METABOLISMO DEL Glucosio Il metabolismo del glucosio può essere suddiviso nelle seguenti vie metaboliche: Glicolisi Ossidazione del glucosio in acido piruvico e acido lattico. Via del pentoso fosfato Via ossidativa alternativa per il glucosio Glicogenolisi Idrolisi di glicogeno a formare glucosio Glicogenesi Sintesi di glicogeno da glucosio Gluconeogenesi Formazione di glucosio a partire da molecole diverse dai carboidrati Glucosio Metabolismo del glucosio Via del pentoso fosfato Glicogenolisi Ribosio-5-fosfato Glucosio-6-fosfato Glicogeno Glicogenesi Glicolisi Gluconeogenesi Piruvato Amminoacidi Condizione aerobica Acetil CoA Ciclo di Krebs Condizione anaerobica Lattato Catabolismo del glucosio Glucosio Glicolisi Condizioni anaerobiche Etanolo Piruvato Condizioni aerobiche Acetil CoA Ciclo di Krebs CO2 e H2O Condizioni anaerobiche Lattato Catabolismo del glucosio Glucosio Glicolisi Condizioni anaerobiche Etanolo Piruvato Condizioni aerobiche Acetil CoA Ciclo di Krebs CO2 e H2O Condizioni anaerobiche Lattato GLICOLISI La glicolisi è la via metabolica degradativa del glucosio. La glicolisi genera energia che viene conservata sotto forma di ATP. La glicolisi è una via che ricava energia dalla trasformazione del glucosio (6 atomi di carbonio) in acido piruvico (3 atomi di carbonio). La glicolisi può essere suddivisa in due tappe successive: I fase → converte il glucosio in gliceraldeide 3-fosfato II fase → produce due molecole di acido piruvico I prodotti finali della glicolisi sono: acido piruvico, NADH e ATP La glicolisi avviene nel citosol della cellula. GLICOLISI 2 ADP Ogni sfera rappresenta un atomo di carbonio 2 Pi 2 ATP 2 Acido piruvico Glucosio 2 NAD+ 2 NADH 2H+ GLICOLISI La glicolisi comprende dieci reazioni e può essere divisa in due fasi: Fase I: investimento energetico (reazioni 1-5). Nella prima fase il glucosio, molecola a 6 atomi di carbonio, viene prima fosforilata e poi idrolizzata per formare due molecole di gliceraldeide-3-fosfato, molecola a 3 atomi di carbonio. Sono utilizzate per le reazioni 2 molecole di ATP. Fase II: recupero energetico (reazioni 6-10). Le due molecole di gliceraldeide-3-fosfato sono trasformate in due molecole di acido piruvico. Le reazioni generano 4 molecole di ATP. I FASE glicolisi OH Glucosio 1 Esochinasi OH HO H H ATP H H OH OH OH HO Glucosio 6-fosfato 2 P P P OH O OH O H HO ATP OH H OH ADP H P P O O OH H O P P O CH2 OH P P OH H C C O H CH2 Trioso fosfato isomerasi Gliceraldeide 3-fosfato (2) O HO H Aldolasi Gliceraldeide 3-fosfato + Diidrossiacetone fosfato 5 OH OH Fruttosio 1,6-bisfosfato P 4 H H Fruttosio 6-fosfato 3 OH H H Fosfoglucosio isomerasi Fosfofruttochinasi P O ADP C CH2 OH O O 2 P P O CH2 C OH C H P II FASE glicolisi O 2 Gliceraldeide 3-fosfato (2) 2 NAD+ 6 Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi 2 NADH 7 Acido 1,3 Bisfosfoglicerico (2) 2 ADP Fosfoglicerato chinasi 2 ATP Acido 3 fosfoglicerico (2) 8 C C CH2 H O 2 P P P O CH2 C C O 2 P P O CH2 C C OH Acido piruvico O 2 2 H2 O Piruvato chinasi P O OH P Acido fosfoenolpiruvico (2) 10 O OH Fosfoglicerato mutasi Enolasi P OH Acido 2 fosfoglicerico (2) 9 P 2 ADP C OH O C OH P P 2 CH2 O CH2 C O C OH P 2 ATP O 2 CH3 C C OH O I FASE glicolisi Glucosio 1 Esochinasi ATP ADP Glucosio 6-fosfato P • Nella prima reazione deve essere spesa un po’ di energia per iniziare la glicolisi, viene consumata una molecola di ATP. Glucosio 6-fosfato 2 P Fosfoglucosio isomerasi Fruttosio 6-fosfato P • La seconda è una reazione di isomerizzazione di un aldoso (glucosio) in un chetoso (fruttosio). Il glucosio è trattenuto nella cellula dalla fosforilazione a glucosio 6-fosfato Fruttosio 6-fosfato 3 Fosfofruttochinasi P ATP ADP Fruttosio 1,6-bisfosfato P P •Nella terza reazione un enzima chinasi fosforila il futtosio 6fosfato. La fosfofruttichinasi gioca un ruolo fondamentale nel controllo della glicolisi. Fruttosio 1,6-bisfosfato P 4 P Aldolasi Gliceraldeide 3-fosfato + Diidrossiacetone fosfato P P • Nella reazione 4 avviene una scissione aldolica e il fruttosio 1,6bisfosfato si scinde in due molecole di triosi. Gliceraldeide 3-fosfato + Diidrossiacetone fosfato 5 P P Trioso fosfato isomerasi Gliceraldeide 3-fosfato (2) 2 P • La quinta è una reazione di isomerizzazione catalizzata da una isomerasi in cui il diidrossiacetone è convertito in gliceraldeide 3fosfato. I FASE glicolisi E necessaria l’energia di 2 molecole di ATP per iniziare la sequenza di reazioni della glicolisi II FASE glicolisi 6 2 Gliceraldeide 3-fosfato (2) 2 NAD+ Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi 2 NADH Acido 1,3 Bisfosfoglicerico (2) P 2 P P • La reazione 6 consiste nell’ossidazione e fosforilazione della gliceraldeide 3-fosfato. L’agente ossidante è il coenzima NAD+ che si riduce formando NADH. L’enzima che catalizza la reazione è una deidrogenasi. 7 Acido 1,3 Bisfosfoglicerico (2) 2 ADP Fosfoglicerato chinasi 2 ATP Acido 3 fosfoglicerico (2) 2 P 2 P P • La reazione 7 porta alla formazione dell’acido 3-fosfoglicerico e di due molecole di ATP Acido 3-fosfoglicerico (2) 8 2 P Fosfoglicerato mutasi P Acido 2-fosfoglicerico (2) 2 • Nella reazione 8 avviene il trasferimento di un gruppo funzionale (fosfato) da una posizione ad un’altra della stessa molecola per azione di un enzima mutasi. P Acido 2-fosfoglicerico (2) 9 Enolasi 2 2 H2 O Acido fosfoenolpiruvico (2) P 2 • Nella reazione 9 l’acido 2-fosfoglicerico viene deidratato (perde 2 molecole di H2O) attraverso l’azione di una enolasi. P Acido fosfoenolpiruvico (2) 10 Piruvato chinasi Acido piruvico 2 2 ADP 2 ATP 2 • Nella reazione 10, la reazione finale della glicolisi, la piruvato chinasi catalizza la reazione di scissione del gruppo fosfato e la formazione di altre 2 molecole di ATP I FASE glicolisi In questa seconda fase sono prodotte 4 molecole di ATP e 2 di NADH REAZIONE TOTALE dei processi di glicolisi glucosio + 2Pi + 2NAD+ + 2ADP 2 acido piruvico + 2ATP + 2NADH + 2H++2H2O Il guadagno energetico della glicolisi è di 2 molecole di ATP con la formazione di un prodotto, l’acido piruvico, che contiene ancora molta dell’energia iniziale della molecola di glucosio. Destino del piruvato Tre vie metaboliche possibili del piruvato Glucosio Glicolisi Condizioni anaerobiche Etanolo Piruvato Condizioni anaerobiche Condizioni aerobiche Acetil CoA Ciclo di Krebs CO2 e H2O Lattato Destino del piruvato In condizioni aerobiche → il piruvato viene prima trasformato in Acetil CoA e poi completamente ossidato a CO2 e H2O nel ciclo di Krebs. Glucosio Glicolisi Condizioni anaerobiche Etanolo Piruvato Condizioni anaerobiche Condizioni aerobiche Acetil CoA Ciclo di Krebs Lattato In condizioni anaerobiche → il piruvato deve essere convertito in un prodotto ridotto per poter riformare il NAD+, a partire dal NADH, che rientra nella glicolisi. CO2 e H2O Nel lievito: lievito fermentazione alcolica con formazione di etanolo Nel muscolo: muscolo fermentazione omolattica con formazione di lattato Fermentazione omolattica NADH H+ NAD+ OH O CH3 C C CH3 C OH O Acido piruvico O C OH Lattato deidrogenasi H Acido lattico • Durante attività fisica intensa e prolungata: il muscolo ha bisogno di molta energia in breve tempo. • E’ presente poco ossigeno. • Produzione di acido lattico attraverso la via di glicolisi in condizioni anaerobiche. • Produzione di NAD+. Fermentazione omolattica In condizioni di carenza di ossigeno, come ad esempio negli eritrociti e nei muscoli durante un’attività fisica intensa, l’acido piruvico viene ridotto ad acido lattico. Infatti l’eccesso di NADH e acido piruvico prodotti attraverso la glicolisi per sviluppare l’energia necessaria per l’attività muscolare, non riescono ad essere smaltiti attraverso i mitocondri. Glicolisi in condizioni aerobiche L’acido piruvico viene trasportato trasformato in Acetil CoA NAD+ all’interno dei mitocondri e NADH H+ O CH3 C C + CoA CoA OH O Acido piruvico Coenzima A Piruvato Deidrogenasi C + CO2 O CH3 Acetil Coenzima A L’acido piruvico prodotto ha un elevato contenuto energetico e può essere ulteriormente ossidato per produrre una quantità maggiore energia. REGOLAZIONE di una via metabolica Nelle vie metaboliche gli enzimi che catalizzano le reazioni irreversibili sono potenziali siti di regolazione. Tipi di regolazione dell’attività enzimatica: Legame reversibile agli enzimi di effettori allosterici (molecole che si legano all’enzima modificando la sua affinità per il substrato). Modificazione covalente dell’enzima che può essere trasformato dalla forma attiva a quella inattiva (es. fosforilazionedefosforilazione). Regolazione trascrizionale, avviene per stimolazione della trascrizione del DNA. REGOLAZIONE della glicolisi • La glicolisi è principalmente controllata a livello della fosfofruttochinasi e parzialmente a livello dell’esochinasi e della piruvato chinasi. • La fosfofruttochinasi è l’enzima più importante per il controllo della glicolisi e catalizza la trasformazione fruttosio 6-fosfato a fruttosio 1,6-bisfosfato. • Un’elevata concentrazione di ATP inibisce l’enzima diminuendo la sua affinità per il fruttosio 6-fosfato. L’ADP e l’AMP rimuovono gli effetti inibitori dell’ATP e quindi sono considerati attivatori ⇒ la glicolisi viene stimolata quando la carica energetica diminuisce. • La fosfofruttochinasi è inibita dal citrato, il primo intermedio del ciclo dell’acido citrico ⇒ elevati livelli di citrato implicano che non sia necessario degradare altro glucosio per produrre citrato. REGOLAZIONE della glicolisi • Un importante regolatore della glicolisi è il fruttosio 2,6-bisfosfato, un isomero del fruttosio 1,6-bisfosfato che è uno degli intermedi della via metabolica. Il fruttosio 2,6-bisfosfato attiva la fosfofruttochinasi nel fegato aumentando la sua affinità per il fruttosio 6-fosfato e diminuendo gli effetti inibitori dell’ATP. REGOLAZIONE della glicolisi Esochinasi, enzima che catalizza la prima reazione della glicolisi _ inibita dal glucosio 6-fosfato che si forma quando c’è eccesso di fruttosio 6-fosfato che a sua volta aumenta i suoi livelli quando la fosfofruttochinasi è inibita. Piruvato chinasi, enzima che catalizza la terza reazione irreversibile della glicolisi _ attivata dal fruttosio 1,6bisfosfato, il prodotto della precedente reazione irreversibile, in modo da poter degradare la grande quantità di intermedi. _ inibita da ATP in modo da non produrre altre molecole energetiche quando già ve ne sono in eccesso. VIA DEL PENTOSO FOSFATO (SHUNT DELL’ESOSO MONOFOSFATO) Glucosio Via del pentoso fosfato Glucosio-6-fosfato Ribosio-5-fosfato La via del pentoso fosfato è una via alternativa di trasformazione del glucosio. I prodotti di questa via metabolica sono: NADPH e ribosio 5-fosfato, composti necessari per i processi biosintetici. Può essere suddivisa in: fase I: fase ossidativa fase II: fase non ossidativa (interconversione dei pentosi) VIA DEL PENTOSO FOSFATO Fase non ossidativa Fruttosio 6-fosfato + Gliceraldeide 3-fosfato Fase ossidativa Glucosio 6-fosfato Glucosio 6-fosfato deidrogenasi NADP+ NADPH 6-fosfogluconato 6-fosfogluconato deidrogenasi Transchetolasi Tranaldolasi CO2 Ribulosio 5-fosfato Ribulosio 5-fosfato isomerasi Ribosio 5-fosfato NADP+ NADPH VIA DEL PENTOSO FOSFATO Fase ossidativa Fase non ossidativa Il glucosio 6-fosfato viene trasformato in ribosio 5fosfato e viene generato NADPH attraverso reazioni catalizzate da deidrogenasi e isomerasi. Il ribosio 5-fosfato, attraverso una serie di reazioni di rottura e formazione di legami C-C, si trasforma in fruttosio 6-fosfato e gliceraldeide 3-fosfato. In questo modo vi è un collegamento reversibile tra la via del pentoso fosfato e la glicolisi. NADPH Ribosio 5-fosfato Il NADPH è un cofattore riducente come il NADH, ha la sua stessa struttura con un gruppo fosfato in più. Mentre il NADH viene ossidato nella catena respiratoria per generare ATP, il NADPH serve come donatore di elettroni nelle biosintesi riduttive. Il NADH opera principalmente nel mitocondrio mentre il NADPH svolge la sua funzione nel citoplasma dove avvengono le reazioni di sintesi delle molecole biologiche. viene utilizzato per la sintesi di nucleotidi e acidi nucleici essendo lo zucchero costituente lo scheletro esterno del DNA. REGOLAZIONE della via del pentoso fosfato Regolazione della fase ossidativa La velocità della via del pentoso fosfato è regolata principalmente dalla concentrazione di NADP+ La concentrazione di NADP+ influenza l’attività della glucosio 6-fosfato deidrogenasi Quando la cellula consuma NADPH la concentrazione di NADP+ aumenta aumentando la velocità della reazione della glucosio 6-fosfato deidrogenasi e quindi stimolando la nuova sintesi di NADPH. REGOLAZIONE della via del pentoso fosfato Il glucosio 6-fosfato, in base alle necessità di NADPH, ribosio 5-fosfato e ATP, va incontro a destini diversi: • se la necessità principale della cellula è la produzione di NADPH, attraverso le reazioni viste il ciclo forma di nuovo glucosio 6-fosfato e la via metabolica inizia di nuovo. • se la necessità della cellula è quella di sintetizzare DNA la maggior parte del glucosio 6-fosfato viene convertito in ribosio 5-fosfato per la sintesi dei nucleotidi precursori del DNA. • se la cellula ha bisogno di energia la cellula utilizza gli intermedi fruttosio 6-fosfato e gliceraldeide 3-fosfato, molecole che possono essere utilizzate nella glicolisi per produrre energia. VIA DEL PENTOSO FOSFATO La via del pentoso fosfato si svolge nel citoplasma delle cellule principalmente di fegato, tessuto adiposo, cervello e ghiandola mammaria In questi tessuti la formazione di NADPH è molto importante perché è qui che avvengono le biosintesi riduttive che lo utilizzano (es. sintesi di acidi grassi e colesterolo) Glucosio Via del pentoso fosfato Glicogenolisi Ribosio-5-fosfato Glucosio-6-fosfato Glicogeno Glicogenesi Glicolisi Gluconeogenesi Piruvato Amminoacidi Condizione aerobica Acetil CoA Ciclo di Krebs Condizione anaerobica Lattato GLUCONEOGENESI 9 Via metabolica di sintesi del glucosio a partire da precursori non glucidici. 9 La via gluconeogenica converte il piruvato in glucosio. 9 La gluconeogenesi si svolge principalmente nel fegato e in maniera minore nel rene. 9 La gluconeogenesi non è l’inverso della glicolisi, solo alcune delle sue reazioni sono reazioni glicolitiche che procedono all’inverso. GLUCONEOGENESI I principali precursori non saccaridici sono: 9 Lattato ⇒ si forma nel muscolo scheletrico in caso di attività intensa e prolungata 9 Amminoacidi ⇒ derivano dalle proteine introdotte con la dieta 9 Glicerolo ⇒ viene prodotto dall’idrolisi dei trigliceridi nel tessuto adiposo Glucosio GLUCONEOGENESI Glucosio 6-fosfatasi Glucosio 6-fosfato Fruttosio 6-fosfato Fruttosio 1,6-bisfosfatasi Fruttosio 1,6-bisfosfato Gliceraldeide 3-fosfato Diideossiacetone fosfato 1,3-Bisfosfoglicerato 3-Fosfoglicerato 2-Fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato Ossalacetato Amminoacidi Piruvato Fosfoenolpiruvato carbossichinasi Piruvato carbossilasi Lattato Glicerolo GLUCONEOGENESI Le reazioni differenti tra glicolisi e gluconeogenesi sono quelle che nella glicolisi avvengono in maniera irreversibile e sono fortemente esoergoniche. Tratto da: D.L. Nelson, M.M. Cox, I PRINCIPI DI BICHIMICA DI LEHNINGER 4E, Ed. Zanichellli GLUCONEOGENESI Reazioni di conversione da PIRUVATO a FOSFOENOLPIRUVATO Reazione che richiede l’impiego di energia libera, tale processo è reso possibile attraverso la formazione dell’intermedio ossalacetato. Due sono gli enzimi che partecipano a tali reazioni e sono caratteristici della sola gluconeogenesi: piruvato carbossilasi fosfoenolato carbossichinasi Tratto da: D.L. Nelson, M.M. Cox, I PRINCIPI DI BICHIMICA DI LEHNINGER 4E, Ed. Zanichellli GLUCONEOGENESI Reazioni di conversione da FOSFOENOLPIRUVATO a FRUTTOSIO 1,6-BISFOSFATO Le reazioni di questa via sono catalizzate dagli stessi enzimi della via glicolitica Fruttosio 1,6-bisfosfato Fosfoenolpiruvato Glucosio Glucosio 6-fosfatasi Glucosio 6-fosfato Fruttosio 6-fosfato Fruttosio 1,6-bisfosfatasi Fruttosio 1,6-bisfosfato Reazioni glicolitiche endoergoniche che nella gluconeogenesi sono catalizzate da enzimi diversi da quelli della glicolisi GLUCONEOGENESI La reazione complessiva della gluconeogenesi è: 2 Piruvato + 4 ATP + 2GTP + 2 NADH + 6 H2O Glucosio + 4 ADP + 2GDP + 2 NAD+ + 6 Pi + 2H+ Nella gluconeogenesi per sintetizzare una molecola di glucosio da due di piruvato vengono spesi sei legami fosfato mentre nella trasformazione da glucosio a piruvato attraverso la glicolisi sono prodotte 2 molecole di ATP. REGOLAZIONE della gluconeogenesi Le due vie opposte della glicolisi e della gluconeogenesi sono coordinate e non procedono contemporaneamente ma sono regolate in maniera reciproca. Le quantità e le attività degli enzimi che distinguono le due vie metaboliche sono controllate in modo da avere soltanto una delle due vie metaboliche attiva. REGOLAZIONE della gluconeogenesi FOSFOFRUTTOCHINASI FRUTTOSIO 1,6-BISFOSFATASI _ attivata da AMP _ inibita da AMP _ inibita da ATP e citrato _ attivata dal citrato Un alto livello di AMP indica che la carica energetica è bassa e induce alla generazione di ATP; al contrario alti livelli di ATP indicano un potenziale energetico alto. In questo caso la glicolisi è attivata e la gluconeogenesi è inibita. REGOLAZIONE della gluconeogenesi Il Fruttosio 2,6-bisfosfato, che si forma dalla fosforilazione del fruttosio 6-fosfato, regola l’attività di due enzimi delle due vie metaboliche, la sua concentrazione dipende dalle due velocità della sua sintesi e degradazione E’ un attivatore allosterico della fosfofruttochinasi (glicolisi) E’ un inibitore della fruttosio bisfosfatasi (gluconeogenesi) Durante il digiuno il livello di fruttosio 2,6-bisfosfato è basso mentre è alto nello stato alimentato poiché la sua produzione e degradazione è sotto controllo ormonale. Quindi nello stato alimentato verrà attivata la glicolisi e rallentata la gluconeogenesi.
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