Glicolisi e gluconeogenesi

Glicolisi e gluconeogenesi

Il metabolismo rappresenta l'insieme delle reazioni che si verificano all'interno degli organismi viventi e si divide principalmente in due categorie:

Anabolismo e catabolismo

• Anabolismo: Comprende le reazioni che conducono alla sintesi di nuove sostanze organiche, contribuendo all'incorporazione di tali composti nel tessuto dell'organismo.
• Catabolismo: Coinvolge le reazioni che degradano sostanze organiche, trasformandole in prodotti inorganici molto semplici che vengono successivamente eliminati dall'organismo.

Tutte queste reazioni metaboliche sono catalizzate da specifici enzimi. Le reazioni metaboliche possono essere distinte in due categorie principali:

• Esoergoniche: Rilasciano energia durante il processo.
• Endoergoniche: Richiedono un apporto energetico esterno.

Processi energetici fondamentali

Processi fondamentali per la crescita, la riproduzione e il movimento cellulare richiedono l'energia immagazzinata nella molecola di adenosina trifosfato (ATP). Questa energia può essere generata attraverso due principali meccanismi:

• Fosforilazione ossidativa: Un processo che coinvolge il trasferimento di elettroni attraverso una catena di trasporto degli elettroni, generando ATP.
• Fosforilazione a livello del substrato: Un processo in cui l'ATP viene prodotta direttamente durante una reazione chimica, senza il coinvolgimento di una catena di trasporto degli elettroni.

In sintesi, il metabolismo regola l'equilibrio tra anabolismo e catabolismo per garantire un costante apporto energetico necessario per sostenere le diverse attività vitali degli organismi viventi.

Metabolismo dei carboidrati

L'eccesso di glucosio viene convertito in lipidi mediante la formazione di acidi grassi dall'acetil-CoA, i quali vengono successivamente depositati in triacilgliceroli.

Catabolismo dei carboidrati

Il glucosio è derivato dalla digestione di polisaccaridi, oligosaccaridi e disaccaridi. Viene assorbito a livello intestinale tramite il meccanismo di simporto utilizzando trasportatori S-GLUT, per poi essere trasportato all'interno delle cellule attraverso la diffusione facilitata con l'ausilio di trasportatori GLUT. Il simporto è un processo che comporta il trasferimento simultaneo di due diverse molecole nella stessa direzione.

GLUT1: 2 conformazioni, con il sito di legame per il glucosio aperto sul lato esterno della membrana e con il sito di legame esposto verso il citosol. GLUT1: trasportatore transmembrana che esiste in due conformazioni: aperta e il glucosio si lega al trasportatore.

Glicolisi

La glicolisi rappresenta la principale via di produzione di energia per tutti i sistemi viventi. Alcune cellule o tessuti, come la cornea, la midollare del rene e il cervello nei mammiferi, ottengono la totalità della loro energia attraverso la demolizione del glucosio tramite la glicolisi. Questo processo catabolico ossidativo genera coenzimi ridotti e ATP. Durante la glicolisi, il glucosio subisce una trasformazione in due molecole di piruvato (α-chetoacido).

La glicolisi procede attraverso 10 fasi, delle quali le prime cinque costituiscono la fase preparatoria. Successivamente, il piruvato, in presenza di ossigeno, entra nei mitocondri e si converte in acetil-CoA. In assenza di ossigeno, il piruvato subisce la fermentazione, nota come fermentazione lattica, dando luogo alla trasformazione del piruvato in lattato.

Questo processo avviene nel citosol e durante la glicolisi, tre reazioni rivestono particolare importanza:

• La degradazione dello scheletro carbonioso del glucosio nel composto non saccaridico (piruvato).
• La fosforilazione di ADP in ATP mediante un composto ad alta energia generato durante la glicolisi.
• Il trasferimento di atomi di idrogeno o elettroni al NAD⁺, formando NADH.

La glicolisi si compone di una fase preparatoria e di una fase di recupero energetico.

Fase preparatoria della glicolisi

La fase preparatoria avviene in 5 fasi:

• Il glucosio viene fosforilato a livello del -OH del C-6
• Il D-glucosio-6-fosfato viene convertito in D-fruttosio 6-fosfato
• Il D-fruttosio 6-fosfato viene fosforilato sul C-1 generando il D-fruttosio 1,6-bifosfato. In entrambe le tappe di fosforilazione il donatore dei gruppi fosforici è l’ATP.
• Il fruttosio 6-fosfato viene scisso in due molecole a 3 atomi di carbonio: il diidrossiacetone fosfato e la gliceraldeide 3-fosfato
• Il diidrossiacetone viene isomerizzato in una seconda molecola di gliceraldeide 3-fosfato.

Così termina la prima fase della glicolisi, durante la quale sono state utilizzate due molecole di ATP per scindere la molecola di glucosio a due molecole a 3 atomi di carbonio. Quindi nella fase preparatoria viene consumata energia.

1 Reazione della glicolisi: fosforilazione del glucosio sul gruppo alcolico in posizione 6

Il glucosio partecipa a una reazione catalizzata dall'enzima esochinasi, in cui avviene il trasferimento del gruppo fosfato dall'ATP al glucosio in posizione 6 (-OH). La molecola di ATP, composta da adenina e ribosio legati a tre gruppi fosfati, è coinvolta in questa interazione. L'esochinasi, per la sua attività catalitica, richiede la presenza di ioni Mg²⁺, poiché il vero substrato non è l'ATP, ma il complesso MgATP^2-. Questi ioni proteggono le cariche negative dei gruppi fosforici dell'ATP, agevolando l'accesso dell'atomo di fosforo terminale all'attacco nucleofilo dell'-OH del glucosio.

Durante il legame con il glucosio, l'esochinasi subisce modificazioni conformazionali attraverso un adattamento indotto. Quando l'ATP si lega, due domini della proteina si spostano, avvicinando l'ATP alla molecola di glucosio legata all'enzima e impedendo l'ingresso di acqua che potrebbe idrolizzare i legami fosfoanidridici dell'ATP. Questa reazione è irreversibile.

Nei mammiferi, esistono quattro isoforme di esochinasi. Le isoforme I, II e III hanno un Km compreso tra 10^-1 e 10^-3 mM, riconoscendo vari esosi e sono inibite dal prodotto (G 6P). L'isoforma IV, nota come glucochinasi, ha un Km di circa 10 mM ed è specifica per il glucosio, non essendo inibita dal G 6P.

Questa glucochinasi è attiva nel fegato e risponde a forti aumenti della concentrazione di glucosio nel sangue, come dopo i pasti. Negli epatociti, la presenza di una fosfatasi scinde il gruppo fosfato, permettendo al glucosio di essere rilasciato in circolo, contribuendo così a regolare il tasso ematico di glucosio. Il glucosio fosforilato, una volta formato, rimane intrappolato in quanto non può attraversare la membrana.

La glucochinasi IV immagazzina più glucosio rispetto alle altre isoforme a causa di un Km maggiore. Nel fegato, è presente esclusivamente la glucochinasi.

2 Reazione della glicolisi: 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'emiac