Il catabolismo del glucosio Copyright © 2013 Zanichelli editore S.p.A.
Schema generale del
metabolismo del glucosio
Una panoramica della glicolisi
Conce& chiave • La glicolisi consiste nella degradazione del glucosio a
piruvato e utilizza, al contempo, l’energia rilasciata dal
processo per sintetizzare ATP a partire da ADP + Pi.
• La sequenza di 10 reazioni della glicolisi è suddivisa in
due fasi: un investimento iniziale di energia a cui fa
seguito un recupero di energia.
La glicolisi
Una panoramica della glicolisi
Punto di verifica • Cosa accade nelle due fasi della glicolisi?
• Quante molecole di ATP sono investite e quante
recuperate per ogni molecola di glucosio che entra nella
via glicolitica?
• Paragonate gli stati di ossidazione del glucosio e del
piruvato. Spiegate perché la glicolisi genera NADH. Le reazioni della glicolisi
Conce& • Le 10 tappe della glicolisi possono essere descritte in
base ai loro substrati, prodotti e meccanismi enzimatici. • Gli enzimi glicolitici catalizzano reazioni di
fosforilazione, di isomerizzazione, di scissione di legami
carbonio-carbonio e di deidratazione. • L'ATP viene consumato nelle tappe 1 e 3, ma viene
rigenerato nelle tappe 7 e 10; la resa netta è di 2
molecole di ATP prodotte per ogni molecola di glucosio. • Nella tappa 6 vengono prodotte 2 molecole di NADH
per ogni molecola di glucosio. Reazione 1: l'esochinasi utilizza
la prima molecola di ATP
Fosforilazione mediata dal Mg2+
Cambio conformazionale
indotto dal substrato
Esochinasi di lievito PDBids 1IG8 and 3B8A Reazione 2: la fosfoglucosio isomerasi
Reazione 3: la fosfofruttochinasi
utilizza la seconda molecola di ATP
Reazione 4: l'aldolasi converte il FBP
a 6 atomi di carbonio in GAP e
DHAP a 3 atomi di carbonio
Reazione 5: la trioso fosfato isomerasi
(TIM)
Fine della I fase
La prima fase della glicolisi
Reazione 6: la GAPDH forma il primo
intermedio “ad alta energia”
Reazione 7: la fosfoglicerato chinasi
(PGK) produce la prima molecola di ATP
La struttura bilobata della PGK
ricorda quella dell'esochinasi
Fosfoglicerato chinasi di lievito (PGK) PDBid 3PGK Reazione 8: la fosfoglicerato mutasi
(PGM) interconverte tra loro
il 3PG e il 2PG
Un residuo di fosfo-His si trova
nel sito attivo della PGM
Fosfoglicerato mutasi di lievito PDBid 1QHF Reazione 9: l'enolasi forma il secondo
intermedio “ad alta energia”
Scheda 15.2: Il 2,3-BPG influenza
la capacità di trasportare
l'ossigeno degli eritrociti
Scheda 15-2: il 2,3-BPG influenza
la capacità di trasportare
l'ossigeno degli eritrociti
Reazione 10: la piruvato chinasi (PK)
produce la seconda molecola di ATP
Diagramma di processo del
meccanismo di reazione della PK
Diagramma di processo del
meccanismo di reazione della PK
L'idrolisi del PEP
La seconda fase della glicolisi
Ingresso di altri esosi nella glicolisi
Il metabolismo del fruttosio
Il galattosio e il glucosio sono epimeri
Il metabolismo del galattosio
Galattosemia: la formazione di
galattitolo provoca la cataratta
Le reazioni della glicolisi
Punto di verifica • Scrivete le reazioni della glicolisi, comprensive di
formule di struttura degli intermedi e dei nomi degli
enzimi che catalizzano le diverse reazioni.
• Riassumete le tipologie dei meccanismi catalitici
coinvolti. I cofattori sono richiesti da ciascun enzima
della via glicolitica?
• Spiegate la logica chimica della conversione del
glucosio a fruttosio prima della scissione dello zucchero
in due molecole operata dall'aldolasi.
• Perché si ritiene che la trioso fosfato isomerasi sia
cataliticamente perfetta?
• In cosa differisce la fosforilazione catalizzata dalle
chinasi rispetto a quella catalizzata dalla GAPDH?
Le reazioni della glicolisi
Punto di verifica • Quali sono i composti a elevato potenziale di
trasferimento del gruppo fosforico che sono sintetizzati
durante la glicolisi? • Spiegate la logica chimica nel deidratare il 2fosfoglicerato prima del trasferimento del suo gruppo
fosforico. • Spiegate in che modo l'accoppiamento chimico delle
reazioni endoergoniche con quelle esergoniche è
utilizzato per produrre ATP durante la glicolisi.
• Quali prodotti della glicolisi sono molecole ridotte che
la cellula può ossidare per recuperare energia libera? La fermentazione: il destino anaerobico del piruvato
Conce& chiave • Il NADH, un substrato della GAPDH, deve essere
riossidato per consentire alla glicolisi di proseguire. • Nel muscolo il piruvato viene ridotto a lattato per
riossidare il NAD+. • I lieviti decarbossilano il piruvato producendo CO2 ed
etanolo in un processo che richiede TPP come
cofattore. Destino metabolico del piruvato
La fermentazione omolattica
Meccanismo d'azione dell'LDH
La fermentazione: il destino anaerobico del piruvato
Punto di verifica
•  Descrivete i tre possibili destini del piruvato.
La regolazione della glicolisi
Conce& chiave • Gli enzimi che catalizzano reazioni con grandi
variazioni negative di energia libera funzionano da punti
di controllo del flusso. • La fosfofruttochinasi, il principale punto di regolazione
della glicolisi nel muscolo, è inibita allostericamente
dall'ATP e attivata dall'AMP e dall'ADP. • Il ciclo del substrato permette alla velocità della
glicolisi di rispondere velocemente ai cambiamenti
richiesti. Variazioni di energia libera standard e
reali delle reazioni glicolitiche
Diagramma delle variazioni
di energia libera
La PFK è il principale punto di controllo
del flusso della glicolisi nel muscolo
PFK di E. coli PDBid 1PFK La PFK è regolata allostericamente
Cambiamenti allosterici nella PFK
Bacillus stearothermophilus PDBids 4PFK e 6PFK In un sistema all'equilibrio due enzimi
diversi catalizzano la reazione diretta e
quella inversa
Il ciclo del substrato regola la PFK
Il ciclo del substrato: il flusso glicolitico
è basso nel muscolo a riposo
Il ciclo del substrato: il flusso glicolitico
è elevato nel muscolo in attività
La regolazione della glicolisi
Punto di verifica • Quali enzimi glicolitici sono potenziali punti di controllo
del flusso?
• Descrivete i meccanismi che controllano l'attività della
fosfofruttochinasi.
• Perché l'ATP da solo non è un efficace regolatore
allosterico dell'attività enzimatica?
• Qual è il vantaggio metabolico del ciclo del substrato?
Qual è il suo costo?
La gluconeogenesi
Conce& chiave • Il fegato e il rene possono sintetizzare glucosio da
lattato, piruvato e amminoacidi. • La gluconeogenesi è per larga parte l'inverso della
glicolisi, in cui la reazione della piruvato chinasi è
sostituita dalle reazioni della piruvato carbossilasi e
della fosfoenolpiruvato carbossichinasi. Le reazioni
della fosfofruttochinasi e dell'esochinasi sono sostituite
da reazioni catalizzate da fosfatasi. • La glicolisi e la gluconeogenesi sono reciprocamente
regolate tramite effetti allosterici, fosforilazioni e
cambiamenti della velocità di sintesi degli enzimi. I precursori non saccaridici del glucosio
devono essere convertiti in ossalacetato
Glicolisi e gluconeogenesi a confronto
Glicolisi e gluconeogenesi a confronto
Glicolisi e gluconeogenesi a confronto
La conversione del piruvato a PEP
La reazione catalizzata dalla
piruvato carbossilasi
La reazione catalizzata dalla PEP
carbossichinasi (PEPCK)
Biotina e carbossibiotinil-enzima
Il cofattore biotina
Il gruppo prostetico del
carbossibiotinil-enzima
Il trasporto del PEP e dell'OAA
I cicli del substrato nel
metabolismo del glucosio
Il F2,6P attiva la PFK e inibisce la FBPasi
Formazione e degradazione del F2,6P
Gli eventi metabolici che collegano
una bassa [glucosio] con la
gluconeogenesi nel fegato
L'alanina e altri effettori influenzano
il flusso gluconeogenetico
La gluconeogenesi
Punto di verifica • Quali sono i substrati della gluconeogenesi? Qual è il
ruolo degli acidi grassi nella gluconeogenesi?
• Descrivete le reazioni della gluconeogenesi. Quali di
queste non sono condivise dalla glicolisi?
• Perché il sistema navetta malato-asparato è
importante per la gluconeogenesi?
• Qual è il costo energetico netto per sintetizzare una
molecola di glucosio a partire da due molecole di
piruvato?
• Quali sono i potenziali punti di controllo della
gluconeogenesi?
• Descrivete il ruolo del fruttosio-2,6-bisfosfato nel
regolare la gluconeogenesi e la glicolisi.
La via del pentosio fosfato
La G6PD produce la prima
molecola di NADPH
La 6-fosfogluconato deidrogenasi
produce la seconda molecola di NADPH
Scheda 15.4: La carenza di
glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD)
Scheda 15.4: La carenza di G6PD
Scheda 15.4: La carenza di G6PD
Scheda 15.4: La carenza di G6PD
Scheda 15.4: La carenza di G6PD
La relazione tra glicolisi e
via del pentosio fosfato
La via del pentosio fosfato
Punto di verifica • Scrivete l'equazione complessiva della via del
pentosio fosfato.
• Riassumete le reazioni di ciascuna fase della via.
• Confrontate le reazioni catalizzate dalla transchetolasi
e dalla transaldolasi in termini di substrati, prodotti,
meccanismi e richiesta di cofattori.
• In che modo cambia il flusso della via del pentosio
fosfato in risposta alla richiesta di NADH o di ribosio-5fosfato?