METABOLISMO DI FRUTTOSIO E GALATTOSIO

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1 METABOLISMO DI FRUTTOSIO E GALATTOSIO

2 Fruttosio Presente nella frutta, miele Deriva anche dall idrolisi intestinale del SACCAROSIO O α Saccarasi FRUTTOSIO + GLUCOSIO α-d-glucopiranosil-(1 2)-β-D-Fruttofuranosio β-d-fruttofuranosil-(2 1)-α-D-Glucopiranosio SACCAROSIO 1 2 β Assunto dalle cellule intestinali attraverso i GLUT5 (si satura velocemente) Messo in circolo e captato dai tessuti tramite i GLUT2

3 Saccarosio Fruttosio Ha effetti sulla glicemia (libera glucosio) Non ha effetti sulla glicemia Nel muscolo e in altri tessuti viene fosforilato dall esochinasi ed entra nella glicolisi come fruttosio 6-P Glicolisi (stessa resa energetica del glucosio) Entra sotto controllo insulinico

4 Nel fegato è fosforilato dalla fruttochinasi in fruttosio 1-P Fruttosio Stessa resa energetica del glucosio, ma viene aggirato il punto di regolazione della PFK-1) Alcol deidrogenasi Sintesi lipidi Gliceraldeide + NADH NAD + Glicerolo ATP ADP Glicerolo 3-fosfato Diidrossiacetone fosfato Trioso-fosfato isomerasi ATP Gliceraleide 3-fosfato ADP Glicolisi Gliceraldeide chinasi NAD + Glicerolo 3-P deidrogenasi NADH Diidrossiacetone fosfato Trioso-fosfato isomerasi

5 Galattosio OH Presente nel latte, barbabietola da zucchero Deriva anche dall idrolisi intestinale del LATTOSIO Utilizzato come metabolita energetico Utilizzato nella costruzione dei glicani presenti nelle glicoproteine e nei glicolipidi Sintetizzato in gestazione per la produzione del latte materno β-d-galattopiranosio Lattosio HA EFFETTI SULLA GLICEMIA β H α (o β) OH LATTASI GALATTOSIO + GLUCOSIO Deficit genetico di lattasi causa INTOLLERANZA AL LATTOSIO

6 GALATTOCHINASI (NEL FEGATO) D-Galattosio Galattosio 1-fosfato UDP-glucosio GALATTOSIO 1-P URIDIL TRASFERASI UDP-galattosio- 4-epimerasi Il gruppo UMP è trasferito sul Gal-1P Glucosio 1-fosfato UDP-galattosio GLICOGENO SINTESI FOSFOGLUCOMUTASI Riconvertito in UDP-glucosio da un epimerasi NAD + -dipendente GLICOLISI Glucosio 6-fosfato

7 METABOLISMO DEL GLICOGENO MUSCOLO, FEGATO DEGRADAZIONE DEL GLICOGENO Processo citosolico

8 D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, FONDAMENTI DI BIOCHIMICA 2/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2007

9 Glicogeno fosforilasi Scinde i legami glicosidici α(1 4) uno alla volta, attraverso una FOSFOROLISI a partire dalle estremità non riducenti e liberando glucosio 1-fosfato. Il PLP è il coenzima utilizzato. Glicogeno n unità Glucosio 1-fosfato Glucosio 1-fosfato Glucosio 1-fosfato

10 La glicogeno fosforilasi si ferma a 4 residui dal punto di ramificazione lasciando una destrina limite Interviene l enzima bifunzionale deramificante Gli ultimi 3 residui del ramo sono trasferiti sull estremità libera della catena principale Scinde il legame α(1 6) liberando glucosio non fosforilato

11 La fosfoglucomutasi converte il glucosio 1-fosfato in glucosio 6-fosfato Glucosio 6-fosfato Via dei pentoso-fosfati Nel fegato viene defosforilato a glucosio e liberato nel circolo sanguigno per essere trasportato ai tessuti che lo richiedono e per mantenere costante la glicemia Nel muscolo non è presente la Glucosio 6- fosfatasi, il glucosio 6-P rimane dentro la cellula e viene utilizzato nella glicolisi muscolare Glucosio 6-fosfatasi Glucosio Nelson Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER, Zanichelli editore S.p.A. Copyright

12 GLICOGENO EPATICO CELLULA EPATICA G1P CITOSOL Nelson Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER, Zanichelli editore S.p.A. Copyright

13 SINTESI DEL GLICOGENO: processo citosolico Fegato e muscoli nei vertebrati Glucosio 6-fosfato Fosfoglucomutasi Glucosio 1-fosfato UDP-glucosio pirofosforilasi Il glucosio 1-fosfato deve essere attivato per essere incorporato nella molecola di glicogeno. Viene convertito in UDPglucosio Donatore di glucosio all estremità non-riducente delle catene di glicogeno

14 La sintesi di una nuova molecola di glicogeno prevede la formazione di un innesco di 7 residui di Glucosio è attaccato, con la sua estremità riducente, ad un residuo di Tyr della proteina GLICOGENINA 1 GLICOGENINA la glicogenina ha attività glucosil-trasferasica 4 GLICOGENINA 1 La glicogenina è sia l impalcatura su cui si costruisce la molecola di glicogeno, sia l enzima che catalizza la sintesi dell innesco. la glicogenina estende la catena ripetendo 6 volte la reazione

15 Glicogeno sintasi Catalizza l allungamento dell innesco aggiungendo, una alla volta, unità di α-d-glucosio alla catena polisaccaridica crescente, attraverso legami o-glicosidici α(1 4). Estremità non riducente del Glicogeno (n unità >4) Glicogeno (n + 1 unità)

16 RAMIFICAZIONI Interviene l enzima ramificante [amilo-(1,4 1,6) transglicosilasi] Rimuove un frammento di almeno 6 residui dall estremità non riducente della catena principale e lo riattacca a questa con legame α(1 6) nel punto di ramificazione. Si creano numerose estremità non riducenti che contribuiscono ad aumentare la velocità di degradazione o di allungamento del glicogeno

17 IL METABOLISMO DEL GLICOGENO E FINEMENTE REGOLATO: Quando è attiva la sua sintesi non è attiva la sua demolizione e viceversa

18 Glucagone = innalza il livello ematico di glucosio Adrenalina = scatena una risposta in seguito ad un improvvisa richiesta energetica DEGRADAZIONE Negli epatociti stimolati dal glucagone, è attiva la demolizione del glicogeno, la glicolisi è inibita. Sotto stimolazione di adrenalina è attivo il ciclo di Cori e quindi la gluconeogenesi, DEGRADAZIONE Nelle cellule muscolari stimolate dall adrenalina è attiva la demolizione del glicogeno, la glicolisi, la fosforilazione ossidativa e si attua il ciclo di Cori

19 Recettore per il glucagone o per l adrenalina Adenilato ciclasi GTP Proteine G stimolatorie GDP + PP i INIBISCE la PROTEINA FOSFATASI-1 (PP1) Fosforila e INIBISCE la sintasi Ca 2+ Attivata dalla fosforilazione e dal legame con il Ca 2+ - OH Glicogeno Glicogeno Defosforilata inattiva Fosforilata attiva

20 Modulazione covalente reversibile della glicogeno fosforilasi Fosforilazione/defosforilazione Glicogeno fosforilasi b (meno attiva) Glicogeno fosforilasi a (più attiva)

21 Sotto effetto del glucagone/adrenalina la GLICOGENO SINTASI deve essere inibita per FOSFORILAZIONE È fosforilata da almeno 11 chinasi diverse, tra cui la PKA, la casein chinasi II (CKII) e la glicogeno sintasi chinasi 3 (GSK3) È la principale responsabile della inibizione della La sua azione inizia solo dopo che la glicogeno sintasi, che fosforila su 3 residui di Ser. CKII ha fosforilato il proprio sito bersaglio Fosforila i residui di Ser precedenti, in direzione amminoterminale GSK3 E INATTIVA QUANDO E FOSFORILATA

22 In risposta allo stimolo del glucagone e dell adrenalina deve essere inibita l attività delle FOSFATASI citosoliche, in particolare della proteina fosfatasi 1 (PP1) Muscolo in condizioni di riposo Adrenalina Attivazione di PKA La PKA agisce sulla proteina GM Fosforilandola sui siti 1 e 2 GM: proteina che riconosce il glicogeno, e permette l associazione di PP1 al glicogeno Fosforilazione Dissociazione di GM e PP1 da: fosforilasi chinasi, glicogeno fosforilasi, glicogeno sintasi. Granulo di glicogeno Glicogeno fosforilasi Fosforilasi chinasi Glicogeno sintasi Fosforilazione dell inibitore I-1 della PP1 Glicogeno-lisi I-1 P PP1 Muscolo in attività PP1 I-1 P La PP1 è sequestrata dall inibitore

23 REGOLAZIONE DEL METABOLISMO DEL GLICOGENO DA PARTE DELL INSULINA Concentrazioni plasmatiche di glucosio superiori a quelle normali (> 5 mm) Produzione e secrezione di insulina da parte del pancreas (cellule β) Effetto dell insulina sul metabolismo del glicogeno: a) Captazione del glucosio plasmatico (attiva i trasportatori di membrana nei tessuti insulino-sensibili) b) Aumento della sintesi delle esochinasi, c) Accumulo di glucosio sotto forma di glicogeno (epatico e muscolare) ESOCHINASI GLICOGENO SINTASI

24 PI-3K = fosfatidilinositolo-3 chinasi converte il PIP2 in PIP3 (fosfatidilinositolo 3,4,5,-trisfosfato) Substrato 1 del recettore insulinico PIP3 si lega alla PDK-1 che attiva la PKB. La chinasi PKB fosforila e INATTIVA la GSK3 L inibizione della GSK3 contribuisce alla riattivazione della glicogeno sintasi La proteina fosfatasi 1 è attiva e defosforila la glicogeno sintasi ATTIVANDOLA

25 In risposta allo stimolo dell insulina deve essere stimolata l attività delle FOSFATASI citosoliche, in particolare della proteina fosfatasi 1 (PP1) Muscolo in condizioni di accumulo Granulo di glicogeno Defosforilazione P Glicogeno fosforilasi 1 GM PP1 Fosforilasi chinasi Glicogeno sintasi INSULINA Attivazione di una chinasi Insulino-dipendente che fosforila la GM solo sul sito 1 P 1 GM PP1 I-1 + P Glicogeno-sintesi GM si associa a PP1 scalzando l Inibitore I (PP1 lo defosforila). GM e PP1 si complessano con fosforilasi chinasi, glicogeno fosforilasi, glicogeno sintasi, le quali vengono DEFOSFORILATE.

26 CONSUMO DI GLUCOSIO Guadagno netto: mantenimento del livello basale di glucosio nel sangue (rifornimento COSTANTE di glucosio a tuti i tessuti) Equilibrio che viene continuamente e COSTITUTIVAMENTE regolato: 1) Concentrazione dei metaboliti (substrati e prodotti) 2) Modulazione allosterica e covalente di enzimi 3) Ormoni (glucosio-sensibili) 4) Localizzazione di proteine coinvolte (enzimi, trasportatori, recettori) ATTENZIONE! Non è mai una regolazione on-off ACCUMULO DI GLUCOSIO

27 LA VIA DEI PENTOSO FOSFATI Processo metabolico citosolico Sfrutta il glucosio per produrre ribosio 5-fosfato e equivalenti riducenti in forma di NADPH è la via con cui i pentosi introdotti con la dieta entrano nel metabolismo Ribosio 5-fosfato NADPH Sintesi di RNA, DNA, ATP, NAD +, NADP +, FAD, Coenzima A, Biosintesi di: ac. grassi, colesterolo, neurotrasmettitori, nucleotidi. Detossificazione: riduzione del glutatione ossidato; citocromo p450 monoossigenasi si realizza in due fasi: OSSIDATIVA (genera NADPH) NON-OSSIDATIVA (interconversione degli zuccheri)

28 Fase ossidativa: produce NADPH Glucosio-6-fosfato + 2 NADP + + H 2 O ribulosio 5-fosfato + 2 NADPH + CO 2 + 2H + Glucosio-6-fosfato deidrogenasi ossidazione del C-1 del G6P: formazione di un legame estere intramolecolare LEGAME ESTERE 5 1

29 H + 6-fosfogluconolattonasi idrolisi del legame estere NADP + 6-fosfo-gluconato deidrogenasi ossidazione del C-3 e decarbossilazione

30 La [NADP + ] ha un ruolo fondamentale nel determinare il destino del glucosio 6-fosfato se nella cellula la [NADPH] è molto maggiore della [NADP + ]: bassa attività degli enzimi della fase ossidativa della Via dei Pentoso-fosfati (manca l accettore di e - ) G6PDH GLICOLISI O SINTESI DEL GLICOGENO NADPH compete con NADP + per il sito attivo della Glucosio 6-fosfato deidrogenasi inibendo l enzima. il Glucosio 6-fosfato è indirizzato verso la glicolisi o la sintesi di glicogeno PENTOSO FOSFATI La produzione di NADPH è strettamente associata al suo utilizzo nelle reazioni di biosintesi (es.: sintesi degli acidi grassi)

31 Fosfopentoso isomerasi Ribosio 5-fosfato Se sono necessarie grandi quantità non solo di NADPH ma anche di ribosio 5-fosfato per la sintesi di nucleotidi il ribulosio 5-fosfato è isomerizzato a ribosio 5- fosfato nella fase nonossidativa Fase non ossidativa: rappresenta un raccordo con la glicolisi e con la gluconeogenesi

32 Ribulosio 5-fosfato epimerasi xilulosio 5-fosfato isomerasi Ribosio 5-fosfato transchetolasi Gliceraldeide 3-P transchetolasi Sedoeptulosio 7-P (zucchero a 7 atomi di carbonio) Fruttosio 6-P transaldolasi Eritrosio 4-P Gliceraldeide 3-P Fruttosio 6-P Sono utilizzati come intermedi della glicolisi o della gluconeogenesi: il Glucosio 6-fosfato rigenerato con la gluconeogenesi può essere utilizzato per alimentare di nuovo la via dei pentoso-p sono tutte reazioni REVERSIBILI che collegano la via dei pentoso-fosfati alla glicolisi/gluconeogenesi e vicerversa

33 La via dei pentoso-fosfati è versatile e può avere diverse finalità GLICOLISI glucosio 6-P fruttosio 6-P REAZIONI INVERSE DELLA FASE NON-OSSIDATIVA fruttosio 1,6-bis-P Diidrossiacetone fosfato Gliceraldeide 3-P Fabbisogno di Ribosio 5-P maggiore rispetto a quello di NADPH: - la glicolisi è dominante rispetto alla via dei pentoso-p, - una buona parte della gliceraldeide 3-P e del Fruttosio 6-P prodotti nella glicolisi sono utilizzati per produrre ribosio 5-P con le REAZIONI INVERSE DELLA FASE NON-OSSIDATIVA Tymoczko et al. Principi di Biochimca. Zanichelli editore S.p.A 2010

34 glucosio 6-P 2NADP + 2NADPH REAZIONI DELLA FASE OSSIDATIVA Ribulosio 5-P Fabbisogno equivalente di Ribosio 5-P e di NADPH: - il glucosio 6-P è preferibilmente usato nella via dei pentoso fosfati piuttosto che nella glicolisi. - Viene eseguita più volte la fase ossidativa della via dei pentoso fosfati, a cui segue la conversione del ribulosio 5-P in ribosio 5-P Tymoczko et al. Principi di Biochimca. Zanichelli editore S.p.A 2010

35 GLUCONEOGENESI Diidrossiacetone fosfato glucosio 6-P fruttosio 6-P fruttosio 1,6-bis-P 2NADP + 2NADPH Gliceraldeide 3-P ribulosio 5-P ribosio 5-P Fabbisogno di NADPH maggiore rispetto a quello di Ribosio 5-P: - la via dei pentoso-fosfati avviene completamente producendo NADPH, gliceraldeide 3-P e fruttosio 6-P - la gliceraldeide 3-P e il fruttosio 6-P sono riciclati nella GLUCONEOGENESI per produrre glucosio 6-P (fegato). -Il glucosio 6-P prodotto rientra nella via dei pentoso fosfati per produrre altro NADPH Tymoczko et al. Principi di Biochimca. Zanichelli editore S.p.A 2010

36 Fabbisogno equivalente di NADPH e di ATP: - il glucosio 6-fosfato è destinato alla fase OSSIDATIVA della via dei pentoso fosfati. - viene prodotto NADPH - vengono prodotti fruttosio 6-P e gliceraldeide 3-P attraverso la via NON-OSSIDATIVA - viene effettuata la seconda parte della GLICOLISI che produce ATP e PIRUVATO. Diidrossiacetone fosfato glucosio 6-P fruttosio 6-P fruttosio 1,6-bis-P GLICOLISI 2NADP + 2NADPH Gliceraldeide 3-P PIRUVATO 2 ATP ribulosio 5-P ribosio 5-P Tymoczko et al. Principi di Biochimca. Zanichelli editore S.p.A 2010

37 Non tutte le cellule hanno le stesse esigenze di NADPH e ribosio 5- fosfato, es.: fegato, tessuto adiposo, ghiandole mammarie che mantengono attiva un intensa biosintesi di acidi grassi hanno necessità di grandi quantitativi di NADPH; cellule che si riproducono molto velocemente hanno necessità di grandi quantità di ribosio 5-fosfato. TESSUTI IN CUI E ATTIVA LA VIA DEI PENTOSO-FOSFATI Ghiandola surrenale Fegato Ovaio/Testicoli Tessuto adiposo Ghiandola Mammaria Eritrociti, cristallino, cornea sintesi steroidi sintesi ac. grassi e colesterolo sintesi steroidi sintesi ac. grassi sintesi ac. grassi mantenimento del glutatione ridotto

38 PER SOSTENERE IL CICLO REDOX DEL GSH/GSSG e quindi la rimozione dei perossidi è necessario mantenere costante il livello di NADPH. Mitocondrio NADH Citoplasma Via dei pentoso-fosfati NADPH + H + NADP + NAD + NADP + /NADH Trans-Idrogenasi Enzima della membrana mitocondriale interna NADP + NADPH + H + Glucosio 6-fosfato G6PDH 6-fosfo-D- Glucono-δ-lattone

39 La carenza di glucosio 6-fosfato deidrogenasi (G6PDH) può causare anemia emolitica in condizioni di stress ossidativo perché gli eritrociti non producono abbastanza NADPH per mantenere il glutatione nel suo stato ridotto Il deficit genetico di G6PDH si manifesta quando l individuo che ne è affetto è esposto a condizioni di STRESS OSSIDATIVO: - Ingestione di fave >>> DIVICINA, sostanza tossica che provoca produzione di ROS - Assunzione di sulfammidici o farmaci antimalarici >>> producono ROS - Erbicidi >>> producono ROS il sistema GSH/GSSG abbassa il livello di meta-hb negli eritrociti. il sistema GSH/GSSG mantiene nello stato ridotto i gruppi sulfidrilici (-SH) della emoglobina, In condizioni di stress ossidativo si possono formare derivati ossidati delle cisteine e ponti disolfuro fra molecole di Hb, che causano la formazione di grossi aggregati insolubili (Corpi di Heinz) che si depositano sulla membrana eritrocitaria deformandola e danneggiandola e insieme all azione dei ROS causano ANEMIA EMOLITICA, ITTERIZIA, INSUFFICIENA RENALE.