Corso di Laurea in Farmacia Insegnamento di BIOCHIMICA Angela Chambery

Transcript

1 Corso di Laurea in Farmacia Insegnamento di BIOCHIMICA Angela Chambery Lezione 29

2 La via del pentosio fosfato Concetti chiave: La via del pentosio fosfato è costituita da tre fasi in cui viene prodotto NADPH, i pentosi vengono isomerizzati e gli intermedi glicolitici sono recuperati. Questa via fornisce NADPH per le biosintesi riduttive e ribosio-5-fosfato per la biosintesi dei nucleotidi nella quantità richieste dalla cellula.

3 La via del pentosio fosfato La fotosintesi prevede una fase luminosa che avviene nelle membrane del tilacoide durante le ore diurne in presenza di luce. Durante il ciclo di Calvin, le reazioni enzimatiche riducono la CO 2 a carboidrati nello stroma dei cloroplasti. Gli organismi fotosintetici possono utilizzare le reazioni alla luce per la produzione di NADPH.

4 La via del pentosio fosfato La via del pentosio fosfato, che si svolge nel citoplasma di tutti gli organismi, soddisfa le necessità di NADPH degli organismi non fotosintetici e dei tessuti non fotosintetici delle piante (via metabolica speculare al ciclo di Calvin). Sintesi Vie che richiedono NADPH Biosintesi degli acidi grassi La via del pentosio fosfato, è una fonte di energia importante di NADPHda utilizzare nelle biosintesi riduttive e nella protezione da stress ossidativo. Biosintesi del colesterolo Biosintesi dei neurotrasmettitori Biosintesi dei nucleotidi Detossicazione Riduzione del glutatione ossidato Citocromo P450 monoossigenasi Nella via si produce anche il Ribosio 5-fosfato, precursore nella sintesi dei nucleotidi presente in: ATP, CoA, NAD +, FAD, DNA, RNA.

5 Trasportatori di elettroni derivati dalla nicotinamide Il NADH viene ossidato dalla catena respiratoria per generare ATP Il NADPH serve come donatore di elettroni nelle biosintesi riduttive

6 La via del pentosio fosfato Questa via consiste di due fasi: 1. Una fase ossidativa nella quale si genera NADPH. 2. Una fase non ossidativa di interconversione degli zuccheri in cui si genera ribosio 5-fosfato.

7 La via del pentosio fosfato: Fase ossidativa (reazione 1) La fase ossidativainizia con la deidrogenazione del glucosio 6-fosfato a livello dell atomo di C1 ad opera della glucosio 6-fosfato deidrogenasi, specifico per il NADP +. La G6PD produce la prima molecola di NADPH.

8 La via del pentosio fosfato: Fase ossidativa (reazioni 2 e 3) La tappa successiva consiste nell idrolisi dell estere 6-fosfoglucono-δ-lattone catalizzata da una lattonasi e si produce 6-fosfogluconato che viene poi decarbossilato ossidativamente dalla 6- fosfogluconato deidrogenasie si ottiene il ribulosio5-fosfato. Il NADP + ènuovamente l accettore di elettroni.

9 La via del pentosio fosfato: Fase ossidativa (reazioni 1-3) Le reazioni della fase ossidativa generano due molecole di NADPH ed una molecola di ribulosio 5-fosfato per ciascuna molecola di glucosio 6-fosfato ossidata.

10 La via del pentosio fosfato: Fase non ossidativa (reazioni 4-5) Il ribulosio 5-fosfato viene successivamente isomerizzato a ribosio 5-fosfato dalla ribulosio 5- fosfato isomerasi oppure viene convertito a xilulosio 5-fosfato ad opera di una epimerasi. Infatti, nonostante il ribosio 5-fosfato sia precursore di molte biomolecole, molte cellule hanno una richiesta di NADPH maggiore rispetto a quelle di ribosio 5-fosfato. Ciò avviene ad esempio nel tessuto adiposo, nel fegato e nelle ghiandole mammarie per portare a termine la biosintesi degli acidi grassi. In tal caso, il ribosio 5-fosfato viene convertito in gliceraldeide 3-fosfato e fruttosio 6-fosfato ad opera di transchetolasie transaldolasi.

11 La via del pentosio fosfato: Fase non ossidativa La transchetolasi e transaldolasiche collegano irreversibilmente la via del pentosio fosfato alla glicolisi catalizzando tre reazioni successive: Transchetolasi C5+ C5 C3 + C7 Transaldolasi C7 + C3 C4 + C6 Transchetolasi C5+ C4 C3+ C6 Il risultato complessivo di queste reazioni èla formazione di due esosi e di un triosio a partire da tre pentosi: 3 C5 2 C6 + C3

12 Meccanismi di azione di transchetolasi e transaldolasi La transchetolasi trasferisce una unità bicarboniosa a differenza della transaldolasi che trasferisce una unità tricarboniosa. La transchetolasi, a differenza della transaldolasi, contiene una TPP come gruppo prostetico al fine di trasferire un gruppo chetonico da un chetosio donatore ad un aldosio accettore. La transaldolasiforma invece una base di Schiff tra il gruppo carbonilico del chetosiosubstrato e il gruppo ε-amminico di un residuo di Lys nel sito attivo dell enzima.

13 Meccanismi di azione di transchetolasi e transaldolasi L atomo di azoto della base di Schiff protonata svolge lo stesso ruolo dell azoto dell anello tiazolico della transchetolasi. In entrambi gli enzimi, un gruppo di un intermedio diventa un carbanioneche attacca un gruppo carbonilico formando un nuovo legame C-C (in fucsia). In entrambi i casi la carica sul carbanione è stabilizzata per risonanza.

14 La via del pentosio fosfato: Fase non ossidativa (reazione 6) Il donatore dell unitàbicarboniosaèlo xilulosio5-fosfato, un epimero del ribulosio5-fosfato. Un chetosio è un substrato della transchetolasi soltanto se il gruppo ossidrilico sul C3 ha la configurazione dello xilulosio anziché del ribulosio. Transchetolasi C5+ C5 C3 + C7

15 La via del pentosio fosfato: Fase ossidativa La transchetolasi trasferisce una unità bicarboniosa a differenza della transaldolasi che trasferisce una unità tricarboniosa. utilizza TPP come coenzima al fine di trasferire un gruppo chetonico da un chetosio donatore ad un aldosio accettore.

16 La via del pentosio fosfato: Fase non ossidativa (reazione 7) Transaldolasi C7 + C3 C4 + C6

17 La via del pentosio fosfato: Fase non ossidativa (reazione 8) Transchetolasi C5+ C4 C3+ C6

18 Bilancio fase non ossidativa della via del pentosio fosfato La somma di queste reazioni è: 2 Xilulosio 5-fosfato + ribosio 5-fosfato 2 fruttosio 6-fosfato + gliceraldeide 3-fosfato Poiché lo xilulosio 5-fosfato si può formare anche dal ribosio 5-fosfato per l azione sequenziale di una isomerasi e di una epimerasi, la reazione netta a partire dal ribosio 5- fosfato è: 3 ribosio 5-fosfato 2 fruttosio 6-fosfato + gliceraldeide 3-fosfato Il ribosio 5-fosfato in eccesso dalla via del pentosio fosfato può essere totalmente convertito in intermedi della glicolisi, così come il ribosio ingerito con la dieta.

19 La via del pentosio fosfato: Fase non ossidativa

20 La via del pentosio fosfato

21 Regolazione della via del pentoso fosfato Il glucosio 6-fosfato viene metabolizzato sia dalla via glicolitica sia dalla via del pentosio fosfato. In che modo questo intermedio viene ripartito tra le due vie metaboliche? Glicolisi to Pentoso fosfa Glucosio 6-fosfato

22 Regolazione della via del pentoso fosfato La regolazione della via del pentoso fosfato avviene al livello della prima reazione, la deidrogenazione del glucosio 6- fosfato, che è una reazione irreversibile. Il fattore di regolazione più importante è il livello di NADP +, l accettore di elettroni in questa reazione catalizzata dalla glucosio 6- fosfato deidrogenasi. Bassi livelli di NADP + inibiscono la reazione. Tale effetto inibitorio è potenziato dal NADPH che compete con il NADP + per il legame all enzima. La parte non ossidativa della via del pentoso fosfato è controllata principalmente dalla disponibilità dei substrati.

23 Relazione tra glicolisi e via del pentosio fosfato Il flusso del glucosio 6-fosfato dipende dal fabbisogno di NADPH, ribosio 5- fosfato (R5P) e ATP. L eccesso di R5P può essere trasformato in intermedi glicolitici. Quando la richiesta di R5P supera quella di NADPH il F6P e la GAP possono essere prelevati dalla glicolisi per essere impiegati nella sintesi di R5P tramite inversione delle reazioni della transaldolasie della transchetolasi.

24 La relazione tra glicolisi e via del pentosio fosfato Finalità 1. Il fabbisogno di ribosio 5-fosfato è superiore a quello di NADPH (Es.: cellule in rapida divisione necessitano di ribosio 5-fosfato per la sintesi di DNA). Glicolisi Reazioni inverse della via del pentoso fosfato

25 La relazione tra glicolisi e via del pentosio fosfato Finalità 2. Il fabbisogno di NADPH e di ribosio 5-fosfato si equivalgono. Via del pentosofosfato (fase ossidativa)

26 La relazione tra glicolisi e via del pentosio fosfato Finalità3.Il fabbisogno di NADPH èsuperiore a quello di ribosio 5-fosfato (Es.: cellule del tessuto adiposo che richiedono NADPH per la biosintesi di acidi grassi vengono generate 12 NADPH). Via del pentosofosfato (fase ossidativa) Gluconeogenesi Via del pentosofosfato (fase non ossidativa)

27 La relazione tra glicolisi e via del pentosio fosfato Finalità 4. Sono richiesti NADPH e ATP generati dall ingresso della gliceraldeide 3-fosfato e del fruttosio 6-fosfato derivanti dalla fase ossidativa della via del pentoso fosfato nella via glicolitica. Via del pentosofosfato (fase ossidativa) Glicolisi

28 Carenza di glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) La glucosio 6-fosfato deidrogenasi svolge un ruolo chiave nella protezione contro le specie reattive dell ossigeno. Il NADPH generato dalla glucosio 6-fosfato deidrogenasi mantiene le concentrazioni appropriate di glutatione ridotto, necessarie per annullare lo stress ossidativo e mantenere riducente l ambiente all interno della cellula.

29 Carenza di glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) Negli eritrociti, il GSH elimina l H 2 O 2 e gli idroperossidi organici che danneggiano l emoglobina e le membrane cellulari ad opera della glutatione perossidasi. Il GSSG viene poi ridotto in una reazione catalizzata dalla glutatione riduttasi. E pertanto vitale per l integrità degli eritrociti avere un continuo rifornimento di NADPH.

30 Carenza di glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) Senza adeguati livelli di NADPH i gruppi solfidrilici dell emoglobina non possono essere mantenuti nella forma ridotta. Quindi si formano legami crociati tra le molecole di emoglobina generando aggregati chiamati corpi di Heinz che si depositano sulle membrane. Le membrane danneggiate dai corpi di Heinz e dai ROS si deformano e vanno incontro a lisi (anemia emolitica).

31 Carenza di glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) Le cellule ed in particolare gli eritrociti con diminuita attività di G6PD sono particolarmente sensibili allo stress ossidativo. Tale carenza causa anemia emolitica indotta dall assunzione di farmaci antimalarici (primachina) o dall assunzione di fave che contengono divicina(favismo). Entrambi i composti sono agenti ossidanti che stimolano la formazione di perossidi aumentando la domanda di NADPH.

32 Carenza di glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) Oltre 400 milioni di persone presentano carenza di G6PD causate da più di 400 varianti mutate dell enzima, una delle piùcomuni carenze enzimatiche umane. Come per l anemia falciforme, la carenza di G6PD conferisce un vantaggio selettivo ai portatori nelle aree malariche in quanto gli eritrociti carenti sono ospiti meno adatti al plasmodio della malaria (in giallo).