Glicolisi e gluconeogenesi

Il meccanismo di catalisi acido-base nel processo di isomerizzazione del glucosio 6-fosfato in fruttosio 6-fosfato

Il meccanismo di catalisi acido-base coinvolge l'apertura dell'anello emiacetalico per facilitare l'isomerizzazione. In particolare, l'isomerasi opera la trasformazione del glucosio 6-fosfato in fruttosio 6-fosfato mediante un meccanismo acido-base. Questo processo richiede la rottura dell'emiacetale, provocando la transizione del glucosio nella sua forma aperta. Un gruppo imidazolico di un'istidina si lega al protone rilasciato da C2 del glucosio 6-fosfato, formando così un intermedio noto come cis-enediolato. Successivamente, avviene l'eliminazione di un protone, accompagnata dalla formazione del doppio legame, con il legame del protone associato all'atomo del fruttosio. Questo processo provoca il passaggio del C2 da aldoso a chetoso.

La reazione della glicolisi comporta il consumo di una seconda molecola di ATP per fosforilare il fruttosio 6-fosfato sul gruppo alcolico in posizione 1.

Il fruttosio subisce una trasformazione in fruttosio 1,6-bisfosfato.

attraverso l'azione della fosfofrutto-chinasi 1, con il trasferimento del gruppo fosfato dall'ATP al C1 del fruttosio. Questa reazione è caratterizzata da irreversibilità. La fosfofrutto-chinasi 1 è soggetta a regolazione allosterica. La sua attività aumenta in presenza di diminuzione di ATP o accumulo dei prodotti derivati dalla demolizione dell'ATP (ADP e AMP). Al contrario, l'enzima viene inibito quando la concentrazione di ATP è elevata, la quale può aumentare attraverso il metabolismo degli acidi grassi. I composti contenenti due gruppi fosforici legati in posizioni diverse sono denominati bifosfato, mentre quelli con due gruppi fosforici legati tra loro sono chiamati difosfato (come nel caso dell'ADP). 4 REAZIONE DELLA GLICOLISI: conversione di composto a 6 atomi di C in due molecole a 3 atomi di C. La reazione è reversibile e si avvicina all'equilibrio nelle cellule, poiché a basse concentrazioni dei.

reagenti,la variazione di energia libera è modesta.Questo processo segue un meccanismo di catalisi covalente, in cui il fruttosio 1,6-bisfosfato reagisce conl'enzima (aldolasi) mediante un legame covalente. Durante questa interazione, il fruttosio 1,6-bifosfatoviene diviso in due triosi fosforilati distinti:

• Il C3 del fruttosio si converte in C1 nel diidrossiacetone (chetosio), mentre il C1 diventa C3.
• Il C4 si converte in C1 nella gliceraldeide (aldosio), il C5 diventa C2, e il C6 diventa C3.

5 REAZIONE DELLA GLICOLISI

Delle due molecole generate dalla scissione del fruttosio 1,6-bisfosfato, solo la gliceraldeide 3-P funge dasubstrato per la successiva reazione della glicolisi. Di conseguenza, il diidrossiacetonefosfato subisce unarapida conversione attraverso l'azione della triosi fosfato isomerasi, trasformandosi in D-gliceraldeide-3-fosfato.Con questa fase, si conclude la fase preparatoria, in cui l'esoribosio è stato fosforilato nei carboni.

C-1 e C-6, generando così due molecole di gliceraldeide.

Fase di recupero energetico

Durante la fase di guadagno energetico, si verifica la produzione di energia attraverso cinque fasi distintive:

1. Ogni molecola di gliceraldeide 3-fosfato subisce ossidazione e fosforilazione mediante il fosfato inorganico (non mediante l'ATP), generando 1,3-bifosfoglicerato. Il gruppo fosfato inorganico si lega al carbossile tramite un legame anidridico, con contemporanea trasferenza di un H+ al NAD+, che si riduce a NADH.
2. Il 1,3-bifosfoglicerato si trasforma in 3-fosfoglicerato grazie all'azione della fosfoglicerato chinasi, con conseguente produzione di ATP.
3. Il gruppo fosforico residuo si sposta dal C-3 al C-2 attraverso l'azione della fosfoglicerato mutasi, dando luogo al 2-fosfoglicerato.
4. La deidratazione attiva il gruppo fosforico, predisponendolo al suo trasferimento all'ADP. Grazie all'enolasi, si forma il fosfoenolpiruvato.
5. Si forma il piruvato e ATP.

L'energia liberata dall'ossidoriduzione viene impiegata per creare un'ANIDRIDE MISTA, che viene quindi immagazzinata sotto forma di elevato potenziale di trasferimento del gruppo fosfato. ⁶ REAZIONE DELLA GLICOLISI L'ossidazione dell'aldeide, un processo esoergonico, favorisce la sintesi dell'acilfosfato "ad alta energia" 1,3-bisfosfoglicerato (1,3-BPG), recuperando così l'energia necessaria per la formazione di ATP. +La reazione di ossidoriduzione coinvolge la riduzione di NAD a NADH, l'ossidazione del gruppo CHO in posizione 1 a COOH, che a sua volta si impegna in un legame fosfo-anidridico. La funzione aldeidica della gliceraldeide viene ossidata a funzione carbossilica, catalizzata dalla gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi, con il trasferimento di uno ione idruro al NAD, formando NADH. Il fosfato inorganico, non derivante dall'ATP, si lega al carbossile tramite un legame fosfo-anidridico, formando una fosfo-anidride. Ciascuna

molecola di gliceraldeide, generata nella prima fase di investimento energetico, partecipa alla seconda fase, indicata come 2x.

In assenza di ossigeno, il NADH ridotto viene riossidato nella fermentazione, mentre in presenza di ossigeno, entra nella catena respiratoria. È cruciale che il NAD venga continuamente riossidato per evitare l'arresto della glicolisi.

La gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi presenta un residuo di cisteina nel sito attivo, essenziale per la catalisi. L'inibizione irreversibile dell'enzima avviene quando il residuo di cisteina reagisce con un metallo 2+ pesante come l'Hg.

Nel sito attivo, la reazione inizia con il legame della cisteina alla gliceraldeide, seguito dal trasferimento di un protone acido alla catena laterale di un amminoacido che funge da base, formando il complesso enzima-substrato (gliceraldeide). La gliceraldeide si lega allo zolfo formando un tioacetale, seguito dal trasferimento di uno ione idruro al NAD ossidato, riducendo il

NAD e formando un legame tioestere (acil-enzima). Successivamente, il fosfato inorganico entra in gioco, causando la liberazione di 1,3-bifosfoglicerato e+NAD , il quale esce dal sito dell'enzima, mentre il NAD ossidato entra. La reazione è endoergonica.

1. REAZIONE DELLA GLICOLISI: prima fosforilazione a livello del substrato

Il 1,3-bifosfoglicerato è una molecola ad alta energia soggetta a idrolisi. Durante questa reazione, si rompe il legame fosfo-anidridico, liberando considerevole energia. Questa energia viene utilizzata per trasferire il gruppo fosfato dal fosfoglicerato all'ADP, formando ATP grazie all'enzima fosfoglicerato chinasi. Questa è una reazione esoergonica, accoppiata con la sesta reazione, dove è coinvolto l'intermedio metabolico comune, cioè il 1,3-bifosfoglicerato. In questa dinamica accoppiata, una reazione esoergonica trascina una reazione endoergonica, generando complessivamente due molecole di ATP. Le reazioni 6 e 7

Rappresentano un esempio di accoppiamento energetico, con il 1,3-bisfosfoglicerato come intermedio comune. Questo intermedio si forma nella reazione 6 (endoergonica), e successivamente il suo gruppo fosforico viene trasferito all'ADP nella reazione 7 (esoergonica). Entrambe le reazioni sono reversibili, e l'energia liberata dall'ossidazione del gruppo aldeidico a gruppo carbossilico viene conservata attraverso la formazione accoppiata di ATP da ADP e Pi, mantenendo così l'equilibrio dinamico.

Il 2,3-bifosfoglicerato svolge un ruolo nel modulare (ridurre) l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno, facilitandone il rilascio mediante la scissione del gruppo fosfato. In presenza di concentrazioni elevate, un'azione di una fosfatasi libera il gruppo fosfato in posizione 2, consentendo al 3-fosfoglicerato di rientrare nel ciclo della glicolisi.

8 REAZIONE DELLA GLICOLISI: 3-fosfoglicerato convertito in 2-fosfoglicerato

La fosfoglicerato mutasi

Converte il 2,3-bifosfoglicerato in 2-fosfoglicerato. Questo enzima catalizza un'oscambio reversibile del gruppo fosforico tra il C-2 e il C-3 del glicerato, e tale reazione richiede la presenza di ioni Mg²⁺. La reazione si svolge in due tappe. Inizialmente, la mutasi agisce utilizzando un gruppo fosfato legato a un'istidina ancorata al sito attivo. L'istidina, con un gruppo fosfato ad essa legato, viene trasferita dall'enzima all'ossigeno del gruppo OH sul C2 del 3-fosfoglicerato. Ciò porta alla formazione di 2,3-bifosfoglicerato, con il gruppo fosfato trasferito all'istidina. Successivamente, un'altra istidina cede uno ione H all'ossigeno, generando una funzione ossidrilica. È essenziale che ci sia un gruppo fosfato legato alla mutasi per consentire il corretto svolgimento della reazione. Il ciclo stesso contribuisce a rigenerare l'enzima fosfoglicerato mutasi, mantenendo così la continuità del processo.

9 REAZIONE DELLA

GLICOLISI: formazione del fosfoenolpiruvato, secondo intermedio ad "ad altaenergia"

Il 2-fosfoglicerato subisce una disidratazione con l'eliminazione di una molecola d'acqua, dando luogo alla formazione di un intermedio ad alta energia, il fosfoenolpiruvato. Quest'ultimo presenta un legame con un notevole potenziale di trasferimento del gruppo fosfato.

Il meccanismo della reazione enolasica coinvolge un intermedio enolico stabilizzato mediante la presenza di ioni Mg²⁺. Attraverso questa reazione, si converte un composto con un basso potenziale di trasferimento del gruppo fosforico (2-fosfoglicerato) in uno con un elevato potenziale di trasferimento (fosfoenolpiruvato).

10 REAZIONE DELLA GLICOLISI: seconda fosforilazione a livello del substrato

La reazione è fortemente esoergonica a causa della stabilizzazione per tautomerizzazione cheto-enolica del prodotto, rendendola irreversibile. Si verifica il trasferimento di un gruppo fosfato dal fosfoenolpiruvato all'ADP.

piruvato chinasi, che richiede la presenza di ioni K e Mg. Inizialmente, si forma l'enolpiruvato, che successivamente tautomerizza a piruvato, con quest'ultimo prevalente a pH 7. La variazione di energia libera standard è fortemente negativa, attribuibile alla conversione spontanea della forma enolica del piruvato nella forma chetonica. Complessivamente, durante questa reazione, vengono prodotte due molecole di ATP e due molecole di NADH (ridotto).

Esochinasi

Quattro isoenzimi sono codificati da quattro geni distinti:

• I, II, III: esochinasi responsabili della fosforilazione degli esosi. La loro attività è inibita in modo allosterico dal glucosio 6-fosfato, che rappresenta il prodotto della reazione. L'esochinasi viene inibita quando è presente un eccesso di glucosio 6-fosfato.
• IV (Glucochinasi): Nel fegato, non è soggetta

all'inibizione da parte del glucosio 6-fosfato. La suaregolazione avviene attraverso la segre