Nella cellula le reazioni enzimatiche solo raramente sono isolate, in genere esse formano vie metaboliche (glicolisi), che spesso si intersecano
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- Albana Mancini
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1 Obiettivo didattico Perché le molecole Il metabolismo Le fonti alimentari Dal sangue alle cellule Le differenze tra le cellule I motivi unificatori: l informazione. P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
2 Nella cellula le reazioni enzimatiche solo raramente sono isolate, in genere esse formano vie metaboliche (glicolisi), che spesso si intersecano formando una rete integrata: il metabolismo P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
3 P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
4 DIGESTIONE E CATABOLISMO P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
5 P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
6 La glicemia La glicemia può essere definita banalmente come la concentrazione di glucosio nel sangue. Valori normali: sono indicati da un intervallo che varia a seconda della metodologia utilizzata per determinarla, ma è di circa mg/100ml (dl). Questo valore deve essere mantenuto. Per il mantenimento ci sono una serie di meccanismi che presiedono a quella che vienedefinita come: l omeostasi del glucosio. P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
7 INTRODUZIONE ALLA GLICOLISI Il glucosio: combustibile universale per le cellule che lo utilizzano per produrre ATP mediante la glicolisi. La via glicolitica può produrre ATP indipendentemente dalla presenza di O2. Il G. è il glucide più rappresentato nella dieta, la sua presenza costante nel sangue garantisce il giusto apporto di energia a tutte le cellule, in particolare a quelle che dipendono in maniera più stringente dal G. come il cervello che utilizza quasi esclusivamente glucosio. P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
8 P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
9 P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
10 P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
11 Glucosio + 2NAD + + 2Pi + 2ADP 2piruvato + 2NADH + 4H + + 2ATP + 2H 2 O G 0 negativo = -22 Kcal
12 L esochinasi innesca la glicolisi
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14 La seconda tappa della glicolisi è una isomerizzazione: una reazione che cambia la forma di una molecola, senza aggiungere o rimuovere atomi.
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18 La trioso fosfato isomerasi è stata descritta come un enzima perfetto. Compie il suo lavoro miliardi di volte più velocemente rispetto alla reazione non catalizzata. È così veloce che la velocità di reazione è determinata da quanto velocemente possono arrivare all'enzima le molecole.
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30 reazioni in successione lineare costituiscono il pathway della glicolisi. Il glucosio viene ossidato lentamente per produrre due tronconi da 3 atomi di carbonio: piruvato
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33 La fermentazione alcolica è una forma di metabolismo energetico che avviene in alcuni lieviti in assenza di ossigeno. Essa è responsabile di diversi fenomeni che vediamo ogni giorno, quali la lievitazione del pane o la trasformazione del mosto in vino. Essa è operata da una particolare classe di microrganismi, i Saccharomyces, dei quali il più comune è senz'altro il S.cerevisiae, presente sulla buccia dell'uva come nel lievito di birra. Fu il primo processo metabolico realizzato in vitro, grazie all'isolamento degli enzimi, così chiamati proprio perché isolati nel lievito (zimé). Ciò apportò un duro colpo al vitalismo. Tiamina PPi (vit B1) La fermentazione lattica è una forma di metabolismo energetico che avviene in alcuni batteri e nella cellula animale in assenza di ossigeno. Consiste nella trasformazione di una molecola di glucosio (o di un altro zucchero fermentabile) in due molecole di acido piruvico che vengono successivamente ridotte ad acido lattico con una bassa resa energetica. Questa via metabolica prende il nome dal principale prodotto finale ma viene detta anche omolattica per distinguerla da quella eterolattica che utilizza un meccanismo diverso. La fermentazione lattica si incontra principalmente nei lattobacilli e nel metabolismo anaerobico di alcuni tessuti (muscolo) degli organismi pluricellulari. La fermentazione lattica svolta dai lattobacilli è presente nella vagina e nel tratto gastrointestinale umano in cui assume un ruolo tanto importante da spingere alcuni a considerare i lattobacilli dei probiotici. La fermentazione lattica è coinvolta nella preparazione di numerosi alimenti tra cui ricordiamo lo yogurt, il kefir, i capperi ed i crauti.
34 Regolazione Glicolisi Glucosio>>>>>Piruvato Glicolisi La velocità è regolata da 2 esigenze cellulari: 1) Produzione di ATP 2) Produzione di precursori biosintetici ad.es. Ac. Grassi. Le reazioni catalizzate da: esochinasi, fosfofruttochinasi e piruvato chinasi sono pressocchè irreversibili, dunque regolate. Le regolazioni sono: allosteriche e covalenti. Oltre che per i livelli di proteina.
35 L esochinasi è inibita (In. allosterica) dal suo prodotto: Il G-6P. La glucochinasi, invece, è inibita dal fruttosio-6p. Se la fosfofruttochinasi è inattiva il F-6P si accumula, e si accumula anche G-6P.
36 Fosfofruttochinasi: 1.Regolata da ATP e da AMP (reg. allosterica: msec.), 2.Perchè AMP e non ADP? ADP+ATP ATP+AMP 3.(riduzione del ph: H + aumentati dalla produzione di ac. Lattico.) 4. E inibita dal citrato (un intermedio precoce del ciclo di Krebs). Il citrato in eccesso indica abbondanza di precursori, quindi non c è bisogno di degradare altro glucosio.
37 Glut 1- Glut 14: trasportatori di Glucosio Glut 1: eritrociti, encefalo. Glut 3: neuroni. Glut 4: t.adiposo e muscolo sch. Glut 2: fegato e cellule β del pancreas (bidirezionale) Glt 5: Intestino e testicoli (trasportatore di fruttosio preferenziale). Glut 7 fegato e altri t. gluconeogenici (trasporta glu. attraverso il reticolo) Glut 1,3,4: trasporto facilitato (lungo gradiente di conc.) P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
38 P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
39 Esochinasi o glucochinasi (esochinasi IV) P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
40 Esochinasi: funziona su + substrati anche a basse concentrazioni di glucosio, con bassa velocità, in modo da sequestrare solo gli zuccheri realmente utilizzabili. Glucochinasi: parenchima epatico e cellule β pancreas: Km molto alta, ([glucosio] post prandiale Vmax molto elevata, (il fegato può eliminare il glucosio dal sangue portale (glut2), efficacemente. -fruttosio6p -glucosio6p Glucosio+ P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
41 EPATICA P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
42 P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
43 Carica energetica 2 enzima chiave 1 Nel fegato e nel rene aldolasi B scinde il Fruttosio 6 P introdotto con l alimentazione P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
44 P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
45 Il fruttosio 2,6-bisfosfato è una molecola zuccherina che pur non essendo un composto intermedio del metabolismo di carboidrati ne regola finemente le dinamiche. Il fruttosio 2,6-bisfosfato si forma da una piccola parte di fruttosio 6-fosfato prodotto nella glicolisi e sottratto grazie all'azione di un enzima bifunzionale ad attività chinasica, fosfofruttochinasi 2, PFK 2, e ad attività fosfatasica, fruttosio 2,6-bisfosfatasi, FBPasi 2, che hanno ciascuno effetto inverso all'altro. P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
46 P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
47 P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
48 il 2,3-BPG è presente in concentrazioni elevate nei soli eritrociti, mentre nel resto dell'organismo ha concentrazioni infinitesimali. Essendo però in equilibrio con l'1,3-bpg, proveniente dalla glicolisi, attraverso l'azione di una mutasi (Bifosfoglicerato mutasi), ed essendo l'1,3-bpg continuamente prodotto, appare chiaro che la via del 2,3-BPG è solo una diramazione secondaria, anche se importante, della via glicolitica. Inoltre, pur essendo la reazione mutasica fortemente favorevole alla formazione del 2,3-BPG, questo è un potente inibitore dell'enzima, la cui attività è quindi sottoposta a feedback negativo Il 2,3-BPG si forma dall' 1,3-BPG (intermedio glicolitico) ad opera dell'enzima chiamato BPGmutasi. Nell'uomo la 2,3-BPG fosfatasi catalizza la conversione 2,3-BPG + H2O 3 fosfoglicerato + PO4 Seguita da uno spostamento del gruppo fosforico in posizione 2 per una mutasi (Fosfoglicerato mutasi) 3 fosfoglicerato 2 fosfoglicerato Da qui il 2 fosfoglicerato può essere convertito in fosfoenolpiruvato, per condensazione, attraverso l'azione di un altro enzima (2 fosfoglicerato idrolasi,). 2 fosfoglicerato fosfoenolpiruvato P. + Champe, H2OR. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
49 Il2,3-BPG, presente nei globuli rossi in concentrazione simile a quella dell'emoglobina. Si lega con la Deossiemoglobina in proporzione di 1:1, attaccando selettivamente la cavità centrale del tetramero, stabilizzandone la struttura, e diminuendone così l'affinità per l'ossigeno. Quando l'emoglobina raggiunge i tessuti le catene β sono le prime a cedere l'ossigeno e tale perdita comporta uno spostamento dei monomeri dal centro. Appena la cavità idrofila si apre il BPG entra e si lega al tetramero. La struttura così stabilizzata può rilasciare anche l'ossigeno delle due catene α. Nei polmoni avviene il processo inverso. Ad alta pressione di ossigeno le catene α sono le prime a legarlo ed il BPG viene "spremuto" ed espulso dal tetramero, consentendo un più facile legame Ossigeno-Catena β. Il BPG è legato alla gluconeogenesi ed alla glicolisi: Emoglobina Il 2-3-bifosfoglicerato è presente negli eritrociti, ed ha il compito di ridurre l'affinità dell'emoglobina verso l'ossigeno. Ciò è importante ad alta quota, dove la pressione parziale dell'ossigeno è molto bassa: a bassa pressione, la porzione di emoglobina saturata con l'ossigeno arriva a malapena al 60%, quindi le arterie trasportano un sangue relativamente poco ossigenato. Per far rimanere costante la quantità di ossigeno ceduto ai tessuti, serve un fattore che riduca l'affinità per l'ossigeno, inducendo l'emoglobina a liberare più facilmente il gas a livello dei capillari. Questo modulatore è il 2,3-difosfoglicerato, che si inserisce in una tasca tra le subunitàβ, formando un ponte negativo tra residui amminoacidici positivi, stabilizzando quindi la forma tesa della proteina. P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
50 P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
51 La carenza (anomalia) di piruvato chinasi è, la seconda causa di anemia emolitica (la glu-6-p deidrogenasi è la prima) P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
52 La glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) è l'enzima che catalizza la prima reazione della via dei pentoso fosfati: D-glucosio 6-fosfato + NADP+ D-glucono-1,5-lattone 6-fosfato + NADPH + H+ Tale reazione è la prima della fase detta ossidativa, che ha lo scopo di trasformare uno zucchero aldoso a sei atomi di carbonio (con un gruppo fosfato al carbonio 6) in uno zucchero pentoso (con un fosfato al carbonio 5), il ribosio-5-fosfato, a partire dal quale viene sintetizzato il fosforibosilpirofosfato (PRPP), necessario per la biosintesi dei nucleotidi purinici e pirimidinici. In caso di carenza genetica di G6PD, condizione nota come favismo, la prima reazione della via del pentosio fosfato non è svolta efficientemente, per cui si crea una carenza di NADPH. Da ciò deriva l'impossibilità di riportare ogni volta il glutatione della perossidasi in forma ridotta, cosicché diventa difficile la detossificazione di specie reattive perossidanti come l'acqua ossigenata ed altri radicali derivanti da farmaci (antimalarici, sulfamidici) o anche da un agente tossico contenuto nelle fave, la divicina. In caso di contatto con questi tossici, i soggetti fabici, vengono esposti ad altissimo stress ossidativo, a cui vanno particolarmente soggette le membrane cellulari. Il danno maggiore è subito dagli eritrociti, i quali vanno incontro a lisi, con liberazione di emoglobina in circolo e conseguente possibilità di ittero: si ha una crisi emolitica. Per questo è importante che persone affette da favismo non vengano mai a contatto, né diretto né indiretto, con fave fresche, ed anche che non gli vengano somministrati determinati farmaci; nel caso ciò succedesse, la crisi emolitica scatenata potrebbe in breve condurre a morte. P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
53 P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
54 Quando nel muscolo scheletrico la produzione di NADH eccede la capacità riossidativa (catena respiratoria), allora il rapporto NADH/NAD diventa elevato e questo favorisce la trasformazione del piruvato in lattato. Nel fegato e nel cuore questo rapporto (NADH/NAD) è basso quindi il lattato è ossidato a piruvato. Nel fegato il piruvato è poi convertito in glucosio oppure è decarbossilato a AcetilCoA Acidosi lattica. Elevata concentrazione nel plasma di ac. Lattico. Si verifica per un collasso del sistema circolatorio (infarto,embolia polmonare, emorragie massive). Tutte hanno in comune il deficit di O 2 a carico dei tessuti con conseguente rallentamento della catena respiratoria e riduzione di ATP. Per sopravvivere le cellule usano la glicolisi anaerobia. Quando il danno viene risolto le cellule recuperano una normale attività, utilizzando un surplus di ossigeno. Debito di ossigeno P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
55 P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
56 P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
57 P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
58 Tiamina PPi (vit B1)
59 P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
60 Il glucosio può essere sintetizzato a partire da precursori non glicidici 120g di glucosio servono al cervello (120/160 totali per l organismo intero). 20g sono nei liquidi organici. 190g rappresentano la riserva sotto forma di glicogeno La gluconeogenesi converte: piruvato glucosio
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68 NADH+H+ NAD NAD NADH+H+
69 fosfofrottochinasi: AMP ATP e citrato Fruttosio 1,6 bis fosfatasi:amp ATP e citrato
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72 In condizioni d'ipoglicemia viene prodotto il glucagone che interagendo con un recettore transmembrana, induce l'attivazione dell'enzima adenilato ciclasi che catalizza la formazione del camp. Il camp attiva la proteina chinasi camp dipendente che trasferisce il gruppo fosfato dall'atp al gruppo -OH del PFK 2/FBPasi 2. Fosforilando l'enzima se ne blocca l'attività fosfofruttochinasica e attiva l'azione fruttobifosfatasica. In questo modo il glucagone abbassa la concentrazione cellulare di fruttosio 2,6-bisfosfato e inibisce la glicolisi favorendo la gluconeogenesi, poiché oltre ad essere un inibitore della fosfofruttochinasi è un potente attivatore della fruttosio-1,6-bisfosfatasi-1, un enzima coinvolto in una delle tre reazioni che distinguono la via della gluconeogenesi, appunto, dalla via glicolitica.
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78 Galattosemia
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80 Concentrazione glucosio ematico: 5mM = 90mg/100ml intervallo glicemico normale: mg/100ml KT dei Glut per il glucosio: 1 mm(1,3); 5mM (4); 5-20mM (2). di glut 1, 3 e 4 Per KT si intende la concentrazione di sub. a cui si raggiunge la metà della Vmax di trasporto (maggiore è la KT minore è l affinità del trasportatore per il sub.)
81 La glicolisi avviene nel citosol e produce NADH citosolico. Il NADH non può attraversare la membrana mitocondriale interna, utilizza 2 sistemi navetta: il malatoaspartato e il glicerolo 3-fosfato. Il piruvato viene poi ossidato completamente a CO2 dalla piruvico deidrogenasi e dal ciclo degli acidi tricarbossilici (ciclo di Krebs). La completa ossidazione aerobica del glucosio genera da 30 a 32 molecole di ATP P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
82 Se le cellule hanno un limitato apporto di O2 (es. midollare del rene), o i mitocondri sono in numero limitato o addirittura assenti (occhio e globulo rosso), o quando le richieste di ATP sono particolarmente elevate (muscolo scheletrico in intensa attività fisica) la glicolisi anaerobica è la principale fonte di energia. La lattico deidrogenasi (LDH) riduce il piruvato a lattato utilizzando il NADH come coenzima, si producono ac. Lattico e NAD+. Si produrranno in questo caso solo 2 molecole di ATP (fosforilazione a livello del substrato) senza utilizzare la via mitocondriale per rigenerare il NAD+ e quindi in maniera indipendente dall O2. Il lattato (Ac. Lattico) viene rilasciato nel sangue. In condizioni patologiche di anossia i tessuti possono produrre con questo meccanismo una tale quantità di acido lattico da causare acidosi lattica. P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
83 La glicolisi è regolata in ogni cellula per assicurare il mantenimento dell omeostasi dell ATP, senza spreco di glucosio. L enzima esochinasi è inibito dal G-6P, cioè non entra altro Glucosio nella cellula fino a che il G-6P non è entrato nella via metabolica (glicolisi, Ciclo dei pentosi, glicogenosintesi). L entrata del G-6P è regolata dall enzima fosfofruttochinasi 1 (PFK1), enzima limitante la via. La PFK-1 è inibito da ATP e attivato da AMP. Nel fegato e nel tessuto adiposo il piruvato è precursore per la biosintesi degli ac. grassi. Inoltre la glicolisi genera intermedi per la biosintesi di amminoacidi e di zuccheri a 5 atomi di carbonio. P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006
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