Biologia per il liceo/Il metabolismo - approfondimenti

Regolazione della respirazione cellulare

La respirazione cellulare deve essere regolata per fornire quantità equilibrate di energia sotto forma di ATP. La cellula deve anche generare una serie di composti intermedi che vengono utilizzati nell'anabolismo e nel catabolismo delle macromolecole. Senza controlli, le reazioni metaboliche si arresterebbero rapidamente poiché le reazioni in avanti e all'indietro raggiungerebbero uno stato di equilibrio. Le risorse verrebbero utilizzate in modo inappropriato. Una cellula non ha bisogno della massima quantità di ATP che può produrre in ogni momento: a volte, la cellula deve deviare alcuni degli intermedi verso percorsi per la produzione di aminoacidi, proteine, glicogeno, lipidi e acidi nucleici. In breve, la cellula deve controllare il suo metabolismo.

Meccanismi di regolamentazione

Per controllare la respirazione cellulare si utilizzano vari meccanismi. Esiste un certo tipo di controllo in ogni fase del metabolismo del glucosio. L'accesso del glucosio alla cellula può essere regolato utilizzando le proteine ​​GLUT (trasportatore del glucosio) che trasportano il glucosio ( Figura sotto). Diverse forme della proteina GLUT controllano il passaggio del glucosio nelle cellule di tessuti specifici.

GLUT4 è un trasportatore di glucosio che viene immagazzinato in vescicole. Una cascata di eventi che si verifica quando l'insulina si lega a un recettore nella membrana plasmatica fa sì che le vescicole contenenti GLUT4 si fondano con la membrana plasmatica in modo che il glucosio possa essere trasportato nella cellula.

Alcune reazioni sono controllate da due enzimi diversi, uno per ciascuna delle due direzioni di una reazione reversibile. Le reazioni catalizzate da un solo enzima possono raggiungere l'equilibrio, bloccando la reazione. Al contrario, se due enzimi diversi (ciascuno specifico per una data direzione) sono necessari per una reazione reversibile, l'opportunità di controllare la velocità della reazione aumenta e l'equilibrio non viene raggiunto.

Un certo numero di enzimi coinvolti in ciascuno dei percorsi, in particolare l'enzima che catalizza la prima reazione impegnata del percorso, sono controllati dall'attaccamento di una molecola a un sito allosterico sulla proteina. Le molecole più comunemente utilizzate in questa capacità sono i nucleotidi ATP, ADP, AMP, NAD + e NADH. Questi regolatori, effettori allosterici, possono aumentare o diminuire l'attività enzimatica, a seconda delle condizioni prevalenti. L'effettore allosterico altera la struttura sterica dell'enzima, solitamente influenzando la configurazione del sito attivo. Questa alterazione della struttura della proteina (dell'enzima) aumenta o diminuisce la sua affinità per il suo substrato, con l'effetto di aumentare o diminuire la velocità della reazione. I segnali di attaccamento all'enzima. Questo legame può aumentare o diminuire l'attività dell'enzima, fornendo un meccanismo di feedback. Questo tipo di controllo di feedback è efficace finché la sostanza chimica che lo influenza è attaccata all'enzima. Una volta che la concentrazione complessiva della sostanza chimica diminuisce, si diffonderà lontano dalla proteina e il controllo si allenta.

Controllo dei percorsi catabolici

Enzimi, proteine, trasportatori di elettroni e pompe che svolgono un ruolo nella glicolisi, nel ciclo dell'acido citrico e nella catena di trasporto degli elettroni tendono a catalizzare reazioni non reversibili. In altre parole, se si verifica la reazione iniziale, il percorso è impegnato a procedere con le reazioni rimanenti. Il rilascio di una particolare attività enzimatica dipende dalle esigenze energetiche della cellula (come riflesso dai livelli di ATP, ADP e AMP).

Glicolisi

Il controllo della glicolisi inizia con il primo enzima del percorso, l'esochinasi ( Figura 7.21 ). Questo enzima catalizza la fosforilazione del glucosio, che aiuta a preparare il composto per la scissione in una fase successiva. La presenza del fosfato caricato negativamente nella molecola impedisce inoltre allo zucchero di lasciare la cellula. Quando l'esochinasi viene inibita, il glucosio si diffonde fuori dalla cellula e non diventa un substrato per i percorsi respiratori in quel tessuto. Il prodotto della reazione dell'esochinasi è il glucosio-6-fosfato, che si accumula quando un enzima successivo, la fosfofruttochinasi, viene inibito.

Il percorso della glicolisi è regolato principalmente nei tre passaggi enzimatici chiave (1, 3 e 10) come indicato. Si noti che i primi due passaggi che sono regolati si verificano all'inizio del percorso e comportano l'idrolisi dell'ATP.

La fosfofruttochinasi è il principale enzima controllato nella glicolisi. Livelli elevati di ATP o citrato o un pH più basso e acido diminuiscono l'attività dell'enzima. Un aumento della concentrazione di citrato può verificarsi a causa di un blocco nel ciclo dell'acido citrico. La fermentazione, con la sua produzione di acidi organici come l'acido lattico, spesso è responsabile dell'aumento di acidità in una cellula; tuttavia, i prodotti della fermentazione in genere non si accumulano nelle cellule.

L'ultimo passaggio della glicolisi è catalizzato dalla piruvato chinasi. Il piruvato prodotto può procedere a essere catabolizzato o convertito nell'amminoacido alanina. Se non è necessaria più energia e l'alanina è in quantità adeguata, l'enzima viene inibito. L'attività dell'enzima aumenta quando i livelli di fruttosio-1,6-bisfosfato aumentano. (Ricorda che il fruttosio-1,6-bisfosfato è un intermedio nella prima metà della glicolisi.) La regolazione della piruvato chinasi comporta la fosforilazione da parte della chinasi, con conseguente enzima meno attivo. La defosforilazione da parte di una fosfatasi lo riattiva. La piruvato chinasi è anche regolata dall'ATP (un effetto allosterico negativo).

Se è necessaria più energia, più piruvato verrà convertito in acetil CoA attraverso l'azione della piruvato deidrogenasi. Se si accumulano gruppi acetilici o NADH, c'è meno bisogno della reazione e la velocità diminuisce. La piruvato deidrogenasi è anche regolata dalla fosforilazione: una chinasi la fosforila per formare un enzima inattivo e una fosfatasi la riattiva. Anche la chinasi e la fosfatasi sono regolate.

Ciclo dell'acido citrico

Il ciclo dell'acido citrico è controllato tramite gli enzimi che catalizzano le reazioni che producono le prime due molecole di NADH ( Figura 7.11 ). Questi enzimi sono l'isocitrato deidrogenasi e l'α -chetoglutarato deidrogenasi. Quando sono disponibili livelli adeguati di ATP e NADH, la velocità di queste reazioni diminuisce. Quando è necessario più ATP, come riflesso nei crescenti livelli di ADP, la velocità aumenta. L'alfa-chetoglutarato deidrogenasi sarà anche influenzata dai livelli di succinil CoA, un intermedio successivo nel ciclo, causando una diminuzione dell'attività. Una diminuzione della velocità di funzionamento del percorso a questo punto non è necessariamente negativa, poiché i livelli aumentati di α- chetoglutarato non utilizzati dal ciclo dell'acido citrico possono essere utilizzati dalla cellula per la sintesi di amminoacidi (glutammato).

Catena di trasporto degli elettroni

Gli enzimi specifici della catena di trasporto degli elettroni non sono influenzati dall'inibizione del feedback, ma la velocità di trasporto degli elettroni attraverso il percorso è influenzata dai livelli di ADP e ATP. Un maggiore consumo di ATP da parte di una cellula è indicato da un accumulo di ADP. Man mano che l'utilizzo di ATP diminuisce, la concentrazione di ADP diminuisce e ora l'ATP inizia ad accumularsi nella cellula. Questo cambiamento nella concentrazione relativa di ADP rispetto ad ATP induce la cellula a rallentare la catena di trasporto degli elettroni.

Per un riepilogo dei controlli di feedback nella respirazione cellulare, vedere la Tabella sotto.

Riepilogo dei controlli di feedback nella respirazione cellulare

Percorso	Enzima interessato	Livelli elevati di effettore	Effetto sull'attività del percorso
glicolisi	esochinasi	glucosio-6-fosfato	diminuire
	fosfofruttochinasi	carica a bassa energia (ATP, AMP), fruttosio-6-fosfato tramite fruttosio-2,6-bisfosfato	aumento
		carica ad alta energia (ATP, AMP), citrato, pH acido	diminuire
	piruvato chinasi	fruttosio-1,6-bisfosfato	aumento
		carica ad alta energia (ATP, AMP), alanina	diminuire
conversione del piruvato in acetil CoA	piruvato deidrogenasi	ADP, piruvato	aumento
		acetil CoA, ATP, NADH	diminuire
ciclo dell'acido citrico	isocitrato deidrogenasi	ADP	aumento
		ATP, NADH	diminuire
	α -chetoglutarato deidrogenasi	ioni calcio, ADP	aumento
		ATP, NADH, succinil CoA	diminuire
catena di trasporto degli elettroni		ADP	aumento
		ATP	diminuire