Biochimica metabolica

Biochimica metabolica

Metabolismo dei glucidi

Digestione e assorbimento

Digestione

Le cellule intestinali sono in grado di assorbire solo i monosaccaridi, quindi oligosaccaridi e polisaccaridi a-1,4-glicosidici a-1,6-glicosidici, vengono scissi da idrolasi che rompono i legami e mentre i legami presenti b-1,4-glicosidici nella cellulosa sono di tipo e non possono essere scissi dalle idrolasi.

Polisaccaridi: vengono gradualmente idrolizzati dalle amilasi salivare e pancreatica, che idrolizzano i legami a-1,4-glicosidici all’interno di una molecola di polisaccaride, producendo una mescolanza di:

• Destrine limite, si formano dai polisaccaridi ramificati amilopectina e glicogeno per l’incapacità delle amilasi di idrolizzare i legami a-1,6-glicosidici e i legami limitrofi.
• Maltotriosio.
• Maltosio.

Oligosaccaridi: vengono idrolizzati dalle disaccaridasi intestinali, enzimi ancorati alla membrana delle cellule della mucosa, con il sito attivo esposto verso il lume intestinale.

• Il saccarosio viene idrolizzato dalla saccarasi.
• Il lattosio viene idrolizzato dalla lattasi.
• Il maltosio e il maltotriosio vengono idrolizzati dalla maltasi.
• Le destrine limite vengono idrolizzate dall’azione combinata di maltasi e isomaltasi, che idrolizza i legami a-1,6-glicosidici.

La deficienza congenita delle disaccaridasi è relativamente frequente e può essere aspecifica o specifica; la più comune è il deficit di lattasi, con conseguente intolleranza al lattosio.

Assorbimento

I monosaccaridi vengono assorbiti nel digiuno e immessi nel circolo portale, da cui arrivano al fegato. Glucosio e galattosio vengono trasportati all’interno della cellula intestinale dal trasportatore GLUT-2, per diffusione facilitata (concentrazione bassa), o per trasporto attivo (concentrazione alta); in quest’ultimo caso, una molecola di glucosio viene trasportata in simporto con 2 ioni Na⁺ e richiede l’intervento della pompa Na⁺-K⁺, quindi il consumo di energia sotto forma di ATP.

Dall’enterocita, il glucosio passa nel circolo sanguigno portale per diffusione semplice o per trasporto facilitato a favore di gradiente. Il glucosio, una volta immesso nel circolo portare, arriva al fegato, dove in base alle necessità energetiche e metaboliche dell’organismo, viene metabolizzato o depositato sotto forma di trigliceridi o glicogeno.

Metabolismo del glucosio

Il metabolismo del glucosio produce:

• Energia sotto forma di ATP.
• Equivalenti riducenti in forma di NADH nella glicolisi.
• Equivalenti riducenti in forma di NADPH nel ciclo dei pentoso-fosfati.
• Intermedi metabolici che vengono usati per la sintesi di precursori non glucidici.

Il glucosio viene trasportato all’interno delle cellule in favore di gradiente in un processo di diffusione facilitata che coinvolge dei trasportatori, alcuni dei quali non dipendono dall’insulina (nel cervello, nel fegato e negli eritrociti), mentre altri, presenti nel tessuto muscolare e nel tessuto adiposo, dipendono dalla presenza dell’insulina.

Il glucosio deve essere fosforilato a glucosio-6-fosfato (G6P) a spese di una molecola di ATP, in quanto le membrane cellulari sono impermeabili agli esteri fosforici del glucosio; la reazione è irreversibile.

Gli enzimi principali che catalizzano la fosforilazione del glucosio in glucosio-6-fosfato sono:

• Esochinasi: è in grado di catalizzare la fosforilazione di altri monosaccaridi a 6C. Hanno una K_m per il glucosio e gli altri monosaccaridi molto bassa, quindi un’elevata affinità per il substrato. Vengono inibite dal G-6-P. La deficienza di esochinasi causa un’anemia emolitica, in cui la lisi dei globuli rossi è conseguente al deficit di ATP.
• Glucochinasi: è specifica per il glucosio. È presente solo negli epatociti. Non è inibita dal G-6-P. La K_m per il glucosio è notevolmente più alta rispetto all’esochinasi. È un enzima inducibile. La presenza nel fegato sia della esochinasi che della glucochinasi è connessa alla capacità dell’organo di immagazzinare il glicogeno; quando la disponibilità di glucosio è elevata, si ha un aumento della concentrazione di G-6-P, che arresta quindi l’attività dell’esochinasi, ma non della glucochinasi, che continua quindi a fosforilare il glucosio.

Il glucosio-6-P può seguire diversi destini metabolici a seconda delle necessità energetiche dell’organismo:

• Isomerizzazione a fruttosio-6-P e degradazione nella glicolisi.
• Ossidazione nel lattone dell’acido 6-fosfogluconico e conversione nei pentoso-fosfati.
• Trasformazione in glucosio-1-P e incorporazione nel glicogeno.
• Idrolisi in glucosio e fosfato e reimmissione in circolo.

Glicolisi

La glicolisi è un processo a sede citoplasmatica in cui in una sequenza di 10 reazioni il glucosio viene degradato il piruvato; il piruvato poi può:

• Essere ossidato a CO₂ e H₂O nella fase aerobica mitocondriale del metabolismo.
• Trasformato in acido lattico o etanolo in un processo anaerobico.

Tappe della glicolisi

1. La esoschinasi fosforila il glucosio in glucosio-6-fosfato a spese di una molecola di ATP.
2. La fosfoglucosio isomerasi trasforma il glucosio-6-P in fruttosio-6-P, in una reazione reversibile dipendente da Mg²⁺.
3. La fosfofruttochinasi-1 (PFK1) fosforila il fruttosio-6-P in fruttosio-1,6-bisfosfato a spese di una molecola di ATP, in una reazione irreversibile Mg²⁺-dipendente.
4. La aldolasi scinde il fruttosio-1,6-bifosfato in fosfodiossiacetone e gliceraldeide-3-P.
5. La trioso-fosfato isomerasi interconverte la gliceraldeide-3-P e il fosfodiossiacetone; l’equilibrio della reazione è spostato verso la formazione di quest’ultimo, che viene però convertito in gliceraldeide-3-P man mano che questa viene consumata nella glicolisi.
6. La gliceraldeide-3-P deidrogenasi ossida la gliceraldeide-3-P in acido 1,3-bifosfoglicerico; l’energia che si libera da questa ossidazione viene trasformata in energia di legame fosforico ricco di energia. La reazione richiede la presenza di Pi e NAD⁺, che viene ridotto a NADH.
7. La fosfoglicerato chinasi trasferisce il radicale fosforico dell’acido 1,3-fosfoglicerico all’ADP, formando ATP e 3-fosfoglicerato, in una reazione Mg²⁺-dipendente.
8. La fosfoglicerato mutasi trasferisce il radicale fosforico in posizione 2, formando 2-fosfoglicerato, in una reazione Mg²⁺-dipendente che richiede quantità catalitiche di 2,3-bifosfoglicerato. La reazione avviene in 2 tappe:
   • Il 2,3-bifosfoglicerato cede il fosfato in posizione 3 all’enzima, trasformandosi in 2-fosfoglicerato.
   • L’enzima fosforilato cede il fosfato al 3-fosfoglicerato, riformando il 2,3-bifosfoglicerato.
9. La enolasi deidrata il 2-fosfoglicerato in fosfoenolpiruvato (PEP), in una reazione Mg²⁺-dipendente.
10. La piruvato-chinasi trasferisce il gruppo fosforico del PEP all’ADP, formando ATP e piruvato.

Il fosfodiossiacetone può anche essere ridotto a glicerolo-3-P dalla glicerolo-3-P deidrogenasi.

Bilancio energetico e regolazione

Il bilancio energetico della glicolisi è di 2 moli di ATP per ogni mole di glucosio. Il flusso glicolitico è regolato dalla disponibilità di glucosio nella cellula e dalla concentrazione di G-6-P, la cui elevata concentrazione inibisce la esochinasi e allo stesso tempo stimola la glicogeno-sintasi D, favorendo l’incorporazione del glucosio nel glicogeno.

La glicolisi inoltre viene regolata a livello degli enzimi che catalizzano le tre reazioni irreversibili:

• La esochinasi viene inibita da un eccesso di glucosio-6-fosfato.
• La fosfofruttochinasi-1 viene regolata allostericamente e dagli ormoni. AMP e fruttosio-2,6-bifosfato sono effettori allosterici positivi della PFK-1, mentre ATP, citrato e H⁺ si comportano da effettori allosterici negativi. L’insulina stimola la PFK-1, mentre il glucagone e l’adrenalina la inibiscono. A livello epatico comunque il più potente attivatore della PFK-1 è il fruttosio-2,6-bifosfato che si forma a partire dal fruttosio-6-P per azione della fosfofruttochinasi-2 (PFK-2): l’attività dell’enzima è regolata con un meccanismo di fosforilazione/defosforilazione a carico della subunità regolatoria e la fosforilazione è a carico di una chinasi cAMP-dipendente, che inibisce la PFK-2 e stimola a fosfatasi, mentre la defosforilazione ha l’effetto contrario. In presenza di cAMP quindi la produzione di fruttosio-2,6-bifosfato viene inibita, mentre in assenza di cAMP (es. sotto effetto dell’insulina), la produzione è stimolata e il fruttosio-2,6-bifosfato viene prodotto e stimola la fosfofruttochinasi-1. Il fruttosio-2,6-bifosfato inibisce anche la fruttosio-1,6-bifosfatasi, stimolando la glicolisi e inibendo la gluconeogenesi.
• La piruvato-chinasi viene regolata con meccanismo allosterico e dagli ormoni. ATP, citrato e acidi grassi agiscono come effettori allosterici negativi, mentre il fruttosio-1,6-bifosfato è un effettore allosterico positivo. Il glucagone stimola la gluconeogenesi e inibisce la piruvato-chinasi, stimolandone la fosforilazione; al contrario l’insulina aumenta la quantità dell’enzima.

Destino del piruvato

• Fermentazione lattica: i tessuti, soprattutto il muscolo scheletrico, usano il piruvato come accettore finale degli equivalenti riducenti del NADH in una reazione catalizzata dalla (LDH) lattato-deidrogenasi, che trasforma il piruvato in acido lattico e ossida il NADH in NAD⁺. La continua riossidazione del NADH consente lo svolgimento continuo della glicolisi, compatibilmente con l’accumulo di acido lattico e il conseguente abbassamento del pH.
• Fermentazione alcolica: la alcol-decarbossilasi trasforma il piruvato in acetaldeide, che viene ridotta in etanolo dalla alcol-deidrogenasi, usando come equivalenti riducenti il NADH prodotto nella glicolisi.
• Condizioni aerobiche: il piruvato viene trasportato nei mitocondri da un carrier, dove viene trasformato in acetil-CoA dalla piruvato-deidrogenasi; nei mitocondri viene poi completamente ossidato a CO₂ e H₂O.

Gluconeogenesi

La gluconeogenesi è il processo di sintesi del glucosio a partire da precursori non glucidici, come gli amminoacidi glucogenenici, che per deaminazione o transaminazione producono ossalacetato. Il processo della gluconeogenesi avviene nel fegato e le tappe coincidono con quelle della glicolisi, ad eccezione delle 3 reazioni termodinamicamente irreversibili.

Tappe della gluconeogenesi

1. Il piruvato non può essere direttamente fosforilato in PEP per cui questa conversione avviene in due reazioni in sequenza.
   • La piruvato-carbossilasi fissa la CO₂ sul piruvato con formazione di ossalacetato, a spese di una molecola di ATP; la reazione avviene nei mitocondri l’enzima (biotina-dipendente) è stimolato allostericamente dall’acetil-CoA.
   • La PEP-carbossichinasi trasforma l’ossalacetato in PEP, usando il GTP come donatore di gruppo fosforico; l’enzima è a sede citoplasmatica. Essendo la piruvato-carbossilasi un enzima mitocondriale e la PEP-carbossichinasi un enzima citoplasmatico, è necessario il trasferimento dell’ossalacetato dal mitocondrio al citoplasma e questo trasporto avviene attraverso la sua riduzione a malato o la sua transaminazione in aspartato, ma anche con la sua trasformazione in citrato.
2. La fruttosio-1,6-bifosfato fosfatasi trasforma il fruttosio-1,6-bifosfato in fruttosio-6-fosfato. L’enzima è regolato allostericamente da AMP e fruttosio-2,6-bifosfato, che agiscono come effettori allosterici negativi, e da ATP, che agisce come effettore allosterico positivo.
3. La glucosio-6-fosfato fosfatasi, un enzima che si trova ancorato alla membrana del reticolo endoplasmatico delle cellule di fegato, reni e intestino, catalizza la defosforilazione del G-6-P in glucosio. L’enzima è presente solo nelle cellule in grado di rilasciare il glucosio al sangue, una funzione molto importante nel fegato, l’organo preposto al controllo della glicemia.

Significato

I precursori non glucidici a partire dai quali avviene la sintesi di glucosio sono acido lattico, amminoacidi glucogenici e glicerolo, cioè composti che possono essere trasformati direttamente o indirettamente in piruvato, ossalacetato o in trioso-fosfati.

• Lattato: la produzione di lattato avviene soprattutto nei tessuti con metabolismo esclusivamente aerobico, come eritrociti e retina, ma anche nel muscolo scheletrico, a seconda della disponibilità di ossigeno.
• Amminoacidi glucogenici: derivano dall’idrolisi delle proteine e quelli maggiormente coinvolti nella gluconeogenesi sono alanina e glutammato nel fegato e glicina e glutammina nei reni.
• Glicerolo: viene prodotto per idrolisi dei trigliceridi, soprattutto a livello del tessuto adiposo, e poi riversato nel sangue, da cui arriva al fegato che lo converte in glucosio. Nel fegato il glicerolo viene fosforilato in glicerolo-3-P e questo viene ossidato a fosfodiossiacetone in reazioni catalizzate rispettivamente dalla glicerolo-chinasi e dalla glicerolo-3-P deidrogenasi.

Bilancio energetico

La gluconeogenesi è un processo endoergonico, infatti per ogni molecola di piruvato che viene incorporata nel glucosio è richiesta l’energia di 3 legami fosfato, inoltre una molecola di NADH viene ossidata nella riduzione dell’acido 1,3-bifosfoglicerico in gliceraldeide-3-P.

Il bilancio energetico è quindi: 2 + 4 + 2 + 2 + 6 → 1 + 4 + 2 + 2 + 6.

La produzione di ATP necessaria al processo di gluconeogenesi deriva dalla β-ossidazione degli acidi grassi, che porta anche alla formazione di NADH e acetil-CoA, l’attivatore allosterico della piruvato-carbossilasi. L’aumento della concentrazione di acetil-CoA e dell’attività della piruvato-carbossilasi portano alla formazione di citrato, effettore allosterico negativo della PFK-1. Il catabolismo lipidico contribuisce alla gluconeogenesi anche attraverso la produzione di glicerolo, che nel fegato e nei reni può essere convertito in trioso-fosfati.

Regolazione

La gluconeogenesi e la glicolisi, per evitare dispersioni di energia, non avvengono mai contemporaneamente e questo avviene grazie a fattori citoplasmatici che regolano gli enzimi propri dei due processi, a seconda delle necessità energetiche della cellula.

• Rapporto ATP/ADP+AMP: un rapporto elevato indica una disponibilità di energia e inibisce gli enzimi della glicolisi PFK-1 e piruvato-chinasi, stimolando la gluconeogenesi; un rapporto basso inibisce invece l’enzima della gluconeogenesi fruttosio-bifosfato fosfatasi, stimolando la glicolisi.
• Acetil-CoA: attiva la piruvato-carbossilasi e stimola la gluconeogenesi; una concentrazione elevata di acetil-CoA si ha nel diabete e nel digiuno, a causa dell’aumento della β-ossidazione degli acidi grassi.
• Lattato: l’ossidazione del lattato in piruvato genera NADH che viene usato nella conversione dell’acido 1,3-bifosfoglicerico in gliceraldeide-3-P, stimolando la gluconeogenesi.
• Insulina e cortisolo: la prima reprime la sintesi degli enzimi della gluconeogenesi, stimolando la glicolisi, mentre il cortisolo stimola l’induzione della sintesi degli enzimi della gluconeogenesi, inibendo il processo glicolitico.

Ciclo di Cori

Nei vari tessuti, i processi di glicolisi e gluconeogenesi si svolgono in maniera differenziata. In alcuni tessuti, come il muscolo scheletrico, la glicolisi è molto attiva, mentre al contrario nel fegato la gluconeogenesi è molto attiva; quando il muscolo lavora in condizioni di anaerobiosi, si ha la produzione di lattato, che viene riversato nel sangue e arriva al fegato, dove viene convertito in glucosio e riportato al muscolo.

Durante l’esercizio muscolare viene prodotta anche alanina, che si forma per transaminazione fra il piruvato e altri amminoacidi, la cui funzione è quella di trasportare l’ammoniaca in forma non tossica; lo scheletro carbonioso dell’alanina viene usato per la sintesi del glucosio, mentre l’azoto viene incorporato nell’urea.

Metabolismo aerobio del glucosio

Sistemi pendolari

In condizioni di disponibilità di ossigeno, il NADH citoplasmatico prodotto nella glicolisi viene ossidato nei mitocondri; tuttavia il NADH non è in grado di attraversare la membrana mitocondriale interna e gli equivalenti riducenti vengono trasportati all’interno dei mitocondri attraverso sistemi pendolari.

• Sistema fosfodiossiacetone/glicerolo-3-P. Il fosfodiossiacetone formato nella glicolisi viene ridotto dalla glicerolo-3-P deidrogenasi citoplasmatica, enzima NAD⁺-dipendente, in glicerolo-3-P, in grado di attraversare la membrana mitocondriale interna. Il glicerolo-3-P all’interno dei mitocondri viene ossidato dalla glicerolo-3-P deidrogenasi mitocondriale, enzima FAD-dipendente, riformando il fosfodiossiacetone, che può tornare nel citoplasma. Il FADH₂ cede quindi gli idrogeni al CoQ, promuovendo la formazione di 2 molecole di ATP.
• Sistema aspartato/malato. La malato-deidrogenasi citoplasmatica ossida il NADH formato nella glicolisi a spese dell’ossalacetato, che viene ridotto a malato ed entra nel mitocondrio. All’interno dei mitocondri il malato viene ossidato ad ossalacetato, dalla malato-deidrogenasi mitocondriale, riducendo il NAD⁺ a NADH. L’ossalacetato mitocondriale, incapace di superare la membrana mitocondriale interna, viene quindi transaminato con il glutammato dalla GOT per formare aspartato, che torna nel citoplasma, dove viene nuovamente convertito in ossalacetato dalla GOT citoplasmatica.

Ossidazione del piruvato

Il piruvato proveniente dalla glicolisi o dalla riduzione del lattato, in presenza di ossigeno viene trasportato all’interno dei mitocondri, dove viene trasformato in acetil-CoA dalla piruvato-deidrogenasi (PDH), che catalizza la reazione: