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Il catabolismo e l’anabolismo procedono contemporaneamente in uno stato stazionario dinamico, in cui le degradazioni di componenti cellulari che producono energia sono controbilanciate dai processi biosintetici, che creano e mantengono un elevato grado di ordine nelle cellule.
I principi generali che regolano la biosintesi sono:
1. la via seguita dalla biosintesi di una biomolecola è di norma diversa da quella della sua degradazione; anche se le due vie sono con direzione opposta possono condividere molte reazioni reversibili, almeno una tappa enzimatica deve essere caratteristica di ogni via. Se le reazioini del catabolismo e dell’anabolismo sono catalizzate dallo stesso gruppo di enzimi che agiscono in modo reversibile, il flusso di carbonio attraverso queste vie sarà dettato esclusivamente dall’azione di massa dei precursori di macromolecole, non dalle necessità di energia della cellula.
2. le vie cataboliche e anaboliche corrispondenti sono controllate da enzimi regolatori diversi; queste vie con direzione opposta sono regolate in modo coordinato e reciproco per far si che la stimolazione, per esempio, della via biosintetica sia sempre accompagnata da una inibizione della via degradativa.
3. i processi biosintetici che richiedono energia sono accoppiati alla demolizione esoergonica di ATP, in modo tale che il processo nel suo complesso risulti in vivo irreversibile.
Gluconeogenesi.
La formazione di glucosio da precursori non saccaridici è chiamata gluconeogenesi, una via universale, identificata negli animali, nelle piante, nei funghi o nei microrganismi, ma anche se le reazioni della gluconeogenesi sono le stesse in tutti gli organismi, il contesto metabolico e la regolazione della via differiscono da organismo a organismo e da tessuto a tessuto: si prende in considerazione la gluconeogenesi che ha luogo nel fegato dei mammiferi.
Come la conversione glicolitica del glucosio in piruvato è la via fondamentale del catabolismo dei carboidrati, la conversione del piruvato in glucosio è una via biosintetica essenziale.
Prima deviazione della gluconeogenesi:
è la conversione del fosfoenilpiruvato; questa reazione non può avvenire invertendo la reazione catalizzata dalla piruvato chinasi, che ha una sua variazione di energia libera profondamente negativa ed è irreversibile nelle condizioni intracellulari.
Il piruvato viene prima trasportato dal citosol nei mitocondri oppure prodotto sempre nei mitocondri dall’alanina per transaminazione. La piruvato carbossilasi, un enzima mitocondriale che richiede biotina come cofattore, converte poi il piruvato in ossalacetato; l’ossalacetato viene ridotto reversibilmente a malato dalla malato deidrogenasi mitocondriale a spese del NADH.
Il malato esce dai mitocondri attraverso il trasportatore malato-a-chetoglutarrato presente nella membrana mitocondriale interna; nel citosol, il malato viene riossidato ad ossalacetato, con la contemporanea produzione di NADH. L’ossalacetato viene poi convertito in fosfoenolpiruvato (PEP) dalla fosfoenolpiruvato carbochinasi in una reazione in cui gli ioni Mg2+ sono cofattori essenziali e il donatore del gruppo fosforico è il GTP.
Per fosforilare una molecola di piruvato a PEP sono necessari due gruppi fosforici ad alta energia (uno dall’ATP e uno dal GTP), che in condizioni standard rendono ciascuno 30,5 Kj/mole.
Poiché il NADH viene consumato dalla gluconeogenesi (nella conversione dell’1,3-bifosfoglicerato a gliceraldeide-3- fosfato), la biosintesi del glucosio non può procedere se non sono continuamente disponibili NADH; la via da piruvato a PEP serve anche a bilanciare la produzione e il consumo di NADH nel citosol durante la gluconeogenesi.
Sintesi del fosfoenolpiruvato da piruvato
a) Il piruvato viene convertito in ossalacetato in una reazione biotina dipendente catalizzata dalla piruvato carbossilasi
b) L’oassalacetato trasformato in fosfoenolpiruvato dalla PEP carbossichinasi viene di nuovo rilasciata in questa reazione; la decarbossilazione porta a un riarrangiamento elettronico che facilita l’attacco dell’ossigeno carbonilico del piruvato sul gruppo fosforico y del GTP.
Una seconda deviazione nel passaggio da piruvato a PEP, più breve, diventa predominante quando il lattato è il precursore della gluconeogenesi.
La conversione del lattato in piruvato nel citosol degli epatociti genera NADH e quindi non è più necessaria l’esportazione del malato dai mitocondri; il piruvato prodotto nella reazione della lattato deidrogenasi viene trasportato all’interno dei mitocondri dove viene trasformato in ossalacetato dalla piruvato carbossilasi.
Seconda reazione della sequenza catabolica glicolitica che non partecipa al processo anabolico della gluconeogensi è la fosforilazione del fruttosio-6-fosfato catalizzata dalla fosfofruttochinasi-1. Dato che nella cellula questa reazione è irreversibile, la formazione di fruttosio-6-fosfato è catalizzata da un altro enzima, la fruttosio-1,6-bifosfatasi Mg-dipendente, che produce l’idrolisi essenzialmente irreversibile del gruppo fosforico sul C-1.
Terza deviazione è la reazione finale della gluconeogenesi; la defosforilazione del glucosio-6-fosfato a glucosio libero; poiché la reazione dell’esochinasi nella glicolisi è essenzialmente irreversibile, la reazione idrolitica è catalizzata da un altro enzima, la glucosio-6-fosfatasi.
Questo enzima, la cui attività dipende dalla presenza di ioni Mg2+ si trova nel reticolo endoplasmatico degli epatociti, non essendo presente nel muscolo o nel cervello, la gluconeogensi non può avvenire in questi tessuti.
Regolazione della glicolisi e della gluconeogenesi.
Il primo punto di controllo è rappresentato dalle reazioni catalizzate dal complesso della piruvato deidrogenasi (per la glicolisi) e dalla piruvato carbossilasi della gluconeogenesi; quest’ultimo enzima ha come modulatore allosterico positivo l’acetil-CoA. L’aumento della concentrazione di acetil-CoA inibisce il complesso della piruvato deidrogenasi, rallentando la sua formazione da piruvato, ma contemporaneamente stimola la gluconeogenesi attivando la piruvato carbossilasi; in questo modo l’eccesso di piruvato può essere convertito in glucosio. Vedi figura sotto riportata.
La conversione a glucosio e glicogeno attraverso la gluconeogenesi, oppure l’ossidazione ad acetilCoA con la produzione di energia. Il primo enzima di ogni via è regolato allostericamente; l’acetilCoA stimola l’attività della piruvato carbossilasi e inibisce qiella del complesso della piruvato deidrogenasi.
Il secondo punto di controllo della gluconeogenesi è a livello della reazione catalizzata dalla fruttosio 1,6,-bifosfatasi, che è inibita dalla reazione catalizzata dalla fosfofruttochinasi-1, è invece stimolato dall’AMP e dall’ADP, mentre è inibito dall’ATP e dal citrato; le due reazioni delle due vie sono quindi regolate in modo coordinato e complementare.
La funzione speciale del fegato nel mantenere costante il livello di glucosio nel sangue richiede un ulteriuore meccanismo di regolazione che coordina la produzione al consumo.
La reazione ormonale della glicolisi e della gluconeogenesi nel fegato è mediata dalla fruttosio-2,6- bifosfato un effettore allosterico della fosfofruttochinasi-1 (PFK-1) e della fruttosio-1,6-bifosfatasi (FBPasi-1).
Quando il fruttosio-2,6- bifosfato si lega al suo sito allosterico sulla PFK-1, si ha un aumento della affinità dell’enzima per il suo substrato fruttosio-6-fosfato e una riduzione dell’affinità degli inibitori allosterici ATP e citrato.
a): la concentrazione cellulare del modulatore fruttosio-2,6-bifosfato viene determinata dalla velocità della sua sintesi da parte della fosfofruttochinasi-2 (PFK-2) e della velocità della sua demolizione operata dalla fruttosio-2,6-bifosfatasi (FBPasi-2).
b): questi due enzimi fanno parte della stessa catena polipeptidica e sono regolati in modo complementare e coordinato dal glucagone; le frecce () e (¯) sono utilizzate per idicare aumenti o diminuzioni della concentrazione dei metaboliti.
Sintesi del glicogeno.
Gli zuccheri legati a nucleotidi sono particolarmente idonei ad essere utilizzati nelle reazioni biosintetiche per le seguenti proprietà:
1) la loro formazione mediante la condensazione di un nucleoside trifosfato con un esosio fosforilato rompe un legame di alta energia e libera PPi, che viene ulteriormente idrolizzato dalla pirofosfatasi inorganica; la grande variazione di energia libera di segno negativo che si ha in questo processo favorisce la reazione biosintetica ed è una strategia utilizzata in molte altre reazioni di polimerizzazione.
2) Le trasformazioni chimiche che avvengono sugli zuccgeri legati a nucleotidi non coinvolgono atomi dei nucleotidi, ma la molarità nel suo complesso contiene molti gruppi che potenzialmente possono dare origine ad interazione con enzimi.
3) Come i gruppi fosforici, i gruppi nucleotidilici sono eccellenti gruppi uscenti, in quanto attivano l’atomo di carbonio a cui sono legati rendendolo più suscettibile agli attacchi nucleofilici.
4) Il gruppo nucleotidilico può essere considerato come una specie di etichetta molecolare, necessaria per distinguere molecole identiche, ma indirizzate verso scopi diversi (per esempio la sintesi del glicogeno o la glicolisi); per la glicolisi l’etichetta è data invece dai gruppi fosforici legati agli zuccheri.
Negli animali e in alcuni microrganismi, il glucosio in eccesso che arriva dai carboidrati presenti nella dieta o dalla gluconeogenesi viene conservato sotto forma di glicogeno; la sintesi del glicogeno avviene virtualmente in tutti i tessuti animali, ma è particolarmente preminente nel fegato e nel muscolo schelettrico.
Il punto di partenza della sintesi del glicogeno è il glucosio-6-fosfato; questo metabolita può derivare dal glucosio libero mediante fosforilazione da parte dell’esochinasi (muscolo) o dalla glucochinasi (fegato):
D-Glucosio + ATP ® D-Glucosio-6-fosfato + ADP
Una parte di glucosio ingerita durante un pasto segue una via più lunga prima di arrivare a glicogeno; entra prima negli eritrociti presenti nel flusso sanguigno in cui viene convertito in lattato dalla glicolisi, il lattato esce dai globuli rossi e passa al fegato dove viene convertiro in glucosio-6- fosfato dalla gluconeogenesi e quindi convertito in glucosio-1-fosfato dall’enzima fosfoglucomutasi:
glucosio-6-fosfato Û glucosio-1-fosfato
la formazione di UDP-glucosio ad opera della UDP-glucosio pirofosforilasi è una reazione fondamentale nella via di biosintesi del glicogeno:
glucosio-1-fosfato + UTP ® UDP-glucosio + PPi
questa reazione procede nella direzione della formazione dell’UDP-glucosio in seguito all’idrolisi del pirofosfato a due molecole di ortofosfato da parte della pirofosfatasi inorganica. Vedi figura sotto riportata.
L’UDP è il donatore di unità glucosio della reazione enzimatica di formazione del glicogeno adopera della glicogeno sintetasi, enzima cha catalizza il trasferimento del residuo glucosidico UDPglucosio ad una estremità non riducente di una molecola ramificata di glicogeno. Vedi figura.
Allungamento della catena del glicogeno da parte della glicogeno sintasi. Il residuo di glucosio dell’UDP-glucosio viene trasferito all’estremità non riducente di una catena di glicogeno mediante un legame (a-1®4)
La glicogeno sintasi non può generare legami (a1®6) presenti ai punti di ramificazione della molecola di glicogeno; questo tipo di legame viene formato dall’enzima ramificante chiamato anche amilo (1®4)(1®6)transglicosilasi oppure glicosil (4®6)-transferasi. Vedi figura sotto riportata.
la sintesi di una particella di glicogeno inizia con un primer proteico chiamato glicogenina, che si comporta come primer a cui legare il primo residuo di glucosio, ma funge anche da catalizzatore per la sintesi di una catena nascente di glicogeno lunga fino a otto residui.
La prima tappa del processo è il legame covalente di una unità di glucosio alla Tyr194 della glicogenina, catalizzata dalla stessa attività glicosil transferasica della proteine (tappa 1). La glicogenina forma poi un complesso piuttosto saldo con la glicogeno sintasi in un rapporto di 1:1 (tappa 2); all’interno del quale avvengono le altre reazioni del processo. La catena glucanica si allunga mediante una serie di addizioni sequenziali di altre sette unità di glucosio (tappa 3). Ogni nuovo residuo incorporato è stato fornito dall’UDPglucosio e le reazioni di addizione sono autocatalitiche. A questo punto inizia il lavoro della glicogeno sintasi che coincia ad allungare la catena e si dissocia dalla glicogenia (tappa 4). L’azione combinata della glicogeno sintasi e dell’enzima ramificante (tappa 5) completa la particella di glicogeno.
Il bilancio tra la sintesi e la demolizione del glicogeno nel fegato è controllato dagli ormoni glucagone e insulina che, regolando i livelli di cAMP nei loro tessuti bersaglio, controllano il rapporto tra forma attiva e forma meno attiva della glicogeno fosforilasi e della glicogeno sintasi.
I lipidi sono la forma principale di conservazione dell’energia nella maggior parte degli organismi viventi e allo stesso tempo sono i principali costituenti delle membrane cellulari.
La biosintesi e la degradazione degli acidi grassi sono vie diverse, sono catalizzate da una serie di enzimi diversi e sono localizzate in compartimenti cellulari diversi; inoltre l’intermedio malonil-CoA partecipa alla biosintesi degli acidi grassi, ma non entra nella via degradativa. La formazione irreversibile di malonil-CoA è catalizzata dall’acetil-CoA carbossilasi, che contiene come gruppo prostetico la biotina, legata covalentemente (mediante un laegame ammidico) al gruppo amminico e di un residuo di Lys di una delle tre unità della molecola enzimatica. Vedi figura sotto riportata.
Biosintesi degli acidi grassi.
La sequenza a quattro tappe che allunga la catena acilica nascente di due atomi di carbonio; ogni gruppo malonilico e acetilico (o un acile più lungo) viene attivato mediante il legame tioestere che lo tiene unito all’acido grasso sintasi, un complesso multienzimatico.
1) la prima tappa è la condensazione di un gruppo acilico attivato (il gruppo acetilico è il primo gruppo acilici) e due atomi di carbonio che derivano dal malonil-CoA, con una eliminazione di una molecola di CO2 dal gruppo malonilico. L’effetto di questa reazione è l’allungamento della catena acilica di due atomi di carbonio.
Il b-chetoacile prodotto dalla condensazione viene poi ridotto in altre tre tappe praticamente identiche a quelle della b-ossidazione, ma poste in sequenza inversa.
2) il b-chetoacile viene ridotto ad alcool.
3) l’eliminazione di una molecola di acqua crea un legame doppio e, 4) il doppiuo legame viene ridotto per formare il corrispondente acile saturo. Tutte le reazioni del complesso biosintetico sono catalizzate da un complesso multienzimatico, chiamato acido grasso sintasi;
la struttura di questo complesso multienzimatico e la sua localizzazione nella cellula differiscono da spoecie a specie, ma la seuqenza delle reazioni è sempre la stessa in tutti gli organismi.
Prima che avvenga la reazione di condensazione che costruisce la catena dell’acido grasso, i due gruppi tiolici presenti sul complesso enzimatico devono essere cvaricati con gruppi acilici corretti.
Vedi figura sotto riportata.