Esame di Biochimica (parte 4)

Metabolismo

Carboidrati

Sono polidrossi aldeidi o polidrossi chetoni, o sostanze che per idrolisi generano questi composti. Sono divisi in: monosaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi.

I monosaccaridi sono solidi cristallini e incolori; sono facilmente solubili in H₂O e insolubili nei solventi non polari.

D-gliceraldeide (un aldotrioso):

D-glucosio (un aldoesoso):

Tutti i monosaccaridi tranne il diidrossiacetone contengono uno o più atomi chirali.

Formule proiettive di Fischer: (come quelle sopra) i legami orizzontali sono verso le persone, quelli verticali vanno nella pagina.

Metabolismo

Carboidrati

Sono polidrossi aldeidi o polidrossi chetoni, o sostanze che per idrolisi generano questi composti.

Sono divisi in: Monosaccaridi, oligosaccaridi, e polisaccaridi.

I Monosaccaridi sono solidi cristallini e incolori; sono facilmente solubili in H₂O e insolubili nei solventi non polari.

H₂C - O

|

H - C - OH

|

H - C - OH

|

H

D- Gliceraldeide (un aldotrioso)

H

|

O = C

|

H - C - OH

|

HO - C - H

|

H - C - OH

|

H - C - OH

|

CH₂OH

D - Glucosio (un aldoesoso)

Tutti i monosaccaridi tranne il diidrossiacetone contengono uno o più atomi chirali.

➤ Formule proiettive di Fischer: (come quella sopra) i legami orizzontali sono verso l'osservatore, quelli verticali vanno nella pagina.

. due zuccheri che differiscono nella configurazione di un atomo di C sono detti epimeri.

In soluzione acquosa gli aldoesosi e i monosaccaridi con 5 o più atomi di C assumono una forma ciclica.

È il risultato di reazioni tra aldeidi e chetoni - alcoli che producono emiaccetali o emichetali.

1^o OH aggiunto si forma un emiaccetale

2^o OH aggiunto si forma un accetale

Aldeide

Chetoni

Emichetale

Cheilale

Le forme isomeriche dei monosaccaridi che differiscono solo per la configurazione del C emiaccetico sono dette anomeriche e il C anomerico.

α - D - glucosio

β - D - glucosio

I monosaccaridi possono essere ossidati da agenti ossidanti relativamente blandi come il Cu++. Il gruppo carbonilico viene ossidato a carbossilico. Dato che il C riduce lo ione Cu++, il glucosio e gli altri zuccheri con tale capacità sono definiti riducenti.

Legame O-glicosidico: si forma quando un gruppo OH di uno zucchero reagisce con l’atomo di C anomerico di un altro zucchero. Si forma un glicoside. Sono legami facilmente idrolizzabili dagli acidi.

Polisaccaridi

• Amido: 2 polimeri di glucosio (amilosio e amilopectina).
  • Amilosio - 2 lunghe catene non ramificate di D-glucosio unite da legami (α1-4).
  • Amilopectina - sono altamente ramificate, legami (α1-4), le ramificazioni iniziano con legami (α1-6).
• Glicogeno - formato da residui di glucosio legati con legami (α1-4) e con ramificazioni che iniziano con (α1-6). È più ramificato e più compatto dell’amido. Ha 1 sola estremità riducente.

LA GLICOLISI

Matrice extracellulare e polisaccaridi della parete

Glucosio

• Riboso-5P
• Piruvato

È la via centrale per il catabolismo del glucosio.

La demolizione del glucosio avviene in 10 tappe.

• Le prime 5 costituiscono la fase preparatoria.
• Le altre 5 la fase di recupero.

Glucosio → _esochinasi Glucosio-6P → _{fosfoesosi isomerasi} Fruttosio-6P

→ _{fosfofrutto chinasi} ATP ADP

Fruttosio-1,6-bisfosfato → _aldolasi Glicealdeido-3P

Dihidroacetone fosfato ↔ _{triosio fosfato isomerasi} 2 (Glicealdeido-3P)

→ 2(1,3-Bisfosfoglicerato) _{glicealdeido-3P deidrogenasi} → 2NAD⁺ NADH + H⁺

2 (3-Fosfoglicerato) → _{fosfoglicerato mutasi} 2 (2-Fosfoglicerato)

→ _enolasi 2 (Fosfoenol piruvato) → _{piruvato chinasi} 2ADP 2ATP

2 (Piruvato)

Il piruvato viene poi metabolizzato attraverso 3 vie metaboliche:

• Fermentazione alcolica
• Fermentazione a lattato
• Ciclo dell'acido citrico

Bilancio energetico della glicolisi:

Glucosio + 2NAD⁺ + 2ADP + 2P_i → 2piruvato + 2NADH + 2H⁺ + 2ATP + 2H₂O

ΔG₀ = -85 kJ/mole

1^a Tappa

Il glucosio viene attivato, per le reazioni successive, mediante la fosforilazione del suo C6. L'ATP è il donatore del gruppo fosforico.

La reazione è irreversibile nelle condizioni intracellulari ed è cata-lizzata dall'esochinasi (esofosforilasi delle transferasi.)

In particolare l'ATP si lega complessato con ioni Mg⁺⁺ che sono necessari per la cat-alisi: essi infatti proteggono la carica nega-tiva dell'ATP prendendo il P su bersagli più accessi-bili per il attacco nucleofidico dell'OH del glucosio.

1^1/2 Tappa

Si ha l'isomerizzazione reversibile del glucosio 6-P in fruttosio 6-P che è catalizzata dall'enzima fosfoesoso isorel-asi. Durante la reazione si ha la formazione di un enodiolo intermedio.

H₂C=O-H

HO-C-H

H-C-OH

H-C-OH

CH₂O-P^2-

3^a tappa

La fosfofruttochinasi-1 catalizza il trasferimento di un gruppo fosforico dall’ATP al fruttosio 6-P (forma il fruttosio 1,6-bisP). Tale reazione è irreversibile nella cellula e è la 1^a reazione “specifica” della glicolisi poiché il glucosio e il fruttosio 6-P hanno altre destini metabolici possibili.

La PFK-1 è soggetta a regolazione allosterica: la sua attività aumenta quando la [ ] di ATP cellulare diminuisce e quando i prodotti della sua demolizione (ADP e AMP soprattutto) aumentano. Quando i livelli di ATP aumentano l’enzima viene inibito.

Un intermedio della via del pentoso fosfati, il eritrosio 5-P, attiva indirettamente la fosfofruttochinasi.

4^a tappa

L’aldolasi ( o fruttosio 1,6-bisPfosfato aldolasi) catalizza una condensazione aldolica reversibile: il bisPfosfato viene scisso in diidrossiceton fosfato e gliceeraldeido 3-P. (Vedi meccanismo pag 56-7)

5^a tappa

La Trioso fosfato isomerasi: converte il diidrossiceton fosfato in gliceeraldeido 3P.

6^a tappa

La gliceeraldeide 3-P viene ossidata a 1,3-bisfosfogliceerato e grazie all’enzima gliceeraldeide 3P deidrogenasi. Si forma così un prodotto, che è un anidride mista: un gruppo carbossilico e un gruppo fosforico, che prende il nome di acil fosfato che ha un ΔG elevato (-49,3 kj/ mol).

In questa reazione poi viene usato il NAD⁺ che viene ridotto a NADH che deve essere ossidato continuamente per permet..

Tiene che questa reazione sia sempre possibile

7^a Tappa

Il gruppo fosforico col carb E del gruppo carbossilico del 1,3-bisfosfoglicerato viene trasferito all'ADP dall'enzima fosfoglicerato chinasi.

Il processo di trasferimento di un gruppo fosforico da un composto (un intermedio) all'ADP è chiamato fosforilato a livello del substrato.

8^a Tappa

La fosfoglicerato mutasi favorisce lo scambio reversibile del gruppo fosforico tra il C2 e il C3 del glicerato in una reazione che richiede ioni Mg²⁺.

La reazione avviene in 2 tappe: prima si forma 1,3-fosfoglicerato e poi il 2-fosfoglicerato. La mutasi deve essere in parte fosforilata per dire, il 2,3BPG che è necessario in piccole q.tà per far iniziare la reazione.

9^a Tappa

L'enolasi promuove la rimozione di una molecola di H₂O dal 2-fosfoglicerato e forma il PEP (fosfoenolpiruvato). Si forma, nella reazione, un intermedio enolico che è stabilizzato dal Mg²⁺.

10^a Tappa

Si ha il trasferimento del gruppo fosforico di PEP all'ADP grazie all'intervento della piruvato chinasi che necessita di K⁺ e Mg²⁺ e Mn²⁺.

Il piruvato che si forma prima si trova in forma enolica e poi passa a quella chetonica (forma prevalente a pH = 7).

CH₃-C=O

|

CH₂ ⟶ CH₃-C=O

|

OH

Glicolisi

• Prodotto: 2NADH, 2ATP
• ATP: 3*2=5, 2

Ossidazione del piruvato

• Prodotto: 2NADH
• ATP: 5

Ossidazione del CoA nel ciclo dell'acido citrico

• Prodotto: 6NADH, 2FADH₂, 2ATP o GTP
• ATP: 15, 3, 2

Vie di alimentazione della glicolisi:

• amido = fonte principale non carboidrati negli uomini, α-amilasi ne inizia la digestione nella bocca e produce frammenti più o oligosaccaridi.
• α1→amilasi pancreatica produce poi maltosio e maltotrioso e il destrano (oligosaccaridi) e la amilopectina.
• glicogeno = la sua digestione procede in modo analogo.

Enzimi subiscono una reazione fosforolitica catalizzata dallo glicogeno (amido) fosforilasi, in cui un fosfato viene trasferito sul legame (α1→4) producendo glucoso 1-P e un polimero a cui manca tale residuo di glucosio. L’enzima procede fino a che non trova un punto di ramificazione (α1→6). Qui interviene un enzima demisramificante. La fosfoglcomutasi invece converte il glucoso 1-P in 6-P.

• disaccardi = vengono idrolizzati a monosaccaridi prima di poter entrare nelle cellule intestinali.
• esosi = entrano nella glicolisi dopo essere stati convertiti in prodotti fosforilati.

UDP-galattosio

UDP-glucosio

Galattosio

Glucosio

Lattosio

Saccarosio

D-fruttosio

D-glucosio

D-galattosio

Galattosio 1-P

Glucosio 1-P

Glucosio 6-P

Fruttosio 6-P

Fruttosio 1,6-bisfosfato

Dihidroxiacetone P

Gliceraldeide 3-P

Fosfoglucomutasi

Fosfoesoso isomerasi

Aldolasi (frutto

chinasi

Fosfoglucoisomerasi

La Fermentazione

Quando i tessuti animali non possono essere riforniti di O₂ per ossidare il piruvato e il NADH prodotti dalla glicolisi essi possono promuovere la rigenerazione del NAD⁺ per mezzo della riduzione del piruvato a lattato tramite una reazione catalizzata dalla lattato deidrogenasi.

Dal punto di vista energetico:

Glucosio

2 piruvato

Il lattato poi può essere riciclato: viene trasportato nel fegato dove viene convertito in glucosio. Non si ha una variazione dello stato netto di ossidazione poiché il rapporto C:H è lo stesso.

Con il termine fermentazione si intende ogni processo in cui viene estratta energia senza utilizzo di O₂, e in questo caso senza variazione della [NAD⁺] e [NADH].

Fermentazione alcolica

Acetaldeide Etanolo

TPP = Tiammia pirofosfato → coenzima

Anche in questo caso non si ha variazione nel rapporto tra gli atomi di H e di C quando il glucosio viene fermentato a 2 di etanolo (CH₃CH₂OH) e CO₂

La Gluconeogenesi

= Formazione di glucosio da precursori non saccaridici.

Ciclo di Cori: Il lattato prodotto dalla glicolisi anaerobica va al fegato dove viene convertito in glucosio. Da qui torna nel muscolo dove viene convertito in glicogeno.

La glicolisi e la gluconeogenesi condividono alcune tappe ma non sono l'una l'inverso dell'altra.

Sono 3 le tappe della glicolisi che in vivo sono irreversibili e che quindi non possono essere percorse dalla gluconeogenesi che quindi usa altri enzimi. Esse sono:

1. Conversione del glucosio in glucosio 6-P da parte dell'esochinasi;
2. Fosforilazione del fruttosio 6-P a fruttosio 1,6-bisfosfato da parte della fosfofruttochinasi-1;
3. Conversione del fosfoenol piruvato in piruvato da parte della piruvato chinasi.

3. Nella gluconeogenesi tale fosfoenolazione avviene tramite una serie di reazioni in cui sono richiesti enzimi citosolici e mitocondriali:
4. Se il precursore è il piruvato (o alanina) esso viene trasportato dal citosol ai mitocondri e generato dall'alanina nei mitocondri per transaminazione.
5. In seguito la piruvato carbossilasi assieme alla biotina lo converte in ossalacetato.

PiruvaTo + HCO₃^- + ATP ➔ ossalaceTaTo + ADP + P_i

La boTalina inTeviene come TrasporTaTore del bicarbonTaTo aTTivaTo.

La piruvaTo carbossilasi richiede l'acTil-CoA come effettore posiTivo.

In seguito l'ossalaceTaTo, per poTer essere TraspòrTaTo, deve essere ridotto a malaTo dalla malato deidrogenasi, riTornado alle spese di NADH. Il malaTo esce dal miTocondrio

mediante un TrasporTaTore specifico e nel ciTosol viene riconverTito ad ossalaceTaTo con produzione di NADH.

Esso poi viene converTiTo dalla fosfoenolpiruvaTo carbossi-chinasi in PEP. L’enzima e Mg⁺⁺ dipendente e richiede GTP.

PiruvaTo + HCO₃^- + ATP ⇀↽ ossalaceTaTo + ADP + P_i

OssalaceTaTo + NADH + H⁺ ⇀↽ MalaTo + NAD⁺

Malato + NAD⁺ ⇀↽ OssalaceTaTo + NADH + H⁺

OssalaceTaTo + GTP ⇀↽ PEP + CO₂ + GDP

PiruvaTo + ATP + GTP + HCO₃^- ➔ PEP + ADP + GDP + P_i + CO₂

Se il precursore e il laTTaTo, invece, esso viene converTiTo nel cìTosol degli epatocìTi in piruvaTo e giànera NADH, Esso poi enTra nel miTocondrio di Tale cellule dove viene Trasformato in ossalaceTaTo dalla piTuvaTo decabössilasi. una forma miTocondriale di PEP carbossichinasi infine Te trasformera in PEP.

Esso poi esce.

2) La formazione di fruttosio 6-P a partire da fruttosio 1,6 - bisfosfato è catalizzata dall'enzima Mg²⁺ dipendente fruttosio 1,6-bisfosfatasi. La reazione che avviene è un reazione di idrolisi.

Fruttosio 1,6-bisfosfato + H₂O → fruttosio 6-P + Pi

3) La defosforilazione da glucosio 6-P a glucosio libero è catalizzata dall'enzima glucosio 6-fosfatasi. La reazione catalizzata è l'idrolisi di un estere fosforico.

Glucosio 6-P + H₂O → Glucosio + Pi

Anche questo enzima è Mg²⁺ dipendente ed esso si trova nel lume del RE degli epatociti, delle cellule renali ed epiteliali del tenue.

Bilancio energetico:

2 piruvato + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2 H₃O → glucosio + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi + 2 NAD⁺

Metà dell'energia viene usata per rendere la gluconeogenesi un processo irreversibile.

La sintesi di glucosio può essere ottenuta anche da intermedi di ciclo dell'acido citrico come citrato, isocitrato, α-chetoglutarato, succinil-CoA, succinato, fumarato e malato, e da che vengono definiti gluconeogenici.

Glicolisi

• Glucosio
• esochinasi, ATP
• ADP
• Glucosio 6-P
• Fosfofrutto chinasi-1, ATP
• ADP
• Fruttosio 6-P
• Fruttosio 1,6 bisfosfato
• Dihydroxi acetone fosfato
• Glicealdeide 3-P
• 2 Pi
• 2 NAD⁺
• 2 NADH + H⁺
• 1,3-Bisfosfoglicerato
• 2 ADP
• 2 ATP
• 3-Fosfoglicerato
• 2-Fosfoglicerato
• (2) Fosfoenol piruvato
• (2) Piruvato
• 2 ADP
• piruvato chinasi
• 2 ATP

Gluconeogenesi

• glucosio 6 fosfatasi
• Dihydroxi acetone fosfato
• 2 NAD⁺
• 2 Pi
• 2 ATP
• 2 GTP
• 2 GDP
• PEP carbossichinasi
• ossalacetato
• 2 ADP
• piruvato carbossilasi
• 2 ATP