Biochimica: Regolazione del Metabolismo con Insulina, Glucagone e Adrenalina

REGOLAZIONE DEL METABOLISMO

data 23/04/24 | sbobinatori: Valentina Brunetti fino a pag 8, Martina Mashhour a seguire In questa lezione finiamo la carrellata delle proteine con compiti chiave. In una delle slide della prima lezione abbiamo visto una tabella dove erano divise le proteine in base al loro compito, proseguendo con le lezioni abbiamo focalizzato la nostra attenzione su esempi di proteine con funzioni chiave. Oggi ci focalizzeremo principalmente sugli ormoni che guideranno tutte quante le reazioni del metabolismo.

REGOLAZIONE DEL METABOLISMO

Proteolysis Glyco- Aming sugars & sale Roids genesis Hexose-P Transcription & H,0 - 0 Nucleotide sugars NADPH ATP Light reaction Pentose PHP Nucleotides Cofactors Photosysters Pentose-P Carbon Gluconeo- phosphate pathway romatic aming fixation pathway Photo- - 00, € otrose P Shikimate Quinones (vitamin KO) respiration P-glycerates MEP pathway - CO carbon intake Glycerol & carotenoids futamin A) Seine group "w Steroidogenesis Fatty acid Cholesterol Citrate synthesis Deroids NADH, FADM, Citric Oxidative acid sphingelpit Resodoty phosphorylation acid cycle elongation Mitochondrion Giyoerolpids Sphingolipids Urea D-Keta- Amino acid Lipogenesis deamination Bota Acy-CoA Progiony oxidation Lipolysis Eicosanoid Coraline & polyamines feeders to Mitochondrien gluconeo- Succinate Peroxisomar Il compito di questi ormoni che guarderemo (insulina, glucagone, adrenalina ecc ... ) è quello di andare a regolare il metabolismo. La Professoressa mostra una mappa (che sembra la metropolitana di Tokyo) e dice che riassume tutti i processi metabolici che avvengono nel nostro organismo. Alla fine del corso saremo in grado di "decifrarla". Alcune vie di questa mappa sono localizzate in determinati comparti cellulari. I 3 ormoni di cui parleremo oggi (insulina, glucagone e adrenalina) sono tutti ormoni di natura proteica. Essendo ormoni di natura proteica, questi per svolgere la loro azione devono legare uno specifico recettore presente sulla membrana plasmatica. Sono proteine, e quindi non sono in grado di attraversare in autonomia il doppio strato fosfolipidico. È necessaria quindi la mediazione attraverso un recettore di una via di "signalling" intracellulare che trasferisce l'informazione dalla superficie della cellula all'interno. Un comportamento differente lo hanno gli ormoni lipidici di natura lipofila che non hanno alcun problema a passare la membrana plasmatica, legando recettori citoplasmatici o direttamente nucleari.

INSULINA

Il primo ormone che considereremo oggi è l'insulina. L'insulina è un ormone peptidico che viene secreto in circolo in una porzione endocrina del pancreas (Isole del Langerhans). Le isole del Langerhans contengono diversi tipi cellulari, ciascuno dei quali è decretato alla secrezione di un particolare ormone.

• La componente maggioritaria sono le cellule beta (B) che sono proprio quelle che secernono insulina (80%).
• Il 20% è deputata alla sintesi del glucagone, sono cellule alfa (a)

Pag. 1 di 16 Plastie Direct / C4/ CAM Terpenend MVA pathway packbones Lactate Polyketide Endo- Glycero Ferme annacinoids phospholipid Branches chain amino acids Citrate cycle NADH FADK Waxes Arginine & proline Amine bonds Transjaboa Pentose- replication ....... Cytosel Chloroplast- Una componente minoritaria di cellule delta (o) che rappresentano circa il 4% di ogni isolotto e producono l'ormone somatostatina Essendo un ormone peptidico attiva una via di signalling intracellulare senza entrare nella cellula, si lega ad un recettore presente sulla superficie della cellula. La funzione di questo ormone è ipoglicemiazante, ovvero l'insulina viene secreta quando all'interno del torrente circolatorio abbiamo delle elevate concentrazioni di glucosio, e il messaggio che deve essere trasferito alla cellula è: "devi utilizzare questo glucosio" (per evitare effetti tossici). In altre parole l'input che viene dato alla cellula è quello di assorbire il glucosio per poi convertirlo in energia o in un'altra molecola in grado di essere immagazzinata. I bersagli principali di questo ormone sono 3:

• Il fegato, che quando parliamo di metabolismo è l'organo principale
• Il muscolo, il messaggio che deve essere portato al muscolo è quello di aumentare la riserva di glicogeno (polimero di riserva del glucosio)
• Il tessuto adiposo, in questo caso il messaggio che riceve è quello di ossidare il glucosio e di utilizzarlo per produrre acidi grassi (allargare i depositi di trigliceridi)

L'effetto che si ha a seguito della stimolazione del recettore dell'insulina consiste nell'aumento della glicolisi (via che converte il glucosio in piruvato). Il piruvato, nella cellula, o viene ulteriormente ossidato per produrre energia oppure viene convertito in Acetil-CoA (che la cellula utilizza per svolgere la sintesi degli acidi grassi). In ogni modo dobbiamo abbassare la concentrazione del glucosio, e quindi андiamo a stimolare la glicolisi, ad aumentare la sintesi del glicogeno, aumentiamo la sintesi degli acidi grassi, e poi facciamo in modo che il glucosio nel torrente circolatorio venga assorbito più velocemente. Quindi andiamo ad esporre in membrana uno dei trasportatori del glucosio: il GLUT4. Abbiamo detto che l'insulina è secreta a livello delle cellule beta, oltre ad avere ruolo secretorio, queste si comportano come dei sensori della glicemia. Normalmente abbiamo una concentrazione molto bassa di glucosio a livello ematico e l'ormone circolante è il glucagone, che agisce da antagonista dell'insulina, aumentando i livelli di glicemia. Quando ingeriamo un pasto ricco di carboidrati, ci sarà una fase in cui aumenta progressivamente la concentrazione di glucosio, l'aumento viene percepito dalle cellule beta che, di conseguenza, rilasciano insulina. Contemporaneamente viene bloccata la secrezione di glucagone (poiché sono ormoni antagonisti).

Pag. 2 di 16Dopo un pasto ad alto contenuto glicemico aumenta la concentrazione di glucosio nel sangue, tutte le cellule internalizzano glucosio e le esochinasi andranno a convertire il glucosio in glucosio-6-fosfato (attivando la via glicolitica). Gli elettroni che vengono estratti dal glucosio durante tutti i processi metabolici verrano poi utilizzati per produrre ATP. Questo processo fa sì che la concentrazione di ATP all'interno della cellula aumenti. Quando aumenta la concentrazione di ATP nella cellula, esistono dei canali che sono dei canali del potassio voltaggio-dipendenti. Questi canali si chiudono generando una depolarizzazione di membrana. La depolarizzazione di membrana si traduce in una apertura dei canali del calcio e quindi l'ingresso di quest'ultimo, che da secondo messaggero intracellulare, stimola la secrezione di insulina. Beta cell at rest 1 Glucose in blood Studi No insulin secretion 2 Metabolism slows ® ATP 4 KATP channel open Insulin in secretory vesicles K it Ung .5 Cell at resting membrane potential K+ leaks out of cell 6 Voltage-gated Ca2+ channel closed

BIOSINTESI E MATURAZIONE DELL'INSULINA

L'insulina che viene rilasciata è prodotta dalla sintesi proteica che avviene nei ribosomi. Quando viene rilasciata dai ribosomi è in forma immatura (pre-proinsulina), infatti subirà poi una serie di processi modulativi all'interno degli organuli cellulari. In seguito alla sintesi nel ribosoma viene rilasciata direttamente nel RER (reticolo endoplasmatico rugoso) dove avverrà una prima modifica. La prima modifica consiste nel passaggio dalla pre-proinsulina alla proinsulina. La pre-proinsulina all' N-terminale presenta una sequenza segnale che indica al ribosoma qual è il destino della proteina. Preproinsulin Proinsulin 110 AA NH3 86 AA Seguentemente questa sequenza viene tolta e si ottiene una forma immatura di insulina: la proinsulina. La proinsulina viene trasferita dal RER al Golgi dove continua il processo di maturazione. Il processo di maturazione continua, l'insulina infatti viene stabilizzata da ponti disolfuro inter- e intra-catena fondamentali per il ripiegamento della proteina. Mature insulin Signal sequence HAŇ NH NH3 S S-S S-S C A B B chain S 5 S-S COO COO COO- 00C- Signal sequence C peptide 31 AA 24 AA pyright Universitas degli Studi di. Pasto ad alto contenuto di carboidrati Glucosio 80 3 120 4 5 Fusione ed + esocitosi Insulina HU/ml 80- Insulina 40 0 120 Glucagone 110 - pg/mL 100 90 60 0 60 120 180 240 Minuti Cellula B nyright atra ve versità degli Studi Ca2+ [Ca2+] + Glicolisi Ciclo TCA Glucosio ATP+ 2 Pag. 3 di 16L'ultimo passaggio prima della creazione dell'insulina matura è un taglio proteolitico che toglie questa porzione chiamata Peptide C. È grazie a questi ponti disolfuro (3 in totale) se si legano le catene A e B dell'insulina liberando il peptide C, se si hanno dei difetti nella formazione dei ponti disolfuro, al taglio del peptide C le catene A e B non saranno legate e seguiranno strade diverse. È possibile notare nell'immagine un gene che deve essere trascritto. Il trascritto mRNA si sposta nel citoplasma e viene legato dai ribosomi che iniziano la traduzione. La prima sequenza ad essere tradotta è la sequenza segnale N-terminale che indica al ribosoma che la proteina dovrà essere liberata nel RER. Durante la traduzione la sequenza segnale viene rimossa e la proteina si folda con la formazione di ponti disolfuro (questo avviene nel RER). Dal RER viene trasferita al Golgi tramite gemmazione di vescicole. CITOPLASMA MEMBRANA PLASMATICA 1 I geni che codificano l'insulina sono trascritti in mRNA nel nucleo. NUCLEO 2 Dopo il trasferimento dell'mRNA nel citoplasma, comincia la traduzione sui ribosomi citosolici, in seguito alla quale si forma la sequenza segnale che determina il trasporto dell'mRNA al RER. -Codoni del peptide segnale MENA DNA PORO NUCLEARE RER Proinsulina Preproinsulina 4 3 Il peptide segnale all'estremità amminica penetra nella membrana del RER. L'ulteriore allungamento spinge la catena polipeptidica nel lume del RER, dove si forma la preproinsulina 4 VESCICOLE 5 GOLGI La proinsulina è trasferita dal RER al Golgi dove, in seguito a un taglio enzimatico, si forma l'insulina. -Peptide C Insulina Insulina 6 L'insulina e il peptide C all'interno del granuli di secrezione contenuto dei granuli di secrezione è secreto per esocitosi, liberando l'insulina e il peptide C. Nel Golgi avviene l'ultimo taglio proteolitico che libera insulina e peptide C, che vengono immagazzinati insieme nelle vescicole pronte all'esocitosi. Il fatto che vengano immagazzinati insieme è importante perché spesso, per misurare la quantità di insulina nel sangue, si utilizza il peptide C, marker indiretto della presenza dell'insulina. Il peptide C essendo co-secreto insieme all'insulina, e non avendo un compito metabolico, è particolarmente importante perché ci permette in fase diagnostica di individuare in caso di diabete se è un problema si secrezione della proteina o se è un problema nei passaggi a valle. Perché se la proteina non è secrete non solo l'insulina non sarà presente nel sangue, ma non troveremo nemmeno una presenza adeguata di peptide C. Un altro aspetto è che in questi granuli di secrezione l'insulina si organizza in strutture cristalline (trimeri di dimeri) ordinate intorno ad un atomo di zinco. Quando vengono rilasciate nel torrente circolatorio vengono diluite, e passando da trimeri di dimeri a semplici dimeri e infine alla singola proteina liberata nel circolo. In questo modo si formano dei granuli di insulina all'interno delle vescicole che si disgregano facilmente con l'esocitosi.

COME VIENE INTERROTTO IL SEGNALE DI SECREZIONE?

Quando la concentrazione di glucosio nel sangue diminuisce, come per l'aumento, questa diminuzione viene percepita dalle cellule beta, questo porta a una diminuzione del glucosio in entrata della cellula e di conseguenza di tutti i processi metabolici:

• Glicolisi
• Ciclo degli acidi tricarbossilici

Pag. 4 di 16 egli Stu

Taglio del peptide segnale

Il peptide segnale viene tagliato ed eliminato e si forma la proinsulina nello spazio Interno delle cisterne. Copyrigk