Destino del glucosio

Glucosio negli organismi multicellulari

Quando ci sono nutrienti, quindi un segnale di crescita (e.g.: tra le molecole di signaling c’è l’insulina, primo fattore di crescita comparso sulla Terra, il nerve growing factor, il fibroblast GF, …), si attiva un metabolismo proliferativo di tipo Warburg e le cellule proliferano grazie alla glicolisi.

Quando c'è il digiuno, quindi sono assenti i segnali di crescita, la cellula rimane quiescente e svolge un lavoro solo in base al tipo di cellula che è (muscolare, epatica, etc). Per adempiere alla funzione vengono sfruttati i mitocondri e la fosforilazione per produrre ATP.

Immunometabolismo

Le cellule della via infiammatoria si devono replicare passando in un assetto Warburg. A riposo, le cellule del sistema immunitario sono in un assetto catabolico. Il glucosio entra, la cellula ottiene ATP, avviene la glicolisi (con produzione di lattato), vengono usati acidi grassi (che danno Acetil CoA), avviene il CAC e la fosforilazione ossidativa.

La cellula che riceve il segnale passa in assetto Warburg, che è un assetto biosintetico (usa il glucosio per costruire). Il glucosio 6-P viene usato per la via dei PPP, che serve a produrre nucleotidi. Viene usato glucosio, ma è necessario anche l’ingresso di glutammina (che significa introduzione di azoto). Le cellule in assetto Warburg (quali le cellule tumorali) dipendono dal glucosio e dalla glutammina. Sono i composti con i quali è possibile costruire tutte le macromolecole necessarie per potersi replicare.

I grassi costituiscono le membrane biologiche, la via dei PPP per fare lo zucchero degli acidi nucleici (ribosio), la glutammina e altri intermedi del CAC servono a sintetizzare amminoacidi e per avere gruppi azotati con cui costruire la parte proteica.

Fattore ipossico attivato (HIF-1)

Il fattore ipossico attivato, HIF-1, è un fattore trascrizionale che viene attivato in condizioni di ipossia. La sua funzione è quella di aumentare la trascrizione di geni che codificano gli enzimi coinvolti nella glicolisi. Non viene attivato subito (dalla comparsa del tumore) ma lo fa quando la massa cresce di dimensioni (quindi causa ipossia di alcune cellule).

L'inizio dello sviluppo di un tumore corrisponde a una variazione dell'assetto metabolico: da uno stato catabolico fisiologico passa a uno stato anabolico di tipo Warburg, che avviene in seguito a una doppia segnalazione (infiammazione + fattore di crescita). La parte interna del tumore, non vascolarizzata, diventa ipossica. L'ipossia induce l'espressione del fattore ipossico che stimola la trascrizione dei geni che codificano per enzimi coinvolti nella glicolisi.

Questo fattore viene up-regolato in presenza di mutazioni di IDH (isocitrato deidrogenasi). È un fattore coinvolto nella contrazione muscolare: l'allentamento, attraverso la produzione di HIF-1, stimola la vascolarizzazione del muscolo e quindi la sua crescita.

Contrazione muscolare

Il muscolo è composto da fasci di fibre muscolari che contengono miofibrille, le quali contengono filamenti spessi (miosina) e sottili (actina). I miofilamenti si organizzano in sarcomeri che sono delimitati dai dischi Z, punti di ancoraggio dei filamenti sottili.

Miosina: 2 catene pesanti superavvolte, che terminano con le 2 teste globulari (funzione ATPasica) + 4 catene leggere che circondano le teste.

Actina: F-actina (polimero di G-actina), interagisce con la miosina nella contrazione. Nell'evento è fondamentale il ruolo di ATP.

L'impulso che arriva alla fibra contrattile si propaga al SER determinando il rilascio di Ca²⁺. Questo si lega alla subunità C della troponina, la quale fa cambiare la conformazione della tropomiosina che si sposta, esponendo i siti di legame per la miosina sull'actina. A questo punto può avvenire la contrazione.

Contrazione muscolare 2

ATP si lega al sito ATPasico della testa di miosina e viene idrolizzata ad ADP + Pi, i quali rimangono nel sito (c'è un residuo di SER che coadiuva il meccanismo. H₂O dona OH al P terminale, il quale però è mantenuto nel sito grazie a un legame di coordinazione con Mg²⁺. L'altro OH è ceduto a SER. Si libera quindi energia. L'energia induce una rotazione della testa di miosina, la quale si porta a legarsi debolmente con un'unità di G-actina con un angolo di 90°.

Questa interazione fa rilasciare Pi, quindi c'è un cambiamento conformazionale che determina il power stroke -> i filamenti di actina sono trascinati verso il centro del sarcomero, che si accorcia. Viene rilasciata ATP, quindi il legame tra actina e miosina si rafforza (stato di rigor). Il sito ATPasico accoglie un'altra ATP, quindi actina e miosina si staccano.

Regolazione della glicolisi

Nel muscolo la glicolisi ha funzione di produrre ATP, nel fegato ha funzione di controllo della glicemia.

Fosfofruttochinasi (PFK)

È l'enzima che principalmente controlla la glicolisi, catalizzando il passaggio da fruttosio 6-P a fruttosio 1,6-bisP (3^° tappa).

Struttura: 4 subunità (α elica + β sheets), siti catalitici e siti allosterici.

Regolazione allosterica di PFK nel muscolo

• Carica energetica: se bassa, è un effettore allosterico positivo; se alta, è un effettore allosterico negativo. A parità di [substrato], la reazione avviene più lentamente per elevate dosi di ATP.
• pH: in condizioni anaerobiche avviene la fermentazione lattica, quindi si produce lattato che si dissocia e acidifica l'ambiente. L'abbassamento del pH inibisce PFK.

N.B.: L'inibizione di PFK porta all'accumulo di fruttosio 6-P, che viene isomerizzato in glucosio 6-P il quale ha effetto inibente della esochinasi. Nel muscolo, G6-P viene usato per produrre glicogeno (a riposo).

Nel muscolo in attività, la glicolisi avviene ed è favorita dal basso rapporto ATP/AMP. Inoltre, i F1,6-P prodotto grazie a PFK fa da attivatore anterogrado per la piruvato chinasi.

Regolazione allosterica di PFK nel fegato

• Carica energetica (come nel muscolo)
• Citrato: un aumento di citrato nell'epatocita indica l'abbondanza di precursori per la biosintesi, quindi inibisce PFK.
• Fruttosio 2,6-bisP: non è un intermedio della glicolisi, ma fa da effettore allosterico positivo per PFK e partecipa alla regolazione reciproca tra glicolisi e gluconeogenesi.

Nel fegato non c’è regolazione da pH perché si forma poco lattato.