Metabolismo cellulare

Capitolo 1

Il metabolismo cellulare

1.1 Metabolismo dei glucidi

Il metabolismo dei monosaccaridi si identifica con il metabolismo del glucosio, in quanto

fruttosio e galattosio sono utilizzati, tranne per alcune esigenze, in seguito a trasformazione in

glucosio.

1.1.1 Metabolismo dei glucosio

Il glucosio viene trasportato dal sangue all'interno delle varie cellule secondo gradiente di

concentrazione, attraverso un processo di diffusione facilitata mediato da carrier proteine di

membrana specifiche (carrier), definite i denominati GLUT (Glucose Transporter). Il trasporto

avviene con differenti modalità a seconda dei tessuti bersaglio che esprimono diverse

isoforme della proteina di membrana. In qualsiasi via metabolica l'utilizzo del glucosio

prevede la sua fosforilazione a glucosio-6-fosfato, così da sequestrare lo zucchero nella

cellula. Tale reazione è irreversibile, avviene col trasferimento di un radicale fosforico

dall'ATP che viene idrolizzatoa in ADP, ed è catalizzata da due isoenzimi: l'esochinasi o la

glucochinasi. Questi due enzimi hanno delle differenze: l'esochinasi ha bassa specificità per il

substrato in quanto catalizza la fosforilazione di diversi esosi, al contrario la glucochinasi è

specifica per il glucosio; l'esochinasi presenta un'affinità elevata per il substrato tuttavia è

inibita dal glucosio-6-fosfato e si trova in tutte le cellule, mentre la glucochinasi ha affinità

minore non è inibita dal glucosio-6-fosfato e si trova soltanto nelle cellule epatiche. Inerente a

questo, la glucochinasi consente al fegato di immagazzinare elevate quantità di glucosio. Il

glucosio-6-fosfato può seguire diverse vie metaboliche: la glicolisi, che porta alla

degradazione del glucosio in con produzione di due molecole di piruvato; la via dei pentosi

fosfati, che determina l'ossidazione del glucosio con produzione di ribosio ed intermedi

glicolitici, nonché produzione di potere riducente sotto forma di NADPH e la

glicogenosintesi, che dopo aver trasformato il glucosio-6-fosfato in glucosio-1-fosfato viene

poi incorporato nel glicogeno.

➢Glicolisi

La via centrale per il catabolismo del glucosio è la glicolisi. Tale processo metabolico avviene

nel citoplasma e consiste in una sequenza di dieci reazioni che portano alla produzione di due

molecole di piruvato a partire da una molecola di glucosio, due molecole di ATP e due di

NADH (Fig. 4). Nella prima fase della glicolisi, caratterizzata da cinque reazioni, vengono

consumate due molecole di ATP in seguito a fosforilazione e scissione di una molecola di

glucosio per ottenere due molecole di gliceraldeide-3-fosfato. Nella seconda fase, costituita

anch'essa da cinque reazioni, vengono prodotte quattro molecole di ATP e due di NADH

attraverso la trasformazione delle due molecole di gliceraldeide-3-fosfato in piruvato. La

prima tappa della glicolisi è la fosforilazione del glucosio in glucosio 6-fosfato catalizzata

dalla esochinasi a spese dell’ATP; successivamente, si ha l'isomerizzazione del glucosio-6-

fosfato in fruttosio-6-fosfato, catalizzata dalla fosfoglucosioisomerasi. Segue poi la

fosforilazione del fruttosio-6-fosfato in fruttosio-1,6-bisfosfato catalizzata dalla

fosfofruttochinasi, tale reazione è irreversibile. Quest'ultima costituisce un'importante tappa di

regolazione della glicolisi, determina infatti la definitiva immissione del glucosio nel processo

glicolitico e rappresenta la fase di investimento energetico. La regolazione dell'attività

enzimatica avviene in maniera allosterica: l'attivazione si produce con alte concentrazioni di

AMP, mentre viene inibita da alte concentrazioni di ATP. Ciò significa che, se i livelli

energetici intracellulari sono elevati, la glicolisi rallenta, mentre se sono bassi la glicolisi

accelera. Un altro attivatore allosterico molto potente di questo enzima è il fruttosio 2,6-

bisdifosfato, sintetizzato sotto stimolo insulinico al fine di favorire la glicolisi. La quarta

reazione della glicolisi prevede la scissione del fruttosio-1,6-bisfosfato in due triosi:

gliceraldeide-3-fosfato e diidrossiacetone fosfato. L'enzima che catalizza la reazione è

l'aldolasi, il quale realizza una condensazione aldolitica reversibile. Segue poi la reazione di

isomerizzazione dei triosi fosfati: i due triosi sono interconvertibili grazie all'enzima trioso

fosfato isomerasi. Poiché solo la gliceraldeide-3-fosfato viene degradata nelle tappe

successive della glicolisi, il diidrossiacetone viene convertito in gliceraldeide-3-fosfato

affinché possa procedere nel processo catabolico. Colore carattere: Nero

Formattato: Allineato al centro

Formattato:

Fig. 4: Schema della glicolisi Tipo di carattere: Corsivo

Formattato:

Dalla sesta reazione segue la fase di recupero energetico della glicolisi attraverso la

degradazione della gliceraldeide-3-fosfato. La prima tappa di recupero è l'ossidazione della

gliceraldeide-3-fosfato in 1,3-bisfosfoglicerato catalizzata dalla gliceraldeide 3-fosfato

deidrogenasi. L'enzima catalizza la reazione di ossidazione dell'aldeide ad acido carbossilico

+

mediata dal NAD che viene ridotto a NADH e l'unione del fosfato inorganico all'acido

carbossilico per formare il prodotto finale ad alta energia, ovvero l'acido 1,3-bisfosfoglicerico.

La settima reazione prevede la formazione del 3-fosfoglicerato a partire dal 1,3-

bisfosfoglicerato. In questaIn questa tappa, catalizzata dalla fosfoglicerato chinasi, avviene

una fosforilazione a livello del substrato che porta alla produzione della prima molecola di

ATP. Nella reazione che segue si realizza lo spostamento del radicale fosforico dal C-3 al C-2

tramite l'enzima fosfoglicerato mutasi: il prodotto finale è il 2-fosfoglicerato. La nona tappa è

una reazione di deidratazione del 2-fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato, catalizzata dall'enzima

enolasi che rimuove reversibilmente una molecola d'acqua dal 2-fosfoglicerato. Essa ha un

particolare interesse in quanto converte, un composto con basso potenziale di trasferimento

del gruppo fosforico in uno con con elevato potenziale di trasferimento. Nell'ultima reazione

avviene la seconda fosforilazione a livello del substrato: ad opera dell'enzima piruvato chinasi

il gruppo fosforico presente sul fosfoenolpiruvato viene trasferito su una molecola di ADP,

con formazione di ATP e piruvato. La piruvatoIl piruvato chinasi è un' enzima fortemente

regolato: viene inibito allostericamente dall'ATP, nonché da processi di fosforilazione mediati

da cAMP sotto controllo di adrenalina e glucagone; al contrario viene attivato da alte

concentrazioni di fruttosio-1,6-bisfosfato.

In condizioni di anaerobiosi i tessuti riducono il piruvato a lattato, ad opera della lattato

deidrogenasi, al fine di riossidare il NADH ridotto nella reazione di ossidazione della

gliceraldeide-3-P. In condizioni di aerobiosi (disponibilità di ossigeno) la riossidazione del

NAD ridotto avviene durante la fosforilazione ossidativa mitocondriale con formazione di

acqua e sintesi di ATP,; mentre il piruvato viene ossidato a CO nei mitocondri. La glicolisi è

2

finemente regolata al fine di garantire alla cellula il giusto apporto di energia: il controllo si

basa sull'equilibrio tra il consumo di ATP e la rigenerazione del NADH oltre che alla

regolazione allosterica degli enzimi chiavi del processo, ovvero le tre chinasi che catalizzano

le reazioni irreversibili, e alle concentrazioni dei metaboliti. Il bilancio energetico

complessivo della glicolisi anaerobica è di 8 moli di ATP per mole di glucosio (2 moli ATP e 2

moli di NADH per /1 mole di glucosio); la glicolisi aerobica invece porta ad un guadagno

molto maggiore di ATP per ogni mole di glucosio ossidata (36-38 moli di ATP).

➢Gluconeogenesi

Alcuni tessuti sono capaci di sintetizzare glucosio a partire da materiale non glucidico,

attraverso il processo di gluconeogenesi che utilizza le tappe della glicolisi, con decorso

opposto, e per le tre reazioni irreversibili, sistemi enzimatici alternativi (Fig. 5). Nei

mammiferi tale processo avviene maggiormente nel fegato ma anche nel rene, con lo scopo di

mantenere il glucosio ematico a livelli opportuni per il fabbisogno metabolico di muscoli e

cervello. I principali precursori per la formazione del glucosio sono: il piruvato, il lattato, il

glicerolo e gli amminoacidi glucogenici. Per ragioni termodinamiche il piruvato non può

essere convertito direttamente in fosfoenolpiruvato, quindi per la prima tappa irreversibile

sono necessarie due reazioni: la carbossilazione del piruvato a ossalacetato e la

decarbossilazione-fosforilazione dell'ossalacetato. La prima reazione è catalizzata dalla

piruvato carbossilasi, un' enzimaun’enzima mitocondriale biotina-dipendente, la cui attività è

stimolata allostericamente dall'acetil-CoA. L'ossalacetato essendo poco permeabile nella

membrana mitocondriale viene ridotto dalla malato deidrogenasi a malato, quest'ultimo una

volta giunto nel citosol viene di nuovo trasformato in ossalacetato. La seconda reazione ha

luogo nel citoplasma, è catalizzata dalla fosfoenolpiruvato carbossichinasi e trasforma

l'ossalacetato in fosfoenolpiruvato utilizzando GTP. Il fosfoenolpiruvato così formato viene

poi convertito in gliceraldeide-3-fosfato dalle reazioni inverse della glicolisi: formazione del

2-fosfoglicerato mediante l'enolasi; trasferimento del fosfato con la produzione del 3-

fosfoglicerato ad opera della fosfoglicerato mutasi; fosforilazione a 1,3-bisfosfoglicerato con

utilizzo di ATP e l'enzima fosfoglicerato chinasi; e infine defosforilazione a gliceraldeide-3-

+

fosfato mediante la gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi a spese di NADH(H ). La

gliceraldeide-3-fosfato viene convertita in diidrossiacetone fosfato fosfodiossiacetone

dall'enzima trioso-fosfato isomerasi e successivamente trasformato in fruttosio-1,6-difosfato. Colore carattere: Nero

Formattato: Allineato al centro

Formattato:

Fig.5: Glicolisi e Gluconeogenesi a confronto. In azzurro sono indicate le reazioni Tipo di carattere: Corsivo

Formattato:

glicolitiche, in rosso quelle gluconeogenetiche Interlinea: singola

Formattato:

La seconda reazione irreversibile viene superata attraverso l'attività dell'enzima fruttosio-1,6- Tipo di carattere: Corsivo

Formattato:

bisfosfatasi che defosforila il substrato promuovendo l'idrolisi del gruppo fosforico sul C-1. In

seguito il fruttosio-6-fosfato viene isomerizzato a glucosio-6-fosfato ad opera della glucosio-

6-fosfato isomerasi. Si giunge così all'ultima reazione irreversibile che è permessa dall'enzima

glucosio 6-fosfatasi, il quale defosforila per semplice idrolisi il carbonio in posizione 6. Il

glucosio libero ottenuto può pertanto entrare in circolo e innalzare la glicemia. Anche in

questo caso vengono evitati cicli futili alla cellula attraverso la regolazione dell'attività

enzimatica secondo la disponibilità dei substrati: alta concentrazione di glucosio attiva le

esochinasi e inibisce la glucosio 6-fosfatasi; alta concentrazione di glucosio-6-fosfato attiva la

glucosio 6-fosfatasi e inibisce le varie esochinasi. La glicolisi e la gluconeogenesi non

avvengono mai contemporaneamente grazie alla possibilità di regolare gli enzimi chiave,

ovvero quelli che catalizzano le reazioni irreversibili. Tali enzimi sono indotti o repressi

reciprocamente, in risposta a fattori citoplasmatici, quali: rapporto ATP/AMP, acetil-CoA,

lattato, insulina e glucagone.

➢Metabolismo aerobico del glucosio

In condizioni di aerobiosi il piruvato formatosi dalla glicolisi o dall'ossidazione del lattato

passa dal citoplasma all'interno dei mitocondri dove viene trasformato in acetil-CoA per

azione della piruvato deidrogenasi, un complesso enzimatico costituito da tre enzimi a cui

sono associati cinque coenzimi. L'acetil-CoA si forma per decarbossilazione ossidativa del

piruvato attraverso una reazione irreversibile con la produzione di una molecola di NAD

ridotto e la liberazione di una molecola di CO . Questo L’acetil-CoA così prodotto, insieme a

2

quello formatosi nella β-ossidazione degli acidi grassi, viene ossidato a CO nel ciclo di

2

Krebs. In ogni rivoluzione del ciclo 1 mole di acetil-CoA viene ossidata in 2 moli di CO ; gli

2 +

elettroni sottratti ai metaboliti intermedi vengono utilizzati per la riduzione del NAD a

+

NADH(H ), con produzione finale di ATP. Il ciclo si compone di otto reazioni e a partire dalla

condensazione dell'ossalacetato con l'acetil-CoA che porta alla formazione del citrato e alla

liberazione del CoA: tale reazione è catalizzata dall'enzima citrato sintetasi (Fig. 6). Colore carattere: Nero

Formattato: Allineato al centro

Formattato:

Fig. 6: Panoramica del ciclo di Krebs Tipo di carattere: Corsivo

Formattato:

Per azione dell’enzima aconitasi il citrato viene isomerizzato in isocitrato, con la formazione

di un intermedio (cis-aconitato). Nella terza reazione l' isocitrato viene ossidato ad

ossalsuccinato, il quale viene decarbossilato in

α-chetoglutarato, ad opera dell’enzima isocitrato deidrogenasi. In questa reazione viene

eliminata la prima molecola di CO con la produzione di NADH. L'

2

α-chetoglutarato va incontro a un processo di decarbossilazione ossidativa catalizzato dal

complesso multienzimatico α-chetoglutarato deidrogenasi, simile a quello della piruvato

deidrogenasi. In questa reazione è eliminata la seconda molecola di CO con produzione di

2

NADH e del succinil-CoA , intermedio ad alta energia. La trasformazione del succinil-CoA in

succinato e CoA, mediante la succinil-CoA sintetasi, è