Biosintesi dei carboidrati

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1 Biosintesi dei carboidrati

2 Gluconeogenesi: sintesi di glucosio da precursori non saccaridici La riserva di glucosio dell organismo (glucosio + glicogeno) è sufficiente per circa 1 giorno.

3 La via gluconeogenetica converte il piruvato in glucosio. I precursori non glucidici del glucosio vengono prima convertiti in piruvato o entrano nella via a livello di intermedi successivi come l ossalacetatol e il diidrossiacetone fosfato. I principali precursori non glucidici sono il lattato,, gli amminoacidi e il glicerolo. La gluconeogenesi ha luogo principalmente nel fegato,, e in piccola quantità anche nel rene. La gluconeogenesi che avviene nell encefalo, encefalo, nel muscolo scheletrico e nel muscolo cardiaco è solo di modesta entità. La principale funzione della gluconeogenesi nel fegato e nel rene è di mantenere i livelli ematici di glucosio sufficientemente alti da consentire all encefalo e al tessuto muscolare di avere sufficienti quantità di glucosio per soddisfare le proprie esigenze metaboliche

4 Sintesi di carboidrati da precursori semplici

5 La via della gluconeogenesi

6 Confronto tra le vie glicolitica e gluconeogenetica

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10 Il fosfoenolpiruvato si forma in due reazioni. 1) Il piruvato viene prima carbossilato ad ossalacetato a spese di 1 molecola di ATP piruvato + HCO 3- + ATP ossalacetato + ADP + P i + H + enzima: piruvato carbossilasi - Questa è anche una reazione anaplerotica del ciclo di Krebs 2) l ossalacetatol viene poi decarbossilato e fosforilato a spese di un secondo legame fosforico ad alta energia (GTP) ossalacetato + GTP fosfoenolpiruvato + CO 2 + GDP enzima: fosfoenolpiruvato carbossichinasi

11 Il fosfoenolpiruvato si forma dal piruvato attraverso l ossalacetatol

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13 Struttura a domini della piruvato carbossilasi La biotina è un gruppo prostetico legato covalentemente all enzima, che serve da trasportatore di CO 2 attivato.

14 La carbossilazione del piruvato si svolge in tre stadi: 1) HCO 3- + ATP Carbossifosfato + ADP 2) Enzima-biotina + Carbossifosfato CO 2 -enzima-biotina + P i 3) CO 2 -enzima-biotina + piruvato enzima-biotina + ossalacetato

15 Il dominio di legame per la biotina della piruvato carbossilasi La biotina è su un guinzaglio flessibile che le permette di muoversi tra il sito dell ATP e del bicarbonato e il sito del piruvato.

16 Il fosfoenolpiruvato si forma in due reazioni. piruvato + HCO 3- + ATP + GTP fosfoenolpiruvato + ADP + GDP + P i + H + + CO 2 ΔG 0 = 0,9 kj/mole Per fosforilare 1 molecola di piruvato a fosfoenolpiruvato sono necessari 2 gruppi fosforici ad alta energia

17 La piruvato carbossilasi è un enzima mitocondriale mentre gli altri enzimi della via gluconeogenetica sono citosolici. L ossalacetato viene trasportato nel citosol sotto forma di malato. Con il malato viene trasportato anche NADH.

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20 2) Il fruttosio 6-fosfato 6 si forma dal fruttosio 1,6-bisfosfato per idrolisi dell estere estere fosforico sull atomo di carbonio C-1. C ΔG 0 = -16,3 kj/mole Fruttosio 1,6-bisfosfato + H 2 O fruttosio 6-fosfato 6 + P i enzima: fruttosio 1,6 bisfosfatasi

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22 3) Il glucosio libero si forma per idrolisi del glucosio 6-fosfato 6 ΔG 0 = -13,8 kj/mole enzima: glucosio 6 fosfatasi glucosio 6-fosfato 6 + H 2 O glucosio + P i La glucosio 6-fosfatasi 6 è presente nel fegato ma non nel muscolo e nel cervello.

23 Differenze enzimatiche tra la glicolisi e la gluconeogenesi Glicolisi Gluconeogenesi Esochinasi Glucosio 6-fosfatasi6 Fosfofruttochinasi Fruttosio 1,6-bisfosfatasi Piruvato chinasi Piruvato carbossilasi Fosfoenolpiruvato carbossichinasi

24 La stechiometria della gluconeogenesi 2 piruvato + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 4 H 2 O glucosio + 4 ADP + 2 GDP ΔG 0 = kcal/mole + 6 P i + 2 NAD H + Per sintetizzare 1 molecola di glucosio dal piruvato vengono usati 6 legami fosforici ad alta energia + 2 molecole di NADH Nella glicolisi durante la conversione del glucosio a piruvato vengono prodotte solo 2 molecole di ATP

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26 L alanina ed il lattato prodotti dal muscolo scheletrico attivo sono uno dei principali rifornimenti della gluconeogenesi. Nel muscolo in attività l elevato rapporto NADH/NAD + porta alla formazione prevalente di lattato. Nel fegato il lattato viene ossidato a piruvato per il basso rapporto NADH/NAD presente nel citosol degli epatociti.

27 Il ciclo di Cori La formazione del lattato nel muscolo sposta parte del carico metabolico dal muscolo al fegato

28 Gli intermedi del ciclo dell acido citrico e molti amminoacidi sono glucogenici

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30 L idrolisi dei triacilgliceroli di deposito produce anche glicerolo o 3-fosfato, 3 che può entrare nella via gluconeogenetica dopo essere stato ossidato a diidrossiacetone fosfato Ciclo dell acido citrico Ciclo del gliossilato Al contrario degli animali, le piante possono usare i grassi per sintetizzare glucosio

31 Le riserve di acidi grassi conservati nei semi sono convertite in saccarosio durante la germinazione

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33 La biosintesi del glucosio viene attivata quando nei mitocondri vi è un eccesso di Acetil-CoA CoA. Un eccesso di Acetil-CoA piruvato carbossilasi. stimola la L Acetil-CoA aumenta quando la velocità di produzione supera la velocità di utilizzazione nel ciclo dell acido citrico. Il ciclo dell acido citrico è inibito quando le richieste energetiche della cellula sono soddisfatte.

34 Il secondo punto di controllo della gluconeogenesi è la reazione catalizzata dalla fruttosio 1,6 - bisfosfatasi. L enzima glicolitico corrispondente è la fosfofruttochinasi-1.

35 La regolazione ormonale (glucagone( glucagone) ) della glicolisi e della gluconeogenesi nel fegato è mediata dal fruttosio 2,6 bisfosfato. Il fruttosio 2,6 bisfosfato attiva la fosfofruttochinasi 1 e stimola la glicolisi nel fegato. Il fruttosio 2,6 bisfosfato inibisce la fruttosio 1,6 bisfosfatasi e rallenta la gluconeogenesi nel fegato.

36 Ruolo del fruttosio 2,6 bisfosfato nella regolazione della glicolisi lisi e della gluconeogenesi.

37 Regolazione del livello di fruttosio 2,6- bisfosfato. La concentrazione cellulare del modulatore fruttosio 2,6-bisfosfato viene determinata dalla velocità della sua sintesi da parte della fosfofruttochinasi-2 2 (PFK-2) e dalla velocità della sua degradazione operata dalla fruttosio 2,6-bisfosfatasi (FBPase-2).

38 Regolazione del livello di fruttosio 2,6- bisfosfato. La fosfofruttochinasi-2 2 (PFK-2) e la fruttosio 2,6-bisfosfatasi fanno parte della stessa catena polipeptidica (enzima tandem) e sono regolati in modo complementare e coordinato dal glucagone.

39 Regolazione reciproca della gluconeogenesi e della glicolisi nel fegato. Ciclo di Crebs se l ATP è scarso Glucosio abbondante = Fruttosio 2,6 bisfosfato = Glicolisi,, Gluconeogenesi Digiuno prolungato = Fruttosio 2,6 bisfosfato = Glicolisi,, Gluconeogenesi

40 Biosintesi del glicogeno

41 Molte delle reazioni in cui gli esosi vengono trasformati o polimerizzati utilizzano zuccheri legati a nucleotidi.

42 Formazione di uno zucchero legato a nucleotidi.

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44 Sintesi del glicogeno La catena del glicogeno viene allungata dalla glicogeno sintasi.. Il residuo di glucosio UDP-glucosio viene trasferito all estremit estremità non riducente di una catena di glicogeno mediante un nuovo legame (α1 4).(

45 Formazione di ramificazioni nella molecola di glicogeno La glicogeno sintasi non può produrre i legami(α1 6) presenti ai punti di ramificazione della molecola di glicogeno. I legami(α1 6) vengono formati dall enzima ramificante chiamato amilo (1 4)(1 6) transglicosilasi oppure glicosil-(4 6) 6)-transferasi,, che catalizza il trasferimento di un segmento terminale di 6 o 7 residui glucosidici dall estremit estremità non riducente di una catena di glicogeno che abbia almeno 11 residui,, al gruppo ossidrilico C-6 6 di un residuo di glucosio della stessa o di una altra altra catena localizzato in un punto più interno. La glicogeno sintasi può quindi aggiungere altri residui glucosidici alla nuova ramificazione

46 La glicogeno sintasi ha bisogno come innesco (primer( primer) ) di una catena di poliglucosio (α1 4) preformata con una lunghezza di almeno 8 residui La glicogenina,, una proteina, può comportarsi da primer a cui legare il primo residuo di glucosio (in corrispondenza del residuo Tyr 194 ) e anche da catalizzatore per la sintesi di una catena nascente di glicogeno. La glicogenina forma poi un complesso stabile con la glicogeno sintasi. La glicogenina continua a far parte della particella di glicogeno restando legata covalentemente all estremit estremità a cui ha dato origine.

47 La sintesi di una particella di glicogeno da parte della glicogenina

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49 Regolazione coordinata della glicogeno sintasi e della glicogeno fosforilasi La fosforilazione ha effetti opposti sull attivit attività enzimatica della glicogeno sintasi e su quella della glicogeno fosforilasi

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51 Livelli di glucosio ematici bassi: Glicogenolisi + Gluconeogenesi + + glucosio in circolo Glicolisi - Glicogeno sintesi - Glicogenolisi - Gluconeogenesi - Livelli di glucosio ematici alti: Glicolisi + Glicogeno sintesi +

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Fosforilazione a livello del substrato

Fosforilazione a livello del substrato 10 piruvato chinasi Fosfoenolpiruvato Rib Adenina Piruvato ADP Rib ATP Adenina Fosforilazione a livello del substrato 3 Fosfofruttochinasi-1 (PFK-1) Fruttosio 6-fosfato Fruttosio 1,6-bisfosfato 1 esochinasi

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