circuiti di regolazione

Lezioni di
biochimica
2
Lezione 8
Regolazione del
metabolismo
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© Zanichelli editore, 2014
Anabolismo e catabolismo sono
tra loro interdipendenti
Attraverso il catabolismo, la cellula ricava energia e
precursori per le reazioni anaboliche.
La co-regolazione di catabolismo ed anabolismo ha il
compito di mantenere nell'organismo vivente la
corretta disponibilità di precursori e la giusta quantità
di prodotti di sintesi, in base ai suoi fabbisogni
energetici. Questa situazione di equilibrio è detta
omeostasi e serve a mantenere costanti le funzioni
dell'organismo e le caratteristiche chimico-fisiche
dell'ambiente interno.
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Le vie metaboliche seguono il
principio di massima economia
La velocità del catabolismo e dell'anabolismo è
determinata non dalla disponibilità dei substrati ma
dalle effettive esigenze dell'organismo, attimo per
attimo. Il catabolismo è sensibile alla necessità di
energia (ATP), mentre l'anabolismo sintetizza le
biomolecole in rapporto alla loro richiesta.
Si parla di principio della massima economia, che
evita sia l'eccessivo accumulo di sostanze che la loro
carenza.
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Regolazione delle vie metaboliche
Una singola via metabolica è regolata a tre livelli:
• velocità delle reazioni enzimatiche (controllo del
pH e dei substrati/cofattori);
• regolazione degli enzimi attraverso l'inibizione da
feedback: il prodotto di reazione inibisce la reazione
stessa;
• regolazione a livello genico della produzione degli
enzimi (trascrizione/traduzione/degradazione). Infatti,
la velocità di una via metabolica dipende dalla
concentrazione degli enzimi necessari, che a sua volta
è una funzione dell'equilibrio tra la velocità della loro
sintesi e degradazione.
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La regolazione dell'omeostasi
avviene a diversi livelli
L'omeostasi implica la regolazione di più vie
metaboliche contemporaneamente e il mantenimento
dell'omeostasi si esplica anch’esso a diversi livelli:
• livello cellulare, attraverso la regolazione del
metabolismo della singola cellula;
• livello di tessuto/organo, attraverso la regolazione
coordinata del metabolismo di popolazioni cellulari
• livello di organismo, attraverso la regolazione del
metabolismo dei diversi organi in risposta alle
condizioni complessive dell'intero organismo.
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I circuiti regolatori hanno una
struttura simile
La regolazione del metabolismo, a qualsiasi livello,
avviene attraverso circuiti di regolazione detti a
feedback (o retroazione) che si compongono
fondamentalmente di tre elementi:
• un sensore in grado di rilevare la variazione di uno
specifico parametro chimico fisico;
• un regolatore, in grado di ricevere lo stimolo dal
sensore e modulare l'intensità della risposta;
• un effettore, in grado di fare variare la grandezza del
parametro rilevato.
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Circuiti regolatori: il controllo della
temperatura corporea
La variazione di una qualsiasi grandezza (per esempio, la temperatura) è
rilevata da un sensore, trasmessa a un regolatore che, dopo averla integrata,
invia una risposta a un effettore che riporta la grandezza ai valori
normali.
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Circuiti regolatori: il controllo della
glicemia
Le cellule α e β del
pancreas endocrino sono i
sensori delle variazioni
glicemiche. Esse agiscono anche
da regolatori liberando,
rispettivamente, gli ormoni
glucagone e insulina che
esercitano la loro azione
sull’effettore, il fegato.
Quest’ultimo a sua volta
risponde variando il proprio
metabolismo in modo da
ripristinare il corretto valore
della glicemia.
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La struttura modulare dei circuiti li
rende sensibili (I)
La stessa struttura modulare si ritrova nei circuiti a
livello cellulare (ad es. nella risposta all' insulina
mediata da recettori), o a livello d'organo (ad es.
regolazione glicemia o temperatura).
Il vantaggio di questa organizzazione risiede nella
ottimizzazione della sensibilità, flessibilità e
velocità della risposta.
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La struttura modulare dei circuiti li
rende sensibili (II)
Il sistema di sensori è in grado di percepire variazioni
anche minime del parametro che controlla, garantendo
elevata sensibilità.
Il sistema di modulazione consente di calibrare la
risposta in termini di ampiezza (ad esempio evitando
di indurre una risposta eccessiva), garantendo così
flessibilità.
Il sistema effettore, invece, è caratterizzato da una
elevata rapidità, garantendo così la velocità della
risposta.
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I sistemi di regolazione agiscono
attraverso stimoli opposti
La regolazione richiede molecole effettrici sia positive
che negative.
Per esempio, la regolazione della glicemia si basa
sull'induzione di due ormoni ad attività antagonistica:
• l'insulina, che promuove l'assorbimento e il
catabolismo del glucosio (azione ipoglicemizzante);
• il glucagone, che promuove la liberazione di
glucosio nel sangue (azione iperglicemizzante).
Grazie all'equilibrio tra i livelli di questi due ormoni, la
glicemia è mantenuta costante.
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Un esempio di regolazione:
l'insulina (I)
L'aumento del glucosio nel sangue viene rilevato dalle
cellule b del pancreas che rilasciano insulina.
L'insulina si lega a recettori presenti sulle cellule di
diversi organi e induce una cascata di reazioni che
portano alla diminuzione della concentrazione del
glucosio nel sangue.
Il pancreas contiene mediamente 10 mg di insulina e
ne rilascia 1-2 mg al giorno.
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Un esempio di regolazione:
l'insulina (II)
L'insulina ha un'emivita molto breve nel sangue (3-4
minuti) ed una elevata affinità per i recettori (ogni
cellula ha 10 recettori per micron2 e basta che 100 di
essi vengano attivati per scatenare la risposta),
consentendo quindi un dosaggio molto sensibile della
risposta ipoglicemizzante.
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Un esempio di regolazione:
l'insulina (III)
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Un esempio di regolazione: il
glucagone (I)
Il glucosio viene continuamente consumato
dall'organismo. Le cellule a del pancreas sono
sensibili alla diminuzione del glucosio e rilasciano
l'ormone glucagone, che si lega a recettori presenti
sulle cellule del fegato e adipose. Promuove il rilascio
del glucosio dal fegato e la demolizione dei grassi
nelle cellule adipose, svolgendo un'azione
iperglicemizzante.
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Un esempio di regolazione: il
glucagone (II)
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Integrazione dei segnali di
regolazione (I)
Il mantenimento dell'omeostasi di un organismo
implica la capacità delle cellule di comunicare tra di
loro e di rispondere all'azione delle molecole effettrici
(ad es. gli ormoni glucagone e insulina).
Questa capacità si esplica a livello molecolare,
grazie alla presenza di particolari complessi proteici, i
recettori, presenti alla superficie delle cellule.
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Integrazione dei segnali di
regolazione (II)
Esistono recettori specifici per migliaia di molecole
effettrici. Ad esempio la risposta immunitaria o quella
infiammatoria sono modulate da piccole proteine
dette chemochine e citochine. Molti aspetti del
metabolismo (dalla glicemia, alla crescita, alla
fertilità) sono regolati da macromolecole (lipidiche o
proteiche) dette ormoni.Tutti questi mediatori vengono
rilasciati nel circolo sanguigno e sono in grado di agire
su specifiche cellule bersaglio che presentano gli
opportuni recettori.
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I recettori fanno parte di circuiti
regolatori cellulari
I recettori sono i sensori di circuiti di regolazione
cellulare di tipo modulare. Gerarchicamente al di sotto
di essi ci sono delle proteine modulatrici in grado di
trasmettere il segnale a proteine effettrici,
solitamente fattori che modulano l'attività o
promuovono la sintesi di specifiche proteine.
Quindi, i circuiti regolativi a livello molecolare nella
cellula ricapitolano, nella loro logica generale,
quelli operanti a livello dell'organismo.
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Il circuiti dell'insulina e del
glucagone (I)
I recettori dell'insulina e del glucagone hanno una
porzione esposta alla superficie esterna della cellula
e una porzione rivolta all'interno della cellula
(citoplasmatica).
La porzione esterna contiene la tasca di legame per
l'ormone.
La porzione interna è in grado di attivare specifici
enzimi che causano una cascata di segnali che
determina l'attivazione o inattivazione di specifiche
proteine o geni.
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Il circuiti dell'insulina e del
glucagone (II)
Il legame dell'insulina al recettore attiva un dominio
intracitoplasmatico tirosin-chinasico, in grado di
trasferire un gruppo fosfato dall'ATP ad un residuo di
tirosina di una proteina substrato. Le proteine
fosforilate funzionano da modulatori e trasduttori del
segnale e attivano una proteina fosfatasi, in grado di
rimuovere i gruppi fosfati presenti su serine e treonine
di altre proteine. Queste proteine defosforilate,
modificano la loro attività enzimatica.
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Il circuiti dell'insulina e del
glucagone (III)
In particolare la glicogeno sintasi si attiva, promuovendo la
sintesi di glicogeno e la glicogeno fosforilasi si inattiva,
inibendo la demolizione del glicogeno.
L’azione dell’insulina
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Il circuiti dell'insulina e del
glucagone (III)
Il legame del glucagone al recettore stimola l'attività
dell'enzima adenilato ciclasi, che trasforma ATP in un
importante molecola messaggera l'AMP ciclico
(cAMP).
Il cAMP attiva la proteina chinasi A , che utilizza ATP
per fosforilare residui di serina e treonina di enzimi
bersaglio. In particolare, a seguito di fosforilazione la
glicogeno fosforilasi si attiva, stimolando il rilascio
del glucosio contenuto nel glicogeno, mentre la
glicogeno sintasi si inattiva, inibendo la sintesi di
glicogeno.
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Il circuiti dell'insulina e del
glucagone (IV)
L’azione del glucagone
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La fosforilazione è un interrutore
molecolare generale
L'aggiunta o la rimozione di gruppi fosfato a livello
di residui di serina, treonina o tirosina è un
meccanismo che interviene nel regolare pressoché
tutti i circuiti a livello molecolare. Così come il circuito
della glicemia si basa sull'azione antagonista di
insulina e glucagone, il circuito della fosforilazione
si basa sull'azione antagonista di chinasi e
fosforilasi.
La presenza o assenza dei gruppi fosfato è in grado di
modulare l'attività enzimatica sia in senso inibente che
attivante.
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Il metabolismo è differenziato
Il metabolismo dipende dall'espressione
dell'informazione genetica delle cellule. Tutte le
cellule dell'organismo contengono l'intera
informazione genetica dell'organismo e quindi
potenzialmente potrebbero esprimere qualsiasi via
metabolica. Tuttavia, durante lo sviluppo
dell'organismo, le cellule si differenziano in tipi diversi
(circa 200 tipi nel corpo umano) e danno origine a
tessuti e organi con differenti caratteristiche
metaboliche. Quindi, nel corpo umano, le diverse vie
metaboliche sono presenti in modo differenziato nei
diversi organi.
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Differenti richieste metaboliche
È possibile rendersi conto della diversità dei
metabolismi confrontando la quantità relativa (%) di
ossigeno consumato dai vari organi a riposo.
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Organo
Riposo
Cuore
10%
Muscolo scheletrico
30%
Fegato/Stomaco/Pancre
as/Intestino
25%
Cervello
20%
Reni
7%
Altri
8%
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Il metabolismo dei globuli rossi
I globuli rossi o eritrociti sono cellule prive di nucleo
e mitocondri e ricche di emoglobina. Hanno un
metabolismo molto ridotto, effettuando la glicolisi fino
al piruvato e di seguito la fermentazione anaerobia a
lattato, che viene rilasciato nel sangue.
L'emoglobina contiene il gruppo eme coordinato allo
ione Fe2+. Il mantenimento dello stato di ossidazione
del ferro richiede la presenza di potere riducente
sotto forma di NADPH + H+, che viene prodotto a
partire dal glucosio-6-P nella via dei pentoso fosfati.
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I globuli rossi
• Queste cellule sono prive di
mitocondri e pertanto non possono
svolgere il metabolismo ossidativo.
• Il metabolismo glicidico si limita alla
glicolisi in condizioni anaerobie e alla via
del pentoso fosfato, da cui viene tratta
l’energia necessaria alla cellula.
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• Il NADPH + H+ prodotto dalla via
del pentoso fosfato serve da agente
riducente per mantenere nello stato
Fe2+ l’eme dell’emoglobina.
Il metabolismo dei muscoli (I)
Il muscolo scheletrico utilizza circa il 30%
dell'ossigeno totale a riposo, ma fino al 90% durante lo
sforzo intenso.
I muscoli sono ricchi di mitocondri e hanno elevato
metabolismo ossidativo. A riposo o durante sforzi di
bassa intensità il 90% dell'energia deriva dalla
demolizione degli acidi grassi e il 10% dalla
glicolisi e successiva ossidazione nel ciclo di Krebs.
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Il metabolismo dei muscoli (II)
In condizioni di sforzo intenso, la glicolisi diventa
dominante, a partire dalla demolizione del glicogeno
muscolare (che costituisce circa l'1% del peso del
muscolo). L'apporto di ossigeno diventa insufficiente
per ossidare completamente il glucosio e quindi si ha
fermentazione anaerobia da piruvato a lattato. Il
rilascio del lattato causa l'acidosi lattica.
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Le cellule
muscolari
• Il metabolismo
glicidico nelle cellule
muscolari si può
svolgere in condizioni
aerobie e anaerobie a
seconda dell’intensità
e della
durata dello sforzo
fisico.
• In condizioni aerobie, le
molecole di glucosio sono
ossidate completamente a CO2,
mentre se l’ossigeno è
insufficiente prendono la via della
fermentazione lattica. L’accumulo
di lattato provoca il dolore
muscolare.
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• Le cellule muscolari hanno
la possibilità di accumulare
riserve sotto forma di
glicogeno.
Il metabolismo delle cellule
adipose
Il tessuto adiposo è secondo solo al fegato per
l'importante ruolo di mantenimento nel sangue dei
livelli delle molecole fonti di energia. Le cellule adipose
sono costituite fino al 90% da gocce di trigliceridi.
Il tessuto adiposo utilizza sia il glucosio nella glicolisi
+ ciclo di Krebs, che gli acidi grassi per ottenere
energia, l’acetil-CoA e il glicerolo-3 P, per la biosintesi
dei trigliceridi. Il potere riducente (NADPH+H+) viene
ricavato dalla via dei pentoso fosfati. Le cellule
adipose sono tra i principali bersagli dell'insulina e del
glucagone.
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Le cellule
adipose
• Nelle cellule
adipose la glicolisi è
particolarmente
attiva.
• In questo caso però il fine ultimo della via non consiste
nell’approvvigionamento energetico, bensì nella produzione di molecole
necessarie alla biosintesi degli acidi grassi e dei trigliceridi.
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Il metabolismo del fegato (I)
Dopo l'assorbimento intestinale, la maggior parte delle
sostanze ingerite passano direttamente al fegato, che
rappresenta l'organo dotato di maggiore flessibilità
metabolica. Le cellule del fegato (epatociti) sono in
grado di adattare il loro metabolismo alla
composizione della dieta. Per esempio passando da
una dieta iperproteica ad una iperglucidica, si nota
la riduzione dell'espressione degli enzimi del
catabolismo degli aminoacidi e l'aumento di quelli
deputati al catabolismo dei carboidrati. Questi
cambiamenti avvengono rapidamente (pochi giorni o
addirittura ore).
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Il metabolismo del fegato (II)
Circa due terzi del glucosio che arriva al fegato è
convertito dalla esochinasi in glucoso-6-P, un
precursore di diverse vie metaboliche:
• può essere riconvertito a glucosio dalla glucoso-6fosfatasi;
• può essere precursore del glicogeno (glicogeno
sintasi);
• può entrare nella glicolisi oppure generare il
glucoronato, importante per la detossificazione.
• Il fegato inoltre opera la gluconeogenesi.
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Il metabolismo del fegato (III)
Il fegato è in grado di catabolizzare gli aminoacidi per
formare piruvato e intermedi del ciclo di Krebs,
oppure per formare prodotti speciali come le porfirine
o le purine.
Anche gli acidi grassi sono catabolizzati dal fegato e
ossidati completamente oppure convertiti in corpi
chetonici o usati per la sintesi di colesterolo e
steroidi.
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Il metabolismo del fegato (IV)
Il fegato recupera costantemente il lattato rilasciato
dagli eritrociti, che viene riconvertito a piruvato.
Inoltre, il fegato collabora con il muscolo
scheletrico durante lo sforzo muscolare intenso,
recuperando il lattato prodotto dalla glicolisi
anaerobia e utilizzandolo per riformare glucosio
attraverso la gluconeogenesi, che viene liberato nel
sangue per sostenere il lavoro muscolare.
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Il metabolismo del fegato (IV)
Questa collaborazione tra fegato
e muscolo per regolare i livelli di
glucosio in relazione allo sforzo
muscolare è detta ciclo di Cori,
dal nome dei biochimici Carl e
Gerty Cori che lo hanno descritto.
I coniugi Cori hanno anche
scoperto le tappe della
glicogenosintesi, vincendo il Nobel
per la medicina nel 1947 (Gerty fu
la prima donna a ricevere il Nobel
per la medicina).
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Carl e Gerty Cori
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Le cellule del
fegato
• Sono le cellule che
mostrano le maggiori
potenzialità
metaboliche.
• Sono in grado di
svolgere la glicolisi per
produrre energia e per
generare precursori
dell’anabolismo
lipidico; a tale scopo
utilizzano anche la via
del pentoso fosfato.
• Hanno la capacità di immagazzinare
glicogeno da utilizzare come riserva di
glucosio nei periodi di digiuno.
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• Recuperano dal sangue il lattato
prodotto dagli eritrociti e dalle cellule
muscolari per generare glucosio
mediante la gluconeogenesi.
Il metabolismo del cervello
Il cervello normalmente dipende esclusivamente dal
glucosio come fonte di energia. Esso consuma il 20%
dell'ossigeno totale consumato dal corpo umano e
necessita di 120g di glucosio al giorno, quindi
dipende in maniera critica dai livelli di glucosio. Una
grave ipoglicemia (< 20 mg/dL) può causare il coma e
la morte. L'energia ricavata da glicolisi+ciclo di Krebs è
usata per mantenere il potenziale di membrana
necessario alla trasmissione neuronale (grazie alla
ATPasi Na+/K+) e alla biosintesi delle proteine.
In caso di digiuno prolungato, il cervello può adattarsi
a usare i corpi chetonici derivati dalla demolizione
degli acidi grassi.
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I neuroni
• I neuroni svolgono soltanto
un metabolismo di tipo
ossidativo in condizioni
aerobie.
• Il cervello consuma 120 g di
glucosio al giorno.
• Il fabbisogno energetico di queste
cellule è soddisfatto mediante
l’ossidazione completa del glucosio
a CO2 attraverso la glicolisi, la
decarbossilazione ossidativa del
piruvato e il ciclo dell’acido citrico.
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• I neuroni necessitano di un apporto
continuo di glucosio e O2, anche se
in condizioni di digiuno si adattano a
utilizzare i corpi chetonici derivati
dalla demolizione dei grassi, in
modo da preservare le proteine.