Metabolismo

METABOLISMO

Il glucosio entra nella via metabolica e viene trasformato in 2 molecole di piruvato. Il piruvato è una

molecola più ossidata. GLICOLISI

Ogni organismo usa il glucosio come fonte d’energia. Alcuni tessuti di alcuni organismi si basano in

modo specifico sulla glicolisi (eritrociti, midollare del surrene, cornea, tessuto nervoso…).

Avviene nel citoplasma di tutte le cellule. È la via iniziale del catabolismo del glucosio e di altri glucidi.

È la via iniziale del catabolismo del glucosio e di altri glucidi. È la classica via metabolica ma alcuni suoi

intermedi partecipano ad altre vie metaboliche. 10 reazioni che trasformano il glucosio in 2 molecole

di piruvato e producono 2 molecole di ATP e 2 molecole di NADH.

Dopo la glicolisi, in presenza di ossigeno il piruvato entrerà nel mitocondrio e verrà nuovamente

ossidato, in assenza di ossigeno andrà incontro a diversi tipi di fermentazione.

Il glucosio entra nelle cellule tramite le GLUT, le fanno entrare secondo gradiente. Le GLUT sono una

grande famiglia di molecole:

- GLUT1 e GLUT3 sono presenti nella maggior parte delle cellule di mammifero e sono

responsabili del trasporto basale del glucosio. Il GLUT 1 è soprattutto negli eritrociti;

- GLUT2 sono presenti nelle cellule beta del pancreas e in quelle del fegato. Quando la glicemia si

alza fa partire una serie di segnali intracellulari che determinano il rilascio dell’insulina. Anche

il fegato ha funzione di omeostasi della glicemia perché interviene quando si alza la glicemia

facendo entrare più glucosio negli epatociti e depositandolo come glicogeno (riserva);

- GLU4 presente soprattutto nei muscoli e nelle cellule adipose.

Sono reazioni che liberano molta energica e per questo dev’essere frazionata in più tappe. Nella

glicolisi ci sono quindi 10 reazioni.

3 fasi:

- 1-3 attivazione

- 4-5 taglio

- 6-10 recupero energia.

ATTIVAZIONE 1-3

REAZIONE 1 (Esochinasi) il glucosio viene

→

attivato mediante fosforilazione (fosfato aggiunto su

C6). Serve ATP, si forma il glucosio-6-fosfato. Le

esochinasi appartengono alle transferasi che

trasferiscono il gruppo fosfato da una parte all’altra e

hanno bisogno di magnesio come cofattore. Reazione

fortemente esoergonica. La fosforilazione trasforma

una molecola relativamente inerte in un composto

con maggior contenuto energetico. 1

Trasforma inoltre una molecola che passa liberamente la membrana dato che non ha carica, in una

molecola che viene intrappolata all’interno della cellula perché sulla membrana non ha sistemi di

trasporto per zuccheri fosforilati.

- Glucosio + ATP G-6-P + ADP esoergonica

→

- Glucosio + P1 G-6-P + H2O

→

- ATP + H2O ADP + P1 talmente esoergonica che la rende irreversibile in vivo

→

REAZIONE 2 (fosfoglucosio isomerasi) →

l’isomerasi trasformerà il glucosio-6-fosfato in

fruttosio-6-fosfato. Prima di “essere diviso a metà” la

molecola dev’essere nuovamente fosforilata per essere

resa simmetrica. REAZIONE 3 (Fosfofruttochinasi-1) il

→

fruttosio-6-fosfato in presenza di ATP e

magnesio, viene fosforilato a fruttosio-1,6-

difosfato. Molecola perfettamente simmetrica e

divisibile a metà! Molto esoergonica e

irreversibile in vivo.

Abbiamo fin qui utilizzato 2 ATP. Il F1-6P2 è

destinato a diventare piruvato.

TAGLIO 4-5

REAZIONE 4 (aldolasi) l’aldolasi che taglia a metà la molecola di fruttosio 1,6-difosfato. Si formano

→

2 triosi a 3 atomi di C quindi, sono diversi tra loro perché il diidrossiacetone fosfato è un chetone, l’altra

gliceraldeide 3-fosfato è aldeide. Ma hanno struttura simile al glicerolo che è la molecola di partenza di

tutti i monosaccaridi. Reazione molto endoergonica in reazioni standard ma in vivo ha ΔG negativo

perché le reazioni a valle tengono bassa la concentrazione dei prodotti spostando l’equilibrio verso

formazione dei prodotti. 2

REAZIONE 5 (triosofosfato isomerasi) reazione di isomerizzazione, quindi da diidrossiacetone

→

fosfato diviso avremo gliceraldeide 3-fosfato per avere due triosi uguali per proseguire nella glicolisi.

Reazione endoergonica anche in vivo ma avviene perché gliceraldeide 3-fosfato viene continuamente

sottratta da reazione trascinando reazione verso destra. Gliceraldeide 3-fosfato viene utilizzata nella

reazione successiva che è una delle reazioni chiave della glicolisi.

Le prime 5 reazioni della glicolisi sono servite a produrre 2 molecole di Gliceraldeide 3-P-attivata.

Metà della glicolisi è stata sostanzialmente usata per attivare il glucosio e dividerlo in 2 triosi uguali.

RECUPERO ENERGIA 6-10

REAZIONE 6 (Gliceraldeide-3-fosfato-deidrogenasi) le deidrogenasi fanno parte delle

→

ossidoreduttasi. Uno dei più importanti nel metabolismo. In presenza dell’enzima, di NAD e di fosfato

inorganico, il gruppo aldeidico della gliceraldeide viene ossidato a gruppo carbossilico.

Contemporaneamente il NAD viene ridotto a NADH e questa reazione è talmente esoergonica che

permette di legare il fosfato inorganico, senza ATP, a questo gruppo carbossilico. In questo caso è un

legame anidride. Si forma 1,3-bifosfoglicerato, una molecola altamente energetica. Reazione

esoergonica.

REAZIONE 7 (forfoglicerato chinasi) enzima che trasferisce dei gruppi fosfato usando l’ATP. Non è

però l’ATP a cedere il fosfato ma è il fosfoglicerato che ha un fosfato così energetico da poterlo cedere

all’ADP e a formare ATP. Questa chinasi usa magnesio. Abbiamo così formato la prima ATP della

glicolisi, questo tipo di fosforilazione si chiama fosforilazione a livello del substrato perché

abbiamo un substrato altamente energetico contenente questo gruppo fosfato che può essere usato

per creare ATP. L’1-3 difosfoglicerato in presenza di ADP, magnesio e della fosfoglicerato chinasi,

porta alla formazione di 1 ATP e resta una molecola di 3-fosfoglicerato che è scarica dal punto di vista

energetico (ha perso il fosfato ad alta energia ma ha ancora un fosfato da spendere!). Reazione

esoergonica, non irreversibile. 3

REAZIONE 8 (fosfoglicerato mutasi) è una mutasi che

sposta il gruppo fosfato dal C3 al C2. Lo mette in una

posizione molto più favorevole energeticamente per

formare un composto ad alta energia. Quindi passeremo

dal 3-fosfoglicerato al 2-fosfoglicerato. Richiede di nuovo

Magnesio. Questi composti acidi vengono indicati come

Sali, nella forma dissociata, perché il gruppo carbossilico è

ionizzato. La reazione è leggermente endoergonica ma il

2-fosfoglicerato man mano che viene prodotto viene

sintetizzato.

REAZIONE 9 (enolasi) quest’enzima, in presenza di magnesio, toglie una molecola d’acqua al 2-

fosfoglicerato diventando fosfoenolpiruvato (molecola ad alta energia).

REAZIONE 10 (piruvato chinasi) magnesio dipendente. Il

prodotto della reazione è il piruvato, prodotto finale della

glicolisi (in questo caso anaerobica). Questa reazione è

fortemente esoergonica in vivo è irreversibile. Fosforilazione

a livello del substrato che è altamente energetico, con un

contenuto di energia così elevato che dalla sua idrolisi si può

sintetizzare l’ATP. È diversa dalla fosforilazione ossidativa

che vedremo nella catena respiratoria. 4

PRODOTTI DELLA GLICOLISI ANAEROBICA

Glucosio + NAD + 2ADP + 2P 2 piruvato + NADH + H +2ATP + 2H O

→

+ + 2

2 molecole di piruvato (C6 a 2C3), 2 ATP, 2 NADH 5

Piruvato:

- Con ossigeno si ossida i carboni a CO2. Ciclo di Krebs coenzimi ridotti nella catena

→

respiratoria.

- Senza ossigeno: fermentazione. Producono molti prodotti finali. Avviene in particolare negli

eritrociti (non hanno né nucleo né mitocondri). Avviene nelle fibre bianche del muscolo.

Composti fosforilati ad alta energia: delta G molto negativo superiore a -30Kj/mol. Fosfocreatina

→

localizzata soprattutto nei muscoli riserva di fosfati ad alta energia usati nel muscolo per

→

sintetizzare l’ATP per la contrazione muscolare.

REGOLAZIONE ATTIVITA’ ENZIMATICA

- ISOZIMI (isoenzimi): enzimi che differiscono nella sequenza amminoacidica, nella

localizzazione tissutale/subcellulare, nelle caratteristiche cinetiche e/o regolatorie, ma

catalizzano la stessa reazione. Queste diverse isoforme catalizzano la stessa reazione chimica!

Le esochinasi presentano diversi isozimi: I-III vari tessuti (sono molto veloci nella

o fosforilazione del glucosio), inclusi muscolo e cervello; IV fegato e cellule beta del

pancreas. L’esochinasi ha un valore di Km molto basso, 100millimolare. La glucochinasi

(IV) ha un Km altissima a seconda delle specie può variare tra 5 e 10 millimolare. Il

fegato deve poter smaltire il glucosio in eccesso quindi l’enzima dev’essere in grado di

lavorare a concentrazioni così elevate. La glucochinasi va incontro anche ad un altro

meccanismo di regolazione: la compartimentalizzazione. Quando si forma il glucosio, si

forma tanto G6P e fruttosio-6-fosfato, la glucochinasi viene sequestrata/portata nel

nucleo e legata ad una proteina di regolazione e la tiene nel nucleo finché il fruttosio 6

fosfato non viene consumato e il glucosio 6-fosfato non torna alla sua concentrazione

ideale. La PFK catalizza la reazione limitante della glicolisi ed è il più importante punto

di controllo dell’intera glicolisi. Reazione irreversibile. Prima reazione obbligata della

glicolisi. SLIDEEEEE

Isozima del fegato è quello soggetto a maggiori regolazioni perché il fegato è un organo

o omeostatico.

Enzimi allosterici: presentano altri siti dove si legano questi fattori allosterici.

o

REGOLAZIONE DELLA GLICOLISI

L’esochinasi (HK) presentano molti isozimi => a seconda dei tessuti per le diverse esigenze di glucosio

(muscoli e cervello ne dipendono completamente). 1 e 3 => elevata capacità di fosforilare glucosio =>

muscoli e cervello. Fegato e pancreas hanno ruolo omeostatico e di controllo del glucosio => 4 che ha

un nome suo glucochinasi (GK). Isozimi hanno caratteristiche cinetiche diverse: HK ha una Km

piccolissima (0,1 mM) perché devono estrarre il più possibile glucosio quindi molta affinità; la GK ha

Km altissima (5-10 mM) perché deve smaltire glucosio in eccesso. Due diverse funzioni.

La GK va soggetta a un’altra regolazione => COMPARTIMENTALIZZAZIONE: quando la GK forma

troppo glucosio 6-fosfato e quindi fruttosio 6-fosfato, la glucochinasi viene sequestrata, portata dentro

al nucleo => legata a una proteina di regolazione fino a che il glucosio 6-fosfato non viene consumato.

Poi la proteina lo rilascia. Senno si accumula troppo fruttosio. Questo perché la GK era troppo veloce.

Fosfofruttochinasi 1: reazione irreversibile, prima reazione obbligata della glicolisi. Ci sono 3 geni

che catalizzano 3 tipi di subunità (L, M e K). È un tetramero (4 subunità=> tutte M nel muscolo, tutte L

nel fegato, oppure si combinano). Isozima del fegato: (enzimi allosterici oltre al sito attivo presenta 6

altri siti dove si legano i regolatori allosterici). Regolatori della PFK1: due inibitori allosterici (ATP e

citrato che è un intermedio del ciclo di Krebs) + attivatori (AMP e ADP, fruttosio 2,6-difosfato) perché

sono segnali di abbondanza di glucosio. AMPc era fame, ma AMP segna tanto glucosio. ATP è inibitore

ma anche substrato => si lega nel sito attivo o nel sito di regolazione. Se ATP regola => cambia

conformazione strutturale dell’enzima => meno affine. Con [ATP] alto rallenta la reazione. Curva di

saturazione è sigmoide.

Piruvato chinasi (PK) => enzima cooperativo e allosterico, regolata tramite fosforilazione e

defosforilazione. È un tetramero (4 subunità) => 2 geni (L, M). Gene L produce due isozimi => L

[fegato] e R [globuli rossi]. Sono enzimi allosterici sotto controllo ormonale. Vengono prodotti dallo

stesso gene L. Il gene M produce due isozimi anche lui => M1 [muscolo e cervello] e M2 [feto, cellule

meno differenziate e viene espresso di nuovo nelle cellule tumorali perché sono poco differenziate].

L'isozima M2 negli adulti sani non ci deve essere. M1 non è regolato, non è allosterico, è ad alta

velocità però. Regolazione allosterica della PK ha un attivatore (fruttosio 1,6 bifosfato che è un

intermedio della glicolisi, è un prodotto della PFK1) e un inibitore (ATP). Grazie al fruttosio c’è

collegamento metabolico feed-forward che la parte metabolica esercita sulla parte finale. Fruttosio 1,6

difosfato è il prodotto della reazione della PFK ed è un attivatore della PK stabilendo collegamento

metabolico tra i due più importanti enzimi che regolano glicolisi. Si produce molto fruttosio => attiva

PK che è l’ultimo enzima che catalizza l’ultima reazione della glicolisi => si attiva e sposta equilibri

delle reazioni a monte che sono reversibili => fa aumentare flusso metabolico e smaltisce eccesso

fruttosio. Regolazione anche mediante fosforilazione (meno attivo, quando c’è poco glucosio) e

defosforilazione (più attivo, quando c’è molto glucosio).

Carica energetica cellulare: rapporto fra forme cariche di energia e forme intermedie. Varia da 0 a 1 =>

parametro per valutare stato energetico di una cellula. Nelle cellule attive è tra 0,8-0,95. Se scende

sotto 0,6 la cellula in genere non è più vitale.

Le cellule tumorali nella fase di accrescimento hanno una glicolisi in assenza di ossigeno.

Ipossia/anossia funzionale (perché è collegato alla funzione del muscolo) nei muscoli sotto sforzo. I

molluschi ricavano ossigeno dall’acqua, se si trovano esposti all’aria non riescono a trarre ossigeno →

anaerobiosi ambientali che riguarda tutto l’organismo. In tutti questi casi la glicolisi viene chiusa dalla

riduzione del piruvato a lattato in presenza di una ossidoreduttasi chiamata lattato deidrogenasi.

NADH Riduce il C2 e trasforma il gruppo carbonilico in un ossidrile. Reazione spostata verso destra ma

non irreversibile. Reazione importante perché il NADH si riduce durante la glicolisi, l’enzima

gliceraldeide3P avrebbe ossidato tutto in NADH ma la lattato deidrogenasi, consumando il NADH

rimette in gioco il NAD ossidato che potrà essere riutilizzato dalla glicolisi.

Subunità H e M codificate da determinati geni. A seconda di come sono combinate tra loro queste

subunità possiamo avere 5 isozimi. LDH 4 sub H (cuore, eritrociti, rene), LFH 5 con 4 sub M (muscolo

scheletrico, fegato). La fermentazione lattica la troviamo nei lactobacilli, in alcuni tessuti (eritrociti,

muscolo scheletrico) in altre parti del nostro organismo (pH acido vaginale). Il piruvato può andare

incontro a molti tipi di fermentazione tra cui quella alcolica. Viene decarbossilato dalla piruvato

decarbossilasi in acetaldeide che viene ridotta dall’alcol deidrogenasi (riossida il NADH, stessa

funzione della lattato deidrogenasi) e forma l’etanolo.

Ambiente ruminale: anaerobico con pH acido.

I principali prodotti delle fermentazioni ruminali sono acido acetico, propionico, butirrico. 7

INGRESSO PIRUVATO NEL MITOCONDRIO

La glicolisi è una via citoplasmatica, le restanti avvengono nel mitocondrio. Il piruvato deve entrare nel

mitocondrio (struttura separata dal citoplasma da una membrana esterna più permeabile ed una

interna strutturata a creste). Il piruvato incontra l’MPC sulla membrana esterna, nella matrice

mitocondriale viene catturato dalla piruvato deidrogenasi che lo trasforma in acetil CoA che entra

finalmente nel cuore del metabolismo ossidativo (via ciclica che è il ciclo di Krebs). LA reazione della

PFH è una decarbossilazione ossidativa.

Dal piruvato si ottengono il lattato, l’etanolo dalla

fermentazione alcolica, l’alanina (amminoacido) dalle

transaminazioni e adesso vediamo anche l’Acetil-CoA.

Vediamo questa reazione in maniera sintetica. Dopo questa

reazione catalizzata dalla piruvato deidrogenasi, si perde

un’unità carboniosa sotto forma di CO , il piruvato viene

2

quindi decarbossilato (prima reazione di decarbossilazione

che incontriamo nel metabolismo). Lo scopo finale è

l’ossidazione delle molecole organiche in Co2 e H2O. siamo partiti da una molecola di glucosio, ne

abbiamo prodotte 2 di piruvato e adesso abbiamo ossidato il glucosio che era entrato all’inizio della

glicolisi togliendo 2 C + aggiunta di O. All’acetile è stato aggiunto del CoA mediante un legame

energetico. La reazione è molto complessa. È coinvolto un certo numero di Coenzimi ed è catalizzata da

un complesso multienzimatico (piruvato deidrogenasi composta da 3 attività enzimatiche). Procede

in vivo con una forte liberazione di energia (fortemente esoergonica) e darà la spinta all’inizio del ciclo

di Krebs. Queste molecole vengono portate come su di una collina di energia potenziali in cui si parte

per tutte le reazioni che avverranno in successione. I 5 coenzimi che partecipano sono CoA, NAD, FAD,

acido lipoico, tiamina pirofosfato e 3 attività enzimatiche che formano un complesso molto grande

costituito quindi da 100 subunità, 3 enzimi diversi e 5 coenzimi diversi. Queste 3 attività enzimatiche:

- Enzima 1 = piruvato deidrogenasi (decarbossilasi) coenzima TPP e serve a togliere la CO2 al

piruvato;

- E2 = diidrolipoil ha come coenzima l’acido lipoico che è legato fisicamente nel sito attivo

dell’enzima. Lega l’acetile al CoA che poi uscirà dal complesso e andrà nel ciclo di Krebs

- E3 diidrolipoil deidrogenasi= coenzimi FAD (gruppo prostetico legato fisicamente all’enzima) e

NAD (trasportatore mobile di atomi d’idrogeno) riossidano l’acido lipoico. H legato a NAD e

FAD ha potere riducente.

Coenzimi:

Tiamina pirofosfato = coenzima delle reazioni di decarbossilazione. Contiene un anello tiazolico

(parte attiva della tiamina