Bioenergetica & metabolismo (1)
Tutte le vie metaboliche
sono interconnesse
(come le linee di una
grande metropolitana)
La maggior parte degli
organismi viventi hanno vie
metaboliche molto simili
1
Bioenergetica & metabolismo (2)
Vie cataboliche
•Esoergoniche
•Convergenti
•Ossidative
Vie anaboliche
•Endoergoniche
•Divergenti
•Riduttive
2
Bioenergetica & metabolismo (3)
Cibo
studiare
biochimica
O2
saltare di gioia per
aver superato
l’esame
disperarsi per non aver
superato l’esame
3
Bioenergetica & metabolismo (4)
La maggior parte dell’energia libera dei “combustibili metabolici” viene
convertita in energia chimica (ATP) attraverso due vie:
1) Fosforilazione ossidativa
2) Reazioni accoppiate
In condizioni anaerobiche questa seconda via è la sola praticabile
glucosio + Pi
ATP
glucosio + ATP
glucosio-6-P
Go’=+4 kcal/mol
(endoergonica)
ADP + Pi
Go’=-7 kcal/mol
(esoergonica)
glucosio-6-P + ADP
Go’=-3 kcal/mol
(esorgonica)
4
Vie cataboliche
Grassi
Polisaccaridi
Proteine
Acidi Grassi Zuccheri Semplici Ammino Acidi
e Glicerolo
Glucosio
Glicolisi
ATP
Citosol
NADH
Piruvato
Stadio I: scissione delle molecole complesse
nelle loro unità costitutive
Stadio II: conversione delle unità costitutive
in acetil CoA con produzione
limitata di ATP e NADH
Acetil CoA
CoA
Ciclo
Krebs
Mitocondri
2 CO2
8 H (NADH & FADH2)
O2
Fosforilazione
H2O
ossidativa
ATP
Stadio III: completa ossidazione dell’acetil
CoA a CO2 e H2O con alta
produzione di NADH (matrice
mitocondriale) e ATP (fosforilazione
ossidativa nella MMI)
5
Glicolisi e vie di utilizzazione del glucosio
6
Strategia della glicolisi
deidrogenasi
7
Prima fase della Glicolisi
ΔG’° (kJ/mole)
Fosforilazione
Isomerizzazione
Mg2+
Mg2+
Fosforilazione
(PFK-1)
Scissione
Mg2+
-16,7
-1,7
-14,2
23,8
Isomerizzazione
8
 Esochinasi
Esochinasi : un esempio di adattamento indotto
Per evitare che l’esochinasi catalizzi l’idrolisi
dell’ATP (attività ATP idrolasica) l’enzima, in
presenza di glucosio, subisce una variazione
conformazionale che impedisce all’H2O di
entrare nel sito catalitico
(meccanismo comune a tutte le chinasi)
9
Triosio fosfato isomerasi
96%
4%
7,5 kJ/mole
Per il principio di Le Chatelier
l’equilibrio è spostato tutto
verso la gliceraldeide 3-fosfato
perché utilizzata nella seconda
fase della glicolisi
10
Seconda fase della Glicolisi
ΔG’° (kJ/mole)
Produzione di un
composto “ad alta
energia”
6,3
Fosforilazione a
livello del substrato
Mg2+
Riordinamento
Mg2+
-18,5
4,4
Produzione di un
composto “ad alta
energia”
7,5
-31,4
Fosforilazione a
livello del substrato
Gliceraldeide
3-fosfato
deidrogenasi
Mg2+
K+
Tautomeria
cheto-enolica
11
Bilancio energetico della glicolisi
12
Destino del piruvato
2 ATP
Resa anaerobica di ATP 
2
 100  5%
38
O2
6 ATP
(vino, birra)
O2
30 ATP
(crauti, yogurt)
13
Il ruolo delle fermentazioni nella glicolisi
14
Fermentazione lattica
Lattato
Lattico deidrogenasi
ΔG’°= –25,1kJ/mole
15
Il meccanismo d’azione della fosfo esoso isomerasi
H
Il meccanismo d’azione della aldolasi I
Il meccanismo d’azione della gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi
Ciclo di Cori (1)
Muscolo
scheletrico
Bianco: sforzi intensi ma brevi
(Glicolisi)
Ali tacchino, alligatori, grossi
mammiferi, mammiferi marini*,
celacantide, dinosauri?
Rosso: sforzi lenti ma prolungati
(Fosforilativa ossidativa)
Uccelli migratori, piccoli vertebrati,
cavallo
*I grandi mammiferi marini e i rettili
anfibi possono restare immersi per
lunghi periodi perché oltre ad
utilizzare il glicogeno tramite la
glicolisi anaerobica, sono in grado
di immagazzinare una buona
quantità di O2 sotto forma di MbO2
19
Ciclo di Cori (2)
20
Fermentazione alcolica (1)
21
Fermentazione alcolica (2)
Meccanismo comune a
tutte le decarbossilasi
Tiamina (vit.B1)
In carenza
“beriberi”
22
Fermentazioni & biotecnologie
Le fermentazioni dei microbi
generano molti prodotti di
interesse industriale
• vino, birra
• yogurt, formaggi
• acido formico, acetico
propionico, succinico,
• metanolo, isopropanolo,
butanolo
• glicerolo
23
Ingresso dei polisaccaridi e altri zuccheri nella via glicolitica (1)
24
Ingresso del glicogeno nella via glicolitica
25
La degradazione del glicogeno & amido inizia con una fosforolisi
Piridossal fosfato è il cofattore
della glicogeno fosforilasi che
agisce come catalizzatore
acido generale
Fosfoglucomutasi
Glucosio 6-fosfato
Glicolisi
26
Deramificazione del glicogeno (e amido)
Fosfoglucomutasi
Glucosio 6-fosfato
Glicolisi
Glicolisi
27
Fosfoglucomutasi
Enzima che permette
l’ingresso del glicogeno nella
glicolisi
28
Idrolisi del glucosio 6-fosfato da parte della glucosio 6fosfatasi dell’ER
Ingresso di altri zuccheri nella via glicolitica
Maltosio
maltasi
Fegato
30
Ingresso del galattosio nella glicolisi
Se carente si accumula
galattosio e galattosio-1fosfato nel sangue e nei
tessuti causando
ingrossamento del
fegato, diminuzione della
vista e ritardo mentale
(Galattosemia, da non
confondere con
l’intolleranza al lattosio
dovuto alla mancanza di
b-galattosidasi
Biosintesi
del
Lattosio
31
Biosintesi del lattosio: un esempio di controllo ormonale
sulla specificità di un enzima
Parto
Adenoipofisi
Pro-lattina
a-Lattalbumina
32
Via del pentosio fosfato
Glucuronato
Acido ascorbico
33
Via del pentosio fosfato
isomerasi
Ribulosio 5P
epimerasi
Regolatore chiave
del metabolismo
dei carboidrati
e acidi grassi
34
La prima reazione catalizzata dalla transchetolasi
La reazione catalizzata dalla transaldolasi
La seconda reazione catalizzata dalla transchetolasi
Intermedi carbanionici stabilizzati dalle interazioni covalenti con la
transaldolasi e la transchetolasi
Le reazioni ossidative della via del pentosio fosfato
La carenza di G6PD
causa il “Favismo”
(lisi eritrociti, itterizia,
insufficienza renale)
ma protegge dalla malaria
(presente nella fave)
38
Favismo: un altro esempio di adattamento metabolico
Il plasmodio della malaria (Plasmodium falciparum), è molto sensibile ai danni ossidativi e
viene ucciso a un livello di stress ossidativo tollerabile dall’eritrocita umano con un deficit di
Glucosio 6-fosfato deidrogenasi
39
Regolazione della via del pentosio fosfato
L’ingresso del glucosio 6-fosfato nella glicolisi o nella via del pentosio fosfato dipende dalle
esigenze al momento della cellula e dalle concentrazioni di NADPH+ nel citosol
40
Metabolismo del 2,3 DPG
1,3 difosfoglicerato
mutasi
2,3 difosfoglicerato
fosfatasi
Glicolisi & trasporto di O2 nel GR
carenza di EX
normale
carenza di PK
41
Principi generali delle vie biosintetiche
 La biosintesi di una molecola biologica non utilizza la stessa via della sua degradazione;
Vi è almeno un passaggio enzimatico diverso.
 Ogni punto di deviazione è di solito finemente regolato ai fini della massima
economia cellulare
 I processi biosintetici sono sempre accompagnati da un consumo di energia chimica
superiore all’energia prodotta dalla corrispondente via catabolica
42
Biosintesi dei carboidrati (1)
43
Biosintesi dei carboidrati (2)
Cervello umano (120g/d)
Sistema nervoso
Midollare del rene
Testicoli, eritrociti
Fegato e
Corticale
del rene
4,4÷5 mM
Propionato
Rumine
44
Gluconeogenesi (1)
Reazioni irreversibili
della glicolisi percorse
con vie alternative nella
gluconeogenesi
3a deviazione
2a deviazione
G
1a deviazione
45
1a deviazione: sintesi del fosfoenolpiruvato (1)
46
1a deviazione: sintesi del fosfoenolpiruvato (2)
47
1a deviazione: sintesi del fosfoenolpiruvato (3)
Vie alternative di alimentazione
della gluconeogenesi
Il diverso percorso dipende
dalla disponibilità di
NADH citosolico
Eritrociti
Muscolo
Muscolo
(prolungata attività)
(intensa attività)
Alanina
Alanina transaminasi
a-chetoglutarato
Glutammato
48
2a deviazione: fruttosio 1,6 bifosfatasi (FBPase-1)
ΔG°’=-16,3 kJ/mole
Fruttosio 6 -fosfato
fruttosio 1,6 bifosfatasi
(FBPase-1) Mg2+
H2O
P
P
Fruttosio 1,6 -bifosfato
49
3a deviazione: glucosio 6-fosfatasi
Glucosio
ΔG°’=-13,8 kJ/mole
Glucosio 6-fosfatasi
(G6Pase) Mg2+
Reni
P
H2O
P
Glucosio 6-fosfato
Fegato
50
Bilancio energetico della gluconeogenesi
3a deviazione
2a deviazione
Glicolisi
-6 ATP
-2 NADH
+2 ATP
+2 NADH
Gluconeogenesi
1a deviazione
51
Gli intermedi del ciclo dell’acido citrico e molti
amminoacidi sono glucogenici
Gli amminoacidi glucogenici
raggruppati per sito
d’ingresso
Piruvato
Succinil-CoA
Alanina
Isoleucina*
Cisteina
Metionina
Glicina
Treonina
Serina
Valina
Triptofano*
La gluconeogenesi e la
glicolisi sono regolate in
modo reciproco
a-chetoglutarato
Fumarato
Arginina
Fenilalanina*
Glutammato
Tirosina*
Glutammina
Ossalacetato
Istidina
Asparagina
Prolina
Aspartato
Tutti questi amminoacidi possono essere precursori del glucosio nel sangue o del glicogeno nel fegato, in quanto
possono essere convertiti in piruvato o in intermedi del ciclo dell’acido citrico. Soltanto la leucina e la lisina sono
completamente incapaci di fornire atomi di carbonio alla sintesi di glucosio.
*Questi amminoacidi sono detti chetogenici.
Biosintesi del glicogeno (1)
La polimerizzazione delle unità di glucosio presenti nei polisaccaridi quali glicogeno e amido
non avviene per semplice aggiunta dello zucchero eventualmente fosforilato alla catena
Lo zucchero per polimerizzare deve
essere legato ad un nucleotide
difosfato
(“zucchero attivato”)
UDP-glucosio  Glicogeno
ADP-glucosio Amido
ADP-glucosio Glicogeno nei batteri
53
Biosintesi del glicogeno (2)
54
Biosintesi del glicogeno (3)
almeno 11 residui
6-7 residui
55
Biosintesi del glicogeno (4)
Per iniziare la formazione del glicogeno
occorre la Glicogenina, una proteina che
funge sia da iniziatore della catena sia da
catalizzatore (attività glicosiltrasferasica)
per unire i primi 7 residui di glucosio
trasportati dall’UDP e formare il primer
56
Regolazione del metabolismo
L’organismo in attività si trova sempre in uno stato stazionario lontano dall’equilibrio
termodinamico (omeostasi). Se una perturbazione altera una delle due velocità il sistema
viene riportato nello stato stazionario mediante il cambiamento dell’attività degli enzimi
Degradazione
(catabolismo)
Biosintesi
(anabolismo)
turnover
turnover
57
Regolazione coordinata glicolisi-gluconeogenesi (1)
Tessuti che sintetizzano glucosio
Tessuti che usano glucosio come
fonte di energia primaria
58
Regolazione coordinata glicolisi-gluconeogenesi (2)
1° punto di controllo
La concentrazione del
glucosio nel sangue è
mantenuta costante alla
concentrazione di 5mM
(omeostasi ) da:
Enzimi
Esochinasi I,II,III,IV
Glucosio 6.fosfatasi
Trasportatori del glucosio
GLUT1,2,3,4
Insulina
59
Regolazione dell’omeostasi del glucosio (1)
Esistono quattro forme enzimatiche (isoenzimi) di esochinasi con due funzioni diverse
Esochinasi I, II, III (la II è la più abbondante, chiamata comunemente Esochinasi)
•Funzione prevalente: utilizzazione di glucosio come fonte di energia nella glicolisi
Esochinasi IV (chiamata comunemente Glucochinasi)
•Funzione prevalente: dirottare l’eccesso di glucosio verso la gluconeogenesi
[Glucosio ematico]
Muscolo
Fegato
Km Glucosio
Inib. da prodotto
Esochinasi
Glucochinasi
SI
NO
NO (poco)
SI
0,1mM
10 mM
SI
NO
60
Regolazione dell’omeostasi del glucosio (2)
Tutti i tessuti

ATP
Fegato
Glicogeno e
Acidi grassi
Proteina nucleare
che regola la
quantità di
esochinasi IV
in relazione alla
presenza di
glucosio 61
Regolazione dell’omeostasi del glucosio (3)
Muscolo
in attività
ATP
Muscolo
a riposo
62
Regolazione della secrezione di insulina prodotta dalle cellule b del
pancreas in base alla concentrazione di glucosio nel sangue
63
Regolazione coordinata glicolisi-gluconeogenesi
2° punto di controllo
64
Regolazione FPK-1: enzima chiave della glicolisi
L’attività della FPK-1
è modulata da una
complicata
regolazione
allosterica
Segnala che le
necessità
energetiche sono
soddisfatte dal
catabolismo di
lipidi e proteine
Il più importante ed
efficace regolatore
allosterico della
FPK-1 e dalla
FBPasi-1
65
Regolazione coordinata FPK-1 e FBPasi-1
66
Cicli futili nel metabolismo dei carboidrati
Se le reazioni di controllo della glicolisi e della gluconeogenesi avvenissero simultaneamente
e alla stessa velocità elevata, si avrebbe un notevole consumo di ATP con formazione di calore
(G° di idrolisi dell’ATP)
Esempio di ciclo futile
ATP + Fruttosio 6-fosfato
Fruttosio 1,6-bisfosfato + H2O
ATP
+ H2O
FPK-1
FBPasi-1
ADP + Fruttosio 1,6-bisfosfato
Fruttosio 6-fosfato + Pi
ADP + Pi
G°’= -7,3 Kcal/mol
In condizioni normali i cicli futili non avvengono perché impediti dai meccanismi di regolazione
reciproca visti precedentemente. In alcuni casi i cicli futili sono “utili” come nel caso dei
muscoli alari dei calabroni dove la FFK-1 non è inibita da un eccesso di ATP. Ne consegue
che sia la FPK-1 che la FBPasi sono molto attive simultaneamente e il calore che si genera
dall’idrolisi dell’ATP serve a mantenere la temperatura a 30°C necessaria per permettere ai
calabroni di volare a temperature relativamente basse (~10°C)
67
Regolazione dei livelli di fruttosio 2,6-bisfosfato nel fegato
La concentrazione epatica del modulatore allosterico è determinata dalla velocità della sua
sintesi da parte della fosfofruttochinasi-2 (PFK-2) e dalla velocità della sua degradazione
da parte della fruttosio 2,6 bisfosfatasi-2 (FBPasi-2).
Questi due enzimi fanno parte di un’unica catena polipeptidica e sono entrambi regolati in
modo complementare e coordinato dall’insulina e dal glucagone
OH
[Glucosio]
Glucagone
P
Tessuti
Sangue
[Glucosio]
68
Regolazione dei livelli di fruttosio 2,6-bisfosfato nel muscolo
Nel muscolo i processi si invertono: l’adrenalina attiva la PFK-2 e inibisce la FBPase-2 con
conseguente aumento della glicolisi e produzione di ATP
La forma isoenzimatica muscolare del complesso PFK-2/FBPase-2 ha una regolazione
covalente opposta a quella del fegato
OH
Stress, fuga
Adrenalina
P
ATP
69
Xilulosio 5-fosfato: un regolatore chiave del metabolismo dei
carboidrati e grassi
Pasto ricco in zuccheri
Fegato
Glucosio 6-fosfato
via ossidativa e
non ossidativa
del pentosio fosfato
NADPH
Biosintesi
Acidi grassi
Acetil-CoA
Xilulosio 5-fosfato
OH
Glucagone
P
70
Regolazione coordinata glicolisi-gluconeogenesi
3° punto di controllo
71
Regolazione della piruvato chinasi (PK)
[Glucosio]
cAMP
Proteina chinasi A
In questo modo, quando la
concentrazione ematica è bassa,
il fegato non consuma glucosio
nella glicolisi e lo dirotta, tramite il
sangue, ai tessuti
L= liver
M=Muscle
72
Due destini alternativi del piruvato
L’aumento di di
Acetil-CoA, in
seguito alla
degradazione
dei grassi e/o
delle proteine,
rallenta la
glicolisi e
accelera la
produzione di
glicogeno
attraverso la
gluconeogenesi
73
Regolazione covalente della glicogeno fosforilasi nel muscolo
Siti glicogeno
74
Regolazione ormonale della glicogeno fosforilasi nel muscolo e fegato
Amplificazione
a cascata
75
Regolazione allosterica della glicogeno fosforilasi nel muscolo
Siti AMP
Forma T
Effettore allosterico
positivo
2AMP
2AMP
Forma R
Siti glicogeno
76
Regolazione allosterica della glicogeno fosforilasi nel fegato
Il legame del glucosio ad un sito allosterico dell’enzima induce una modificazione
conformazionale che espone il residuo di serina fosforilato all’azione della PP1
con conseguente diminuzione dell’attività enzimatica
Effettore allosterico
negativo
77
Regolazione covalente, allosterica e ormonale della glicogeno sintasi
Anche la glicogeno sintasi è regolata mediante
fosforilazione e defosforilazione
ADP
Glicogeno
Sintasi Kinasi 3
Fosfoproteina fosfatasi
(fegato)
Fosfoproteina fosforilasi 1
(muscolo)
CKII
ATP
(Tirosina Chinasi)
IRS-1=Substato 1 del recettore
PI-3K=Fosfatidilinositolo
3-chinasi
PIP2=Fosfatidilinositolo
4,5-bisfosfato
PIP3=Fosfatidilinositolo
3,4,5-trifosfato
PDK-1=Proteina chinasi
PKB=Proteina chinasi B
(o glucagone)
78
Priming della fosforilazione della glicogeno sintasi da parte di GSK3
Regolazione coordinata della glicogeno sintasi e glicogeno fosforilasi
ADP
Glicogeno
Sintasi Kinasi 3
CKII
ATP
La fosfoproteina fosfatasi (PP1) chiamata anche fosforilasi a fosfatasi ha un
ruolo centrale nel metabolismo del glicogeno
80
Coordinamento dei segnali allosterici e ormonali nel metabolismo dei
carboidrati nel fegato
ADP
CKII ATP
Glicogeno
81
Coordinamento dei segnali allosterici e ormonali nel metabolismo dei
carboidrati nel muscolo
ADP
CKII ATP
ATP





82
Differenze degli ormoni iperglicemizzanti nel metabolismo dei
carboidrati nel fegato e nel muscolo
IL muscolo utilizza le sue riserve di glicogeno per le proprie necessità.
Durante un’intensa attività muscolare l’ATP è fornito dalla glicolisi
Nel fegato
Nel muscolo
il glucagone (che
segnala una ridotta
concentrazione di
glucosio ematico)
o l’adrenalina
(che segnala una
condizione di stress,
combattimento o fuga)
hanno l’effetto di
favorire il trasferimento
del glucosio al sangue
l’adrenalina aumenta sia
la demolizione del
glicogeno che la glicolisi
per fornire ATP per la
contrazione
Nel muscolo la gluconeogenesi non è attiva
perché occorre molto
ATP (6 mol/Glucosio);
viene fatta al fegato nella
fase di recupero
energetico
83