Metabolismo Glucidico

Metabolismo

Metabolismo: rete di reazioni chimiche con lo scopo essenziale di produrre energia e di partecipare a biosintesi e degradazione di componenti cellulari o destinati ad essere esocitati. Le reazioni metaboliche possono essere distinte in:

Reazioni cataboliche

Utilizzano substrati per produrre energia dando prodotti finali a un valore energetico più basso rispetto a quello dei substrati (es. CO₂, H₂O, NH₄⁺). I substrati utilizzati sono generalmente molecole ad elevata energia come l’ATP usata per la produzione di energia chimica.

Reazioni anaboliche

Processi di sintesi delle molecole più complesse a partire da substrati più semplici. Questi processi richiedono energia, al contrario del catabolismo.

Metabolismo ana e catabolico vanno considerate come due vie integrate, ad esempio se il metabolismo anabolico è responsabile della sintesi di proteine, il catabolismo è responsabile della degradazione delle proteine. La cooperazione di entrambe le vie è finalizzata a mantenere la cellula in uno stato funzionale.

Perché l'ATP ha un alto potenziale energetico?

Perché è capace di trasferire un gruppo fosfato PO₄^3- ad altre molecole convertendosi in ADP che ha energia molto inferiore rispetto alla molecola di ATP, secondo la reazione: ATP → ADP+Pi; il DeltaG della reazione è elevatissimo poiché i prodotti stanno ad un livello energetico più basso perché stabilizzati per risonanza e per la presenza a pH fisiologico di cariche dello stesso segno nella stessa molecola.

Metabolismo ossido-riduttivo

Per quanto riguarda il metabolismo ossido-riduttivo, gli enzimi che catalizzano reazioni redox sono aiutati da coenzimi in grado di prendere e cedere elettroni: NAD⁺ e FAD.

NAD⁺: nicotinammina adenina dinucleotide (2 nucleotidi uniti da legame pirofosforico). La parte che partecipa alla redox è la parte di origine vitaminica. NADH è il coenzima in forma ridotta.

FAD: flavina adenin dinucleotide. Ha una parte adeninica più una parte che deriva da riboflavina (proteina idrosolubile). Quest’ultima è la parte che partecipa alla redox in quanto accetta 2 e^- e 2 H diventando FADH₂.

Quindi nelle reazioni metaboliche entrano in gioco: a) nucleotidi che cedono uno o due gruppi fosforici; b) dinucleotidi NAD⁺ e FAD coinvolti nelle reazioni redox.

Metabolismo dei glucidi

Sistemi di trasporto

Gli zuccheri, molecole grandi e polari, non passano attraverso le membrane biologiche. Il loro trasporto è mediato da 5 trasportatori (GLUT) con diversa affinità nei confronti del substrato e diversa distribuzione nei tessuti.

• Glut 1 e 3: Ubiquitariamente distribuito in tutti i tessuti. Affinità per il glucosio dell’ordine di 5mM, normalmente nel sangue la concentrazione di glucosio è più alta rispetto alla concentrazione citoplasmatica per cui il sistema garantisce un efficiente ingresso del glucosio nelle cellule → trasporto facilitato da compartimento a maggiore concentrazione a compartimento a minor concentrazione. Funzione: captazione basale.
• Glut 2: Presente in fegato e pancreas. Bassa affinità per il glucosio di 15-20mM. Permette l’ingresso di glucosio nelle cellule solo quando la concentrazione nel sangue è altissima. Nel fegato il glucosio viene impacchettato nella forma di riserva, glicogene. Le cellule beta del pancreas rilasciano insulina che aumenta l’utilizzo del glucosio quando la sua concentrazione è elevata. Funzione: omeostasi glicemica.
• Glut 4: Presente nelle cellule muscolari ed adipose. Questo trasportatore è stimolato dall’insulina. Funzione: omeostasi glicemica.
• Glut 5: Presente solo nell’epitelio del lume intestinale. Attua un meccanismo di simporto con il sodio. Il glucosio è presente in concentrazioni basse all’interno dell’enterocita e tende ad entrare e con una molecola di Na entra anche una di glucosio contro gradiente di concentrazione. Ciò consente di non sprecare il glucosio assunto con la dieta.

Tutti i trasportatori, ad eccezione di Glut 5, lavorano secondo gradiente, la cellula deve quindi trovare un modo per evitare che il glucosio internalizzato fuoriesca. Per mantenere il glucosio all’interno della cellula questo viene fosforilato secondo la reazione: Glc + ATP → G6P + ADP. La reazione è catalizzata da una fosfotransferasi. Le fosfotransferasi che utilizzano ATP vengono definite chinasi. In questo caso parliamo di una esochinasi in quanto il substrato è un esoso. Il G6P non è in grado di fuoriuscire dalla cellula attraverso il trasportatore perché il gruppo fosforico porta con sé delle cariche. Il DeltaG molto alto (-16,7) indica che la reazione è irreversibile. La reazione avviene con l’ausilio di ioni Mg²⁺.

A questo punto il glucosio-6-fosfato ha tre diverse alternative metaboliche:

• Via della glicolisi: via degradativa G6P → Piruvato (molecola a 3 atomi di C) che viene poi convertito in ATP.
• Via di deposito: quando [Glc] extracell è alta, G6P → polisaccaridi di riserva (glicogeno, amido e saccaroso in piante).
• Via dei pentosi fosfati: G6P → Ribosio-6-fosfato o desossiribosio + coenzimi ridotti; questa via produce anche coenzimi ridotti (NADPH), importanti perché vengono poi utilizzati nelle sintesi riduttive (esempio: NADPH coinvolto in sintesi dei trigliceridi, per questo se mangio molti zuccheri ingrasso), i coenzimi ridotti prodotti in questa via inoltre, contrastano il danno ossidativo prodotto dalle cellule.

Glicolisi

Le reazioni di glicolisi sono identiche in tutti gli organismi conosciuti.

• Consiste in 10 reazioni catalizzate da 10 diversi enzimi.
• La funzione principale è la produzione di piruvato, ma anche di intermedi che possono essere utilizzati ad altri scopi: il glicerolo-3-P è importante per la biosintesi dei lipidi e si forma da uno degli intermedi della glicolisi, il di-idrossi-acetone-fosfato; un altro esempio è l’1,3-di-P-glicerato che o viene utilizzato nella glicolisi stessa oppure viene convertito in 2,3-di-P-glicerato che è un modulatore allosterico dell’Hb.
• La glicolisi avviene tutta nel citosol.
• Attraverso queste 10 reazioni il glucoso viene convertito in piruvato. Tutti gli intermedi sono fosforilati (almeno un gruppo -P legato). La presenza del gruppo fosforico è importante per impedire l’uscita dalla cellula e rappresenta anche un segnale per gli enzimi che riconoscono il proprio substrato fosforilato.
• La prima parte del processo di glicolisi avviene con consumo di ATP (fase di investimento energetico) per aumentare l’energia degli intermedi, mentre la seconda comporta la parziale ossidazione dei composti per la produzione di energia sotto forma di molecole di ATP e potere riducente.

Prima reazione

Fosforilazione del glucoso catalizzata dall’enzima esochinasi. Il gruppo -P viene donato da una molecola di ATP. Produzione di G6P. Consumo: 1 ATP

Seconda reazione

Il G6P (aldoesoso, anello a sei atomi) isomerizza a fruttoso-6-P (chetoesoso, anello a cinque atomi). La reazione è catalizzata dall’enzima fosfoesosoisomerasi. Durante la reazione, nel sito attivo dell’enzima si fa in modo che l’anello si apra e poi si chiuda in maniera diversa ciò avviene attraverso un meccanismo di catalisi acido-base:

1. Apertura dell’anello - un gruppo -R del sito attivo dell’enzima funge da base che deprotona l’ossigeno dell’anello, quando esce il protone si rompe il legame tra O (legato al C5) ed il C1, e quest’ultimo forma un legame carbonilico C=O.
2. Spostamento del carbonile su C2, legame dell’O (legato al C5) al carbonile con chiusura dell’anello (in diversa posizione).

La reazione è reversibile e dipende solo dalla concentrazioni relative di G6P e F6P.

Terza reazione

Fosforilazione. Nuova reazione chinasica sul F6P. Catalizzatore: fosfo-frutto-chinasi (fosfofrutto=substrato; chinasi=utilizza ATP). Il gruppo -P viene legato al C1 con formazione di fruttosio-1,6-bisfosfato. Il DeltaG della reazione è molto alto, ciò significa che il prodotto ha Elibera maggiore rispetto al F6P, quindi la reazione è irreversibile. La fosfofrutto-chinasi è un enzima allosterico inibito da alte concentrazioni di ATP, acidi grassi ed acido citrico (elevata carica energetica) e stimolato da ADP, AMP ecc. Ha quindi un ruolo importante nella regolazione dell’intera via glicolitica. Consumo: 1 ATP

Quarta reazione

Scissione aldolica. Il F6P viene scisso in due triosi (composti a 3 atomi di C), una molecola di gliceraldeide-3-P ed una molecola di di-idrossi-acetone-P (un aldeide ed un chetone). La reazione è reversibile ma nelle cellule funziona nel verso reagenti→prodotti, l’equilibrio è quindi spostato verso la formazione dei triosi perché vengono consumati. La reazione è catalizzata dall’enzima aldolasi che lavora attraverso la formazione di una base di Schiff, intermedio che presenta un legame C-N. Nella reazione aldolica si rompe il legame tra il C3-C4 del F16P e si formano due molecole a 3 atomi di C, entrambe fosforilate: un chetone dai primi 3 atomi ed un’aldeide dal C4,5,6.

Quinta reazione

Isomerizzazione triosi. Diidrossiacetone-P e gliceraldeide-2-P sono in equilibrio tra loro, cioè esiste una isomerasi (triosofosfoisomerasi) che converte l’una nell’altra a seconda del fabbisogno metabolico. La reazione sarebbe reversibile ma in realtà il prodotto viene subito utilizzato nelle reazioni seguenti. La reazione avviene attraverso lo spostamento di un carbonile (come reazione 2).

Queste cinque reazioni costituiscono la prima fase della glicolisi, ossia quella di investimento energetico. Nella seconda fase avvengono reazioni di ossido-riduzione e la sintesi di ATP.

Sesta reazione

Ossidoriduzione. La gliceraldeide-3-P viene ossidata e fosforilata, quindi convertita in una molecola fortemente energetica, il 1,3-bisfosfoglicerato. Questa molecola è un acilfosfato, che porta cioè un gruppo fosfato sul gruppo carbossilico, è una molecola fortemente instabile ed un donatore eccezionale di gruppi -P. La formazione di un acilfosfato da un gruppo carbossilico è sfavorita, questa reazione viene accoppiata all’ossidazione dell’aldeide che è invece favorita e l’energia è quindi conservata nel composto. L’enzima che catalizza la reazione è una deidrogenasi. La G3P si ossida cedendo un elettrone al NAD⁺ che si riduce. NAD⁺ è un coenzima solubile che di solito entra ed esce dal sito attivo dell’enzima, in questo caso il NAD⁺ è strutturale, ciò significa che è già presente nel sito attivo. Consumo: 1 ATP.

Settima reazione

Trasferimento di un gruppo fosforico dal 1,3-bisfosfoglicerato ad una molecola di ADP → ATP. L’1,3-BPG viene convertito in 3-fosfoglicerato. Catalizzatore: fosfoglicerato-chinasi. La reazione procede in questo verso perché 1,3-BPG ha un’energia maggiore rispetto a quella dell’ADP che si idrolizza in ATP. La reazione è quindi esoergonica. Guadagno: 1 ATP

Ottava reazione

Il gruppo -P viene spostato dall’ossidrile in posizione 3 a quello in posizione 2 dando come prodotto il 2-fosfoglicerato. L’enzima che catalizza la reazione è una mutasi, che sposta il gruppo fosforico all’interno di una stessa molecola. La fosfoglicerato mutasi è attiva un residuo di His nel suo sito attivo viene fosforilato. Questo gruppo -P viene poi trasferito sul C-2 del 3-fosfoglicerato. Si crea quindi come intermedio della reazione il 2,3-bisfosfoglicerato che è un modulatore dell’Heme (abbassa affinità dell’Hb per l’O₂). Il gruppo fosfato sul C3 del substrato viene ora trasferito al residuo di His del sito attivo con formazione del prodotto finale. Nelle cellule è sufficiente una piccola quantità di 2,3-bisfosfoglicerato perché viene continuamente rigenerato alla fine della reazione, si può quindi definire come cofattore.

Nona reazione

Deidratazione. Il 2-fosfoglicerato viene convertito in fosfoenolpiruvato tramite eliminazione di una molecola di acqua. L’enzima che catalizza la reazione è un’enolasi (perché dà la forma enolica del 2PGH). Il fosfoenolpiruvato è una molecola ad alta energia (DeltaG) che tende facilmente a trasferire il gruppo fosforico.

Decima reazione

Il fosfoenolpiruvato trasferisce il gruppo fosforico ad una molecola di ADP. Fosfoenolpiruvato + ADP → Piruvato + ATP. Il piruvato che si forma può esistere in forma enolica (con il doppio legame C=C) quando è legato.