Biochimica

Metabolismo dei carboidrati

Al centro del metabolismo dei carboidrati c'è il glucosio, il monosaccaride più importante del nostro organismo. Vie principali di sintesi e degradazione del glucosio: il glucosio può essere convertito in piruvato tramite la glicolisi, la via catabolica più importante; con una via sintetica anabolica quasi inversa alla glicolisi, la gluconeogenesi, avviene, invece, la sintesi ex-novo di glucosio.

Il glucosio, però, può essere anche depositato come riserva nel nostro organismo, in particolare nel fegato e nei muscoli, sotto forma del polimero di riserva glicogeno. La via di sintesi del glicogeno a partire dal glucosio si chiama glicogenosintesi; la via inversa, che si attiva in situazioni di digiuno quando siamo in carenza di glucosio e che porta a liberare glucosio a partire dal glicogeno, si chiama glicogenolisi.

Inoltre, il glucosio può essere trasformato in una via alternativa che si chiama via del pentoso fosfato, che porta alla produzione di vari tipi di zuccheri; questa è una via ossidativa catabolica, quindi produce coenzimi ridotti.

Un'altra possibile trasformazione del glucosio è quella in glucuronato, una molecola che ha la forma ossidata del glucosio in posizione 6 (ha il carbonio 6 ossidato), importante nel fegato per la detossificazione epatica sia da molecole endogene come la bile e l'urina, sia da farmaci (in generale, molecole che sono idrofobiche e difficilmente allontanabili dall'organismo). Queste sostanze vengono coniugate con il glucuronato per renderle più idrosolubili e favorire il loro allontanamento tramite la via epatica.

Glicolisi

È la più importante tra le vie metaboliche; avviene in tutte le cellule del nostro organismo, per questo è detta ubiquitaria. È una via catabolica ossidativa, che in realtà non ha una grandissima resa energetica, perché porta alla produzione di due sole molecole di ATP per ogni molecola di glucosio che entra nella via. Questa via è molto antica, infatti la ritroviamo nei batteri, nelle piante e in tutti gli organismi conosciuti. Può avvenire sia in presenza che in assenza di ossigeno, quindi anche le prime forme di vita ancestrali potevano già utilizzare questa via per produrre energia.

La glicolisi è composta da 10 reazioni catalizzate da diversi enzimi; si divide in due fasi:

• La fase preparatoria, composta dalle prime 5 reazioni;
• La fase del recupero energetico, dove si produce ATP; questa è la vera fase ossidativa della via metabolica.

Prima reazione

La prima reazione della glicolisi è la conversione del glucosio in glucosio 6-fosfato, che è la forma metabolicamente attiva del glucosio stesso; questa reazione avviene in tutti i tessuti dell'organismo non appena il glucosio viene assorbito dalla cellula. L'attacco di un gruppo fosfato, che sappiamo essere ricco di cariche negative, conferisce alla molecola di glucosio una carica netta negativa. Questo è importante perché l'interno delle membrane plasmatiche cellulari è carico negativamente, quindi queste molecole non possono più uscire dalla cellula, dato che le cariche negative si respingono a vicenda.

Questa reazione consuma energia, infatti ne prende parte una molecola di ATP (adenosintrifosfato): il legame ad alta energia di quest'ultimo viene rotto per idrolisi; in questo modo viene liberato il gruppo fosfato, che viene trasferito al carbonio 6 del glucosio, in presenza di ioni magnesio (Mg²⁺). Alla fine della reazione troviamo, quindi, il glucosio 6-fosfato più una molecola di ADP (adenosindifosfato); questa è una reazione irreversibile e viene catalizzata dall'enzima esochinasi (o esocinasi). Nel fegato, oltre a questo, esiste un isoenzima che si chiama glucochinasi (o glucocinasi), che catalizza sempre questa stessa reazione, ma ha una Km (affinità tra il substrato e l'enzima) molto più alta (quindi un'affinità minore?).

Questo enzima funziona negli epatociti solo quando i livelli ematici di glucosio (concentrazione di zuccheri nel sangue), e quindi anche il livello di glucosio che entra nella cellula epatica, sono molto alti, perché la Km ci dice l'efficienza e l'affinità dell'enzima per il substrato. La glucochinasi epatica diventa attiva solo in iperglicemia, cioè dopo i pasti; per questo il fegato è l'organo tampone della glicemia, dato che assorbe una grande quantità di zuccheri dal sangue e, di fatto, ne abbassa la concentrazione ematica.

Seconda reazione

La seconda reazione è la trasformazione del glucosio 6-fosfato nel suo isomero strutturale fruttosio 6-fosfato, uno zucchero chetoso (in cui il carbonio che forma il doppio legame con l'ossigeno è il secondo, non il primo come negli zuccheri aldosi); questa reazione è catalizzata dall'enzima glucosio 6-fosfato isomerasi e, a differenza di quella precedente, è reversibile (può avvenire dal glucosio 6-fosfato al fruttosio 6-fosfato e viceversa).

Terza reazione

Nella terza reazione, il fruttosio 6-fosfato reagisce con una molecola di ATP, che cede un gruppo fosfato, il quale si va ad attaccare al carbonio numero 1: si forma un composto che si chiama fruttosio 1,6-bisfosfato e l'ATP viene liberato sotto forma di ADP. La reazione avviene in presenza di ioni magnesio ed è nuovamente una reazione irreversibile. La prima e la terza si dicono anche reazioni di fosforilazione, perché il gruppo fosfato viene attaccato su un substrato.

Fino a questo punto vengono consumate due molecole di ATP. Questa reazione è particolarmente importante perché è la più lenta di tutta la glicolisi e, proprio per questo motivo, è anche la reazione che controlla l'intera via metabolica. L'enzima che catalizza questa reazione, che si chiama fosfofruttocinasi 1 (1 perché attacca il gruppo fosfato al carbonio 1), è controllato finemente sia da ormoni sia da metabolismi intracellulari, in modo che la glicolisi possa essere attivata o inibita in funzione delle esigenze energetiche.

Infatti, l'enzima fosfofruttocinasi 1 viene attivato da un'alta concentrazione intracellulare di AMP e di ADP; ciò significa che la cellula in quel momento ha una bassa carica energetica, perché, essendo presenti alti livelli di AMP e ADP, ci sarà poco ATP, che dovrà essere prodotto attivando l'enzima e quindi una reazione a cascata. Al contrario, un'alta concentrazione di ATP inibisce l'attivazione dell'enzima e quindi la glicolisi stessa.

• Un composto che si chiama citrato, che è un intermedio del ciclo di Krebs (via successiva alla glicolisi) ed è un inibitore della fosfofruttocinasi;
• Un composto che si chiama fruttosio 2,6-bisfosfato, attivatore della via glicolitica, molto simile al prodotto della reazione (invece di avere due gruppi fosfato legati in posizione 1 e 6, li ha legati in posizione 2 e 6), che viene controllato dagli ormoni insulina e glucagone, i due ormoni chiave nella regolazione della glicemia. In particolare, l'insulina, che è l'ormone prodotto dopo i pasti, che tende ad abbassare i livelli di glicemia nel sangue (ipoglicemizzante), attiva la formazione di fruttosio 2,6-bisfosfato e quindi aziona l'enzima fosfofruttocinasi 1. Al contrario, il glucagone, antagonista dell'insulina, prodotto in fase di digiuno e tendente ad innalzare la glicemia, abbassa i livelli di fruttosio 2,6-bisfosfato e quindi va a bloccare la glicolisi.

Quarta reazione

Nella quarta reazione, il fruttosio 1,6-bisfosfato, che è uno zucchero a 6 atomi di carbonio legato a due gruppi fosfato, viene spezzato in due molecole a 3 atomi di carbonio: il diidrossiacetone fosfato e la gliceraldeide 3-fosfato; l'enzima che catalizza questa reazione si chiama aldolasi. Questa reazione è reversibile, può avvenire nei due sensi.

Quinta reazione

La quinta reazione consiste nella conversione del diidrossiacetone fosfato in gliceraldeide 3-fosfato: uno dei due prodotti, che si sono formati per scissione della molecola, viene convertito nell'altro. Infatti, questi prodotti sono due isomeri: il primo è un chetoso e il secondo è un aldoso (cambia solo la posizione del carbonio che forma il doppio legame con l'ossigeno, che si sposta dal carbonio 2 al carbonio 1). L'enzima che catalizza la reazione si chiama triosofosfato isomerasi e la reazione è reversibile.

Alla fine della fase preparatoria abbiamo, quindi, due molecole di gliceraldeide 3-fosfato. In seguito entriamo nella fase del recupero energetico e, anche se elenchiamo le reazioni prendendo in considerazione una sola molecola di gliceraldeide 3-fosfato, dobbiamo ricordarci che tutto è moltiplicato per due.

Sesta reazione

Nella sesta reazione, la gliceraldeide 3-fosfato viene ossidata (questa è l'unica reazione redox della glicolisi) e viene trasformata nel corrispondente acido, che si chiama glicerato: il carbonio numero 1, da un carbonio carbonilico aldeidico, diventa un carbonio carbossilico; inoltre, si lega un gruppo fosfato. Per quanto riguarda la reazione ossidativa, la gliceraldeide si ossida e il coenzima NAD si riduce (prende due elettroni e due ioni idrogeno H⁺). Sul carbonio ossidato numero 1 del glicerato si va a legare un gruppo fosfato, che non origina da una molecola di ATP (quindi non viene idrolizzato nessun legame ad alta energia), ma è un gruppo fosfato libero, che forma un legame ad alta energia (legame fosfo-anidridico) grazie all'energia liberata dall'ossidazione della gliceraldeide. Il composto finale si chiama 1,3-bisfosfoglicerato e l'enzima che catalizza la reazione è una deidrogenasi (enzima che catalizza le ossidoriduzioni), che si chiama gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi.

N.B. I nomi degli enzimi di solito sono composti da due parti: la prima parte si riferisce al substrato o, qualche volta, al prodotto della reazione; la seconda parte si riferisce al tipo di reazione.

Settima reazione

Nella settima reazione l'1,3-bisfosfoglicerato, che contiene un legame ad alta energia di idrolisi, reagisce con una molecola di ADP (formata da adenina, ribosio e due gruppi fosfato) e trasferisce l'energia del legame: il gruppo fosfato, che si era appena legato sul carbonio 1, viene trasferito all'ADP, questa diventa ATP e viene liberato come prodotto il 3-fosfoglicerato. Questa reazione è strettamente accoppiata a quella precedente e, grazie a questo, si può dire che complessivamente le due sono reazioni reversibili. Il catalizzatore è la fosfoglicerato chinasi e la reazione considerata è la prima che porta alla produzione di energia. Il bilancio totale fin qui è zero, perché due molecole di ATP sono state consumate nella prima fase e altre due sono state prodotte (perché va moltiplicato per due).

Ottava reazione

Nell'ottava reazione il 3-fosfoglicerato viene trasformato in un suo isomero: il gruppo fosfato, che per ora era legato al carbonio numero 3, viene trasferito sul carbonio numero 2 e si forma un composto che si chiama 2-fosfoglicerato. L'enzima che trasferisce il gruppo fosfato è una mutasi, che si chiama fosfoglicerato mutasi e anche questa è una reazione reversibile, che avviene in presenza di ioni magnesio.

Nona reazione

Nella nona reazione il 2-fosfoglicerato libera una molecola di acqua (reazione di deidratazione), la quale proviene in parte dal carbonio 3 (gruppo OH) e in parte dal carbonio 2 (atomo di idrogeno). Gli atomi di carbonio 2 e 3, che adesso avrebbero un legame in meno ciascuno, vanno a formare fra loro un doppio legame covalente. Si forma, quindi, un composto che si dice enolo per la presenza di questo doppio legame, che si chiama fosfoenolpiruvato. La reazione è reversibile ed è catalizzata dall'enzima enolasi.

Decima reazione

Il fosfoenolpiruvato contiene un legame ad alta energia di idrolisi, infatti, nella decima e ultima reazione si produce nuovamente una molecola di ATP: il fosfoenolpiruvato reagisce con una molecola di ADP, cedendo il suo gruppo fosfato, e quindi otteniamo come prodotto una molecola di ATP e il prodotto finale della via glicolitica, il piruvato. Il piruvato ha il primo carbonio carbossilico (con carica negativa), il secondo carbonio chetonico (ha doppio legame con l'ossigeno; C=O) e il terzo carbonio con tre atomi di idrogeno (in forma ridotta). Questa reazione è irreversibile ed è catalizzata dall'enzima piruvato chinasi (o piruvato cinasi). Complessivamente la resa è di 2 molecole di ATP per ogni glucosio che entra nella prima reazione della glicolisi.

Condizioni anaerobiche

A questo punto, ci sono due possibilità:

• Se siamo in condizioni anaerobiche, in cui l'ossigeno è assente o non è sufficiente, si va incontro ad un processo di fermentazione; questa via è quella più antica e tuttora avviene, ad esempio nei lieviti e nei batteri, prevalentemente come fermentazione alcolica, dove il piruvato, mediante l'enzima piruvato decarbossilasi (che toglie CO₂), si trasforma in aldeide acetica (o acetaldeide). Questa poi subisce una reazione riduttiva e diventa etanolo, grazie all'enzima alcol deidrogenasi. Questo processo viene comunemente sfruttato per la panificazione e per la produzione del vino, della birra e della maggior parte delle bevande alcoliche, però non avviene nel nostro organismo.
• Nel nostro organismo avviene la fermentazione lattica, in particolare nei miociti (quindi non in tutte le cellule del nostro organismo, ma solo nel tessuto muscolare); in questo processo, il piruvato, tramite una sola reazione di riduzione, accetta due elettroni e due ioni idrogeno e si trasforma in acido lattico (o lattato), grazie all'enzima lattico (o lattato) deidrogenasi (esempio classico di isoenzima, che viene misurato in ospedale per sospetto infarto del miocardio). Questo enzima trasferisce gli elettroni dal coenzima NADH + H⁺ al piruvato, trasformandolo in lattato: il coenzima NAD viene ossidato. Ciò è di fondamentale importanza, perché, se nel tessuto muscolare manca l'ossigeno, che è l'accettore finale degli elettroni nel mitocondrio, il coenzima NAD prodotto nelle reazioni precedenti della glicolisi viene trasformato progressivamente nella forma ridotta NADH + H⁺, dopodiché la glicolisi si blocca: di conseguenza, se le vie ossidative mitocondriali sono bloccate e la glicolisi per un po' va avanti, ma poi si blocca, la cellula muscolare non ha più possibilità di produrre ATP. Grazie alla fermentazione il coenzima NADH viene riconvertito nella sua forma ossidata e può, quindi, prendere nuovamente parte alla reazione di glicolisi: la fermentazione lattica è, cioè, un modo per mantenere attiva la glicolisi anche in assenza di ossigeno.

Condizioni aerobie

Se siamo in condizioni aerobie (o aerobiche), il piruvato viene convertito in acetilcoenzima A: questa reazione avviene all'interno dei mitocondri, ad opera di un complesso multienzimatico, costituito dall'associazione di 3 diversi enzimi (E1, E2 ed E3), chiamato complesso della piruvato deidrogenasi. Questa è una reazione molto complessa, chiamata decarbossilazione ossidativa: avviene sia un'ossidoriduzione, sia liberazione di CO₂. L'atomo di carbonio 1 del piruvato (il carbonio carbossilico) si stacca sotto forma di CO₂ e il carbonio 2 (carbonio carbonilico chetonico) viene ossidato a formare un carbonio carbossilico (quello dell'acido acetico), che forma a sua volta un legame covalente ad alta energia di idrolisi con un gruppo -SH del coenzima A. Si forma un composto detto tioestere (dove il gruppo SH del coenzima A reagisce con il gruppo COO- dell'acetile), chiamato acetilcoenzima A. Per fare tutto ciò occorrono 3 enzimi e 5 coenzimi (il coenzima A, il NAD che viene ridotto a NADH, la tiamina pirofosfato, il lipoato e il FAD).

L'acetilcoenzima A entrerà nei mitocondri nel ciclo di Krebs per produrre energia. Il NAD ridotto (NADH + H⁺), che si libera dalla glicolisi in condizioni aerobiche, deve essere trasferito all'interno dei mitocondri, ma non può entrare liberamente perché la membrana mitocondriale è impermeabile; riesce ad entrare grazie a due sistemi navetta o shuttle (scambi di molecole che permettono delle reazioni particolari): sistema del malato - aspartato e sistema del glicerofosfato. Gli elettroni trasportati dal NAD ridotto entreranno nella catena respiratoria e serviranno a produrre ATP.

Gluconeogenesi

È una via attraverso la quale si converte il piruvato in glucosio (sintesi ex-novo); avviene principalmente negli epatociti a partire da:

• Piruvato;
• Lattato di provenienza muscolare, che, nella persona soggetta a intensa attività motoria, viene prodotto in carenza di ossigeno e trasferito dal muscolo al fegato attraverso il circolo sanguigno, per poi essere utilizzato per sintetizzare glucosio;
• Glicerolo, molecola chiave che si lega con tre acidi grassi per formare i trigliceridi, che forma la porzione di lipidi che può essere utilizzata per la sintesi di zuccheri: non è, invece, possibile partire dagli acidi grassi per sintetizzare glucosio;
• Aminoacidi, che vengono definiti glucogenici o glucogenetici.

Non è esattamente la via inversa della glicolisi, perché, se fosse inversa, gli stessi enzimi catalizzerebbero le reazioni in senso inverso: in realtà, questo avviene nella maggior parte delle reazioni, eccetto 3 tappe che sono irreversibili nella glicolisi e che, quindi, per la gluconeogenesi, coinvolgono enzimi differenti. Partendo dal piruvato, o anche dall'aminoacido alanina, che può essere facilmente convertito in piruvato da enzimi che si chiamano transaminasi, la prima reazione avviene nei mitocondri. La glicolisi è citosolica, mentre la prima tappa della gluconeogenesi deve necessariamente avvenire nei mitocondri. Il piruvato reagisce con CO₂ in una reazione di carbossilazione (viene aggiunto un gruppo carbossilico COO-) e passa ad essere una molecola a 4 atomi di carbonio, chiamata ossalacetato, importante intermedio del ciclo di Krebs. Questa reazione è anabolica, perché da una molecola più piccola ne forma una più grande.