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Franca Esposito » 6.Disegno generale del metabolismo


Il metabolismo

Metabolismo = insieme delle trasformazioni chimiche che avvengono negli organismi viventi

Attività cellulare altamente coordinata, consente di:

  • ottenere energia chimica dall’ambiente (luce solare o degradazione di sostanze nutrienti)
  • convertire molecole di sostanze nutrienti in molecole monomeriche, caratteristiche della cellula stessa
  • sintetizzare polimeri (proteine, acidi nucleici, lipidi, polisaccaridi) a partire da precursori monomerici
  • sintetizzare e degradare le biomolecole tipiche della cellula (membrane lipidiche, messaggeri cellulari, etc.)

Lezione della Prof. Raffaella Faraonio

Le vie metaboliche

Vie metaboliche: sequenza ordinata di reazioni catalizzate da enzimi.

In una via metabolica una molecola di precursore viene convertita in prodotto attraverso una serie di intermedi (metaboliti).

CATABOLISMO → fase degradativa del metabolismo: molecole derivate dai nutrienti vengono convertite in prodotti finali più semplici, viene rilasciata energia.

ANABOLISMO → fase di biosintesi del metabolismo: i precursori più semplici sono convertiti in molecole biologiche, richiede energia.

Relazioni energetiche tra le vie metaboliche

VIE CATABOLICHE E VIE ANABOLICHE SONO CORRELATE.

Le vie cataboliche ossidano molecole dei nutrienti e producono energia libera sotto forma di:

  1. Adenosina trifosfato (ATP)
  2. Trasportatori di elettroni in forma ridotta (NADH, NADPH, FADH2)
  3. Calore

Le vie anaboliche utilizzano energia per la sintesi di molecole biologiche: Ciò avviene grazie al potenziale di trasferimento del gruppo fosforico dell’ATP e del potere riducente di NADH,NADPH,FADH2.

Relazioni energetiche tra le vie cataboliche e anaboliche. Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Relazioni energetiche tra le vie cataboliche e anaboliche. Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.


Le vie metaboliche

Le vie metaboliche possono essere lineari o non lineari (convergenti, divergenti o cicliche).

  • Nelle vie metaboliche convergenti da precursori diversi si genera un unico prodotto finale
  • Nelle vie divergenti da un singolo precursore si hanno prodotti finali diversi
  • Nelle vie cicliche una delle molecole di partenza viene rigenerata, un’altra viene convertita in prodotto finale
Tipi di vie metaboliche. Immagine autoprodotta.

Tipi di vie metaboliche. Immagine autoprodotta.


Vie metaboliche non lineari

Esempi di vie metaboliche non lineari. Immagine autoprodotta.

Esempi di vie metaboliche non lineari. Immagine autoprodotta.


Regolazione delle vie metaboliche

Il controllo delle vie metaboliche si attua attraverso la modulazione coordinata del catabolismo e dell’anabolismo

Il meccanismo principale consiste nella regolazione separata delle sequenze di reazioni cataboliche ed anaboliche (se una via opera, l’altra è bloccata e viceversa).

Nelle vie cataboliche e anaboliche che hanno in comune gli stessi composti di partenza o prodotti finali, almeno una tappa è catalizzata da enzimi diversi che sono quindi soggetti ad una regolazione separata.

Le vie anaboliche e cataboliche che collegano gli stessi composti hanno localizzazioni intracellulari diverse.

Livelli di regolazione delle vie metaboliche

Diversi livelli di regolazione, interni ed esterni alla cellula, delle vie metaboliche. Immagine autoprodotta.

Diversi livelli di regolazione, interni ed esterni alla cellula, delle vie metaboliche. Immagine autoprodotta.


Livelli di regolazione delle vie metaboliche: disponibilità del substrato

La concentrazione del substrato influenza la velocità iniziale (V0) di una reazione enzimatica secondo l’equazione di Michaelis-Menten.

Spesso la concentrazione fisiologica del substrato è vicina ai valori di Km, per cui piccole variazioni di [S ] comportano notevoli variazioni della velocità di rezione (reazione di primo ordine).

Relazione tra la velocità iniziale di una reazione e la concentrazione del substrato. Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Relazione tra la velocità iniziale di una reazione e la concentrazione del substrato. Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.


Livelli di regolazione delle vie metaboliche: regolazione enzimatica

Principali meccanismi di regolazione enzimatica delle vie metaboliche. Immagine autoprodotta.

Principali meccanismi di regolazione enzimatica delle vie metaboliche. Immagine autoprodotta.


Livelli di regolazione delle vie metaboliche: enzimi regolatori

Gli enzimi di una determinata via metabolica lavorano in sequenza e la maggior parte segue il modello descritto di Michaelis-Menten.

Uno o più enzimi (enzimi regolatori) possono aumentare o diminuire la loro attività catalitica in risposta a determinati stimoli.

In molte vie metaboliche il primo enzima della sequenza è un enzima regolatore.

La presenza dell’enzima regolatore E1 modula l’attivià degli enzimi successivi della via. Immagine autoprodotta.

La presenza dell'enzima regolatore E1 modula l'attivià degli enzimi successivi della via. Immagine autoprodotta.


Gli enzimi regolatori

Esistono due classi di enzimi regolatori:

  1. Enzimi regolati da modificazioni covalenti reversibili
  2. Enzimi allosterici: si legano a molecole, dette modulatori allosterici o effettori, con legame non covalente e reversibile

I modulatori allosterici possono essere inibitori o attivatori.

Gli enzimi regolatori i cui substrati si comportano anche da modulatori sono detti OMOTROPICI (in genere sono positivi e il legame della prima molecola favorisce i successivi).

Gli enzimi regolatori i cui substrati non si comportano da modulatori sono detti ETEROTROPICI (possono essere di tipo positivo o negativo).

Enzimi allosterici

Gli enzimi regolatori allosterici contengono due o più subunità.

Oltre i siti catalitici (C), sono presenti uno o più siti regolatori o allosterici, generalmente su subunità diverse (R) per il legame dei modulatori (inibitori o attivatori).

Gli enzimi allosterici vanno incontro a CAMBIAMENTI CONFORMAZIONALI indotti dal legame del modulatore → VARIAZIONE dell’attività enzimatica.

L’enzima regolatore può modulare la propria attività in seguito al legame di un attivatore. Immagine autoprodotta.

L'enzima regolatore può modulare la propria attività in seguito al legame di un attivatore. Immagine autoprodotta.


Proprietà cinetiche degli enzimi allosterici

Gli enzimi regolatori allosterici hanno proprietà cinetiche che differiscono dal modello descritto di Michaelis-Menten.

Nel caso di un enzima omotropico, in cui il substrato funge anche da modulatore positivo, la curva è di tipo sigmoide (Km è sostituita da K0,5).

La curva sigmoide indica che a piccole variazioni di substrato corrispondono grandi variazioni della velocità di reazione.

Curva con andamendo sigmoide di un enzima omotropico . Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Curva con andamendo sigmoide di un enzima omotropico . Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.


Enzimi allosterici: cooperatività

La curva sigmoide è causata dal legame cooperativo del substrato.

…ricordare che il legame di O2 all’eme di una subunità di Hb (che non è un enzima) facilita il legame di altre molecole di O2 ai gruppi eme delle altre subunità → EFFETTO COOPERATIVO POSITIVO.

La cinetica sigmoide può essere spiegata sulla base di due modelli:

(a) Modello concertato-Modello di Monod, Wyman e Changeux
L’enzima esiste in due stati conformazionali:

(bassa affinità) e O (alta affinità), in equilibrio tra loro. Il ligando lega più facilmente lo stato O, sottrae la forma all’equilibrio e ciò aumenta l’affinità per il substrato

(b) Modello sequenziale – Modello di Koshland:
Le varie subunità possono assumere conformazione diversa:

bassa affinità o alta affinità O

Il legame con il substrato induce modificazioni conformazionali che facilitano il passaggio delle altre subunità da a O.
Tale modello spiega sia la cooperatività positiva che negativa.

Modelli per il comportamento di enzimi allosterici

I due modelli che descrivono il legame cooperativo : concertato (a),  sequenziale (b). Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

I due modelli che descrivono il legame cooperativo : concertato (a), sequenziale (b). Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.


Proprietà cinetiche degli enzimi allosterici

La cinetica degli enzimi regolatori eterotropici (modulatore diverso dal substrato) è modificata dalla presenza di attivatore o di inibitore

(a) La curva sigmoide in presenza di attivatore diventa più simile ad una curva iperbolica, mentre in presenza di inibitore diventa più sigmoide In tale cinetica non cambia Vmax ma K0,5.

(b) Per altri enzimi regolatori esistono cinetiche in cui varia solo la Vmax.

Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.


Inibizione a feedback

In alcune vie metaboliche, un intermedio, spesso il prodotto finale, funziona da inibitore allosterico del primo enzima regolatore della via.

In questo modo gli enzimi a valle lavorano con velocità ridotta dovuta a carenza di substrato: la quantità di prodotto finale si adatta alle necessità della cellula.

Il sistema multienzimatico batterico che converte la L-treonina in L-leucina è un esempio.

Inibizione a feedback     o inibizione retroattiva . Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Inibizione a feedback o inibizione retroattiva . Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.


Proprietà cinetiche degli enzimi allosterici: aspartato transcarbamilasi

  • I regolatori allosterici dell’aspartato transcarbamilasi sono il CTP e l’ATP, che agiscono rispettivamente da inibitore e attivatore
  • Il legame del CTP alle subunità regolatorie induce una modifica conformazionale che si trasmette alle subunità catalitiche rendendole meno affini al substrato
  • L’ATP impedisce la variazione di conformazione indotta dal CTP

Coordinazione tra la sintesi di pirimidine e purine

Regolazione allosterica da parte del CTP e dell’ATP dell’aspartato transcarbamilasi. Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Regolazione allosterica da parte del CTP e dell'ATP dell'aspartato transcarbamilasi. Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.


Regolazione di vie metaboliche ramificate

Meccanismi di regolazione di una via metabolica ramificata che produce amminoacidi derivati dall’aspartato. Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger”  ed. Zanichelli.

Meccanismi di regolazione di una via metabolica ramificata che produce amminoacidi derivati dall'aspartato. Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.


Vie metaboliche ramificate: regolazione

La regolazione di vie metaboliche ramificate si basa su:

  1. presenza di forme isoenzimatiche (molteplicità enzimatica) qualora i prodotti della stessa via sono richiesti per altre vie
  2. feedback sequenziali
  3. feedback cumulativi
  4. feedback multivalenti
  5. feedback sinergici

Regolazione enzimatica: modificazioni covalenti reversibili

L’attività di molti enzimi è regolata attraverso modificazioni covalenti reversibili su uno o più residui amminoacidici.

Le reazioni di modificazione sono determinanti per la funzione enzimatica: regolano la sua affinità per il substrato (aumenta o diminuisce).

Tali modificazioni sono inserite o rimosse da altri enzimi.

Tra le numerose reazioni di modificazione (> di 500), le più comuni sono: fosforilazione, acetilazione, adenilazione, miristoilazione, ubiquitinazione, ADP-ribosilazione, metilazione.

Il tipo più importante di regolazione covalente è la fosforilazione/defosforilazione.

Regolazione enzimatica: modificazioni covalenti

Alcuni esempi di reazioni di modificazioni covalenti di enzimi. Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Alcuni esempi di reazioni di modificazioni covalenti di enzimi. Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.


Modificazioni covalenti: fosforilazione/defosforilazione

La fosforilazione in serina 14 sulle due subunità della glicogeno fosforilasi, catalizzata dalla fosforilasi chinasi, induce un cambiamento di struttura che rende l’enzima più attivo, la rimozione del fosfato ad opera della fosforilasi fosfatasi induce una forma cataliticamente meno attiva.

La fosforilazione/defosforilazione provoca effetti opposti sull’attività dell’enzima glicogeno sintasi.

Immagine autoprodotta.

Immagine autoprodotta.


Regolazione enzimatica: proteolisi limitata

Proteolisi selettiva = meccanismo di regolazione enzimatica per cui un enzima sintetizzato in forma inattiva (zimogeno) viene attivato per rimozione di uno o più frammenti a partire dal precursore inattivo.

Tale modificazione è irreversibile ed avviene ad opera di proteasi specifiche del distretto cellulare dove lavora l’enzima.

Regolazione attraverso proteolisi limitata irreversibile.

Regolazione attraverso proteolisi limitata irreversibile.


Regolazione enzimatica: proteolisi limitata

Il chimotripsinogeno e tripsinogeno, precursori inattivi degli enzimi digestivi tripsina e chimotripsina, sono secreti dal pancreas nel duodeno.

A questo livello, il chimotripsinogeno è attivato dalla tripsina e π-chimotripsina, la tripsina dall’enterochinasi.

La rimozione di frammenti specifici induce un cambio strutturale e conformazionale che comporta esposizione del sito attivo dell’enzima.

Scissione proteolitica del chimotripsinogeno e del tripsinogeno. Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Scissione proteolitica del chimotripsinogeno e del tripsinogeno. Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.


Regolazione enzimatica: legame/dissociazione di proteine

Il legame o la dissociazione da specifiche proteine regolatrici può comportare modificazione dell’attività enzimatica.

Un tipico esempio è quello dell’inibitore pancreatico della tripsina che è in grado di legare il sito attivo della tripsina e di inibirla al fine di proteggere l’organo dall’auto-digestione.

Gli inibitori di proteasi costituiscono il 10% circa delle proteine plasmatiche del sangue.

Inibitore della tripsina in verde. Immagine autoprodotta.

Inibitore della tripsina in verde. Immagine autoprodotta.


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