BIOCHIMICA II -...
64
1 BIOCHIMICA II Prof. Alessandra Bertoni Mail: [email protected] IL METABOLISMO - Fase ossidativa: il catabolismo. Ciò che si introduce con l’alimentazione, grassi carboidrati e proteine. Vengono ossidati a CO 2 H 2 0 e NH 3 . Prodotti che l’organismo elimina e sono privi di contenuto energetico. L’energia estrapolata è contenuta nei legami. ATP, NADH, NADPH, FADH 2 . Sono coenzimi ridotti e sono considerati energia chimica che l’organismo usa per le sue funzioni (es. metabolismo riduttivo, anabolismo) - Fase riduttiva: l’anabolismo. Si parte da piccole molecole, quali aminoacidi, zuccheri, acidi grassi e basi azotate e si costruiscono le macromolecole della cellula. L’ATP serve per far procedere tutti i processi che avvengono dentro di noi come il differenziamento, la respirazione cellulare ecc. L’organismo produce ATP ossidando gli alimenti. Si produce in diversi modi: attraverso la fosforilazione ossidativa (maggior contributo di sintesi di ATP) e fosforilazione a livello del substrato, a livello di singole reazioni metaboliche. Le vie metaboliche sono convergenti e divergenti: le cataboliche sono convergenti perché tutti i nutrienti sono ossidati con vie metaboliche a un unico prodotto, l’acetato o acetilcoenzima A con due atomi di carbonio con legame ad alto livello energetico (prodotto intermedio del metabolismo). La via metabolica è un insieme di reazioni che trasformano un prodotto in un altro. L’acetilcoenzima A poi è il punto di partenza per molte vie anaboliche, sarà usato per sintetizzare molte molecole, come acidi grassi, fosfolipidi di membrana, colesterolo. Da qui poi sintesi ormoni steroidei, acidi biliare, vitamine come la K. Queste vie metaboliche sono divergenti in quanto arrivano a prodotti differenti. Si risparmia una buona parte di energia. Con il ciclo dell’acido citrico l’acetil-Co-A può essere completamente ossidato ottenendo due CO 2. La via metabolica è un insieme di reazioni che trasformano un composto, il precursore, in un prodotto finale attraverso la trasformazione di composti chimici intermedi. Molti enzimi impiegati esistono in complessi, non liberi nel citoplasma. Gli enzimi aspettano l’intermedio, si legano ad esso e lo trasformano rapidamente. Es: complesso III e IV della catena respiratoria sono associati in complessi, i respirosomi. Le vie metaboliche non sono sempre attive, hanno velocità diverse che sono regolate dall’attività degli enzimi e dalla disponibilità del precursore. Se per esempio regolo un primo enzima della via metabolica, essa va avanti. Se è molto lunga ci sono più enzimi regolatori. L’enzima viene regolato con: - Feedback negativo: prodotto finale agisce da modulatore allosterico negativo sul primo enzima. - Modificazione covalente: come la fosforilazione. Con la fosforilazione non si può dire a priori se c’è attivazione o inattivazione, è a discrezione dell’enzima.
Transcript of BIOCHIMICA II -...
1
BIOCHIMICAIIProf.AlessandraBertoniMail:[email protected]
ILMETABOLISMO
- Faseossidativa:ilcatabolismo.Ciòchesiintroduceconl’alimentazione,grassicarboidratieproteine.Vengono ossidati a CO2 H20 e NH3. Prodotti che l’organismo elimina e sono privi di contenutoenergetico.L’energiaestrapolataècontenutaneilegami.ATP,NADH,NADPH,FADH2.Sonocoenzimiridottiesonoconsideratienergiachimicachel’organismousaperlesuefunzioni(es.metabolismoriduttivo,anabolismo)
- Faseriduttiva:l’anabolismo.Sipartedapiccolemolecole,qualiaminoacidi,zuccheri,acidigrassiebasiazotateesicostruisconolemacromolecoledellacellula.L’ATPserveperfarprocederetuttiiprocessicheavvengonodentrodinoicomeildifferenziamento,larespirazionecellulareecc.L’organismo produce ATP ossidando gli alimenti. Si produce in diversi modi: attraverso lafosforilazioneossidativa(maggiorcontributodisintesidiATP)efosforilazionealivellodelsubstrato,alivellodisingolereazionimetaboliche.
Le vie metaboliche sono convergenti edivergenti: le cataboliche sono convergentiperchétutti inutrientisonoossidaticonviemetabolicheaununicoprodotto,l’acetatooacetilcoenzimaAcondueatomidicarboniocon legame ad alto livello energetico(prodottointermediodelmetabolismo).Laviametabolicaèuninsiemedireazionichetrasformanounprodottoinunaltro.L’acetilcoenzimaApoièilpuntodipartenzaper molte vie anaboliche, sarà usato persintetizzare molte molecole, come acidigrassi, fosfolipididimembrana, colesterolo.Da qui poi sintesi ormoni steroidei, acidi
biliare,vitaminecomelaK.Questeviemetabolichesonodivergentiinquantoarrivanoaprodottidifferenti.Sirisparmiaunabuonapartedienergia.Conilciclodell’acidocitricol’acetil-Co-ApuòesserecompletamenteossidatoottenendodueCO2.
Laviametabolicaèuninsiemedireazionichetrasformanouncomposto,ilprecursore,inunprodottofinaleattraversolatrasformazionedicompostichimiciintermedi.Moltienzimiimpiegatiesistonoincomplessi,nonliberinelcitoplasma.Glienzimiaspettanol’intermedio,sileganoadessoelotrasformanorapidamente.Es:complessoIIIeIVdellacatenarespiratoriasonoassociatiincomplessi,irespirosomi.Leviemetabolichenonsonosempreattive,hannovelocitàdiversechesonoregolatedall’attivitàdeglienzimiedalladisponibilitàdelprecursore. Seperesempioregolounprimoenzimadellaviametabolica,essavaavanti.Seèmoltolungacisonopiùenzimiregolatori.L’enzimavieneregolatocon:
- Feedbacknegativo:prodottofinaleagiscedamodulatoreallostericonegativosulprimoenzima.- Modificazionecovalente:comelafosforilazione.Conlafosforilazionenonsipuòdireapriorisec’è
attivazioneoinattivazione,èadiscrezionedell’enzima.
2
ILCICLODELL’ACIDOCITRICOodiKREBSKrebs(1900-1981).Chiamatoancheciclodegliaciditricarbossilici.Ilmetabolismoossidativoèchiamatorespirazionecellulare:consumaossigeno.Costituitodatrafasi:
1. Ossidazioneadacetil-CoAdellevariemolecole2. Ciclodell’Acidocitrico3. SintesiATP:l’insiemedelleduefasiestraeenergiadainutrienticheescesottoformadielettroniche
sonoraccoltidaNAD+eFADchesiossidanoaNADHeFADH2.QuestielettroniraccoltisonousatipersintesidiATP.Questoprocessoconsumaossigeno.Selacellularimanesenzaossigeno,sibloccalacatenaditrasportodeglielettroni,siaccumulanoquestiintermediesirallentatuttoilprocesso.
Ilciclodell’acidocitricoèrealizzatoneimitocondri.Isuoienzimisononellamatriceeunoèdellamembranainternamitocondriale.(quellaesternanonhagrossicomplessiperilmetabolismo,regolasolociòcheentraeciòcheesce.)Èneimitocondriinquantoinessiavvienel’ossidazionediquasituttiinutrienti,aaeacidigrassi.Lamaggiorpartedell’acetil-CoAègenerataneimitocondri.L’unicometabolismoossidativocheavvienenelcitoplasmaèquellodeicarboidrati,quellodelglucosio.Nelcitoplasmaavvienelafaseanabolica,lasintesidellemacromolecole.ItrasportatoridielettronisonoNAD,NADPHeFAD:ilNADPHèusatonelcitoplasmaeriduceicomponentipiùsempliciperottenerecompostipiùcomplessi.NADHeFADH2sonousatiinentrambiiprocessicatabolici.Processoreversibile:ΔG=0.Èspontaneo,nonhabisognodienergiaperavvenire.Processoirreversibile:ΔG>0.Nonèspontaneo.La prima metà del ciclo è caratterizzata da reazioni irreversibili, la seconda sono reazioni reversibiliall’equilibrio.Ipuntichepermettonodiregolarequestaviametabolicasonolereazioniirreversibili.Sicompletal’ossidazionedell’acetilCoA:sesiossidacompletamente,cisonoreazionicheproduconoCO2.Le duemolecole di CO2 liberate non sono gli stessi atomi che entrano nel ciclo di Krebs come atomi dicarboniodell’acetilCoA.Nellasecondafase,reazionicherecuperanogliatomidicarbonioperripetereilciclo,siottieneuncompostoachiarale,ilsuccinato(5atomi).Iduelatinonsonopiùdistinguibiliperlacellula;daquestopuntoidueatomidicarboniodell’acetilCoAentratisiconfondonoconglialtriatomidicarbonio.
1. CondensazionediacetilCoAeossalacetatoL’acetilCoAentraereagisceconl’ossalacetatotramitel’enzimacitratosintasi.ReazionedicondensazionediClaisencheportaallaformazionedicitrato(formanonprotonataèl’acidocitrico),unacidotricarbossilico.L’ossalacetatoèunbiacidocarbossilicoconunchetoneinposizioneα:èdunqueunα-chetoacido.Ilcarbonioalfaèilcarboniochesegueilcarboniocarbossilico.L’ossalacetatohal’acidoinposizione1e4.
Ilgruppoinalfaformalegameconilgruppodell’acetil-CoA.L’energiavienedall’idrolisidellegametioesteredelCoaedell’acetil.
3
Questaèlaprimaviametabolica:questareazionedipendedalladisponibilitàdiprodotto.L’acitrato sintasi è un enzima dimerico che funziona con adattamento indotto dal substrato, (i substrati si legano nel sito catalitico e promuovono un cambio di forma nell’enzima, che lo attiva).EsisteinconformazioniReT(legaiduesubstratiedèpiùattiva-inversonell’emoglobina).
2. Deidratazione-idratazionedelcitrato
Trasformazione di citrato in isocitrato, catalizzata da aconitasi. Si elimina una CO2. La reazioneprepara il carbonio che poi deve uscire come CO2. L’enzima scambia la posizione del gruppoossidrilicoedell’idrogenoinposizione3-4.Disidratazione e reidratazione: il gruppo -OH del citrato viene riposizionato nell’isocitrato perpreparareladecarbossilazionesuccessiva.QuestareazionehaΔGparzialmentepositivoperfarsìchesiaspontanea.L’isocitratopoièusatoperlareazionesuccessivaeconsumato,sottratto.Sirigenerailprodotto.Ilcis-Aconitatoèunintermediononrilasciato,rimanenelsitoattivodell’enzima.L’aconitasièunenzimaparticolareconuncentroferro-zolfo,gruppoprostetico.IIcarboniocheesceèquellocentrale.
3. Decarbossilazioneossidativadell’isocitratoCatalizzata dall’isocitrato-deidrogenasi. Deidrogenasi: è una redazione redox. Trasferimento dielettroniattraverso.Sitrasformaisocitratoinalfachetoglutarato.Esistonodueisoformedell’enzima:gli isoenzimi.Essisonodueproteinediversecodificatedagenidiversi ma che catalizzano la stessa reazione. Ve ne è uno citosolico e mitocondriale. La formacitosolicausailNADP+,quellamitocondrialiusaNAD+.Siformanodueintermediattraversoduereazionisuccessive:
o Ossidazione dell’ossidrilico che porta alla formazione dell’ossalosuccinato (chetone),stabiliazzato da un catione di manganese nel sito attivo dell’enzima. È un βchetoacido,decarbossilamoltofacilmente.
o Decarbossilazione (o deidrogenazione) che genera un enolo (con un gruppo chetonico e uno alcolico), che si riarrangia a formare il chetone α-chetoglutarato.
-
4
4. Decarbossilazioneossidativadell’alpha-chetoglutarato
L’alfachetoglutarato subisce una seconda decarbossilazione ossidazione: una decarbossilazione eun’ossidazionediunatomodicarbonioperarrivarealsuccinil-CoA.UnapartedienergiadienergialiberatavieneusataperlegareilcoenzimaA.La riduzione diNAD+ aNADH +H+ genera l’energia necessaria per introdurre nellamolecola unlegameadaltaenergia(tioestere).IlcomplessocheagiscenelpassaggiodaalfachetogluturatoasuccinilCoAfunzionaconmeccanismoidenticoaquellodelcomplessodellapiruvatodeidrogenasi.
5. FosforilazionealivellodelsubstratodelSuccinil-CoA
IlsuccinilCoAètrasformatoinsuccinatoconilsuccinilCoAsintetasi.IlΔGènegativo.Questoenzimarompeillegametioestere,liberailcoenzimaAegenerailsuccinato.IllegameC-Sèadaltaenergia,l’enzimautilizza l’energiachesi liberadal legametioesterepercatalizzare lareazioneGDP+PiàGTP.Questotipodisintesisichiamafosforilazionealivellodelsubstrato.NonvieneusatoilGTP,magrazieallenucleosidedifosfochinasiilGTPsitrasformainGDP.GDP+ADPàGDP+ATP.(Sintetasi:idrolisidiunamolecoladiATP).Lasuccinil-coAsintetasièunenzimaconunasubunitàαeunasubunitàβchelegailnucleotide,GDPeADP,necessariaallareazione(preferibilmenteGDP).Ilresiduochiavedell’enzimaèun’istidinapresentenelsitoattivodell’enzima: i substraticheentranonelsitoattivosono il succinil-CoAe ilfosfato—>CoAefosfatovengonoinvertiticreandounmeccanismopercuiilCoAesceesiformaunlegameadenergiapressochèequivalentealprecedente.Ilfosfatolegatoasuccinil-CoAètrasferitoall’istidinadelsitoattivo.Ilsuccinatoescedalsitoattivolasciandoilfosfatolegatoall’enzima.VieneprodottaunamolecoladiH20,utilizzataperidrolizzareun’anidridenellareazionesuccessiva.Ilfosfatoall’inizioavevaun’energiaquasinullamavieneutilizzatopoiperdareGTP.Ilfosfatoècariconegativamenteevienestabilizzatodalledueαelichedellesubunitàdell’enzima.
6. DeidrogenazionedelSuccinatoIlsuccinatodeveessereossidatoafumaratoperazionedienzimasuccinatodeidrogenasiconl’aiutodelFADcheaccettaelettroniediventaFADH2perossidareillegameC-C.Lasuccinatodeidrogenasiè l’unicoenzimadelciclodiKrebsaessereunenzimadellamembranainternadeimitocondri.Lasuccinatodeidrogenasiènotacomecomplesso2dellacatenaditrasportodeglielettroni.Questielettroni,sottrattialsuccinato,vannodirettamentealcomplesso3.IlFADècovalentementelegatoall’enzima.
5
7. IdratazionedelfumaratoIlfumaratovieneidratatodalfumarasiattraversodueprocessi:primaavvienel’addizionediioneossidrilico,poil’addizionediunprotone.Lapresenzadell’enzimafumarasirendel’idratazionestereospecifica.Sesenzal’enzimaèpossibileottenereidueisomeriDeL,nellacellulasiottienesolol’isomeroL-malato.ÈreversibileperisuoΔG.L’isomerodelfumarato(trans)èilmaleato(cis).
8. DeidrogenazionedelL-Malato
Conversione di L-malato in ossalacetato, attraverso la malato deidrogenasi. Il malato, alcolsecondario,vieneossidatoachetone.Èunaredox.GlielettronisottrattialmalatosonotrasferitisulNAD+chediventaNADH+H+.Riprendecosìilciclo.Lareazionenonèspontanea,inquantoΔG=29,7.L’equilibrioècomunquespostatoadestraversol’ossalacetatoperchéessovieneimmediatamenteutilizzatoperilproseguimentodelcicloequindisottratto.
Ingenerale:Sesiossidacarboniocheportaossigeno,ilcoenzimaèNAD.Sesiossidacarbonio-carbonio,ilcoenzimaèFAD.
IngeneraleduranteilciclodiKrebs:
- Vieneinseritoundoppiolegame,avvieneun’idratazioneeun’ossidazione:meccanismoperottenere un carbonile in β rispetto al carbonile. Meccanismo cellulare altamente sviluppato eapprezzabilealivellodelciclo.
- Siricavano2molecolediATP.
6
- DalNADHpossiamoottenere2,5molecolediATP,dalFADH1,5.IlciclodiKrebsèunaviaanfibolica(siaanabolicachecatabolica)poichégliintermedipossonoessereusatinellasintesididiversicompostiorganici.Se lasoluzionefisiologicarichiedequesti intermedi,essidevonocomunque essere riformati. Possono essere reinseriti solo nelle reazioni di formazione di Malato edOssalacetato.Delle8reazionidescritte,solo3subisconoregolazionemediantemodulazioneallosterica:le3reversibili,laprimaeleduedecarbossilazioni.Cisonoquindimolecolechesileganoall’enzimaenemodificanol’attività.
ILMETABOLISMODEICARBOIDRATILadigestionedeicarboidraticominciainboccagrazieallaα-amilasi,chedegradasoloilegamiglicosidiciditipoα.Quelliditipoβnonlipossiamodegradare,infattilacellulosapassaintegraintuttoiltrattodigerente.Imonosaccaridiottenutisonoilfruttosioeilglucosiochehannoassorbimentodiretto.L’amidoècostituitodaamilosioeamilopectina.Ilglicogenohamoltepiùramificazionemoltopiùvicinedell’amilopectina.Inseguitoadigestionesipossonootteneredeidisaccaridi.L’amilasi:utileperladigestionedeipolisaccaridi(amilopectinaeglicogeno).Degradaimmediatamentequestiomopolisaccaridi, attacca i legami alfa 1-4 (i legami 1-6 passano inalterati alla fase successiva delladigestione),manontutti:siformanoprimaoligosaccaridi,poidisaccaridiepoimonosaccaridi.Lasecondafasedidigestionepassaallostomacoinalteratoecontinuanell’intestinodoveintervienel’amilasipancreatica,checontinuaadegradareilegamialfa1-4.Intervengonoanchealtresaccaridasipiùspecificheche degradano anche altri disaccaridi come il lattosio e il saccarosio. Nel tratto intestinale si ottengonomonosaccaridi,comeilglucosio,galattosioefruttosio.Aquestopuntoavvienel’assorbimentodeimonosaccaridi.Essisonopolarienecessitanoditrasportatori,piùomenospecifici,perentrare-uscirenellecellule.Perpassaredallumedell’intestinoall’internodell’enterocitailglucosioeilgalattosiousanoilSGLT1.Èunsimporto:trasportaglucosioegalattosiocontemporaneamenteadueionisodio.IlfruttosioinveceentraconilGLUT5.Entratinell’enterocita imonosaccarididevonopassarenel torrentecircolatorioa livellodei capillaridellapareteintestinaleattraversoilGLUT2.IGLUTsonouniporto,mentreSGLT1èunsimporto.Perportarefuoriilsodiosiusalapompasodio-potassioATPasicheconsumaunamolecoladiATP.Sel’ATPasinonfunziona,nonavvienel’assorbimento.L’endocitosidiglucosionellacellulanonrichiedeenergia,èpassivo,tuttoilprocessoèsecondogradiente.Ilglucosioèilmonosaccaridepiùimportanteditutti:cellulediverseloutilizzanoinmanieradiversa.Ipossibilidestinidelglucosiosono:
- Ossidazioneattraversolaviametabolicadettaglicolisi:ilcuiscopoèottenereenergiaeilprodottoèilpiruvatooillattato.
- Glicogenosintesi: processo con cui viene immagazzinato all’interno della cellula sotto forma diglicogeno.
- Glicogenolisi:partediglucosioliberatodallecellule,dopol’immagazzinamento.Nontuttoilglucosioderivadall’alimentazione.
- Glucogenesi.- Ossidazioneattraversolaviadelpentosofosfato.- Alcune cellule possono sintetizzare il glucosio da precursori non saccaridici come il piruvato o il
lattato.
7
Dopoessereentratoilglucosiopuòessereusatoconaltrimonosaccaridipersintesidiproteineeglicolipidi,ovverolasintesidipolimeristrutturali.
LAGLICOLISIAlcunecelluleusanolaglicolisifinoapiruvatoealcunefinoalattato.Avvienenelcitoplasmadellecellule.Haloscopodiossidare ilglucosioparzialmenteperottenereenergia.Siricavano2molecolediATPperognimolecoladiglucosiochepassanellaglicolisi.Questa ossidazione non richiede consumo di ossigeno, può avvenire in condizioni di aerobiosi e dianaerobiosi.SesivuoleossidarecompletamenteilglucosioaCO2eH2O,ilpiruvatodeveesseretrasformatoinacetilCoA,cheverràpoiossidatocompletamentenelciclodiKrebs.Seilglucosioseguequestavia,siproduceancheNADH,chepoiarriveràallacatenaditrasportodeglielettroniequestaenergiaserviràperlafosforilazioneossidativa.Siproducono32molecolediATPperglucosioossidato.Nelcomplessol’ossidazionerichiedeossigenoperfarfunzionarelacatenaditrasporto.Semancailglucosiosipuòossidare,masiproduconosolo2molecolediATP.Lecellulechenecessitanoperforzadiglucosioperfunzionaresonolecellulenervose.Nel cervello avviene ossidazione completa; i globuli rossi non hanno ossigeno e quindi fanno solamenteglicolisianaerobia,sifermanoallattato.Ci sono cellule che sono poche irrorate o hanno pochimitocondri e utilizzano la via anaerobia: cornea,cristallino,retina,leucocitiefibremuscolaribianche.Ilmuscoloscheletricopuòritrovarsisenzaossigenodurantei100m.InalcunisecondilacellulamuscolarepuòrifornireimuscolidiATPusandolaglicolisianaerobia.Illattato(oacidolattico)Lecellulemuscolarimiocardichehannoentrambelepossibilità:svolgonoglicolisiaerobiaeanaerobia.Laglicolisipartedaglucosioearrivaapiruvatoa3C.IlsuoΔGè-85kJ/molLaglicolisièsuddivisainduefasi,alorovoltasuddiviseinpiùreazioni:-Fasepreparatoriaodiinvestimentoenergetico:siconsumano2ATP.
1. Formazionedelglucosio6-fosfatoIl glucosio quando entra in una cellula viene fosforilato dall’enzima esochinasi consumando unamolecoladiATP:siformailglucosio6-fosfato.NellacellulavieneinseritotramitelegamefosfoestereilgruppoOPO3
2-.IlGLUTtrasportanoglucosiosecondogradiente.
31/96
8
L’esochinasiagisceattraversoadattamentoindottodasubstrato,inquestoprocessoavvieneanchelaliberazionedelmagnesio.L’ATPèpresentenellacellulasottoformadisalidimagnesio.
2. ReazionediisomerazioneIl fosfoesosoisomerasi trasforma il glucosio 6-fosfato nel suo isomero fruttosio 6-fosfato. È unareazioneall’equilibrio.
3. Fosforilazionedelfruttosio6-fosfato Ilfruttosio6-fosfatovienefosforilatoafruttosio1,6-bifosfatoconconsumodi1molecoladiATP.Èreversibileedècatalizzatadall’enzimafosfofruttohinasi-1chefosforilailfruttosioinposizione1.
16/96
9
4. Trasformazionedelfruttosio1,6-bifosfatoIlfruttosio1,6-bifosfatoètrasformatoindiidrossiacetonefosfatoegliceraladeide3-fosfatoattraversol’aldolasi.Conlascissioneaduetriosifiniscelafasediinvestimento.
5. Conversioneenergeticadidiidrossiacetonefosfato Essovienetrasformatoingliceraladeide3-fosfatoconiltriosofosfatoisomerasi.
10
-Fasedirecuperoenergetico:produzionediATPediNADH.
6. Formazionedel1,3-bisfosfogliceratoLagliceraldeideèsubstratodell’enzimagliceraldeide3-fosfatodeidrogenasi.Questoenzimaportaavanti due reazioni: incorporazione di fosfato inorganico e ossidazione C1 della gliceraldeideproducendounacidocarbossilico.Quandovieneossidatosudiessovieneinseritoilgruppofosfato.Siproduce 1,3-bisfosfoglicerato. È una molecola a 3C con due fosfati. Questo enzima è inibitoirreversibilmentedapartedelmercurioHg2+.(bis-perchélafosforilazioneavvienesuduecarbonidiversi).
7. Formazionedel3-fosfogliceratoL’1,3-bisfosfogliceratoèutilizzatopersintetizzareATP.UnodeifosfatiècedutoaunamolecoladiADPperformareATP,attraversolafosfoglicerochinasichetrasferisceilfosfatoinposizione1all’ADP.EsempiodisintesidiATPtramitefosforilazionealivellodelsubstrato.Ciòcherestadelcompostoèil3-fosfoglicerato.
8. Formazionedel2-fosfogliceratoIl fosfato del 3-fosfoglicerato viene spostato dalla posizione 3 alla posizione 2 attraverso lafosfogliceratomutasi.Siottienedunque2-fosfoglicerato.Èunareazionereversibile.Meccanismodellafosfogliceratomutasi:nelsitoattivodell’enzimamutasicisonodueistidine,unadiquesteènormalmente fosforilata.Quando il substratoentra,essoviene fosforilatoe si formal’intermedio 2,3-bisfosfoglicerato. Successivamente viene defosforilato e rimosso il fosfato inposizione3chevienetrasferitosull’istidinadelsitoattivo.Sièformatodunqueil2-fosfogliceratochelasciailsitoattivoeprocedelungolaglicolisi.
11
Sel’enzimaèdefosforilatononfunzionapiù.Tuttelecellulehannoriservedi2,3-bisfosfogliceratochemantienequestoenzimafosforilatoinmodotalechepossacatalizzarequestareazione.Negli eritrociti questo è presente inmaggior quantità perché è anche unmodulatore allostericodell’emoglobina. Iglobuli rossidefosforilano il2,3-bisfosfogliceratonelcaso incui siapresente ineccesso,attraversoenzimicomela2,3-BGPfosfatasi(mancalafasediproduzionedell’ATP).
9. FormazionedelfosfoenolpiruvatoÈunareazioneall’equilibrioportataavantidall’enolasi:èunareazionedidisidratazionenellaqualevengonorimossigruppoossidrilicoinposizione3edell’idrogenoin2.Sicreailfosfoenolpiruvato.
10. ProduzioneATPepiruvatoProduceATPconfosforilazionealivellodelsubstrato.Ilfosfoenolpiruvatocedeilsuofosfatoall’ADPtramitelapiruvatochinasi:siproduceATPePIRUVATO.
Unodeidestinidelpiruvatoèesseretrasformatoalattato,durantelaglicolisianaerobia.Ilpiruvatoèunα-chetoacido. Per trasformarlo in lattato il chetone deve diventare un OH. È una riduzione. L’enzima cheintervieneè il lattatodeidrogenasi.SiconsumaunamolecoladiNADH,prodottonellasecondafasedellaglicolisi(nellatrasformazionedellagliceraldeide-3-fosfatoe1,3-bisfosfoglicerato).
26/96
12
Cisonodiverseisoformedilattatodeidrogenasichecatalizzanolareazioneinversa.Sesipassadapiruvatoalattatolareazioneèspontanea,seèilcontrariosiconsumaATP.Questareazione(dapiruvatoalattato)èspinta,inglicolisianaerobia,dalconsumodiNAD+.
ComesiossidailpiruvatoadacetilCoA.TRASPORTATORIMITOCONDRIALIDIMETABOLITI
- Delfosfato;- Traslocasideinucleotidiadenilici;- Didicarbossilati;- Ditricarbossilati;- Diaspartato-glutammato;- Malato-α-chetoglutarato;- Deimonocarbossilati:trasportatoreantiportoinquantoentranelmitocondriounpiruvatoedesce
unossidrile.IlpiruvatovieneossidatoadacetilCoAperentrarenelciclodiKrebs.AquestopuntoilpiruvatoèossidatoaAcetil-CoA:ilcomplessodell’enzimapiruvatodeidrogenasi(E1,E2,E3)ossidauncarbonioepromuoveladecarbossilazionedelpiruvato.Si rimuove l’anidride carbonicae l’ossidazioneèoperato sul carbonio chetonicodelpiruvato chediventacarboniocarbossilico.Siottiene,suquestocarboniocarbonilico,untioestereconilCoA.Il complesso richiede i coenzimiTPP (tiaminapirofosfato), il lipoatoe il FAD. Perchéavvenga lareazioneavvienel’ingressodiCo-AeunamolecolaNAD+siriduceinNADH+H+.
IlcoenzimaAfungedatrasportatoredimolecole,nonèunverocoenzima.Inseritoinunamolecolacomeiltioestereserveaconservareunlegameadaltaenergia.
Latiaminapirofosfatoèunveroepropriocoenzima:èutilizzatadaglienzimineiprocessididecarbossilazione,comel’α-chetoglutaratodeidrogenasiedallapiruvatodeidrogenasi(entrambicomplessi
29/96
GLICOLISI ANAEROBIA
33/96
49/95
13
costituitidaenzimidiversi).Ilcarboniochepromuovelacatalisièilcarboniorossodell’anellotiazolicolegatoallaH(èpresenteunozolfoel’azotoadestraeasinistradelcarboniodicatalisi).
Acidolipoico:presentaunpontedisolfuronellaformaossidataoppureformaridotta.C’èanchelaformaacetilata.
Icoenzimisipossonotrovarelegatialsitoattivodeglienzimi,oinmanieracovalenteoattraversointerazionipiùdeboli(reversibili).L’acidolipoicoèlegatocovalentementeaunresiduodilisina(presentaungruppoamminicoinεchepermetteunlegameammidicotrailgruppocarbossilicodell’acidolipoicoequestogruppoamminico)delsitoattivo.Fungedabracciochepermettediportaregliintermedidireazione(isubstrati)daunsitoattivodiunenzimaaquellodiunaltro.Questocomplessodienzimi(E1,E2,E3)ècostituitodadiversienzimiorganizzatiinstrutturemultimeriche:unvantaggioècheglienzimisonovicinienonènecessarioricercareglialtrinellamatricemitocondriale,inoltre,piùmolecoledipiruvatopossonoessereossidatecontemporaneamente.L’E1èunapiruvatodeidrogenasi:laprimareazionecheavvieneèladecarbossilazionedelpiruvato,modulatadallatiamina,legataalcarboniochetonicodelpiruvato,laqualescindeilCOeloliberacomeCO2.Ilcarboniochetonicodelpiruvatodiventaalcolicoequestogruppoa2C(idrossietilTPP,piruvatodeidrogenato)vienetrasferitoall’acidolipoicolegatoallalisinaearrivaallasubunitàE2.
49/95
50/95
14
L’E2èunadiidrolipiltransacetilasi:trasferiscel’unitàadueatomidicarbonio,passandoattraversol’acidolipoicolegatoallalisina(presentesottoformadiacillipolisinanellaformaossidata),sulCo-A.Ilgruppoalcolicotornaaessereungruppocarbossilicochetonico(èossidato),siottienequindil’AcetilCoA.L’acillipolisina,dopoillegameconl’unitàadueatomidicarbonio,vieneconvertitanellaformaacetilata,l’acetilevienetrasferitosulCo-Aesiformal’AcetilCoAel’acillipolisinaassumelaformaridotta.L’E3halafunzionediricreareilpontedisolfurodell’acidolipoicoinmodochepossaportareavantiunnuovociclodireazioni.Gliequivalentiriducentiricavatidaiduetioli(SHeSHchedevonoformareillegameS-S,perdonodueioniidrogeno)sonoraccoltiinunFADpresentenelsitoattivodiE3,chesiriduceaFADH2.IlNAD,chesilegainmodoreversibileall’enzima,entraenelsitoattivoricevegliequivalentiriducentidalFADH2,cheritornaFAD;ilNAD+diventaNADH+H+.AquestopuntoilNADHsistaccadall’enzimaetrasferiscegliequivalentiriducentiallacatenaditrasportodeglielettroni(ilFADH2nonpoteva,perchésiaossidatocheridottoèlegatocovalentementealsitoattivo,quindigliequivalentiriducentisarebberobloccatinell’enzima),tornaNAD+epuòessereutilizzatodaaltrienzimi.
Nonesisteuntrasportatorecheportiall’internodelmitocondrioNADHeNADall’esterno,quindiquestisonoconfinationelcitoplasmaonellamatricemitocondriale.Ciòchesipuòportaredentrosonogliequivalentiriducenti,ovveroglielettronichedovrannoesserelegateadalcunemolecole.ISISTEMISHUTTLECi sonodue sistemi shuttle, condisposizioni tissutali diverse, che traportanogli equivalenti riducenti dalcitoplasmaallamatricedeimitocondri.
1. Questo sistema shuttle sfrutta due trasportatori (le strutture rosa): il trasportatore malato-alfachetoglutaratoeiltrasportatoreglutammato-aspartato.Essisonodegliantiporti.Malatoeglutammatoentrano;α-chetoglutaratoeaspartatoescono.IlNADHottenutoinglicolisipuòentrarenellamatricemitocondrialetramitetuttoquestocomplesso.Perportaredentrogliequivalentiriducenti,usatidalNADH,siriducel’ossalacetatoamalatotramitel’enzimamalatodeidrogenasi. IlNADHsiriossidaaNAD+,cedendounHall’ossalacetato.Ilmalatodunqueentranellamatricemitocondrialeportandofuoriunamolecoladiα-chetoglutarato.
53/95
15
Il malato, entrato nella matrice, viene riossidato ad ossalacetato dalla malato deidrogenasimitocondriale.Si impiegaunamolecoladiNAD+nellamatricecheaccettagliequivalentiriducentiformandodelNADH+H+.L’ossalacetatonelmitocondriovieneusatonelciclodiKrebseunapartedeveessereritrasportatofuoriperilnuovoingressodiequivalentiriducenti,quindideveessereconvertitoinuncompostocheabbiauntrasportatore.L’ossalacetatoreagisceconunamolecoladiglutammatoegrazieall’enzimaaspartato-amminotransferasi(trasferisceilgruppoamminicoinposizioneαdiunamminoacidosulcarbonileinαdell’aspartato)siottieneaspartatoeα-chetoglutarato.L’aspartatohatrasportatoreantiportoinquantoperogniaspartatocheescesihaunglutammatocheentra.Insintesi,l’ossalacetatodiventaaspartatoeilglutammatodiventaα-chetoglutarato.L’aspartato ha un trasportatore, in antiporto con il glutammato (che entra nella cellula): ilglutammato che entra è quello appena utilizzato per sintetizzare aspartato. Nel citoplasmal’aspartatoreagisceconlamolecoladiα-chetoglutaratoesiriformanoossalacetatoeglutammato.
2. Nelmuscolo scheletrico e nel cervello c’è un sistema shuttle: due isoforme diverse dello stessoenzima,ilglicerolo-3-fosfato-deidrogenasi.Èpresenteinunaformacitosolica(glicerolo-3-fosfato)eunaformamitocondriale (diidrossiacetonfosfato),proteinaperifericapresentenellamembranainternadeimitocondri.Questoenzimaconverteildiidrossiacetonefosfatoaglicerolo-3-fosfatoalivellocitoplasmatico.Gliequivalentiriducentiservonoperridurrediidrossiacetoneaglicerolo(daNADH+H+sipassaaNAD).Il Glicerolo-3-fosfato ottenuto può raggiungere l’esterno della membrana mitocondriale, doveincontra la forma mitocondriale dell’enzima, che catalizza la reazione inversa, recuperando gliequivalentiriducentiattraversol’ossidazionedelglicerolo,utilizzataperridurreilFADaFADH2.DaNADcitosolicosipassaaFADH2citosolico:gliequivalenti riducentisonopassatidirettamenteallacatenaditrasportodeglielettroni.C’è uno svantaggio: da unNADH si ottiene un FADH2, quindi si perde la possibilità del NADH digenerareduemolecolee1/2diATP,ilFADH2puògenerarnesolo1e1/2.
16
Molticarboidratisonoossidatiattraversolaglicolisi:inquestomodosonoossidatiilglucosioeilfruttosio.Fruttosio:Cisonodueviediverse,astessoinvestimentoenergetico,cheilfruttosiopuòusareperentrareinglicolisi:
- fosforilazionedapartedell’esochinasicheloconverteinfruttosio-6-fosfato;- fosforilazionedapartedellafruttochinasi,checonsumal’ATP,delfruttosioinposizione1ottenendo
il fruttosio-1-fosfato, che successivamente deve essere idrolizzato da una aldolasi specifica chegeneradueintermedia3C,ovveroildiidrossacetonefosfatoelagliceraldeide.Il diidrossacetone fosfato verrà convertito in gliceraldeide-3-fosfato e procede in glicolisi. Lagliceraldeide deve invece essere fosforilata dalla chinasi, con il consumo di ATP, per arrivare agliceraldeide-3-fosfatoeentrareinglicolisi.
Mannosio:Deveesserefosforilatoconesochinasi.Ilmannoso-6-fosfatovienetrasformatoinfruttosio-6-fosfatograzieallafosfomannosioisomerasi.GlucosioIl glucosio che si ottiene pronto per entrare in glicolisi deriva dal saccarosio o dal glicogeno, dalladegradazionedell’amidodelladietagrazieallaamilasioppuredalglicogenoendogeno.Dalladegradazionedelglucosioendogenosiottieneilglucosio-1-fosfatochedeveesseretrasformatoinglucosio6-fosfatodallafosfoglucomutasi.
17
GalattosioLaprimasorgenteèillatteeivarilatticini.Lalattasiprimalodigerisceepoisiformailgalattosio.Peresseremetabolizzato inglicolisi, ilgalattosiousaunaviametabolicadiversache fa ricorsoallaconiugazioneconl’uridinaperattivarsi.Trereazioni:
1. Viadi Leloir: fosforilazionedelgalattosioa spesediATP inposizione1.Siottiene ilgalattosio-1-fosfatoconl’enzimagalattochinasi.
2. Coniugazionedelgalattosioconuridile,ècatalizzatadall’enzimaUDP-glucosio:galattosio-1-fosfatouridililtransferasi.Questoenzimainverteilfosfatodelgalattosioel’UDPdelglucosio.SiottieneUDP-galattosioeglucosio-1-fosfato.
3. L’UDPgalattosioèsubstratodiunenzimachesichiamaUDP-glucosio4-epimerasi.EssovieneconvertitoinUDP-glucosio.Questaconversioneavvieneattraversoun’ossidazione,checonsumaNAD+,cheportaallaformazionediunchetone,formaditransizioneplanare,eunasuccessivariduzione,checonsumailNADHformato,incuivengonoinvertiteleposizionidi-OHe-H.
4. L’UDPglucosioètrasformatoinglucosio-1-fosfato,chepuòentrareinglicolisi.UnenzimastaccaUDPe lo trasferisce, ad esempio, a un altro galattosio-1-fosfato, formando glucosio-1-fosfato (lo puòtrasferireaaltremolecole).
L’UDP galattosio, oltre a mandare il galattosio in glicolisi, è un intermedio importante per sintesi deiglicoconiugati(glicoproteine,glicolipidi;recettori,lipididimembrana,proteineplasmatiche)insiemeall’UDPglucosioealtrizuccheri.
18
Carenzadiunodiquesti enzimi coinvolti nelmetabolismoportaallagalattosemia cheportaa cataratta,ritardodicrescita,ritardomentaleemortedadanniepatici.Tretipidigalattosemia:tipo1Gal-1-fosfatoUridiltransferasi;tipo2galattochinasi(mutazionemenograve);tipo3UDP-Gal-4-epimerasi(formamoderata-gravemoltorara).Èunamalattiagenetica.Simanifestasoprattuttoneibambini,perchésimanifestainseguitoall’allattamento.Seinunaviametabolicamancaononfunzionaunenzimasiaccumulanogliintermedinonsoloquelliamontedellacarenza,maanchetuttiiprecedentiincircoloeaccumulatoneitessutisipuòtrovareilgalattosioeilgalattosio-1-fosfato.L’organismodopounpo’cercadieliminarli:limetabolizzaadaltrosecisonoenzimichepossono usare tale enzima come substrato; filtrato dal rene o metabolizzato dal fegato che lo eliminadirettamenteolotrasformainaltro.Perquantoriguardal’accumulodigalattosiosonopresentidueenzimi:
• L’aldosoreduttasiriduceilgalattosioagalactitolo(nelfegatooinaltrecellule)chesiaccumulaneitessuti(ilsuoaccumulonellaretinageneralacataratta);
• Lagalattoso-deidrogenasi:ilgalattosiovieneossidatoin posizione 1 portando all’acido aldonicocorrispondente, ovvero l’acido galattonico,galattonato.Essopuòessereeliminatotramiteleurine.
I danni correlati (ritardomentale, epatico,ecc.) sonodovuti ancheal fatto che i glicoconiugatinon sonoprodottiinmanieracorretta(lafunzionecellulareèdunquealterata).L’altro metabolita che si può accumulare nelle cellule è il galattosio-1-fosfato, quando mancal’uridiltransferasi(tipo1,formapiùgrave).Unaconcentrazioneelevatadigalattosio-1-fosfatopuòcompetereconilglucosio-6-fosfatoediconseguenzaun’alterazionedelleviemetabolicheincuiilglucosio-6-fosfatoèimportante.Comenellagalattosemiaclassica,lecataratteassociateadeficitdigalattosioepimerasisicredesianocausatedall’accumulodigalactitolonella lenteoculare;èpossibile,manonèdimostrato,chealtri risultatiacutipossanoesserecausatidaunaccumulodigalattosio-fosfato(Gal-1P)odialtrimetabolitineltessuto.GALE,ilgenechecodificaperlaUDP-galattosio-4-epimerasiinterconverteancheUDP-N-acetilgalattosaminaeUDP-N-acetilglucosamina.TuttiequattroquestiUDP-zuccherisonosubstratiessenzialiperlabiosintesidiglicoproteineeglicolipidinegliesseriumani.Gitzelmann(1995)hasuggeritocheun’elevataconcentrazioneintracellularediGal-1Ppotrebbeinibireunaseriedienzimiimportanti,tracuiilglucosio-6-fosfatasi,fosfoglucomutasi,laglicogenofosforilasidelfegato,UDP-glucosiopirofosforilasi, glucosio-6-fosfato deidrogenasi, e ad alte concentrazioni, UDP-Galgalattosiltransferasi.Ancheseidatirimangonocontroversi,altristudisuggerisconocheunelevatoGal-1Ppuòancheinibirelamio-inositolomonofosfatasi,l'enzimaprincipaleresponsabileperlaproduzionediMyo-inositoloinmoltitessuti.Ilmio-inositoloèunatestapolarediunfosfolipidedimembrana(il fosfatidilinositolo).Senonc’è ilmio-inositolo,nonc’èlasegnalazionesuccessiva.
50/96
Specific metabolites known to reach abnormal include galactose, galactose-1-phosphate (gal-1-P), galactitol, and inositol. Abnormal galactonate also forms, but is excreted in the urine and does not accumulate in tissues
Aldoso reduttasi
Galattoso deidrogenasi
D-Galattonato
50/96
Specific metabolites known to reach abnormal include galactose, galactose-1-phosphate (gal-1-P), galactitol, and inositol. Abnormal galactonate also forms, but is excreted in the urine and does not accumulate in tissues
Aldoso reduttasi
Galattoso deidrogenasi
D-Galattonato
19
Riassuntodelleossidazionidiglucosio,fruttosio,mannosio,galattosio.
LAGLUCONEOGENESILagluconeogenesirappresentalasintesiexnovodiglucosiopartendodasubstratinonglucidici.Èunaviametabolicaprettamenteepaticaconminorpercentualenelrene.Imetabolitiimpiegatisono:
- Illattato;- Il propionato: una molecola ottenuta
dall’ossidazionedegliacidigrassianumerodicarbonidispari.
- Ilglicerolo:convertitiintriosofosfati;- Ilfruttosio:convertitiintriosofosfati.- Amminoacidi: che per poter essere usati
devono essere convertiti in piruvato oossalacetato. Gli amminoacidi che siconvertono in glucosio vengono dettiaminoacidiglucogenici:oltreaossalcetatoeapiruvatopossonoessereconvertitiinaltrimetaboliticomeα-chetoglutarato,fumaratoeSuccinil-CoA.
52/96
LA GLUCONEOGENESI
20
AlcunidiquestiaminoacidiglucidicidevonoentrarenelciclodiKrebs,avarilivelli,oconvertitiinpiruvato,che il nostro fegato è in gradodi utilizzare. Solo la leucina e la lisina forniscono lo scheletro carboniosofunzionaleataleviametabolica;
Ilfegatoèingradodipercorrerealcontrariolaglicolisiaerobiamediantel'utilizzodellereazioniinversedellaglicolisistessa:essoperòripercorresolamentelereazionireversibili, impiegandoaltrechealternativeperquelleirreversibili.Pertornareindietrovengonosfruttate6molecolediATPe2diNADH+.L’organismonecessitafortecostantediglucosio.La glicolisi è citoplasmatica, mentre la gluconeogenesi avviene in parte nel citoplasma e in parte neimitocondri.Perpassaredapiruvatoafosfoenolpiruvato(PEP)sihabisognodidueenzimi,lapiruvatocarbossilasielafosfoenolpiruvatocarbossichinasi.
Lapiruvatocarbossilasicarbossilailpiruvato,consumandounaCO2,inossalacetato che poi successivamente viene ossidato e fosforilato infosfoenolpiruvatotramitelaPEP-carbossichinasi.NonvieneusatalaCO2,malasuaformaidratata,ilbicarbonato,vistoche la CO2non è solubile. Insiemealla carbossilasi si usa il coenzimabiotina:ognivoltachebisognaaggiungereunamolecoladiCO2(nellasuaformaidrata,ionebicarbonato),vieneimpiegatalabiotina.
Gli enzimi carbossilasi hannodue siti catalitici tra i quali vi è un dominio contenente lisina, a cui si legacovalentementelabiotina.Ilvantaggiodiaveretalelisinaneldominioinframezzatotraiduesiticataliticiconsentedispostarelabiotinadalprimoalsecondositocatalitico.LabiotinadevelegareloioneHCO3
-,chetuttaviapossiedebassaenergia.Peraumentarel’energiasiformaunintermedio,ilcarbossifosfato.Questareazioneavvienenelsitocatalitico1.Successivamente il carbossifosfato si lega alla biotina nella forma di CO2 ( le frecce nella formula -daaggiungere quandometterà le nuove slides sul dir- indicano lo spostamento di elettroni, funzionale allaformazionedellaCO2chesilegacovalentementeallabiotina)eilfosfatovieneliberato.Siformal’intermediobiotina-CO2,lacarbossibiotina,chesitrasferiscenelsecondositocataliticomedianterotazionedellegamesingolocherecaglianellieterociclicidellabiotina.
62/95
Acetil-CoA +
21
Inquestosecondositocataliticoilgruppocarbossilicovieneliberato(decarbossilazionedellabiotinaconlaliberazionediCO2).Contemporaneamenteatalereazione,unavoltaentratoilpiruvatochereagisceconlabiotina,l’enolpiruvatoreagisceconlaCO2evieneconvertitoinossalacetato.L’ossalacetato+ilGTPvengonoconvertitiinGDPePEP.
L’ossalacetato è il substrato della PEP-carbossichinasi e consumando GTP libera CO2 formandofosfoenolpiruvato.LaPEP-carbossochinasicompiedueazioni:fosforilailcarbonioedecarbossilal’ossalacetato.SenoncifosselaCO2noncisarebbeenergiasufficiente.Ilfosfoenolpiruvatopuòproseguirenellereazionireversibilidellaglicolisi.Ilpiruvatopuòderivaredatantemolecolediversequaliillattatoogliaminoacidi.Lalatticodeidrogenasicatalizzal’ossidazionedellattatoapiruvatoconriduzionedelNAD+NADH.IlNADHottenutoèfondamentaleperlareazionedellagluconeogenesicheconverteil1,3-bisfosfogliceratoagliceraldeide-3-fosfato. Ilpiruvato,prodottodal lattato,entranelmitocondrioevienecarbossilatoadossalacetatodallapiruvatocarbossilasi.L’ossalacetatonelmitocondrio,asecondadellostatometabolicodelfegato,puòseguireduediversidestini:
- Puòessereconvertitoafosfoenolpiruvato,cheescenelcitosolecontinualagluconeogenesi;- Puòusciredalmitocondriodiventandoaspartatoetornandopoiossalacetatonelcitoplasma,che
diventaasuavoltaPEPperoperadiunacarbossilasi,conconsumodienergiaecontinuandocosìlaviametabolicadellagluconeogenesi.
Se il piruvato non proviene dal lattato, ma da altri amminoacidi, entra nel mitocondrio dove vienecarbossilatodallapiruvatocarbossilasi, l’ossalacetatocosìottenutoescedalmitocondrio.PrimaperòdeveesseretrasformatoinmalatodallamalatodeidrogenasimitocondrialeconsumandounamolecoladiNADH.Ilmalatovienescambiatoconα-chetoglutaratonelsuoprocessodiuscita;sempreilmalatovieneconvertitoinossalacetatodallaisoformacitosolicadellamalatodeidrogenasicheconsumaunNAD+eformaunNADH+H+.Attraversoquestaviavengonoportatifuoridalmitocondriol’ossalacetatoeilNADHcheènecessarioallaprosecuzionedellagluconeogenesicitosolica.Iduepassaggidifferentinonpresentinellaglicolisi,mapresentinellagluconeogenesisonola:
- Conversione del fruttosio 1,6-bisfosfato a fruttosio-6-fosfato attraverso l’enzima fruttosio1,6-bisfosfatasi-1.
- Conversione glucosio-6-fosfato a glucosio tramite la glucosio-6-fosfatasi (enzima presente nelreticoloendoplasmatico).
Inentrambeleconversionivieneidrolizzatoilfosfatoeliberatocomefosfatoinorganico.
64/95
22
Laglucosio-6-fosfatasideveentrare,attraversoiltrasportatoreT1,nelreticoloendoplasmaticodoverimuoveilfosfatoottenendoglucosioefosfatoinorganicocherientranonelcitosolattraversoitrasportatoriT2eT3.Ilglucosioottenutodalfegatoconlagluconeogenesivienerilasciatoneltorrentecircolatorio,uscendodallacellulaattraversoilGLUT2.
VIADELPENTOSIOFOSFATO(shuntdell’esosomonofosfato)Èunaviametabolicacheprevedel’ossidazionedelglucosioconlaproduzionediNADPHeCO2.Si parte con 6 molecole di glucosio per eliminare completamente 6 molecole di CO2: l’esito netto èl’ossidazionedicompletadi1molecoladiglucosio,mentrele6ossidazioniprecedentieranoparziali.Questaossidazionenonprevedeproduzioneenergetica(ATP),masiproduceuncoenzimaridotto,ilNADPH(daNADP+),eunamolecoladiribosio-5-fosfato.IlNADPHvieneutilizzatoperlebiosintesiriduttive,comequelledegliacidigrassi,epermantenerelostatoredoxdellacellula.Ilribosio-5-fosfatoservepersintetizzareinucleotidieicoenzimi.Nontuttelecellulehannolastessanecessitàdeidueprodotti:unacellulapuòaverepiùbisognodiNADPHodiribosio-5-fosfato.I globuli rossi, per esempio, richiedono poco ribosio 5-fosfato,ma alte concentrazioni di NADPH poichétendonoasfruttarlopermantenerelostatoridottodellacellula.NADPH+GS-SGàNADP++2GSH(glutatione).Inquestareazioneintervienelaglutationereduttasi.Ilribosiononservepertantoallacelluladelglobulorosso.ItessutichefannofermentazionelatticausanomoltoilNADPHpermantenerelostatoredoxedeliminareiradicaliliberi.Quando una cellula usa prevalentemente il NADPH, ricicla il ribulosio-5-fosfato (intermedio amonte delribosio-5-fosfato)etramiteglienzimitranschetolasietransaldolasirigeneraunanuovamolecoladiglucosio-6-fosfato. Nella fase non ossidativa (da ribulosio 5-fosfato a glucosio-6-fosfato) vengono prodottimonosaccaridia3,4,5,7atomidicarbonio.
66/95
23
Faseossidativa
1. Sipartedalglucosio6-fosfatocheèilsubstratodienzimaglucosio-6-fosfatodeidrogenasi.Questoenzima ossida il carbonio 1 del glucosio, che diventa, da emiacetale ciclico, un estere ciclicochiamato6-fosfoglucono-δ-lattone.
2. L’esteresiidrolizza,siaprel’anellotramitelalattonasiel’H2O.Siottieneil6-fosfogluconato.IlglucosioèstatoossidatoirreversibilmenteegliequivalentiriducentisonotrasformatiaNADPH.
3. Il 6-fosfogluconato subisce una decarbossilazione ossidativa trasformandosi in D-ribulosio-5-fosfato: l’enzima 6-fosfogluconato deidrogenasi ossida il carbonio 3 (trasformando il gruppoalcolicosecondarioinchetonico)esuccessivamentepromuoveladecarbossilazioneinposizione1,perdendoilgruppocarbossilicoeeliminandolaCO2.
4. IlD-ribulosio-5-fosfatopuòessereconvertitoinribosio-5-fosfatodaunafosfopentosioisomerasi,chetrasformailchetopenstosioinaldopentosio,ilribosio-5-fosfato.
70/95
71/95
FASE OSSIDATIVA
71/95
FASE OSSIDATIVA
24
FasenonossidativaInquestafasevienericiclatoloscheletrocarboniosodelribosio-5-fosfato.
1. Partedelribulosioèsubstratodiunaepimerasi,laribulosio-5-fosfatoepimerasi.Il ribulosiovienetrasformato inparte inribosioe inpartenelsuoepimero, ilxilulosio5-fosfato.Vieneepimerizzatoinposizione3.
2. Ilribosioeilxilulosiosonosubstratodell’enzimatranschetolasi:questoenzimaprendeilcarbonio1e2diqualsiasichetosiodonatoreelotrasferiscesuunaldosioaccettore.L’aldosiochehaaccettatodiventaunaldosiopiùlungodidueatomidicarbonio;mentreilchetosiodipartenzahapersodueatomidicarbonioediventaaldosio.Latranschetolasiprendedueatomidicarboniodalloxilulosioelitrasferiscesulribosioottenendol’aldosiogliceraldeide3-fosfatoeunchetosioa7atomidicarbonio,ilsedoeptulosio7-fosfato.
3. La gliceraldeide e il sedoeptulosio reagiscono tra di loro tramite la transaldolasi: questo enzimaprendel’unitàa3atomidicarboniodalchetosioelatrasferiscesull’aldosio.Ilsedoeptulosiodivental’aldosio eritrosio 4-fosfato. La gliceraldeide che ha acquista l’unità a 3C diventa il chetoesosofruttosio-6-fosfatotramiteglienzimitriosofosfatoisomerasi,aldolasi,fruttosio1-6-bisfosfatasi.
72/95
FASE NON OSSIDATIVA
75/95
75/95
25
4. Lacellulaorapuòtrasformareconun’isomerasi ilfruttosio6-fosfato inglucosio6-fosfato.Invece
l’eritrosio4-fosfatoreagisceconun’altramolecoladixilulosio-5-fosfatoinunareazionecatalizzatadallatranschetolasi.
Questaviametabolicaèregolatainmanieraallosterica:ilmodulatoreallostericoèilNADPH.Quandonellacellula ci sono adeguate concentrazioni di NADPH viene inibito il primo enzima, la glucosio-6-fosfatodeidrogenasi,eilglucosiocherimanenellacellulavienedirottatonellaglicolisi.QuandoilNADPHdiminuisceilglucosio6-fosfatotornaadessereossidatoinquestavia.Questaviametabolicaèmoltoattivaneiglobuli rossi,nel fegato. Ilmuscolo invece lasfruttamoltopocoperchélesuenecessitàbiosintetichesonoridotte.
ILMETABOLISMODELGLICOGENO
Aparteiglobulirossi,piùomenotuttiitessutipossonocontenereesintetizzareilglicogeno.Essoèperòpresentesoprattuttoneimuscolienelfegato.LAGLICOGENOLISIQuestoprocessometabolicodegradailglicogenotramiteglienzimiglicogenofosforilasiederamificante.Laglicogenofosforilasipartedalleestremitànonriducentidelglicogenoe,utilizzandounfosfatoinorganico,scinde il legameglicosidicoα-1-4 liberandounamolecoladiglucosio1-fosfato. Il glicogenoèdunquepiùcortodiunresiduo.Questoenzimausailcoenzimapiridossalfosfato(PLP),sintetizzatodallapiridossina.La glicogenofosforilasi degrada una catena lineare di glicogeno scindendo fino a 4 residui da unaramificazione.Dopo il quarto residuo interviene un secondo enzima, l’enzima deramificante che possiede due attivitàcatalitiche:
- Attività di transferasi: prende tre residui di glucosio da una delle due catene e li trasferisceall’estremitànonriducentedellacatenalineare.Ilglucosiolegatoconlegameα1-6rimanelungolaramificazione.
- Attivitàα1-6glucosidasica:idrolizzaillegameα1-6liberandoilglucosio,l’ultimodellaramificazione.Laglicogenofosforilasitornaadagirefinoa4residui,poiintervieneilderamificanteecosìvia.
76/9576/95
26
Ilglucosio1-fosfatoottenutovienetrasformatoinglucosio-6-fosfatotramitelafosfoglucomutasi.Ilgruppofosfatovienespostatodallaposizione1allaposizione6.L’enzimahagiànelsitoattivoungruppofosfatoesiformaunintermedioglucosio1,6-bisfosfato.Ilglucosio6-fosfatohadestinidiversinelfegato,nelmuscoloeneglialtritessutiperiferici:ilmuscololousaperlaglicolisiepertuttelesueproprienecessità;inveceilfegatononlousa,malodefosforila,attraversolaglucosio6-fosfatasipresentenelreticolo,eloimmettenelcircolosanguignopermantenereilivellinormalidiglicemia.
81/95
LA GLICOGENOLISI
82/95
27
LAGLICOGENOSINTESIQuestaviametabolicaavvieneadalteconcentrazionediglucosio-6-fosfato,peresempiodopoipasti.Ilglucosio6-fosfato viene trasformato inglucosio1-fosfato tramite la fosfoglucomutasi. Si trattadiunareazionereversibile,ilcuisensodipendedalleconcentrazionidisubstrato.Ilglucosio1-fosfatodeveesseretrasformatoinUDP-glucosiotramitel’enzimauridiltransferasi.
Meccanismo generale dell’uridiltransferasi: zucchero 1-fosfato +nucleotide trifosfato (NTP) à pirofosfato (PPi) + zucchero- NDP(nucleotide difosfato). La reazione è catalizzata dall’enzima NDP-zuccheropirofosforilasi. Il pirofosfatopuòesseredegradato a 2 fosfatiinorganicidallapirofosfatasi.
LaglicogenosintesiincominciaunavoltacheilglucosiovienetrasformatoinUDP.La glicogeno sintasi prende il glucosio dall’UDP-glucosio, rimuove l’UDP traferendolo su una catena diglicogenoperformareunlegameglicosidicoα1-4tramolecoladiglucosioedestremitànonriducentediunamolecoladiglicogeno,chesiallungadiunresiduo.
84/95
LA GLICOGENOSINTESI
86/95
85/95
28
Bisognainserireleramificazioniogni8residuigrazieall’enzimaramificante,l’amilo(1-4)(1-6)transglicosidasi.Perfarsìchel’enzimafunzionilacatenadeveaverealmeno11residuidiglucosio:l’enzimaprende7residui,scindeillegameα1-4eformaunnuovolegameα1-6sulquartoresiduoamonte.Moltecopieditalienzimilavoranocontemporaneamentealfinediformarelamacromolecoladiglicogeno.Successivamenteintervienelaglicongenosintasicheallungalacatena.
EnzimaramificanteLaglicogeninaL’enzimachepermettediformareilprecursoredelglicogenodacuiiniziatuttoilprocessoèlaglicogenina.Durantelafasedidigiunonotturnoilfegatoconsumatuttoilsuoglicogenoedunquedeveripartireaformarlodazero.Bisognausarel’enzimaglicogenina,undimerocontirosinainposizione194.Questoenzimasiautoglicosila:siattaccamolecolediUDP-glucosiosullatirosina.Laglicogeninasuccessivamentepuòaggiungerealprimoglucosioaltriglucositramitelegameglicosidicoα1-4formandounacatenadi7residuidiglucosio.Suquestacatenadi7glucosiintervieneilsistemaglicogenosintasi-ramificanteesicostruisconolemolecolediglicogeno.
Lamolecoladiglucosioèosmoticamenteattiva:seceneètroppolacellulasigonfia.Laglicemiaadigiunovale5,5mM;nellacellulaepaticailglucosiohaunaconcentrazionedi400mM,maselocompressiamoaglicogenolaconcentrazionedelglucosioscendefinoa0,1mM.
87/95
Enzima ramificante: amilo(1 4)(1 6) transglicosidasi → →
88/95
LA GLICOGENINA
29
REGOLAZIONEDELLAGLICOLISIEDELLAGLUCONEOGENESINelfegatoenelreneèimportantecheleduevienonfunzioninocontemporaneamente.Intuttiitessutilaglicolisièregolatainmodotaledaaverevelocitàadeguataperrifornireitessutidienergia.Sitrattadiregolazionedeglienzimiimportantiperlaviametabolicairreversibile.Glienzimisonoregolatidamodulatoriallostericiodallefosforilazioni.Moltospessolafosforilazioneèl’esitodiattivazionediunacascatadisegnalazionechepartedaunrecettoredimembranagrazieallapresenzadideterminatiormonineltorrentecircolatoriochesonoingradodimodificareilmetabolismodiunacellula.Laregolazioneallostericaavvieneintempimoltorapidi,mentrelarispostaadunormoneavvieneintempimoltolunghi(daunminutoaqualchesecondo).Unaltromodoperregolarelaviametabolicaèl’influenzarelaquantitàdiproteinainunacellula,regolandol’espressionegenica(seilgenediventaeccessivol’organismointervieneinibendolasintesidinuovaproteinaemandandoattivamenteproteineasistemadidegradazioneconilproteasomaattivatodapoliubiquitina).Affinché una cellula possa usare il glucosio esso deve essere portato all’interno della cellula tramite deitrasportatori,iGLUT.IlGLUT1importabasalmenteilglucosio;ilGLUT2sitrovanelfegato,nell’intestinoenelleisolepancreaticheerimuovel’eccessodiglucosionelsangueeregolalasecrezionediinsulinadalpancreas;ilGLUT3sitrovanelcervelloeintuttelecelluleneuronali;ilGLUT4sitrovanelmuscolo,neltessutoadiposoenelfegatoedèregolatodainsulina;ilGLUT5èuntrasportatoredifruttosiopresentenell’intestino,neitesticolienelrene.QuandopresentiinmembranatrasportanoilglucosiosecondogradienteperchéT1èapertoversol’esternodellacellula;mentreilT2versol’internodellacellula.TuttiiGLUT,tranneil4,sonopresentinellamembranaefunzionanosecondogradiente.L’insulina regola la funzionalità del GLUT4: l’insulina è un ormone peptidico ipoglicerizzante (promuovel’ingresso del glucosio dal torrente circolatorio nelle cellule), sintetizzato dalle cellule beta delle isolepancreatiche,èrilasciataquandosihaglicemiaelevata.IlGLUT4sitrovanellamembranadialcunevescicoledellecellule.Quandosiattivailsignalingdell’insulina,levescicolesifondonoconlamembranaplasmaticaeilGLUT4vienesudiessaespostoelavoracomeglialtriGLUT,portandoilglucosiosecondogradientenellecellule.Quandoinvecel’insulinadiminuisce,mancalasegnalazioneavalledelrecettorechevieneendocitatoeconservatoall’internodellevescicole.Laprima reazione della glicolisi è la fosforilazione del glucosio a glucosio-6-fosfato tramite l’esochinasi:questo enzima ha 4 diversi isoenzimi presenti rispettivamente nel cervello e fegato,muscolo e tessutoadiposo, inmoltitessuti,nelfegatoepancreas.1,2,3sonopresentineitessutiperiferici.QuesteisoformedifferisconoancheperlaKmperilglucosio:1,2,3possiedonounaKmbassa,mentrela4nepossiedeunapiùelevata.L’attivitàdelleprimetreèinibitadallaproduzionedelglucosio-6-fosfato.
6/37
30
L’esochinasi4èchiamataspessoglucochinasi.Lacolonnanel grafico in rosso rappresenta il valore di glicemia adigiuno:aconcentrazionifisiologiche(glicemiabasale),nonvi è produzione di insulina quindi sono attivati itrasportatoriGLUT1,GLUT2eGLUT3cheportanoilglucosioall’internodellacellulalecuiconcentrazionisonosufficientiall’attivitàmassimadelleprimetreisoformeesochinasiche.Nel fegato il glucosioentra tramite ilGLUT2,maessendopresente in condizioni glicemiche basali, non sufficientiall’attivitàdellaglucochinasi,essononentrainglicolisi.Laglucochinasivienesegregatanelnucleoinmodocheincondizioni di glicemia basale il glucosio non venga usatocomeprincipalefonteenergetica.
Quandoentraglucosionellacellula,essopuòessereinminimapartefosforilatoedisomerizzareafruttosio6-fosfato.SeleconcentrazionidiglucosiosonoinferioriallaKm,talemonosaccarideedilfruttosio6-fosfatoesercitanouncontrollonegativosull’enzimaesochinasiIV,ilqualevienetraslocatonelnucleoelegatoadunaproteinaregolatrice. Incondizionediglicemiapiùelevate,cioèquandoKm<[glucosio], l’attivitàdellaglucochinasi aumentae il glucosio6-fosfatopuòentrare inglicolisi (dipendenzadalla concentrazionedelglucosio).Sihaunmodicoaccumulodiglucosionelcitosolchepromuovelarotturadellegamefral’esochinasiIVelaproteinaregolatriceinmodotalechel’esochinasiritornanelcitosol.
Il secondo punto di regolazione è a livello della conversione fruttosio-6-fosfato in fruttosio 1,6-fosfato.L’enzimadellaglicolisièlafosfo-fruttosiochinasi-1,mentredellagluconeogenesilafruttosio1,6-bisfosfatasi.
RegolazioneallostericadellaPFK-1
Èattivatodall’AMP,ADPefruttosio2,6-bisfosfotatoedinibitodalcitratoedall’ATP.
7/40
La glucochinasi viene segregata nel nucleo
8/40
9/40
REGOLAZIONE ALLOSTERICA DELLA PFK-1
9/40
REGOLAZIONE ALLOSTERICA DELLA PFK-1
31
Glieffettoriallostericirispondono:- Allostatoenergetico;- All’ambienteintracellulare:dipendendodalpHdell’ambiente.SeilpHsiabbassa,laglicolisirallenta.
LaprincipalefontediprotoniH+èlaproduzionediacidolatticosottoformadilattato.SesiallontanaillattatoilpHvieneripristinato.MegliorallentarelaglicolisiperrispettareilvaloredipH.
- Disponibilitàdialtrerisorse:inquestocasointervieneilcitrato.Seiltessutopuòossidaremolecolediversedalglucosio,portandoaproduzionedimaggiorquantitàdiATP,lacellularisparmiaglucosio,inquantoottiene,daquestefonti,l’ATPnecessaria.SeilciclodiKrebsèaltamenteattivo,ilcitratosiaccumulanelmitocondrioemedianteunsistemashuttlevieneesportatoinpiccolapartenelcitosolregolandoquestoenzima)
- Rapporto insulina/glucagone (da esso dipende la concentrazione del fruttosio 1,6-bisfosfato):l’attivitàdellaPKF-1èmodulataanchedalfruttosio2,6-bisfosfato,prodottoinseguitoallasecrezionediinsulina.Un’altaglicemiaproduceinsulinachecausalaproduzionediquestointermedio:laPFK-1regolapositivamenteeinizialaglicolisi.
RegolazionedellaFBPasi-1QuestoenzimaèlacontropartedellaPFK-1.L’enzimavieneinibitoallostericamentedall’AMPedalfruttosio2,6-bisfosfato(èperquestochelaglicolisie lagluconeogenesinonagisconocontemporaneamente).Seèpresenteilfruttosio2,6-bisfosfato,laPFK-1èattiva,mentreseèassenteèinattiva(ilcontrarioavvieneperlaFBPasi-1).
Il fruttosio2,6-bisfosfato siottienepartendodal fruttosio6-fosfatocheviene fosforilato inposizione2aspesediATP tramite laPFK-2. Il fruttosio2,6-bisfosfatopuò ritornarea fruttosio6-fosfato idrolizzando ilfosfatoinposizione2tramiteFBPase-2.
Lareazioneèreversibileperchéèpresenteunafruttosio2,6-bisfosfatasi-2.PFK-2 e FBPasi-2 sono domini catalitici presenti su un’unica catena polipeptidica è regolata mediantefosforilazioneinserina.Quandol’enzimanonèfosforilato,èattivalaPFK-2èinattivo,mentrelaFBPasi-2èinattiva(defosforilazioneoperatadaunafosfoproteinafosfatasi,laPP2A).Lafosforilazionepertantostimolalagluconeogenesi,mentreladefosforilazionestimolalaglicolisi.Ilglucagoneregolapositivamentelafosforilazione(recettoreglucagone-proteina4-adenilatociclasi-PKA),mentrel’insulinaregolapositivamenteladefosforilazione(nonsiconosceilmeccanismoditaleattivazione).
11/40
Nel fegato
11/40
Nel fegato
13/40
32
LastrutturadellaPP2Aècostituitadaunaproteinascaffold(impalcatura)che legaundominiocatalitico;questaPP2Apresentaduepossibilesubunitàregolatoriechepossonoprodurreduepossibilioloenzimi(1e2).Loxilulosio5-fosfatoregolapositivamentelaPP2AattivandoChREBPcheperdeungruppofosfatochevieneliberatocomefosfatoinorganico(da2-Pa1).LaproteinaChrREBPdefosforilataentranelnucleo,dovenuovamenteunaPP2A,modulatadaxilulosio5-fosfato, ladefosforila.ChREBP,privaoradigruppifosfati,legaunaproteina(mix)che legaaltreChREBP,che legaunamixeviacosì.Siattivadunquel’espressionegenicadiPK(piruvatochinasi),FAS(sintasidegliacidigrassi)eACC(acetilCoAcarbossilasi).Anche ilglucagoneagiscesecondounmeccanismoditraduzionedelsegnale,attivandounaproteinaGαs(attival'adenilatociclasi,quindilasintesidell'AMPciclico(cAMP))(ACàcAMPàPKA).LaPKAsimuovedalcitosolalnucleo,andandoafosforilareCREB(proteinachelegal’elementodirispostaalcAMP).CREB-PattivaCRE,andandoaregolarel’espressionegenicainpositivodellaPEPCK(carbossichinasidelfosfoenolpiruvato).
RegolazioneallostericadellaPKLAPK(piruvatochinasi)trasformailfosfoenolpiruvatoinpiruvatorimuovendoilgruppofosfatoperformarel’ATP.Nelfegatovièisoenzimaspecifico,ilpiruvatochinasiL,regolatodamodificazionepost-traduzionale,ovverounafosforilazione.Laformafosforilatadellapiruvatochinasièinattiva,quellanonfosforilataèattiva.La PKA è responsabile della fosforilazione e inattivazione dell’enzima, viene attivata a valle dellasegnalazionedelglucagonechepromuovel’AMPcicliconellacellula.Laproteinafosfatasi(PP)fosforilalaPKevieneattivataavalledellasegnalazionediinsulina.Intuttiglialtritessutic’èancheunaregolazioneallostericachepermettedimodularelavelocitàdiattivitàdellaPK:questimodulatori regolano l’isoformanonfosforilata inmanierapositiva (come il fruttosio1,6-bisfosfato chepromuove l’attivitàdellaPK)o inmanieranegativa (comeacetilCoAe acidi grassi a lungacatena:ilfegatolipuòusareperprodurreenergiaeilglucosiovienerisparmiato).Un altro modulatore allosterico negativo è l’alanina, importantissimo nel muscolo, dalla quale si puòottenereilpiruvatoediconseguenzaenergia.
13/40
15/40
33
Regolazioneallostericadellapiruvatocarbossilasiedellapiruvatodeidrogenasi(PDH)Ilpiruvatoentratonelmitocondriopuòessereusatodallapiruvatocarbossilasioppuredall’acidocitrico.Perfar sì che avvenga la gluconeogenesi deve essere inibito il PDH e attivata la piruvato carbossilasi. Vienedunque impiegato un unicomodulatore che agisce contemporaneamente: l’acetilCoA attiva lapiruvatocarbossilasi, mentre inibisce il complesso della piruvato deidrogenasi. Questo acetilCoA non deriva dalcatabolismodeicarboidrati,madialtrisubstrati.
REGOLAZIONEDELMETABOLISMODELGLICOGENORegolazionedellaglicogenofosforilasiLaglicogenofosforilasi,enzimadimerico,vieneregolatainmaniera:
- Covalenteattraversolafosforilazione.Isitidifosforilazionesonodueevienefosforilatalaserina14diciascunodeiduemonomerideldimeroenzimatico.L’enzima fosforilato promuove un cambio conformazionale: la fosforilasi a rappresenta l’enzimanellasuaformafosforilataepresentalamassimaattività;lafosforilasibèl’enzimanellasuaformadefosforilataepresentalaminorattività.
- Allosterica:imodulatoriallostericinegativi,cheagisconosolosullaformamenoattiva,sonol’ATPeil glucosio-6-fosfato (prodotto finale della degradazione del glicogeno), mentre il modulatorepositivoèl’AMP.
Sonopresentiunachinasi,fosforilasibchinasi,chefosforilal’enzima,eunafosfatasi,fosforilasiafosfatasi(PP1),chedefosforilal’enzima.
18/37
Regolazione allosterica della PK
19/37
Regolazione allosterica della PEPCK e PDH
34
Lafosforilasibchinasipuòrispondereall’attivitàdiormoni,qualiilglucagoneel’adrenalina.L’adrenalinaèimportantenelmuscolo,mentreilglucagoneagiscesulfegato.LaPP1rispondeaunasegnalazioneormonaleattivandol’insulina.Comeavvienelaregolazione:l’adrenalina,nelmuscolo,agiscepromuovendol’incrementodicalcioeAMP.Lafosforilasichinasi(costituitadaquattrosubunità)rispondealleconcentrazionicitosolichedicalciotramitelasubunitàδ,proteinacalmodulina,chelegailcalcio.Lafosforilasichinasirispondepositivamentealglucagonepoichéesso induce l’attivazionediunadenilatociclasi(attivazionePKAequindiattivazionedell’enzima).LaPP1èregolatainvecepositivamentedall’insulina(questoenzimapartecipasiaalladefosforilazionedellaGFasiaaquelladellaGFK).
Lafosforilasichinasipuòesistereinconformazionefosforilata(attiva)edefosforilata(menoattiva).LaPKA,attivatadaAMPciclicodopol’interazionedelglucagoneconlamembranaplasmatica,fosforilalafosforilasi chinasi, che si attiva, che fosforila la glicogeno fosforilasi attivandola. L’adrenalina regola lafosforilazionecomeilglucagone.Nelmuscoloaquestaregolazionesisovrapponelaregolazioneallostericaportatadalcalcioedall’AMPciclico.Ladefosforilazionedientrambiglienzimi(fosforilasiaefosforilasichinasi)èportataavantidallaPP1,avalled’insulina.
PP1,asuavolta,puòessereregolataesistendoinunostatofosforilatoeinunononfosforilato.LaPP1vieneattivatadall’insulina.LaPP1sicomplessaconlaproteinaGMchevienefosforilatasuresiduidiversidaduechinasidiverse,lachinasiinsulino-dipendenteelaPKA.Queste due chinasi non sono mai attivate contemporaneamente inquantolaPKAèattivaquandocisonoadrenalinaoglucagone,mentrelachinasiinsulino-dipendentequandoèpresentel’insulina.Quandocisonoadrenalinaeglucagone,ilGMfosforilatodallaPKA,sidissocia dalla PP1, che si libera dal complesso con gli enzimi del
metabolismodelglicogenoedinteragisceconuninibitorecheinattivalaPP1.L’inibitoreasuavoltadeveesserenelsuostatofosforilatotramitelaPKA.Quandoinvecec’èl’insulina,GMfosforilato interagisceconlaPP1chevieneattivatoedefosforila isuoisubstrati(glicogenofosforilasieglicogenosintasi).
22/40
Regolazione della glicogeno fosforilasi
31/40
Regolazione della PP1
35
È necessario avere tale regolazione perché è un esempio di amplificazione del segnale, una cascata difosforilazioniavalledelglucagoneeadrenalina,perottimizzareilnostrosistema,inquantodaunasingolamolecoladiormonesiottengono10000molecolediglucosionelsangue.
Loscopodelladegradazionedelglicogenoaglucosioèdiversanelfegatoenelmuscolo.Nelfegatoilglucosioottenuto viene liberato nel torrente circolatorio e poi entra nelle varie cellule contribuendo al valore diglicemia.Ilfegatopuòpercepirequestaconcentrazioneematicadiglucosioeregolarediconseguenzatuttoil processo. Il glucosio nel sangue entra nelle cellule epatiche con i trasportatori, ma non viene subitofosforilatoinquantol’esochinasinonèattiva.Isitifosforilatiattivisonoracchiusiall’internodellaglicogenofosforilasi.Quandovengonolegateduemolecolediglucosio,isitifosforilativengonoespostiepuòagirelaPP1(regolazionenegativadaglucosio).Lafosforilasiaepaticaagiscecomesensorediglucosioematico.Ilmuscolodegradailglicogenoaglucosiocherimanenelmuscolopercreareenergia.Ilglucosioepaticosiesauriscenell’arcodiunanotte.Quandosihailglucagonesiattivanounaseriedichinasiequindièresponsabiledellafosforilazionediunaseriedienzimi.Quandol’insulinaèpresente,attivadellefosfatasichedefosforilanocausandoun’inibizionediquestienzimi.
RegolazionedellaglicogenosintasiAnchelaglicogenosintasièpresentenellaformaattivaenellaformainattiva.Laglicogenosintasiadefosforilataèattiva,mentrelaglicogenosintasibfosforilataèinattiva.L’enzimachedefosforilaèlaPP1.Glienzimicheinvecefosforilanosono11enzimieiduepiùimportantisonolaCK2,caseinachinasi2,elaGSK3,glicogenosintasichinasi3.LaGSK3èinibitaavalledell’insulinachenelfrattempoattivalaPP1.
23/40
26/40
Regolazione della glicogeno fosforilasi eptica
Sensore di glucosio ematico
36
Ilglucagoneel’adrenalinainibisconoilPP1.IlPP1rispondepositivamenteancheaconcentrazionidiglucosioe glucosio-6-fosfato, i precursori della sintesi di glicogeno. Se questi due precursori sono abbandonantiattivanoilPP1chedefosforilalaglicogenosintasiattivandola.Laglicogenosintasib,menoattivaefosforilata,puòessereattivatadaunmodulatoreallosterico,ilglucosio6-fosfato,seèmoltoabbondante.LaGSK3,peressereattivata,habisognocheilsuoenzimabersaglioabbiagiàunafosforilazionechefunzionadapriming.CiòpermetteallaGSK3diinteragireconlaglicogenosintasi:quandoGSK3halegatoGS,usandoilfosfatoinseritodaCK2,puòscorrereandandoafosforilareinposizione3laglicogenosintasichesiinattiva.
ILMETABOLISMODEILIPIDI
DIGESTIONEEASSORBIMENTOConladietasiintroduconolipididituttiitipi,maprevalentementetrigliceridiecolesterolo.Questemolecolesonoidrofobiche,mentreglienzimisonosolubiliinacqua.Comesiincontranoilipidieglienzimideputatiallalorodigestione,lelipasi?Lelipasisitrovanonelplasma,neltrattogastro-intestinale.Lalipasigastricadigerisceitrigliceridi,rimuovendogliacidigrassi:sipossonootteneregliacidigrassiliberi,idiacilgliceroliemonoacilgliceroli.Èunalipasilentacherompelamassaoleosaintrodottaingocciolinepiùpiccole in un’emulsione. Le gocce lipidiche sono composte dai trigliceridi non digeriti e dai derivati didigestioneparzialeototale.
Questemolecolediemulsionepassanonell’intestinodoveviene laveraepropriadigestionedei lipidi.Legocceottenutesonoancorainsolubili,maaumentalasuperficieaggredibileperchésonopiùpiccole.Peresseredigeritedaglienzimiintestinalidioriginepancreaticaquesti lipididevonoessereulteriormentesolubilizzatigrazieaisalibiliari.Isali(oacidiinbaseallostatodiprotonazione)biliarisonoprodottinelfegato
27/40
Regolazione della glicogeno sintasi
G6P
4/69
37
negli epatociti, come coniugati dell’AcetilCoA, a partire dal colesterolo: si ottiene l’acido colico (CA) echenodeossicolico (CDCA). Questi due acidi possono essere successivamente coniugati allaglicina e allataurinaformandogliacidibiliareconiugati,l’acidoglicocolicoel’acidotaurocolico.
Isalibiliariconiugatisonopoiconservatiincistifelleaepoirilasciatinelduodenoduranteladigestione.Per molto tempo si è ritenuto che gli acidi biliari fossero coinvolti in quattro funzioni primariefisiologicamenteimportanti:
- Lalorosintesieseguenteescrezionenellefecirappresental’unicomeccanismoperl’eliminazionedelcolesteroloineccesso.
- Gliacidibiliarieifosfolipidisolubilizzanoilcolesterolonellabile,quindiprevenendolaprecipitazionedelcolesterolonellacistifellea
- Lorofacilitanoladigestionedeitriacilglicerolidelladieta,tramitel’actinacomeagentecherendegliacidigrassiaccessibiliallalipasipancreatica.
- Lorofacilitanol’assorbimentointestinaledellevitamineliposolubili.Oggi invece si pensa che gli acidi biliari siano coinvolti nel controllo del loro stesso metabolismo e deltrasporto attraverso la circolazione enteroepatica; regolano ilmetabolismo dei lipidi, ilmetabolismo delglucosio, controllanogli eventidi segnalazionenella rigenerazionedel fegato,e la regolazionedi tutta laspesaenergetica.Gliacidibiliari,soprattuttol’acidochenodeossicolicoel’acidocolico,possonoregolarel’espressionedeigenicoinvoltinellalorosintesicreandounciclodifeed-back.
5/69
Acidi Biliari
Primari
Coniugati
38
IlrecettorelegatodagliacidibiliarièilrecettorefarnesoideX.Questorecettoresipuòtrovarenelnucleoonelcitoplasma.IrecettoriFXRappartengonoallasuperfamigliadirecettorinuclearicheincludonolafamigliadeirecettoridell’ormonesteroide/tiroide;ilrecettoreXdelfegato;ilrecettoreXdelretinoide.Èpresenteunaviaenteroepaticadirecuperodegliacidibiliari.Il95%degliacidibiliari,riversatinell’intestino,sonoriassorbitia livellodell’ileodistale. Il riassorbimentoavviene attraverso il trasportatore sodio-dipendente apicale della bile (ASBT) presentemembrana ciliatadell’’enterocita. La proteina ileale acido biliare legante (IBABP) è coinvolta nel trasporto di sali biliariattraverso il citosol dell’enterocita verso la membrana basolaterale. Una volta che i sali biliari hannoraggiunto la membrana basolaterale, sono trasportati nel sangue dal trasportatore eterodimericoOSTα/ΟSTβ.Il5%chenonvieneriassorbitonell’ileointestinalediventasubstratodellafloraanerobicapresentenelcolone i batteri generano degli acidi biliari secondari, come ildeossipolato, l’ursodeossicolato e il litocolato.Questiacidibiliarisecondaripossonoessereriassorbitipassivamentedalcolonotornanoalfegatoevengonoriciclatioppurerimangononell’intestinoevengonoescreti.Emulsionare i lipidi significa creare micelle miste, formate da sali biliari e trigliceridi. Queste micellepresentanounastrutturaabastoncino.Legocciolinepossonoessereattaccatedallalipasipancreaticaelacolipasi.
La lipasipancreaticaè inibitadaisalibiliarieattivatadallacolipasi.Essaliberagliacidigrassirompendoilegamiestereesiottengonoquindiacidigrassieglicerolo.La lipasipancreaticaA2utilizzacomesubstrati ifosfatidi,degradandoil legameesteredelcarbonio2delglicerologenerandounacidograssoeunlisofosfatide.
9/69
10/69
LIPASIPANCREATICA
Inibita da Sali biliariAttivata da Colipasi
39
Gli acidi grassi e il glicerolo prodotti si trovano nel lume intestinale e sono riassorbite dagli enterociti.All’internodeglienterocitigliacidigrassiacatenamedia(<=10C)possonoessereassorbitidirettamenteneltorrente circolatorio; quelli a lunga catena invece sono utilizzati dall’enterocita per risintetizzare deitriacilglicerolidinuovasintesi.Itracilglicerolisonoincorporatineichilomicroni.
Ichilomicronipresentanodei fosfolipididimembrana,dellemolecoledicolesterolochecreanounmonostrato che delimita la struttura, e sono delle molecole solubili. All’interno della struttura ci sono itriacilgliceroli, gli esteri del colesterolo, presenti in quantità proporzionale a ciò che si mangia, e delleproteineintegralidimembranachesonochiamateapolipoproteine.Unavoltachequestastrutturavieneassemblata,essavienerilasciataneltorrentelinfatico.Successivamentepasseràalivellodeldottotoraciconeltorrentecircolatorioperraggiungereitessuti.
Ichilomicroniappartengono,insiemealleVLDL,LDLeHDL,allelipoproteinepresentinelplasma.Ichilomicronisonolepiùgrandi,leHDLsonoinvecelepiùpiccole.Ogniclassedi lipoproteinapresentauncorredospecificodiapolipoproteine. Il riconoscimentotracellulebersaglioelipoproteinaèmediatodariconoscimentoantigene-ligando.Ichilomicronirilascianoedistribuisconogliacidigrassiaitessuti.Affinchél’acidograssosiacedutoaltessutodeve essere staccato dal trigliceride tramite una lipasi specifica per le lipoproteine (lipoproteina lipasi),presentesullamembranadellecelluleendotelialideicapillari.LalipoproteinalipasiriconosceichilomicronigrazieallaapolipoproteinaCII.Aquestopunto la lipasidegrada itrigliceridiagliceroloeacidigrassichepossonoessereassorbitidai tessuti.Quandounchilomicrone siè svuotatovienechiamato rimanenzadichilomicrone:alsuointernosonorimastigliesteridicolesterolochevengonoriassorbitieusatidalfegato.Ilpercorsodelcolesteroloalimentare,versoilfegato,èunaviaesogena.
LeVLDLSonosintetizzatedal fegato,strutturasimilealchilomicrone. Il fegato inseriscenelleVLDLdelcolesteroloesterificatoeitriglicerididinuovasintesiepatica.L’APOCIIel’APOB100sonolepiùimportantiapolipoproteinericonosciutealivelloendoteliale.
12/69
13/69
STRUTTURA DI UN CHILOMICRONE
40
L’APOC IInellaVLDLè identicoaquellodeichilomicroni inquantoriconoscetutte le lipoproteineche lapresentano, si lega alla lipoproteina lipasi chedegrada i trigliceridi nelleVLDL liberando glicerolo e acidigrassi,cheverrannoassorbitidaitessuti.Laparticellaprogredendoperdeilsuocontenutointrigliceridiesiarricchiscedicolesterolo.LaVLDLsvuotatasichiamaIDL,lipoproteinaadensitàintermedia.LeLDLLa IDLdiventapoiLDLcambiandostruttura: laAPOB100delleVLDLcambiandostrutturasiesponesullasuperficiedella lipoproteina; le lipoproteinecomunicanotradi loroscambiandosi frazionidimembranaeapolipoproteine.LaIDLperdeAPOCII.Le LDL trasferiscono il colesterolo al muscolo, altessuto adiposo, alla ghiandola surrenale e allegonadi, che usano il colesterolo per sintetizzareormoni. Il meccanismo sfruttato dalle LDL è unmeccanismodi endocitosimediata da recettore.La lipoproteina endocitata viene degradata neilisosomi inamminoacidi,acidigrassiecolesterolo(questo viene conservato in goccioline lipidichenella cellula) e il recettore viene riciclato sullasuperficiedellacellula.Il riconoscimento lipoproteina-recettore:l’antigenericonosciutosulleLDLèl’APOB100.QuandolaquantitàdiLDLincircoloèelevata,c’ètrasporto sostanziale di essa nei macrofagi chediventanocelluleschiumose,dandoancheorigineaprocessipatologiciaterosclerotici.LeHDLLeHDLsonosintetizzatedalfegato,dall’intestinoesipossonoformareincircolodalleporzionidimembranarilasciatedalleLDL.Vengonosintetizzatecomesacchettivuoti.Lalorofunzioneèquelladiandareepassaretraivaritessutiperifericidallecuicellulerecuperanoilcolesteroloineccessoperquestecellule.QuandosiriempionodiventandosferesonochiamateHDLmature.EsseportanoilcolesterolorecuperatoalfegatochelericonosceperilrecettoreSRBI.Ilfegatolousainmanieradiversaasecondadellesuenecessità:esterificarloemandarloincircolonelleLDL,persintetizzareisalibiliare,inseritonellabilecomecolesterololiberoepoidefinitivamenteeleminato.Sitrattadiuntrasportoinversodelcolesterolo.Ilcolesteroloèunamolecolafondamentaleperilnostroorganismocheperòpuòdiventarenocivoquandosuperalenecessità.IlcolesterolocattivoèquellodelleLDLchesiaccumulanellecelluleschiumoseecreadanni.
18/69
ENDOCITOSI MEDIATA DA RECETTORE DELLE LDL
41
MOBILIZZAZIONEORMONE-DIPENDENTE(GLUCAGONE)DEITRACILGLICEROLINELTESSUTOADIPOSOI trigliceridiaccumulatinellegocce lipidichedevonoesseredigeritiagliceroloeacidigrassiattraversotrelipasi (lipasiormone sensibileHSL chedigerisce i diacilgliceroli, triacilglicerolo lipasi che rimuove l’acidograssoinposizione2ATGLelamonoacilglicerololipasiMGL).Questo processo avviene solamente a digiuno quando il glucagone è un circolo. L’esito del legame delglucagonealsuorecettoreportaall’attivazionedellaPKA.LaPKAfosforiladuediversisubstrati:vieneperprimafosforilatalaHSLchesiattiva.Laperilipinacircondalegoccelipidicheeleproteggedall’attaccodellelipasi.LaperilipinanonfosforilataèancheassociataallaproteinaCGI.LaPKAfosforilaanchelaperilipinachesidissociadallaproteinaCGIdaunaparteedall’altrapartepermettel’accessodellaHSLallagoccialipidica.LaCGIrilasciatainteragisceconlalipasichedegradaitrigliceridi,ATGL,chesiattiva.LaMGLègiàattiva,quandononc’èlaperilipinaessasiattiva.Il glicerolo che è solubile può viaggiare da solo nel torrente circolatorio e viene recuperato dal fegato adigiuno.Gliacidigrassiinvecesonolegatiaunaproteinaditrasporto,l’albuminasierica,chepuòlegareda8a10acidigrassiesarannorilasciatineitessutiperifericiattraversodeitrasportatoripergliacidigrassi(ilpiùimportanteèilCD36,riconosciutocomerecettorespazzatura).
DESTINODELGLICEROLOIlglicerolonelfegatovienetrasformatoagliceraldeide3-fosfatograzieall’azioneditreenzimi,laglicerolochinasi,laglicerolo3-fosfatodeidrogenasietriosofosfatoisomerasi.Ildestinodelgliceroloèdifinireinglicolisioppureingluconeogenesisesièadigiuno.
23/69
Mobilizzazione ormone-dipendente dei triacilgliceroli conservati nel tessuto adiposo
26/69
DESTINO DEL GLICEROLO
42
DESTINODEGLIACIDIGRASSIAdigiunoildestinoprincipaleèl’ossidazionecheavvieneneimitocondri.Quandoentrainunacellulal’acidograsso viene attivato. L’acido grasso, entrato in cellula, viene coniugato con ilCoA diventando solubile,tramite l’enzimaacilCoAsintetasi,enzima integraledellamembranamitocondrialeesternaedel reticoloendoplasmatico.Occorreunnotevoleinvestimentoenergeticocheequivaleaduelegamifosfodiesterici.SiimpiegaunasolamolecoladiATPinquantosiusal’energiacontenutainentrambiilegamifosfodiesterici.L’ATPadenila l’acidograsso liberandopirofosfatoegenerandoun’anidridemista inquantol’AMPsi legaall’acidograsso.Successivamenteentral’acilCoAedescel’AMP.Ilpirofosfatovieneidrolizzatoaduefosfatiinorganici.
LaconiugazioneconilCoAavvienesullatocitosolico.L’ossidazioneinveceavvieneneimitocondri:bisognatrasferirel’acilCoAdalcitosolallamatriceattraversounsistemashuttle,rappresentatodallacarnitina.Inquestosistemashuttlesonopresenti1trasportatoreantiporto,l’enzimacarnitinaaciltransferasiIsullatocitosolicoel’enzimacarnitinaaciltransferasiIIsullatomitocondriale.IlCoA resta nel citoplasma e si forma l’acilcarnitina. Questa sfrutta il suo trasportatore per entrare nelmitocondrio,doveèpresentel’altroenzimacheusailCoAperriformarel’AcilCoA.Lacarnitinaliberatornafuoridalmitocondrio,doverincominciailtrasporto.Gliacidigrassilegatiaquestoshuttlesonogliacidigrassialungacatena;quelliacortacatenaentranoneimitocondrisenzasfruttareiltrasportatoreediventanoacilCoAsolodopoessereentratineimitocondri.NelmitocondrioesisteacilCoAsintetasispecifico.
27/69
DESTINO DEGLI ACIDI GRASSI
ER
28/69
Ingresso degli acidi grassi nei mitocondri
(3R)-3-hydroxy-4-(trimethylazaniumyl)butanoate
43
Fasidell’ossidazionedegliacidigrassi1. Unaprimaossidazioneparzialeattraversounaviaspecifica,laβossidazione.Siottengonol’acetilCoA
eNADHe FADH2. Liberaunamolecola di acetilCoA alla volta rimuovendodue atomi di carboniodall’acidograsso.
2. L’ossidazionecompletadell’acetilCoAelasintesidiATPvieneraggiuntaattraversoduevie:nell’acidocitricosiossidal’acetilCoAproducendoCO2ecoenzimiridottichevengonousatialivellodellacatenaditrasportodeglielettroniottenendoATP.
LAβOSSIDAZIONEGlienzimipresentiinquestafaseossidativapossonoesserepresenticomeenzimisolubilinellamatricecheossidanoacidigrassiconmassimo12C.PergliacidipiùlunghiesistelaproteinatrifunzionaledimembranaTFPformatadaquattrosubunitàα(enoil-CoAidratasi;β-idrossiacil-CoAdeidrogenasi)equattrosubunitàβ(tiolasi).Inquestareazionevieneossidatoilcarbonioinposizioneβdell’acidograsso.
1. Il palmitoil-CoA a 16C viene ossidato dall’enzima acil-CoAdeidrogenasi a trans-Δ2- enoil-CoA. Nel frattempo il FADviene ridottoaFADH2. Èmolto importanteche ilprodottoottenuto sia trans in quanto l’enzima successivo idratasiriconoscesolamenteleconfigurazionitrans.
2. Aldoppiolegamedeltrans-Δ2-enoil-CoAvieneaggiuntaunamolecolad’acquadall’enzimaenoil-CoAesiottienecosìilL-β-idrossiacilCoA.
3. Ilgruppoossidrileinposizioneβvienedeidrogenatodallaβ-idrossiacil-CoA deidrogenasi diventando un gruppochetonico.Ilprodottoottenutoèilβ-chetoacil-CoA.
4. Ilβ-chetoacil-CoAvienetrasformatoinacil-CoAeacetil-CoAdall’enzimatiolasi(acil-CoAacetiltransferasi)cheaggiungeilCoA. Inquestocaso,partendodall’acidopalmitco l’acil-CoAchesiottienesichiamamirisoil-CoA.
29/69
Fasi dell’ossidazione degli acidi grassi
30/69
La via di ossidazione degli acidi grassi: la -ossidazione
C>12 TFP in membranaProteina trifunzionale 44 Subunità : enoil-CoA idratasi
-idrossiacil-CoA deidrogenasiSubunità : Tiolasi
C=12 in matriceLa demolizione è completata da quattro enzimi solubili in matrice
44
INADHchesiformanosiavvicinanoperdiffusionealcomplesso1etrasferisconoilororiducenti.InveceiFADH2 sono legati covalentemente ai loro enzimi. Gli equivalenti riducenti vengono ceduti a catena ditrasportoconETF,chepresentaalsuointernoFAD,eETF:Qossidoriduttasi,chepresentaalsuointernoFADecentriferro-zolfo,epoialcoenzimaQ.
L’ossidazione completa di una molecola di palmitato utilizza l’energia dall’idrolisi di due legami ad altaenergia,quindiilguadagnonettonell’ossidazionedelpamitatoèparia106molecolediATP.L’ossidazionediacidigrassimonoinsaturiL’oleoilCoApresentaun’insaturazioneinposizione9conparticolareconformazionecis.Iprimitreciclidellaβ-ossidazione procedono come quelli del palmitato,ma alla fine di questi tre cicli si ottiene un cis- Δ3-dodecenoil-CoA. Interviene dunque l’enzima Δ3,Δ2 -enoil-CoA isomerasi che lo trasforma in trans-Δ2 -dodecenoil-CoA che può diventare substrato dell’enzima idratasi e la β-ossidazione può procederenormalmentecomenelpalmitato.PeraggiungereidoppilegamibisognausareladeidrogenasichegeneraFADH2.AvendogiàundoppiolegamesiottienemenoFADH,menoATPrispettoall’acidograssosaturo.
32/69
37/69
Ossidazione di un acido grasso monoinsaturo
45
L’ossidazionediacidograssopolinsaturoanCpariIl linoleolil-CoA presentaun’insaturazioneinposizione9e12conconformazionecis.Laprimapartepuòessereossidatainβ-ossidazioneedopotreciclisiottieneunacidograssoinsaturoa12C.L’enzimaΔ3,Δ2-enoil-CoAisomerasitrasformailΔ3cis inΔ2trans.Questoacidograsso,iltrans-Δ2-cis-Δ6,puòsubireunaltrociclodiβ-ossidazioneelaprimaossidazionedelsecondocicloarrivandoaesseretrasformatointrans-Δ2-cis-Δ4.Suquestonuovoprodottoagiscel’enzima2,4-dienoil-CoAreduttasiche,utilizzandoNADH,riduceidoppilegamieformailtrans-Δ3.Iltrans-Δ3vieneisomerizzatoatrans-Δ2grazieall’enzimaenoil-CoAisomerasi.Laβ-ossidazionepuòprocedereperaltriquattrociclifinoadottenereil5acetilCoA.
L’ossidazionediacidograssoinsaturonCdispariIlpropionil-CoApuòesseremodificato,inquantononèsubstratodinessunenzimadellaβ-ossidazione,peressereutilizzatocomeintermediodell’acidocitrico.Laprimareazionechesubisceèunacarbossilazioneattraversolapropinil-CoAcarbossilasi.Vengonoancheimpiegatil’ATP,labiotinaeilHCO3
-.Ilbicarbonatovieneattaccatoalcarbonioinposizione2esiformailD-metimaloninCoAchepoivienetrasformatonell’isomeroL-metilmaloninCoAgrazieaunaepimerasi.L-metilmaloninCoA viene trasformato, attraverso il metilmalonilCoA mutasi, in succinil-CoA, che è unintermediodell’acidocitrico.Lametilmalonil-CoAmutasiinverteilprotoneconilgruppotiolico.IlcoenzimaB12,derivatodallavitaminaB12,mantienel’identitàdeigruppi.
38/69
Ossidazione di un acido grasso polinsaturo n C pari
39/69
42/69
Ossidazione di un acido grasso polinsaturo n C dispari
43/69
46
NelcoenzimaB12èpresentel’anellocorrinicoeilcobalto.BisognasapereilmeccanismoconcuiilcoenzimaB12partecipaallacatalisidellamutasi.
CoenzimaB12
Ilcoenzimaèingradodifarelospostamentosenzaconfonderegliatomidaspostareconquellidell’ambientecircostante.Laporzionefondamentaleperlacatalisièilcobalto,coordinatodaquattroatomidiazoto.NelcoenimaB12èpresenteladeossiadenosina.Ilcobaltosiossidaeilsuonumerodiossidazionepassada2+a3+perchéillegametraCH2ecobaltosirompeperscissioneomolitica(glielettronitornanoognunoall’atomochelihamessiincondivisone).Sigeneranoradicalisulladeossiadenosina.Ilradicaleformatosiinteragisceconilsubstratoerimuovel’idrogeno,semprecon unmeccanismoomolitico, del substrato formando il CH3 legato alla deossiadenosina. Il radicale oradunqueèpresentesulsubstrato.Grazieaunriarrangiamento,glielettronidellamolecolasiorganizzanodiversamenteperformareilradicalepiùstabile.Ilradicalesispostadauncarbonioall’altro.Ritornaadinteragireconladeossiadenosinaesiriprendel’atomodiidrogenocedutoprecedentemente.Siformailprodottorilasciatodall’enzimaenell’ultimareazione,cheavvienealivellodell’enzima,siriformaillegametrailcobaltoel’adenosina.Ilcobaltoritornanellasuaformadiione3+epuòcatalizzareunanuovareazione.
46/69
Il coenzima B12
50/69
48/69
49/69
47
REGOLAZIONEORMONALEDELLAβ-OSSIDAZIONEMITOCONDRIALEIlprincipalemodulatorechelaregolaèilmanoil-CoA.Essoèilprimointermediodellasintesidegliacidigrassiche avviene nelle cellule. Si vuole impedire che gli acidi grassi neosintetizzati entrino nel mitocondrio(attraversoloshuttledellacarnitina)evenganoimmediatamenteossidati.Questamolecola,quindi,fungedamodulatoreallostericodellacarnitinaacil-transferasiI.S9ikeèpresenteimpediscel’ingressodegliacidigrassideimitocondriattraversoloshuttledellacarnitina.Lasintesidimanoil-CoAèregolatadainsulinaeglucagonechepossonoquindiindirettamenteregolarelaβ-ossidazione.Sedunqueèpresenteilmanoil-CoAsisintetizzanogliacidigrassi,altrimentiinizialaβ-ossidazione.La velocità, nel mitocondrio, delle reazioni della β-ossidazione è controllata dal rapporto NADH-NAD+.L’enzimacherispondeaquestorapportoèlaβ-idrossiacil-CoAdeidrogenasi,chevieneinibitainpresenzaditantoNADHerallentalereazionidellaβ-ossidazione.Anchealivellodellatiolasiavvieneregolazione:latiolasièinibitadaelevateconcentrazionidiacetil-CoA.È presente anche una regolazione a lungo termine che prevede la regolazione della trascrizione degli enzimicoinvoltiinquestaviametabolica.IrecettoricheregolanoquestatrascrizionesonoiPPAR(α,β,γ,δconspecificitàdiverse).IlPPARαagiscenelmuscolo,neltessutoadiposoenelfegato.
OSSIDAZIONENEIPEROSSISOMIL’ossidazionedegliacidigrassipuòavvenireancheneiperossisomi.L’energia liberatatramite l’ossidazioneneiperossisomièutilizzataperprodurrecalore(neiperossisominonavvienenéilciclodiKrebsnélarespirazionecellulare).Laprimagrandedifferenzaconlaβ-ossidazioneèalivellodelprimoenzima:gliequivalentiriducenti,cedutialFADH2 non vengono ceduti alla catena respiratoria, ma vengono recuperati, grazie alla flavoproteinadeidroganasi, dall’ossigeno (O2) che diventa acqua ossigenata (H2O2). I perossisomi contengono l’enzimacatalasicheriducel’acquaossigenataadacquaeossigeno.L’altradifferenzariguardailruolodelNADHottenutodallaterzareazionecheescedalperossisomaperdiffusioneevieneriossidatoaNAD+.L’acetil-CoA,prodottoneiperossisomi,nonpuòessereutilizzatoevieneesportatonelcitoplasma.I perossisomi riescono ad ossidare acidi grassi a catena molto lunga come l’acido esacosanoico e a catenaramificatacomel’acidofitanicoepristanico.
52/69
Regolazione ormonale della b-ossidazione
mitocondriale
54/69
DIFFERENZEl’energia liberata nei perossisomi e’utilizzata per produrre calore.
prima tappa: nei perossisomi laflavoproteina deidrogenasipassa direttamente gli elettroniall’ossigeno generando H2O2 cheviene scisso dalla catalasi.
specificità per gli acidi grassi:il sistema perossisomiale è maggiormente attivo su acidigrassi a catena molto lungacome l’acido esacosanoico (26:0) e quelli a catena ramificata come gli acidi fitanico e pristanico.
48
ω-OSSIDAZIONEAlcuniacidigrassiacatenacorta(10-12C)possonosubirelaω-ossidazionecheavvienenelreticoloendoplasmaticodelfegatoedelrene.Siossidal’ultimocarbonioinposizioneω.L’ossidazionecompletaportaallaformazionediacididicarbossilici.
1. Ossidazionedelgruppometilicoinposizioneomegatramitel’enzimal’ossidasiafunzionemistacheusacomecoenzimadonatoreilNADPHel’O2.Vienedunqueintrodottounossigeno,sottoformadigruppo-OH,connumerodiossidazioneinferiore.
2. L’alcol deidrogenasi converte il gruppo alcolico in aldeide.Gli equivalenti riducenti vengonopresi dalNAD+,chediventaNADH.
3. L’aldeidevieneossidatoagruppocarbossilicotramitela laaldeidedeidrogenasi.Siottienecosì l’acidodicarbossilico.
4. L’acidodicarbossilicovieneconiugatoconilCoAepuòsubireβ-ossidazioneinentrambeleestremità.Iprodottiprincipalisonoilsuccinato(cheentranelciclodiKrebs)el’acidoadipico(metabolizzatoprimadientrarenelciclodiKrebs).
α-OSSIDAZIONEGli acidi grassi ramificati, come l’acido fitanico, vengono ossidati per α-ossidazionenei perossisomi.Essisvolgonoquestaossidazioneinquantoquestiacidinonsonosubstratidiβ-ossidazione.Ilprodottodiquestaossidazioneèilpropionil-CoA,convertitosuccessivamenteinacetil-CoAcheentrerànelciclodiKrebs.ICORPICHETONICISonoprodottidalnostroorganismo inmaniera fisiologica incondizionididigiuno.Vengonoprodotteneimitocondri del fegato che non li sa utilizzare. Dunque vengono immessi nel torrente circolatorio dovediventanosubstratoenergeticoperaltritessuti,comequellomuscolare,ilcuore,ireni,ilcervello(quandoilglucosiononèpiùsufficiente).Sonoprodottidelcatabolismolipidico.Sonoun’ottimafontedienergiasiaperimuscolisiaperilmiocardio.Duranteildigiunopossonosostituireilglucosio.Nell’etàneonataleicorpichetonicifungonodaprecursoriperlasintesidispecificilipidicerebrali.I corpi chetonici principalmente prodotti, nel fegato e in misura minore nel rene, sono l’acetone,l’acetoacetatoeilβ-idrossibutirrato.
55/69
…non solo b-ossidazione
esempio di w-ossidazione
nel reticolo endoplasmaticodel fegato e del rene.
Substrati elettivi:Ac grassi 10-12 C
62/69
Sono prodotti principalmente nel fegato ed in misura minore nel rene. La sede di sintesi è la matrice mitocondriale
62/69
Sono prodotti principalmente nel fegato ed in misura minore nel rene. La sede di sintesi è la matrice mitocondriale
62/69
Sono prodotti principalmente nel fegato ed in misura minore nel rene. La sede di sintesi è la matrice mitocondriale
49
Persintetizzareicorpichetonicisiutilizzal’acetil-CoA.Insituazionedidigiunol’acetilCoA,chesipuòusareper la sintesi dei corpi chetonici, derivadall’ossidazionedegli acidi grassi edegli amminoacidi.Adigiunol’ossidazione di questi substrati a livello epatico è abbondante, il fegato dunque trasforma l’acetilCoAprodottodalciclodiKrebsincorpichetonici.Servonointotale3molecolediacetil-CoAperfarsìcheilcorpochetonicosiasintetizzato.
1. Si parte da due molecole di acetil-CoA che vengono condensati insieme dall’enzima tiolasi(isoenzimadell’enzima inbossidazione) inmanieratesta-coda.UncoenzimaAvienerimossoesiottienel’acetoacetil-CoA.
2. Successivamente viene condensata la terza molecola di CoA usando acqua e liberando il CoAattravesol’enzimaβ-idrossi-β-metilglutaril-CoAsintasi(HMG-CoA).Siproducedunqueilβ-idrossi-β-metilglutaril-CoA.Questo terzo acetil-CoA si condensa inmaniera diversa da i due precedenti in quanto si lega alcarboniochetonicoesiparladicondensazionealdolicadell’acetil-CoAsulcarbonile.
3. Sulβ-idrossi-β-metilglutaril-CoAagisceunaHMG-CoAliasicherimuovel’acetilCoA.L’enzimaHMG-CoAliasièpresentesolonelmitocondrio.Vienecosìprodottol’acetoacetato.
4. L’acetoacetato può, in parte, essere substrato dell’enzimaD-β-idrossibutirrato deidrogenasi cheimpiega NAD e riduce l’acetoacetato a β-idrossibutirrato (esso può anche essere ossidato aacetoacetatoinquantolareazioneèreversibile).QuestareazionecontrollailrapportoNADH/NAD+nelmitocondrio.
5. L’altrapartediacetoacetatoèvieneconvertitoinacetoneattraversolaacetoacetatodecarbossilasiconperditadiCO2.Ladecarbossilazionepuòavvenireanchespontaneamente,nonrichiedeperforzal’enzima.
Solamente l’acetoacetato e il β-idrossibutirrato possono venire utilizzate dai tessuti periferici che liriconvertonoinacetil-CoAcatalizzandolereazioniinverse.
63/69
50
L’acetone,invece,chesipuòformarenelfegatoconl’enzimaeneltorrentecircolatoriospontaneamente,vieneeliminatotramitelaviaurinariaeattraversol’espirazione.Seal tessutoperifericoarrivaβ-idrossibutirratodeveessere riconvertito inacetoacetatoattraverso laβ-idrossibutirratodeidrogenasi.L’acetoacetatodeveoraessereconiugatoconuncoenzimaA,ilsuccinil-CoA,chedona ilCoAallachetoacil-CoAtransferasiche lo trasferisceall’acetoacetato chediventaacetoacetil-CoA.L’acetoacetil-CoAdiventasubstratodell’enzimatiolasicheloseparainduemolecolediacetil-CoA.Latiolasiè chiamata tioforasi.Questoenzimaèassentenel fegatoedunque i corpi chetonici rimangono tali, nonpossonoesseretrasformati.SINTESIDEGLIACIDIGRASSIGli acidi grassi crescono aggiungendo unità bicarboniose come l’acetilCoA. La sintesi degli acidi grassi èl’inversodellaβ-ossidazione.LaformaattivatadelCoAèilmanoil-CoA.Lareazionecheloattivaèunacarbossilazionebiotinadipendenteattraverso l’enzima acetil-CoA carbossilasi. La biotina serve da braccio mobile per trasferire l’anidridecarbonicadaunenzimaall’altro.SiconsumaATP.
La sintesi degli acidi grassi prevede la condensazione tra il -CH2- e il gruppo acetile dell’acetil-CoA coneliminazionedi unamolecoladi CO2. Il carbonioβ carbonilico vienequindi ridotto a gruppoalcolico conconversionediNADPHaNADP+.Successivamenteavvieneunadisidratazioneconformazionedidoppiolegamefrailcarbonioαecarbonioβinconformazionetrans.Inseguitoildoppiolegamevienepoiridottoalegamesingoloconlaconversionedelcarboniocarbonilicoincarboniometilico(-CH2-).Gliequivalentiriducenti,necessariperquestaconversione,sonofornitidalNADPH.Si è dunque sintetizzato un piccolo acido grasso a 4C che può essere allungato: i cicli di allungamentoavvengonosulcarboniocoinvoltonellegametioestere(allabasediquestoacidograsso).Questomeccanismogeneralmentesintetizzapalmitato.
4/104
Acetil-CoA Carbossilasi
11/104
Acido grasso sintetasi: cicli di allungamento
51
Nell’uomoèpresentel’enzimaacidograssisintasicostituitadaun’unicacatenapolipeptidicacon7diversidomini,ognunodeiqualicatalizzalesettereazioninecessarieperottenerel’unionedelprimomanoil-CoAedelprimoAcetil-CoA.LevarieattivitàcatalitichesonoKS,MAT,DH,ER,KR,ACP,TE.Lastrutturaterziariasiripiegaquindiidomininonsononell’ordineincuiavvengonolereazioni.
DominioACP (acil carrierprotein):è situatosuunacatenadi serinaacuiè legata la4’-fosfo-panteteinaformatadaunacidopantotenicochepresentaungruppotiolico..Sultiolosilegherannoigruppidimanoil-CoAnecessariperlasintesidegliacidigrassi.Persintetizzarequestastrutturasihabisognodellavitamina,l’acidopantotenico.
Caricamentodell’enzimacon leunitàmonocarboniose (2reazioni).L’ACPèunasortadipiccolacodachependefuoridall’enzimaedènecessarioilsuogruppoSH.IlgruppotiolicodiunacisteinaappartenentealdominioKS(β-chetoacil-ACPsintasi)èimportanteperl’ACP.L’acetilCoAèlegatodallacisteinadellasubunitàKS.L’ingressodell’acetilfacambiareformaestrutturaallaproteina.LaproteinaACPvaaposizionarsiinprossimitàdeldominioKS.Aquestopuntosihal’ingressodelmanoil-CoAchesilegaalgruppotiolicodell’ACP.Sihaunanuovamodificazionestrutturaleperfarsìcheiduesubstratisitrovinoconorientamentocorretto.Avviene quindi la condensazione attraverso l’attività portata dal dominio KS: l’acetile legato a KS vienetrasferitoinfondoconuscitadellaCO2,iltiolodellacisteinavieneliberatoel’acidograssonascentesitrovalegatoaACP.ACPtrasferiràintermedioattraversotuttiidominiaffinchépossasubirelereazioninecessarie.L’attivitàenzimaticadiKRriduceilgruppochetonicochediventaunalcol,ACPsispostatrasferendol’acidograssoall’attivitàenzimaticadiDH.Essaèresponsabiledelladisidratazioneconlaformazionediundoppiolegametrans.Tuttiiprodottichesiformerannoaquestolivellosarannotrans-Δ2.
14/104
ACIDO GRASSO SINTASI
15/104
4’-fosfo-panteteina
52
IldominioERèunariduttasi:riduceildoppiolegameusandocoefficientiridottiportatidaNADPH.LaproteinaACPriportal’acidograssonascentesaturoalivellodellasubunitàKS.Deveentrareunnuovomanoil-CoAalivellodellaACP:avvieneunospostamentoincuil’acidograssodaACPvienetrasferitosullacisteinadeldominioKSliberandol’ACP.Entradunqueilmanoil-CoAcherilasciaCoAesilegaall’ACPeilcicloricomincia.Reazionischematizzate:
1. Condensazione:ècatalizzatadaldominioKS.L’acetilelegatoaKSvienetrasferito,conuscitadiCO2,iltiolodellacisteinavieneliberatoel’acidograssonascentesitrovalegatoadACP.
2. Riduzionedelβ-chetogruppo:ècatalizzatadaldominioKrconutilizzodiNADPH.Ilgruppochetonicodiventaalcolico;ACPsispostaetrasferiscel’acidograssonascenteaDH.
3. Disidratazione:ècatalizzatadaldominioDH.Esceacquaesiformaundoppiolegametrans.Siformauntrans-Δ2-butenoil-ACP.
4. Riduzionedeldoppiolegame:ildominioERriduceildoppiolegameutilizzandoequivalentiriducentiportatidalNADPH.L’acidograssonascenteèportatoallasubunitàKs.Unnuovomalonil-CoAentraalivellodell’ACP.
5. Traslocazionedelgruppobutirilallacisteinasulβ-chetoacil-ACPsintasi(grppuKS).Aquestopuntol’acidograssovienetrasferitoesiliberaACP.
6. Ricaricamentodell’ACPconunnuovogruppomalonile:entraunnuovomalonil-CoAcherilasciailCoAesilegaaACP.Aquestopuntopuòricominciareilciclo.
Tuttociòsiripetefinoadacidograssodi16Cchevienerilasciatodall’enzima.Ilbilancioenergeticoè:
8acetil-CoA+7ATP+14NADPH+14H+àpalmitato+8CoA+6H2O+7ADP+7Pi+14NADP+.
16/104
53
Labiosintesidegliacidigrassi,cosìcomelaformazionedelNADPH,avvienenelcitosol.Il palmitato ottenuto deve essere processato in quanto ci servono acidi grassi più lunghi o insaturi.L’allungamentodella catena avvengono in compartimenti cellulari diversi dal citoplasma: l’allungamentoavviene in parte nei mitocondri e in parte nel reticolo endoplasmatico. In questo avviene anchel’insaturazionedegliacidigrassi.Per sintetizzareacidigrassi sihabisognodiNADPHedi l’acetil-CoA.Laproduzionediacetil-CoA avvieneossidandocarboidrati,amminoacidieacidigrassinelmitocondrio.L’acetilperlasintesidegliacidigrassideveuscireedesseretrasportatonelcitoplasmaattraversounsistemashuttle.
OriginedelNADPHIlNADPH,semprecitosolico,vieneimmessonelmitocondriomedianteuntrasportodiequivalentiriducentiesiottieneossidandoilglucosioattraversolaviadeipentosi.Attraversoquestaviasiproducesoloil50%ditutto ilNAPDHnecessarioper lasintesidegliacidigrassi.Esisteunaltroenzimacitosolicocheproduce laquotarimanentediNAPHedè l’enzimamalico.Sitrattadiunadecarbossilazioneossidativa.Sipartedalmalato (acidobicarbossilicocongruppoalcolico inposizionaalfa): il suogruppoalcolicovieneossidatoachetone e viene rimosso il secondo gruppo carbossilico, liberato come CO2. Si è formato ilpiruvato. GliequivalentiriducentisonorecuperatidalNADPH.
27/104
• Amminoacidi• Nucleotidi
28/104
Origine del NAPH usato nella sintesi degli acidi grassi
54
Originedell’acetil-CoAL’acetil-CoAderivadall’ossidazionedelpiruvatoedelloscheletrocarboniosodegliacidigrassiall’internodelmitocondrio.Nonesisteuntrasportatore,mabisognausareshuttleperloscheletrocarboniosodell’acetil-CoA.Sipuòusare iltrasportatoredelcitratoedelpiruvatoe inalcunicasi iltrasportatoremalato-αchetoglutarato.Sipartedall’acetil-CoAcheinunmitocondriotendeadentrarenell’acidocitrico.L’acetil-CoAeossalacetatocondensano a formare citrato attraverso la citrato sintasi. Il citrato viene trasportato nel citosol dal suotrasportatorespecifico.Nelcitosolilcitrato,chenoncontinuailciclodiKrebsselacelluladeveformareacidigrassi, viene metabolizzato dall’enzima citrato liasi producendo ossalacetato e acetil-CoA. L’enzima liasiconsumaATPperdividere idueprodotti. L’acetilCoAvienedunquetrasportatofuoriecontinua lasintesidegliacidigrassi.L’ossalacetatodiventamalatoattraversolamalatodeidrogenasiconilNADH+.Ilmalato,seserveperlasintesidiacidograsso,èsubstratodell’enzimamalicocheloconverteinpiruvatocherientranelmitocondrio con il suo trasportatore. Il piruvato deve rigenerare l’ossalacetato attraverso la piruvatocarbossilasi.SiconsumaunamolecoladiATP.QuestoappenadescrittorappresentailprimoshuttlesfruttatoquandoilNADPHèpresenteincontrazionimedieoinferiori.Perogniacetil-CoAtrasportatodalmitocondrioalcitoplasmasiconsumano2ATP.QuandolacellulahaunaquantitàadeguatadiNADPHnelcitoplasma,ilmalatopuòentrarenelmitocondrioinscambioconl’αchetoglutarato(viasecondaria).
RegolazionedellasintesidegliacidigrassiL’enzima acetil-CoA carbossilasi, che carbossila l’acetil-CoA amalonil-CoA, è regolato negativamente dalglucagoneedall’epinefrina.Questidueormoniattivanonellacellulaunacascatadisegnalazionecheculminanellafosforilazionedisubstrati.Lafosforilazionedell’enzimacorrispondeaunainattivazione.L’acetil-CoAcarbossilasihalacapacitàdipolimerizzare,crearelunghifilamentinelcitoplasmadellecellule.Quando si trova in forma polimerizzata, l’acetil carbossilasi è attiva. Quando il glucagone o l’epinefrinapromuovonolafosforilazione,l’enzimasirompeetornainformamonomerica.Ilfosfatoneimpedisceunapolimerizzazione.Lasintesidegliacidigrassivieneattivatadall’insulinainduemanierediverse:attivazionedirettadellacitratoliasi,chegeneraacetil-CoAnelcitoplasma,odefosforilazionedell’acetil-CoA.Perquestaviametabolicaesisteunaregolazioneallostericaafeedbacknegativoincuiilpalmitoil-CoAvainibirel’acetilCoAcarbossilasieunaafeedbackpositivosvoltadalcitrato.IlcitratonelcitoplasmaèunmodulatoreallostericonegativodiPFK1.L’abbondanzadicitratoinibiscelaglicolisi.
29/104
Origine dell'acetil-CoA usato nella sintesi degli acidi grassi
Ossidazione del piruvatoE dello scheletro carbonioso degli amminoacidi
55
Ilpalmitatopuòessereallungatoastereatochepuòesseredesaturatoaoleatooppureallungatoaacidigrassisaturatipiùlunghi.Le nostre cellule non sanno andare avanti oltre,mentre le piante possono inserire insaturazioni oltre alcarbonio9.
SintesidegliacidigrassiinsaturiAvvienenelreticoloendoplasmaticoliscio,sullatoluminale.Idoppilegamisonoinseritidall’enzimaacil-CoAdesaturasi.Sioriginanogliequivalentiriducentichepossonoessereusatiperinserireidoppilegami.Questoenzimapossiedecomegruppifunzionalideicitocromi,cheaccolgonogliequivalentiriducentitramiteilFechepuòcambiarestatodiossidazione.Serveunapiccola catenadi trasportodi elettroni: sono trasportati dalNADPHa FADH2del citocromob5reduttasiepoialferrodel2citocromob5.Poiavvienelariduzioneadoppiolegame.Bisognarimuovereunidrogenosulcarboniodidestraesulcarboniodisinistraperpassaredasingoloadoppiolegame.Inquestocasononcisonocoenzimi:vengonoraccoltidaossigenomolecolarecherecuperaglielettronieusandodueprotoninell’ambiente intracellularepassadanumerodiossidazione0a -2e si formaacqua.Enzimapuòesserevistocomeossidasi.
30/104
PFK1
REGOLAZIONE DELLA SINTESI DEGLI ACIDI GRASSI
31/104
SER e mit
56
Differenzafraenzimaossidasieossigenasi:nell’ossidasil’ossigenoèl’accettoredielettronimanoncomparenelprodotto,mentreleossigenasiusanol’ossigenocomeaccettoredielettronichevengonoincorporatinelprodotto.Leossigenasipossonoesseremono-odi-.Lemonossigenasi(chiamateancheidrossilasioossidasiafunzionemista)sonoimpiegatenelleossidrilazionideglisteroidi,difarmacieexenobiotici,metabolismodell’etanolo,sintesideglieicosanoidiedeileucotrieni.
BIOSINTESIDEITRIACILGLICEROLI(TAG)Lalorosintesiavvieneneltessutoadiposoenelfegato(questidueincorporanogliacidigrassiprodottidaloro stessi) e nell’intestino (in minima parte in quanto usa gli acidi grassi forniti dall’alimentazione performareiTAG).Isubstratiperlasintesideitriacilglicerolisonoilglicerolo-3-fosfatoel’acilCoA.
Ilglicerolo-3-fosfatosiottieneattraversolaglicolisicheproduceildiidrossiacetonefosfatochepuòessereridotto a glicerolo 3-fosfato dalla glicerolo-3-fosfato deidrogenasi consumando unamolecola di NADH.AlcunitessutihannoancheunaglicerolochinasichefosforilailgliceroloaspesediATP.
32/104
SINTESI DI ACIDI GRASSI INSATURILocalizzazione: membrana del reticolo endoplasmatico liscio lato luminale
35/104
Monoossigenasi o Idrossilasi oOssidasi a funzione mista
Ossidrilazioni degli steroidi, di farmaci e xenobiotici (insolubili), metabolismo dell'etanolo, sintesi degli eicosanoidi e dei leucotrieni
35/104
Substrati per la sintesi dei triacilgliceroli
Acil-CoA
La sintesi di TAG avviene nel tessuto adiposo, nel fegato e nell'intestino
35/104
Substrati per la sintesi dei triacilgliceroli
Acil-CoA
La sintesi di TAG avviene nel tessuto adiposo, nel fegato e nell'intestino
36/104
Sintesi di glicerolo-3-fosfato
57
L’acilCoAèsintetizzatodall’acil-CoAsintetasipartendodaATPeCoA.
Perlasintesideitriacilglicerolisipartedall’acidofosfatidico(PA).Lasintesidiacidofosfatidico(PA)partedalglicerolo3-fosfatoeutilizzandoduemolecolediacil-CoA,conl’enzimaaciltransferasi,inseriscelecodediacidograssosulcarbonio1e2delglicerolo.Ilglicerolofosfatoconunasolacodadiacidograssosichiamaacidolisofosfatidico.
37/104
Sintesi di acil-CoA
38/104
Sintesi di Acido Fosfatidico (PA)
38/104
Sintesi di Acido Fosfatidico (PA)
58
L’acidofosfatidicopuòaverediversidestininellacellula:puòessereusatoperlasintesideifosfolipidiodeitrigliceridi.Per sintetizzare i trigliceridi deve essere defosforilato tramite l’acido fosfatidico fosfatasi e si ottienediacilglicerolo.Aquestol’aciltransferasiaggiungeun’altracodadiacidograssoperformareiltriacilglicerolo.
RegolazionedellasintesideiTAG Quandoconladietasi introduconocarboidratieproteineaumental’insulinaedunqueaumental’acilCoAchevienedunqueusatoperfareacidigrassieTAG.SelaproduzionediacetilCoAsuperalecapacitàdelfegatodisintetizzareacidigrassi,questipossonoessereusatiperfarecorpichetonici.Icorpichetonicisipossonotrovarequandoc’èinsulinaincircoloneldiabete.
39/104
Sintesi di Triacilgliceroli (TAG)
40/104
Regolazione ormonale della sintesi dei TAG
=
59
CiclodeltriacilgliceroloÈunciclo tra tessutoadiposoe fegatoadigiuno.Adigiunoaumenta ilglucagonecheattiva le3 lipasiepromuove la liberazionedeitriacilgliceroliottenendo ilgliceroloegliacidigrassi.Gliacidigrassisonopoirilasciatineltorrentecircolatorio,inpartesonousatidaitessutieunagrossaquantitàavanza.Adigiunosonomobilizzati tra il70-80% degli acidi grassi nel tessutoadiposo. Questi acidi grassi sono in largo eccessorispetto al bisognodell’organismo, solamente il60% di essi non è usato dai tessuti periferici e vengonorecuperatidal fegato cherisintetizza i triacilgliceroli.Questivengono incorporatinelleVLDLe limette incircolo.QuesteVLDLsonodirettepoialtessutoadiposodovelalipoproteinalipasidegradaitrigliceridiagliceroloeacidigrassicheritornanoatriacilgliceroloinsiemealglicerolo-3-fosfato.
LAGLICERONEOGENESIPerlasintesidiglicerolo3-fosfatoneltessutoadiposononsipuòimpiegarelaglicerolochinasiinquantoèassentenegliadipocitiné ilglucosio inquanto ilGLUT,cheèquellodipendenteda insulina,nonèmoltoespressoinquestotessutoediconseguenzailglucosiocheentraèpoco.Nel tessuto adiposo sono presenti la piruvato carbossilasi e la PEP carbossichinasi che servono per lagliceroneogenesi.Ancheiltessutoadipososausaresubstraticomeilpiruvato.Arrivafinoadiidrossiacetonefosfatochepuòtrasformareinglicerolo3-fosfato,cheuseràperlasintesidiacidigrassi.
41/104
CICLO DEL TRIACILGLICEROLO Tessuto adiposo - Fegato
(nel digiuno)
43/104
LA GLICERONEOGENESI
60
LagliceroneogenesièregolatadallaPEPcarbossichinasi.Laregolazionediquestoenzimaavvienealivellotrascrizionaleedèregolatadagliormoniglucocorticoidi.Iglucocorticoidiinibisconol’espressionedellaPEPcarbossichinasi nel tessuto adiposo, mentre la attivano nel fegato. Di conseguenza promuovono lamobilizzazionedeitrigliceridiandandoasbilanciareladegradazioneelasintesineltessutoadiposo;invecevieneincrementatalagluconeogenesielasintesidiglicerolo-3-fosfatoconulterioremobilizzazioneincircolodegliacidigrassisottoformadigliceridinelfegato.Perregolarel’espressionegenicasihabisognodaalcuneoreaqualchegiorno,nonèimmediatamaserveadadattareilnostroorganismoasituazionimetabolichediverse.L’effettodeiglucocorticoidièampissimosuitessutidell’organismo,mainquestocontestopromuovelasintesidiglicerolonelfegato,bloccaladeposizionediTAGneltessutoadiposoaumentandolaquantitàdiacidigrassieditrigliceridinelleVLDLneltorrentecircolatorio.Ilprincipaleglucocorticoideèilcortisolo.
Esistonofarmaci,comeitiazolidinedioni(actoseavandia),chevengonosomministratiaidiabeticiinquantohanno come obiettivo specifico la PEP carbossichinasi promuovendone l’espressione e di conseguenzapromuovono la deposizione degli acidi grassi nel tessuto adiposo. Sono somministrati per contrastarel’elevataconcentrazionedegliacidigrassipresenteneipazienticondiabete.RuolidellagliceroneogenesiIltessutoadiposobiancocontrollalavelocitàdirilascioegliacidigrassinelsangue.Il tessuto adiposo bruno controlla la velocità di ingresso degli acidi grassi per essere utilizzati nellatermogenesi.Ilfegatoadigiunosostienelarisintesiditriacilglicerolidaesportovialipoproteineplasmatiche.BIOSINTESIDEILIPIDIDIMEMBRANAIglicerofosfolipidihannounoscheletrodigliceroloconunatestapolarecostituitadafosfatoeduecodediacidograsso.Lalorocaratteristicaèchelacodaacilicainposizione2èingenereunacidograssoinsaturo.L’acido fosfatidico non è presente in grandi quantità. È un intermedio per sintesi di TAG e fosfolipidi dimembrana.Èunsecondomessaggero.Lafosfatidilserinaèpresentenellacellulaquandostabene,conilpassaredeltempolafosfatidilserinarisultasullatoextracellulareevienericonosciuta(segnodiapoptosiodicambiamentodiattività).Glisfingolipidisitrovanosoprattuttoneltessutonervoso.Laceramidehaunsignificatodisignaling.SintesideiglicerofosfolipidiI glicerofosfolipidi hanno un legame fosfodiestere tra il carbonio del glicerolo e la testa polare. Essi siottengonoattraversoduediversestrategie:
- Strategia1:perattivazionedeldiacilgliceroloche,unavoltaattivato,reagisceconlatestapolare.Ildiacilglicerolopresentasuuncarboniounalcol,unfosfatoeunaltroalcol,chereagisconofradiloroformandodueestericoneliminazionediduemolecoled’acqua,einfineunatestapolare.
- Strategia2:perattivazionedellatestapolarechepuòreagireconilglicerolo.Inentrambiicasil’attivazioneavvieneperconiugazioneconilnucleotideCDP(citosinadifosfato).
45/104
Glucocorticoidi
61
Sintesidellafosfatidilcolina(PC)Seguelastrategia2.LacolinasiattivaconilCDP.Lacolinaèunamolecolaessenzialeanchesel’uomopuòsintetizzarla inpiccoliquantità. La colinaviene fosforilata dallacolinachinasi ediventa fosfocolina. EssadiventasubstratodellaCTP-colinacitidiltransferasichestaccailfosfatoeinseriscelacitidina.SiottienelaCDP-colina.LaCDP-colinasitrasformainfosfatidilcolinaattraversolaCDP-colina-diacilglicerolofosfocolinatransferasichetrasferisceildiacilglicerolosullacolina.Lasintesideifosfolipidiavvienenelreticoloendoplasmaticoliscio.Laregolazionediquestasintesiavvienealivellodell’enzimaCTP-colinacitidiltransferasichepuòesistereassociatoallamembranaoliberonelcitoplasma.Quandoèliberonelcitoplasmanonèattivo,quandovienetraslocatoallamembranadelreticolovieneattivato.Esisteunmeccanismocherendepiùdifficilel’interazionedell’enzimaconlamembrana:èl’inattivazionedaPKA.LaPKAfosforila,ilfosfatofacambiareconformazioneall’enzimaeportandocarichenegativerendepiùdifficoltosal’interazionetramembranaeenzima.Ildiacilgliceroloèinmembrana,nonliberoincitoplasma.
52/104
53/104
SINTESI DELLA FOSFATIDILCOLINA PC
Strategia 2
E' essenziale anche se l'uomo può sintetizzarla
in piccole quantità
Attivazione da traslocazione citosol-ER
Inattivazione da PKA
62
Ilfegatopuòsintetizzarefosfatidilcolinapartendoanchedafosfatidietanolammina.Questavienemetilatadall’enzimametiltransferasiperprodurrefosfatidilcolina.L’enzimausa3adoMet(adenosinmetionina).Ilfegatousalacolinaperlasintesidiacidibiliari.
Sintesidellafosfatidiletanolammina(PE)L’etanolamminavienefosforilata,siformalaCDPetanolamminachesiconiugaconildiacilglicerolo.Anchein questo caso il fegato può usare una via alternativa, ovvero la conversione della fosfatidilserina infosfatidiletanolamminaperdecarbossilazionedellaserina.
54/104
Nel fegato
SINTESI DELLA FOSFATIDILCOLINA PC
55/104
SINTESI DELLA FOSFATIDILETANOLAMMINA PE
Fegato ed encefalo
Strategia 2
Fegato
55/104
SINTESI DELLA FOSFATIDILETANOLAMMINA PE
Fegato ed encefalo
Strategia 2
Fegato
63
Sintesidelfosfatidilinositolo(PI)Èl’unicocheusalastrategianumero1,ovverolaconiugazionedeldiacilgliceroloconilCDPchevienepoiutilizzato dalla PI sintasi che coniuga il glicerolo con l’inositolo rimuovendo il CDP. L’inositolo lo si puòsintetizzareattraversoilglucosio.Sièformatoilfosfatidinositolochedovràpoiesserefosforilatodaivarienzimi.DalCDP-diacilglicerolosiottienelacardiolipinaattraversolacardiolipinasintasi.
Sintesidellafosfatidilserina(PS)La fosfatidilserina nell’uomo è sintetizzata con meccanismo di scambio di basi a partire dafosfatidiletanolamminaefosfatidilcolina.
56/104
Strategia 1
SINTESI DEL FOSFATIDILINOSITOLO PI
57/104
s
SINTESI DELLA FOSFATIDILSERINA PS
SCAMBIO DI BASI
64
![XVI Biochimica [modalit compatibilit]](https://static.fdocumenti.com/doc/165x107/577d2f411a28ab4e1eb13a31/xvi-biochimica-modalit-compatibilit.jpg)
