Metabolismo cellulare

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

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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

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

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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 accoppiata alla sintesi di GTP a partire

da GDP e Pi in una reazione di fosforilazione a livello del substrato. In seguito la succinato

deidrogenasi FAD-dipendente, catalizza la deidrogenazione del succinato a fumarato. Tale

enzima è l'unico inserito nella membrana mitocondriale interna, in questo modo ha contatti

diretti con la catena respiratoria per la cessione degli elettroni del FADH che si forma in tale

2

reazione. Il fumarato viene poi reversibilmente idratato a L-malato dall'enzima fumarasi.

Nell'ultima reazione si rigenera il prodotto di partenza: la malato deidrogenasi NAD-

+

dipendente ossida il malato ad ossalacetato con l'utilizzo di una molecola di NAD . Durante il

+

ciclo di Krebs vengono prodotte: 3 molecole di NAD , 1 molecola di FADH , 1 GTP; il

2

guadagno energetico totale è di 12 ATP a partire da una molecola di AcetilCoA che entra nel

ciclo di Krebs.

La regolazione del ciclo di Krebs si sviluppa attraverso l'accesso dei metaboliti nello spazio

intramitocondriale, la disponibilità degli intermedi e l'attività enzimatica. In particolare i siti

di controllo sono le tappe catalizzate: dalla piruvato deidrogenasi, attivata da segnali che

+

indicano un basso livello energetico come CoA, NAD e piruvato; dalla isocitrato

+ +

deidrogenasi, anch'essa soggetta ai rapporti ATP/ADP e NADH(H )/ NAD ; infine dall' α-

chetoglutarato deidrogenasi che richiede disponibilità di CoA. Il ciclo di Krebps oltre a

svolgere un ruolo catabolico è capace di formare intermedi anabolici, è dunque un processo

anfibolico. Quando il ciclo rallenta per deficienza di substrati intermedi, può essere ristabilito

da reazioni anaplerotiche, ovvero di riempimento, che forniscono al ciclo gli intermedi

necessari, come ad esempio la sintesi di ossalacetato a partire dal piruvato mediante la

piruvato carbossilasi. +

In condizioni di disponibilità di ossigeno il NADH(H ) formatosi nella glicolisi viene ossidato

nei mitocondri attraverso una reazione di ossidoriduzione, nel corso della quale avviene la

riduzione dell'ossigeno ad acqua. A livello della membrana mitocondriale interna si trova la

catena di trasporto degli elettroni, formata da una serie di trasportatori di elettroni a potenziale

redox crescente deputati al trasferimento degli elettroni dal NADH e dal FADH all'ossigeno.

2

L'energia liberata durante questo trasferimento di elettroni viene utilizzata per la sintesi di

ATP attraverso la fosforilazione ossidativa. Il sistema di trasporto degli elettroni è costituito

da quattro complessi enzimatici (complessi I, II, III, IV) e da due molecole mobili (coenzima

Q e citocromo c) (Fig. 7). Colore carattere: Nero

Formattato: Allineato al centro

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Fig. 7: Il sistema di trasporto degli elettroni situato sulla membrana mitocondriale. Tipo di carattere: Corsivo

Formattato:

Il complesso I, la prima pompa protonica, è una NADH deidrogenasi contenente il coenzima

flavin mononucleotide (FMN) e dei centri ferro-zolfo; esso riceve due atomi di idrogeno dal

NADH e li trasferisce al secondo trasportatore della catena ovvero il coenzima Q.

Quest'ultimo ha una catena di natura lipofila che gli consente un'elevata mobilità nella

membrana, in questa maniera può ricevere gli equivalenti riducenti che, attraverso il

complesso II, provengono dal FADH . Il coenzima Q trasferisce gli elettroni al complesso III,

2

la seconda pompa protonica, contenente i citocromi b e c e, attraverso questi, al citocromo c.

1

Tale proteina, come tutti i citocromi, è dotata di un gruppo prostetrico, il gruppo eme, il cui

3+ 2+

atomo di Fe oscilla dalla forma ferrica Fe (ossidata) alla forma ferrosa Fe (ridotta). Dal

citocromo c gli elettroni vengono trasferiti al complesso IV, la terza pompa protonica,

chiamato citocromo c ossidasi. Quest'ultimo complesso trasferisce gli elettroni direttamente

all'ossigeno riducendolo, con la formazione di acqua. L'energia ricavata dalle reazioni di

ossidoriduzione a livello dei complessi I, III e IV è utilizzata dagli stessi per pompare protoni

dalla matrice allo spazio intermembrana, generando così un gradiente protonico. Il flusso dei

protoni che rientrano all’interno della matrice mitocondriale attraverso l'ATP sintasi

(complesso V) ne determina l'attivazione, consentendo la fosforilazione di ADP ad ATP nella

reazione di fosforilazione ossidativa (Fig. 8). Colore carattere: Nero

Formattato: Allineato al centro

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Fig. 8: Flusso degli elettroni attraverso la catena di trasporto degli elettroni e sintesi Tipo di carattere: Corsivo

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dell’ATP. Interlinea: singola

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Il sistema permette di sintetizzare tre molecole di ATP per ogni molecola di NADH che viene

riossidata, mentre dalla riossidazione del FADH si producono solo due molecole di ATP. Il

2

blocco della catena respiratoria è un meccanismo di controllo che consente di ridurre al

minimo necessario il consumo di O e di substrati ossidabili quando non è più necessario

2

sintetizzare ATP. In definitiva, la respirazione mitocondriale è controllata dalla disponibilità di

ADP + Pi, tramite un meccanismo denominato controllo respiratorio.

➢Ciclo dei pentoso fosfati

Una via catabolica alternativa che utilizza il glucosio è rappresentata dalla via dei pentoso

fosfati (detto anche shunt dei pentosi), attraverso la quale si realizza l'ossidazione diretta del

glucosio-6-fosfato a CO . Questa via, pur non essendo finalizzata alla produzione di ATP

2

produce NADPH e uno zucchero a cinque atomi di carbonio (Fig. 9). Colore carattere: Nero

Formattato: Allineato al centro

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Fig. 9: Schema della via dei pentosi. Tipo di carattere: Corsivo

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E' particolarmente attiva in tessuti come fegato, cervello, ghiandola surrenale e ghiandola

mammaria in allattamento, dove avviene la sintesi attiva di acidi grassi, colesterolo e ormoni

steroidei utilizzando NADPH nelle biosintesi riduttive. Pertanto le funzioni principali di tale

via metabolica sono: la formazione di ribosio-5-fosfato per la sintesi di nucleotidi e acidi

nucleici; l'interconversione di pentosi in esosi; la formazione di NADPH per le biosintesi

riduttive. La via del pentoso fosfati si svolge nel citosol e può essere suddivisa in due fasi: la

prima fase, ossidativa e irreversibile, comprende le prime tre reazioni che trasformano il

glucosio-6-fosfato in ribulosio-5-fosfato con liberazione di una molecola di CO e produzione

2

di due molecole di NADPH. La seconda fase detta di “interconversioni degli zuccheri” (fase

non ossidativa) comprende reazioni reversibili che portano alla produzione di ribosio-5-

fosfato o di intermedi della glicolisi quali fruttosio-6-fosfato e gliceraldeide 3-fosfato. La

prima reazione di ossidazione è catalizzata dalla glucosio-6-fosfato deidrogenasi e porta alla

formazione di 6-fosfogluconolattone, questa rappresenta la prima tappa irreversibile altamente

controllata: l'enzima viene inibito da alte concentrazioni di NADPH e acidi grassi. In seguito

avviene l'idrolisi del 6-fosfogluconolattone ad opera della lattonasi con produzione dell'acido

6-fosfogluconico. Nella tappa successiva avviene una decarbossilazione