3 Glicolisi e destini metabolici del piruvato, reazioni chimiche, regolazione e funzioni

Metabolismo dei carboidrati ovvero metabolismo del glucosio

Attraverso il processo di digestione, polisaccaridi e disaccaridi vengono convertiti nelle loro componenti monosaccaridiche: glucosio, fruttosio, lattosio e saccarosio.

Digestione dei carboidrati

α-amilasi salivare

Contenuti negli alimenti: glucosio, fruttosio, lattosio, saccarosio, trealosio, destrine dell‛amido, maltosio, isomaltosio, fibre indigeribili.

Glucosio, fruttosio, lattosio, saccarosio, trealosio, amido, glicogeno, fibre indigeribili.

α-amilasi pancreatica (nel duodeno).

Glucosio, fruttosio, lattosio, saccarosio, trealosio, maltosio, isomaltosio, fibre indigeribili.

Glucosio, isomaltasi, fruttosio, galattosio, maltasi, mannosio, lattasi, saccarasi, trealasi, fibre indigeribili.

Assorbimento dei monosaccaridi a livello dell‛epitelio intestinale

• Diffusione facilitata Na⁺-indipendente, quando le concentrazioni nel lume intestinale sono molto elevate.
• Trasporto attivo secondario ATP- e Na⁺-dipendente.

Na entra secondo gradiente portandosi dietro i monosaccaridi. Trasporto attivo di tipo secondario.

Circolo portale: vena porta —> epatocita, dove vengono metabolizzati e convertiti in glucosio / intermedi metabolici che possono entrare nella circolazione sistemica, solo il glucosio può!

Assorbimento e trasporto del glucosio e degli altri monosaccaridi

I monosaccaridi vengono assorbiti dalle cellule della mucosa intestinale, attraverso dei trasportatori: essendo i monosaccaridi dei polialcoli, hanno bisogno di trasportatori specifici per poter entrare nelle cellule.

I trasportatori si trovano sulle cellule dell'orletto a spazzola. La 1a reazione cui va incontro il metabolismo del glucosio è la fosforilazione a glu-6-P, che resta immagazzinato nel citoplasma della cellula e non può essere utilizzato —> esochinasi, enzima che fosforila l'OH in posizione 6: trasferisce un P da ATP, liberando ADP.

Digestione, assorbimento, trasporto carboidrati della dieta: amido, saccarosio, lattosio, fruttosio, glucosio.

A livello dell'epatocita il glucosio è metabolizzato e in parte rilasciato in circolo per il metabolismo di tutte le cellule.

Fosforilazione del Glc a Glc-6-P

Fosforilazione del Glc a Glc-6-P, reazione citoplasmatica.

Glucosio —> esochinasi —> glucosio 6-fosfato.

G‛° = -16,7 kJ/mole. Mg⁺⁺. Reazione irreversibile.

Il glucosio 6-fosfato può andare incontro a diversi destini metabolici:

• Glicolisi.
• Glicogeno.
• Via dei pentosi fosfato.
• Sintesi di altri monosaccaridi, sintesi di lattosio, di glicolipidi, di GAG, proteoglicani.

Defosforilazione del Glc-6-P a glucosio

Quella catalizzata dalle EK, esochinasi, è una reazione irreversibile! La reazione inversa richiede un enzima, fosfatasi, tessuto-specifico => solo le cellule che lo possiedono possono liberare il glucosio che può andare in circolo per raggiungere tutti i distretti in cui è necessario => tutte le cellule che non hanno questo enzima, una volta che acquisiscono glu, lo fosforilano e non possono più liberarlo, es. neuroni.

Glucosio-6-fosfato fosfatasi. Pi.

La Glc-6-P fosfatasi è un enzima tessuto-specifico, presente ad elevati livelli nel fegato, ma espressa anche nelle cellule dei reni, negli enterociti e nelle cellule del pancreas.

Esochinasi e glucochinasi

Fosforilazione del Glc a Glc-6-P, reazione citoplasmatica.

Esochinasi, EK: nei tessuti l‛esochinasi è presente in diverse isoforme che costituiscono quindi una famiglia di isoenzimi tessuto-specifici.

Nell‛uomo si distinguono 4 isoforme dette EK-I, EK-II, EK-III e EK-IV.

Queste isoforme catalizzano tutte la stessa reazione chimica, ma differiscono per le loro proprietà cinetiche e di regolazione.

NB: l‛EK-IV è più comunemente nota come glucochinasi, GK.

G‛° = -16,7 kJ/mole. Mg⁺⁺. EK irreversibile.

Inibizione da prodotto —> un aumento della concentrazione di glu provoca un'inibizione enzimatica che impedisce ad altro glu di entrare nella cellula.

Esochinasi: Km bassa ≈ alta affinità per il glucosio. È inibita in modo allosterico dal prodotto di reazione glucosio-6-fosfato.

Glucochinasi: Km alta ≈ bassa affinità per il glucosio. È inibita in modo allosterico dal fruttosio-6-fosfato.

Glucosio 6-fosfato. Glicolisi, glicogeno, via dei pentosi fosfato, sintesi di altri monosaccaridi, sintesi di lattosio, di glicolipidi, di GAG.

• EK-I è l‛isoforma citosolubile più ubiquitaria e predominante nel cervello.
• EK-II è l‛isoforma prevalente nei miociti.

Sono le più diffuse, ed hanno un'elevata affinità per il glucosio, rispetto agli altri monosaccaridi, ma possono anche fosforilare galattosio, fruttosio e mannosio => possono fosforilare anche altri esosi in mancanza di glu.

Specificità relativa: sono enzimi che seguono la cinetica di Michaelis-Menten: sono saturabili e raggiungono, all'aumentare della concentrazione di glu, una velocità massimale per cui, anche se aumenta la concentrazione di glu, la velocità non aumenta ulteriormente.

V max enzimatica.

1. Isoforme con elevata affinità e specificità per il Glc, negli eritrociti, Km = 0.1 mM; nel cervello, Km = 0.01 mM; nei miociti, Km = 0.2 mM, ma sono capaci di fosforilare altri esosi, Gal, Man, Fru.
2. Sono inibite dal prodotto Glc-6-P.
3. Sono saturabili: a livelli glicemici “normali”, 4-5 mM, lavorano a V max.

Glucochinasi. Glucosio, fruttosio 6-P, insulina. Attività dell‛esochinasi. V max. Esochinasi. Glucosio-6-P.

• EK-IV o glucochinasi, GK, è l‛isoforma specifica del fegato, ma è presente anche nelle cellule dei reni, negli enterociti e nelle cellule del pancreas.

1. Isoforma con minore affinità per il Glc, Km = 10 mM, ma in grado di fosforilare solo Glc —> vedere cinetica in relazione alla variazione di concentrazione di substrato.
2. Non è inibita dal prodotto Glc-6-P, ma dal Fru-6-P che la “sequestra” nel nucleo.
3. È difficilmente saturabile: a livelli glicemici “normali”, 4-5 mM, lavora molto al di sotto della sua Vmax.
4. È inducibile dall‛insulina.

Km dell‛esochinasi. Km della glucochinasi. Concentrazione del glucosio, mM.

GK: epatocita ha capacità di internalizzare glu più di altri tessuti: è infatti meno affine per il glu, ma interviene quando le concentrazioni di glu sono maggiori. È un enzima difficilmente saturabile: è difficile che il glu si accumuli nella cellula perché il G6P sintetizzato prende altre vie metaboliche.

Azione del fruttosio 6-fosfato sulla glucochinasi

Azione del fruttosio 6-fosfato sulla glucochinasi, EK-IV o GK.

Nel fegato la glucochinasi, esochinasi IV, è regolata dalla sua alta affinità per la “proteina regolatrice” nucleare.

• Questo complesso non esce nel citoplasma prima che la glicolisi abbia inizio.
• A differenza del muscolo, la glucochinasi nel fegato non è INIBITA dal glucosio-6-fosfato.

Capillare, nucleo, citoplasma, glucosio, membrana plasmatica, glucochinasi, GK, proteina regolatoria, glucosio 6-fosfato, fruttosio 6-fosfato.

Glc libero e Fru-6-P competono per lo stesso sito di legame; se aumenta [Fruttosio 6-P], GK è inattiva sequestrata nel nucleo dalla proteina regolatoria.

Glc libero e Fru-6-P competono per lo stesso sito di legame; se aumenta [Glucosio], GK si dissocia dalla proteina regolatoria e trasloca nel citoplasma: il glucosio compete con F6G e la glucochinasi va nel citosol.

Se aumenta [Fruttosio 6-P], GK è inattiva sequestrata nel nucleo dalla proteina regolatoria.

GK: => un accumulo di glu nell'epatocita attiva la glucochinasi.

Quando nell'epatocita entra tanto glu, questi alti livelli promuovono la dissociazione del complesso => GK esce e va nel citoplasma, dove sintetizza G6P, che può essere convertito in F6P.

Se aumenta [Glucosio], GK si dissocia dalla proteina regolatoria e trasloca nel citoplasma.

Il F6P favorisce la rientrata della GK nel nucleo e la sua ri-associazione con la proteina regolatoria => inibizione.

Principali destini metabolici del glucosio-6-fosfato

Metabolismo ossidativo: è la via metabolica citoplasmatica che permette di degradare il G6P in 2 molecole di piruvato, attraverso reazioni che sintetizzano ATP e producono NADH.

Il pir può seguire 2 destini:

1. Conversione in acetil CoA => ciclo TCA, solo in condizioni aerobiche.
2. Conversione in lattato in cellule che non hanno disponibilità di O₂, anaerobiosi, —> cellule che mancano di mitocondri / cellule che li possiedono ma in quel momento non hanno O₂.

Glicolisi, glicogeno, via dei pentosi fosfati, sintesi di altri monosaccaridi, sintesi di lattosio, di glicolipidi, di GAG.

Glicolisi: produzione di ATP dal glucosio

GLUCOSIO.

In organismi anaerobi ma anche in organismi aerobi quando sono in condizioni di anaerobiosi: NADH, PIRUVATO.

Per “glicolisi” s‛intende il processo catabolico di degradazione ossidativa del glucosio in acido piruvico, o piruvato.

9 reazioni chimiche che portano alla formazione di piruvato. Il processo glicolitico avviene in tutti i tipi cellulari sia in presenza che in assenza di O₂.

In organismi aerobi, in condizioni di aerobiosi.

Le reazioni partono dal G6P.

NB: sono tutte reazioni che avvengono nel citoplasma!

Glicolisi:

• È un processo citoplasmatico ubiquitario, avviene in tutti i tipi cellulari.
• Avviene in condizioni sia di aerobiosi sia di anaerobiosi.
• Comprende 9 reazioni di cui 2 irreversibili.
• Deve il nome alla terza tappa, la “tappa litica”, in cui il chetoso bifosforilato viene scisso in 2 triosi => divide la via glicolitica in 2 fasi.
• Si divide in due fasi: fase preparatoria —> esoso scisso in 2 triosi con consumo di E; fase di recupero energetico —> i 2 triosi sono convertiti in piruvato, con produzione di ATP.
• È accoppiato, per ogni mol di Glc, alla formazione di 2 mol di piruvato, 2 mol di ATP, 2 mol di NADH, 2 mol di H₂O.

Fase I: fase preparatoria, tappa 3, “litica”. Fase II: fase di generazione dell‛ATP, o fase di recupero energetico.

Glucosio + 2 ATP + 2 NAD⁺ + 2 Pi —> 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H⁺ + 2 H₂O.

G‛° = -90 kJ/mole. Reazione irreversibile.

Importanza degli intermedi glicolitici fosforilati

Tutti gli intermedi sono fosforilati —> questo per impedire ai vari metaboliti di uscire dalla cellula: la fosforilazione:

• Mantiene gli intermedi glicolitici all'interno della cellula.
• È un modo per conservare l'E contenuta nel glu.
• Avere substrati fosforilati aumenta la capacità dell'enzima di formare legami con il substrato attivo => diminuisce l'E di attivazione.

Anche se esiste una forte differenza di concentrazione di questi composti tra l‛interno e l‛esterno della cellula, gli intermedi glicolitici fosforilati non possono uscire dalla cellula.

I gruppi fosforici sono componenti essenziali nei processi enzimatici di conservazione dell‛energia metabolica: l‛energia rilasciata dalla rottura dei legami fosfoanidridici, es. quelli dell‛ATP, viene parzialmente conservata nella formazione degli esteri fosforici, es. Glc-6-P.

Il legame del gruppo fosforico al sito attivo di un enzima produce un‛energia di legame che contribuisce ad abbassare l‛energia di attivazione e ad aumentare la specificità della reazione catalizzata dall‛enzima.

Glicolisi: reazioni della fase I - fase preparatoria

G‛° = +1,7 kJ/mole. Reversibile. Mg⁺⁺.

1. Isomerizzazione del Glc-6-P a Fru-6-P

Isomerizzazione del Glc-6-P a Fru-6-P.

Fosfoglucoisomerasi.

Glucosio 6-fosfato —> fruttosio 6-fosfato.

Aldo-esoso, cheto-esoso.

In questa reazione si ha l'isomerizzazione di un fosforilato in 6, fosfo aldo esoso, nel corrispondente conversione di uno zucchero aldeidico in zucchero chetonico, reazione catalizzata da un'isomerasi, fosfo-gluco-isomerasi.

È una reazione reversibile: una volta che il G6P è trasformato in F6P, questo potrebbe essere ri-convertito in G6P => è la tappa successiva che indirizza il glu irreversibilmente alla via glicolitica.

Diidrossiacetonfosfato, fruttosio 1,6-bisfosfato, gliceraldeide 3-fosfato.

2. Fosforilazione del Fru-6-P a Fru-1,6-BP

G‛° = -14,2 kJ/mole. Fosfofruttochinasi 1, PFK-1. Mg⁺⁺. Reazione irreversibile.

L'enzima fosforila il F6P anche sull'ossidrile in 1. Il P è donato da una molecola di ATP => parte dell'E liberata è conservata nel prodotto finale.

È questa la tappa “impegnata” che destina irreversibilmente il Glc nella glicolisi.

PRIMA TAPPA IRREVERSIBILE: è la reazione per la quale la reazione inversa serve un enzima completamente diverso.

È quindi una tappa IMPEGNATA: la velocità con cui l'enzima catalizza la reazione di fosforilazione determina la velocità con cui procede la via catalitica, glicolisi, => la quantità di piruvato che si forma alla fine della via catalitica.

Diidrossiacetonfosfato, fruttosio 1,6-bisfosfato, gliceraldeide 3-fosfato.

3. Demolizione del Fru-1,6-BP in due triosi

Il fruttosio 1,6 bifosfato viene scisso in 2 zuccheri a 3C fosforilati, uno chetonico e l'altro aldeidico.

G‛° = +23,8 kJ/mole. Reversibile. Mg⁺⁺.

TAPPA LITICA: questa è la scissione, lisi reversibile dello zucchero a 6C. È una reazione che avviene con un meccanismo aldolico ed è catalizzata dall'enzima aldolasi-A, liasi, che scinde il legame C-C.

È una tappa reversibile: i triosi possono ri-condensare fra loro a ridare lo zucchero a 6C.

Fosfoglucosio isomerasi, glucosio 6-fosfato, fruttosio 6-fosfato, fosfofruttochinasi 1, PFK-1, diidrossiacetonfosfato, aldolasi A, scissione aldolica, fruttosio 1,6-bisfosfato, gliceraldeide 3-fosfato.

CHETONICO. ALDEIDICO.

4. Interconversione dei due triosi

G‛° = +7,5 kJ/mole. Reversibile.

Sono zuccheri che possono convertirsi uno nell'altro attraverso un altro enzima, trioso fosfato isomerasi, tappa anch'essa reversibile.

Fosfoglucosio isomerasi, glucosio 6-fosfato, fruttosio 6-fosfato, fosfofruttochinasi 1, PFK-1, diidrossiacetonfosfato, aldolasi A, scissione aldolica, trioso fosfato isomerasi, fruttosio 1,6-bisfosfato, gliceraldeide 3-fosfato.

Destino degli atomi di C del glucosio nella formazione della gliceraldeide 3-P

Derivati dai carboni del glucosio, fruttosio 1,6-bisfosfato, gliceraldeide 3-fosfato, successive reazioni della glicolisi.

Derivati dai carboni del glucosio, aldolasi A, diidrossiacetonfosfato, gliceraldeide 3-fosfato, trioso fosfato isomerasi.

NB: la reazione è spostata verso il diidrossiaceton fosfato! Tuttavia è la gliceraldeide 3P che viene continuamente sottratta dall'enzima successivo => continua conversione in gliceraldeide 3P per mantenere l'equilibrio.

Glicolisi: reazioni della fase II

Fase di generazione dell‛ATP o di recupero energetico.

Diidrossiaceton fosfato, aldolasi A, trioso fosfato isomerasi, gliceraldeide 3-fosfato.

5. Ossidazione della gliceraldeide-3-P

G‛° = +6,3 kJ/mole. Reversibile.

Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi.

Acil fosfato ad alta energia.

Ossidazione e fosforilazione: sia reazione di ox che di fosforilazione; il gruppo aldeidico della gliceraldeide deve essere ox.

È necessario quindi un coenzima di redox = NAD: il substrato si ossida a glicerato perdendo H e il NAD si riduce a NADH. L'enzima che catalizza la reazione è la deidrogenasi.

Gliceraldeide 3P —> 1,3-bisfosfoglicerato.

Legame fosfo-estereo, fosfo-anidridico ad alto contenuto E. Mg²⁺.

È una reazione reversibile che permette di ottenere l'1,3-bifosfoglicerato, ad alto contenuto E.

GLICERALDEIDE VIENE OX A GLICERATO E FOSFORILATA.

Per questa reazione serve NAD nella forma ossidata, altrimenti non si ottiene l'1,3-bifosfoglicerato!

3-fosfoglicerato.

Meccanismo di reazione della gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi

Gliceraldeide 3-fosfato, cisteina.

L'enzima ha nel sito catalitico un residuo di cisteina e ha un sito di legame ad alta affinità per il coenzima NAD nella forma ox, piuttosto che per il NADH nella forma red.

1. La gliceraldeide 3P si lega al sito catalitico: il suo gruppo aldeidico forma un legame tioemiacetalico con il SH della cisteina, gruppo C=O diventa C-OH.
2. Il N