Vitamina B12

La vitamina B12 è stata isolata e caratterizzata a seguito di una serie di ricerche in merito all’anemia perniciosa, una malattia fatale fino al 1926, quando si scoprì che estratti di fegato erano in grado di curarla.
Nel 1948 si capì che quel fattore presente negli estratti di fegato in grado di causare la remissione della malattia era la vitamina B12. Infine, nel 1956, la struttura chimica di questa molecola fu definitivamente chiarita.

La vitamina B12 o cobalamina (perché contiene un atomo di cobalto) è un composto chimico, appartenente al gruppo delle vitamine B, altamente idrosolubile, di colore rosso, la sua struttura ricorda quella del gruppo eme, ed è composta da un anello corrinico a sua volta costituito da 4 anelli pirrolici, due dei quali legati direttamente, i 4 azoti legano poi un atomo di cobalto esacoordinato (numero di coordinazione = 6).

Il quinto sostituente, che è quello posto al di sotto del piano dell’anello corrinico, è un derivato del 5-6-Dimetil-Benzimidazolo. Possiamo quindi individuare il benzimidazolo, seguito da un gruppo glucidico, da un fosfato e da una catena che va in definitiva a legarsi ad una catena laterale dell’anello corrinico. Il sesto sostituente, indicato con R, situato sopra al piano dell’anello può essere:

  • un atomo di ciano (CN)→ si forma la cianocobalamina,che in realtà è un artefatto che si produce durante i processi di estrazione della cobalamina, infatti durante il processo viene utilizzata una proteasi che si chiama papaina che viene attivata in seguito all’aggiunta di acido cianidrico.
  • gruppo ossidrilico (OH)→si forma l’ idrossicobalamina, molto importante perché è la normale forma in cui viene assunta la vitamina B12.

Esistono poi altri due gruppi con cui si formano forme metabolicamente attive della B12:

  • se si lega un gruppo metilico si forma la metilcobalamina.
  • se si lega il gruppo 5’-deossi-adenosina, si forma la 5’-deossi-adenosincobalamina.

B12a (Co+3)         B12r (Co+2)             B12s (Co+)

Entrambe le forme hanno un ruolo biochimico all’interno delle cellule.

L’atomo di cobalto può presentarsi in tre stati di ossidazione:+3,+2,+1. Nell’idrossicobalamina l’atomo di cobalto è presente con numero di ossidazione +3,una volta all’interno dell’organismo il cobalto viene ridotto allo stato bivalente da una flavoproteina reduttasi. La forma B12r viene poi a sua volta ridotta a cobalto monovalente da un’altra flavoproteina reduttasi. In entrambe le reazioni il potere riducente è fornito dal coenzima NADH. La forma più ossidata del cobalto è quella che da origine alle forme attive della proteina, infatti ,una volta che il cobalto è stato ridotto a monovalente,la vitamina subisce una reazione per cui l’atomo di cobalto va a staccare da una molecola di ATP l’intero gruppo trifosfato, formando così la 5’-deossi-adenosincobalamina.

 

Assorbimento della B12

In natura è sintetizzata solo da determinate specie di batteri anaerobi, i mammiferi non sono in grado di produrla autonomamente, essendo poi una vitamina altamente idrosolubile, alla B12 è impedito il passaggio attraverso tutte le membrane biologiche, pertanto nei mammiferi si è creato un meccanismo di trasporto altamente specializzato. Quando viene assunta con la dieta, a livello dello stomaco, l’acidità e la pepsina fanno si che la vitamina venga staccata dalle proteine a cui naturalmente si trova associata negli alimenti. Successivamente viene legata a una proteina che viene secreta nella saliva che si chiama cobalofillina, questo complesso arriva poi nel duodeno dove enzimi pancreatici degradano la cobalofillina liberando la vitamina B12 rendendola disponibile.

Stomaco,duodeno,interno,anatomiaA questo punto la B12, a livello del duodeno, si lega a una glicoproteina molto importante di circa 59 Kdalton chiamata Fattore Intrinseco (di Castle) che è prodotta dalle cellule parietali del corpo e del fondo dello stomaco. Questo complesso arriva poi nell’intestino e a livello della mucosa intestinale della porzione distale dell’ileo viene assorbita all’interno delle cellule epiteliali. Il meccanismo è abbastanza complicato, infatti c’è bisogno di un recettore specifico a livello della membrana luminale degli enterociti, una volta riconosciuto il complesso entra per endocitosi nelle cellule. All’interno degli enterociti il complesso si stacca dalla B12,che viene a sua volta legata dalla transcobalamina 2 che veicola la vitamina dall’interno della cellula al sangue portale, questa proteina trasportatrice è prodotta dagli enterociti. La transcobalamina 2 serve a ripulire il sangue dalla B12, infatti trasporta la vitamina al fegato che la immagazzina e ai tessuti che ne hanno bisogno. Nell’organismo esistono altri due tipi di transcobalamine: 1 e 3, si suppone servano da deposito delle vitamina, per raccogliere gli analoghi della B12 inattivi oppure per limitare l’ escrezione urinaria di B12.

 

Ruolo biochimico B12

È un cofattore importante per la catalisi enzimatica in diverse reazioni biochimiche. Gli enzimi dipendenti da cobalamina catalizzano tre tipi di reazioni:

  • Riarrangiamento intramolecolare
  • Metilazioni
  • Riduzioni di ribonucleotidi a deossiribonucleotidi (questo tipo di reazione avviene negli organismi procarioti)

 

Riarrangiamento intramolecolareSenza titolo
In questa reazione il metilmalonil-CoA viene convertito in succinil-CoA, l’enzima che interviene si chiama metilmalonil-CoA mutasi e funziona avendo come cofattore la 5’- deossi- adenosincobalamina. La reazione consiste in uno scambio di gruppi chimici fra carboni adiacenti, la peculiarità di questa reazione è data dal una proprietà biochimica della B12, infatti il legame fra carbonio e cobalto essendo molto labile da scissioni omolitiche con conseguente formazione di radicali che strappano atomi di idrogeno.

La formazione di succinil-CoA è molto importante per molti processi biochimici, alcuni aminoacidi come metionina, valina e isoleucina convergono nella formazione di succinil-CoA, questi aminoacidi sono detti gluconeogenetici. Infatti vengono prima trasformati in propionil-CoA, questo in metilmalonil-CoA che poi viene convertito in succinil-CoA,ed è in questo punto che interviene la vitaminina B12.

Secondo aspetto importante di questa reazione è la formazione di succinil-CoA da propionil-CoA ,la prima tappa di questa serie di reazioni è la decarbossilazione di propionil-CoA a metilmalonil-CoA con spesa di una molecola di ATP. Questa reazione è catalizzata dalla propionil-CoA carbossilasi,che è un enzima con meccanismo simile ad altre carbossilasi.

Questo processo è molto importante perché questa reazione avviene nella matrice mitocondriale ed essendo il succinil-CoA anche un intermedio del ciclo di Krebs ,che avviene nella medesima sede, è già pronto ad entrare nel ciclo stesso. Qui il succinil-CoA può o avere effetto di spingere in avanti il ciclo ai fini di produrre ATP, oppure nel momento in cui entra nel ciclo stimolare la produzione di fosfoenolpiruvato che porta il processo a risalire alla produzione di glucosio, da qui la natura gluconeogenetica dei 3 aminoacidi.

Questa reazione,da propionil-CoA a succinil-CoA,ha luogo anche nell’ ossidazione degli acidi grassi, è necessario specificare che in questo caso si parla di ossidazione di acidi grassi a numero dispari di atomi di carbonio. Infatti ,normalmente la catena degli acidi grassi a catena pari viene spezzata a ogni ciclo ossidativo a due a due con formazione di acetil-CoA,ma in una catena dispari nell’ultimo ciclo di ossidazione i composti che si formano sono un intermedio a 3 atomi di carbonio che è appunto il propionil-CoA, e una molecola di acetil-CoA, in definitiva, il propionil-CoA derivante dall’ossidazione di un acido grasso a catena dispari prende questa strada.

Metilazione
Nella seconda metà del ciclo la B12 (sottoforma di metilcobalamina) interviene come donatore di metili all’omocisteina da cui si rigenera la metionina. Questo mezzo ciclo funziona solo se funziona anche l’altro mezzo ciclo, nel mezzo ciclo sovrastante il donatore di metili (necessario per la formazione di metilcobalamina) è il 5- metil-tetraidrofolato che donando il metile diventa tetraidrofolato. Il tetraidrofolato è un coenzima importantissimo che deriva da un’altra vitamina, l’acido folico che viene assunta nell’organismo e ridotta due volte per dare tetraidrofolato.

Dall’omocisteina, se la cellula non ha necessità di rigenerare la metionina, può essere ricavata la cisteina, in questa via metabolica intervengono enzimi che utilizzano come cofattore il piridossalfosfato.

Digressione sul tetraidrofolato
Il tetraidrofolato è un trasportatore specializzato di unità monocarboniose che legandosi ad esso si attivano, dopo l’attivazione queste unità possono essere donate agli altri composti durante processi chimici, quindi questo ciclo (metilazione) è importante perché porta alla rigenerazione di tetraidrifolato.

I derivati del tetraidrofolato partecipano a molti processi biosintetici:

Esempio:
Quando al tetraidrofolato viene aggiunto un gruppo formile si forma il formil-tetraridrofolato,importante perchè dona atomi di carbonio per costruire scheletri di purina che servono per costruire nucleotidi.

Esempio:
Altro derivato importante è il metilene- tetraidrofolato che interviene nella reazione donando un gruppo metilico alla base uracile per formare timina, questa reazione è importante per sintetizzare Dna.
Quindi il ciclo della metilazione con B12 e tetraidrofolato è importantissimo, anche perchè è l’unico punto all’interno del metabolismo cellulare dove si ha il contatto tra vitamina B12 e tetraidrofolato.
Molto importante è anche la seconda parte del ciclo, quella con l’omocisteina. L’omocisteina è un aminoacido che normalmente non fa parte del pool aminoacidico con cui vengono sintetizzate le proteine, ma è un intermedio metabolico con cui viene prodotta metionina.

Questa reazione non è una reazione di sintesi ex novo, ma è una specie di via di recupero, questo perché la metionina è un aminoacido essenziale, cioè che il nostro organismo non può sintetizzare autonomamente ma che deve assumere con la dieta. Elevati livelli di omocisteina nel sangue, condizione nota come iper-omocisteinemia, sono segnali importanti dell’insorgere di malattie cardiovascolari come aterosclerosi e fenomeni trombofilici. Nel momento in cui si interrompe una di queste vie metaboliche e si ha un accumulo d’omocisteina, questo eccesso viene riversato nel sangue provocando danni all’endotelio dei vasi, con conseguente insorgenza di aterosclerosi e secondo alcuni studi origine di trombi. In questo caso si parla di rischio associato, infatti sembra che l’accumulo di omocisteina nel sangue aumenti l’adesività e l’aggregazione piastrinica,cioè quei fattori che favoriscono la formazione di trombi, inoltre inibisce il processo contrario, cioè tutto il sistema fibrinolitico che normalmente fluidifica il sangue.

La vitamina B12 deve quindi essere assunta con la dieta, le fonti sono tutte di origine animale: carne (soprattutto fegato), pesce (crostacei,molluschi), uova, latte e derivati . Normalmente questi alimenti soddisfano, se la dieta è sufficientemente “variegata”, il fabbisogno giornaliero di B12 che corrisponde a circa 2 µg, inoltre i depositi di vitamina B12 che si trovano nel fegato possono contenere da 2 a 5 mg di B12 (quindi sono veramente cospicui) e circa l’80% di B12 che viene escreta con la bile viene riassorbita dal circolo enteroepatico. Nonostante questo, possono però verificarsi stati carenziali di vitamina B12,che si manifestano nell’adulto in seguito a vari fenomeni come deficit di produzione di fattore intrinseco e di acido cloridrico a livello gastrico, questo avviene più frequentemente nelle persone anziane. Più in generale possono esserci problemi di malassorbimento intestinale che influenzano l’assorbimento di B12, per esempio resezioni chirurgiche di stomaco o parti di intestino.

Durante le carenze gravi di B12 le conseguenze patologiche possono essere riassunte in due tipologie: neurologiche ed ematopoietiche. Infatti,come visto precedentemente, la vitamina B12 è importante per la rigenerazione di tetraidrofolato che a sua volta serve per la sintesi di timina necessaria per sintetizzare Dna, per cui tutti i tessuti e tutti i tipi cellulari soggetti a un intensa proliferazione risentono fortemente di una carenza di B12. I tessuti maggiormente colpiti sono quindi gli ematopoietici e e gli epiteliali. A livello midollare si avrà una eritropoiesi non inesistente, ma inefficace: le cellule non saranno in grado di dividersi, perché non c’è sintesi di Dna, ma crescerà solo il citosol. Si formeranno delle grosse cellule precursori degli eritrociti in una condizione patologica nota come megaloblastosi midollare, questi grossi eritrociti vengono poi riversati nel sangue periferico con conseguente macrocitosi eritrocitaria.

Le conseguenze neurologiche consistono in una progressiva demielinizzazione delle fibre nervose periferiche, infatti gli acidi grassi sono necessari per la sintesi di mielina e in caso di deficit di B12 non si ha produzione di queste sostanze. Questo perché la carenza di B12 causa un accumulo di metilmalonil-CoA che non viene convertito in succinil-CoA, ma il metilmalonil-CoA partecipa come inibitore competitivo del malonil-CoA nel processo di biosintesi di acidi grassi, quindi un suo accumulo compromette lo svolgersi del processo. Un’altra teoria vuole che durante la sintesi di acidi grassi in stato di ipovitaminosi, che in parte avviene comunque, il metilmalonil-CoA accumulato si sostituisca al malonil-CoA, con conseguente sintesi di acidi grassi ramificati a causa della presenza del gruppo metilico. Questi acidi andrebbero a disorganizzare la struttura della mielina. Anche l’epitelio intestinale può essere compromesso da un deficit di vitamina B12 in quanto epitelio ad alta proliferazione.

 

Anemia perniciosa

È un anemia su base autoimmunitaria, i soggetti colpiti da questa patologia producono anticorpi che attaccano le cellule parietali della mucosa gastrica (che sono le cellule che producono il fattore intrinseco) capaci anche di legare lo stesso fattore intrinseco,rendendolo indisponibile per la sua funzione fisiologica con conseguente malassorbimento di vitamina B12 a livello intestinale. Le persone colpite da anemia perniciosa presentano un anemia megacarioblastica, lesioni neurologiche e patologie gastrointestinali (malassorbimento degli alimenti). Contro questa patologia si interviene con una terapia di tipi sostitutivo fornendo al paziente subito per via parenterale vitamina B12 (spesso insieme ad acido folico e vitamina B6) poi con una terapia di mantenimento mensile.

Esistono molti composti che il nostro organismo non è in grado di sintetizzare perché privo del corredo enzimatico e quindi genetico necessario. Questo corredo genetico è andato perso nell’evoluzione perché per il nostro organismo è più vantaggioso assumere dall’esterno questi composti piuttosto che sintetizzarli (principio dell’economia molecolare).

 

Dubbi e delucidazioni

Composti gluconeogenetici
Gran parte dei precursori della gluconeogenesi sono aminoacidi che danno α-chetoacidi durante la transaminazione. Gli α-chetoacidi possono: dare energia immediata,dare glucidi, oppure lipidi (liponeogenesi),di conseguenza si “ingrassa” anche con le proteine, quindi un possibile destino degli aminoacidi è la liponeogenesi. Una volta soddisfatti i bisogni della glicemia, gli amonoacidi imboccano questa via metabolica. I precursori della gluconeogenesi sono aminoacidi e lattato perchè entrambi possono dare ossalacetato. Ma anche i triacilgliceroli possono dare un contributo gluconeogenico, va premesso che, gli acidi grassi a catena pari non sono gluconeogenetici , questi danno solo acetil-CoA con cui non si può tornare indietro lungo la via metabolica (reazione irreversibile a causa dell’enzima piruvato deidrogenasi),con l ‘acetil CoA si può ottenere corpi chetonici, oppure attraverso la condensazione con l’ossalacetato produrre ATP nel ciclo di Krebs. Il glicerolo contenuto nei triacilgliceroli può però produrre degli intermedi della glicolisi, grazie all’azione della glicerolcinasi,che richiede utilizzo di ATP, dando fosfatidilglicerolo che poi entra nei triosi della glicolisi, a questo punto si potrà proseguire nel processo. Quindi il glicerolo potrà andare a produrre piruvato oppure in condizioni di ipoglicemia salirà le tappe della glicolisi a ritroso, ne risulta che anche i trigliceridi possono in piccola parte essere considerati gluconeogenetici con il glicerolo. Gli acidi grassi a catena dispari,come visto prima, possono produrre propionil- CoA durante la loro β-ossidazione e sono quindi considerati composti gluconeogenetici.

Introduzione di glucosio nella cellula derivante da gliocogenolisi o gluconeogenesi
Il glucosio-6-fosfato ha una traslocasi che lo porta dentro al reticolo endoplasmatico, qui trova la glucosio-6-fosfatasi che lo scinde in glucosio neutro e fosfato inorganico, esistono poi altre specifiche traslocasi per questi composti che vengono trasportati nel citosol, se per una patologia mancano gli enzimi specifici si ha infatti un accumulo di glicogeno.

Destino degli aminoacidi
Il ciclo di Krebs oltre che a ossidare completamente l’ acetato può servire per condurre gli intermedi delle molecole che si formano come destino metabolico degli α-chetoacidi (che si formano in seguito alla transaminazione degli aminoacidi) come succinil-CoA, fumarato, ossalacetato e piruvato alla sintesi di glucosio. Quelli che danno acetil-CoA non sono gluconeogenetici, i due carboni che portano vengono allontanati nel ciclo degli acidi tricarbossilici. Treonina e lisina non sono substrati di enzimi di transaminazione, rimangono quindi 18 aminoacidi soggetti a transaminasi, anche questi due sono comunque deaminati a uno scheletro carbonioso che porta alla formazione di acetil-CoA ,poi ci sono aminoacidi chetogenetici che producono acetil-CoA che subisce come destino alternativo al ciclo di Krebs la formazione dei corpi chetonici, durante il processo di formazione di questi composti due molecole di acetil-CoA si condensano a formare acetoacetil- CoA e poi con altri due passaggi si arriva a alla formazione dei corpi chetonici (carburante metabolico).

 

Interrelazioni metaboliche: gluconeogenesi in ipoglicemia

Il piruvato (ottenuto dal lattato o derivato da aminoacidi) entra nel mitocondrio ed è soggetto a diversi destini:può incontrare la piruvato deidrogenasi che porta alla formazione di acetil-CoA, NADH e CO2, oppure può diventare alanina con le transaminasi, oppure in situazione ipoglicemia, nel fegato e nel rene, subisce una competizione fra l’azione della piruvato deidrogenasi e della piruvato carbossilasi. Cosa fa prevalere la via della gluconeogenesi? La regolazione della piruvato deidrogenasi ci impone di considerare che l’acetil-CoA inibisce la piruvato deidrogenasi (inibizione allosterica e covalente), di fatto c’è inibizione quando aumenta la concentrazione di acetil-CoA , inoltre lo stesso acetil-CoA è indispensabile per attivare la piruvato carbossilasi. Il destino principale del acetil-CoA è quello di condensarsi con l’ ossalacetato (prima tappa del ciclo di Krebs), in questa situazione di gluconeogenesi attiva, le concentrazioni di ossalacetato diminuiscono perché il glucosio in circolo è basso e questo influisce nelle tappe metaboliche che vanno da glucosio a ossalacetato, tutto si sposta verso la produzione di glucosio (glicolisi a ritroso), questo influisce sul livello dell’ ossalacetato abbassandolo ulteriormente, infatti l’ossalacetato tende ad uscire per compensare il calo di glucosio.

Per la poca disponibilità di ossalacetato con cui reagire, si accumula acetil-CoA e questo rallenta il ciclo di Krebs e di conseguenza la produzione di citrato. Così molecole di acetil-CoA formano i corpi chetonici che insorgono in situazione di digiuno,questi vengono poi utilizzati preferenzialmente come carburante dal cervello. Siamo nel regno del glucagone,e quindi delle fosforilazioni, le lipasi che sono negli adipociti, sono enzimi che scindono i triacilgliceroli in glicerolo gluconeogenico che va al fegato, e acidi grassi. Le lipasi sono fosfolipidi fosforilati dal AMP ciclico quindi sono enzimi attivi,esse variano in base alla lunghezza delle catene degli acidi grassi che devono scindere. La β-ossidazione di questi acidi grassi, sotto l’azione del glucagone, attraverso la produzione di acili provoca un aumento di acetil-CoA.

Ci sono diversi fattori che portano all’ accumulo di acetil-CoA quindi all’ attivazione della piruvato carbossilasi,che è una condizione che spinge le cose in questo senso, l’acetil -CoA si forma in quantità per cui non trova abbastanza molecole di ossalacetato con cui reagire,così spinge il piruvato a dare ossalacetato. Al rilascio del glucagone, una prima risposta alla ipoglicemia è uno spostamento del piruvato che invece di dare acetil-CoA da ossalacetato che possa essere utilizzato in questo senso (per condensarsi con l’acetil-CoA), questo non toglie che le molecole di acetil-CoA con il procedere delle reazioni non trovino abbastanza ossalacetato per cui si debba ricorrere ai corpi chetonici che andranno a rimpiazzare il glucosio mancante (utilizzato soprattutto dal cervello). In conclusione, l’acetil-CoA si attiva per produrre una molecola con cui reagire e produrre citrato, spinge il piruvato a produrre meno acetil-CoA e più ossalacetato. L’ossalacetato può uscire dal mitocondrio in tre forme diverse: sottoforma di fosfoenolpiruvato, di aspartato o di malato.

 

Tipi di regolazione della gluconeogenesi dal lattato

  • La Piruvato Carbossilasi è stimolata a reagire da acetil-CoA con utilizzo di ATP
  • Regolazione operata da AMP (segno di basso carico energetico),stimola la glicolisi e inibisce gluconeogenesi
  • Nel fegato, il glucosio-6-fosfato stimola la glicolisi e inibisce il processo inverso