Appunti di Biochimica Metabolica

Facoltà di medicina

Appunti di biochimica metabolica

Can. Ba.a. 2012/2013

Prof. Dario Ghigo

Metabolismo dei carboidrati

Metabolismo: indica tutte le possibili reazioni che avvengono nel nostro organismo. Quasi tutte le reazioni sono catalizzate da enzimi. Le vie metaboliche sono altamente coordinate, vi è un continuo cross-talk fra di loro. Quest'attività coordinata ha lo scopo di ottenere energia chimica dall'ambiente (catabolismo) e di convertire le molecole nutrienti in molecole caratteristiche della cellula stessa (anabolismo). Vi sono vie che non possono essere ben distinte: ad esempio la conversione della fenilalanina in tirosina, che può avere destini diversi.

Metabolismo intermedio

Indica la sintesi e il catabolismo di molecole con un basso peso molecolare. Non include processi che richiedono uno stampo di acido nucleico. Quasi tutte le reazioni da cui si ricava energia sono reazioni di ossidazione. Parte dell'energia liberata diventa energia termica e in parte viene usata per formare legami ad alta energia. Nella sintesi invece si hanno reazioni di riduzione. Le molecole contenenti legami ad alta energia vengono usate per sintetizzare molecole complesse partendo da molecole più semplici (carboidrati, amminoacidi...).

Un'altra differenza tra le vie cataboliche e quelle anaboliche è che le vie cataboliche tendono ad essere vie convergenti, perché partendo da molecole molto diverse si ottengono via via molecole che si assomigliano (esempio l'acetil CoA, che si forma da vie diverse). Le vie anaboliche invece sono divergenti. Si distingue tra agenti nucleofili, ricchi di elettroni, in grado di reagire con agenti elettrofili, poveri di elettroni nello strato più esterno.

Gli organismi si possono distinguere in fototrofi o chemiotrofi, a seconda che traggano energia rispettivamente dalla luce o dall'ossidazione di composti chimici. Il nostro organismo necessita di azoto, oltre che di ossigeno. Ma lo possiamo assumere solo sotto forme ben precise. Vi sono batteri azoto-fissatori che trasformano l'azoto atmosferico in ammoniaca. I batteri nitrificanti convertono l'ammoniaca in nitriti e nitrati. Gli animali non li possono assumere, ma le piante sì. Queste, partendo da nitriti e nitrati sintetizzeranno proteine vegetali e altri composti. Gli animali, assumendo e degradando queste proteine possono metabolizzare così l'azoto sotto forma di aminoacidi. Batteri denitrificanti possono convertire nitriti e nitrati in azoto atmosferico.

Organismi e ossigeno

Gli organismi si distinguono in base al loro utilizzo dell'ossigeno: aerobi obbligati, aerobi facoltativi, anaerobi obbligati (organismi che sopravvivono solo in assenza di ossigeno, esempio clostridium botulinum e clostridium tetani). Il termine botulismo deriva dal latino “salsiccia”, perché i primi casi si sono osservati in seguito all'ingestione di alimenti. In presenza di ossigeno il clostridium si trasforma in spore, che possono rimanere nei cibi, se non sono trattati adeguatamente. In assenza di ossigeno la spora si ritrasforma in clostridio. Questo produce la tossina botulinica, che determina una grave alterazione a carico dei motoneuroni: impedisce alle vescicole di acetilcolina di fondersi con la membrana. L'organismo va così incontro a paralisi (flaccida).

I clostridi sono anaerobi obbligati perché l'ossigeno si trasforma in gran quantità in ROS (specie reattive dell'ossigeno). Mentre i vertebrati hanno enzimi in grado di contrastare la formazione di ROS, i batteri anaerobi obbligati non sono in grado di contenerli. Nel caso del tetano, i batteri entrano sotto forma di spore nell'organismo e rilasciano la tossina tetanica. Questa causa una paralisi (spastica). In entrambi i casi la morte sopraggiunge per paralisi del diaframma. In questo caso la tossina interferisce con il rilascio di neurotrasmettitori ad azione inibitoria, come la glicina, l'acido gamma ammino-butirrico (GABA). Bloccandoli, questi non riescono più a essere riversati nello spazio sinaptico e si ha un fenomeno di ipercontrazione.

Energia da carboidrati e proteine

Carboidrati e proteine (o amminoacidi) hanno lo stesso apporto calorico, metà di quello dei lipidi. Rispettivamente 4,1 kcal/g (17 kJ/g) e 9,3 kcal/g (39 kJ/g). Questo perché carboidrati e proteine hanno una struttura ossidata che ha già ceduto parte del suo carico di energia.

ATP

Funzioni

• Lavoro meccanico (contrazione muscolare, movimento cellulare, etc...)
• Trasporto transmembrana: sui due lati della membrana vi sono gradienti dovuti alla differenza nel numero di elementi e nella quantità di cariche (pompa Na+/K+)
• Sintesi chimica: l'ATP è necessaria per la formazione di legami chimici
• Conservazione dell'informazione genetica: il DNA spesso va incontro a mutazioni. Vi sono processi che richiedono ATP che limitano la quantità di mutazioni

Perché l'ATP contiene energia

Nell'ATP vi è un legame anidride, che contiene energia perché la sua idrolisi limita la repulsione fra i gruppi fosfato vicini (carichi negativamente). L'idrolisi dell'ATP converte una molecola con certo grado di delocalizzazione, in due molecole con una ancora maggiore delocalizzazione. A pH fisiologico l'ADP si dissocia, aumentando ulteriormente la delocalizzazione. Il carbonio 5 aveva un gruppo alcolico primario. Il gruppo -OH dell'acido ortofosforico è un gruppo acido. Si ha quindi una reazione tra un gruppo acido e alcol, quindi un legame estere, che ha pochissima energia. Gli altri due invece si possono rompere.

Qualunque tessuto ha un prevalenza di ATP, perché man mano che l'ATP viene idrolizzata, i composti che si formano vengono subito riutilizzati per formare dell'altra ATP. L'ATP viene considerata una forma di contenimento dell'energia, ma non è completamente vero, perché questa ha un'emivita breve, di pochi minuti. Non è quindi una molecola statica, ma altamente dinamica (in un giorno un organismo idrolizza 50 kg di ATP, ma in circolo ve ne sono soltanto 50 g).

La fosfocreatina è presente in due tipi di tessuti: il tessuto muscolare e quello nervoso. La fosfocreatina è una vera molecola di deposito energetico. È una molecola che può accumulare molto più fosfato rispetto all'ATP, perché è presente in maggiori concentrazioni. Quando l'ATP viene idrolizzata, se il metabolismo non è abbastanza rapido a riciclarla, interviene la fosfocreatina che dona il suo gruppo fosfato all'ADP riconvertendola in ATP.

L'ATP può rompere anche il legame pirofosforico, diventando AMP e rilasciando pirofosfato. Questo viene rotto in due gruppi fosfato da fosfatasi. Questo procedimento rilascia una quantità di energia molto maggiore, necessaria in alcuni processi che richiedono molta energia.

Glicolisi

Via metabolica centrale, principale fonte di energia per molti tessuti:

• Eritrociti (l'ossigeno che trasportano non viene usato)
• Cervello, dove non ci sono enzimi mitocondriali per demolire acidi grassi
• Testicolo (pochi mitocondri)
• Midollare surrenale (pochi mitocondri)
• Cornea e cristallino (non contengono mitocondri perché i citocromi in essi contenuti contengono ferro, che colorerebbe la cellula, che dev'essere trasparente)
• Tessuti embrionali (scorrelazione tra la crescita cellulare e l'apporto di ossigeno)
• Tessuti tumorali (biochimica speciale)

Nel caso di una glicolisi aerobica ci si ferma al piruvato. Nel caso di una glicolisi anaerobica non ci si ferma al piruvato, ma c'è un'undicesima reazione che converte il piruvato in lattato (fermentazione lattica). La glicolisi consiste nella demolizione del glucoso finalizzata alla produzione di energia.

Perché il glucoso?

1. Perché in condizioni prebiotiche è stato uno dei primi monosaccaridi a comparire
2. Perché il glucoso è presente perlopiù in forma ciclica, e quindi da meno interferenza alla proteine (in forma aperta esibisce un gruppo aldeidico: le aldeidi sono composti estremamente tossici per l'organismo umano, perché tendono a reagire con gruppi amminici formando aldimmine. I gruppi amminici sono presenti soprattutto nelle proteine e quindi un'aldeide può alterare la funzionalità delle proteine).

Trasporto del glucoso nelle cellule

Il glucoso come fa ad entrare nelle cellule?

1. Proteine trasportatrici del glucoso (GLUT): trasportano il glucoso con un trasporto passivo, secondo gradiente (nella cellula vi è poco glucoso perché non appena entra viene fosforilato, diventando glucoso 6-fosfato). I più analizzati sono i primi 5 (GLUT1, 2, 3, 4 e 5).

La Km di GLUT1 per il glucoso ha una concentrazione a digiuno attorno a 5 mM. GLUT2 ha una Km molto più alta, quindi raggiungerà la velocità massimale a concentrazioni molto alte, più alte anche nelle concentrazioni di un diabetico. Questo ha un significato molto importante, perché ha una bassa affinità per il glucoso, quindi a digiuno e dopo un pasto il trasporto di glucoso è lineare. Quindi tessuti che contengono GLUT2 hanno una capacità di trasporto di glucosio adeguata alla sua concentrazione (più glucoso c'è da una parte, maggiore è il suo assorbimento e il suo trasporto dall'altra).

GLUT2 si trova:

• Nel fegato, dove la cellula epatica lo accumula sotto forma di glicogeno
• Cellule del pancreas, che si trovano nelle isole di Langerhans. Il glucoso presente nel sangue portale che va al fegato passa per il pancreas e le cellule beta registrano la quantità di glucoso per poter rispondere con una secrezione adeguata di insulina
• Membrana basolaterale delle cellule renali e intestinali. Sono cellule che formano una barriera tra l'interno e l'esterno. La loro funzione è di recuperare il glucoso per non perderlo con urina e feci e immetterlo nel circolo sanguigno.

Km e affinità per il substrato

Km: Costante di Michaelis-Menten, indica l'affinità per il substrato. Indica la concentrazione di substrato quanto l'enzima lavora alla semivelocità massima (Vmax/2). Più la Km è alta, minore è l'affinità per il substrato.

GLUT3 Si trova principalmente nei neuroni, dove la sua alta affinità ed alta velocità di trasporto del glucoso è particolarmente utile, dato che i neuroni hanno un metabolismo principalmente aerobico.

GLUT4 ha una localizzazione molto particolare, si trova all'interno di cellule insulino dipendenti. Non tutte le cellule rispondono all'effetto dell'insulina, ma i tessuti presenti in maggior quantità: muscoli scheletrici, adipociti e muscolo cardiaco. L'insulina come controlla l'assorbimento di glucoso? Le cellule insulino dipendente contengono vescicole ricche di GLUT4. A concentrazioni normali di insulina vi sono trasportatori GLUT1 come in tutte le altre membrane. Quando queste vescicole sono dentro la cellula chiaramente non funzionano, ma quando arriva l'insulina, il suo legame con il suo recettore causa una serie di eventi che inducono lo spostamento della vescicola contenente GLUT4 che si fonde con la membrana plasmatica e GLUT4 si trova ad essere spostato sulla membrana. In tali condizioni le cellule con GLUT4 hanno una capacità di assorbimento 30-40-50 volte maggiori rispetto alle altre cellule (per la grande quantità di recettori per il glucoso). Quando la glicemia diminuisce, le cellule beta produrranno meno insulina. L'insulina ha una emivita abbastanza breve e si stacca abbastanza rapidamente dal suo recettore. Quando questo avviene la membrana plasmatica si invagina e riforma la vescicola contenente GLUT4.

Un quarto tessuto insulino dipendente è il fegato, in cui l'insulina ha la capacità di convertire il glucoso in glucoso 6-fosfato. In caso di ipoglicemia tra i vari sistemi che vengono attivati è la produzione di glucoso (gluconeogenesi) in cui il glucoso sintetizzato viene espulso da GLUT2. Una ipoglicemia ha effetti deleteri anche in tempi brevi (rispetto all'iperglicemia), soprattutto a livello neurale. Questo perché i neuroni dipendono soprattutto dalla glicolisi e non potendo accumulare glucoso in poco tempo il glucoso viene a mancare, i neuroni lavorano sempre meno, il soggetto va in uno stato soporoso che può giungere al coma e arrivare anche alla morte.

GLUT5 ha la capacità di trasportare il fruttoso.

2. SGLT (trasportatore Na+ / Glucoso): in pratica l'SGLT trasporta il glucoso secondo gradiente (trasporto passivo), ma il trasporto è facilitato dal sodio, che entra secondo gradiente (due Na+ per ogni molecole di glucoso). Questo trasportatore si trova sulla membrana luminale degli enterociti e dei nefroni che costituiscono i tubuli renali (zone con un certo contatto, diretto o indiretto, con l'ambiente esterno).

Quando il glucoso entra in una cellula può avere destini differenti. Il primo evento è sempre la sua trasformazione in glucoso 6-fosfato, per impedirgli di uscire (GLUT non può trasportare glucoso fosforilato).

Vie del glucoso 6-fosfato

1. Eritrociti: negli eritrociti il glucoso 6-fosfato viene trasformato in lattato, oppure può entrare nella via dei pentoso fosfati, la principale via per la sintesi dei NADPH. Il numero di vie è abbastanza scarso.
2. Neuroni: il glucosio 6-fosfato viene trasformato in piruvato (con espulsione di anidride carbonica), che viene trasformato in Acetil-CoA, che entra nella via dell'acido citrico. Questo perché la trasformazione in lattato non è minimamente sufficiente per i neuroni, in quanto hanno un dispendio energetico estremamente elevato.
3. Cellule muscolari e miocardiche: il glucoso fosforilato si può trasformare in glicogeno. Nel muscolo sotto sforzo è necessario glucoso, che è facilmente reperibile dalla degradazione del glicogeno. Sotto sforzo è possibile anche la trasformazione del glucoso in lattato (via anaerobica). Il tessuto miocardico ha una minore autonomia di quello muscolare, in quanto l'accumulo di lattato causa una acidificazione via via maggiore che causa una sofferenza del tessuto.
4. Adipociti: le vie sono simili a quelle già viste, con una sostanziale differenza. L'acetil-CoA invece di entrare nella via dell'acido citrico viene convertito in acidi grassi, soprattutto trigliceridi.
5. Epatociti: Il glucoso fosforilato, oltre alle via già dette, qui può intraprendere una via ulteriore che lo converte in acido glucuronico. Inoltre il piruvato può essere riconvertito in glucoso (gluconeogenesi), le cui tappe sono differenti da quelle della glicolisi, anche se alcune sono uguali e opposte. Il glucoso neosintetizzato può essere rilasciato attraverso GLUT4. Si può sintetizzare il glicogeno, il lattato e, a partire dall'Acetil-CoA, anche lipidi (che è il primo sito della sintesi di grassi, non gli adipociti a differenza di quanto si potrebbe pensare). I lipidi poi vengono espulsi e trasportati in altre sedi (adipociti e tessuti che ne hanno bisogno.

Il glucoso non è la principale fonte di energia, contrariamente a quanto si pensi, ma lo sono gli acidi grassi. In assenza di ossigeno gli acidi grassi non possono essere degradati e in questo caso il muscolo scheletrico usa glucoso, che può essere degradato anaerobicamente.

Le tappe della glicolisi

La glicolisi è costituita da 10 tappe, che si possono dividere in due fasi:

• La prima fase consuma 2 molecole ATP e termina con la formazione di 2 molecole di gliceraldeide 3-fosfato (fase preparatoria)
• Le due molecole di gliceraldeide 3-fosfato forma 4 molecole di ATP (il guadagno netto è invece di 2 ATP) e due molecole di piruvato.

Solo il composto di partenza e quello finale non sono fosforilati. Questo perché:

• Il gruppo fosfato, legandosi agli intermedi, garantisce che questi non escano dalla cellula.
• Inoltre il gruppo fosfato aumenta il contenuto energetico, che serve sintetizzare l'ATP.
• Permette il legame dei substrati ai siti attivi degli enzimi, grazie anche al tramite del legame degli intermedi fosforilati grazie a Mg++, che deve essere presente.

Reazione 1

I reagenti sono ATP e una molecola di glucoso. Nel corso della reazione l'ATP cede il fosfato gamma, diventando ADP. Il gruppo fosfato va a legarsi al C6 del glucoso, formando glucoso 6-fosfato. L'enzima viene chiamato esocinasi (HK). È una cinasi, quindi una fosfotrasferasi, che prende un gruppo fosfato prelevato da un'ATP o un qualche altro nucleotide e lo trasferisce su un esoso. Esistono 4 isoforme diverse di esocinasi. Una di queste è talmente importante che viene chiamata con un nome a sé stante: glucocinasi.

La glucocinasi:

1. Si trova soprattutto nel fegato e nelle cellule beta pancreatiche, cioè le stesse cellule che hanno GLUT2 (vi è una specifica correlazione tra le due).
2. Si chiama così perché le esocinasi possono fosforilare anche mannoso e fruttoso, oltre al glucoso, invece la glucocinasi è specifica per il glucoso.
3. È un enzima inducibile, cioè la sua sintesi può aumentare qualora ve ne sia la necessità. La sua sintesi può essere indotta dall'insulina, mentre le altre esocinasi non sono modulate dall'insulina.
4. Non viene inibita dal glucoso 6-fosfato, questo perché, visto che si trova nel fegato, se il glucoso 6-fosfato si accumula può entrare in altre vie, come per esempio quella per la formazione di glicogeno. Invece le altre tre isoforme contenute in altri tipi cellulari vengono inibite dal glucoso 6-fosfato perché se questo si accumula vuol dire che gli enzimi che catalizzano reazioni a monte non ne hanno bisogno.
5. Cineticamente le esocinasi sono enzimi facilmente saturabili, mentre la glucocinasi no (ha un profilo simile a quello di GLUT2). Questo perché l'esocinasi epatica risponde a esigenze diverse.
6. L'enzima è costituito da due domini, in mezzo ai quali...