Riassunto esame Biochimica, prof. Ascenzi, libro consigliato Biochimica, Voet & Voet, ediz 2005

L A VIA GUCONEOGENETICA

La gluconeogenesi utilizza gli enzimi glicolitici, e quindi si trova di fronte ad un grosso problema:

sostituire con altre le reazioni catalizzate da PFK, esochinasi e piruvato chinasi, che sono molto

esoergoniche (le prime due sono accoppiate all’idrolisi di ATP, mentre l’ultima passa da un enone

ad un chetone) se seguite nel senso della glicolisi, ma fortemente endoergoniche se seguite nel verso

opposto. Come sempre, in pratica, vie degradative e vie biosintetiche seguono strade diverse (pag.

651).

Nella glicolisi, la piruvato chinasi trasforma il fosfoenolpiruvato in piruvato. La reazione inversa è

endoergonica, e per renderla esoergonica è necessario passare attraverso la sintesi dell’ossalacetato,

permessa dall’ATP. Il passaggio piruvato-ossalacetato, consiste (pag. 648) nell’aggiunta al piruvato

-

di un gruppo COO , che vi si lega grazie alla biotina, un trasportatore di CO (sotto forma di

2

bicarbonato) presente sull’enzima piruvato carbossilasi.

Un fortissimo attivatore della piruvato carbossilasi è l’acetil-CoA: l’attivazione dell’enzima

aumenta la [ossalacetato], che entra nel ciclo dell’acido citrico. L’ossalacetato può entrare nella via

gluconeogenetica solo se il ciclo dell’acido citrico è inibito.

A questo punto, la fosfoenolpiruvato carbossichinasi dovrebbe convertire l’ossalacetato in

fosfoenolpiruvato, in modo che questo possa intraprendere in senso opposto la reazione di glicolisi.

Gli enzimi glicolitici però si trovano nel citosol, mentre la gluconeogenesi avviene nel mitocondrio,

e non ci sono modi per far uscire l’ossalacetato dal mitocondrio: bisogna convertirlo o in aspartato

oppure in malato. La differenza fra le due vie, consiste nel fatto che la via dell’aspartato

amminotransferasi non coinvolge NADH (ossalacetato aspartato ossalacetato – ricorda

che l’ossalacetato è il chetoacido dell’aspartato), mentre la via della malato deidrogenasi lo fa

+

producendo NAD mitocondriale e NADH citosolico (ossalacetato malato ossalacetato).

Visto che la gluconeogenesi necessita di NADH citosolico, la via del malato è sempre favorita.

Quando però il precursore dell’ossalacetato è il lattato, visto che per arrivare all’ossalacetato è già

stato formato NADH citosolico, possono essere seguite entrambe le vie. Quindi, la reazione della

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fosfoenolpiruvato carbossichinasi avviene grazie all’idrolisi di GTP ed è associata all’espulsione di

CO .

2

A questo punto, può avvenire la reazione del PEP carbossichinasi: provoca la decarbossilazione

dell’ossalacetato, che quindi attacca un GTP, privandolo di un gruppo fosforico, con formazione di

fosfoenolpiruvato.

Le reazioni della PFK e dell’esochinasi invece sono sostituite da due reazioni di idrolisi con rilascio

di P ed uso di acqua, catalizzate dalla fruttosio-1,6-bifosfatasi per l’FBP, e dalla glucosio-6-

i

fosfatasi per il G6P.

Quindi la formula generale della gluconeogenesi è:

+ +

2piruvato + 2NADH + 4H + 4ATP + 2GTP + 6H O glucosio + 2NAD + 4ADP + 2GDP + 6P

2 i

C C

ONTROLLO DELLA GLUCONEOGENESI E CICLO DI ORI

La velocità e la direzione delle due reazioni (glicolisi e gluconeogenesi) sono controllate a livello di

quelle tappe in cui le vie si dividono. I meccanismi principali di regolazione si basano sulla

mediazione del cAMP e su interazioni allosteriche, queste in particolare da parte del fruttosio-2,6-

bifosfato che inibisce la FBPasi e attiva la PFK. Inoltre, l’attivazione della gluconeogenesi nel

fegato inibisce la glicolisi a livello della piruvato chinasi.

Nel muscolo non esistono meccanismi di inibizione per questa via, perché esso sintetizza glucosio

solo attraverso la via gluconeogenetica e quindi sarebbe controproducente.

Il muscolo e il fegato, comunque, partecipano allo stesso ciclo metabolico nel ciclo di Cori. Le

fibre rosse (lente) producono ATP con la fosforilazione ossidativa, mentre quelle bianche (veloci) lo

fanno con la glicolisi e la fermentazione anaerobia che produce lattato. Quando la domanda è

davvero alta e immediata, anche le fibre rosse si mettono a produrre lattato. Da qui viene trasferito

attraverso il sangue nel fegato, dove viene convertito in piruvato dalla lattato deidrogenasi, e poi

a glucosio dalla gluconeogenesi. Il glucosio prodotto viene riportato al muscolo, dove viene

impacchettato come glicogeno e usato per produrre ATP. L’ATP usato dal fegato in questo

processo viene recuperato con la fosforilazione ossidativa.

L A VIA DEL GLIOSSILATO

È una via metabolica tipica solo delle piante, attraverso la quale l’acetil-CoA viene convertito in

ossalacetato e da questo in glucosio (pag. 654). Questa via metabolica ha luogo nei mitocondri e

nei gliossisomi.

L’ossalacetato mitocondriale è convertito in aspartato dall’aspartato amminotransferasi e trasportato

α-chetoglutarato/glutammato.

nei gliossisomi attraverso i trasportatori Qui può essere riconvertito

in ossalacetato (la reazione precedente era necessaria per trasportarlo) dallo stesso enzima.

L’ossalacetato si condensa con l’acetil-CoA per formare citrato e poi isocitrato. L’enzima isocitrato

liasi rompe l’isocitrato in succinato e gliossilato: il primo è riportato nei mitocondri dove,

attraverso il ciclo di Krebs, è convertito di nuovo in ossalacetato, mentre il gliossilato è trasformato

in malato dalla malato sintasi, con utilizzo dell’acetile dell’acetil-CoA, e viene trasferito nel

citosol. +

Qui, la malato deidrogenasi citosolica NAD dipendente ossida il malato in ossalacetato

citosolico, che viene usato nella gluconeogenesi.

In pratica, questa via serve a formare una molecola di ossalacetato da due molecole di acetil-CoA.

L A VIA DEL PENTOSIO FOSFATO 106

Il NADPH ed il NADH differiscono per un gruppo fosforico legato all’ossidrile 2’ dell’adenosina

del NADH. Mentre il NADH partecipa alle reazioni di sintesi dell’ATP, il NADPH partecipa alle

reazioni di biosintesi. Visto che per produrre NADPH sono necessarie varie reazioni di ossidazione,

un altro vantaggio di questa via è la formazione di intermedi ridotti da usare nelle altre vie

metaboliche (pag. 664).

Lo svantaggio maggiore, però, sta nel fatto che si tratta di una via poco remunerativa: in genere si

parte utilizzando sei molecole di G6P. Se una sola di queste fosse stata demolita nella glicolisi,

trattata nel ciclo di Krebs e passata alla fosforilazione ossidativa, avrebbe prodotto 38 o 39 molecole

di ATP; il ciclo del pentosio fosfato, invece, a partire da sei molecole di G6P porta alla formazione

di 12 molecole di NADPH mitocondriale, ossia 24 molecole di ATP.

Il NADPH viene generato dall’ossidazione del G6P nella via del pentosio fosfato, che avviene nel

citosol. La sua reazione complessiva è:

+ +

6G6P + 12NADP + 6H O 12NADPH + 12H + 6CO + 4F6P + 2GAP

2 2

Comunque, è possibile dividere questa equazione complessiva in tre fasi:

1. Le tre reazioni ossidative che producono NADPH e ribulosio-5-fosfato (Ru5P):

+ +

6G6P + 12NADP + 6H O 12NADPH + 12H + 6CO + 6Ru5P

2 2

2. Le due reazioni di isomerizzazione ed epimerizzazione, che trasformano Ru5P in ribosio-

5-fosfato (R5P) e in xilulosio-5-fosfato (Xu5P):

6Ru5P 2R5P + 4Xu5P

3. Varie reazioni di rottura e formazione di legami C-C, che convertono quattro molecole di

Xu5P e due di R5P in quattro molecole di F6P e due di GAP:

2R5P + 4Xu5P 4F6P + 2GAP

L NADPH

E REAZIONI OSSIDATIVE PER PRODURRE

Le tre reazioni in questione sono:

1. La glucosio-6-fosfato deidrogenasi catalizza il trasferimento dello ione idruro del C del

1

+

G6P al NADP formando 6-fosfoglucono-lattone.

2. La 6-fosfoglucono lattonasi idrolizza il 6-fosfoglucono-lattone a 6-fosfogluconato, in

presenza di H O di cui viene sfruttato il gruppo –OH.

2

3. La fosfogluconato deidrogenasi catalizza la decarbossilazione ossidativa del 6-

β-ossiacido),

fosfogluconato (un formando Ru5P, CO e NADPH.

2

In questa serie di reazioni si ottengono due molecole di NADPH, una di CO ed una di Ru5P per

2

ogni molecola di G6P.

R EAZIONI DI ISOMERIZZAZIONE ED EPIMERIZZAZIONE

In un solo passaggio, il Ru5P viene convertito in ribosio-5-fosfato (R5P), un precursore essenziale

per la sintesi dei nucleotidi, dalla ribulosio-5-fosfato isomerasi, e in xilulosio-5-fosfato (Xu5P)

dalla ribulosio-5-fosfato epimerasi.

In questa reazione, il risultato finale porta ad una quantità doppia di Xu5P rispetto a R5P.

R C-C

EAZIONI DI ROTTURA E FORMAZIONE DI LEGAMI 107

In queste reazioni, vengono convertite sei molecole di zucchero a cinque atomi di carbonio (2 x

R5P, 4 x Xu5P) in quattro molecole di zucchero a sei atomi (4 x F6P) e due di zucchero a 3 atomi di

carbonio (4 x GAP). Gli enzimi catalizzatori di questo processo, che si basa sull’addizione di

aldeidi a carbanioni stabilizzati, sono la transaldolasi e la transchetolasi.

La transchetolasi trasferisce un’unità C con un doppio legame (C=O) da due molecole di Xu5P a

2

due molecole di R5P, formando due molecole di un composto a sette atomi di carbonio, il

sedoeptulosio-7-fosfato (S7P) e due di uno a tre atomi (GAP).

A questo punto, la transaldolasi catalizza il trasferimento di un’unità C dal sedoeptulosio alla GAP,

3

formando due molecole di fruttosio-6-fosfato (F6P) e due di eritrosio-4-fosfato (E4P).

Di nuovo agisce la transchetolasi che trasferisce un gruppo C dalle altre due molecole di Xu5P

2

all’eritrosio, formando altre due molecole di F6P e due di GAP.

C ONTROLLO DELLA VIA DEL PENTOSIO FOSFATO

In pratica, transaldolasi e transchetolasi trasformano l’R5P in eccesso dalla biosintesi degli acidi

nucleici (se presente) in intermedi glicolitici. I prodotti vengono usati nella glicolisi, o nella

gluconeogenesi. In quest’ultimo caso, sommando questo processo alla via del pentosio fosfato si

ottiene la formazione di 6 molecole di CO e 12 di NADPH da una molecola di G6P.

2

Quando la richiesta di R5P è alta, F6P e GAP possono essere prelevati dalla via glicolitica e usati

per sintetizzare R5P attraverso le reazioni inverse di transchetolasi e transaldolasi.

Il flusso dell’intera via è controllato dalla reazione della glucosio-6-fosfato deidrogenasi, che

+

dipende dalla [NADP ].

In finale, si passa da sei esosi a cinque pentosi (R5P), con l’ossidazione completa di due

equivalenti di esoso. 108

LA FOTOSINTESI

Le piante e i cianobatteri utilizzano l’energia della luce trasformandola in energia chimica

mediante la fotosintesi, un processo in cui la CO viene fissata per formare i carboidrati (CH O)

2 2

+

attraverso il trasporto di elettroni dall’acqua al NADP . Ovviamente la reazione necessita l’energia

portata d