La prima tappa della glicolisi prevede la fosforilazione del glucosio in glucosio-6-fosfato. L'enzima coinvolto è una esochinasi.

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1 GLICOLISI La glicolisi è una via metabolica, operata a livello del citoplasma, attraverso la quale una molecola di glucosio è ossidata in piruvato, mediante dieci reazioni catalizzate da enzimi. Reazioni glicolitiche Le reazioni della glicolisi si suddividono in due fasi distinte: una fase di attivazione ed un di recupero. Nell'attivazione viene investita una quantità di energia chimica, ottenuta dall'idrolisi di due molecole di ATP; questa attivazione è necessaria affinché tutta la via glicolitica possa iniziare. La fase di attivazione, inoltre, è un importante punto di controllo di tutto il metabolismo dei carboidrati. Nella seconda fase, o fase di recupero, che inizia con l'ossidazione della gliceraldeide-3-fosfato, il flusso di energia si inverte, poiché dalla rottura di alcuni legami è possibile trasferire energia mediante la sintesi di ATP. Fosforilazione del glucosio La prima tappa della glicolisi prevede la fosforilazione del glucosio in glucosio-6-fosfato. L'enzima coinvolto è una esochinasi. La fosforilazione del glucosio, altresì conosciuta con il termine di attivazione del glucosio, ha il compito di impedire l'uscita dello zucchero dalla cellula. Una volta fosforilato, infatti, il glucosio 1

2 non è più capace di attraversare la membrana cellulare. Isomerizzazione del glucosio-6-fosfato Il glucosio-6-fosfato è isomerizzato, mediante un enzima appartenente alla classe delle isomerasi, in fruttosio-6-fosfato. La reazione è reversibile. Fosforilazione del fruttosio-6-fosfato (il prodotto è fruttosio 1,6-bifosfato) Il fruttosio-6-fosfato è il substrato della fosfofruttochinasi-1, enzima che appartiene alla classe delle chinasi. La reazione catalitica porta alla formazione di fruttosio-1,6-bisfosfato. La fosfofruttochinasi-1 è modulata da più substrati e, per questa ragione, rappresenta un importante punto di controllo della via glicolitica. L'inibizione dell'enzima è operata dall'atp e dal citrato, un intermedio del ciclo di Krebs. La presenza del citrato in elevate concentrazioni è un indice di valutazione della sovraproduzione di energia da parte della cellula, rispetto a quanto ne possa, 2

3 metabolicamente, necessitare. In questa situazione la glicolisi è bloccata. La fosfofruttochinasi-1 è modulata dal fruttosio-2,6-bisfosfato, che rappresenta un isomero strutturale del fruttosio-6- fosfato. Maggiori informazioni sulla modulazione dell'enzima sono presenti alla pagina Regolazione del metabolismo del glucosio. Scissione del fruttosio-1,6-bifosfato (reagente: fruttosio-1,6-bifosfato) Il fruttosio-1,6-bisfosfato è il substrato di una aldolasi, enzima facente parte della classe delle liasi. La reazione enzimatica porta alla formazione di gliceraldeide-3-fosfato e diidrossiacetone fosfato. Interconversione del diidrossiacetone fosfato Il diidrossiacetone fosfato è interconvertito in gliceraldeide-3-fosfato dalla trioso fosfato 3

4 isomerasi, un enzima che fa parte della famiglia delle isomerasi. Ossidazione della gliceraldeide -3-fosfato L'enzima gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi, catalizza l'ossidazione delle gliceraldeide-3-fosfato in 1,3-bisfosfoglicerato. La reazione prevede una prima ossidazione dell'aldeide in acido carbossilico, e una seconda tappa di addizione di un fosfato inorganico al neoformato 3-fosfoglicerato. La reazione catalizzata dalla gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi è un esempio tipico di reazione accoppiata. Ossidazione dell'1,3-bisfosfoglicerato L'1,3-bisfosfoglicerato è il substrato, ad altissima energia, dell'enzima fosfoglicerato chinasi che trasferisce un radicale fosforico dal substrato all'adp, con un guadagno netto di una molecola di ATP. L'intermedio formatosi è il 3-fosfoglicerato. La reazione di ossidazione della gliceraldeide-3- fosfato e la fosforilazione del 1,3-bisfosfoglicerato possono essere considerate come una reazioni 4

5 accoppiate. L'1,3-bisfosfoglicerato è l'intermedio comune delle due semireazioni. Riarrangiamento del 3-fosfoglicerato Il 3-fosfoglicerato è riarrangiato, da una isomerasi, a 2-fosfoglicerato. Disidratazione e formazione di fosfoenolpiruvato Una enolasi, enzima che fa parte della classe delle liasi, processa il 2-fosfoglicerato prodotto nello step precedente e porta alla formazione di fosfoenolpiruvato. Il fosfoenolpiruvato è una molecola ad alta energia. Piruvato chinasi e formazione di piruvato L'ultimo passaggio della via glicolitica prevede l'ossidazione del fosfoenolpiruvato in piruvato, con la biosintesi di una molecola di ATP. L'enzima 5

6 coinvolto è la piruvato chinasi, modulabile su differenti fronti. Per questa ragione la piruvato chinasi rappresenta un punto di controllo della glicolisi. Maggiori informazioni sulla modulazione dell'enzima piruvato chinasi sono presenti alla pagina Regolazione del metabolismo del glucosio. Bilancio complessivo Al netto di ogni singola reazione glicolitica il bilancio complessivo di questa via metabolica è favorevole, giacché per ogni molecola di glucosio la cellula guadagna 2 molecole di ATP e 2 di NAD ridotto (NADH + H+). Il bilancio esteso è il seguente: Glucosio + 2 ATP + 2 NAD+ + 4 ADP + 2 Pi 2 piruvato + 2 ADP + 2 NAD ridotto + 4 ATP + 2 H2O REGOLAZIONE DEL METABOLISMO DEL GLUCOSIO Il glucosio è un nutriente universale, assunto mediante la dieta, oppure biosintetizzato nella via delle gluconeogenesi. Il ruolo fondamentale del glucosio, nel contesto del metabolismo, rende necessaria una regolazione cellulare precisa ed efficace. Il glucosio non è, soltanto, ossidato nella glicolisi per fornire energia sotto, ma può essere il substrato per la glicogenosintesi, che porta alla formazione del glicogeno, e della via di biosintesi dei pentoso fosfati. La modulazione del glucosio avviene a livello enzimatico. La cellula, in risposta a numerosi stimoli ed eventi esterni, ad esempio in base alla richiesta di energia, può indurre o reprimere i cosiddetti enzimi chiave che possono alterarare la velocità di biosintesi del prodotto finale. Ad esempio una modulazione negativa della glicolisi porta alla disattivazione di alcuni enzimi, con un conseguente calo di produzione di piruvato, ATP e NADH. Regolazione ormonale: insulina e glucagone L'insulina e il glucagone rappresentano gli ormini che controllano la concentrazione del glucosio nel 6

7 plasma sanguigno. Insulina L'insulina è prodotto dalle cellule beta del pancreas endocrino in risposta ad alti livello di concentrazione di glucosio ematico. Per questa ragione è un ormone ipoglicemizzante. L'insulina è secreta come pre-pro-ormone che, in due differenti percorsi metabolici, è dapprima metabolizzato a proinsulina e, soltanto alla fine, metabolizzata in forma di insulina. Generalmente le vie ossidative sono modulate mediante defosforilazioni a livello degli enzimi corrispettivi. Le vie riduttive, invece, vengono instradate con una fosforilazione dell'enzima. Ruolo dell'insulina Aumento della permeabilità dei trasportatori GLUT-4; Aumento del rate della glicolisi mediante una modulazioni sull'enzimi fosfofruttochinasi-2 e piruvato chinasi; Aumento del rate della glicogenosintesi, mediante una modulazione positiva sull'enzima glicogeno sintasi; Aumento della biosintesi degli acidi grassi attraverso una modulazione positiva sull'enzima acetil-coa-carbossilasi; Inibizione della glicogenolisi mediante una inattivazione dell'enzima glicogeno fosforilasi; Inibizione della gluconeogenesi mediante fosforilazione dell'enzima fosfofruttochinasi 2; Glucagone Il glucagone, a differenza dell'insulina ha un ruolo iperglicemizzante. È secreto dalle cellula alfa del pancreas, che rispondono a bassi livelli di glucosio ematico. Ruolo del glucagone Aumento della glicogenolisi mediante attivazione dell'enzima glicogeno fosforilasi; Aumento della lipolisi con azione diretta sulla lipasi ormone sensibile; 7

8 Inibizione della glicolisi, mediante una fosforilazione della fosfofruttochinasi-2, attivando dunque la capacità fosforilasica nei confronti del fruttosio-2,6-bisfosfato, e sull'enzima piruvato chinasi; Inibizione della sintesi degli acidi grassi con azione sull'enzima acetil-coa-carbossilasi; Inibizione della sintesi del glicogeno, mediante azione sull'enzima glicogeno sintasi; Regolazione della glicolisi La glicolisi è una via metabolica ubiquitaria nella quale il glucosio introdotto nella cellula, mediante i trasportatori glut, è ossidato in dieci reazioni enzimaticamente favorite per la produzione di piruvato, ATP, e NADH. La glicolisi è rallentata quando la cellula non ha necessità di ottenere "energia"; in altre parole un eccesso di molecole ad alto contenuto di energia, o degli intermedi delle vie metaboliche ossidative, agiscono su specifici enzimi che rallentano la velocità di catalisi e, di conseguenza la glicolisi stessa. Regolazione del trasporto di glucosio Il glucosio è presente nel torrente sanguigno in concentrazione media paria a 5mM. Subito dopo un pasto, specialmente se ricco di zuccheri, la presenza dell'esoso aumenta fino ad arrivare a livelli di 14mM. I trasportatori del glucosio, appartenenti alla famiglia GLUT, non sono omogenei ma si differenziano tra i differenti organi. Il pancreas, nella funzione delle cellule beta, ed il fegato possiedono trasportatori di glucosio con una bassa affinità, presentando una km che oscilla tra 17 e 21mM. I trasportatori di glucosio delle cellule muscolari, invece, presentano un'alta affinità per il glucosio, con valori di km pari a 5mM. Modulazione della fosforilazione del glucosio La tappa iniziale della glicolisi prevede la fosforilazione del glucosio in glucosio-6-fosfato ad opera di una esochinasi generica o una glucochinasi epatica. L'aggiunta di un radicale fosforico alla glicolisi impedisce la fuoriuscita dello zucchero dalla cellula e, per questa ragione, rappresenta una 8

9 tappa chiave. Esochinasi e glucochinasi differiscono per l'affinità nei confronti del glucosio; l'esochinasi ha un'alta affinità, in relazione alla bassa km, invece la glucochinasi epatica ha una bassa affinità. Dal punto di vista metabolico, la differente affinità delle chinasi determina una modulazione più amplia di tutta la via glicolitica. Quando il glucosio epatico è a bassa concentrazione, ad esempio durante la fase di digiuno, le esochinasi catalizzano la trasformazione in glucosio-6-fosfato. Se la concentrazione di glucosio è alta interviene la glucochinasi epatica che, essendo a bassa affinità, ha un range di lavoro ideale ad elevati livelli di glucosio ematico. Un altro meccanismo di controllo delle chinasi è determinato dalla concentrazione del glucosio-6- fosfato che si comporta come inibitore delle esochinasi ma non della glucochinasi. Quando l'apporto di glucosio è basso, l'aumento di glucosio-6-fosfato indica che la cellula produce più ATP di quanto ne serva, per questa ragione l'inibizione dell'esochinasi blocca la via glicolitica. La bassa affinità della glucochinasi, viceversa, determina che l'enzima è attivo soltanto quando la concentrazione di glucosio è elevata, per cui la cellula deve provvedere, nel più breve tempo possibile, a eliminare l'eccesso di zucchero attivando la glicolisi. Regolazione allosterica della fosfofruttochinasi-1 La fosfofruttochinasi-1, o PFK-1, è un enzima che catalizza la reazione di fosforilazione del fruttosio-6-fosfato, in fruttosio-1,6-bisfosfato. In condizioni di scarsa presenza di ATP, e elevata concentrazione di AMP, la PFK-1 catalizza alla massima velocità il trasferimento di un radicale fosforico dall'atp al gruppo ossidrilico del chetopentoso. L'ATP è un modulatore allosterico della PFK-1 che agisce secondo uno schema a feedback negativo: se la cellula non ha bisogno di energia allora ci sarà un eccesso di ATP che bloccal PFK-1. Un altro modulatore allosterico della PFK-1 è il citrato, che è un intermedio del ciclo di Krebs. Quando il citrato è presente in quantità elevate modula negativamente l'attività della PFK-1. Anche in 9

10 questo caso, l'eccesso di citrato, è indice di una sovraproduzione di energia. La reazione operata dala PFK-1 è irreversibile, per questa ragione se avviene la fosforilazione del fruttosio la glicolisi procede, non potendo più "tornare indietro". Fosfofruttochinasi-2 e fruttosio-2,6-bisfosfato Il fruttosio-2,6-bisfosfato o F2,6BP è uno zucchero che modula la fosfofruttochinasi-1 in modo allosterico. Pur essendo prodotto a partire dal fruttosio-6-fosfato, non è un intermedio della glicolisi. L'enzima che catalizza la reazione F6P in F2,6BP è la fosfofruttochinasi-2 che è una proteina dalla doppia funzionalità. La PFK-2 è una proteina dall'attività chinasica e fosfatasica. La prima funzionalità permette la biosintesi del fruttosio-2,6-bisfosfato, mediante l'addizione di un radicale fosforico sul C2 del fruttosio-6-fosfato. Lo stesso fosfato è rimosso dall'attività fosfatasica dell'enzima. La regolazione dell'attività dell'enzima riguarda una modifica covalente individuata in una fosforilazione. Se l'enzima è fosforilato, generalmente identificato con la sigla P-PFK-2, l'attività sarà di tipo fosfatasica, mediante la quale il fruttosio-2-6- bisfosfato è defosforilato a fruttosio-6-fosfato. La defosforilazione della proteina determina una marcata attività chinasica, che aumenta la produzione di fruttosio-2,6-bisfosfato. La regolazione di attività chinasica e fosfatasica, e di conseguenza la fosforilazione o la defosforilazione della PFK-2, avviene mediante un meccanismo di traduzione del segnale ormonale, in risposta alla concentrazione di glucosio ematico. In presenza di eleveta concentrazione di glucosio, l'ormone insulina agisce sulla PFK-2, mediante un sistema che la defosforila. Il glucagone, viceversa, è presente quando la concentrazione di glucosio ematico è relativamente bassa, per questa ragione l'ormone opera una fosforilazione sulla PFK-2. Regolazione della piruvato chinasi La piruvato chinasi, o PK, è l'enzima che, nella via 10

11 glicolitica catalizza il trasferimento di un radicale fosforico dal fosfoenolpiruvato, all'adp, che determina la biosintesi di un equivalente di ATP e un equivalente di piruvato. La piruvato chinasi possiede una modulazione da substrato ed una modulazione covalente. Le molecole che interagiscono con la PK possono modulare un effetto positivo o negativo. Il fruttosio-1,6-bisfosfato è un promotore della reazione catalizzata dal PK, mentre l'atp e l'alanina, biosintetizzata a partire dal piruvato, sono modulatori negativi. La regolazione covalente avviene in base allo stato di fosforilazione della PK. Elevati livelli di glucagone, mediante un meccanismo di traduzione del segnale ormonale, determinano la fosforilazione della proteina e una conseguente inattivazione. La PK defosforilata, invece, è attiva. GLICOGENO Il glicogeno è un carboidrato formato da circa monomeri di glucosio; è uno tra i più complessi omopolimeri glucidici. I legami sono di tipo α(1 4) e, nei punti di ramificazione i legami sono di tipo α(1 6). Dal punto di vista della struttura, il glicogeno, è molto simile all'amido; tuttavia, le differenze sono sia di tipo strutturale, giacché l'amido è un omopolimero lineare (amilosio) o moderatamente ramificato (amilopectina), sia biologiche. Struttura del glicogeno. Il glicogeno ha una funzione metabolica di riserva, 11

12 infatti può essere visto come un "contenitore" di monomeri di glucosio pronti per essere instradato nella glicolisi qualora servisse energia alla cellula. Anche nei funghi, il glicogeno, assume un ruolo di riserva mentre è scarsamente presente nei batteri. Metabolismo del glicogeno Metabolismo del glicogeno: glicogenosintesi e glicogenolisi La via metabolica che porta alla degradazione del glicogeno in singoli monomeri di glucosio prende il nome di glicogenolisi, viceversa la biosintesi di glicogeno avviene nella glicogenosintesi. Sedi di accumulo del glicogeno Il glicogeno è accumulato nel fegato, nel muscolo e solo parzialmente nel rene. Glicogeno epatico Il glicogeno epatico è molto ramificato, e presenta catene più lunghe rispetto al glicogeno muscolare. Il fegato, pur essendo un organo molto importante, non richiede molta energia. Per questo motivo, una volta operata la glicogenolisi, le molecole di glucosio possono essere immesse nel sangue e raggiungere gli altri tessuti. Il fegato, sotto questo punto di vista, rappresenta l'organo di eccelenza per la conservazione di materiale energetico. 12

13 Glicogeno muscolare Il glicogeno muscolare è utilizzato a fini energetici durante l'attività di contrazione; nel muscolo è, infatti, conservato un quantitativo di glicogeno pari a 2/3 del totale. Il glicogeno muscolare è conservato in catene molto ramificate ma, allo stesso tempo, più corte. È probabile che questa caratteristica abbia un ruolo funzionale, giacché la presenza di fibre più corte può garantire una maggiore capacità di attacco da parte degli enzimi della glicogenolisi. Il glucosio monomerico estratto dal glicogeno è consumato all'interno della cellula muscolare e, in altre parole, non è riversato nel torrente sanguigno. GLICOGENOLISI La glicogenolisi è un processo metabolico mediante il quale la cellula demolisce più molecole di glicogeno per ottenere glucosio e, di conseguenza, ATP. Il glicogeno è un polimero formato da un molti monomeri di glucosio, un carboidrati. Il glicogeno possiede una sola estremità riducente ed un gran numero di ramificazioni per essere meglio utilizzato dagli enzimi che catalizzano la propria lisi. Dal punto di vista fisiologico, il glicogeno può essere considerato come una riserva energetica. È presente nel fegato, nel muscolo scheletrico e in misura minore nel cuore e in altri tessuti. Deramificazione e produzione di glucosio dal glicogeno Le ramificazioni contengono un numero di monomeri di glucosio che, mediamente, risulta essere pari a 14. L'enzima che provoca la rottura del polimero è la glicogeno fosforilasi che attacca il polimero nella sua estremità non riducente e porta alla formazione di una molecola di glucosio-1-fosfato, che mediante l'enzima fosfoglucomutasi viene convertito in glucosio-6-fosfato. Dopo l'allontanamento di un monomero si forma una nuova estremità riducente e l'enzima può continuare la sua opera. 13

14 L'enzima glicogeno fosforilasi, però, non è efficace nei confronti dei monomeri di glucosio prossimi alla ramificazione. Per utilizzare tale parte la cellula possiede un secondo enzima chiamato enzima deramificante che trasferisce circa quattro monomeri di gluocosio prossimi alla ramificazione alla catena contigua ed, inoltre, libera il glucosio legato con legame α(1-6). Il meccanismo di attacco del fosfato al glicogeno, che determina la successiva formazione di glucosio-1- fosfato è coadiuvato dal piridossal-fosfato, altrimenti detto vitamina B6. L'azione acida del piridossal-fosfato, nel contesto della glicogenolisi, è inusuale in quanto tale vitamina è più che altro presente nel metabolismo degli aminoacidi. Ramificazioni del glicogeno Il glicogeno presenta, lungo la propria struttura, molte ramificazioni. All'apparenza, l'organizzazione ramificata della molecola può sembrare svantaggiosa, in quanto, all'interno della cellula, devono operare ben due enzimi per svogere lo stesso lavoro. In realtà la presenza delle ramificazioni permette a più copie dell'enzima glicogeno fosforilasi di attaccarsi in diversi punti producendo un quantitativo di glucosio di gran lunga superiore a quanto sarebbe stato possibile con una sola catena polimerica. 14