Metabolismo completo dei carboidrati

Metabolismo del glucosio

Il glucosio è centrale in tutto il metabolismo essendo un ottimo nutriente ed un versatile precursore di molti intermedi per le biosintesi.

Destini metabolici

Il glucosio può avere quattro diversi destini metabolici:

• Depositato sotto forma polimerica (glicogeno);
• Ossidato tramite glicolisi a piruvato;
• Ossidato tramite via dei pentosio-fosfati a ribosio 5-fosfato;
• Precursore per la sintesi di polimeri strutturali (glicosamminoglicani e oligosaccaridi).

Origine del glucosio dalla dieta

Il nostro organismo assume glucosio principalmente sotto forma polimerica (amido), ma le nostre cellule sono in grado di internalizzare solamente monomeri. Nella fase digestiva, i carboidrati complessi vengono degradati e convertiti in monomeri. Una volta entrato nel circolo ematico, il glucosio potrà entrare all'interno delle singole cellule attraverso una serie di trasportatori (proteine di membrana, GLUT 1-2-3-4 ecc).

Glicolisi

La glicolisi è una via metabolica fondamentale, tanto da essere conservata in quasi tutti gli esseri viventi, mantenendo reazioni ed enzimi pressoché uguali (cambia la loro regolazione). Avviene nel citoplasma in assenza di ossigeno (anaerobia) e comprende 10 tappe differenti (catalizzate da enzimi specifici).

Le funzioni della glicolisi sono principalmente due:

• Produzione di energia;
• Produzione di scheletri carboniosi (sui quali sintetizzare altre biomolecole).

Fase preparatoria (1-5)

Il primo obiettivo della glicolisi è quello di scindere la molecola di glucosio in due molecole (trioso-P) dalle quali ricavare piruvato (acido piruvico), il quale, rispetto al glucosio, presenta atomi di carbonio più ossidati. Nelle prime 5 fasi, il glucosio viene trasformato in altre specie chimiche nelle quali il legame tra carbonio 3 e 4 è più semplice da rompere. Questa fase consuma 2 ATP. Tutti gli intermedi della glicolisi, eccetto il glucosio nella prima reazione ed il piruvato nell’ultima, sono fosforilati. Questa modificazione impedisce agli intermedi di fuoriuscire dalla cellula; non esistono infatti trasportatori per molecole fosforilate. La fosforilazione del glucosio rappresenta la prima tappa della glicolisi.

Fase 1 (G G6P)

Il glucosio viene fosforilato sul C6 dall’enzima esochinasi. Il gruppo fosfato deriva dalla prima molecola di ATP consumata. Di questo enzima ne esistono 4 isoforme delle quali la quarta (glucochinasi) è la principale. È tipicamente espressa a livello del fegato e la sua Km è molto elevata. Questo fa sì che funzioni accumulando anche a concentrazioni molto alte il glucosio nel fegato. Le esochinasi sono in grado di riconoscere l’ATP solo se associato al magnesio. Con una carenza di magnesio si abbassa l’efficacia della reazione. Il suffisso "eso-" significa che può fosforilare monosaccaridi esosi.

Fase 2 (G6P F6P)

Il glucosio-6-fosfato viene isomerizzato dal fosfoglucosio isomerasi a fruttosio-6-fosfato.

Fase 3 (F6P F-1,6-BP)

Il fruttosio-6-fosfato viene fosforilato dall’enzima fosfofruttochinasi I (PFK-1) a fruttosio-1,6-bisfosfato. Il gruppo fosfato deriva dalla seconda molecola di ATP consumata. La fosfofruttochinasi è un enzima allosterico ed è il principale punto di regolazione della glicolisi. Quando la concentrazione di ATP è alta, la sua funzione è inibita. In condizioni cellulari è una reazione irreversibile. Nel fegato esiste un’isoforma (PFK-2) che produce fruttosio-2,6-bisfosfato con l’unico scopo di regolazione.

Fase 4 (F-1,6-BP GLI-3P + DIA-3P)

Il fruttosio-1,6-bisfosfato subisce una scissione aldolica tra il carbonio 3 e 4 grazie all’enzima fruttosio-1,6-bisfosfato aldolasi. I prodotti sono due zuccheri triosi: gliceraldeide-3-fosfato e diidrossiacetone-3-fosfato. La scissione è favorita dal C=O sul C2 ed il legame covalente con l’enzima. In condizioni standard, la reazione presenta un ΔG molto positivo, favorendo quindi la reazione inversa; tuttavia, in ambiente cellulare, la concentrazione dei reagenti è molto più alta rispetto a quella dei prodotti (essendo metabolizzati velocemente), pertanto il ΔG è negativo.

Fase 5 (DIA-3P GLI-3P)

Il diidrossiacetone-3-fosfato viene trasformato dall’enzima trioso fosfato isomerasi (TPI) in gliceraldeide-3-fosfato. La rimozione della gli-3p favorisce la conversione del dia-3p verso l’isomero aldeidico.

Fase di recupero energetico (6-10)

Le ultime 5 fasi vengono prodotti intermedi ad alto potenziale di trasferimento utili alla produzione di ATP (2 molecole di piruvato) e 4 ATP. Tra i prodotti della glicolisi vi è inoltre NADH. Tutte le reazioni in questa fase sono doppie poiché partono da due molecole uguali di gliceraldeide-3-fosfato.

Fase 6 (GLI-3P 1,3-BPGLI)

La gliceraldeide-3-fosfato viene ossidata (unica ossidazione glicolisi) e fosforilata dall’enzima gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (G3PDH) tramite riduzione di NAD a NADH. Le due reazioni sono accoppiate attraverso un intermedio tioestere. Se così non fosse, l’intermedio sarebbe stabile a tal punto da rendere la formazione dell’acetilfosfato energeticamente sfavorevole. La superficie di G3PDH presenta una cisteina particolarmente acida (priva di un protone) su cui si posiziona la gliceraldeide, creando un legame covalente tioemiacetalico. Successivamente il substrato viene ossidato, l'idrogeno sul C1 viene trasferito a NAD (già presente nel sito attivo) e diventa NADH. Il legame covalente tioestere tra substrato ed enzima viene attaccato da una fosforolisi rilasciando il secondo prodotto, l’1,3-bisfosfoglicerato (un'anidride dall’alto potenziale di trasferimento del gruppo fosforico).

Fase 7 (1,3-BPGLI 3-PGLI)

L’1,3-bisfosfoglicerato cede il suo gruppo fosforico (fosforilazione) all’ADP formando ATP e 3-fosfoglicerato. L’enzima che se ne occupa è il fosfoglicerato chinasi. Sesta e settima tappa sono accoppiate in un processo di accoppiamento energetico.

Fase 8 (3-PGLI 2-PGLI)

Il gruppo fosfato del C3 viene spostato sul C2 dall’enzima fosfoglicerato mutasi in preparazione alla reazione successiva. Il prodotto è il 2-fosfoglicerato. Il regolatore dell’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno è il 2,3-bisfosfoglicerato. Negli eritrociti sono presenti due enzimi: 2,3-bisfosfoglicerato mutasi e 2,3-bisfosfoglicerato fosfatasi che fungono da sistema di controllo: il primo si occupa di controllare la sintesi della molecola mentre il secondo ne gestisce l’eliminazione riportando il carbonita nelle sue condizioni iniziali (il quale poi rientrerà nei processi di glicolisi).

Fase 9 (2-PGLI PEP)

Il 2-fosfoglicerato viene deidratato dall’enolasi a fosfoenolpiruvato (PEP), il quale presenta un ΔG superiore a quello dell’ATP, permettendo quindi la fosforilazione dell’ADP.

Fase 10 (PEP PIR)

Il fosfoenolpiruvato perde il gruppo fosforico che viene trasferito all’ADP generando ATP ed enolpiruvato, il quale spontaneamente si converte nella sua forma chetonica, il piruvato. La reazione è irreversibile in ambienti cellulari.

Bilancio totale della glicolisi

Sottraendo ai 4 ATP prodotti i 2 ATP utilizzati, dalla glicolisi si ottengono 2 ATP per ogni molecola di glucosio. Oltre all’ATP vengono prodotte 2 molecole di piruvato e 2 NADH. Anche se la quantità di glucosio non costituisce un problema in quanto può essere sempre reintrodotto nell’organismo con l’alimentazione, ciò non vale per i prodotti; ad esempio le molecole di NAD sono limitate, rendendo necessaria la riossidazione dell’NADH.

Variazione di energia libera

Il processo è complessivamente esoergonico, tuttavia le singole reazioni differiscono molto fra di loro. La maggior parte delle tappe sono vicine all’equilibrio e la loro spontaneità dipenderà dalle concentrazioni di reagenti e prodotti; al contrario le fasi 1, 3 e 10 sono fortemente esoergoniche, rendendole praticamente irreversibili.

Regolazione della glicolisi

La regolazione della glicolisi avviene a due livelli:

• Controllo locale: dipende dalle concentrazioni di substrati ed intermedi presenti nella cellula;
• Controllo globale: dipende da ormoni (insulina, glucagone, adrenalina) che agiscono a distanza tramite secondi messaggeri regolando le vie metaboliche nell’intero organismo.

Le tappe coinvolte nella regolazione locale sono le tre irreversibili:

• Esochinasi (Fase 1): viene inibita allostericamente dal suo prodotto (glucosio-6-fosfato). Questo serve per evitare che il processo si interrompa a causa della saturazione di substrato.
• Fosfofruttochinasi (Fase 3): viene inibita allostericamente dall’ATP ed attivata dall’AMP.
• Piruvato chinasi (Fase 10): viene inibita allostericamente dall’ATP e dall’alanina (amminoacido che segnala l’abbondanza di metaboliti). Viene invece attivato dal fruttosio-1,6-bisfosfato. Il rallentamento o blocco dell’ultima tappa è un sistema che permette lo spostamento degli intermedi della glicolisi in vie metaboliche parallele.

Vie di alimentazione della glicolisi

Non esistendo in forma naturale, il glucosio puro viene ricavato dalla scissione di polisaccaridi e disaccaridi. Nonostante il glucosio sia l’elemento principale che alimenta la glicolisi, vi sono altri fattori ricavabili dagli alimenti e che tramite la digestione vengono convertiti in monosaccaridi che vengono poi convogliati all’interno degli enterociti (cellule epiteliali intestinali) per poi entrare all’interno del flusso sanguigno e raggiungere i vari distretti dell’organismo.

Glicogeno endogeno

Il glicogeno endogeno (riserve presenti nell’organismo) grazie all’enzima fosforilasi viene degradato in glucosio-1-fosfato. La scissione e fosforilazione serve a trasformarlo direttamente in un substrato della glicolisi. In seguito, l’enzima fosfoglucomutasi sposta il fosfato da C1 a C6, trasformandolo in glucosio-6-fosfato. Il glucosio-6-fosfato, deriva quindi sia dalla degradazione del glicogeno, sia dall’azione dell’esochinasi (l’enzima che trasforma il glucosio in glucosio-6-fosfato). Questo spiega il motivo della regolazione allosterica dell’enzima, il quale si inattiva a concentrazioni elevate di glucosio-6-fosfato.

Glicogeno esogeno (dieta)

Il glicogeno o amido assunto con la dieta viene trasformato in glucosio dall’α-amilasi.

Lattosio

Il lattosio è formato da una molecola di glucosio e una di galattosio. Per digerirlo è necessaria la lattasi, la cui deficienza ne comporta un accumulo nell’intestino (intolleranza). Il galattosio viene legato ad un nucleotide trifosfato detto UTP: il principale utilizzo del galattosio non è tanto energetico quanto strutturale (costituente di glicoproteine, glicolipidi e polisaccaridi). In seguito, può essere trasformato nuovamente in glucosio-1-fosfato e rientrare nella glicolisi. Esiste un grave disordine metabolico detto galattosemia che può provocare problemi a livello cerebrale e ritardo mentale e dello sviluppo. È dovuta alla mancanza dell’enzima che lo trasforma in glucosio-1-fosfato, provocandone l’accumulo.

Saccarosio

Il saccarosio è costituito da glucosio e fruttosio. Quest’ultimo ha un metabolismo differente a seconda dell’organo in cui viene sintetizzato. L’esochinasi, oltre a trasformare il glucosio, si occupa di trasformare altri monosaccaridi esosi come il fruttosio, il quale verrà fosforilato a fruttosio-6-fosfato. Questa reazione è di minor importanza rispetto al processamento del fruttosio nel fegato, nel cui un enzima detto fruttochinasi lo fosforila a fruttosio-1-fosfato.

Mannosio

Il mannosio è un altro substrato dell’esochinasi che lo fosforila a mannosio-6-fosfato, in seguito trasformato da un’isomerasi in fruttosio-6-fosfato.

Trasportatori GLUT

Il glucosio viene trasportato all’interno delle cellule da trasportatori della famiglia GLUT, di cui esistono 12 isoforme in base al tessuto in cui sono presenti. Alcuni trasportatori sono specifici per il glucosio, altri sono in grado di trasportare anche sostanze come fruttosio o galattosio. Ogni isoforma di GLUT ha una diversa affinità per la molecola trasportata.

GLUT-1

È un trasportatore ubiquitario tipico dei tessuti ad alto consumo di glucosio come ad esempio negli eritrociti e nel cervello. Ha alta affinità.

GLUT-2

È presente nei tessuti che accumulano glucosio come il fegato, il pancreas e l’intestino. Ha bassa affinità. Questo meccanismo è alla base del funzionamento del fegato: accumula glucosio sotto forma di glicogeno quando la concentrazione nel sangue è alta.