GLICOLISI e CATABOLISMO degli ESOSI

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1 GLICOLISI e CATABOLISMO degli ESOSI 1

2 ph= 7.0 2

3 Digestione dei polisaccaridi Amilasi salivare e pancreatica = endoglucosidasi 3

4 Digestione degli oligosaccaridi maltosio, maltotriosio, destrine, Saccarosio, lattosio. Saccarasi, lattasi, maltasi, isomaltasi dell intestino 4

5 Deficienza congenita o acquisita delle disaccaridasi intestinali: 1. DEFICIENZA ASPECIFICA 2. DEFICIENZA DI LATTASI nell adulto nel lattante (intolleranza al lattosio) 5

6 Carrier per il glucosio. Le cellule dell epitelio intestinale assumono il glucosio proveniente dalla dieta mediante un simporto dipendente dal sodio. 6

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8 Modello di un trasportatore del glucosio nei mammiferi Ciascun membro di questa famiglia è costituito da una singola catena polipeptidica lunga circa 500 residui 8

9 Km= 1mM (alta affinità per il glucosio) [glucosio]siero = 4-8mM 9

10 (insulino-indipendente) Km= 1mM (alta affinità per il glucosio) [glucosio]siero = 4-8mM 10

11 Nel fegato il glucosio viene assunto con un sistema insulino-indipendente realizzato dal trasportatore Glut-2., pancreas Km= 15-20mM Il glucosio entra solo quando la [glucosio]ematico è alta. Quando il glucosio entra nelle cellule β del pancreas lo induce a sintetizzare insulina. 11

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13 Km= 5mM 13

14 GLUT4 nel muscolo e nelle cellule adipose L assunzione di glucosio da parte del muscolo e delle cellule adipose viene regolata dall esocitosi insulino-dipendente di vescicole membranose contenenti GLUT4. Con la rimozione dell insulina, il processo si inverte in un processo di endocitosi 14

15 La glicolisi è la sequenza di reazioni che metabolizza una molecola di glucosio a due di piruvato con la produzione netta di due molecole di ATP. Questo processo è anaerobico 15

16 condizioni aerobiche condizioni anaerobiche nel lievito 16

17 Reazione irreversibile Esochinasi La molecola del glucosio induce un cambiamento conformazionale nell esochinasi. 17

18 Esochinasi: inibita dal glucosio 6-P Isoenzima tipo I: nel cervello (attivato dal Pi) Isoenzima tipo II: nel muscolo Deficienza ereditaria di esochinasi (anemia emolitica) Nel fegato sono presenti entrambi gli enzimi. Glucochinasi 1. Presente nel fegato 2. Specificità per il glucosio 3. Bassa affinità 4. Inducibile (dieta, insulina) 18

19 Il metabolismo glucidico è importante per gli eritrociti nel deficit di esochinasi le concentrazioni di tutti gli intermedi glicolitici sono basse e di conseguenza la concentrazione di 2,3- bifosfoglicerato è anch essa diminuita mentre l affinità dell emoglobina per l ossigeno risulta aumentata (curva verde) nel deficit di piruvato chinasi si ha un aumento nella concentrazione di 2,3- bifosfoglicerato con diminuzione dell affinità dell emoglobina per l ossigeno 19 (curva blu)

20 SEGUE 20

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22 Isomerizzazione di un esosio in un chetosio Fosfoglucosio isomerasi 22

23 II tappa di utilizzo dell ATP (reazione irreversibile) Fosfofruttochinasi Svolge un ruolo centrale nel controllo della glicolisi 23

24 Demolizione dell esoso in triosi Aldolasi 24

25 Gliceraldeide 3-P e diidrossiacetone fosfato sono interconvertibili Trioso fosfato isomerasi (enzima perfetto, mantiene le concentrazioni in equilibrio). 25

26 Reazione accoppiata: l energia derivata dall ossidazione dell aldeide è utilizzata per la formazione del legame fosfo-anidridico. (Primo intermedio ad alta energia) Gliceraldeide 3-P deidrogenasi 26

27 1 molecola di glucosio è stata trasformata in 2 molecole di GAP. Sono stati consumati 2 ATP (investimento di energia). 27

28 Ia fosforilazione dell ADP Fosfoglicerato chinasi 28

29 Trasferimento intramolecolare del radicale fosforico Fosfoglicerato mutasi 29

30 Formazione del PEP Enolasi 30

31 Reazione irreversibile II fosforilazione dell ADP Piruvato chinasi 31

32 Glucosio + 2 NAD ATP + 2 Pi 2 piruvato + 2 NADH + 2 ATP + 2 H 2 O + 4 H + 1. ATP. Per ogni molecola di glucosio: investimento di 2 ATP (fase I) sintesi di 4 ATP (fase II) Resa netta 2 ATP 2. NADH. Fonte di energia libera che può essere recuperata mediante successiva ossidazione. In condizioni di aerobiosi: NADH (e - ) trasportatori di e- Sintesi di ATP (fosforilazione ossidativa Rigenerazione di NAD + O 2 3. PIRUVATO 32

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34 Fermentazione: il destino anaerobico del del piruvato In condizioni aerobiche: piruvato CO 2 + H 2 O In condizioni anaerobiche: piruvato Via della fermentazione 34

35 Fermentazione omolattica (muscolo) O CH 3 NADH + H + NAD + lattico deidrogenasi HO COO- COO- CH 3 H Acido piruvico Acido lattico Il lattato ottenuto può essere riconvertito in glucosio dal fegato nella fase di recupero dopo lo sforzo 35

36 Fermentazione alcolica I lieviti (saccharomyces( cerevisiae) ) e altri microorganismi fermentano il glucosio ad etanolo e CO 2 invece che a lattato,, grazie alla presenza della piruvato decarbossilasi e dell alcol deidrogenasi O COO- CH 3 piruvato decarbossilasi, TPP C H 3 O CO 2 NADH + H + NAD + H alcol deidrogenasi CH 3 CH 2 OH 36

37 cellule di saccharomyces cerevisiae in gemmazione 37

38 Le due reazioni della fermentazione alcolica Tiamina pirofosfato 38

39 Meccanismo di reazione della piruvato decarbossilasi Deficienza di tiamina (vit. B1): beriberi 1. Attacco nucleofilo della TPP al carbonio carbonilico del piruvato. 2. Rilascio di CO 2 (TPP=trappola per gli elettroni) 3. Protonazione del carbanione 4. Eliminazione della TPP e rilascio del prodotto. 39

40 Bilancio energetico della glicolisi: TAPPA 1) Glucosio G-6-P 2) F-6-P F-1,6-dP 3) 1,3 BPG 3-PG 4) PEP Piruvato ATP netto

41 Efficienza della glicolisi aerobica TAPPA 1) Glucosio 2 Piruvato 2) 2 Piruvato 6 CO 2 3) 2 NADH (H + ) 2 NAD + ATP netto + 38 Glicolisi citoplasmatica Processi mitocondriali 41

42 La velocità del processo è regolata da 2 enzimi: fosfofrutto chinasi (PFK-1) piruvato chinasi Entrambi gli enzimi sono regolati allostericamente 42

43 La 6-fosfofrutto6 fosfofrutto-1cinasi è il principale sito di regolazione della glicolisi E un enzima tetramerico caratterizzato da due stati conformazionali, R e T. L ATP si comporta sia da substrato sia da inibitore allosterico Ogni subunità della PFK ha due siti di legame per l ATP: Uno è il sito per il substrato (con eguale efficienza in entrambe le conformazioni) Il sito dell inibitore lega l ATP esclusivamente nello stato T. L altro substrato della PFK, il F6P, si lega allo stato R. Un alta concentrazione di ATP agisce da inibitore allosterico,spostando 43 l equilibrio T R verso T con diminuizione dell affinità della PFK per il F6P.

44 PFK Attivatori: AMP, F2,6P Inibitore: ATP, ph acido, citrato La glicolisi è stimolata quando la carica energetica diminuisce (ATP/AMP) ADP + ADP ATP + AMP adenilato chinasi AMP: segnale per lo stato a bassa energia 44

45 Regolazione particolarmente sensibile da parte dell AMP [ATP] + [ADP] + [AMP] = K [ATP] [ADP] [ADP] [AMP] Amplificazione: Piccole variazioni nella [ATP] generano grandi variazioni nella [AMP] 45

46 Regolazione allosterica della fosfofruttochinasi da parte dell ATP 46

47 ph La sensibilità della 6PFK agli ioni H + è un meccanismo di difesa contro l acidosi lattica (diminuizione del ph ematico) insieme al simporto acido lattico-h + Citrato Un elevata concentrazione di citrato indica che i precursori biosintetici sono abbondanti e non deve essere degradato altro glucosio (indispensabile per il cervello). 47

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49 PFK2 FBP2 49

50 Struttura dei domini dell enzima bifunzionale fosfofruttochinasi 2 PFK2 e FBPasi sono presenti in una singola catena polipeptidica Sequenza amminoacidica dell enzima 50

51 Fegato e cuore contengono differenti isoenzimi dell enzima bifunzionale PFK/FBPasi che danno differente risposta allo stesso ormone (adrenalina). adrenalina glucagone Cuore: (attivazione glicolisi) Fegato: (inibizione della glicolisi) 51

52 Regolazione della sintesi e della degradazione del fruttosio 2,6-bisfosfato (isoforma L, epatica) Una diminuzione del glucosio ematico segnalato dal glucagone, determina la fosforilazione dell enzima bifunzionale con coseguente diminuzione del fruttosio 2,6-bifosfato. [glucosio] Un aumento della concentrazione di fruttosio 6-fosfato accelera la formazione di fruttosio 2,6.bifosfato facilitando la defosfrilazione dell enzima bifunzionale 2 o 1 52

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54 Anche la piruvato cinasi è un enzima glicolitico soggetto a regolazione Piruvato chinasi - ATP - Alanina e precursori biosintetici + F1,6BP 2 isoenzimi: L (nel fegato) ed M (nel muscolo). 54

55 Piruvato cinasi (tipo L) è soggetto a regolazione mediante fosforilazione (per impedire al fegato di consumare glucosio quando l encefalo e i muscoli hanno maggiore necessità di questo composto). 1 55

56 56 Le principali caratteristiche della regolazione della glicolisi

57 Le cellule cancerose crescono più rapidamente dei vasi sanguigni che le nutrono in assenza di ossigeno l HIF-1 ( fattore di trascrizione inducibile dall ipossia ) aumenta l espressione della maggior parte degli enzimi glicolitici e dei trasportatori del glucosio GLUT-1 e GLUT-3 la captazione del glucosio è collegata alla aggressività del tumore l HIF-1 stimola la crescita di nuovi tumori aumentando l espressione delle molecole segnale, come il fattore di crescita vascolare endoteliale ( VEGF ), che facilita la crescita dei vasi sanguigni 57

58 Alterazione dell espressione genica nei tumori causata dall ipossia 58

59 Oltre al glucosio molti altri carboidrati possono entrare nella via glicolitica e subire degradazioni che liberano energia; i più importanti sono: polisaccaridi (amido, glicogeno) disaccaridi (maltosio, lattosio, saccarosio) altri monosaccaridi (fruttosio, (fruttosio, mannosio,, galattosio) 59

60 Entrata nella glicolisi di altri esosi (nel muscolo) 60

61 Nel muscolo il metabolismo del fruttosio è molto simile a quello del glucosio. L esochinasi che trasforma il glucosio in G6P, fosforila il fruttosio un F6P. Poiché il fegato e il tessuto muscolare fosforilano più il glucosio anzicchè il fruttosio, il tessuto adiposo è esposto più al fruttosio che al glucosio. 61

62 Il fegato contiene una esochinasi e una glucochinasi caratterizzata da una bassa affinità per gli esosi, compreso il fruttosio. Il metabolismo del fruttosio nel fegato è diverso da quello del muscolo infatti il fegato trasforma il fruttosio in intermedi glicolitici tramite una via metabolica in cui sono presenti sette enzimi. 62

63 Reazione 1: La fruttochinasi fosforila il fruttosio in C1 formando fruttosio-1-fosfato.nè l esochinasi né la PFK sono in grado di fosforilare il fruttosio-1-fosfato in C6 per formare il FBP. Reazione 2: Il muscolo possiede un aldolasi di tipo A, specifica per il FBP. Il fegato possiede un aldolasi di tipo B, che utilizza il fruttosio-1.fosfato. Per scissione aldolica si ha: Fruttosio-1-fosfato diidrossiacetonefosfato + gliceraldeide 63

64 1 2 3 Alcol deidrogenasi 64