L ATP è sintetizzato in tre principali modi: 30/04/15

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1 L ATP è sintetizzato in tre principali modi: mediante fosforilazione a livello del substrato, mediante fosforilazione ossidativa, mediante fotofosforilazione 1

2 Prima via metabolica ad essere compresa. Universalmente diffusa in tutte le cellule. Avviene nel citosol di tutte la cellule Una molecola di glucosio viene degradata in una serie di reazioni catalizzate da enzimi per produrre due molecole di piruvato Importante ruolo metabolico centrale La glicolisi avviene in 10 tappe Fase preparatoria di investimento energetico - 2 ATP Fase di recupero energetico + 4 ATP + 2 equivalenti di riduzione NADH Negli organismi aerobici la glicolisi è il primo passaggio per la combustione completa del glucosio a CO 2 e H 2 O Negli organismi anaerobici è l unica via per la produzione di ATP La conversione del glucosio a piruvato nelle cellule in grado di respirare è detta glicolisi aerobica 2

3 L ATP è sintetizzato in tre principali modi: mediante fosforilazione a livello del livello substrato, del substrato, fosforilazione ossidativa, fotofosforilazione 3

4 Investimento energetico per aumentare l energia libera degli intermedi della via metabolica. Gli zuccheri fosforilati non sono più capaci di attraversare la membrana cellulare Le catene metaboliche di tutti gli esosi sono convertite in due molecole di gliceraldeide-3- fosfato La resa netta della glicolisi sono 2 molecole di ATP per molecola di glucosio. Altra energia è conservata n e l l a formazione di 2 molecole di NADH 4

5 Nelle cellule eucariotiche la glicolisi avviene nel CITOSOL, mentre la successiva ossidazione del piruvato avviene nei mitocondri. In alcuni tripanosomi avviene in un organulo citoplasmatico detto glicosoma 5

6 1 Esochinasi fosforila il glucosio intrappolandolo nella cellula infatti il glucosio 6-fosfato non può uscire dalla cellula. ISOENZIMA Negli epatociti : glucochinasi che differisce dall esochinasi per diverse proprietà cinetiche e regolatorie QUESTE FORME ISOENZIMATICHE Consentono al cervello e al muscolo di usare per primi il glucosio quando la concentrazione nel sangue è bassa Concentrazione di glucosio nel sangue = 5mM L esochinasi nei diversi organismi è generalmente caratterizzata da: 1. bassa specificità per gli zuccheri 2. bassa Km (0,1 mm) 3. Inibizione retroattiva da parte del suo prodotto, glucosio-6-fosfato. La glucochinasi nel fegato è invece caratterizzata da : 1.Specificità per il glucosio 2. Più alta Km (10 mm) 3. Non presenta inibizione retroattiva da prodotto Regolazione al livello del substrato. 6

7 Effetto della concentrazione del glucosio del sangue sulla velocità di fosforilazione catalizzata dalla glucochinasi (nel fegato, rimuove glucosio dal sangue dopo i pasti) e dalla esochinasi (nei tessuti diversi dal fegato è in saturazione di substrato e funziona a ritmo costante per fornire glucosio 6- fosfato alle cellule) 1 7

8 Prima reazione dove si ha conservazione di energia 8

9 Seconda fosforilazione al livello del substrato La formazione di ATP mediante il trasferimento di gruppi fosforici da un substrato come 1,3-bisfosfoglicerato viene detta FOSFORILAZIONE AL LIVELLO DEL SUBSTRATO per distinguerla dalla fosforilazione legata alla respirazione. Glucosio + 2ATP + 2NAD + + 4ADP + 2 Pi 2 piruvato +2ADP + 2NADH + 2H + + 4ATP + 2H 2 O Cancellando i termini comuni Glucosio + 2NAD + + 2ADP + 2Pi 2 piruvato + 2NADH + 2H + + 2ATP + 2H 2 O Devono venire riossidate 9

10 Affinché la via glicolitica possa operare, il NADH deve essere riossidato a NAD + mediante il trasferimento dei suoi elettroni ad un accettore in modo da mantenere uno stato stazionario: all ossigeno (fosforilazione ossidativa) O ad un altra molecola ossidante Fermentazione lattica Fermentazione alcolica 10

11 Lo scopo della riduzione del piruvato a lattato od ad etanolo è quello di rigenerare NAD + in modo che la glicolisi possa procedere regolarmente piruvato NADH NAD + + H + MEMBRANA CELLULARE permeabile Muscolo : rapporto NADH/NAD + ALTO lattato Fegato rapporto NADH/NAD + BASSO ISOENZIMI della LATTATO DEIDROGENASI Diverse forme ISOZIMATICHE. La lattato deidrogenasi (LDH) è una proteina tetramerica costituito da due diverse subunità: M ed H M 4, HM 3, H 2 M 2, H 3 M, H 4 FORME DIVERSE PER DIVERSE FUNZIONI TESSUTALI Piruvato decarbossilasi ALCOOL DEIDROGENASI Anche i tessuti animali contengono alcol deidrogenasi. Alcune delle principali conseguenze metaboliche dell intossicazione da alcool derivano dall ossidazione dell alcool, nel fegato,da parte di questo enzima. Per prima cosa si ha una massiccia riduzione di NAD+ a NADH, che riduce il flusso della glicolisi; inoltre l acetaldeide è piuttosto tossica e molti degli effetti spiacevoli dei postumi dell ubriacatura dipendono dall azione dell acetaldeide e dei suoi metaboliti 11

12 La rigenerazione del NAD + che si verifica nella riduzione del piruvato a lattato o etanolo sostiene la continuità del processo glicolitico in condizioni anaerobiche La fermentazione lattica negli organismi superiori avviene quando la quantità di ossigeno è limitata rispetto alla richiesta di energia della cellula Nei vertebrati durante una breve ma intensa attività muscolare muscolo lattato glucosio fegato L eccesso di ossigeno consumato durante il periodo di riposo rappresenta il DEBITO DI OSSIGENO, quantità di ossigeno necessaria a fornire ATP per la gluconeogenesi ( rigenerazione di glucosio da parte degli epatociti) 12

13 1) Nella maggior parte dei tessuti degli animali è convertito ad acetil-coa per essere demolito a CO 2 nel ciclo dell acido citrico 2) Certi tessuti e tipi di cellule, retina ed eritrociti,convertono il glucosio in lattato anche in condizioni aerobiche 3) In alcuni tessuti di piante in alcuni invertebrati, protisti, microrganismi come il lievito di birra. 4) Il piruvato può avere destini anche anabolici 13

14 Glucosio + 2NAD + + 2ADP + 2Pi 2 piruvato + 2NADH + 2H + + 2ATP + 2H 2 O Conversione esoergonica del glucosio in piruvato Glucosio + 2NAD + 2 piruvato + 2NADH + 2H + Formazione endoergonica di ATP ΔG 1 o = KJ/mole 2ADP + 2Pi 2ATP + 2H 2 O Processo irreversibile portato a completamento da questa grande diminuzione di energia libera ΔG 2 o = 2 (30,5 KJ/mole) = 61 KJ/mole ΔG s o = - 85 KJ/mole Nella glicolisi viene ricavato solo il 5,2% dell energia totale del glucosio (2840 KJ/mole) glicolisi strettamente coordinata ad altre importanti vie metaboliche SINTESI DEL GLICOGENO DEGRADAZIONE DEL GLICOGENO VIA DEL PENTOSO FOSFATO GLUCONEOGENESI CICLO DELL ACIDO CITRICO SINTESI DEGLI ACIDI GRASSI DIFFICILE CONSIDERARE LA GLICOLISI INDIPENDENTE DALLE ALTRE VIE METABOLICHE NELLA GLICOLISI DUE SONO GLI ENZIMI CHE HANNO FUNZIONI REGOLATRICI SUL CATABOLISMO DEL GLUCOSIO La FOSFOFRUTTOCHINASI-1 e la PIRUVATO CHINASI 14

15 enzima allosterico Enzima allosterico che ha come ATTIVATORI : AMP e ADP nel FEGATO anche il FRUTTOSIO-2,6-BISFOSFATO 6 P O CH OH O 1 CH 2 OH 2 HO O P 3 L inibizione consiste in una forte inibizione dell affinità apparente per il fruttosio-6-fosfato. INIBITORI: ATP (si lega ad un sito distinto dell enzima con affinità inferiore a quella del sito attivo). Il CITRATO, intermedio chiave per l ossidazione aerobica del piruvato. 15

16 INIBIZIONE DELLA GLICOLISI DA PARTE DEL GLUCOSIO Il flusso metabolico della fosfofruttochinasi viene rallentato in modo specifico dalla presenza di O 2 La glicolisi è controllata dall attività della fosfofruttochinasi. Osservazione fatta 1 secolo fa da Pasteur: Egli vide che quando delle colture anaerobiche di lievito che metabolizzavano glucosio venivano esposte all aria, la velocità di reazione diminuiva drasticamente. Questo effetto ha un preciso significato metabolico dovuto al fatto che dall ossidazione completa del glucosio si ottiene di gran lunga più energia che dalla sola glicolisi Il piruvato è punto di biforcazione nel catabolismo degli zuccheri e l enzima che catalizza la sua produzione è il secondo enzima che regola la glicolisi. Presenta una attivazione a feedforward, inverso della retroinibizione, da parte del fruttosio-1,6-bisfosfato. 16

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18 Quadro di insieme della regolazione della glicolisi Per essere riossidato nella fosforilazione ossidativa deve entrare nel mitocondrio ma il NADH non può attraversare la membrana mitocondriale interna..???????? NADH Sistema navetta Diidrossiaceto ne fosfato/ glicerolo-3- fosfato Sistemi navetta per il trasferimento degli equivalenti di riduzione dal citosol ai mitocondri Sistema navetta malato/aspartato 18

19 SISTEMI NAVETTA (SHUTTLE) OSSIDAZIONE DEL NADH CITOSOLICO Particolarmente attivo nel fegato e nel cuore Particolarmente attivo nel cervello e nei muscoli del volo degli insetti 19

20 La forza motrice protonica fornisce energia al trasporto attivo FAVORITA DAL GRADIENTE ELETTRONICO TRANS-MEMBRANA FAVORITA DAL GRADIENTE PROTONICO TRANS-MEMBRANA Molti altri carboidrati sono disponibili come fonti di energia Provengono sia dalla digestione di alimenti che da metaboliti endogeni 20

21 Nell epatocita Idrolisi del saccarosio NEL FEGATO nel muscolo e nel rene dei vertebrati Esochinasi ha un affinità 20 volte più alta per il glucosio Scavalca la regolazione a livello della fosfofruttochinasi spiegando la facilità con cui il fruttosio proveniente dalla dieta viene convertito in grasso 21

22 LA DIGESTIONE DEI GRASSI NEUTRI (triacilgliceroli) e della maggior parte dei fosfolipidi genera GLICEROLO come uno dei prodotti. Il glicerolo entra nella glicolisi 22

23 Digestione dei polisaccaridi introdotti con la dieta : amido e glicogeno IDROLISI SCISSIONE Mobilizzazione delle riserve di glicogeno proprie dell animale FOSFOROLISI Il glucosio unica fonte energetica usata dal cervello (ad eccezione dei periodi di digiuno prolungati). Il glicogeno è presente principalmente nel citosol cellulare del fegato e del muscolo scheletrico, sottoforma di granuli che contengono proteine regolatorie ed enzimi che ne catalizzano la sintesi e la degradazione. Scissione fosforolitica dei legami glicosidici α(1-4) catalizzata dalla glicogeno fosforilasi IMPORTANZA DEL GLUCOSIO-1-FOSFATO 1. In questa fosforolisi parte dell energia del legame glicosidico viene conservata mediante la formazione del legame estere fosforico del glucosio-1-fosfato 2. Il glucosio-1-fosfato non può diffondere fuori dalla cellula il glucosio sì Estremità non riducente 23

24 Il glicogeno del muscolo rappresenta una sorgente rapidamente disponibile per la cellula. Nel fegato rappresenta una fonte per l omeostasi di glucosio del sangue nell intervallo tra i pasti. Dopo 12, 18 ore da un pasto il glicogeno del fegato è quasi completamente consumato. La glicogeno fosforilasi agisce sulle estremità non riducenti delle ramificazioni del glicogeno GLICOGENO Un residuo ogni 10 contiene una ramificazione: legame α(1-6) glicosidico La glicogeno fosforilasi agisce ripetitivamente sulle estremità non riducenti delle ramificazioni del glicogeno fino a 4 residui di glucosio dall inizio di una ramificazione L attività transferasica dell enzima sposta, da prima un blocco di tre residui dalla ramificazione all estremità non riducente vicina legandola con legame glicosidico (α 1-4), poi taglia l ultimo residuo rimasto sulla ramificazione con attività glicosidica (α 1-6). Le due attività, trasferasica e glicosidica, sono attività separate di un unica proteina enzimatica: ENZIMA DERAMIFICANTE Il glucosio-1-fosfato è poi convertito a glucosio-6-fosfato per entrare nel flusso metabolico principale (Es.:GLICOLISI) 24

25 Glucosio 1-fosfato fosfoglucomutasi glucosio 6-fosfato La MOBILIZZAZIONE DEL GLICOGENO così come la GLUCONEOGENESI producono forme fosforilate che non possono uscire dalla cellula epatica. La conversione in glucosio libero comporta l azione della Glucosio-6- fosfatasi enzima presentenel fegato,nel rene e nell intestino. Al contrario il glicogeno muscolare serve per il CATABOLISMO della cellula per cui il muscolo non possiede questo enzima. Nel fegato (e nei reni), ma non nel muscolo Glucosio-6-P Glucosio-6-fosfatasi glucosio + Pi può uscire dalla cellula nel sangue La mobilizzazione del glicogeno è controllata da ORMONI attraverso una cascata metabolica che è attivata dalla formazione di camp e prevede di FOSFORILAZIONI SUCCESSIVE di proteine enzimatiche 25

26 GLICOGENO Molte sono le vie che confluiscono o che partono dal glucosio-6-fosfato GLUCOSIO LIBERO Glucosio-6-fosfato GLICOLISI GLUCONEOGENESI VIA DEL PENTOSO FOSFATO 26

27 GPD idrolasi PGD isomerasi Produce NADPH e ribosio 5-fosfato Formazione di NADPH per la sintesi di acidi grassi e degli steroli Glucosio 6-fosfato + 2NADP + + H 2 O Biosintesi dei nucleotidi e degli acidi nucleici ribosio 5-fosfato + CO NADPH + 2H + I l r u o l o d i q u e s t a v i a è principalmente anabolico ( i prodotti servono per l anabolismo) piuttosto che catabolico, sebbene comporti l o s s i d a z i o n e d e l glucosio Nei tessuti che richiedono principalmente, od in un certo momento NADPH, i pentoso fosfati vengono riciclati a glucosio 6-fosfato mediante una serie di reazioni GPD idrolasi PGD isomerasi epimerasi tk ta tk Tutte le reazi oni sono rever sibili 27

28 Formazione di R5P a partire da intermedi della glicolisi VIE ALTERNATIVE DEI PENTOSO FOSFATI 28

29 NADPH è utilizzato in reazioni che richiedono un donatore di elettroni con elevato potere riducente Specie reattive dell ossigeno Reazioni antiossidanti Nei globuli rossi la via dei pentoso fosfati fornisce NADPH per la riduzione del glutatione ossidato Le cellule rigenerano glutatione ridotto attraverso una reazione catalizzata dalla glutatione reduttasi che utilizza NADPH come fonte di elettroni riducenti I globuli rossi dipendono esclusivamente dalla via dei pentosi fosfati per la produzione di NADPH 29

30 Il gene per questo enzima si trova sul cromosama x In individui con carenza di G6PD Farmaci ossidativi Antibiotici Antimalarici Antipiretici FAVISMO Effetto emolitico innescato da ingestione di fave Il difetto si manifesta con emolisi dei globuli rossi quando individui sensibili sono sottoposti a stress ossidativo causato da farmaci antiossidativi o per l ingestione di fave ( Vicia faba, FAVISMO) 300 mutazioni che spiegano numerose varianti del gene G6PD A- e G6PD mediterranea differiscono dalla condizione normale per un solo aa 30

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