Regolazione enzimatica - Biotecnologie
Regolazione enzimatica - Biotecnologie
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Prof. Maria Nicola GADALETA<br />
E-mail: m.n.gadaleta@biologia.uniba.it<br />
Facoltà di Scienze Biotecnologiche<br />
Corso di Laurea in<br />
<strong>Biotecnologie</strong> Sanitarie e Farmaceutiche<br />
Biochimica e Tecnologie Biochimiche<br />
DISPENSA N. 18<br />
ENZIMI VI: <strong>Regolazione</strong> <strong>enzimatica</strong>
REGOLAZIONE ENZIMATICA<br />
Come viene regolato il flusso di molecole che si trasformano in altre molecole<br />
all’interno di una cellula vivente, data la straordinaria complessità delle<br />
interrelazioni metaboliche ?<br />
da: Berg J.M. et al. (V ed.)<br />
M.N. Gadaleta
E. coli costruisce tutte le molecole ad esso necessarie: proteine, lipidi, acidi<br />
nucleici, a partire da: glucosio, NH 3 , H 2 O e sali minerali attraverso una<br />
intricata rete metabolica.<br />
Nella rete metabolica ci sono punti in cui una molecola può essere substrato di<br />
più enzimi. Per es. nell’uomo il glucosio presente negli alimenti può essere<br />
convertito in: glicogeno<br />
GLUCOSIO lipidi<br />
attraverso 4 diverse vie metaboliche.<br />
amminoacidi non essenziali<br />
CO 2 e H 2 O<br />
Ogni via metabolica è caratterizzata da numerose reazioni; ogni reazione è<br />
catalizzata da un enzima specifico. Non tutte le vie metaboliche procedono al<br />
massimo della loro attività in ogni momento.<br />
Per es., dopo un pranzo, nell’organismo c’è notevole disponibilità di<br />
glucosio: non tutte le molecole vengono trasformate in ugual misura nei<br />
prodotti terminali delle vie metaboliche suddette; al contrario, esistono<br />
meccanismi omeostatici controllati molto accuratamente dall’organismo che<br />
fanno sì che:<br />
M.N. Gadaleta
a) il tasso ematico di glucosio sia sempre costante;<br />
b) una quota appropriata di questo zucchero venga utilizzata<br />
a scopi energetici;<br />
c) esistano sempre riserve di glicogeno;<br />
d) la quantità di glucosio eventualmente residua venga<br />
trasformata in lipidi di riserva.<br />
D’altra parte, quando l’ambiente esterno fornisce prodotti già fatti<br />
per la cellula è altamente dispendioso sintetizzare quei prodotti e<br />
quindi lasciare attive quelle vie metaboliche; sorge la necessità di<br />
disattivarle.<br />
M.N. Gadaleta
La velocità di una via metabolica dipende dalla<br />
concentrazione dei suoi enzimi sintetizzati in quantità<br />
costanti (Enzimi costitutivi) e dalla presenza di enzimi<br />
regolatori.<br />
Il livello intracellulare degli enzimi regolatori delle vie<br />
metaboliche è generalmente molto basso. Spesso gli enzimi<br />
regolatori di vie metaboliche presentano un tempo di<br />
semivita molto breve. Per es. carbossicinasi 5h: questo<br />
permette di avere fluttuazioni della velocità di una via<br />
metabolica molto maggiori di quella ottenuta attraverso<br />
l’attivazione o inibizione di enzimi sintetizzati in quantità<br />
costanti (Enzimi costitutivi).<br />
M.N. Gadaleta
– La velocità con cui una via metabolica decorre può<br />
essere regolata anche per mezzo dell’attivazione o<br />
inattivazione ormono-dipendente dell’espressione<br />
genica di nuovi enzimi, con conseguente aumento o<br />
diminuizione della velocità della loro biosintesi. Enzimi<br />
inducibili – Enzimi repressibili.
Il controllo di una via metabolica si attua attraverso :<br />
a) il controllo della disponibilità dei suoi enzimi<br />
b) la modulazione dell’attività dei suoi enzimi
a)La cellula può regolare la quantità assoluta di enzima<br />
presente in un determinato momento stimolando :<br />
la sua biosintesi ( la regolazione a livello dell’espressione<br />
genica prevede un processo complesso: è una regolazione di<br />
tipo lento , richiede minuti) e/o<br />
la sua degradazione<br />
o<br />
attraverso l’attivazione di zimogeni (vedi chimotripsina).<br />
M.N. Gadaleta
da: Champe<br />
Gli enzimi inducibili sono quelli i<br />
cui geni sono espressi soltanto in un<br />
determinato stadio dello sviluppo o<br />
in particolari condizioni<br />
fisiologiche. Per es. in seguito a un<br />
aumento della glicemia, si ha un<br />
aumento dell’insulina che induce<br />
nel fegato la espressione della<br />
glucocinasi, un enzima che indirizza<br />
il glucosio nella sua forma di<br />
deposito, che è il glicogeno,<br />
riportando la glicemia alla<br />
normalità.<br />
La glucochinasi è un isoenzima<br />
della esochinasi presente solo nel<br />
fegato le cui cinetiche rispondono<br />
alla fosforilazione del glucosio in<br />
condizioni di elevata glicemia.<br />
M.N. Gadaleta
da: Baynes<br />
M.N. Gadaleta
da: Baynes<br />
M.N. Gadaleta
) La cellula può modulare l’attività degli Enzimi<br />
attraverso specifici ligandi .<br />
Gli enzimi la cui attività oltre che essere regolata da pH, [S], [cofattori,<br />
Mg+2, K+] e [coenzimi], è modulata da specifici ligandi sono detti<br />
enzimi regolatori o regolati.<br />
L’attività catalitica di un enzima è modulata grazie<br />
1) alla flessibilità conformazionale delle proteine (per esempio stato T<br />
stato R) ,<br />
2) alla loro dinamicità in risposta a ligandi o effettori (regolazione<br />
allosterica) e<br />
3)alla loro capacità intrinseca di trasmettere modificazioni<br />
conformazionali tra siti spazialmente distanti all’interno della molecola<br />
(effetto cooperativo).<br />
M.N. Gadaleta
Gli enzimi regolatori subiscono una:<br />
regolazione allosterica<br />
regolazione covalente<br />
regolazione attraverso proteine controllo<br />
M.N. Gadaleta
La regolazione allosterica prevede cambiamenti conformazionali della<br />
molecola proteica, in seguito a interazioni di ligandi in siti diversi dal<br />
sito attivo,che coinvolgono solo formazione e rottura di legami deboli:<br />
la transizione di conformazione che modula l’attività dell’enzima è<br />
veloce,richiede pochi secondi.<br />
La regolazione covalente prevede cambiamenti conformazionali in<br />
seguito a formazione e rottura di legami covalenti: coinvolge almeno<br />
due enzimi, lenta,richiede minuti.<br />
La regolazione mediante proteine controllo: quando ad attivare o<br />
disattivare un enzima sono non piccole molecole, ma proteine (vedi<br />
calmodulina, rapida, secondi).<br />
M.N. Gadaleta
1. REGOLAZIONE ALLOSTERICA<br />
L’attività degli enzimi allosterici è regolata dal legame reversibile di uno<br />
specifico ligando detto effettore allosterico.<br />
Il ligando viene riconosciuto da uno specifico sito allosterico sull’enzima<br />
diverso dal sito attivo.<br />
Un enzima può avere diversi siti allosterici ed essere regolato da più<br />
effettori allosterici.<br />
L’effettore allosterico non è un interruttore che “accende” o “spegne”,<br />
cioè “attiva” o “disattiva” un enzima allosterico, ma, piuttosto, un<br />
dispositivo di regolazione della “luminosità” (cioè dell’intensità<br />
dell’attività di una enzima): è meglio detto modulatore.<br />
M.N. Gadaleta
Nella maggior parte dei casi gli enzimi allosterici sono enzimi polimerici<br />
che mostrano anche l’effetto cooperativo.<br />
Allosterismo: cambiamento conformazionale che si verifica in un<br />
protomero, in risposta ad una interazione ligando-sito allosterico.<br />
Cooperatività: implica un cambiamento conformazionale di<br />
un protomero, indotto dall’interazione con un effettore che, a sua<br />
volta, induce un protomero adiacente ad assumere una nuova<br />
conformazione con una diversa affinità per il ligando effettore o per<br />
un secondo ligando.<br />
M.N. Gadaleta
Allosterismo cambiamenti nella struttura terziaria<br />
Cooperatività cambiamenti nella struttura quaternaria<br />
Proteine allosteriche: proteine che subiscono una regolazione di tipo<br />
allosterico e/o che mostrano il fenomeno della cooperatività: quasi sempre i<br />
due fenomeni sono connessi anche perché quasi tutte le proteine allosteriche<br />
sono polimeriche.<br />
Può esistere un effetto allosterico in assenza di cooperatività: per es. nella<br />
alcooldeidrogenasi (ADH): in questo enzima i cambiamenti conformazionali<br />
indotti in un protomero non si trasmettono ai protomeri adiacenti. E’, tuttavia,<br />
molto raro.<br />
Effettori/modulatori allosterici : positivi = attivatori<br />
negativi = inibitori<br />
M.N. Gadaleta
Il cambiamento conformazionale di un enzima può essere indotto<br />
oltre che da un effettore allosterico dalle molecole di S.<br />
In questo caso, come nel caso di Hb, il sito di legame per O 2 presente<br />
in ciascun protomero, corrisponde al sito di legame per S in un<br />
enzima allosterico.<br />
I cambiamenti conformazionali indotti su ciascun protomero dal<br />
legame del S (o di O 2 nel caso di Hb) sono meglio definiti interazioni<br />
cooperative omotropiche.<br />
M.N. Gadaleta
Effettori/modulatori omotropi ed eterotropi<br />
L’influenza esercitata da molecole di S, attivatori o inibitori sul<br />
legame di altre molecole di S, attivatori o inibitori prende il nome di<br />
interazione omotropa, interazione quasi sempre positiva.<br />
L’influenza esercitata da un ligando sul legame di ligandi diversi,<br />
per es. da un inibitore allosterico sul legame di S o da un inibitore<br />
allosterico sul legame di un attivatore allosterico, prende il nome di<br />
interazione eterotropa e può essere tanto positiva che negativa.<br />
M.N. Gadaleta
da: Baynes<br />
M.N. Gadaleta
Gli enzimi allosterici non seguono la cinetica di MM<br />
da: Nelson & Cox<br />
Il comportamento cinetico<br />
sigmoide riflette la presenza di<br />
interazioni cooperative tra le<br />
diverse subunità dell’enzima. Il<br />
substrato S può comportarsi da<br />
modulatore omotropo positivo in<br />
quanto le subunità dell’enzima<br />
agiscono in modo cooperativo.<br />
(K 0,5 )<br />
M.N. Gadaleta
EFFETTO COOPERATIVO<br />
E’ stato dimostrato in proteine di trasporto (Hb)<br />
proteine enzimatiche<br />
e in molte altre proteine oligomeriche.<br />
FUNZIONE:conferire alla proteina una regolabilità per meglio<br />
rispondere alle esigenze fisiologiche dell’organismo.<br />
Esistono variazioni fisiologiche della concentrazione di S:secondo<br />
l’equazione di Michaelis e Menten quando c’è poco S l’attività<br />
dell’enzima è bassa, quando S aumenta, l’attività dell’enzima aumenta.<br />
M.N. Gadaleta
Ma le variazioni di concentrazione dei S possono essere:<br />
1 tali da regolare la V 0 dell’enzima in risposta alle esigenze metaboliche<br />
cellulari secondo la cinetica di Michaelis e Menten (curva iperbolica). Effetto<br />
cooperativo non necessario<br />
2 molto piccole; insufficienti a regolare la V 0 secondo la cinetica di Michaelis e<br />
Menten: necessità di un effetto omotropo cooperativo positivo che amplifichi<br />
la risposta dell’enzima alle variazioni di concentrazioni di S<br />
3 troppo grandi per regolare la V 0 secondo la cinetica di Michaelis e Menten:<br />
necessità di un effetto omotropo cooperativo negativo per ammortizzare le<br />
variazioni di concentrazione di S.<br />
La sigmoidicità della curva può variare da enzima ad enzima e, quindi, varia la<br />
regolabilità.<br />
Esistono effetti cooperativi misti (prima positivi, poi negativi) che permettono una<br />
maggiore regolabilità a bassa [S] e una minore regolabilità ad alta [S].<br />
M.N. Gadaleta
1 80 1 9<br />
1 7000<br />
A) curva iperbolica di Michaelis e Menten. Una variazione di [S] di circa 80<br />
volte fa variare la Vo dal 10% al 90% del valore della Vmax .<br />
B) curva sigmoide con moderato EFFETTO COOPERATIVO POSITIVO. Una<br />
variazione di [S] di circa 9 volte fa variare laVo dal 10% al 90%dellaVmax .<br />
Le curve sigmoidi sono a volte così ripide che un aumento veramente piccolo<br />
di [S] provoca una accelerazione della velocità di catalisi molto maggiore che<br />
in un enzima semplice.<br />
C) curva iperbole simile dell’EFFETTO COOPERATIVO NEGATIVO. Per un<br />
aumento di velocità dal 10% al 90% occorrerebbe un aumento di [S] di 6000-<br />
7000 volte (es. Gliceraldeide 3P DH).<br />
M.N. Gadaleta
CINETICA DELLE PROTEINE<br />
ALLOSTERICHE<br />
In conseguenza dell’interazione tra<br />
sito di legame per S, sito di legame<br />
per A (modulatore positivo) e/o<br />
sito di legame per I (modulatore<br />
negativo) il diagramma della<br />
velocità iniziale di reazione (v 0 ) in<br />
funzione di [S] è rappresentato da<br />
una curva sigmoide.<br />
Lo stesso dicasi per gli enzimi e per gli effetti di S,A e I<br />
da: Nelson & Cox<br />
M.N. Gadaleta
ASPARTATO TRANSCARBAMILASI (ATCasi):<br />
un enzima allosterico regolato da<br />
S con effetto omotropo cooperativo positivo e da<br />
modulatori eterotropi positivi e negativi,ATP e CTP.<br />
da: Berg J.M. et al. (V Ed.)<br />
(necessarie per la biosintesi<br />
degli acidi nucleici) M.N. Gadaleta
da: Nelson & Cox (IV Ed.)<br />
M.N. Gadaleta
da: Berg J.M. et al. (V Ed.)<br />
M.N. Gadaleta
Effetto omotropo cooperativo negativo<br />
La cinetica di alcuni enzimi allosterici, sebbene simile ad una iperbole<br />
equilatera, non può essere descritta dall’equazione di Michaelis e<br />
Menten (risulta più appiattita e sale molto lentamente, non è una<br />
iperbole equilatera). Il fatto che la curva di saturazione cresce così<br />
lentamente si spiega col fatto che il legame di una molecola di S rende<br />
più difficile il legame delle successive molecole di S.<br />
Esempio:<br />
Gliceraldeide 3fosfato deidrogenasi: 4 siti per NAD +<br />
Gliceraldeide 3fosfato deidrogenasi = enzima regolato da NAD + (che<br />
può essere considerato un substrato dell’enzima) con effetto omotropo<br />
cooperativo negativo<br />
Effetto omotropo cooperativo negativo: il legame della prima molecola<br />
di NAD + diminuisce l’affinità delle altre subunità per NAD + .<br />
M.N. Gadaleta
INIBIZIONE DA PRODOTTO TERMINALE O RETROREGOLAZIONE<br />
O REGOLAZIONE A FEEDBACK<br />
Un chiaro esempio di come operi un meccanismo di regolazione è<br />
rappresentato dalla inibizione a feedback della biosintesi della L-isoleucina<br />
nei batteri: questo processo si realizza in 5 stadi, ciascuno dei quali è legato<br />
ad una reazione <strong>enzimatica</strong>.<br />
Il prodotto finale (L-isoleucina) inibisce il primo enzima in modo tale che,<br />
quando la concentrazione dell’aminoacido L-isoleucina comincia a diventare<br />
significativa, il processo di sintesi si interrompa.<br />
M.N. Gadaleta
<strong>Regolazione</strong> retroattiva nella via di biosintesi della L-<br />
isoleucina.L’inibizione a feedback può essere di tipo<br />
competitivo o allosterico e, in ogni caso, porta ad un<br />
aumento della K m dell’enzima che può superare quello<br />
della [S] in vivo, portando ad una diminuzione o<br />
all’azzeramento della velocità della reazione catalizzata.<br />
M.N. Gadaleta
2. REGOLAZIONE COVALENTE(1)<br />
Nella regolazione covalente, modificazioni covalenti<br />
(rottura o formazione di nuovi legami) catalizzate da E<br />
convertono l’una nell’altra la forma attiva e inattiva degli<br />
E regolati. E’ una regolazione più lenta di quella<br />
allosterica (richiede alcuni minuti).<br />
Esistono diversi tipi di modificazione che hanno luogo a<br />
carico di amminoacidi specifici (vedi figura).<br />
M.N. Gadaleta
Acetilazione Acetilazione<br />
Lys<br />
Lys<br />
M.N. Gadaleta
da: Berg J.M. et al. (V Ed.)<br />
M.N. Gadaleta
REGOLAZIONE COVALENTE(2)<br />
La maggior parte delle modificazioni covalenti sono reversibili per cui per<br />
ognuna di esse sono richiesti due E: una chinasi e una fosfatasi per la<br />
fosforilazione, una acetiltransferasi e una acetilasi per la acetilazione, ecc.<br />
da: Champe<br />
PROTEIN CHINASI (PK) = enzimi che<br />
fosforilano altre proteine utilizzando ATP<br />
(o altri nucleosidi trifosfati) come substrato.<br />
Quaranta dei 280 residui della PKA formano<br />
un nucleo catalitico conservato, comune a<br />
quasi tutte le proteine chinasi conosciute.<br />
Le PK costituiscono una delle più grandi<br />
famiglie di proteine: se ne conoscono più di<br />
550 nella specie umana.<br />
Questa molteplicità di E permette di<br />
ottimizzare la regolazione secondo lo<br />
specifico tessuto, momento o substrato.<br />
M.N. Gadaleta
Serinchinasi,<br />
Serinchinasi,<br />
treoninchinasi,<br />
treoninchinasi<br />
tirosinchinasi
La fosforilazione è un mezzo molto efficiente per regolare l’attività<br />
delle proteine bersaglio<br />
da: Berg J.M. et al. (V Ed.)<br />
M.N. Gadaleta
La fosforilazione è un mezzo molto efficiente per regolare l’attività<br />
delle proteine bersaglio<br />
da: Berg J.M. et al. (V Ed.)<br />
M.N. Gadaleta
3.<strong>Regolazione</strong> mediante proteine controllo<br />
Esistono importanti enzimi oligomerici in cui è presente un particolare<br />
protomero con attività regolatrice; queste subunità non hanno di per sé attività<br />
catalitica, ma, la loro associazione con i protomeri con funzione catalitica,<br />
permette la modulazione dell’attività catalitica del complesso attraverso<br />
cambiamenti conformazionali indotti. Es. proteinchinasi A, calmodulina<br />
(PKA)<br />
(PKA)<br />
da: Berg J.M. et al. (V ed.)<br />
M.N. Gadaleta
La calmodulina funge da subunità regolatrice<br />
di molte proteine complesse, per es. della<br />
glicogeno fosforilasi chinasi o glicogeno sintasi<br />
chinasi 2 e della PK Ca +2 -calmodulina<br />
dipendente<br />
La calmodulina è a sua volta modulata dal<br />
calcio (considerato un terzo messaggero nel<br />
trasferimento dell’informazione metabolica)<br />
da: Champe<br />
M.N. Gadaleta
Gli enzimi regolatori sono a loro volta regolati.<br />
Per es. le proteine chinasi regolano l’attività di molti enzimi attraverso la<br />
fosforilazione, ma che cosa induce l’attivazione delle PK?<br />
Il cAMP è uno degli attivatori delle proteinchinasi (PK-cAMP dipendenti)di cui<br />
modifica la struttura quaternaria.<br />
L’attivazione di una via metabolica è spesso un processo a più tappe iniziato da<br />
molecole segnale che collegano l’ambiente extracellulare con l’ambiente cellulare<br />
per es. gli ormoni.<br />
In generale gli ormoni proteici (insulina, glucagone) e ormoni come l’adrenalina<br />
non entrano nelle cellule ma hanno recettori (molecole proteiche che le<br />
riconoscono) sulle membrane delle cellule bersaglio. Si comportano da ligandi del<br />
recettore.<br />
M.N. Gadaleta
da: Berg J.M. et al. (V Ed.)<br />
M.N. Gadaleta
da: Champe<br />
Molti recettori segnalano il riconoscimento di uno specifico ligando<br />
(ormone o “primo messaggero”) innescando una serie di reazioni che<br />
hanno come risultato finale una altrettanto specifica risposta<br />
intracellulare.<br />
M.N. Gadaleta
I “secondi messaggeri”, es. cAMP, sono la prima<br />
espressione di una cascata di eventi che trasduce il<br />
legame dell’ormone in una risposta cellulare.<br />
Il sistema dell’adenilato ciclasi è particolarmente<br />
importante nella regolazione delle vie del<br />
metabolismo intermedio.<br />
Il cAMP è considerato un antico segnale di “fame”:<br />
nei batteri avvia l’espressione di geni che portano<br />
all’attivazione delle vie cataboliche.<br />
Proteine G: trasducono il messaggio del recettore<br />
legato all’ormone in attivazione dell’adenilato<br />
ciclasi.<br />
da: Champe<br />
M.N. Gadaleta
• La concentrazione del cAMP è regolata dall’adenilato<br />
ciclasi e dalla fosfodiesterasi ciclica.<br />
• Quest’ultima è attivata dal Ca +2 e<br />
inibita da caffeina e teofillina.
Adenilato ciclasi<br />
Fosfodiesterasi<br />
ciclica
<strong>Regolazione</strong> mediante<br />
attivazione di zimogeni
Alcuni<br />
da: Berg J.M. et al. (V ed.)<br />
: Attivazione Irreversibile:è un partic0lare tipo<br />
di regolazione covalente<br />
Il processo è detto anche di maturazione: infatti la scissione proteolitica<br />
favorisce l’acquisizione della struttura tridimensionale funzionalmente<br />
attiva dell’enzima, in quanto concorre alla formazione del sito attivo.<br />
M.N. Gadaleta
da: Stryer<br />
L’attivazione degli zimogeni<br />
pancreatici ha luogo nell’intestino,<br />
cioè laddove essi devono<br />
funzionare.<br />
Una maturazione precoce<br />
porterebbe all’autodigestione del<br />
pancreas con esiti letali.<br />
M.N. Gadaleta
M.N. Gadaleta
M.N. Gadaleta
REGOLAZIONE mediante<br />
COMPARTIMENTAZIONE DELLE VIE METABOLICHE
COMPARTIMENTAZIONE DELLE VIE METABOLICHE<br />
Un altro meccanismo che ha la cellula per regolare il proprio<br />
metabolismo è la compartimentazione delle vie metaboliche.<br />
In genere, le vie anaboliche e quelle cataboliche sono localizzate in<br />
organelli o compartimenti cellulari diversi per agevolare il loro<br />
controllo ed evitare che siano attivate contemporaneamente;<br />
infatti, non avrebbe senso per la cellula che, ad es., l’ossidazione<br />
degli acidi grassi avvenisse contemporaneamente alla loro<br />
biosintesi e nello stesso compartimento cellulare: se ciò si<br />
verificasse ci troveremmo di fronte ad un ciclo futile.<br />
M.N. Gadaleta
Invece, la separazione (compartimentazione) della biosintesi degli<br />
acidi grassi (citoplasma) dalla loro ossidazione (mitocondrio)<br />
permette di controllare i due processi per mezzo della<br />
regolazione del trasporto di intermedi comuni ad entrambi<br />
attraverso la membrana dei mitocondri: per es. gli acil-CoA<br />
(derivati degli acidi grassi legati al CoA) non diffondono<br />
attraverso la membrana mitocondriale, che possono attraversare<br />
solo grazie all’esistenza di uno specifico sistema di trasporto: il<br />
sistema navetta della carnitina (vedi fig. 16.16).<br />
Così, se la situazione metabolica richiede la biosintesi, piuttosto<br />
che l’ossidazione degli acidi grassi, la cellula può controllare,<br />
attraverso segnali ormonali o di altro tipo, il sistema di trasporto<br />
degli acidi grassi in modo da adattarlo alle esigenze cellulari.<br />
M.N. Gadaleta
da: Champe<br />
Il malonilCoA (primo prodotto della biosintesi degli acidi grassi) blocca<br />
la carnitinapalmitoiltransferasi I (CPT I) impedendo l’ingresso degli<br />
acilCoA nei mitocondri e quindi la loro degradazione.<br />
M.N. Gadaleta
• REGOLAZIONE della sintesi e della<br />
demolizione del glicogeno :<br />
1) <strong>Regolazione</strong> allosterica della<br />
glicogeno sintasi e della glicogeno<br />
fosforilasi .<br />
2) <strong>Regolazione</strong> ormonale<br />
(glucagone, adrenalina, insulina) che si<br />
attua attraverso una regolazione<br />
covalente da parte della PKA
<strong>Regolazione</strong> allosterica della<br />
glicogeno sintasi e della<br />
glicogeno fosforilasi .<br />
Fegato:sensore Fegato:sensore<br />
della glicemia:<br />
un alto livello di glucosio nel sangue<br />
inibisce la demolizione del glicogeno<br />
Muscolo:l’attività Muscolo:l’attività<br />
fisica (aumento ( aumento di Ca+2<br />
e di AMP) AMP)<br />
favorisce la demolizione del<br />
glicogeno<br />
La contemporanea attivazione<br />
della glicogeno fosforilasi<br />
e inattivazione della glicogeno<br />
sintasi evita un ciclo futile<br />
da: Champe<br />
M.N. Gadaleta
attraverso la via cAMP-dipendente.<br />
da: Champe<br />
M.N. Gadaleta
da: Champe<br />
Il cAMP attiva le protein-<br />
chinasi c-AMP dipendenti.<br />
La concentrazione della proteina<br />
fosforilata è regolata dall’azione<br />
della protein-chinasi cAMP<br />
dipendente (PKA) e della PKA<br />
fosfatasi.<br />
M.N. Gadaleta
Gli enzimi regolatori modulati covalentemente possono amplificare<br />
notevolmente un segnale chimico mediante un effetto di AMPLIFICAZIONE A<br />
CASCATA.<br />
L’amplificazione a cascata è dovuta al fatto che: ogni molecola di enzima agisce,<br />
in un dato tempo, su migliaia di molecole di S; quando però S è un altro enzima<br />
una serie di 3-4 passaggi possono portare a una enorme amplificazione del<br />
segnale iniziale. La fosforilasichinasi e la glicogenofosforilasi sono coinvolte in<br />
un’amplificazione a cascata in due passaggi:<br />
essi fanno parte di una cascata che comprende altre due tappe e che amplifica il<br />
segnale dell’adrenalina. M.N. Gadaleta
L’amplificazione del segnale<br />
iniziale è pari al prodotto del<br />
numero di turnover dei diversi E<br />
coinvolti nella cascata metabolica.
M.N. Gadaleta
ISOENZIMI<br />
Altro tipo di regolazione del metabolismo (riguarda l’espressione genica).<br />
Isozimi o isoenzimi = forme multiple di un E che si trovano in un singolo<br />
organismo (es. in organi diversi) o anche in una singola cellula (es. in<br />
organuli diversi).<br />
• Catalizzano la stessa reazione<br />
• Hanno proprietà cinetiche diverse<br />
• Rispondono diversamente ai modulatori allosterici<br />
• Hanno diversa composizione in AA (sono il prodotto di geni diversi)<br />
• Se il pI è diverso sono separabili elettroforeticamente<br />
M.N. Gadaleta
Gli isoenzimi hanno proprietà e<br />
caratteristiche cinetiche diverse.<br />
Esochinasi,costitutiva ,ubiquitaria<br />
Km per il Glu:0,05mM<br />
Glucochinasi o EsochinasiD,indotta,<br />
solo nel fegato, da iperglicemia,<br />
Km per il Glu:10mM<br />
La distribuzione delle diverse<br />
forme isoenzimatiche risponde<br />
a)a esigenze di controllo fine delle<br />
velocità metaboliche mediate dalle<br />
risposte diverse di isozimi a<br />
modulatori allosterici diversi, nello<br />
stesso tessuto:<br />
es. l’esochinasi D o glucochinasi<br />
del fegato non è inibito dal Glu-6P<br />
come la esochinasi del fegato e<br />
degli altri tessuti.<br />
M.N. Gadaleta
)a esigenze metaboliche diverse nei differenti organi<br />
es. lattico deidrogenasi (LDH)<br />
5 isozimi nel ratto e in altri animali<br />
acido piruvico + NADH + H + acido lattico + NAD +<br />
LDH<br />
PM = 134.000 4 catene PM = 33.500<br />
M = muscolo H = heart = cuore (forme prevalenti)<br />
M4 , M3H, M2H2 , MH3 , H4 I diversi isozimi della LDH differiscono per K m e V max verso l’acido piruvico.<br />
Nel muscolo scheletrico e nel tessuto embrionale prevale la glicolisi anaerobia<br />
glucosio acido lattico<br />
M 4 ha bassa K m e alta V max per il piruvico<br />
trasforma rapidamente piruvico acido lattico<br />
Nel muscolo cardiaco la glicolisi è fortemente aerobia<br />
glucosio CO 2 + H 2 O senza formazione di lattico<br />
H 4 ha alta Km e bassa V max per il piruvico<br />
M.N. Gadaleta
LDH1 = H4 LDH4 = H3M LDH2 = H3M LDH5 = M4 (anche fegato)<br />
LDH 3 = H 2 M 2<br />
da: Baynes<br />
M.N. Gadaleta
c) metaboliche diverse nei differenti comparti cellulari:<br />
es. aspartato aminotransferasi (AAT) mitocondriale e citoplasmatico<br />
malico deidrogenasi (MDH) mitocondriale e citoplasmatico<br />
d) metaboliche diverse, durante il differenziamento e lo sviluppo ,di tessuti<br />
adulti dalle loro forme embrionali e fetali:<br />
es. profilo isoenzimatico LDH fetale diverso da quello adulto<br />
profilo isoenzimatico delle cellule cancerose simili a quelli fetali<br />
piuttosto che a quelli adulti.<br />
M.N. Gadaleta
Non solo E ma molte proteine possono esistere in forme<br />
multiple.<br />
Oggi si conoscono molte isoforme di proteine ed enzimi. Il<br />
loro studio è importante nella ricerca delle basi molecolari<br />
del differenziamento.<br />
Pattern isoenzimatici in diagnostica: importanti perché gli<br />
isoenzimi caratterizzano i diversi tessuti<br />
M.N. Gadaleta
FINE
e) metaboliche di sincronizzazione, attraverso risposte diverse delle forme<br />
isoenzimatiche a modulatori allosterici diversi:<br />
es. biosintesi di AA diversi dall’aspartato in E.coli<br />
A – 3 isoenzimi modulati a “feedback” da<br />
affettori diversi<br />
B – 2 isoenzimi<br />
C – 2 isoenzimi<br />
A = aspartochinasi<br />
B = omoserina DH<br />
C = treonina deidratasi<br />
M.N. Gadaleta
M.N. Gadaleta
da: Champe
da: Champe
da: Champe<br />
La contemporanea attivazione<br />
della glicogeno fosforilasi e<br />
inattivazione della glicogeno<br />
sintasi evita un ciclo futile.<br />
M.N. Gadaleta
da: Champe
da: Champe
da: Devlin (II Ed.)<br />
M.N. Gadaleta