Bioenergetica & metabolismo (1)

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1 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

2 Vie cataboliche Esoergoniche Convergenti Ossidative Bioenergetica & metabolismo (2) Vie anaboliche Endoergoniche Divergenti Riduttive 2

3 Bioenergetica & metabolismo (3) Cibo O 2 studiare biochimica saltare di gioia per aver superato l esame disperarsi per non aver superato l esame 3

4 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 glucosio-6-p G o =+4 kcal/mol (endoergonica) ATP ADP + P i G o =-7 kcal/mol (esoergonica) glucosio + ATP glucosio-6-p + ADP G o =-3 kcal/mol (esorgonica) 4

5 Vie cataboliche Grassi Acidi Grassi e Glicerolo Polisaccaridi Zuccheri Semplici Glucosio Proteine Ammino Acidi Stadio I: scissione delle molecole complesse nelle loro unità costitutive Glicolisi Piruvato Acetil CoA Ciclo Krebs CoA 2 CO 2 8 H (NADH & FADH 2 ) Fosforilazione ossidativa ATP NADH O 2 H 2 O Citosol Mitocondri Stadio II: conversione delle unità costitutive in acetil CoA con produzione limitata di ATP e NADH Stadio III: completa ossidazione dell acetil CoA a CO 2 e H 2 O con alta produzione di NADH (matrice mitocondriale) e ATP (fosforilazione ossidativa nella MMI) ATP 5

6 Glicolisi e vie di utilizzazione del glucosio 6

7 Strategia della glicolisi deidrogenasi 7

8 Prima fase della Glicolisi ΔG (kj/mole) Fosforilazione Mg ,7 Isomerizzazione Fosforilazione (PFK-1) Mg 2+ -1,7 Mg ,2 Scissione 23,8 Isomerizzazione 8

9 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 H 2 O di entrare nel sito catalitico (meccanismo comune a tutte le chinasi) 9

10 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

11 Seconda fase della Glicolisi Produzione di un composto ad alta energia ΔG (kj/mole) 6,3 Fosforilazione a livello del substrato Mg ,5 Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi Riordinamento Mg 2+ 4,4 Produzione di un composto ad alta energia Fosforilazione a livello del substrato Mg 2+ K + 7,5-31,4 Tautomeria cheto-enolica 11

12 Bilancio energetico della glicolisi 12

13 Destino del piruvato 2 ATP Resa anaerobica di ATP % O 2 6 ATP (vino, birra) O 2 30 ATP (crauti, yogurt) 13

14 Il ruolo delle fermentazioni nella glicolisi 14

15 Fermentazione lattica Lattico deidrogenasi Lattato ΔG = 25,1kJ/mole 15

16 Il meccanismo d azione della fosfo esoso isomerasi H

17 Il meccanismo d azione della aldolasi I

18 Il meccanismo d azione della gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi

19 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 O 2 sotto forma di MbO 2 19

20 Ciclo di Cori (2) 20

21 Fermentazione alcolica (1) 21

22 Fermentazione alcolica (2) Meccanismo comune a tutte le decarbossilasi Tiamina (vit.b 1 ) In carenza beriberi 22

23 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

24 Ingresso dei polisaccaridi e altri zuccheri nella via glicolitica (1) 24

25 Ingresso del glicogeno nella via glicolitica 25

26 La degradazione del glicogeno & amido inizia con una fosforolisi Piridossal fosfato è il cofattore della glicogeno fosforilasi che agisce come catalizzatore acido generale Glucosio 6-fosfato Fosfoglucomutasi Glicolisi 26

27 Deramificazione del glicogeno (e amido) Glucosio 6-fosfato Fosfoglucomutasi Glicolisi Glicolisi 27

28 Fosfoglucomutasi Enzima che permette l ingresso del glicogeno nella glicolisi 28

29 Idrolisi del glucosio 6-fosfato da parte della glucosio 6- fosfatasi dell ER

30 Ingresso di altri zuccheri nella via glicolitica Maltosio maltasi Fegato 30

31 Ingresso del galattosio nella glicolisi Se carente si accumula galattosio e galattosio-1- fosfato 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

32 Biosintesi del lattosio: un esempio di controllo ormonale sulla specificità di un enzima Parto Adenoipofisi Pro-lattina a-lattalbumina 32

33 Via del pentosio fosfato Glucuronato Acido ascorbico 33

34 Via del pentosio fosfato isomerasi Ribulosio 5P epimerasi Regolatore chiave del metabolismo dei carboidrati e acidi grassi 34

35 La prima reazione catalizzata dalla transchetolasi

36 La reazione catalizzata dalla transaldolasi La seconda reazione catalizzata dalla transchetolasi

37 Intermedi carbanionici stabilizzati dalle interazioni covalenti con la transaldolasi e la transchetolasi

38 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

39 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

40 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

41 Metabolismo del 2,3 DPG 1,3 difosfoglicerato mutasi 2,3 difosfoglicerato fosfatasi Glicolisi & trasporto di O 2 nel GR carenza di EX normale carenza di PK 41

42 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

43 Biosintesi dei carboidrati (1) 43

44 Cervello umano (120g/d) Sistema nervoso Midollare del rene Testicoli, eritrociti Biosintesi dei carboidrati (2) 4,4 5 mm Fegato e Corticale del rene Propionato Rumine 44

45 Gluconeogenesi (1) 3 a deviazione Reazioni irreversibili della glicolisi percorse con vie alternative nella gluconeogenesi 2 a deviazione G 1 a deviazione 45

46 1 a deviazione: sintesi del fosfoenolpiruvato (1) 46

47 1 a deviazione: sintesi del fosfoenolpiruvato (2) 47

48 1 a deviazione: sintesi del fosfoenolpiruvato (3) Vie alternative di alimentazione della gluconeogenesi Il diverso percorso dipende dalla disponibilità di NADH citosolico Eritrociti Muscolo (prolungata attività) Muscolo (intensa attività) Alanina Alanina transaminasi a-chetoglutarato Glutammato 48

49 2 a deviazione: fruttosio 1,6 bifosfatasi (FBPase-1) ΔG =-16,3 kj/mole Fruttosio 6 -fosfato fruttosio 1,6 bifosfatasi (FBPase-1) Mg 2+ H 2 O P Fruttosio 1,6 -bifosfato P 49

50 3 a deviazione: glucosio 6-fosfatasi ΔG =-13,8 kj/mole Glucosio Reni Fegato Glucosio 6-fosfatasi (G6Pase) Mg 2+ H 2 O P Glucosio 6-fosfato P 50

51 Bilancio energetico della gluconeogenesi 3 a deviazione 2 a deviazione Glicolisi +2 ATP +2 NADH -6 ATP -2 NADH Gluconeogenesi 1 a deviazione 51

52 Gli intermedi del ciclo dell acido citrico e molti amminoacidi sono glucogenici Gli amminoacidi glucogenici raggruppati per sito d ingresso La gluconeogenesi e la glicolisi sono regolate in modo reciproco Piruvato Alanina Cisteina Glicina Serina Triptofano* a-chetoglutarato Arginina Glutammato Glutammina Istidina Prolina Succinil-CoA Isoleucina* Metionina Treonina Valina Fumarato Fenilalanina* Tirosina* Ossalacetato Asparagina 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.

53 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

54 Biosintesi del glicogeno (2) 54

55 Biosintesi del glicogeno (3) almeno 11 residui 6-7 residui 55

56 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

57 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

58 Regolazione coordinata glicolisi-gluconeogenesi (1) Tessuti che sintetizzano glucosio Tessuti che usano glucosio come fonte di energia primaria 58

59 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

60 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] Esochinasi Glucochinasi Muscolo SI NO Fegato NO (poco) SI Km Glucosio 0,1mM 10 mm Inib. da prodotto SI NO 60

61 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

62 Regolazione dell omeostasi del glucosio (3) Muscolo in attività ATP Muscolo a riposo 62

63 Regolazione della secrezione di insulina prodotta dalle cellule b del pancreas in base alla concentrazione di glucosio nel sangue 63

64 Regolazione coordinata glicolisi-gluconeogenesi 2 punto di controllo 64

65 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

66 Regolazione coordinata FPK-1 e FBPasi-1 66

67 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 FPK-1 ADP + Fruttosio 1,6-bisfosfato Fruttosio 1,6-bisfosfato + H 2 O FBPasi-1 Fruttosio 6-fosfato + Pi ATP + H 2 O 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

68 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

69 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

70 Xilulosio 5-fosfato: un regolatore chiave del metabolismo dei carboidrati e grassi Pasto ricco in zuccheri Glucosio 6-fosfato Fegato via ossidativa e non ossidativa del pentosio fosfato Xilulosio 5-fosfato NADPH Biosintesi Acidi grassi Acetil-CoA OH Glucagone P 70

71 Regolazione coordinata glicolisi-gluconeogenesi 3 punto di controllo 71

72 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

73 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

74 Regolazione covalente della glicogeno fosforilasi nel muscolo Siti glicogeno 74

75 Regolazione ormonale della glicogeno fosforilasi nel muscolo e fegato Amplificazione a cascata 75

76 Regolazione allosterica della glicogeno fosforilasi nel muscolo Siti AMP Forma T Effettore allosterico positivo 2AMP 2AMP Forma R Siti glicogeno 76

77 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

78 Regolazione covalente, allosterica e ormonale della glicogeno sintasi Anche la glicogeno sintasi è regolata mediante fosforilazione e defosforilazione (Tirosina Chinasi) Glicogeno Sintasi Kinasi 3 ADP CKII ATP IRS-1=Substato 1 del recettore PI-3K=Fosfatidilinositolo 3-chinasi PIP 2 =Fosfatidilinositolo 4,5-bisfosfato PIP 3 =Fosfatidilinositolo 3,4,5-trifosfato PDK-1=Proteina chinasi PKB=Proteina chinasi B Fosfoproteina fosfatasi (fegato) Fosfoproteina fosforilasi 1 (muscolo) (o glucagone) 78

79 Priming della fosforilazione della glicogeno sintasi da parte di GSK3

80 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

81 Coordinamento dei segnali allosterici e ormonali nel metabolismo dei carboidrati nel fegato ADP CKII ATP Glicogeno 81

82 Coordinamento dei segnali allosterici e ormonali nel metabolismo dei carboidrati nel muscolo ADP CKII ATP ATP 82

83 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 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 Nel muscolo 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