni. Si parla di inibizione da feedback concertata perché ogni prodotto finale inibisce l'attività dell'enzima solo parzialmente, mentre la completa inibizione si ha soltanto quando sono presenti in eccesso tutti e tre i prodotti finali.

La modificazione covalente degli enzimi

Per modificazione covalente generalmente si intende l'addizione o delezione di piccole molecole alla proteina. Il legame del gruppo modificante provoca un cambiamento conformazionale della proteina e può alterare profondamente l'attività catalitica. La rimozione del gruppo modificante ripristina poi l'enzima nel suo stato attivo.

Fra i più comuni meccanismi di modificazione troviamo il legame di un nucleotide adenosinmonofosfato (AMP) o adenosindifosfato (ADP) o di un gruppo fosfato o di un gruppo metilico.

La glutammina sintetasi e l'adenilazione

L'enzima glutammina sintetasi (GS) può essere modificato covalentemente mediante adenilazione, cioè aggiunta di AMP. La GS è un enzima che svolge un ruolo importante nel metabolismo dell'azoto nella cellula al livello dell’assimilazione dell'ammoniaca. L'attività della GS viene controllata su due livelli:

1. L’attività della GS è sottoposta a inibizione da feedback da almeno 9 composti diversi. Questo tipo di inibizione è di tipo concertato, in quanto la sensibilità della GS all’inibizione da feedback aumenta proporzionalmente al numero di inibitori presenti: la presenza di tutti e nove inibitori determina inibizione completa.
2. La GS può poi essere regolata, indipendentemente dall’inibizione da feedback, mediante un processo di modificazione covalente: questa forma di controllo è determinata dalla concentrazione di glutammina e di un precursore della glutammina, l'acido alfa chetoglutarato. Ogni molecola di GS contiene 12 subunità identiche e ognuna di queste può essere adenilata in corrispondenza di un sito particolare: quando essa è completamente adenilata ovvero contiene dodici gruppi AMP, è totalmente inattiva. L'enzima che aggiunge e rimuove gruppi AMP è a sua volta regolato da una modificazione covalente. Quando il livello di glutammina nella cellula diminuisce, esso viene modificato in modo covalente e promuove la deadenilazione della GS e di conseguenza un aumento della sua attività.