Modulo 13 La glicolisi

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1 1 Modulo 13 La glicolisi

2 La glicolisi: via metabolica centrale del catabolismo del glucosio Via metabolica antica avviene interamente nel citoplasma delle cellule. onverte il glucosio in piruvato, producendo ATP e NAD. Il piruvato prodotto dalla glicolisi può avere diversi destini. Funzione: fornire energia e precursori per le biosintesi. Il processo è anaerobico. Può rappresentare la parte iniziale di un processo ossidativo successivo. onsiste di 10 reazioni sequenziali, suddivise in: Fase preparatoria: il glucosio è convertito in due molecole di trioso-p (fase di investimento - ATP) Fase di recupero energetico: vengono prodotte molecole di piruvato + 4 ATP

3 onversione del glucosio a Fruttosio-6-P 1) La esochinasi conversione il glucosio a a glucosio-6- fosfato (Il fegato contiene anche una esochinasi diversa chiamata glucochinasi). Glucosio + ATP Glucosio-6-P + ADP La reazione richiede Mg + che si coordina con i due carichi del gruppo P terminale dell ATP. Il Glucosio-6P non può più essere trasportato fuori dalla cellula Glucosio glucose 6 P 3 ATP ADP Mg + exokinase Esochinasi 3 Glucosio-6-fosfato glucose-6-phosphate ΔG = -16,7 kj mol -1 ) Isomerizzazione del G-6-P a F-6-P onverte un aldoso in chetoso. 6 P P Phosphoglucose Fosfoglucosio isomerasi Isomerase glucose-6-phosphate Glucosio-6-fosfato fructose-6-phosphate fruttosio-6-fosfato ΔG = 1,7 kj mol -1 3

4 Fosforilazione del F-6-P a fruttosio-1,6-bp Phosphofructokinase Fosfofruttochinasi 6 P P 3 ATP ADP 5 1 P 3 ΔG = -14, kj mol fruttosio-6-fosfato fructose-6-phosphate Mg fructose-1,6-bisphosphate fruttosio-1,6-bisfosfato 3. Fosfofruttochinasi 1 (PFK-1): fruttosio-6-p + ATP fruttosio-1,6-bisfosfato + ADP La fosfofruttochinasi è un enzima allosterico (tetramero di 340 kda), sottoposto a regolazione che condiziona tutto il flusso della via metabolica. 4

5 Scissione del fruttosio-1,6-bp in gliceraldeide 3P 4. Aldolasi (fruttosio-1,6-bisfosfato aldolasi) fruttosio-1,6-bisfosfato diidrossiacetone-p + gliceraldeide-3-p 5-1 P P 3 fruttosio-1,6- bisfosfato - 3 P 3 1 Diidrossiacetone - 3-fosfato 5. Trioso fosfato isomerasi (TPI) Diidrossiacetone-3-P 4. Aldolasi P 3 gliceraldeide-3- fosfato gliceraldeide-3-p La rimozione della gliceraldeide-3-p spinge la conversione del diidrossiacetone-3-p verso l isomero aldeidico, La reazione è una scissione aldolica, facilmente reversibile in una condensazione aldolica (reazione inversa). ΔG = 3,8 kj mol-1-3 P 3 1 Diidrossiacetone - 3-fosfato 1-3 P 3 gliceraldeide-3- fosfato ΔG = 7,5 kj mol-1

6 6 ssidazione della gliceraldeide-3-p a acido 1,3 bisfosfoglicerico 6. Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (GAPD): unica tappa ossidativa della glicolisi, in cui NAD + è ridotto a NAD + (+ +) + + P 3 1 NAD + NAD 1 + P i 3 P 3 3 P 3 Glyceraldehyde-3-phosphate 6. G3PD Dehydrogenase glyceraldehyde- gliceraldeide-3-3-phosphate fosfato 1,3-bisphospho- bisfosfoglicerato glycerate ΔG = 6,5 kj mol-1 gliceraldeide-3-p + NAD + + P i 1,3-bisfosfoglicerato + NAD + + La reazione esoergonica dell ossidazione di una aldeide ad acido carbossilico viene conservata e porta alla formazione di gruppo acilfosfato (anidride mista) con un elevato potenziale di trasferimento del gruppo fosforico. L acil fosfato ha una energia libera di idrolisi elevata ΔG = -49,3 kj /mol.

7 La reazione catalizzata dalla gliceraldeide-3p deidrogenasi (GADP) La reazione potrebbe essere considerata come la somma di due reazioni consecutive non accoppiate : i) l ossidazione dell aldeide ad acido carbossilico, mediata da NAD+, ii) unione dell ortofosfato all acido carbossilico per dare acil-fosfato. aso ipotetico aso effettivo 1 + P 3 3 gliceraldeide-3-p NAD P fosfoglicerato P i ossidazione In realtà l ossidazione non avviene in modo diretto: le due reazioni sono accoppiate attraverso un intermedio tioestere: ha una energia libera più elevata dell acido carbossilico libero 1 + NAD P 3 3-fosfoglicerato 1 P 3 P 3 3 1,3-bisfosfoglicerato 7

8 Meccanismo catalitico della GAPD Struttura della GAPD : il sito attivo include una is ed una ys adiacenti ad una molecola di NAD + 8 L energia rilasciata dall ossidazione del carbonio viene conservata in elevato potenziale di trasferimento del gruppo fosforico.

9 Trasferimento del gruppo P all ADP ed isomerizzazione del 3-fosfoglicerato 7. fosfoglicerato chinasi: 1,3-bisfosfoglicerato + ADP Il potenziale di trasferimento del 1,3 bisfosfoglicerato è superiore a quello dell ATP. Esempio di fosforilazione a livello di substrato. 3-fosfoglicerato + ATP Phosphoglycerate Kinase ADP ATP 1 1 Mg + 3 P 3 3 P 3 P 3 1,3-bisphospho- 1,3-bisfosfoglicerato glycerate 3-phosphoglycerate 3-fosfoglicerato ΔG = -18,5 kj mol-1 8. fosfoglicerato mutasi: 3-fosfoglicerato -fosfoglicerato Reazione di riordinamento molecolare. Il fosfato viene spostato dall ossidrile sul 3 all ossidrile in. Phosphoglycerate Mutase 1 3 P P 3 3-phosphoglycerate 3-fosfoglicerato -phosphoglycerate -fosfoglicerato 9

10 Formazione del fosfoenolpiruvato e trasferimento del gruppo fosforico all ADP 9. Enolasi: -fosfoglicerato fosfoenolpiruvato + La deidratazione introduce un doppio legame (enolo). Il fosfoenolpiruvato (PEP), un enol-p, ha un G di idrolisi del gruppo P > di quello dell ATP. Perché: il P mantiene la molecola nella sua forma enolica instabile. 10. Piruvato chinasi: fosfoenolpiruvato + ADP 10 piruvato + ATP La rimozione del P i dal PEP da parte dell ADP dà origine ad un enolo instabile che spontaneamente si converte nella forma chetonica, cioè nel piruvato P 3 3 -fosfoglicerato - A D P A T P Enolasi fosfoenolpiruvato fosfoenolpiruvato enolpiruvato piruvato P P ΔG = + 1,7 kj mol-1 Piruvato chinasi ΔG = -31,4 kj mol

11 Bilancio della glicolisi In totale durante le dieci tappe, il bilancio per quanto riguarda i legami fosforici è stato: ATP spesi 4 ATP prodotti ( da ogni trioso formato dal glucosio) Produzione netta legami ~P di ATP per glucosio Il bilancio complessivo della glicolisi è: 1 glucosio + NAD + + ADP + Pi piruvato + NAD + ATP + 0 Se la glicolisi si fermasse a questo punto non potrebbe procedere a lungo: il bilancio redox è venuto meno (deplezione di NAD+). 11

12 1 Utilizzo metabolico di altri monosaccaridi/disaccaridi

13 I possibili destini metabolici del piruvato glucosio Glicolisi Fermentazioni Etanolo Lieviti, altri microrganismi ssidazione ompleta piruvato respirazione Microrganismi lattici Muscoli in anaerobiosi lattato Il destino del piruvato dipende dalle condizioni fisiologiche, dai tessuti e gli organismi in cui viene prodotto. 13

14 Il lattato è l accettore terminale degli elettroni nella fermentazione lattica Il piruvato è convertito a lattato, in questo modo viene rigenerato NAD + necessario per la continuazione della glicolisi - Lattico deidrogenasi N A D + + N A D + - ΔG = -5,1 kj mol-1 3 Piruvato 3 Lattato In esercizio il muscolo scheletrico lavora anaerobicamente quando la disponibilità di ossigeno diventa insufficiente ed il metabolismo aerobico non può fornire l energia richiesta. La glicolisi è, in condizioni anaerobie, la maggior fonte di ATP glucosio + ADP + Pi lattato + ATP + 14

15 La fermentazione alcolica Diversi organismi anaerobi (lieviti) trasformano il piruvato ad etanolo, secreto come prodotto di scarto. L alcol deidrogenasi rigenera il NAD +, necessario per continuare la glicolisi. Piruvato decarbossilasi 3 3 Alcol deidrogenasi N A D + + N A D + 3 Piruvato Acetaldeide Etanolo glucosio + ADP + Pi + + etanolo + + +ATP 15

16 La regolazione della glicolisi Sono tre enzimi regolatori il cui controllo determina il flusso metabolico (la velocità di reazione) lungo la via glicolitica. Essi catalizzano reazioni virtualmente irreversibili, cioè reazioni che sono lontane dall equilibrio ( G <<=0) I. la fosfofruttochinasi: principale punto di controllo, inibito da ATP II. la esochinasi, inibita allostericamente dal suo prodotto il glucosio-6- fosfato. III. piruvato chinasi: enzima allosterico inibito da ATP (elevata energia), alanina (elevato livello precursori), attivato invece dal F-1,6-BP Il controllo avviene a due livelli: ontrollo locale: dipendenza delle reazioni catalizzate da enzimi da parte delle concentrazioni di substrati ed intermedi presenti nella cellula. ontrollo globale: controllo esercitato da ormoni, che agiscono a distanza tramite secondi messaggeri e regolano le vie metaboliche a beneficio dell intero organismo. 16

17 La fosfofruttochinasi è modulata allostericamente Fosfofruttochinasi: il principale punto di controllo della glicolisi nei mammiferi e determina il flusso lungo questa via. È il rapporto ATP/ADP a svolgere un ruolo primario. L enzima (omotetramero) viene inibito allostericamente dall ATP, mentre AMP ed ADP ne antagonizzano l effetto. La glicolisi è inibita quando la carica energetica è elevata. L ATP si lega ad un sito regolatorio promuovendo un cambiamento conformazionale l inibizione dell enzima (curva spostata a destra). 17

18 18 Schema di controllo della glicolisi nei muscoli

19 La gluconeogenesi non è l inverso della glicolisi Gluconeogenesi: sintesi del glucosio da precursori non glucidici (lattato, amminoacidi, glicerolo) convertiti in piruvato o in intermedi che entrano nella via successivamente. rgani interessati: fegato in primis, poi rene ed intestino per rifornire altri organi (cervello). Funzione: mantenere alti i livelli di glucosio durante il digiuno. La gluconeogenesi non è l inverso della glicolisi: tre reazioni scavalcano le reazioni virtualmente irreversibili della glicolisi: 1. La conversione del piruvato in PEP (piruvato carbossilasi + PEP carbossichinasi). La defosforilazione del F 1,6 BP (fruttosio 1,6 bifosfatasi 1 ) 3. La defosforilazione del G6P (glucosio 6 fosfatasi) omplessivamente è un processo dispendioso: Piruvato + 4 ATP + GTP + NAD + 6 Glucosio + 4 ADP + GDP + 6 P i + NAD + 19

20 Gluconeogenesi conversione del piruvato in PEP 1. Piruvato carbossilasi enzima (mitocondriale) che utilizza la biotina come donatore di per convertire il piruvato in ossalacetato (A). PEP carbossichinasi, enzima che decarbossila l A per formare PEP. Il donatore di P è il GTP Piruvato + ATP + GTP PEP + ADP + GDP + P i + ΔG = 0,9 kj /mol Le decarbossilazioni spesso favoriscono reazioni altrimenti endoergoniche. La carbossilazione/decarbossilazione è un sistema di attivazione del piruvato. 0

21 1 Glicolisi e gluconeogenesi sono regolate reciprocamente Glicolisi: ΔG complessivo per produrre piruvato da glucosio: ΔG = -84 kj mol -1 Gluconeogenesi: ΔG per produrre glucosio da piruvato ΔG = -38 kj mol -1 Glicolisi e gluconeogenesi sono fortemente esoergoniche, non c e nessun impedimento di ordine termodinamico a che entrambe possano svolgersi allo stesso tempo: devono essere regolate reciprocamente. Principali punti di controllo: conversione del F 6-P a F 1,6-P e del PEP a piruvato Se carica energetica è bassa ATP : glicolisi gluconeogenesi Se carica energetica è alta ATP : glicolisi gluconeogenesi Se precursori abbondanti: citrato, alanina glicolisi gluconeogenesi Presenza di F-,6-BP glicolisi gluconeogenesi

22 La regolazione epatica della glicolisi e gluconeogenesi Il fegato ha funzioni aggiuntive ed uniche: 1) mantiene costanti i livelli ematici di glucosio sintetizzando glucosio, degradando glicogeno, e rilasciando glucosio. ) Utilizza glucosio per produrre NADP (potere riducente ). I meccanismi di regolazione della glicolisi sono più complessi nel fegato. Attività della PFK-1 Attività della FBPasi-1 Il più importante regolatore della glicolisi nel fegato: fruttosio,6 bisfosfato (F-,6-BP). Quando il glucosio è abbondante viene prodotto F-,6-BP, attivatore allosterico della PFK (stimolazione anterograda).

23 ontrollo della sintesi e degradazione del,6- bisfosfato Nel fegato il principale regolatore delle glicolisi e della gluconeogenesi è il Fruttosio,6 bisfosfato prodotto da un enzima bifunzionale: PFK. La sua regolazione è controllata da ormoni. Glucagone: segnala al fegato di produrre e rilasciare glucosio stimolando l attività della FBPasi- per fosforilazione e quindi della gluconeogenesi (rifornimento di glucosio). L insulina attiva una fosfoproteina fosfatasi che inibisce la FBPasi e attiva la PFK PFK = fosfofruttochinasi FBPasi = fruttosio bisfosfatasi Insulina e glucagone controllano in maniera opposta l enzima bifunzionale PFK-/ FBPasi- che produce o degrada il fruttosio,6 bisfosfato. 3

24 Il metabolismo del glicogeno: la degradazione La demolizione del glicogeno nekl muscolo scheletrico e nel fegato è catalizzata dalla glicogeno fosforilasi che catalizza una reazione di fosforolisi Il glucosio G-1P rilasciato è poi convertito in intermedio della glicolisi G- 6P Glucosio 1-P Glucosio 6-P (glicolisi) (fosfoglucomutasi) 4

25 L azione dell enzima deramificante rende il glicogeno una catena lineare Enzima deramificante: ligo α(1 6) α(1 4)glucantransferasi 5

26 La glicogeno fosforilasi è regolata sia allostericamente che ormonalmente Nel fegato il glucagone attiva la glicogeno fosforilasi per effetto di una fosforilazione AMPc/PKA dipendente della fosforilasi b chinasi (vedi regolaz enzimatica) Nel muscolo scheletrico l adrenalina ha un effetto simile mentre a+ e AMP sono attivatori allosterici. on elevati livelli di G in sangue: nel fegato: glucochinasi (esochinasi IV) con K M di 50 volte quella della esochinasi, non inibito dal glucosio 6 P. Ruolo nella sintesi del glicogeno. 6

27 L ossidazione del glucosio attraverso la via del pentosio fosfato Glucosio-6-P: precursore di composti necessari alla cellula: via del pentosio fosfato (o del fosfogluconato). Presente in tutte le cellule, nel citoplasma. Funzioni: 1) Via ossidativa per produrre NAPD (donatore di e- nelle biosintesi riduttive). ) Via per produrre ribosio 5- fosfato (per sintesi di nucleotidi e quindi, DNA, RNA; NAD, FAD e coenzima A. La via è versatile: il flusso può essere modificato per far prevalere uno dei due obiettivi. 7

28 Le reazioni ossidative della via del pentosio fosfato Due fasi : 1) Fase ossidativa: produce pentosio P e NADP con 4 reazioni ( deidrogenasi e due isomerasi). ) Fase NN ossidativa: ricicla i pentosi fosfato in glucosio-6 P, oppure gli utilizza per sintetizzare nucleotidi. Bilancio della fase ossidativa: Glucosio-6-P + NADP+ + 0 D-ribosio-5- P + NADP + + 8

29 Fase NN ossidativa: ricicla i pentosi fosfato in glucosio -6 P Reazioni (reversibili) che convertono i pentosi (5) in esosi (6) e consentono alla via metabolica di proseguire. Da 6 pentosi si producono 5 molecole di G6-P 9