Metabolismo dei carboidrati I

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1 Prof. Giorgio Sartor Metabolismo dei carboidrati I Copyright by Giorgio Sartor. All rights reserved. B09-I Versione 3.0 Feb-17 Indice Glicogeno Metabolismo del Glicogeno C 2 C 2 P C Gluconeogensi Fermentazione lattica (Anaerobiosi) 2 Lattato D-Glucoso 2 + 2Pi 2NAD + Fruttoso-1,6-difosfato 2 2NAD 2NAD + 2 Piruvato 3 C 2NAD Fermentazione alcolica (Anaerobiosi) 2 C etanolo Glicolisi Piruvato Acetil-CoA Riboso-5-fosfato Ciclo dei pentosi 3-fosfogliceraldeide 2 NAD NAD + ssidazione aerobica NAD + Ciclo di Krebs Fosforilazione ossidativa 6 C Pi + + 1

2 v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I - 4-2

3 I glucidi I glucidi sono tra i maggiori fornitori di energia degli organismi. Sono introdotti con la dieta e prodotti dalle cellule. Sono in genere dei polisaccaridi. Attraverso la digestione vengono degradati a monosaccaridi (glucosio, fruttosio, galattosio, ) v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I I glucidi I monosaccaridi vengono demoliti per produrre energia a spesa dei legami chimici. In presenza di ossigeno si ha la combustione completa del monosaccaride: C C L energia prodotta viene immagazzinata sottoforma di nucleotidi trifosfati (). v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I - 6-3

4 I glucidi Una cellula in condizioni ottimali tende ad accumulare polisaccaridi come: glucidi di riserva (amidi, glicogeno) glucidi strutturali (cellulosa). v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Vie metaboliche Tutte le operazioni di degradazione dei monosaccaridi e di sintesi dei monosaccaridi e polisaccaridi sono gestite da vie metaboliche che mantengono l omeostasi dell organismo. Quando il bilancio si altera si ha la regolazione del metabolismo La velocità con la quale avviene una via metabolica è regolata. v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I - 8-4

5 Regolazione delle vie metaboliche La velocità di una via metabolica può essere regolata sia dalla disponibilità del substrato che dalla disponibilità dell enzima. È controllata a livello della reazione più lenta della via metabolica Termodinamicamente molto favorito Catalizzato da un enzima estremamente regolato Spesso in una biforcazione della via metabolica Le vie cataboliche (demolizione) ed anaboliche (sintesi) usano spesso gli stessi enzimi, ma hanno almeno una reazione catalizzata da un enzima diverso v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Regolazione delle vie metaboliche A B B B B B B B B C Reazione limitata dalla concentrazione di enzima. (lontana dall equilibrio) D E Reazione limitata dalla concentrazione di substrato. (all equilibrio o vicina all equilibrio) E E E E EE E E E E E F v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I G 5

6 Glicolisi La via di Embden-Meyerhof(Warburg) Glicolisi Glicogeno Metabolismo del C 2 C 2 P 3 -- Gluconeogensi 3 C Fermentazione lattica (Anaerobiosi) 2 Lattato D-Glucoso 2 + 2Pi 2NAD + Fruttoso-1,6-difosfato 2 2NAD 2NAD 2 Piruvato 3 C 2NAD Fermentazione alcolica (Anaerobiosi) 2 C etanolo Glicolisi Piruvato Acetil-CoA NAD + + Riboso-5-fosfato Ciclo dei pentosi 3-fosfogliceraldeide 2 NAD + ssidazione aerobica NAD Ciclo di Krebs Fosforilazione ossidativa 6 C v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

7 v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Glicolisi In tutte le cellule avviene la glicolisi Dieci reazioni, le stesse in tutte le cellule, ma con diversa cinetica Tre fasi: La prima fase converte il glucosio in fruttosio- 1,6-difosfato, La seconda fase scinde il fruttosio-1,6-difosfato in due triosi, La terza fase produce due molecole di piruvato. I prodotti sono: piruvato, e NAD. Esistono tre diversi destini possibili del piruvato. v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

8 Glicolisi Gli enzimi sono confinati nel citoplasma della cellula. Gli intermedi sono tutti fosforilati. Non passano attraverso le membrane. Vengono riconosciuti dagli enzimi. Sono convertiti in intermedi ad alto potenziale di trasferimento del fosfato che sono in grado di fosforilare l ad. v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Intermedi fosforilati Potenziale di trasferimento del fosfato ( G ') kcal/mole Fosfoenolpiruvato 1,3-bifosfoglicerato Glucoso-6-fosfato 0 v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

9 Fasi della glicolisi 1. Fosforilazione del substrato ed attivazione, 2. Scissione dello zucchero a sei atomi di carbonio, 3. Recupero dell energia nella fosforilazione dell. v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Reazioni della glicolisi Sei tipi di reazioni: 1. Trasferimento del fosfato (4) Chinasi R + R P + 2. Spostamento del fosfato (1) R P 3. Redox (1) R Mutasi P R Deidrogenasi + ssidante R + Riducente v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

10 Reazioni della glicolisi Sei tipi di reazioni: 4. Isomerizzazione (1) C 2 Isomerasi R 5. Deidratazione (1) R Enolasi 6. Scissione aldolica (1) R R' Aldolasi R' + 2 R + v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Fosforilazione La prima fase della glicolisi consiste nella fosforilazione del glucoso per arrivare a fruttoso- 1,6-difosfato attraverso il glucoso- 6-fosfato che viene isomerizzato a fruttoso-6-fosfato. Vengono consumate due molecole di per ottenere lo zucchero difosfato. v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

11 C 2 P 3 -- C 2 P 3 -- C 2 C 2 P 3 -- C 2 2 C P3 -- Glucoso Glucoso-6-fosfato Fruttoso-6-fosfato Fruttoso-1,6-bifosfato P 3 -- NAD + + P i P 3 -- C 2 P ,3-bifosfoglicerato NAD C 2 3-fosfogliceraldeide 2 C P3 -- Diidrossiacetonfosfato P 3 -- C 2 C 2 C 2 C 3 P 3 -- P fosfoglicerato 2-fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato Piruvato v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I C 2 P 3 -- C 2 P 3 -- P 3 -- C 2 C 2 P 3 -- C 2 P 3 -- P 3 -- C 2 C 2 P 3 -- C 2 C 2 P 3 -- P 3 -- C 2 2 C P3 -- Glucoso Glucoso-6-fosfato Fruttoso-6-fosfato Fruttoso-1,6-bifosfato TRANSFERASI (Kinasi) TRANSFERASI (Kinasi) 1,3-bifosfoglicerato MUTASI ISMERASI NAD + + NAD P i DEIDRGENASI ENLASI TRANSFERASI (Kinasi) 3-fosfogliceraldeide ALDLASI C 3 2 C P3 -- Diidrossiacetonfosfato 2 3-fosfoglicerato 2-fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato Piruvato TRANSFERASI (Kinasi) v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

12 C 2 P 3 -- C 2 P 3 -- P 3 -- C 2 C 2 TRANSFERASI (Kinasi) P 3 -- C 2 P 3 -- P 3 -- C 2 C 2 P 3 -- C 2 C 2 P 3 -- P 3 -- C 2 2 C P3 -- Glucoso Glucoso-6-fosfato Fruttoso-6-fosfato Fruttoso-1,6-bifosfato TRANSFERASI (Kinasi) 1,3-bifosfoglicerato MUTASI ISMERASI NAD + + NAD P i DEIDRGENASI ENLASI TRANSFERASI (Kinasi) 3-fosfogliceraldeide ALDLASI C 3 2 C P3 -- Diidrossiacetonfosfato 2 3-fosfoglicerato 2-fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato Piruvato TRANSFERASI (Kinasi) v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I C 2 Glucoso P 3 -- C 2 Esochinasi Glucoso-6-fosfato P 3 -- C 2 C 2 Fruttoso-6-fosfato P 3 -- C 2 2 C P3 -- Fruttoso-1,6-bifosfato Fosfoglucoisomerasi Fosfofruttochinasi 2 C P3 -- Diidrossiacetonfosfato Aldolasi Gliceraldeide- 1,3-bifosfoglicerato 3-fosfato P 3 -- C 2 deidrogenasi P 3 -- C 2 NAD + + P i P fosfogliceraldeide NAD Fosfogliceratochinasi P 3 -- C 2 Piruvato chinasi Fosfogliceratomutasi C 3 C, K + 2 C 2 Enolasi P 3 -- P fosfoglicerato v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Piruvato Fosfoenolpiruvato 2-fosfoglicerato 12

13 Fase 1 Formazione di fruttoso-1,6-bifosfato C 2 Glucoso P 3 -- C 2 Glucoso-6-fosfato P 3 -- C 2 C 2 Fruttoso-6-fosfato Esochinasi Fosfoglucoisomerasi P 3 -- C 2 2 C P3 -- Fruttoso-1,6-bifosfato Fosfofruttochinasi 2 C P3 -- Diidrossiacetonfosfato Aldolasi Gliceraldeide- 1,3-bifosfoglicerato 3-fosfato P 3 -- C 2 deidrogenasi P 3 -- C 2 NAD + + P i P fosfogliceraldeide NAD Fosfogliceratochinasi C 3 Piruvato P 3 -- C 2 Piruvato chinasi Fosfogliceratomutasi C, K + 2 C 2 Enolasi P 3 -- P fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato 2-fosfoglicerato v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Fase 1 Formazione di fruttoso-1,6-bifosfato Glucoso P 3 -- Glucoso-6-fosfato C 2 C 2 P 3 -- C 2 C 2 Fruttoso-6-fosfato P 3 -- C 2 2 C P3 -- Fruttoso-1,6-bifosfato v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Esochinasi Fosfoglucoisomerasi Fosfofruttochinasi 13

14 Formazione del fruttoso-1,6-difosfato Gli enzimi coinvolti sono due chinasi (la esochinasi e la fosfofruttochinasi) ed una isomerasi Risultato netto: C 2 Glucoso GLU Esochinasi (EC ) C 2 P 3 -- Glucoso-6-fosfato G6P Fosfoglucoisomerasi (EC ) GLU + 2 FBP + 2 C 2 P 3 -- C 2 Fruttoso-6-fosfato F6P Fosfofruttochinasi (EC ) C 2 P 3 -- C 2 P 3 -- Fruttoso-1,6-bifosfato FBP v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Esochinasi Fosforilazione del glucoso Consumo di Fosforilazione spontanea a causa dell idrolisi dell N 2 N N N N N 2 N N N N P P P P Mg++ P Glucoso Esochinasi (EC ) P Glucoso-6-fosfato v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

15 Esochinasi EC v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Esochinasi EC v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

16 Esochinasi inattiva Il legame del glucoso induce un cambiamento conformazionale v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Esochinasi attiva v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

17 v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Esochinasi EC v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

18 Esochinasi EC v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Esochinasi EC La fosforilazione confina il glucoso nella cellula La K m per il glucosio è 0.1 mm; nella cellula il glucosio è 4 mm La glucochinasi ha una K m glucoso = 10 mm, si attiva solo quando la cellula si arricchisce in glucosio La esochinasi è regolata allostericamente, viene inibita dal glucoso-6-fosfato ma non è il principale sito di regolazione della glicolisi v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

19 Formazione del fruttoso-6-difosfato Glucoso C 2 GLU Deposito di energia nel muscolo e nel fegato Glicogeno C 2 P 3 -- C 2 Via dei pentosi fosfati Glucoso-6-fosfato G6P P 3 -- Glucoso-1-fosfato Sintesi di N e di zuccheri a 3, 5, 6 e 7 atomi di carbonio C 2 P 3 -- C 2 Fruttoso-6-fosfato Glucuronato Glucosamina-6-fosfato Sintesi di carboidrati F6P v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I C 2 Glucoso GLU Esochinasi (EC ) C 2 P 3 -- Glucoso-6-fosfato G6P Fosfoglucoisomerasi (EC ) C 2 P 3 -- C 2 Fruttoso-6-fosfato F6P Fosfofruttochinasi (EC ) C 2 P 3 -- C 2 P 3 -- Fruttoso-1,6-bifosfato F6P v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

20 Fosfoglucoisomerasi EC P Entra il G6P Esce il F6P Glucoso-6-fosfato B + B B+ P B Fruttoso-6-fosfato + Apertura dell'anello Chiusura dell'anello P P B B B Intermedio cis-enediolato B P B B + Scambiato con il mezzo v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Fosfoglucoisomerasi EC F6P v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

21 Fosfoglucoisomerasi EC G6P Aminoacidi basici v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Fosfoglucoisomerasi EC F6P Aminoacidi basici v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

22 Fosfoglucoisomerasi EC v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I C 2 Glucoso GLU Esochinasi (EC ) C 2 P 3 -- Glucoso-6-fosfato G6P Fosfoglucoisomerasi (EC ) C 2 P 3 -- C 2 Fruttoso-6-fosfato F6P Fosfofruttochinasi (EC ) C 2 P 3 -- C 2 P 3 -- Fruttoso-1,6-bifosfato FBP v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

23 Fosfofruttochinasi EC È la reazione che controlla la glicolisi È la seconda reazione di fosforilazione Valore di G grande e negativo, La PFK è altamente regolata inibisce, AMP elimina l inibizione Il citrato è un inibitore allosterico Il fruttoso-2,6-bifosfato è un attivatore allosterico L attività della PFK aumenta quando lo stato energetico della cellula è basso. L attività della PFK diminuisce quando lo stato energetico della cellula è alto. Spinge la reazione verso la glicolisi e non verso il ciclo dei pentosi v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Glucoso C 2 GLU Deposito di energia nel muscolo e nel fegato Glicogeno Via dei pentosi fosfati C 2 P 3 -- G6P Glucoso-6-fosfato C 2 P 3 -- Glucoso-1-fosfato Sintesi di N e di zuccheri a 5, 6 e 7 atomi di carbonio C 2 P 3 -- C 2 Fruttoso-6-fosfato Glucuronato Glucosamina-6-fosfato F6P Citrato Fosfofruttochinasi (EC ) AMP Fruttoso-2,6-bifosfato C 2 P 3 -- C 2 P 3 -- Fruttoso-1,6-bifosfato FBP Sintesi di carboidrati v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

24 Fosfofruttochinasi EC G ' = kj mol -1 G eritrociti = kj mol -1 P P P + + Fruttoso-6-fosfato F6P Fruttoso-1,6-bifosfato FBP v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Fosfofruttochinasi EC Dimero di un tetramero FBP v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

25 Fosfofruttochinasi EC F6P v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Fosfofruttochinasi EC FBP FBP v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

26 Fosfofruttochinasi EC Dimero di un tetramero F6P v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I La regolazione della PFK coinvolge un altra molecola fosforilata: il fruttoso-2,6-bifosfato, che funziona da attivatore allosterico della PFK. La sintesi di questa molecola è regolata da una proteina che, su singolo polipeptide, svolge due attività enzimatiche diverse a secondo se è o non è fosforilato: l enzima tandem. L enzima tandem è finemente regolato. Enzima tandem 2 C P 3 -- C 2 Pi P 2 C camp P C 2 6-Fosfofrutto-2-chinasi (EC ) Enzima defosforilato Fosforilasi Chinasi A Inattiva Fosforilasi Chinasi A Attiva Enzima fosforilato Fruttoso-2,6-difosfatasi (EC ) 2 C P 3 -- P 3 -- C 2 v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

27 Enzima tandem v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Regolazione PFK v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

28 Fase 2 Scissione del fruttoso-1,6-bifosfato P 3 -- Fruttoso-1,6-bifosfato C 2 2 C P3 -- Aldolasi 2 C P3 -- P 3 -- C 2 Diidrossiacetonfosfato 3-fosfogliceraldeide v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Scissione del fruttoso-1,6-difosfato La scissione del fruttoso-1,6-difosfato attraverso l aldolasi porta alla formazione di due triosi, diidrossiacetonfosfato e 3-fosfogligeraldeide. I due triosi sono tra loro in equilibrio attraverso la trioso fosfato isomerasi C 2 P 3 -- C 2 P 3 -- C 2 P 3 -- C 2 P 3 -- C 2 P 3 -- Trioso fosfato isomerasi C 2 P 3 -- (EC ) 3-fosfogliceraldeide Diidrossiacetonfosfato DAP Fruttoso-1,6-bifosfato F6P Aldolasi (EC ) GAP v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

29 Aldolasi: meccanismo generale C 2 P 3 -- C 2 P 3 -- C 2 P C 2 P 3 -- R - C 2 2 R C 2 R C 2 - R C R C 3 R' R' + Prodotto II R' Prodotto I Enzima Zn++ C 2 P 3 -- Enzima Zn++ C 2 P 3 -- C v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Aldolasi EC C 2 P 3 -- C 2 P 3 -- Prodotto II Diidrossiacetonfosfato Lys 2 N (C 2 ) 4 C C 2 P P 3 -- N + Tyr (C 2 ) 4 Idrolisi della base di Shiff Enzima libero Legame del substrato C 2 P N (C 2 ) 4 Complesso enzima-prodotto con Base di Shiff protonata C 2 P 3 -- Tautomeria e protonazione Formazione della base di Shiff protonata C 2 P 3 -- N.. (C 2 ) 4 Prodotto I Gliceraldeide-3-fosfato C 2 P 3 -- N + (C 2 ) 4 2 Complesso enzima-substrato Intermedio enaminico C 2 P 3 -- C 2 P 3 -- Complesso enzima-substrato con Base di Shiff protonata v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

30 Aldolasi EC Lys Tyr v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I FBP Aldolasi EC FBP v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

31 Trioso-fosfato isomerasi EC Converte DAP in GAP Il meccanismo coinvolge la formazione di enendiolo Il sito attivo contiene un Glu che agisce come base v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Trioso-fosfato isomerasi EC Catalizza l equilibrio: C 2 P 3 -- Trioso fosfato isomerasi C 2 P 3 -- Diidrossiacetonfosfato (EC ) 3-fosfogliceraldeide DAP G ' = kj mol -1 GAP L equilibrio è spostato verso sinistra ( 96% DAP, 4% GAP), nel procedere della glicolisi viene consumata solo GAP e l equilibrio si sposta verso destra. v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

32 Trioso-fosfato isomerasi EC Glu :B+ Glu :B+ P3 -- P3 -- Diidrossiacetonfosfato DAP Glu :B+ 3-fosfogliceraldeide GAP P3 -- v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Trioso-fosfato isomerasi EC Glu mologo di DAP Lys v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

33 Trioso-fosfato isomerasi EC Glu mologo di DAP v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Trioso-fosfato isomerasi EC v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

34 Fase 3 Recupero dell energia P 3 -- C 2 Gliceraldeide- 1,3-bifosfoglicerato 3-fosfato deidrogenasi P 3 -- C 2 3-fosfogliceraldeide NAD + + P i NAD P 3 -- Fosfogliceratochinasi C 3 Piruvato Piruvato chinasi, K + C 2 P 3 -- Fosfoenolpiruvato P 3 -- C 2 Fosfogliceratomutasi C 2 Enolasi P fosfoglicerato 2-fosfoglicerato v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Recupero dell energia La formazione di GAP permette il recupero dell energia attraverso il suo metabolismo con formazione di una serie di intermedi forsforilati: 1,3-bifosfoglicerato, 3-fosfoglicerato, 2-fosfoglicerato, fosfoenolpiruvato ed infine piruvato. Il destino del piruvato dipende dalla presenza di ossigeno e può essere diverso in cellule diverse (lievito, muscolo ) v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

35 Recupero dell energia La 3-fosfogligeraldeide prodotta viene ossidata e fosforilata 1,3- bifosfoglicerato da una deidrogenasi, con produzione di NAD il 1,3-bifosfoglicerato viene utilizzato per fosforilare l ad opera di una fosfogliceratochinasi e si forma 3-fosfoglicerato, che viene isomerizzato a 2- fosfoglicerato ad opera di una mutasi, il 2-fosfoglicerato perde una molecola d acqua ad opera di una enolasi e si forma il fosfoenolpiruvato che viene trasformato in piruvato ad opera della piruvato chinasi con formazione di. 3-fosfogliceraldeide 1,3BPG GAP 1,3-bifosfoglicerato 3-fosfoglicerato 3PG 2PG -- 3 P 2-fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato PEP Piruvato Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (EC ) C 2 P 3 -- Fosfoglicerato chinasi (EC ) NAD C 2 P 3 -- Fosfoglicerato mutasi (EC ) Piruvato chinasi (EC ) C 2 P 3 -- Enolasi (EC ) P 3 -- C 2 3 C C 2 P 3 -- NAD + 2 C 2 Enolpiruvato v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Recupero dell energia La 3-fosfogligeraldeide prodotta viene ossidata e fosforilata 1,3- bifosfoglicerato da una deidrogenasi, con produzione di NAD il 1,3-bifosfoglicerato viene utilizzato per fosforilare l ad opera di una fosfogliceratochinasi e si forma 3-fosfoglicerato, che viene isomerizzato a 2- fosfoglicerato ad opera di una mutasi, il 2-fosfoglicerato perde una molecola d acqua ad opera di una enolasi e si forma il fosfoenolpiruvato che viene trasformato in piruvato ad opera della piruvato chinasi con formazione di. 3-fosfogliceraldeide GAP 1,3-bifosfoglicerato 1,3BPG -- 3 P Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (EC ) C 2 P 3 -- Fosfoglicerato chinasi (EC ) 3-fosfoglicerato 3PG NAD C 2 P 3 -- Fosfoglicerato mutasi (EC ) 2-fosfoglicerato 2PG Fosfoenolpiruvato PEP Piruvato chinasi (EC ) Piruvato C 2 P 3 -- Enolasi (EC ) P 3 -- C 2 3 C C 2 P 3 -- NAD + 2 C 2 Enolpiruvato v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

36 Recupero dell energia La 3-fosfogligeraldeide prodotta viene ossidata e fosforilata 1,3- bifosfoglicerato da una deidrogenasi, con produzione di NAD il 1,3-bifosfoglicerato viene utilizzato per fosforilare l ad opera di una fosfogliceratochinasi e si forma 3-fosfoglicerato, che viene isomerizzato a 2- fosfoglicerato ad opera di una mutasi, il 2-fosfoglicerato perde una molecola d acqua ad opera di una enolasi e si forma il fosfoenolpiruvato che viene trasformato in piruvato ad opera della piruvato chinasi con formazione di. 3-fosfogliceraldeide GAP 1,3-bifosfoglicerato 1,3BPG -- 3 P Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (EC ) C 2 P 3 -- Fosfoglicerato chinasi (EC ) 3-fosfoglicerato 3PG NAD C 2 P 3 -- Fosfoglicerato mutasi (EC ) 2-fosfoglicerato 2PG Fosfoenolpiruvato PEP Piruvato chinasi (EC ) Piruvato C 2 P 3 -- Enolasi (EC ) P 3 -- C 2 3 C C 2 P 3 -- NAD + 2 C 2 Enolpiruvato v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi EC GAP èossidata a 1,3BPG L energia ottenuta dalla conversione di un aldeide ad acido carbossilico è usata per la fosforilazione a 1,3BPG e per la riduzione del NAD + a NAD v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

37 Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi EC G ' = +6.3 kj mol P 3-fosfogliceralde GA C 2 P 3 -- NAD C 2 P ,3BP NAD + 1,3-bifosfoglicerato GAP S NAD+ B R 1 S NAD+ R 2 B + 3 B 1,3BPG R v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I S NAD+ Complesso Enzima-substrato 5 P 3 -- come Intermedio aciltioestere S Intermedio tioacetalico NAD+ R 4 B + S NAD R P B + NAD + NAD Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi EC NAD + Cys carbossimetilata v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

38 Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi EC v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Fosfoglicerato chinasi EC ,3-bifosfoglicerato -- 3 P NAD 1,3BPG C 2 P 3 -- Fosfoglicerato chinasi (EC ) 3-fosfoglicerato 3PG C 2 P 3 -- v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

39 Fosfoglicerato mutasi EC Il gruppo fosfato passa da C-3 a C-2 Spostamento di fosfato per la formazione di PEP Si forma un intermedio fosfoistidina È stato dimostrato che del 2,3BPG è richiesto per la fosforilazione di is. v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Fosfoglicerato mutasi EC fosfoglicerato 3PG C 2 P 3 -- Fosfoglicerato mutasi (EC ) G ' = +4.4 kj mol -1 2-fosfoglicerato 2PG P 3 -- C 2 v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

40 Fosfoglicerato mutasi EC B N 3 + P N + N P :N N P N 3 + N + N P B + :N N 3-fosfoglicerato 3BPG intermedio 2,3-bifosfoglicerato N + N 2-fosfoglicerato 2BPG P N 3 + P N + N v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Fosfoglicerato mutasi EC fosfoglicerato 2-fosfoglicerato v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

41 Fosfoglicerato mutasi EC is is Mn ++ 3PG is Mn ++ v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Fosfoglicerato mutasi EC is is Mn ++ 3PG is v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

42 Enolasi EC Da 2PG a PEP Il G globale è 1.8 kj/mol Il contenuto in energia di 2PG e PEP è simile. L enolasi riarrangia la molecola in modo tale che possa fornire più energia nell idrolisi. v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Enolasi EC fosfoglicerato P PG C 2 G ' = +1.8 kj mol -1 Fosfoenolpiruvato PEP 2 P 3 -- C 2 v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

43 Enolasi EC PEP v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Enolasi EC Glu v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I PEP 43

44 Piruvato Chinasi EC Da PEP a piruvato viene prodotto Valore di G grande e negativo. Punto di regolazione Attivata allostericamente da AMP, F1,6BP Inibita allostericamente da e acetil-coa Tautomeria chetoenolica del piruvato. v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Piruvato Chinasi EC G ' = kj mol -1 2 C P 3 -- Fosfoenolpiruvato Piruvato chinasi (EC ) 2 C Forma enolica 3 C Forma chetonica PEP Piruvato v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

45 Piruvato Chinasi EC M+ Mg++ Mg++ P P P B N N N 2 N N. M+ Mg++ Mg++ N N 2 N P P P N N B. v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Piruvato Chinasi EC K + Mg++ P C 2 Mg++ P P Adenosina PEP Enolpiruvato Mg++ + Piruvato C 3 C 2 v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

46 Piruvato Chinasi EC v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Piruvato Chinasi EC Na + v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

47 Energia Energia Libera (kj mole -1 ) Esochinasi Fosfoglucosoisomerasi Fosfofruttochinasi Aldolasi Trioso-fosfato isomerasi GAP-deidrogenasi PGA Chinasi PGA Mutasi Enolasi Piruvato Chinasi Passi della Glicolisi Stato Standard ( G ) In eritrociti ( G) v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I C 2 Glucoso P 3 -- C 2 SIT DI Esochinasi REGLAZINE Glucoso-6-fosfato P 3 -- C 2 C 2 Fruttoso-6-fosfato P 3 -- C 2 2 C P3 -- Fruttoso-1,6-bifosfato Fosfoglucoisomerasi SIT DI Fosfofruttochinasi REGLAZINE 2 C P3 -- Diidrossiacetonfosfato Aldolasi Gliceraldeide- 1,3-bifosfoglicerato 3-fosfato P 3 -- C 2 deidrogenasi P 3 -- C 2 NAD + + P i P fosfogliceraldeide NAD Fosfogliceratochinasi C 3 Piruvato SIT DI REGLAZINE Piruvato chinasi, K + C 2 P 3 -- Fosfoenolpiruvato P 3 -- C 2 Fosfogliceratomutasi C 2 Enolasi P fosfoglicerato 2-fosfoglicerato v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

48 Destino del piruvato In assenza di ossigeno Riduzione a lattato Prima riduzione a lattato poi decarbossilazione ad acetato Prima decarbossilazione ad aldeide poi riduzione ad etanolo In presenza di ossigeno Decarbossilazione, Ciclo di Krebs, Respirazione cellulare Ripristino di NAD + per continuare la glicolisi v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Aerobiosi Anaerobiosi

49 Aerobiosi Anaerobiosi 2 2 Destino del piruvato In assenza di ossigeno Nel muscolo Ridotto a Lattato Nel lievito Decarbossilato ad aldeide ridotta quindi ad etanolo Ripristino di NAD + per continuare la glicolisi v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

50 Glicogeno 3 C Schema generale del metabolismo dei glucidi Metabolismo del Glicogeno Gluconeogensi Fermentazione lattica (Anaerobiosi) 2 Lattato 2 Piruvato 3 C C 2 D-Glucoso 2 + 2Pi 2NAD + Fruttoso-1,6-difosfato 2 2NAD 2NAD + 2NAD Fermentazione alcolica (Anaerobiosi) 2 C etanolo Glicolisi Piruvato Acetil-CoA C 2 P 3 -- Riboso-5-fosfato Ciclo dei pentosi 3-fosfogliceraldeide 2 NAD NAD + ssidazione aerobica NAD + Ciclo di Krebs Fosforilazione ossidativa 6 C Pi + + v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Anaerobiosi 3-fosfogliceraldeide Diidrossiacetonfosfato P 3 -- C 2 2 C P 3 -- Gliceraldeide- 3-fosfato deidrogenasi P i 1,3-bifosfoglicerato P 3 -- C 2 Nel muscolo NAD NAD + Lattato C 3 Fosfogliceratochinasi P fosfoglicerato P 3 -- C 2 Lattico deidrogenasi Fosfogliceratomutasi Piruvato C 3 Piruvato chinasi, K + Fosfoenolpiruvato 2-fosfoglicerato C 2 Enolasi P 3 -- C 2 P 3 -- v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

51 Lattico deidrogenasi EC R N 2 N NAD 2 N 3 C N 2 + N + N is195 2 N R N + N Arg171 NAD C v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Lattico deidrogenasi EC v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

52 Lattico deidrogenasi EC mologo del piruvato Arg 171 is 195 NAD + v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Anaerobiosi 3-fosfogliceraldeide Diidrossiacetonfosfato P 3 -- C 2 2 C P 3 -- Gliceraldeide- 3-fosfato deidrogenasi P i 1,3-bifosfoglicerato P 3 -- C 2 Nel lievito Etanolo C 3 C 2 NAD + NAD P 3 -- Alcol deidrogenasi Fosfogliceratochinasi Acetaldeide C 3 3-fosfoglicerato P 3 -- C 2 C 2 Fosfogliceratomutasi Piruvato decarbossilasi Piruvato C 3 Piruvato chinasi, K + Fosfoenolpiruvato 2-fosfoglicerato C 2 Enolasi P 3 -- C 2 P 3 -- v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

53 Piruvato decarbossilasi EC Catalizza la decarbossilazione del piruvato. Usa la tiamina pirofosfato come coenzima N 2 N 3 C N N + C 3 ACID S P P ACID v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Piruvato decarbossilasi EC Piruvato Acetaldeide C R N C 3 C C 3 S R' + R N + C 3 δ- S R' TPP R N + C 3 R N + C 3 C 3 S R' + C 2 C 3 S R' C 3 R N C 3 S R' C 3 C R N + C 3 S R' v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

54 Piruvato decarbossilasi EC TPP v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Alcool deidrogenasi EC Catalizza la reazione di ossidoriduzione: C 3 + NAD C 3 + NAD+ Acetaldeide R Alcol etilico N 2 N + C 3 Zn++ S C 3 S N NAD+ N v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

55 Alcool deidrogenasi EC NAD + Zn ++ v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Alcool deidrogenasi EC NAD + v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

56 Alcool deidrogenasi EC NAD + NAD + Cys Cys Trifluoroetanolo Zn ++ is is Trifluoroetanolo Zn ++ v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Alcool deidrogenasi EC NAD + mologo di NAD + Cys Cys Trifluoroetanolo Zn ++ is Etanolo Zn ++ is v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

57 Energetica della Glicolisi I valori di G sono variabili (positivi e negativi) G nelle cellule ha valori vicini a zero Solo tre reazioni su dieci hanno valori di G negativo e grande. Le reazioni i cui valori di G sono grandi e negativi sono punti di regolazione. v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Energia Energia Libera (kj mole -1 ) Esochinasi Fosfoglucosoisomerasi Fosfofruttochinasi Aldolasi Trioso-fosfato isomerasi GAP-deidrogenasi PGA Chinasi PGA Mutasi Enolasi Piruvato Chinasi Passi della Glicolisi Stato Standard ( G ) In eritrociti ( G) v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

58 Energia 30 Energia Libera (kj mole -1 ) Stato Standard ( G ) In eritrociti ( G) Passi della Glicolisi v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Energia dalla glicolisi G = kj mol -1 C C G = kj mol -1 La scissione di glucoso a piruvato utilizza solo il 1.7% del contenuto energetico del glucoso. v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I

59 Gli enzimi glicolitici possono formare complessi multienzimatici Nella purificazione di proteine da cellule le interazioni non covalenti tra proteine viene persa È stato suggerito che gli enzimi glicolitici si assemblino in un complesso multienzimatico dove i substrati sono canalizzati da un enzima all altro senza passare in soluzione. v. 3.0 gsartor Metabolismo dei carboidrati - I Crediti e autorizzazioni all utilizzo Questo materiale è stato assemblato da informazioni raccolte dai seguenti testi di Biochimica: CAMPE Pamela, ARVEY Richard, FERRIER Denise R. LE BASI DELLA BICIMICA [ISBN ] Zanichelli NELSN David L., CX Michael M. I PRINCIPI DI BICIMICA DI LENINGER - Zanichelli GARRETT Reginald., GRISAM Charles M. BICIMICA con aspetti molecolari della Biologia cellulare - Zanichelli VET Donald, VET Judith G, PRATT Charlotte W FNDAMENTI DI BICIMICA [ISBN ] - Zanichelli E dalla consultazione di svariate risorse in rete, tra le quali: Kegg: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes Brenda: Protein Data Bank: Rensselaer Polytechnic Institute: Il materiale è stato inoltre rivisto e corretto dalla Prof. Giancarla rlandini dell Università di Parma alla quale va il mio sentito ringraziamento. Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da: gsartor.org/pro Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto l autore usando questa frase: Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio Sartor Università di Bologna Giorgio Sartor Ufficiale: giorgio.sartor@unibo.it Personale: giorgio.sartor@gmail.com Aggiornato il 13/02/ :54:26 59