Biochimica

Glicolisi

GLUT4: è un trasportatore del glucosio.

GLUT2: isoforme che si trova nel fegato “bassa affinità, alta capacità”.

Sono 10 reazioni di cui 2 reazioni hanno un deltaG negativo.

VLDL: classe di proteine, lipoproteine a densità molto bassa, che trasportano i triacilgliceroli endocrini, sintetizzati dal fegato, fino al tessuto adiposo. Oltre alla VLDL c’è LDL e HDL.

Altre cellule che ricavano energia dal glucosio: cellule del tessuto cerebrale ma nei momenti di digiuno utilizza i corpi chetonici.

La glicolisi consiste nella degradazione del glucosio a piruvato con concomitante rilascio di energia utilizzata per sintetizzare ATP a partire da ADP + Pi.

La sequenza di 10 reazioni della glicolisi è suddivisa in 2 fasi:

1. Investimento iniziale di energia.
2. Recupero di energia.

Il processo inizia con il consumo di una prima molecola di ATP: il glucosio viene captato dalle cellule, dal GLUT, dove entra e la prima reazione è la fosforilazione dove il glucosio diventa glucosio-6-fosfato e in questo modo rimane intrappolato dentro la cellula per le prossime reazioni.

L’esochinasi catalizza la reazione di fosforilazione, l’esochinasi ha infatti alta affinità per il glucosio.

Dopo aver formato il glucosio-6-fosfato c’è l’isomerasi che converte il glucosio-6-fosfato in fruttosio-6-fosfato e da un aldosio si passa a un chetosio.

1fi ffi ffi

Dopodiché utilizziamo la seconda molecola di ATP dove il fruttosio-6-fosfato diventa fruttosio-1,6-bisfosfato dopodiché esso viene scisso in 2 molecole a 3 atomi di carbonio da un enzima che prende il nome di aldolasi.

Da qui prende avvio la 2 fase.

1 fase = richiede energia: si producono le forme fosforilate degli intermedi a spese dell’ATP.

2 fase = fase di recupero dell’energia: produzione di ATP mediante fosforilazione a livello del substrato.

Fosforilazione a livello del substrato: in cui il gruppo fosfato viene trasferito all’ADP che poi formerà ATP. Sono composti che hanno un elevato trasferimento di gruppi fosfati e sono gli intermedi della glicolisi. Mentre tutto il resto dell’ADP si forma nella fosforilazione ossidativa nei mitocondri.

Reazione 1: l’esochinasi utilizza la prima molecola di ATP

È una fosforilazione irreversibile del glucosio:

1. Intrappola lo zucchero nel citosol sotto forma di G-6-P, glucosio-6-fosfato.
2. Lo prepara alla degradazione.

La fosforilazione è mediata dal Mg²⁺, che favorisce l’attacco del fosfato al carbonio 6 del glucosio.

L’enzima è l’esochinasi: utilizza il meccanismo dell’adattamento indotto, cioè il cambio conformazione indotto dal substrato. I due substrati sono il glucosio e l’ATP e in questa maniera il fosfato si attacca al glucosio. Il suo prodotto ovvero il G6P può essere smistato in più vie metaboliche.

Reazione 2: la fosfoglucosio isomerasi

Reazione catalizzata dall’isomerasi.

Abbiamo la conversione da glucosio a fruttosio mediante la forma lineare che poi andrà a ciclizzarsi.

Da glucosio-6-fosfato a fruttosio-6-fosfato.

Reazione 3: la fosfofruttochinasi utilizza la seconda molecola di ATP

Il fruttosio-6-fosfato viene fosforillato in posizione 1 diventando fruttosio-1,6-bisfosfato.

La fosfofruttochinasi è un enzima allosterico che viene modulato da diversi modulatori perciò si può regolare e per questo è un punto di controllo principale della glicolisi. Ed è quindi la tappa che regola la velocità.

2

Reazione 4: l’aldolasi converte il FBP a 6 atomi di C in GAP e DHAP a 3 atomi di C

L’aldolasi scinde il fruttosio-1,6-bisfosfato in 2 composti a 3 atomi di C:

• Diidrossiacetone fosfato, DHAP, è un chetoso.
• Gliceraldeide-3-fosfato, GAP, è un aldosio.

Reazione 5: la trioso fosfato isomerasi, TPI

I due composti creati con la 4 reazione, ovvero DHAP e GAP, sono interconvertibili tra loro tramite un intermedio enediolo.

La reazione è all’equilibrio ma nelle condizioni fisiologiche cellulari l’equilibrio è spostato verso la gliceraldeide perché essa verrà utilizzata nelle reazioni successive.

Fine 1 fase: in questa serie di 5 reazioni un esoso è fosforilato, isomerizzato, fosforilato e poi scisso in 2 trioso fosfati interconvertibili. Il processo consuma 2 molecole di ATP per produrre gli intermedi fosforilati.

Reazione 6: la GAPDH forma il primo intermedio “ad alta energia”

La gliceraldeide-3-fosfato viene convertita in 1,3-bisfosforoglicerato, 1,3 BPG.

Abbiamo un’ossidazione seguita da una fosforilazione.

Reazione 7: la fosfoglicerato chinasi, PGK, produce la prima molecola di ATP

1,3-BPG è una molecola che ha un’affinità per il trasferimento del gruppo fosfato ed è in grado di fosforilare direttamente l’ADP in ATP. È un esempio di produzione di ATP per trasferimento di un gruppo fosforico da un substrato, 1,3-BPG, all’ATP, anziché mediante fosforilazione ossidativa, catena di trasporto elettronico.

La PGK ha una struttura bilobata che ha un meccanismo di adattamento indotto.

3ffi fi

N.B. tutte le reazioni della fase 2 vanno considerate x2 = 2 molecole ATP da 1 molecola di glucosio, poiché questo nella reazione 4 viene scisso in 2 molecole a 3C.

Reazione accoppiata, 6-7: in cui una reazione esoergonica successiva spinge l’avvenimento della precedente che dovrebbe essere endoergonica. Il delta G è in totale <0.

Reazione 8: la fosfoglicerato mutasi, PGM, interconverte tra loro il 3PG e il 2PG

Il gruppo fosfato viene spostato dalla posizione 3 alla posizione 2 quindi il 3-fosfoglicerato diventa 2-fosfoglicerato.

Reazione 9: l’enolasi forma il secondo intermedio “ad alta energia”

L’enolasi dal 2PG porta alla formazione del fosfoenolpiruvato, PEP, è la seconda molecola che ha affinità per il trasferimento del gruppo fosfato ed è a elevato contenuto energetico, in grado di generare ATP.

La reazione infatti converte un composto con potenziale di trasferimento del gruppo fosforico relativamente basso in un composto con un elevato potenziale di trasferimento.

Reazione 10: la piruvato chinasi, PK, produce la seconda molecola di ATP

Trasferimento del gruppo fosforico dal PEP all’ADP. Il PEP è la seconda molecola in grado di generare direttamente l’ATP.

1,3-BPG e PEP: 2 intermedi glicolisi in grado di trasferire direttamente il gruppo fosfato da ADP a ATP.

Deidrogenasi: hanno sempre coenzimi, es. NAD e FAD, i quali raccolgono elettroni e si riducono. Es. per NAD che deve essere riossidato per far in modo che la glicolisi possa procedere. Allora nella fosforilazione ossidativa il NADH viene ossidato a NAD ma nelle cellule in cui questo è impossibile ad esempio nelle condizioni di ipossia ci sono i processi di fermentazione alcolica e lattica.

Quindi da una molecola di glucosio otteniamo:

• 2 molecole di piruvato.
• 2 molecole di ATP.
• 2 molecole di NADH.

4ffi Reazione complessiva della glicolisi: → glucosio + 2 NAD + 2 ADP + 2 Pi 2 piruvato + 2 NADH + 2 ATP + 2 H2O + 2 H*

L’energia rilasciata dall’ossidazione anaerobica del glucosio a piruvato:

• -96 KJ mol -1.

Destino metabolico del piruvato

Fermentazione: processo in cui viene estratta energia, sotto forma di ATP, senza consumo di O2.

Fermentazione lattica

Il piruvato viene ridotto a lattato.

Il NADH viene ossidato a NAD.

Serve per riformare il NAD per mandare avanti la glicolisi.

Il fegato utilizza il lattato come il substrato per il glucosio: ciclo del Coil.

Fermentazione alcolica

Il piruvato viene decarbossilato ad acetaldeide dopodiché l’acetaldeide ridotta a etanolo.

Processo che avviene nelle cellule non animali, quindi nelle cellule ad esempio dei lieviti, panificazione, lievitazione sono processi fermentativi.

5fi La fermentazione alcolica converte il piruvato in CO2 ed etanolo.

Le due reazioni della fermentazione alcolica:

Piruvato che in una prima reazione viene decarbossilato, enzima piruvato decarbossilasi utilizza come coenzima il TPP = tiamina pirofosfato, la tiamina è una vitamina del gruppo B, la tiamina la rincontreremo nelle reazioni di decarbossilazione, si perde una molecola di CO2.

Si forma acetaldeide, e la reazione successiva è una deidrogenasi che riduce l’acetaldeide in etanolo e il NADH viene ossidato a NAD+. Si riforma il NAD e il NAD manda avanti la glicolisi.

Il metabolismo di esosi diversi dal glucosio

Gli esosi come fruttosio, galattosio e mannosio sono convertiti in intermedi glicolitici entrano in passaggi successivi della glicolisi e in questa maniera vengono poi metabolizzati. Vengono quindi convertiti in intermedi glicolitici per essere ulteriormente metabolizzati.

Fruttosio, galattosio e mannosio dopo la digestione, attraverso il torrente ematico arrivano alle cellule dei tessuti dove verranno convertiti in composti fosforilati che entrano nella via glicolitica.

Il galattosio entra nella via glicolitica a livello del glucosio-6-fosfato, quindi è la prima reazione della glicolisi dove c’è l’esochinasi che catalizza il glucosio a glucosio-6-fosfato.

Il mannosio e il fruttosio, a livello del muscolo e del rene, entrano nella via glicolitica a livello del F6P, fruttosio-6-fosfato.

Il fruttosio, nel fegato, via principale di utilizzo del fruttosio, entra a livello del GAP.

Fruttosio

Fornisce il 10% delle calorie contenute nella dieta occidentale.

• Fonte alimentare principale: saccarosio.
• Presente anche nella frutta, miele, sciroppo di mais, lo sciroppo di mais ha un potere dolcificante maggiore dello zucchero, si utilizza negli Stati Uniti ed è anche leggermente meno calorico dello zucchero.
• Il suo ingresso nelle cellule non è dipendente dall’insulina, né il fruttosio promuove la sua secrezione, per cui potrebbe essere un’alternativa allo zucchero nei soggetti diabetici, però in realtà non è proprio così.

Metabolismo del fruttosio

Il metabolismo non è uguale in tutti gli organi perché gli enzimi sono diversi.

1. Fegato: la maggior parte del fruttosio è convertito a fruttosio-1-fosfato dalla fruttochinasi, enzima che fosforila il fruttosio, utilizzato trasferendo il gruppo fosfato dall’ATP al substrato.
2. Muscolo e rene: il fruttosio può essere fosforilato a fruttosio-6-fosfato dalla esochinasi, l’esochinasi ha affinità più elevata per il glucosio rispetto al fruttosio, quindi questa reazione a livello fisiologico è a favore alla fosforilazione del glucosio ed è per questo che il fruttosio viene fosforilato preferibilmente nel fegato piuttosto che nel rene e nel muscolo.

6fi fi ffi

Torniamo alla reazione del fegato: la fruttochinasi fosforila il fruttosio in posizione 1 facendolo diventare fruttosio-1-fosfato dopodiché il fruttosio da ciclo diventa a catena aperta dove poi interviene l’enzima aldolasi, funzione di scissione.

L’aldolasi b catalizza una scissione aldolica e forma gliceraldeide e il diidrossi-acetone fosfato.

Il diidrossiacetone fosfato che verrà convertito a glicerolo-3-fosfato e entra nella glicolisi mentre la gliceraldeide deve essere fosforilata per poter entrare nella glicolisi, e ciò prevede una serie di reazioni catalizzate da enzimi: l’alcol deidrogenasi converte la gliceraldeide in glicerolo che viene convertito in glicerolo-3-fosfato che di conseguenza viene convertito in diidrossi-acetone fosfato che poi viene convertito in gliceraldeide-3-fosfato che entra nella glicolisi.

Il glicerolo-3-fosfato è anche lo scheletro per la sintesi dei TAG e glicerofosfolipidi, è un’altra sua funzione.

Un eccesso di fruttosio è pericoloso?

La via glicolitica è regolata a livello degli enzimi chiave posti in posizioni strategiche e in base alle stimolazioni attivano o disattivano le reazioni.

Uno degli enzimi importanti è la PFK1, fosfofruttochinasi è l’enzima che fosforila il fruttosio a fruttosio 1-fosfato. Se il fruttosio entra nella glicolisi a livello della gliceraldeide 3-fosfato salta il controllo della PFK1 quindi il metabolismo del fruttosio non è più controllato. Saltando la tappa principale di controllo salta il punto in cui il flusso glicolitico viene controllato e quindi se una dieta ricca di fruttosio porta all’aumento di gliceraldeide quindi di TAG quindi di lipidi e grasso, obesità.

Questo potrebbe dirigere il flusso glicolitico vs la sintesi dei lipidi che porterà alla possibile correlazione tra consumo di fruttosio e obesità.

Ed è per questo che nei soggetti diabetici un eccesso di fruttosio può andare a incidere nella glicemia.

Il glucosio prodotto dal fegato va nel sangue e aumenta la glicemia.

Ci sono soggetti che hanno malattie genetiche che non riescono a metabolizzare il fruttosio.

Fruttosuria essenziale: mancanza della fruttochinasi, il fruttosio non si converte in fruttosio 1-fosfato. Il fruttosio aumenta nelle urine ed è una condizione benigna, asintomatica.

Intolleranza ereditaria al fruttosio: assenza dell’aldolasi b il fruttosio 1-fosfato resta intrappolato nelle cellule. Causa grave ipoglicemia, vomito, ittero, emorragia, può provocare l’insufficienza epatica e la morte. La terapia è la rimozione del fruttosio e del saccarosio dalla dieta.

Galattosio

Fonte alimentare principale: lattosio, latte e derivati.

Il suo ingresso nelle cellule non dipende dall’insulina, né il galattosio promuove la sua secrezione.

Il galattosio e il glucosio sono epimeri, epimeri in C4.

Questa differenza fa sì che l’HK, esochinasi cioè il primo enzima della via glicolitica, non riconosce il galattosio e quindi è necessaria una reazione di epimerizzazione per l’ingresso del galattosio nella glicolisi.

Metabolismo del galattosio

È una serie di 4 reazioni in cui il galattosio 1-P viene convertito nel suo epimero glucosio 1-P utilizzando l’uridina difosfato, UDP, come trasportatore delle molecole di esoso.

Il primo enzima è una galattochinasi che ha come substrato il galattosio, fosforila il galattosio a livello del C1 e otteniamo il galattosio 1-fosfato.

Abbiamo una molecola di glucosio legato a UDP, uridina difosfato che è un nucleotide legato al glucosio. UDP viene trasferita al galattosio grazie all’enzima uridilil transferasi e otteniamo UDP-galattosio.

7ff fl fl ffi

Il glucosio 1-fosfato viene convertito grazie alla mutasi a glucosio 6-fosfato e il glucosio 6-fosfato entra nella glicolisi.

UDP-galattosio grazie all’enzima epimerasi viene convertito nell’epimero glucosio.

Molti adulti sono intolleranti al lattosio per carenza dell’enzima lattasi. Nel neonato la lattasi è molto presente e andando avanti questa attività va scomparendo.

Patologie:

Galattosemia e galattosuria: carenza della galattochinasi. Provoca l’accumulo del galattitolo, è un polialcol. La formazione di galattitolo nel cristallino provoca la cataratta.

Galattosemia classica: carenza della uridiltransferasi. Provoca danni epatici, grave ritardo mentale.

Mannosio

Il mannosio è un prodotto della digestione di alcuni polisaccaridi e glicoproteine.

Il mannosio e glucosio sono epimeri.

Metabolismo del mannosio

Il mannosio grazie all’esochinasi viene trasformato in mannosio-6-fosfato dopodiché l’enzima fosfomannosio isomerasi viene convertito in fruttosio-6-fosfato, F6P.

Regolazione della glicolisi

La glicolisi è regolata in maniera diversa nei vari tessuti.

Il flusso di glucosio attraverso la via glicolitica deve essere regolato al fine di:

• Mantenere costanti i livelli di ATP.
• Rifornire la cellula di intermedi da utilizzare nelle biosintesi, es. acidi grassi e aa. Per esempio quando la cellula si trova in una condizione di abbondanza di energia questi verranno utilizzati per la sintesi di molecole e contrario.

La regolazione può essere:

1. Regolazione allosterica: è la più veloce, esochinasi, PFK1, è il più importante, piruvato chinasi. Hanno il delta G negativo. Nelle vie metaboliche gli enzimi che catalizzano reazioni irreversibili sono potenziali siti di controllo.
2. Regolazione ormonale: insulina, ormone ipoglicemizzante che va a stimolare i metabolismi che portano alla conservazione ??? De co, il glucagone, stimola l’aumento della glicemia, stimola la glicogenolisi, e adrenalina.
3. Regolazione dell’espressione genica di diversi enzimi glicolitici.

Appunti ele 5 aprile 8fl fi

PFK e carica energetica

PFK catalizza la fosforilazione, vedi pag prima. È un enzima allosterico tetramerico, 4 subunità.

È presente in due stati conformazionali: R, cioè rilassato con maggiore affinità per substrati, più attivo. TR e T li troviamo all’equilibrio.

Ogni subunità ha 2 siti per legame ATP.

ATP in questo caso è un substrato, insieme al fruttosio6 che è quello che viene fosforilato, è anche un inibitore. Inibitore poiché quello che si ottiene alla fine della glicolisi è l’immagazzinamento dell’ATP. Allora se la cellula si trova in situazione di abbondanza di energia, l’ATP = prodotto ultimo, va ad inibire la sua sintesi a monte perché già c’è.

ADP, AMP, F-2,6-P contrastano gli effetti dell’ATP e quindi sono attivatori.

Carica energetica

ATP = molecola che indica stati energetici cellula.

Se l’ATP diminuisce: aumenta ADP e AMP, allora viene attivato PFK per attivare glicolisi e produrre ATP.

ATP substrato si lega con ugual affinità a R e a T.

ATP inibitore si lega con maggior affinità a T.

F6P substrato si lega con maggior affinità a R.

Ragionando:

Se aumento [ATP] questo ATP si va a legare a T, funzionando quindi da inibitore, R T.

Allora diminuisce affinità di PFK per F6P e PFK inattiva la sua attività enzimatica, succede il contrario se [ATP] è b.