Metabolismo = insieme delle trasformazioni chimiche che avvengono negli organismi viventi
Attività cellulare altamente coordinata, consente di:
Lezione della Prof. Raffaella Faraonio
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.
VIE CATABOLICHE E VIE ANABOLICHE SONO CORRELATE.
Le vie cataboliche ossidano molecole dei nutrienti e producono energia libera sotto forma di:
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.
Le vie metaboliche possono essere lineari o non lineari (convergenti, divergenti o cicliche).
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.
Diversi livelli di regolazione, interni ed esterni alla cellula, delle vie metaboliche. Immagine autoprodotta.
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).
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.
Esistono due classi di enzimi regolatori:
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
↓
Coordinazione tra la sintesi di pirimidine e purine
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.
La regolazione di vie metaboliche ramificate si basa su:
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.
Alcuni esempi di reazioni di modificazioni covalenti di enzimi. Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.
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.
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.
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.
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.
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25. Glucagone
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29. Metabolismo del Fegato - Parte seconda
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