Biochimica

M

velocità di reazione pari alla metà della velocità massima, il che indica una alta affinità dell'enzima

per il substrato. Viceversa un alto valore di K indica che sarà necessario più substrato per

M

raggiungere una velocità di reazione pari alla metà della velocità massima, il che significa una

minore affinità dell'enzima per il substrato.

Riportando su un diagramma cartesiano l'andamento della velocità di reazione, dedotta secondo la

cinetica di Michaelis-Menten, in funzione della concentrazione di substrato si ottiene graficamente

un ramo di iperbole.

Risultano di ovvia deduzione le seguenti considerazioni:

a basse concentrazioni di substrato la reazione è praticamente del primo ordine, crescendo la

• velocità proporzionalmente ad [S] (essendo l'enzima in forte eccesso rispetto al substrato, la sua

concentrazione può considerarsi costante);

ad alte concentrazioni di substrato la velocità tende ad assume un valore massimo che diviene

• costante. Ciò è dovuto alla completa saturazione dell'enzima che annulla l'effetto dovuto

all'ulteriore aumento della concentrazione di substrato (non è presente più enzima disponibile).

Una tale cinetica di reazione è di ordine zero e in questo caso risulta .

Isoenzimi

Alcuni enzimi svolgono una stessa funzione ma esistono in diverse forme, ciascuna con proprie

caratteristiche catalitiche (fra cui Km) in funzione delle necessità metaboliche che deve affrontare.

Enzimi che catalizzano una stessa reazione ma che hanno proprietà cinetiche diverse vengono

denominati isoenzimi. 10

LA GLICOLISI

È una via catabolica particolare, perché è rapida e perché può fornire energia sia in presenza

(glicolisi aero

bica

) che in assenza (glicolisi anaerobica) di ossigeno. È inoltre importante perché:

gli intermedi della glicolisi sono gli stessi della via della gluconeogenesi

* gli altri monosaccaridi (fruttosio, galattosio, ribosio) ed i componenti di altre fonti energetiche

*

(quali il glicerolo derivante dai trigliceridi e la catena carboniosa degli aminoacidi) sono collegati

direttamente o indirettamente alla glicolisi.

Come dice il nome stesso, nella glicolisi, il glucosio, molecola a sei atomi di carbonio, viene scisso in

due molecole a tre atomi di carbonio; l’acido piruvico (a pH fisiologico si trova nella forma

dissociata piruvato). Nel metabolismo aerobico, il piruvato viene trasportato nel mitocondrio e

degradato completamente ad anidride carbonica (CO ) nelle vie metaboliche successive. In condizioni

2

anaerobiche (cioè in carenza di ossigeno), o in assenza di mitocondri (sede di utilizzo dell'ossigeno),

viene trasformato nel citoplasma in lattato.

Reazioni chimiche della glicolisi

La glicolisi può essere rappresentata come se avvenisse in due fasi,

Prima fase di investimento energetico in cui l’ATP è utilizzato per fosforilare il glucosio (glucosio 6-

fosfato), monosaccaride a sei atomi di carbonio, che viene quindi scisso in due zuccheri fosfati a tre

atomi di carbonio (gliceraldeide 3-fosfato). Fase che ha importanti punti di regolazione della via

glicolitica; + +

Seconda fase di produzione energetica in cui si produce NADH + H (NAD ridotto) dal NAD (NAD

ossidato) e si formano due composti con legami fosforici ad alta energia (1,3 bisfosfoglicerato e 2-

fosfoenolpiruvato) che vengono poi utilizzati per la sintesi di ATP a partire da ADP (nel cosiddetto

processo di "fosforilazione a livello del substrato").

Prima tappa. Appena entrato nella cellula, il glucosio viene fosforilato, tramite il trasferimento di un

gruppo fosfato dall'ATP all'ossidrile legato al carbonio 6 della molecola di glucosio (con formazione

di un legame estere); si ha così la formazione di glucosio 6-fosfato (G 6-P).

La reazione è irreversibile ed ha lo scopo di rimuovere il glucosio dal sangue dopo i pasti; la

fosforilazione del glucosio, infatti, ne impedisce la fuoriuscita dalle cellule e mantiene elevato il suo

gradiente di concentrazione tra sangue ed ambiente cellulare. Inoltre, il glucosio 6-fosfato è un

composto importante che si trova al crocevia di molte vie metaboliche.

La reazione di fosforilazione del glucosio è catalizzata dall'enzima esochinasi che è presente in tutte le

cellule, ha un'alta affinità per il glucosio ed è inibita allostericamente dall'accumulo del prodotto di

reazione glucosio 6-fosfato.

Seconda tappa. Il glucosio 6-fosfato è convertito nell'isomero fruttosio 6-fosfato (F 6-P) dall'enzima

G 6-P isomerasi.

Terza tappa. Avviene una seconda fosforilazione, a spese dell'ATP, catalizzata dall'enzima

fosfofruttochinasi, che converte il F 6-P in fruttosio 1,6-bisfosfato (1,6-FBP; formazione di un legame

estere tra l'OH del CI ed il fosfato ceduto dall'ATP). Anche questa è una reazione irreversibile,

perché fortemente esoergonica.

Quarta tappa. La prima fase della glicolisi si conclude con la scissione del 1,6-FBP in due molecole

a 3 atomi di carbonio: la gliceraldeide 3-fosfato ed il diidrossiacetone-fosfato. Tale reazione è

catalizzata dall'enzima aldolasi. 11

Quinta tappa. Il diidrossiacetone-fosfato viene rapidamente convertito in gliceraldeide 3-fosfato

grazie all'attività della trioso fosfato isomerasi, per cui le successive tappe metaboliche vedono

coinvolta solo la gliceraldeide 3-fosfato. Da questo punto ogni reazione va quindi considerata in

duplicato.

Sesta tappa. La gliceraldeide 3-fosfato viene convertita in acido 1,3-bisfosfoglicerico (in forma

dissociata 1,3 bisfosfoglicerato), secondo una reazione complessa catalizzata dalla gliceraldeide 3-

fosfato deidrogenasi. L'enzima catalizza due reazioni contemporanee:

ossida il gruppo aldeidico (-CHO) della gliceraldeide a gruppo carbossilico (-COOH),

* + +

riducendo il NAD a NADH + H ;

incorpora una molecola dì fosfato inorganico H2PO4~ (Pi), legandola al gruppo

*

carbossilico in posizione 1; l'energia per legare il fosfato viene fornita dalla concomitante reazione

di deidrogenazione dell'aldeide ad acido.

Settima tappa. Il passaggio successivo consiste nel trasferimento del gruppo fosfato anidridico dal

1,3-BPG all'ADP, con conseguente formazione di ATP e 3-fosfo-glicerato (l'enzima responsabile di

tale reazione è la fosfoglicerato chinasi).

Ottava tappa. La riorganizzazione interna del 3-fosfoglicerato sposta il gruppo fosfato dal carbonio

in posizione 3 al carbonio in posizione 2, formando 2-fosfogli-cerato, in una reazione catalizzata

dalla fosfogliceromutasi.

Nona tappa. Una reazione di deidratazione (rimozione di una molecola di H O), catalizzata

2

dall'enolasi, porta alla formazione del fosfoenolpiruvato (PEP), anch'esso contenente un legame ad

alta energia con il fosfato.

Decima tappa. L'ultima reazione, irreversibile, della glicolisi consiste nel trasferimento del gruppo

fosfato dal PEP all'ADP con la formazione di ATP e piruvato; l'enzima responsabile è la piruvato

chinasi. Tale enzima è regolato da diversi effettori quali l'ATP e l'aminoacido alanina che hanno un

ruolo inibitorio, mentre il fruttosio 1,6-bisfosfato svolge un ruolo attivatorio.

IL DESTINO DEL PIRUVATO E DEL NADH

I prodotti della glicolisi sono ATP, piruvato e NADH

Il destino del NADH e del piruvato dipendono dalle condizioni metaboliche cellulari.

+

Ossidazione aerobica del NADH + H e del piruvato citosolici

+

Il NADH + H citosolico formato nella glicolisi non può entrare nel mitocondrio e cede i suoi atomi di

+

H, tramite dei sistemi navetta, al NAD presente nella matrice mitocondriale che a sua volta si riduce

+

a NADH + H . È il NADH presente nel mitocondrio che quindi entra nella catena respiratoria. Nel

mitocondrio gli atomi di idrogeno del NADH vengono ceduti all'ossigeno per formare acqua; questa

reazione è esoergonica e l'energia prodotta viene usata per sintetizzare ATP (fosforilazione

ossidativa).

Il piruvato viene trasportato nel mitocondrio (nella matrice mitocondriale). Qui viene 1)

decarbossilato (ottenendo acetaldeide), 2) ossidato (ottenendo acido acetico), e 3) legato al

Coenzima A (CoA-SH).

La reazione nel suo complesso prende il nome di decarbossilazione ossidativa ed è la prima tappa del

catabolismo del glucosio in cui viene liberata anidride carbonica (CO ). L'enzima responsabile è la

2 +

piruvato deidrogenasi, un complesso multienzimatico che utilizza diversi cofattori enzimatici (NAD ,

FAD, tiamina pirofosfato, acido lipoico). 12

+

Ossidazione anaerobica del NADH + H e del piruvato citosolici

In condizioni anaerobiche, perché la via possa continuare, è necessario un accettore di atomi di H

diverso dall'ossigeno. Sarà, nello specifico, lo stesso piruvato a fare da accettore temporaneo di

+ +

idrogeno riducendosi così a lattato, mentre il NADH + H si ossida a NAD . La reazione reversibile,

fermentazione lattica, è catalizzata dall'enzima lattato deidrogenasi (LDH).

Il metabolismo anaerobico del glucosio è molto meno efficiente del suo metabolismo aerobico e

rilascia solo una piccola parte dell'energia contenuta nel glucosio; si formano solo 2 molecole di ATP

per molecola di glucosio, contro le 32 molecole formate in presenza di O .

2

IL CICLO DI KREBS

È una via metabolica anfibolica perché partecipa sia a processi anabolici che catabolici.

È un ciclo perché il composto dipartenza e di arrivo è l'ossalacetato.

Prima tappa; Nella prima reazione, l'acetil~SCoA si condensa irreversibilmente con l’ossalacetato

per formare il citrato, grazie all'azione della citratosintasi. Questo enzima rappresenta il punto di

regolazione, perché la sua attività è inibita da vari intermedi e prodotti del ciclo quali

ATP, NADH, succinil-SCoA, citrato. Perciò, quando i livelli energetici cellulari sono alti, il flusso

lungo il ciclo di Krebs è relativamente lento. Può essere notevolmente incrementato quando ATP e

NADH diminuiscono, come succede durante l'esercizio fisico; inoltre a livello muscolare è attivato

2+

dal Ca che, contemporaneamente, da il segnale per la contrazione e quello per la sintesi dell'ATP

necessario.

Seconda tappa. Una volta formato, il citrato è convertito, ad opera dell'enzima aconitasi, nel suo

isomero isocitrato. Quest'ultimo subisce una deidrogenazione e conseguente decarbossilazione

trasformandosi in α-chetoglutarato. In questa reazione, catalizzata dalla isocitrato deidrogenasi,

+

sono rilasciate una molecola di CO e la prima delle tre molecole di NADH + H .

2 +

Terza tappa. Un'altra molecola di CO ed un'altra di NADH + H si formano con l