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Ha ora inizio la fase di recupero energetico della glicolisi, la quale comprende le tappe della

fosforilazione che conservano parte dell'energia della molecola del glucosio sotto forma di ATP e

NADH.

Una molecola di glucosio genera due molecole di gliceraldeide 3 – fosfato e le due metà della

molecola di glucosio vengono metabolizzate allo stesso modo nella seconda fase della glicolisi.

La conversione di due molecole di gliceraldeide 3 – fosfato in due molecole di piruvato è

accompagnata dalla formazione di 4 molecole di ATP dall'ADP.

La resa netta in ATP per molecola di glucosio è quindi di due molecole di ATP perche 2 sono state

consumate nella fase preparatoria.

6 OSSIDAZIONE DELLA GLICERALDEIDE 3 – FOSFATO A 1,3 – BIFOSFOGLICERATO

La prima tappa della seconda fase è l'ossidazione della gliceraldeide 3 – fosfato a 1,3 –

bifosfoglicerato, catalizzata dalla gliceraldeide 3 – fosfato deidrogenasi.

Questa è la prima delle due reazioni della glicolisi, in cui viene recuperata l'energianecessaria alla

formazione di ATP.

Il gruppo aldeico della gliceraldeide 3 – fosfato viene ossidato (perde e-), formando un'anidride tra

un gruppo carbossilico e l'acido fosforico.

Questa anidride è detta acil fosfato e ha un'elevata energia libera standard di idrolisi,

ΔG = 49,3 KJ/mole. Gran parte dell'energia libera dell'ossidazione del gruppo aldeidico della

gliceraldeide 3 – fosfato viene conservata con la formazione dell'acil fosfato nella posizione C – 1

dell'1,3 – bifosfoglicerato.

Il coenzima NAD+ accetta (si riduce) temporaneamente gli e- e si va a formare il NADH

(NAD+ + H- = NADH).

Vi sono ora 4 cariche negative, le quali avvicinandosi si respingono provocando instabilità.

7TRASFERIMENTO DEL GRUPPO FOSFIRICO DALL'1,3 – FOSFOGLICERATO ALL'ADP

L'enzima fosfoglicerato chinasi trasferisce all'ADP il gruppo fosforico ad alta energia del gruppo

carbossilico dell'1,3 – bifosfoglicerato formando ATP e 3 – fosfoglicerato.

Senza la molecola di fosfato la molecola è più stabile.

La formazione di ATP per trasferimento di un gruppo fosforico da un substrato (come 1,3 –

bifosfoglicerato) è detta fosforilazione a livello del substrato. In questa tappa vengono prodotte 2

molecole di ATP, pareggiando quindi quella usata nella prima e nella terza tappa.

P.S. ADP → ATP – 7,3 KJ/mole

8 CONVERSIONE DEL 3 – FOSFOGLICERATO IN 2 – FOSFOGLICERATO

L'enzima fosfoglicerato mutasi catalizza lo scambio del gruppo fosfolirico tra il C – 2 e il C – 3 del

Il gruppo fosfato passa da C – 3 a C – 2.

9 DEIDRATAZIONE DEL 2 – FOSFOGLICERATO A FOSFOENOLPIRUVATO

L'enalasi rimuove una molecola d'acqua dal 2 – fosfoglicerato, generando il fosfoenolpiruvato

(PEP).

La reazione converte un composto con un potenziale di trasferimento del gruppo fosforico

relativamente basso (il ΔG di idrolisi del 2 – fosfoglicerato è -17,6 KJ/mole) in uno con un'elevato

potenziale di trasferimento (il ΔG di idrolisi del PEP è -61,9 KJ/mole).

10TRASFERIMENTO DEL GRUPPO FOSFORICO DAL FOSFOENOLPIRUVATO ALL'ADP

L'ultima tappa della glicolisi è il trasferimento del gruppo fosforico dal fosfoenolpiruvato all'ADP

catalizzato dalla piruvato chinasi, che richiede K+ e Mg 2+ oppure Mn 2+.

La reazione complessiva ha una variazione di energia libera standard fortemente relativa, dovuta in

gran parte alla conversione spontanea della forma enolica del piruvato nella forma chetonica.

L'ATP è un nucleotide costituito da adenina, ribosio e 3 molecole di fosfato. Nonostante possieda 4

cariche negative (poste nei gruppi fosfati) che si respingono tra loro causando così una condizione

di instabilità, la molecola è stabile.

Nel passaggio da ATP ad ADP le cariche negative diventano 3.

4- 3- 42-

⇆ +

ATP + H O ADP + HPO + H ΔG = -30,5 Kj/mole

2 +

L'idrolisi dell'ATP oltre a produrre ADP, produce anche un gruppo fosfato e uno ione H , il quale va

nel mezzo ed è importante per le reazioni successive.

Attraverso questa reazione vengono liberate 7,6 Kcal.

All'ATP e all'ADP si può legare il magnesio (il quale funge da attivatore), che forma delle

-

interazioni elettrostatiche con 2 ioni O : - -

O O

2+

Mg

2- -

Formando MgATP o l'MgADP 2-

L'energia ricavata dall'idrolisi dell'MgATP è uguale a quella dell'ATP normale.

Il metabolismo del glicogeno negli animali

Nei diversi organismi, dai batteri, alle piante, ai vertebrati, l'eccesso di glucosio viene convertito in

forme polimeriche di deposito, cioe il glicogeno nei vertebrati e in molti microorganismi e l'amido

nelle piante.

Nei vertebrati il glicogeno si trova sopratutto nel fegato e nel muscolo scheletrico.

Il glicogeno muscolare costituisce una riserva di energia immediatamente disponibile per il

metabolismo aerobico e anaerobico e può essere totalmente consumato in meno di un'ora di

esercizio fisico intenso.

Il glicogeno epatico, invece, può essere considerato una riserva di glucosio per gli altri tessuti

quando non è disponibile il glucosio della dieta (tra un pasto e l'altro o durante il digiuno).

Questo è particolarmente importante per i neuroni, che non possono utilizzare gli acidi grassi come

combustibile metabolico. Il glicogeno del fegato può essere consumato in 12 – 24 ore.

Nell'uomo l'energia totale immagazzinata sotto forma di glicogeno è nettamente inferiore a quella

conservata sotto forma di grassi, ma queste sostanze non possono essere convertite in glucosio o

essere catabolizzate anaerobicamente.

I meccanismi generali deputati all'immagazzinamento e alla mobilizzazione del glicogeno sono gli

stessi nel muscolo e nel fegato ma gli enzimi differiscono per alcune importanti proprietà che

riflettono i differenti ruoli del glicogeno nei due tessuti.

Glicogenolisi o demolizione del glucosio

Nel muscolo scheletrico e nel fegato, le unità di glucosio delle ramificazioni del glicogeno entrano

nella glicolisi per azione di 3 enzimi: la glicogenofosforilasi, l'enzima deramificante e la

fosfoglucomutasi.

Il primo catalizza una reazione, nella quale un legame (α 1 → 4) glicosilico tra due residui di

glucosio alle estremità non riducente di una ramificazione viene scisso usando il fosfato inorganico

(Pi), con formazione di α – D – glucosio 1 – fosfato.

Il piridossol fosfato è un cofattore essenziale della glicogeno fosforilasi:

il suo gruppo fosforico agisce come un catalizzatore acido generale, promuovendo l'attacco da parte

del Pi sul legame glicosidico.

La glicogeno fosforilasi agisce ripetitivamente sulle estremità non riducenti delle ramificazioni del

glicogeno, fino a che non raggiunge un punto che dista quattro residui di glucosio da una

ramificazione (α 1 → 6), dove la sua azione si blocca.

L'ulteriore degradazione da parte della glicogeno fosforilasi può avvenire solo dopo che l'enzima

deramificante, oligo (α 1 → 6) (α 1 → 4) glucan-trasferasi, catalizza altre due reazioni di

trasferimento delle ramificazioni.

Una volta avvenuto il trasferimento della ramificazione e l'idrolisi del residuo di glucosio in C-6,

l'azione della glicogeno fosforilasi può continuare.

Il glucosio 1-fosfato, il prodotto finale della glicogeno fosforilasi, viene convertito in glucosio 6-

fosfato dalla fosfoglucomutosi, che catabolizza la reazione reversibile:

Glucosio 1-fosfato glucosio 6-fosfato

L'enzima, inizialmente fosforilato a livello di un residuo di ser (serina, un amminoacido polare,

chirale), dona il suo gruppo fosforico all'atomo C-6 del substrato e quindi accetta il gruppo

fosforico dell'atomo C-1.

Questa reazione è divisa in due tappe:

1) l'enzima cede il suo gruppo fosforico al glucosio 1-fosfato, producendo glucosio 1,6 –

bifosfato.

2) Il gruppo fosforico sull'atomo C – 1 del glucosio 1,6 bifosfato viene riportato sull'enzima,

riformando il fosfoenzima e producendo glucosio 6 – fosfato.

Il glucosio 6 – fosfato, formato dal glicogeno nel muscolo scheletrico può entrare nella glicolisi e

servirà come fonte energetica per la contrazione muscolare. Nel fegato la scissione del glicogeno ha

un ulteriore scopo: il rilascio del glucosio nel sangue, quando il livello di glucosio tende a

diminuire, come nell'intervallo tra due pasti.

La scissione richiede l'intervento del glucosio 6 – fosfatasi, presente nel fegato e nei reni, ma non in

altri tessuti.

Il glucosio 6 – fosfato viene idrolizzato nel lume dell'ER.

Poichè il muscolo e il tessuto adiposo non contengono la glucosio 6 – fosfatasi, non possono

convertire il glucosio 6 – fosfato formato dalla demolizione del glicogeno in glucosio, quindi non

contribuiscono al mantenimento dei livelli di glucosio del sangue.

PS L'estremità non riducente è l'estremità iniziale.

Glicogenosintesi

Molte delle reazioni di trasformazione e polimerizzazione degli esosi coinvolgono zuccheri legati a

nucleotidi (zuccheri – nucleotidi), composti nei quali il carbonio anomerico di uno zucchero viene

attivato tramite un legame fosfodiestere con un nucleotide.

Gli zuccheri nucleotidi sono i substrati per la polimerizzazione dei monosaccaridi a disaccaridi,

glicogeno, amido, cellulosa, fino ai più complessi.

Fungono anche da intermedi nella polimerizzazione degli amminoesosi e dei deossiesosi.

l'idone degli zuccheri legati a nucleotidi ad essere utilizzati nelle reazioni biosintetiche deriva da

diverse proprietà:

1) La loro formazione è metabolicamente irreversibile, per cui contribuisce a rendere

irreversibili i processi biosintetici di cui sono intermedi.

2) Le trasformazioni chimiche che avvengono negli zuccheri legati a nucleotidi non

coinvolgono gli atomi dei nucleotidi, ma la molecola nel suo complesso contiene molti

gruppi che potenzialmente possono dare origine a interazioni non covalenti con enzimi.

3) Come i gruppi fosforici, i gruppi nucleotidilici (UPM) sono eccellenti gruppi uscenti, in

quanto attivano l'atomo di carbonio a cui sono legati rendendolo più suscettibile agli attacchi

nucleofilici.

4) Legando ad alcune molecole di esosi un gruppo nucleotidilico che può essere considerato

come una forma di “etichetta” molecolare, le molecoloìe così modificate possono essere

riconosciute ed indirizzate nelle cellule ad un certo uso (es. sintesi glicogeno) mantenendole

separate dalle molecole di esosi fosfato destinate ad altri scopi (glicolisi)

La sintesi di glicogeno avviene praticamente in tutti i tessuti animali, ma sopratutto nel fegato e nel

muscolo scheletrico.

Il punto di partenza della sintesi del glicogeno è il glucosio g – fosfato. Questo metabolita può

derivare dal glucosio libero mediante fosforilazione da parte dell'esochinasi I e II nel muscolo, o

esochinasi IV nel fegato:

D – glucosio + ATP → D – glucosio 6 – fosfato + ADP

Una parte di glucosio ingerito durante un pasto segue una via più lunga prima di essere convertita il

glicogeno.

Queste molecole entrano prima negli eritrociti, dove sono convertite in lattato dalla glicolisi. Il

lattato esce dai globuli rossi e raggiunge il fegato, dove la gluconeogenesi lo converte in glucosio

6 – fosfato.

Per iniziare la sintesi del glicogeno, il glucosio 6 – fosfato viene convertito in glucosio 1 – fosfato

dall'enzima fosfogluco mutasi: ⇆

Glucosio 6 – fosfato glucosio 1 – fosfato

Il prodotto di questa reazione è poi convertito in UDP – glucosio dall'azione della UDP – glucosio

pirofosforilasi, una reazione fondamentale nella via di biosintesi del glicogeno: pirofosfatato

Glucosio 1 – fosfato + UTP → UDP – glucosio + PPi

Questo enzima prende il nome della reazione in senso inverso; nella cellula la reazione procede

nella direzione della formazione del UDP – glucosio, in quanto il pirofosfato viene rapidamente

idrolizzato dalla pirofosfatasi inorganica.

L'UDP glucosio è il donatore delle unità di glucosio nella reazione enzimatica di formazione del

glicogeno, catalizzata dalla glicogeno sintasi, enzima che catalizza il trasferimento del residuo

glucosidico dal L'UDP – glucosio ha un'estremità non riducente di una molecola ramificata di

glicogeno.

La glicogeno sintasi non può formare legami (α 1 –> 6) presenti al punto di ramificazione della

molecola di glicogeno, questi legami sono formati dall'enzima ramificante chiamato amilo ( 1 → 4 )

(1 → 6) transglicosilasi (oppure glicosil (4 → 6) trasferasi).

L'enzima ramificante catalizza il trasferimento di un segmento terminale di 6 o 7 residui glucosidici

dal estremità non riducente di una catena lineare di glicogeno lunga almeno 11 residui al gruppo

ossidrilico sul C – 6 di un residuo di glucosio della stessa catena o di un'altra catena, localizzato in

un punto più interno, formando così una nuova ramificazione.

La glicogeno sintasi può ora aggiungere altri residui glicosidici alla nuova ramificazione.

Le ramificazioni presenti sulla molecola di glicogeno servono ad aumentare l'interazione con il

solvente acquoso e ad accrescere il numero di estremità non riducenti, le quali rappresentano i punti

di attaccosul glicogeno sia della glicogeno sintasi, sia della glicogeno fosforilasi.

La glicogeno sintasi non può dare inizio alla sintasi ?DE NOVO? Del glicogeno , ma richiede un

innesco, in genere una catena preformata di (α 1 → 4) poliglucosio o una ramificazione che abbia

almeno 8 residui di glucosio. La proteina glicogenina svolge le funzioni di primer con cui iniziare la

sintesi e di enzima.

La prima tappa della sintesi di una nuova molecola di glicogeno è il trasferimento di un residuo di

194

glucosio dal UDPG – glucosio al gruppo ossidrilico della Tyr della glicogenina, catalizato

dall'attività glucosil – trasferosica della stessa glicogenina.

La catena nascente si estende per aggiunta sucessiva di altri 7 residui di glucosio, ciascuno dei quali

deriva dall'UDP – glucosio.

A questo punto entra in gioco la glicogeno sintesi, che estende ulteriormente la catena del

glicogeno.

Regolazione coordinata della sintesi e della demolizione del glicogeno

La glicogeno fosforilasi degrada il glicogeno a glucosio 1 – fosfato e consente la mobilizzazione del

glicogeno immagazzinato ( regolazione enzimatica regolata allostericamente).

La glicogeno fosforilasi del muscolo scheletrico può avere due forme inter-convertibili: la

glicogeno fosforilasi a, cataliticamente attiva e la forma meno attiva glicogeno fosforilasi b.

Quest'ultima è presente nel muscolo a riposo, ma durante un'intensa attività muscolare l'ormone

adrenalina innesca la fosforilazione di uno specifico residuo di Ser della fosforilasi (b),

convertendola nella sua forma attiva (a). Ser = Serina

Un secondo messaggero, CAMP, la cui concentrazione aumenta in risposta allo stimolo adrenalina

(nel muscolo) o glucagone (nel fegato) in alte concentrazioni provocano una cascata enzimatica,

nella quale un catalizzatore ne attiva un altro, che a sua volta ne attiva un altro ancora.

Si ha così un'amplificazione del segnale iniziale.

L'aumento di CAMP attiva la chinasi CAMP – dipendente, chiamata anche proteina chinasi A

(PKA), la quale fosforila la fosforilasi b chinasi, che diventa attiva e catalizza la fosforilazione dei

residui di Ser in ciascuna delle due identiche subunità della glicogeno fosforilasi.

La glicogeno fosforilasi si attiva a sua volta e catalizza la demolizione del glicogeno.

Nel muscolo si ha così un rifornimento di sostanze nutrienti da utilizzare nella glicolisi per

sostenere la contrazione muscolare.

Nel fegato, invece, la degradazione del glicogeno risponde alla ridotta concentrazione di glicosio

nel sangue segnalata dal glucagone rilasciando glucosio.

Questi diversi ruoli dipendono da piccole differenze esistono nei meccanismi di regolazione

presenti nel fegato e nei muscolo.

La glicogeno fosforilasi del fegato e del muscolo sono forme isozimatiche, codificate da geni

differenti e quindi con proprietà di regolazioni distinte.

Nel muscolo due meccanismi di controllo allosterici si sovrappongono alla regolazione della

2+

fosforilasi dipendente da modificazioni covalenti. Il Ca , il segnale di contrazione muscolare, si

lega ed attiva la fosforilasi b chinasi, convertendola nella forma attiva a.

L'AMP che si accumula nella cellula quando il muscolo è in intensa attività come risultato della

demolizione dell'ATP, si lega ed attiva la fosforilasi, accellerando il rilascio di glucosio 1 – fosfato

dal glicogeno.

Quando i livelli di ATP sono adeguati, l'ATP blocca il sito allosterico a cui si lega l'AMP,

inattivando così la fosforilasi.

Nel muscolo a riposo, un secondo enzima, la fosforilasi e fosfatasi (PPi), rimuove i gruppi fosforici

della fosforilasi del fegato viene regolata ormonalmente e allostericamente.

La forma defosforilata è essenzialmente inattiva.

Se il livello di glucosio nel sangue è troppo basso il glucagone, attiva la fosforilasi b chinasi,

convertendo la fosforilasi b inattiva, innescando il rilascio di glucosio nel sangue.

Quando la concentrazione ematica di glucosio ritorna normale, lo zucchero rientra negli epatociti e

si lega ad un sito allosterico inebitore sulla fosforilasi a.

analogalmente alla glicogeno fosforilasi, la glicogeno sintasi può essere in forma fosforilata o

defosforilata.

Nella forma attiva, la glicogeno sintasi a non è fosforilata.

La fosforilazione delle catene laterali ossidriliche di diversi residui di Ser in entrambe le sub unità

dell'enzima converte la glicogeno sintasi a in b che però è inattiva, ameno che non sia presente il tuo

attivatore allosterico, il glucosio 6 – fosfato.

La glicogeo sintasi può essere fosforilata a livello di residuidiversi da almeno 11 differenti proteine

chinasi.

Il più importante tra questi enzimi è la glicogeno sintasi chinasi 3 (GSK3), che aggiunge gruppi

fosforici a 3 residui di Ser posti all'estremità carbossiterminale della glicogeno sintasi, inattivandola

quasi completamente.

Soltanto l'enzima PPi può rimuovere i gruppi fosforici di tutti e tre gli enzimi fosforilati in risposta

al glucagone (fegato) e all'adrenalina (fegato e muscolo) la fosforilasi chinasi, la glicogeno

fosforilasi e la glicogeno sintasi.

L'insulina stimola la sintesi del glicogeno attivando la PPi e inattivando la GSK3.

Consideriamo ora le modifiche complessive del metabolismo dei carboidrati che si verificano

quando si passa da una condizione di buona alimentazione ad una condizione di digiuno o una

condizione di “combatti e fuggi”, segnalate dall'insulina, dal glucagone e dall'adrenalina

rispettivamente.

Dopo l'ingestione di un pasto ricco di carboidrati, l'innalzamento del glucosio nel sangue innesca il

rilascio di insulina.

Sull'epatocita l'insulina ha due effetti immediati: inattiva l'enzima GSK3 ed attiva una fosfoproteina

fosfatasi.

Tra un posto l'altro, o durante un digiuno prolungato, l'abbassamento delglucosio nel sangue innesca

il rilascio di glucagone, che attiva la PKA, la quale ne media tutti gli effetti.

Essa fosforila la fosforilasi chinasi, attivandola e provocando l'attivazione della glicogeno

fosforilasi.

Viene anche fosforilata la glicogeno sintasi, causando il blocco della sintesi del glicogeno.

La fisiologia del muscolo schelettrico differisce da quelladel fegato per tre proprietà rilevanti ai fini

della discussione sulla regolazione metabolica.

Il muscolo utilizza le sue riserve di glicogeno unicamente per le proprie necessità.

– Nel passare dallo stato di riposo ad un'intensa contrazione il muscolo aumenta drasticamente

– la sua richiesta di ATP che viene soddisfatta dalla glicolisi.

Nel muscolo la glucogenesi è assente.

– La fermentazione ( destino del piruvato in condizioni anaerobiche)

In condizioni anaerobiche, il piruvato formato nella fase finale della glicolisi viene ossidato ad

acetato (acetil – CoA), che entra nel ciclo dell'acido citrico, per essere ossidato a CO e H O.

2 2 +

Il NADH formato per deidrogenazione della gliceraldeide 3 – fosfato viene riossidato a NAD e gli

-

e sottratti sono trasferiti all'O nella respirazione mitocondriale.

2

In condizioni ipossiche però, come nel muscolo che si contrae violentemente, il NADH che si

genera nella glicolisi non può essere riossidato dall'O .

2

+

La mancata rigenerazione del NAD lascerebbe la cellula priva dell'accettatore di elettroni

necessario per l'ossidazione della gliceraldeide 3 – fosfato, di conseguenza anche le reazioni della

+

glicolisi coinvolte nella produzione di energia verrebbero a fermarsi. Il NAD deve quindi essere

rigenerato in qualche altro modo. +

La maggior parte degli organismi attuali rigenera il NAD nella glicolisi anaerobica, trasferendo gli

-

e del NADH e formando un prodotto finale come il lattato o l'etanolo.

Quando i tessuti animali non possono essere riforniti di una quantità di O sufficiente per

2

+

l'ossidazione del piruvato e del NADH prodotti dalla glicolisi, il NAD viene rigenerato dal NADH

per mezzo della riduzione del piruvato a lattato.

La reazione del piruvato attraverso questa via è catalizzata dal lattato deidrogenasi: (11° reazione)

L'equilibrio complessivo di questa reazione favorisce fortemente la formazione di acido lattico, dato

il valore molto negativo della variazione di energia libera standard.

Nella glicolisi la deidrogenazione delle due molecole di gliceraldeide 3 – fosfato, derivate da

+

ciascuna molecola di glucosio, converte due molecole di NAD in due molecole di NADH.

Poichè la riduzione di due molecole di piruvato in due molecole di lattato rigenera due molecole di

+ +

NAD , non vi è alcuna variazione netta della concentrazione del NAD e del NADH.

Il lattato che si forma nel muscolo che si contrae può essere riciclato. Esso viene trasformato dal

torrente circolatorio fino al fegato, dove viene convertito in glucosio durante la fase di recupero

dopo un'attività muscolare intensa.

Quando il lattato viene prodotto in grande quantità durante una contrazione muscolare violenta,

l'acidificazione conseguente alla ionizzazione dell'acido lattico nel muscolo e nel sangue limita la

durata di contrazione muscolare violenta. Gli atleti meglio allenati non possono correre al massimo

della velocità per più di un minuto.

Anche se la conversione del glucosio in lattato richiede due tappe di ossidoriduzione, non vi è una

variazione netta dello stato di ossidazione degli atomi di carbonio.

Nel glucosio (C H O ) e nell'acido lattico (C H O ) il rapporto H:C è lo stesso, tuttavia, parte

6 12 6 3 6 3

dell'energia della molecola del glucosio è stata estratta durante la conversione in lattato, in quantità

sufficiente per formare due molecole di ATP per molecola di glucosio utilizzata.

Con il termine fermentazione si intende ogni processo in cui viene estratta energia (ATP) senza

+

consumo di ossigeno e in questo caso anche senza variazione della concentrazione dal NAD e del

NADH. Il ciclo dell'acido citrico VIA ANFIBOLICA

Il piruvato prodotto dalla glicolisi viene ulteriormente ossidato ad H O e CO .

2 2

Questa fase aerobica del catabolismo è chiamata respirazione, ossia si ha un'assunzione di O e

2

rilascio di CO da parte degli organismi multicellulari.

2

I biochimici indicano con questo termine quei processi molecolari attraverso i quali le cellule

consumano O per produrre CO , processi più precisamente denominati respirazione cellulare.

2 2

Essa si svolge in tre tappe:

Nella prima le molecole organiche, come il glucosio, gli acidi grassi e alcuni amminoacidi,

– vengono ossidate per produrre frammenti a due atomi di carbonio, nella forma del gruppo

acetilico inserito nell'acetil – coenzima A.

Nella seconda fase, i gruppi acetilici entrano nel ciclo di Krebs, che li ossida

– enzimaticamente a CO , l'energia liberata viene conservata come NADH o FADH .

2 2

- + + -

Nella terza fase, i coenzimi ridotti vengono riossidati liberando gli e (H ) e p . Gli e

– vengono trasferiti all'O , il loro accettore finale, attraverso una serie di molecole

2

-

trasportatrici di e , la catena respiratoria.

-

Nel corso del trasferimento di e una parte notevole dell'energia rilasciata viene conservata

sotto forma di ATP, tramite il processo chiamato fosforilazione ossidativa.

P.S. Alcuni enzimi hanno bisogno di molecole che li aiutano nelle reazioni, queste sono i coenzimi, i

quali non hanno una struttura amminoacidica.

Negli organismi aerobici il glucosio e gli altri zuccheri, gli acidi grassi e la maggior parte degli

amminoacidi sono ossidati a CO e H O attraverso il ciclo dell'acido citrico e la catena respiratoria.

2 2

Prima di poter entrare nel ciclo lo scheletro carboneoso degli zuccheri e degli acidi grassi deve

essere degradato al gruppo acetilico dell'acetil – CoA, la forma con cui il ciclo accetta la maggior

parte del combustibile metabolico.

Il piruvato, derivato dal glucosio, ad opera della glicolisi viene ossidato ad acetil – CoA e CO ad

2

operadi un gruppo di tre enzimi organizzati nel complesso della piruvato deidrogenasi (PDH), un

insieme di tre enzimi, ciascuno dei quali rappresentato in più copie, localizzata nei mitocondri delle

cellule eucariotiche e nel citosol delle cellule procariotiche.

Al meccanismo di questa reazione partecipano cinque cofattori, di cui quattro derivati dalle

vitamine.

P.S. Nel CoA riconosciamo l'anello della base azotata, l'adenina, uno zucchero pentoso, due gruppi

fosfati e una catena lineare con caratteristiche lipofiliche chiamata acido pantotenico.

L'elemento più importante è il gruppo -SH all'estremità dell'acido pantotenico che può legare un

gruppo carbossilico (acile), creando un tioestere (tio per il gruppo sulfidrilico, estere perchè C è

legato con doppio legame a O e con un legame semplice a S).

O C S

La reazione complessiva catalizzata dal complesso della piruvato deidrogenasi è una

decarbossilazione ossidativa, un processo di ossidazione irreversibile in cui il gruppo carbossilico

-

(-COOH) viene rimosso dal piruvato sotto forma di una molecola di CO , e i due atomi di carbonio

che restano diventano il gruppo acetilico (-COCH ) legato al coenzima A.

3 - -

Il NADH formato in questa reazione porta uno ione idruro con i suoi due e (H ) alla catena

respiratoria che li trasporta poi all'O 2. -

Il trasferimento degli e all'O produce 2,5 molecole di ATP per coppie di e .

La deidrogenazione e la decarbossilazione combinata del piruvato ad acetil – CoA coinvolgono

l'azione sequenziale di tre enzimi diversi e di cinque coenzimi: la tiamina pirofosfato (TPP), il

flavin adenin dinucleotide (FAD), il coenzima A (CoA), il nicotinammide adenin dinucleotide

(NAD) e il lipoato (acido lipoico).

Il CoA ha un gruppo reattivo (-SH) essenziale per la funzione di trasportatore di gruppi acilici in un

certo numero di reazioni metavoliche. I gruppi acilici formano legami tioesteri, quando si legano

covalentemente al gruppo tiolico del CoA.

Data la loro elevata energia libera di idrolisi, i tioesteri hanno un elevato potenziale di trasferimento

del gruppo acilico ad una grande varietà di molecole accettrici.

Il lipoato ha due gruppi tiolici che possono essere ossidati in modo reversibile e formare un ponte di

-

solfuro (-S-S-). Questo coenzima può servire sia come trasportatore di e sia come trasportatore di

acili.

Il complesso della piruvato deidrogenasi è costituto da molte copie di tre enzimi: la piruvato

deidrogenasi (E ), la diidrolipoil transacetilasi (E ) e la diidrolipoil deidrogenasi (E ).

1 2 3

Questo complesso catalizza le cinque reazioni in modo sequenziale.

La prima tappa è essenzialmente identica alla reazione catalizzata dalla piruvato

– carbossilasi; l'atomo C – 1 del piruvato viene rilasciato sotto forma di CO e l'atomo C – 2,

2

che nel piruvato ha lo stato di ossidazione di un aldeide, viene legato alla TPP come gruppo

idrossietilico. Questa tappa è la più lenta.

Nella seconda, il gruppo idrossietilico viene ossidato a livello di acido carbossilico (acetato).

– -

I due e rimossi nella reazione vanno a riprodurre il ponte – S – S – del gruppo lipoilico

sull'E formando due gruppi tiolici (-SH).

2

Il residuo acetilico in questa reazione di ossidoriduzione viene prima esterificato su uno dei

due gruppi -SH del gruppo lipoilico e poi transesterificato al CoA, formando

l'acetil -CoA (tappa 3)

Quindi l'energia dell'ossidazione guida la formazione di un tioestere ad alta energia

dell'acetato.

La restante parte della reazione catalizzata dal complesso PDH (da E tappe 4 e 5) è una

3

serie di trasferimenti elettronici necessari a rigenerare la forma ossidata a disolfuro del

gruppo lipoilico dell'E e a preparare il complesso per un altro ciclo di ossidazione.

2

- +

Gli e rimossi dal gruppo diossietilico derivato dal piruvato, passano al NAD , transitando prima

attraverso il FAD.

Tutti gli enzimi e coenzimi sono raggruppati insieme, consentendo agli intermedi di reagire

facilmente e senza dover diffondere fuori dalla superficie di questo complesso enzimatico.

Per iniziare un giro del ciclo, l'acetil CoA dona il suo gruppo acetilico all'ossalacetato, un composto

a quattro atomi di carbonio, formando il citrato a sei atomi di carbonio.

Il citrato viene poi trasformato in isocitrato, anch'esso a sei atomi di carbonio, che viene

deidrogenato con perdita di CO ,producendo il composto a cinque atomi di carbonio

2

α – chetogluterato.

Quest'ultimo prende un'altra molecola di CO per formare il succinato, un posto a quattro atomi di

2

carbonio.

Il succinato viene convertito enzimaticamente in tre tappe in ossalacetato, il quale è ora di nuovo

pronto a reagire con un'altra molecola di acetil – CoA per iniziare un secondo giro del ciclo.

In ogni giro del ciclo entra un gruppo acetilico sotto forma di acetil – CoA ed escono due molecole

di CO , inoltre non vi è un consumo netto di ossalacetato ed una molecola di esso è in teoria

2

sufficiente a ossidare un numero infinito di gruppi acetilici.

Quattro delle otto tappe di questo processo sono ossidazioni, in cui l'energia dell'ossidazione viene

conservata con un alto grado di efficienza mediante la formazione dei coenzimi ridotti NADH e

FADH .

2

È la via metabolica principale per la formazione di energia.

Negli eucarioti l'intera serie di reazioni avvengono nei mitocondri.

1) Formazione del citrato (IRREVERSIBILE)

La prima reazione del ciclo è la condensazione dell'acetil – CoA con l'ossalacetato per

formare citraro, reazione catalizzata dalla citrato sintasi.

L'atomo di cardonio metilico del gruppo acetilico si lega al gruppo carbonilico (C – 2)

dell'ossalacetato.

Il citril – CoA è un intermedio transitorio che si forma sul sito attivo dell'enzima e va

incontro ad una rapida idrolisi, producendo CoA libero e citrato.

L'idrolisi di questo intermedio tioestere ad elevata energia rende la reazione di scissione

fortemente esoergonica.

La variazione di energia libera standard della reazione catalizzata dalla citrato sintasi è

essenziale per il funzionamento del ciclo, in quanto la concentrazione dell'ossalacetato

normalmente è molto bassa.

Il CoA liberato in questa reazione viene riciclato e può partecipare alla decarbossilazione

ossidativa di un'altra molecola di piruvato da parte del complesso delle piruvato

deidrogenasi.

2) Formazione dell'isocitrato attraverso il cis – aconitato

L'enzima aconitasi (o aconitato idratasi) catalizza la trasformazione reversibile del citrato in

isocitrato, mediante la formazione intermedia dell'acido tricarbossilico cis – aconitato.

In questa reazione abbiamo prima una liberazione di una molecola d'acqua, che verrà poi

rintrodotta in seguito.

3) Ossidazione dell'isocitrato ad α – chetoglutarato e CO

2

È la prima reazione di deidrogenazione.

L'isocitrato deidrogenasi catalizza la decarbossilazione ossidativa dell'isocitrato per formare

α – chetoglutarato.

2+

Uno ione Mn presente nel sito attivo interagisce con il gruppo carbonilico dell'intermedio

ossalasuccinato che si forma transitoriamente e non lascia il suo sito di legame fino alla sua

conversione in α – chetoglutarato mediante decarbossilazione. + +

Vi sono due forme di isocitrato deidrogenasi: una richiede NAD e un'altra NADPH .

La reazione complessiva catalizzata da due enzimi è uguale.

4) Ossidazione dell' α – chetoglutarato a succinil – CoA e CO . (IRREVERSIBILE)

2

Reazione di decarbossilazione ossidativa, in cui l' α – chetoglutarato viene trasformato in

+

succinil – CoA e CO dal complesso dell' α – chetoglutarato deidrogenasi; il NAD è

2 -

l'accettore finale degli e e il CoA è il trasportatore del gruppo succinile.

L'energia libera dell'ossidazione dell' α – chetoglutarato è conservata mediante la

formazione del legame tioestere del succinil – CoA.

Questa reazione è praticamente identica alla reazione catalizzata dal complesso della

piruvato deidrogenasi; il complesso dell'α – chetoglutarato deidrogenasi è molto simile al

PDH sia come struttura che come funzione.

5) Conversione del succinil – CoA a succinato (ATP – GTP)

Il succinil CoA, come l'acetil CoA, ha un legame tioestere con un'energia libera di idrolisi

fortemente negativa (ΔG= -36 kj/mole).

L'energia rilasciata dalla rottura del legame tioestere viene usata per favorire la sintesi di un

legame fosfoanidride sotto froma di GTP o ATP con un ΔG netto di soli -2,9 kj/mole.

Il processo porta alla formazione di succinato.

L'energia che catalizza questa reazione reversibile viene detta succinil CoA sintetasi.

Il gruppo fosforico che ha un elevato potenziale di trasferimento di gruppo, viene trasferito

all'ADP (o al GDP) per formare ATP (o GTP).

6) Ossidazione del succinato o fumarato

Il succinato formato dal succinil – CoA viene ossidato a fumarato da parte della succinato

deidrogenasi.

Negli eucarioti la succinato deidrogenasi è legata saldamente alla membrana interna dei

mitocondri.

L'enzima contiene tre diversi centri ferro – zolfo e una molecola di FAD legata

covalentemente.

-

Gli e estratti dal succinato passano attraverso il FAD e i centri ferro – zolfo prima di entrare

-

nella catena di trasporto degli e della membrana mitocondriale interna.

-

Il flusso di e dal succinato attraverso questi trasportatori fino all'accettore finale, l'O è

2

-

accoppiato alla sintesi di circa 1,5 molecole di ATP per coppia di e (fosforilazione legata

alla respirazione).

7) Idratazione del fumarato a malato

L'idratazione reversibile del fumarato a L – malato è catalizzata dalla fumarasi (fumarato

idratasi).

In questa reazione lo stato di transizione è un carbonione.

L'enzima è altamente stereospecifico e catalizza l'idratazione del doppio legame trans del

fumarato, ma non agisce sul maleato, l'isomero cis del fumarato.

8) Ossidazione del malato a ossalacetato

L' L – malato deidrogenasi NAD dipendente catalizza l'ossidazione del L – malato a

ossalacetato.

Nelle condizioni termodinamiche standard questo equilibrio è molto spostato a sinistra.

Nelle cellule invece, l'ossalacetato viene rimosso continuamente dalla reazione altamente

esoergonica della citrato sintasi, contribuendo a mantenere estremamente bassa la

concentrazione di ossalacetato e contemporaneamente spingendo la reazione della malato

deidrogenasi verso la formazione dell'ossalacetato.

+

Acetil – CoA , 3 NAD , 1 FAD , 1 GDP , Pi , 2 H O

2

| +

2 CO , CoASH , 3 NADH , 1 FADH , 1 GDP , 2 H

2 2

NADH = 3 ATP 2 molecole CO (uscite)

2

3 GTP = 3 ATP 1 molecola GTP

FADH = 2 ATP 3 molecole NADH

2 1 molecola FADH

(1, 2 , 7) Queste tappe non producono energia

Nel ciclo è entrato un gruppo acetilico con due atomi di carbonio, combinandosi con l'ossalacetato.

I due atomi di carbonio sono poi usciti dal ciclo sotto forma di due molecole di CO 2

dall'ossidazione prima dell'isocitrato e poi dell' α – chetoglutarato.

L'energia rilasciata da queste ossidazioni è stata conservata mediante la riduzione di 3 molecole di

+

NAD e di una di FAD nella produzione di una molecola di GTP (ATP).

Alla fine del ciclo è stata rigenerata una molecola di ossalacetato.

I due atomi di carbonio che sono stati eliminati sotto forma di CO non sono gli stessi entrati nel

2

ciclo come gruppo acetilico.

Il ciclo dell'acido citrico produce di per sé una sola molecola di ATP per giro (5° reazione), ma nelle

-

quattro reazioni di ossidazione che avvengono nel ciclo vengono liberati molti e che sono poi

trasferiti dal NADH e dal FADH alla catena respiratoria e determinano la produzione di un gran

2

numero di molecole di ATP nella fosforilazione ossidativa.

Quando le due molecole di piruvato sono ossidate completamente a sei molecole di CO dalle

2

-

reazioni del complesso della piruvato deidrogenasi e del ciclo dell'acido citrico e gli e sono

trasferiti all'O dalla catena respiratoria, si ottengono tramite la fosforilazione ossidativa ben 32

2

molecole di ATP (8+24) per molecola di glucosio.

La funzione del ciclo di Krebs non è esclusivamente quella di ossidare l'acetato, bensì questa via

metabolica è il cuore del metabolismo intermedio. I prodotti finali a quattro o cinque atomi di

carbonio di molti processi catabolici entrano nel ciclo e possono servire come sostanze nutrienti.

In alcune situazioni, dal ciclo possono essere prelevati intermedi da usare come precursori in varie

vie biosintetiche.

Negli organismi aerobici il ciclo dell'acido citrico è una via anfibolica, serve cioè sia ai processi

anabolici sia a quelli catabolici.

Non soltanto agisce nel catabolismo ossidativo dei carboidrati, degli acidi grassi e degli

amminoacidi, ma produce anche precursori per molte vie biosintetiche.

Quando al ciclo dell'acido citrico vengono sottratti intermedi d utilizzare come precursori in altre

via, essi possono essere rimpiazzati mediante reazioni anaplerotiche.

In condizioni standard esiste un equilibrio dinamico tra le reazioni che rimuovono intermedi dal

ciclo e quelle che invece lo riforniscono, quindi la concentrazione di questi intermedi resta quasi

costante.

La più importante reazione anaplerotica che avviene nel rene e nel fegato dei mammiferi e la

carbossilazione reversibile del piruvato da parte della CO per formare ossalacetato, reazione

catalizzata dalla piruvato carbossilasi.

La regolazione degli enzimi di comando delle vie metaboliche tramite effettori allosterici e

modificazioni covalenti, assicura la produzione di intermedi e di prodotti, alla velocità necessaria a

mantenere nella cellula uno stato stazionario ed evitare l'inutile sovrapproduzione di composti non

immediatamente utili.

Il flusso degli atomi di carbonio del piruvato al ciclo dell'acido citrico è sotto stretta regolazione a

due livelli: la conversione del piruvato in acetil – CoA e l'ingresso dell'acetil CoA nel ciclo.

Dato che il piruvato non è l'unica fonte di acetil CoA (la maggior parte delle cellule ottengono acetil

CoA anche dall'ossidazione degli acidi grassi e di alcuni amminoacidi), la disponibilità di intermedi

da queste vie alternative diventa importante nella regolazione dell'ossidazione del piruvato e del

ciclo stesso.

Il ciclo dell'acido citrico viene regolato anche a livello delle reazioni dell'isocitrato deidrogenasie

dall' α – chetoglutarato deidrogenasi.

Il complesso della piruvato deidrogenasi nei mammiferi è fortemente inibito dall'ATP, dall'acetil

CoA e dal NADH, i prodotti della reazione da esso catalizzata.

+

AMP, CoA, NAD , tutti composti la cui concentrazione tende ad aumentare quando il flusso di

unità acetiliche all'interno del ciclo dell'acido citrico è troppo basso, attivano allostericamente il

complesso della piruvato deidrogenasi.

Questa attività enzimatica viene spenta quando sono disponibili grandi quantità di combustibili

+

sotto forma di acidi grassi o di acetil CoA e quando i rapporti (ATP)/(ADP) e (NADH)/(NAD )

sono elevati nella cellula; il complesso diventa invece attivo quando la domanda energetica aumenta

ed è necessario aumentare il flusso di unità di acetil CoA nel ciclo di Krebs.

A questi meccanismi di regolazione allosterica (nei mammiferi), si aggiunge un secondo livello di

regolazione mediante modificazione covalente.

Il complesso enzimatico viene inibito dalla fosforilazione reversibile di uno specifico residuo di Ser,

su una delle due subunità di E .

1

Una specifica proteina chinasi fosforila e inattiva l'enzima E e una specifica fosfoproteina fosfatasi

1

rimuove il gruppo fosforico da E , attivandola.

1


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simo1694

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DETTAGLI
Esame: Biochimica
Corso di laurea: Corso di laurea in scienze motorie, sportive e della salute
SSD:
Università: Carlo Bo - Uniurb
A.A.: 2017-2018

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher simo1694 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Biochimica e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Carlo Bo - Uniurb o del prof Stocchi Vilberto.

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