Riassunto esame Biochimica, Prof. Dolce Vincenza, libro consigliato I principi di biochimica di Lehninger, Nelson, Cox

Il glucosio e la glicolisi

Il glucosio è una molecola a 6 atomi di carbonio e occupa una posizione importante, centrale, nel metabolismo delle piante, animali e molti microrganismi. È ricco di energia, quindi è un ottimo combustibile.

Se c’è richiesta di energia da parte del nostro organismo, il glucosio può essere rilasciato dai polimeri intracellulari con funzione di riserva e utilizzato per produrre ATP aerobicamente o anaerobicamente.

• Aerobico: in presenza di ossigeno.
• Anaerobico: in assenza di ossigeno.

Il glucosio ha 4 destini principali per piante e animali:

1. Può essere utilizzato per la sintesi di polisaccaridi complessi destinati allo spazio extracellulare.
2. Può essere immagazzinato nella cellula, sotto forma di polisaccaridi o di saccarosio.
3. Può essere ossidato in piruvato, composto a 3 atomi di carbonio, tramite la glicolisi per produrre ATP e intermedi metabolici.
4. Può essere ossidato attraverso la via del pentoso fosfato, o del fosfogluconato, per produrre:
   • Il ribosio 5-fosfato: necessario per la sintesi degli acidi nucleici.
   • Il NADPH: usato invece nei processi biosintetici riduttivi.

14.1 Glicolisi

Dal greco: GLYKYS “dolce”, e LYSIS “scissione”.

La glicolisi fa parte della respirazione cellulare. È l’unica che avviene in condizioni anaerobiche.

Nella glicolisi 1 molecola di glucosio, zucchero a 6 atomi di C, viene degradata mediante una serie di reazioni catalizzate da enzimi che producono 2 molecole di piruvato, composto a 3 atomi di C.

Il tutto avviene all’interno del citosol.

Durante le reazioni in sequenza della glicolisi, parte dell’energia rilasciata dal glucosio viene recuperata sotto forma di ATP e NADH.

“Fermentazione”: degradazione anaerobica, in assenza di ossigeno, del glucosio o di altri nutrienti per ottenere energia, che viene conservata sotto forma di ATP.

La glicolisi differisce tra le diverse specie solo per dettagli della regolazione e per il destino metabolico del piruvato.

La glicolisi avviene in 10 tappe, suddivise in 2 fasi:

Fase preparatoria

Fase preparatoria: fosforilazione del glucosio e la sua conversione in gliceraldeide 3-fosfato.

1. Fosforilazione del glucosio, con formazione del glucosio 6-fosfato. Il glucosio viene fosforilato in glucosio 6-fosfato, in modo tale che esso rimanga nella cellula, e non possa più uscire, e venga trasformato in energia.
2. Conversione del glucosio 6-fosfato, aldoso, in fruttosio 6-fosfato, chetoso, tramite l’enzima fosfoesosio isomerasi, fosfoglucosio isomerasi. Questa tappa è magnesio dipendente.
3. Fosforilazione del fruttosio 6-fosfato in fruttosio 1,6-bisfosfato, tramite l’enzima fosfofruttochinasi-1, PFK-1. Esso catalizza il trasferimento di un gruppo fosforico dall’ATP al fruttosio 6-fosfato per formare il fruttosio 1,6-bisfosfato.
4. Scissione del fruttosio 1,6-bisfosfato in gliceraldeide 3-fosfato, aldoso, e diidrossiacetone fosfato, chetoso, tramite l’enzima aldolasi, chiamato raramente anche fruttosio 1,6-bisfosfato aldolasi.
5. Interconversione dei triosi fosfati. Dei 2 prodotti ottenuti dalla 4° tappa, solo la gliceraldeide 3-fosfato può essere degradato direttamente nelle tappe successive della glicolisi, in quanto l’altro prodotto, diidrossiacetone fosfato, viene convertito in gliceraldeide 3-fosfato dall’enzima triosio fosfato isomerasi, quinto enzima della via glicolitica.

La reazione catalizzata dalla PFK-1 è irreversibile nelle condizioni cellulari e può essere considerata la “prima reazione di comando della via glicolitica”. Il glucosio 6-fosfato e il fruttosio 6-fosfato hanno altri possibili destini metabolici, mentre il fruttosio 1,6-bisfosfato è un intermedio esclusivo della glicolisi.

La PFK-1 è soggetta ad una complessa regolazione allosterica, in quanto:

• La sua attività aumenta: quando la quantità di ATP cellulare diminuisce o quando ADP e AMP, prodotti della demolizione di ATP, si accumulano.
• La sua attività viene inibita: quando i livelli di ATP sono elevati.

In questo modo si ottengono 2 molecole di gliceraldeide 3-fosfato e si conclude la fase preparatoria della glicolisi. L’esoso, glucosio, è stato fosforilato in C-1 e C-6 e quindi in 2 molecole di gliceraldeide 3-fosfato.

Tappa 1: il glucosio viene fosforilato a livello del gruppo ossidrilico sul C-6, e forma il D-glucosio 6-fosfato.

Questa tappa è irreversibile, ed è catalizzata dall’enzima esochinasi.

Tappa 2: il D-glucosio 6-fosfato che si forma viene convertito in D-fruttosio 6-fosfato.

Tappa 3: il D-fruttosio 6-fosfato viene fosforilato questa volta sul C-1, generando D-fruttosio 1,6-bisfosfato.

In entrambe le tappe di fosforilazione, 1 e 3, il donatore dei gruppi fosforici è l’ATP.

Tappa 4: il D-fruttosio 1,6-bisfosfato viene successivamente scisso in 2 molecole a 3 atomi di C:

• 1 molecola di diidrossiacetone fosfato.
• 1 molecola di gliceraldeide 3-fosfato.

Tappa 5: la molecola di diidrossiacetone fosfato viene isomerizzata in una seconda molecola di gliceraldeide 3-fosfato.

Con questa tappa si completa la 1° fase della glicolisi.

Nella 1° fase, fase preparatoria, della glicolisi viene spesa l’energia dell’ATP per aumentare il contenuto di energia libera degli intermedi della via metabolica, e le catene carboniose di tutti gli esosi metabolizzati sono convertite in un prodotto comune, la gliceraldeide 3-fosfato.

Quindi, in termini stretti, 1 molecola di glucosio genera 2 molecole di gliceraldeide 3-fosfato.

Il guadagno energetico inizia nella 2° fase, fase di recupero.

Fase di recupero

Fase di recupero, o fase di recupero energetico: conversione ossidativa delle 2 molecole di gliceraldeide 3-fosfato in 2 molecole di piruvato, accoppiata alla formazione di ATP e NADPH, che conservano parte dell’energia della molecola del glucosio.

6. Ossidazione della gliceraldeide 3-fosfato in 1,3 bisfosfoglicerato, catalizzata dall’enzima gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi. Questa è la prima delle 2 reazioni della glicolisi, in cui viene recuperata l’energia necessaria alla formazione di ATP. Il gruppo aldeidico della gliceraldeide 3-fosfato viene ossidato, ma non per dare un gruppo carbossilico libero, ma per ottenere un’anidride tra il gruppo carbossilico e l’acido fosforico. Questo tipo di anidride, chiamato acil fosfato, ha un’elevata energia libera standard di idrolisi. Gran parte di questa energia libera viene conservata con la formazione dell’acil fosfato nella posizione C-1 dell’1,3-bisfosfoglicerato.
7. Trasferimento del gruppo fosforico dall’1,3-bisfosfoglicerato all’ADP, tramite l’enzima fosfoglicerato chinasi. Quindi da ADP si trasforma in ATP. Da qui si forma il 3-fosfoglicerato.
8. Conversione del 3-fosfoglicerato, non più bis perché ha ceduto un gruppo fosfato, in 2-fosfoglicerato, tramite l’enzima fosfoglicerato mutasi. Questo enzima catalizza lo scambio reversibile del gruppo fosforilico tra il C-3 al C-2 del glicerato. La reazione richiede Mg²⁺.
9. Deidratazione del 2-fosfoglicerato in fosfoenolpiruvato, PEP, tramite l’enzima enolasi. Essa promuove la rimozione reversibile di una molecola di acqua, H₂O, del PEP.
10. Trasferimento del gruppo fosforico del fosfoenolpiruvato all’ADP, che quindi forma ATP, catalizzato dall’enzima piruvato chinasi, che richiede K⁺ e Mg²⁺ oppure Mn²⁺, con formazione del piruvato.

Questo scambio avviene grazie ad un residuo di istidina a cui è legato un gruppo fosfato. Questo gruppo fosfato viene trasferito dall’istidina al 3-fosfoglicerato, formando il 2,3 bisfosfoglicerato, 2,3-BPG, e successivamente il gruppo fosforico presente sul C-3 del 2,3-BPG viene trasferito allo stesso residuo di istidina. Si forma così il 2-fosfoglicerato.

Tappa 6: ogni molecola di gliceraldeide 3-fosfato viene ossidata e fosforilata dal fosfato inorganico, non dall’ATP, formando 1,3-bisfosfoglicerato.

Tappe da 7 a 10: l’energia viene rilasciata quando le 2 molecole di 1,3-bisfosfoglicerato sono convertite in 2 molecole di piruvato.

Per ogni molecola di glucosio che percorre la fase preparatoria, 1° fase, si formano 2 molecole di gliceraldeide 3-fosfato. Entrambe entrano nella fase di recupero energetico, 2° fase.

Il piruvato è il prodotto finale della 2° fase della glicolisi.

Per ogni molecola di glucosio vengono consumate 2 molecole di ATP nella fase preparatoria, mentre ne vengono prodotte 4 nella fase di recupero, quindi abbiamo una resa netta di 2 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio convertita in piruvato.

L’energia è conservata nella fase di recupero energetico mediante la formazione di 2 molecole di NADH per molecola di glucosio.

Destino del piruvato

Il piruvato che si forma dalla glicolisi viene metabolizzato ulteriormente attraverso una di 3 vie cataboliche, catabolismo: degradazione e dissimilazione di sostanze organiche.

Nei tessuti e negli organismi aerobici, la glicolisi è soltanto la prima fase della completa degradazione del glucosio.

Nella 1° via il piruvato viene ossidato, con perdita del suo gruppo carbossilico sotto forma di CO₂ e con formazione del gruppo acetilico dell’acetil-coenzima A.

Il gruppo acetilico viene quindi completamente ossidato a CO₂ nel ciclo dell’acido citrico, capitolo 16.

Gli elettroni sottratti in queste reazioni di ossidazione vengono trasferiti all’ossigeno attraverso una catena di trasportatori mitocondriali, formando alla fine H₂O.

Il piruvato, nel citosol, viene quindi ossidato in acetil CoA, nel mitocondrio, tramite il complesso della piruvato deidrogenasi, complesso formato da 3 enzimi. Grazie a questo enzima il piruvato viene decarbossilato, rimozione di una molecola di CO₂, con formazione di NADH.

L’energia delle reazioni di trasferimento degli elettroni permette la sintesi di ATP nel mitocondrio.

La 2° via del metabolismo del piruvato è la sua riduzione a lattato attraverso la fermentazione lattica.

Quando il muscolo scheletrico si contrae vigorosamente in condizioni di insufficiente apporto di ossigeno, ipossia, il NADH non può essere riossidato a NAD⁺, necessario come accettore di elettroni per l’ulteriore ossidazione del piruvato.

In queste condizioni il piruvato viene ridotto a lattato, accettando gli elettroni dal NADH, con contemporanea rigenerazione del NAD⁺, necessario affinché la glicolisi possa continuare.

Alcuni tessuti e certi tipi cellulari, come la retina e gli eritrociti, convertono il glucosio in lattato anche in condizioni aerobiche.

Il lattato è il prodotto ultimo della glicolisi in condizioni aerobiche, anche in alcuni microrganismi.

La 3° via del catabolismo del piruvato conduce alla formazione di etanolo.

Il piruvato è convertito in condizioni ipossiche anaerobiche in etanolo e CO₂, attraverso un processo chiamato fermentazione alcolica, etanolica.

L’ossidazione del piruvato è un importante processo catabolico, ma il piruvato può anche seguire una via anabolica.

ES: può fornire lo scheletro carbonioso per la sintesi dell’amminoacido alanina e per la sintesi degli acidi grassi.

Formazione di ATP e NADH accoppiata alla glicolisi

Durante la glicolisi parte dell’energia della molecola del glucosio viene conservata sotto forma di ATP, ma la maggior parte rimane nel prodotto finale, il piruvato.

Per ogni molecola di glucosio che viene degradata a piruvato si generano 2 molecole di ATP da ADP e P, e 2 molecole di NADH per riduzione del NAD⁺.

In condizioni standard, ma anche nelle condizioni non standard che prevalgono nella cellula, la glicolisi è un processo essenzialmente irreversibile, spinto da una netta diminuzione dell’energia libera.

L’energia rimasta nel piruvato

La glicolisi rilascia soltanto una piccola parte dell’energia totale disponibile nella molecola di glucosio.

Le 2 molecole di piruvato formate dalla glicolisi contengono ancora la maggior parte dell’energia utilizzabile, presente originariamente nella molecola del glucosio, energia che si otterrà dalle reazioni di ossidazione del ciclo dell’acido citrico, capitolo 16, e dalla fosforilazione ossidativa, capitolo 19.

Importanza degli intermedi fosforilati

Tutti i 9 intermedi glicolitici tra il glucosio e il piruvato sono fosforilati.

I gruppi fosforici sembrano avere 3 funzioni:

1. Poiché la membrana plasmatica generalmente non è dotata di trasportatori per gli zuccheri fosforilati, gli intermedi glicolitici fosforilati non possono uscire dalla cellula. Dopo la fosforilazione iniziale, non è necessaria altra energia per tenere all’interno delle cellule i composti fosforilati, anche se esiste una forte differenza di concentrazione di questi composti tra l’interno e l’esterno della cellula.
2. I gruppi fosforici sono componenti essenziali nei processi enzimatici di conservazione dell’energia metabolica. L’energia rilasciata dalla rottura dei legami fosfo-anidridici, come quello dell’ATP, viene parzialmente conservata nella formazione degli esteri fosforici, sostanze chimiche prodotte dal processo di esterificazione tra acido fosforico e alcol, come il glucosio 6-fosfato. I composti fosforilati ad alta energia che si formano nella glicolisi, 1,3-bisfosfoglicerato e fosfoenolpiruvato, donano i loro gruppi fosforici all’ADP e formano ATP.
3. Il legame del gruppo fosfato al sito attivo di un enzima produce un’energia di legame che contribuisce ad abbassare l’energia di attivazione e aumenta la specificità della reazione catalizzata dall’enzima, capitolo 6.

I gruppi fosforici di ADP, ATP e gli intermedi glicolitici formano complessi con l’Mg²⁺, e i siti di legame per i substrati di molti enzimi glicolitici sono specifici per questi complessi con l’Mg²⁺. Tutti gli enzimi glicolitici richiedono ioni Mg²⁺ per portare avanti la loro attività catalitica.

La glicolisi è strettamente regolata

La resa di ATP della glicolisi in condizioni aerobiche e anaerobiche è diversa:

• In condizioni anaerobiche è di 2 molecole di ATP per molecola di glucosio.
• In condizioni aerobiche è di 30-32 molecole di ATP per molecola di glucosio.

La resa in ATP della glicolisi in condizioni anaerobiche è nettamente inferiore a quella che si ottiene dalla completa ossidazione del glucosio a CO₂ in condizioni aerobiche.

Quindi in condizioni anaerobiche bisogna consumare 15 volte più glucosio per ottenere la stessa quantità di ATP.

Assorbimento del glucosio

L’assorbimento del glucosio dal sangue è mediato dalla famiglia dei trasportatori GLUT.

• GLUT 1-GLUT2: trasportatori presenti negli epatociti. Sono localizzati sulle membrane plasmatiche.
• GLUT 3: trasportatori presenti nei neuroni. Sono localizzati sulle membrane plasmatiche.
• GLUT 4: principale trasportatore di glucosio nel muscolo scheletrico, nel muscolo cardiaco e nel tessuto adiposo. Esso è sequestrato in piccole vescicole e si trasferisce sulla membrana plasmatica solo in risposta a un segnale insulinico.

Quindi nel muscolo scheletrico, nel cuore e nel tessuto adiposo l’assorbimento del glucosio e il suo metabolismo dipendono dal rilascio di insulina da parte delle cellule pancreatiche β in risposta a elevati livelli di glucosio nel sangue.

Soggetti affetti da diabete mellito di tipo 1, chiamato anche diabete insulino-dipendente, hanno poche cellule β e non possono rilasciare una quantità sufficiente di insulina per favorire l’assorbimento del glucosio nel muscolo scheletrico, nel cuore e nel tessuto adiposo.

Quindi dopo un pasto ricco di carboidrato, il glucosio si accumula fino a raggiungere livelli troppo elevati nel sangue, condizione chiamata iperglicemia.

Non potendo assimilare il glucosio, il muscolo e il tessuto adiposo utilizzano gli acidi grassi dei depositi di triacilgliceroli come principale combustibile metabolico. Nel fegato l’acetil-CoA che deriva dalla demolizione degli acidi grassi viene convertito in “corpi chetonici” quali acetoacetato e β-idrossibutirrato, che vengono esportati e trasferiti ad altri tessuti per essere anche essi utilizzati come combustibili.

Questi composti svolgono un ruolo fondamentale nel cervello che utilizza i corpi chetonici in alternativa al glucosio quando questo non è disponibile in quantità ottimali, gli acidi grassi non possono attraversare la barriera ematoencefalica e quindi non possono essere utilizzati dai neuroni.

Nel diabete di tipo 1, l’iperproduzione di acetoacetato e di β-idrossibutirrato genera un loro accumulo nel sangue, il cui pH diminuisce provocando una condizione di chetoacidosi che può essere mortale.

L’iniezione di insulina favorisce i seguenti eventi in successione: GLUT4 si trasferisce sulle membrane plasmatiche degli epatociti e degli adipociti, il glucosio viene assorbito da queste cellule e fosforilato, il livello ematico del glucosio diminuisce, insieme alla produzione di corpi chetonici. Il diabete mellito influenza profondamente il metabolismo sia dei carboidrati che dei grassi.

14.2 Vie di alimentazione della glicolisi

Oltre al glucosio, molti altri carboidrati entrano nella via glicolitica, dopo essere stati trasformati in uno degli intermedi della glicolisi.

I più importanti sono i polisaccaridi di deposito amido e glicogeno, presenti all’interno della cellula, endogeni, oppure ottenuti dalla dieta; i disaccaridi lattosio, maltosio, trealosio e saccarosio; e i monosaccaridi fruttosio, mannosio e galattosio.

I polisaccaridi e i disaccaridi della dieta vengono idrolizzati a monosaccaridi.

La fonte principale di carboidrati nell’uomo è l’amido assunto tramite la dieta. La sua digestione ha inizio nella bocca, dove l’α-amilasi salivare idrolizza i legami glicosidici α1→4 dell’amido, producendo corti frammenti polisaccaridici o oligosaccaridici, si noti che in questa reazione idrolitica è l’acqua, non il P, la specie che attacca il legame.

Il basso pH dello stomaco inattiva l’α-amilasi, ma una seconda forma di α-amilasi, secreta dal pancreas, prosegue il processo di demolizione nell’intestino tenue. L’α-amilasi