Biochimica

STRUTTURA DELLA GLICOGENO FOSFORILASI

Glicogeno fosforilasi a e b nel fegato.

Nel fegato la glicogeno fosforilasi è un sensore per il glucosio.

La fosfoproteina fosfatasi (PP1) rimuove i gruppi fosforici sia dalla glicogeno fosforilasi che dalla glicogeno sintasi.

Regolazione della glicogeno sintasi

La glicogeno sintasi possiede siti multipli di fosforilazione.

Con l’aumento dei livelli di fosforilazione, l’attività dell’enzima diminuisce.

L’insulina attiva la glicogeno sintasi b:

bloccando l’attività di GSK3;

attivando la fosfoproteina fosfatasi (PP1).

Adrenalina: Ormone (ammina biogena) secreto dalle cellule della zona midollare del surrene, viene rilasciato nel

sangue per preparare i muscoli, i polmoni ed il cuore ad un intensa attività.

Insulina: Ormone proteico secreto dalle cellule β del pancreas in seguito all’aumento del livello di glucosio nel sangue.

Glucagone: Ormone peptidico secreto dalle cellule a del pancreas, in seguito alla diminuzione del livello di glucosio

nel sangue.

Il bilancio netto tra la sintesi del glicogeno e la sua demolizione viene controllato dai livelli ormonali di insulina e

glucagone.

Questi ormoni, regolando i livelli di cAMP, determinano i rapporti tra le forma attive di glicogeno sintasi e glicogeno

fosforilasi.

Gli stessi ormoni regolano anche i livelli di fruttosio-2,6bisfosfato e dunque il bilancio tra glicolisi e gluconeogenesi.

L’adrenalina o epinefrina ha effetti simili a quelli del glucagone ma il tessuto bersaglio di questo ormone è tipicamente

il muscolo, mentre il glucagone agisce essenzialmente a livello del fegato.

Schema riassuntivo

Glucagone

Stimola la gluconeogenesi e la demolizione del glicogeno a livello epatico.

Insulina

Stimola la glicolisi e la glicogenosintesi a livello epatico.

Adrenalina

Stimola la demolizione del glicogeno (fegato e muscolo) e la gluconeogenesi (fegato).

IL CICLO DI KREBS

Il ciclo di Krebs, detto anche ciclo degli acidi tricarbossilici o ciclo dell'acido citrico, è una via metabolica

importantissima che avviene nei mitocondri delle cellule eucariotiche e nel citoplasma di quelle procariotiche. Prende il

suo nome in onore del medico e biochimico tedesco che contribuì, nel 1937, alla sua determinazione, Sir Hans Adolf

Krebs.

Negli organismi aerobici, il ciclo di Krebs è una via anfibolica, ovvero serve sia ai processi catabolici che anabolici.

Non agisce soltanto nel metabolismo dei carboidrati, degli acidi grassi e degli amminoacidi, ma produce anche i

α

precursori di molte vie biosintetiche. Per esempio l' -chetoglutarato e l'ossalacetato vengono sottratti al ciclo di Krebs

per essere usati come precursori degli amminoacidi aspartato e glutammato (mediante transamminazione); l'ossalacetato

viene convertito in glucosio nella gluconeogenesi, ed il succinil-CoA è un intermedio fondamentale nella sintesi

dell'anello porfirinico dell'eme.

Le reazioni che lo compongono sono in tutto 8; di queste ben 4 sono ossidazioni, in cui l'energia viene conservata con

un alto grado di efficienza mediante la formazione dei cofattori ridotti NADH e FADH2.

La reazione netta del ciclo di Krebs è:

acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi -> CoA + 3 NADH + H+ + FADH2 + ATP + 2 CO2

1. Formazione del citrato. La prima reazione del ciclo è la condensazione dell'acetil-CoA con l'ossalacetato per

formare il citrato. L'enzima che catalizza la reazione è la citrato sintasi. In questa reazione si forma un intermedio sul

sito attivo dell'enzima, il citril-CoA, e ben presto viene idrolizzato liberando citrato e CoA. La reazione è fortemente

esoergonica, motivo per cui è irreversibile. Il CoA libero formato in questa reazione viene riciclato e può partecipare

alla decarbossilaione ossidativa di un'altra molecola di piruvato da parte del complesso della piruvato deidrogenasi.

acetil-CoA + ossalacetato --> citrato

2. Formazione dell'isocitrato attaraverso il cis-aconitato. L'enzima aconitato idratasi (o aconitasi) catalizza la

trasformazione reversibile del citrato in isocitrato, mediante la formazione di un composto intermedio: il cis-aconitato.

L'aconitasi può addizionare una molecola di acqua al doppio legame del cis-aconitato in due diversi modi, di modo tale

che una via porti alla formazione di citrato e l'altra ad isocitrato.

Anche se la miscela contiene poco isocitrato, la reazione procede verso la sua formazione a causa del suo immediato

consumo da parte della reazione successiva. L'aconitasi contiene un centro ferro-zolfo che agisce sia nel legame del

substrato al sito attivo, sia nella catalasi dell'addizione o della rimozione della molecola di acqua.

citrato <--> cis-aconitato <--> isocitrato

α

3. Ossidazione dell'isocitrato ad -chetoglutarato ed anidride carbonica. L'enzima isocitrato deidrogenasicatalizza

α

una decarbossilazione ossidativa dell'isocitrato per formare -chetoglutarato. L'enzima presenta due isoforme, una che

richiede il NAD+ come accettore di elettroni ed un'altra che richiede NADP+. Nelle cellule eucariotiche la prima

isoforma è presente nella matrice mitocondriale, mentre la seconda è presente anche nel citosol.

α

isocitrato <--> -chetoglutarato + CO2

α

4. Ossidazione dell' -chetoglutarato a succinil-CoA e CO2. Siamo di fronte ad un'altra decarbossilazione ossidativa,

α α

in cui l' -chetoglutarato viene convertito in succinil-CoA ed anidride carbonica da parte delcomplesso dell' -

chetoglutarato deidrogenasi. L'accettore finale di elettroni è il NAD+ ed il CoA è il trasportatore del gruppo succinile.

Questa reazione è analoga a quella del complesso della piruvato deidrogenasi, in quanto i complessi enzimatici di

riferimento sono simili sia nella struttura che nella funzione. Riconosciamo infatti la presenza di 3 enzimi (analoghi ad

E1, E2 ed E3) e 5 cofattori enzimatici (Tiamina pirofosfato legata ad E1, lipoato legato ad E2, FAD, NAD e CoA).

α

-chetoglutarato --> succinil-CoA

5. Conversione del succinil-CoA a succinato. Il succinil-CoA ha un'energia libera di idrolisi fortemente negativa.

Questa energia viene utilizzata nella tappa successiva per favorire la formazione di un legame fosfoanidridico

sottoforma di GTP o ATP. Il processo porta alla formazione del succinato. La reazione è catalizzata dalla succinil-CoA

sintetasi, che può anche essere definita come succinico tiochinasi data la partecipazione alla reazione di un nucleoside

trifosfato.

succinil-CoA <--> succinato

6. Ossidazione del succinato a fumarato. Il succinato formato nella reazione precedente viene quindi ossidato

a fumarato da parte della succinato deidrogenasi. Negli eucarioti la succinato deidrogenasi è legata saldamente alla

membrana interna dei mitocondri, mentre nei procarioti si trova legata alla membrana plasmatica. L'enzima estratto dal

mitocondrio del cuore di bue contiene tre centri ferro-zolfo ed una molecola di FAD legata covalentemente. Gli elettroni

estratti dal succinato, passano attraverso il FAD ed i centri ferro-zolfo prima di entrare nella catena di trasporto degli

elettroni della membrana mitocondriale interna. L'enzima viene inibito dal malonato, un analogo del succinato.

succinato <--> fumarato

7. Idratazione del fumarato per produrre malato. Il fumarato viene idratato in una reazione catalizzata dallafumarato

idratasi (fumarasi). Il prodotto della reazione è il malato. L'enzima è altamente stereospecifico, per cui porta alla

formazione di L-malato.

fumarato <--> malato

8. Ossidazione del malato ad ossalacetato. L'enzima L-malato deidrogenasi NAD-dipendente catalizza l'ultima

reazione del ciclo, ovvero l'ossidazione del malato ad ossalacetato. In condizioni termodinamiche standard la reazione è

più spostata verso sinistra, ma dato che l'ossalacetato deve iniziare nuovamente il ciclo dalla prima reazione, la sua

concentrazione è relativamente bassa, per cui favorisce continuamente lo spostamento della reazione verso destra.

L-malato <--> ossalacetato

Considerazioni

Un gruppo acetilico, contenente 2C, è entrato nel ciclo combinandosi con l'ossalacetato. I 2C sono usciti dal ciclo

α

sottoforma di CO2 a livello dell'ossidazione dell'isocitrato e dell' -chetoglutarato, ma non si tratta degli stessi atomi di

C. L'energia rilasciata da queste ossidazioni è stata conservata con la riduzione di 3 NAD+ ed un FAD e con la

produzione di un ATP/GTP.

Il ciclo di Krebs produce solo una molecola di ATP per giro, ma nelle quattro reazioni di ossidazione viene prodotto un

enorme flusso di elettroni che entrano nella catena respiratoria, portando alla formazione di un numero maggiore di

molecole ATP nella fosforilazione ossidativa.

Nella fosforilazione ossidativa, il passaggio di 2 elettroni dal NADH all'ossigeno porta alla formazione di 2,5 molecole

di ATP, mentre il passaggio di 2 elettroni dal FADH2 all'ossigeno ne produce 1,5. Quando due molecole di piruvato

sono ossidate a 6 molecole di CO2 dal complesso della piruvato deidrogenasi e dal ciclo di Krebs, e gli elettroni

vengono trasferiti all'ossigeno dalla catena respiratoria, si ottengono mediante fosforilazione ossidativa 32 molecole di

ATP per molecola di glucosio.

Regolazione del ciclo dell’acido citrico

La regolazione degli enzimi chiave nelle vie metaboliche è essenziale per assicurare la produzione di intermedi e

prodotti alla velocità richiesta dalle cellule ed evitare sprechi e over produzioni. La regolazione può essere molto

efficace quando è allosterica o covalente.

In particolare il flusso degli atomi di carbonio del piruvato nel ciclo dell’acido citrico è sotto il controllo di un’attenta

regolazione a due livelli: quello della decarbossilazione del piruvato e quello della sua condensazione ad opera della

citrato sintasi.

Il complesso della piruvato deidrogenasi nei vertebrati è fortemente inibito da ATP, acetil-CoA e NADH, ossia i prodotti

della reazione catalizzata dal complesso. L’inibizione della ossidazione del piruvato è più grande quando sono

disponibili acidi grassi a lunga catena. Di contro l’AMP, il CoA libero e il NAD+, quando si accumulano per la assenza

di gruppi acetili da immetere nel ciclo di Krebs, attivano la piruvato deidrogenasi. Cioè questo enzima viene spento

quando il carburante metabolico (gruppi acetili) sono disponibili e quando il rapporto intracellulare ATP/ADP e

NADH/NAD è alto, e nuovamente acceso quando la domanda di energia è alta ed è richiesta un’entrata veloce di

acetilCoA nel ciclo di Krebs.

Nei vertebrati questa regolazione allosterica è accompagnata da una modificazione covalente delle proteine. Una

specifica protein-chinasi fosforila e, quindi inattiva, l’enzima