3 Glicolisi e destini metabolici del piruvato, reazioni chimiche, regolazione e funzioni

Metabolismo dei carboidrati

ovvero

Metabolismo del Glucosio

Attraverso il processo di digestione, polisaccaridi e disaccaridi vengono convertiti nelle loro componenti

monosaccsridiche: glucosio, fruttosio, lattosio e saccarosio

Digestione dei carboidrati α-amilasi

contenuti negli alimenti Glucosio, Fruttosio

Lattosio, Saccarosio

salivare Trealosio,

Destrine dell‛amido,

Maltosio, Isomaltosio

Fibre indigeribili

Glucosio, Fruttosio

Lattosio, Saccarosio

Trealosio,

Amido, Glicogeno

Fibre indigeribili α-amilasi

pancreatica

(nel duodeno)

Glucosio, Fruttosio

Lattosio, Saccarosio

Trealosio,

Maltosio, Isomaltosio

Fibre indigeribili

Glucosio isomaltasi,

Fruttosio

Galattosio maltasi,

Mannosio lattasi,

saccarasi,

trealasi

Fibre indigeribili

Assorbimento dei monosaccaridi a livello dell‛epitelio intestinale

2

1 1

Diffusione facilitata

1 Na -indipendente

+ le conc nel lume intestinale sn molto elevate)

(quando

Trasporto attivo

2 secondario ATP- e

Na -dipendente

+

Na entra secondo gradiente

portandosi dietro i monosaccaridi Trasporto attivo di tipo secondario

1

1 Circolo Fegato

portale

Vena porta —> epatocita, dove vengono metabolizzati e convertiti in glucosio / intermedi metabolici che può

entrare nella circolazione sistemica (solo il glucosio può!)

Assorbimento e trasporto del Glucosio e degli altri monosaccaridi

I monosaccaridi vengono assorbiti dalle cellule della mucosa intestinale, attraverso dei trasportatori: essendo i

monosaccaridi dei polialcoli, hanno bisogno di trasportatori specifici per poter entrare nelle cellule.

I trasportatori si trovano sulle cellule dell'orletto a spazzola. La 1a reazione cui va incontro il Glu

Metabolismo è la fosforilazione a glu-6-P, che resta

del Glucosio immagazzinato nel citoplasma della

Digestione, assorbimento,

Principali cellula e non può essere utilizzato —>

trasporto

carboidrati esochinasi

enzima che fosforila l'OH

della dieta in posizione 6: trasferisce un P da

Amido ATP, liberando ADP.

Saccarosio GLUCOSIO

Lattosio

Fruttosio

Glucosio

A livello dell'epatocita il

glucosio è metabolizzato e in

parte rilasciato in circolo per il

metabolismo di tutte le cellule. GLUCOSIO 6-FOSFATO

Fosforilazione del Glc a Glc-6-P (reazione citoplasmatica)

Glucosio

Esochinasi

G‛° = -16,7 kJ/mole Mg

++ (EK)

irreversibile Glucosio 6-fosfato

Il G6P può andare incontro a diversi

destini metabolici: Sintesi di altri

Glicolisi Glicogeno

Via dei monosaccaridi,

sintesi

pentosi di lattosio,

fosfato ( Costituenti dei

di glicolipidi, di GAG proteoglicani)

Defosforilazione del Glc-6-P a Glucosio

Quella catalizzata dalle EK (esochinasi) una reazione

irreversibile! La reazione inversa richiede un enzima

(fosfatasi), tessuto-specifico => solo le cellule che lo

possiedono possono liberare il glucosio che può andare

in circolo per raggiungere tutti i distretti in cui è

necessario => tutte le cellule che non hanno questo

enzima, una volta che acquisiscono glu, lo fosforilano e

non possono più liberarlo (es neuroni).

H O

2

Glucosio-6-fosfato fosfatasi

Pi La Glc-6-P fosfatasi è un enzima tessuto-

specifico, presente ad elevati livelli nel

nelle cellule

fegato, ma espressa anche

dei reni, negli enterociti e nelle cellule

del pancreas .

Fosforilazione del Glc a Glc-6-P (reazione citoplasmatica)

Esochinasi (EK)

nei tessuti l‛esochinasi è presente in diverse

isoforme che costituiscono quindi una famiglia

Glucosio di isoenzimi tessuto-specifici:

Esochinasi

G‛° = -16,7 kJ/mole nell‛uomo si distinguono 4 isoforme dette

Mg

++ (EK) EK-I, EK-II, EK-III e EK-IV.

irreversibile Queste isoforme catalizzano tutte la stessa

reazione chimica, ma differiscono per le

loro proprietà cinetiche e di regolazione.

inibizione da

NB: L‛EK-IV è più comunemente nota come

prodotto —> un glucochinas

i (GK).

aumento della conc di

glu provoca

un'inibizione Esochinasi:

• Km bassa ≈ alta affinità per il glucosio. È inibita in

enzimatica che modo allosterico dal prodotto di reazione glucosio-6-fosfato

impedisce ad altro glu Glucochinasi:

• Km alta ≈ bassa affinità per il glucosio. È inibita in

Glucosio 6-fosfato

di entrare nella cellula. modo allosterico dal fruttosio-6-fosfato

Sintesi di altri

Glicolisi Glicogeno

Via dei monosaccaridi,

sintesi

pentosi di lattosio,

fosfato di glicolipidi, di GAG

• EK-I è l‛isoforma citosolubile più Sono le più diffuse, ed hanno un'elevata affinità per

ubiquitaria e predominante nel il glucosio, rispetto agli altri monosaccaridi, ma

cervello possono anche fosforilate galattosio, fruttosio e

specificità relativa:

mannosio => possono

• EK-II è l‛isoforma prevalente nei miociti fosforilare anche altri esosi in mancanza di glu.

V max

1. isoforme con elevata affinità e specificità Sono enzimi che seguono la della glucochinasi

per il Glc (negli eritrociti, Km = 0.1 mM; nel cinetica di michaelis menten:

cervello, Km = 0.01 mM; nei miociti, Km = 0.2 sono SATURABILI e

ma sono capaci di fosforilare altri

mM) raggiungono, all'aumentare

enzimatica

esosi (Gal, Man, Fru) della conc di glu, una velocità

massimale per cui, anche se Glucochinasi

2. sono inibite dal prodotto Glc-6-P aumenta la conc di glu, la vel Glucosio

non aumenta ulteriormente.

3. sono saturabili : a livelli glicemici “normali” Fruttosio 6-P

(4-5 mM) lavorano a V max Insulina

Attività

• EK-IV o glucochinasi (GK) è l‛isoforma

specifica del fegato, ma è presente anche V dell‛esochinasi

max

nelle cellule dei reni, negli enterociti e nelle Esochinasi

cellule del pancreas Glucosio-6-P

1. isoforma con minore affinità per il Glc

ma in grado di fosforilare

(Km = 10 mM)

solo Glc —> vedere cinetica in relazione alla

variazione di conc di substrato

2. non è inibita dal prodotto Glc-6-P, ma Km Km

dal Fru-6-P che la “sequestra” nel nucleo dell‛esochinasi della glucochinasi

3. è difficilmente saturabile : a livelli Concentrazione del Glucosio (mM)

glicemici “normali” (4-5 mM) lavora molto

GK: Epatocita ha capacità di internalizzare glu più di altri tessuti: è infatti meno affine per il glu,

al di sotto della sua V

max ma interviene quando le conc di glu sn maggiori. È un enzima difficilmente saturabile: è difficile

4. è inducibile dall‛insulina che il glu si accumuli nella cellula perchè il G6P sintetizzato prende altre vie metaboliche.

Azione del Fruttosio 6-fosfato sulla glucochinasi (EK-IV o GK)

Nel fegato la glucochinasi (esochinasi IV) è regolata dalla sua alta affinità per la “proteina regolatrice” nucleare.

• Questo complesso non esce nel citoplasma prima che la glicolisi abbia inizio

• A differenza del muscolo, la glucochinasi nel fegato non è INIBITA dal Glucosio-6-fosfato.

Capillare Nucleo

Citoplasma

Glucosio

Glucosio +

Glucochinasi Glucochinasi

Membrana (GK) (GK)

+

plasmatica Proteina

Glucosio 6-fosfato regolatoria

Fruttosio 6-fosfato

Glc libero e Fru-6-P competono per lo stesso sito di legame

se aumenta [Fruttosio 6-P], GK è inattiva sequestrata nel nucleo dalla proteina regolatoria

◦ Glc libero e Fru-6-P competono per lo stesso sito di legame

se aumenta [Glucosio], GK si dissocia dalla proteina regolatoria e trasloca nel citoplasma: il

◦ glucosio compete con F6G

e la glucochinasi va nel citosol;

- se aumenta [Fruttosio 6-P], GK è inattiva sequestrata nel nucleo dalla proteina regolatoria

GK:

=> un accumulo di glu nell'epatocita attiva la

• Quando nell'epatocita entra tanto glu, questi alti livelli promuovono la dissociazione del complesso => GK esce e va nel

- se aumenta [Glucosio], GK si dissocia dalla proteina regolatoria e trasloca nel citoplasma

citoplasma, dove sintetizza G6P, che può essere convertito in F6P

• Il F6P favorisce la rientrata della GK nel nucleo e la sua ri-associazione con la proteina regolatoria => inibizione

Principali destini metabolici del Glucosio-6-fosfato

Metabolismo ossidativo: è la via

metabolica citoplasmatica che permette

di degradare il G6P in 2 molecole di

piruvato, attraverso reazioni che

sintetizzano ATP e producono NADH.

Il pir può seguire 2 destini

1. Conversione in acetil CoA => ciclo

TCA, solo in con aerobiche

2. Conversione in lattato in cellule che

non hanno disponibilità di O2

(anaerobiosi) —> cellule che mancano

di mitocondri / cellule che li

possiedono ma in quel mom non

hanno O2. Glicolisi Sintesi di altri

Via dei Glicogeno monosaccaridi,

pentoso sintesi di lattosio,

fosfati di glicolipidi, di GAG

Glicolisi: produzione di ATP dal Glucosio

GLUCOSIO

in organismi anaerobi

ma anche in organismi aerobi Per “glicolisi” s‛intende il

quando sono processo catabolico di

in condizioni di anaerobiosi degradazione ossidativa

NADH del Glucosio in acido piruvico

PIRUVATO (o piruvato).

9 reazioni chimiche che portano alla formazione di NADH in organismi aerobi

piruvato. Il processo glicolitico avviene in tutti i i

tipi cellulari sia in presenza che in assenza di O2. in condizioni di aerobiosi

Le reazioni partono dal G6P.

NB: SONO TUTTE REAZIONI CHE AVVENGONO

NEL CITOPLASMA ! Glicolisi

- è un processo citoplasmatico ubiquitario

(Avviene in tutti i tipi cellulari!)

- avviene in condizioni sia di aerobiosi

sia di anaerobiosi Fase I: 1

- comprende 9 reazioni di cui 2 irreversibili fase

preparatoria 2

- deve il nome alla terza tappa, la “tappa litica”

tappa 3

(= in cui il chetoso bifosforilato viene scisso

- si divide in due fasi: ('litica') in 2 triosi => divide la via glicolitica in 2 fasi 3

- fase preparataria —> Esoso scisso in 2 triosi con consumo di E 4

-fase di recupero energetico —> Recupero energetico: i 2 triosi sn

convertiti in piruvato, con produzione di ATP

- è accoppiato, per ogni mol di Glc, alla 5

formazione di 2 mol di piruvato

2 mol di ATP Fase II:

2 mol di NADH fase di

2 mol di H O 6

2 generazione

dell‛ATP

+

glucosio + 2 ATP + 2 NAD + 2 Pi (o fase di 7

recupero

energetico)

+ 8

2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + 2 H O

2

G‛° = -90 kJ/mole 9

irreversibile

INTERMEDI FOSFORILATI!

Sono tutti —> questo per impedire ai vari metaboliti di uscire dalla cellula: la fosforilazione

A. Mantiene gli intermedi glicolitici all'interno della cellula.

B. È un modo per conservare l'E contenuta nel glu

C. Avere substrati fosforilati aumenta la capacità dell'enzima di formare legami con il substrato attivo => diminuisce l'E di

Importanza degli intermedi glicolitici fosforilati

attivazione

- anche se esiste una forte differenza di concentrazione di questi

composti tra l‛interno e l‛esterno della cellula, gli intermedi glicolitici

fosforilati non possono uscire dalla cellula

- i gruppi fosforici sono componenti essenziali nei processi enzimatici di

conservazione dell‛energia metabolica: l‛energia rilasciata dalla rottura

dei legami fosfoanidridici (es. quelli dell‛ATP), viene parzialmente

conservata nella formazione degli esteri fosforici (es. Glc-6-P)

- il legame del gruppo fosforico al sito attivo di un enzima produce

un‛energia di legame che contribuisce ad abbassare l‛energia di attivazione

e ad aumentare la specificità della reazione catalizzata dall‛enzima

Glicolisi: reazioni della fase I - fase preparatoria

G‛°= +1,7 kJ/mole

reversibile 1.

++

Mg 1.

Isomerizzazione del Glc-6-P a Fru-6-P

Isomerizzazione del Glc-6-P a Fru-6-P

Fosfogluco

isomerasi

1 Fruttosio 6-fosfato

Glucosio 6-fosfato ++

Mg

aldo-esoso cheto-esoso:

In questa reaz si ha l'isomerizzazione di un fosforilato in 6 (fosfo aldo esoso) nel corrispondente

conversione di uno zucchero aldeidico in zucchero chetonico, reaz catalizzata da un'isomerasi (fosfo-gluco-isomerasi).

reazione reversibile:

È una una volta che il G6P è traformato in F6P, questo potrebbe essere ri-convertito in G6P => è la

tappa successiva che indiriza il glu irrevversibilmente alla via glicolitica. Diidrossiaceton

fosfato

Fruttosio 1,6-

bisfosfato Gliceraldeide 3-fosfato

Glicolisi: reazioni della fase I - fase preparatoria

G‛°= +1,7 kJ/mole

reversibile

++

Mg

Fosfoglucosio

isomerasi

1 Fruttosio 6-fosfato

Glucosio 6-fosfato 2 G‛°= -14,2 kJ/mole

Fosfofruttochinasi 1 ++

Mg irreversibile

(PFK-1)

L'enzima fosforila il F6P anche

sull'ossidrile in 1. Il P è donato da una 2.

molecola di ATP => parte dell'E liberata è Fosforilazione del Fru-6-P a Fru-1,6-BP

conservata nel prodotto finale. E‛ questa la tappa “impegnata” che destina

Diidrossiaceton

PRIMA TAPPA IRREVERSIBILE

È la => irreversibilmente il Glc nella glicolisi.

fosfato

per la reazione inversa serve un enzima

completamente diverso.

È quindi una tappa IMPEGNATA: la vel con

cui l'enzima catalizza la reazione di

fosforilazione, determina la velocità con

cui procede la via catalitica (Glicolisi) => la

quantità di piruvato che si forma alla fine

della via catalitica. Fruttosio 1,6-

bisfosfato Gliceraldeide 3-fosfato

Glicolisi: reazioni della fase I - fase preparatoria

Il fruttosio 1,6 bifosfatoviene scisso in 2

zuccheri a 3C fosforilati, uno chetonico e

G‛°= +1,7 kJ/mole l'altro aldeidico.

TAPPA LITICA:

Questa è la scissione, lisi

reversibile dello zucchero a 6C. È una reazione che

++

Mg avviene con un meccanismo aldolico ed è

aldolasi-A liasi

catalizzata dall'enzima = che

Fosfoglucosio scinde il leg C-C.

isomerasi tappa reversibile:

È una i triosi possono ri-

condensare fra loro a ridare lo zucchero a 6C.

1 Fruttosio 6-fosfato

Glucosio 6-fosfato 2 G‛°= -14,2 kJ/mole

Fosfofruttochinasi 1 ++

Mg irreversibile

(PFK-1) Diidrossiaceton CHETONICO

fosfato

Aldolasi A

Scissione

aldolica 3

reversibile

G‛°= +23,8 kJ/mole

3.

Demolizione del Fru-1,6-BP Fruttosio 1,6-

in due triosi bisfosfato Gliceraldeide 3-fosfato ALDEIDICO

Glicolisi: reazioni della fase I - fase preparatoria

G‛°= +1,7 kJ/mole

reversibile

++

Mg

Fosfoglucosio

isomerasi Sn zuccheri che possono convertirsi

1 uno nell'altro attraverso un'altro enzima

dosfato isomerasi),

(Trioso tappa

Fruttosio 6-fosfato

Glucosio 6-fosfato reversibile.

anch'essa

2 G‛°= -14,2 kJ/mole

Fosfofruttochinasi 1 4.

++

Mg irreversibile Interconversione

(PFK-1) dei due triosi

Diidrossiaceton Trioso

fosfato

fosfato

Aldolasi A 4

Scissione isomerasi

aldolica reversibile

3

reversibile G‛°= +7,5 kJ/mole

G‛°= +23,8 kJ/mole Fruttosio 1,6-

bisfosfato Gliceraldeide 3-fosfato

Destino degli atomi di C del glucosio nella formazione della gliceraldeide 3-P

Derivati dai

carboni del

Fruttosio 1,6-bisfosfato glucosio Gliceraldeide

3-fosfato

Successive

reazioni della

Derivati dai

Derivati dai glicolisi

carboni del

carboni del aldolasi A glucosio

glucosio Diidrossiaceton Gliceraldeide

fosfato 3-fosfato

trioso fosfato

isomerasi

NB: la reazione spostata verso il diidossiaceton fosfato! Tuttavia è la gliceraldeide 3P che viene continuamente

sottratta dall'enzima successivo => continua conversione in gliceraldeide 3P per mantenere l'equilibrio.

Glicolisi: reazioni della fase II

fase di generazione dell‛ATP

o di recupero energetico

Diidrossiaceton

Aldolasi A Trioso

fosfato fosfato

5 isomerasi

Gliceraldeide 3-fosfato

Gliceraldeide 3-

G‛°= +6,3 kJ/mole 5 5.

fosfato

reversibile Ossidazione della

deidrogenasi gliceraldeide-3-P

Acil fosfato ox fosforilazione:

Sia reazione di che di il gruppo aldeidico

ad alta energia della gliceraldeide deve essere ox

coenzima di redox

È necessario quindi un = NAD: il

substrado si ossida a glicerato perdendo H e il NAD si riduce

1,3-bisfosfoglicerato gliceraldeide 3P

a NADH. L'enzima che catalizza la reaz è la

deidrogenasi.

Legame fosfo-estereo, fosfo-anidridico ad

Mg

2+ reazione reversibile

È una che permette di ottenere l'1,3

alto contenuto E. bifosfoglicerato, ad alto contenuto E.

GLICERALDEIDE VIENE OX A GLICERATO E FOSFORILATA.

Per questa reazione serve NAD nella forma ossidata, altrimentei non si ottiene l'1,3-bifosfoglicerato!

3-fosfoglicerato

Meccanismo di reazione della gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi

Gliceraldeide 3-fosfato cisteina

L'enzima ha nel sito catalitico un residuo di e ha un sito di

legame ad alta affinità per il coenzima NAD nella forma ox, piuttosto che

per il NADH nella forma red.

1. La gliceraldeide 3P si lega al sito catalitico: il suo gruppo aldeidico

tioemiacetalico

forma un legame con il SH della cisteina (gruppo C=O

2.

diventa C-OH); Il N