METABOLISMO DEI CARBOIDRATI I: PROCESSI ANAEROBICI NELLA PRODUZIONE DELL'ENERGIA METABOLICA

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1 AITL 13 METABLISM DEI ARBIDRATI I: RESSI ANAERBII NELLA RDUZINE DELL'ENERGIA METABLIA Il nostro studio dettagliato del metabolismo inizierà considerando le fasi anaerobiche del metabolismo dei carboidrati (figura 13.1). La maggior parte del presente capitolo è dedicata alla glicolisi, la via iniziale del catabolismo dei carboidrati. Il termine glicolisi deriva da vocaboli greci che significano dolce e scissione. Questi termini sono letteralmente corretti, dal momento che la glicolisi è la via attraverso cui zuccheri a sei atomi di carbonio (che sono dolci) sono scissi, producendo un composto a tre atomi di carbonio, il piruvato. Durante questo processo parte dell energia potenziale immagazzinata nella struttura degli esosi è rilasciata e utilizzata per ottenere la sintesi di AT da AD. La glicolisi può procedere in condizioni di anaerobiosi, senza che avvenga un ossidazione netta dei substrati saccaridici. Gli anaerobi, microrganismi che vivono in ambienti privi di ossigeno, possono ricavare tutta la loro energia metabolica da questo processo. In ogni caso anche le cellule aerobie utilizzano la glicolisi. In queste cellule la glicolisi è la parte iniziale, anaerobica, di una via degradativa che nel complesso comporta un notevole consumo di ossigeno e alla completa ossidazione dei carboidrati. er parecchie ragioni la glicolisi rappresenta un buon punto di partenza per iniziare uno studio dettagliato sul metabolismo. Innanzitutto è stata la prima via metabolica a essere compresa nei dettagli. In secondo luogo è una via pressoché universalmente diffusa nelle cellule viventi. Inoltre la regolazione della glicolisi ci è particolarmente chiara. Infine, non meno importante è il ruolo metabolico centrale che questa via riveste nel generare sia energia sia intermedi metabolici per altre vie. Si tratta di una delle autostrade più trafficate della mappa del metabolismo, ed è anche raccordata a molte strade di traffico meno intenso. FIGURA 13.1 rocessi anaerobici nella produzione dell energia metabolica. Le porzioni in viola della mappa metabolica mostrano la via glicolitica e la scissione dei polisaccaridi che alimentano questa via. La glicolisi produce AT anaerobicamente e fornisce combustibile per le vie aerobiche di produzione di energia. I numeri 1,, 3 identificano i tre stadi del metabolismo (vedere capitolo 1).

2 ISBN METABLISM DEI ARBIDRATI I olysaccharides roteins Nucleic acids Lipids Monosaccharides Glycerol Amino acids Nucleotides Fatty acids G l y c o l y s i s Glucose Glyceraldehyde- 3-phosphate yruvate G lu c o n e o g e n e s i s Acetyl-oA 3 itric acid cycle e e Key: N 3 AD Electron transport AT and oxidative phosphorylation atabolic pathway Anabolic pathway Electron flow Reduced electron carriers (NAD, FAD ) xidized electron carriers (NAD +, FAD) hotosynthesis Light energy

3 ap. 13 pellicole :14 agina 456 METABLISM DEI ARBIDRATI I ISBN Sebbene le cellule possano metabolizzare diversi zuccheri esosi per mezzo della glicolisi, lo zucchero che viene principalmente utilizzato come carburante nella maggior parte delle cellule è il glucosio. In effetti alcuni tessuti animali, come il cervello, utilizzano normalmente il glucosio come sola fonte di energia, e qualsiasi tipo di produzione di energia in queste cellule ha inizio con la glicolisi. La maggior parte delle cellule può comunque utilizzare altri zuccheri; ci occuperemo quindi anche delle modalità di conversione di questi zuccheri a intermedi metabolici nella glicolisi. onsidereremo inoltre anche i processi in cui i carboidrati immagazzinati sotto forma di polisaccaridi sono resi disponibili per l utilizzazione nella glicolisi. LA GLILISI: UNA VISINE D INSIEME INTERRELAZINI TRA LA GLILISI E LE ALTRE VIE METABLIE Le dieci reazioni della glicolisi possono essere raggruppate in una fase di investimento energetico (prime 5 reazioni) e in una fase di produzione dell energia (ultime 5 reazioni) FASE DI INVESTIMENT ENERGETI Glucosio FASE DI RDUZINE ENERGETIA GLILISI AERBIA E ANAERBIA iruvato BILANI NETT: Glucosio La glicolisi è una via a 10 passaggi che converte una molecola di glucosio in due molecole di piruvato con la contemporanea produzione di due molecole di AT. Il consumo dei polisaccaridi di riserva, così come il metabolismo degli oligosaccaridi, fornisce glucosio, altri esosi a esso correlati e zuccheri fosfati, ognuno dei quali entra attraverso un proprio percorso nella via glicolitica. i concentreremo inizialmente sul processo considerando il glucosio come composto di partenza, e discuteremo successivamente i percorsi di ingresso degli altri carboidrati. Le 10 reazioni che separano il glucosio dal piruvato possono essere distinte in due diverse fasi, schematizzate in figura 13.. Le prime cinque reazioni costituiscono una fase di investimento energetico, nella quale gli zuccheri fosfati vengono sintetizzati a spese di moli di AT (che vengono convertite in AD), e il substrato a sei atomi di carbonio viene scisso in zuccheri fosfati a tre atomi di carbonio. Le successive cinque reazioni rappresentano una fase di produzione energetica, nella quale i trioso fosfati sono convertiti in composti ad alta energia. Questi composti trasferiscono 4 moli di fosfato all AD, sintetizzando 4 moli di AT. La resa netta è pari a moli di AT e moli di piruvato, per mole di glucosio metabolizzato. Si noti che vengono prodotti anche equivalenti di riduzione sotto forma di NAD. Negli organismi aerobi, la glicolisi è il primo passaggio nella combustione completa del glucosio a e acqua. Il secondo passaggio consiste nell ossidazione del piruvato ad acetil-oa, e il processo finale è rappresentato dall ossidazione degli atomi di carbonio del gruppo acetile nel ciclo dell acido citrico (vedere figura 13.1). Il capitolo 14 presenterà in dettaglio questi ultimi due processi. La glicolisi produce anche intermedi biosintetici: essa è pertanto una via al contempo anabolica e catabolica, e riveste un importanza che va oltre la sintesi di AT e di substrati per il ciclo dell acido citrico. iruvato FIGURA 13. Le due fasi della glicolisi e i prodotti della glicolisi. La glicolisi è una via metabolica antica che probabilmante era già usata dai primi batteri noti circa 3.5 miliardi di anni fa. oiché ciò accadeva circa un miliardo di anni prima che i più antichi organismi fotosintetici noti cominciassero a fornire il loro contributo di all atmosfera terrestre, la glicolisi doveva funzionare in condizioni completamente anaerobiche, cioè senza un cambiamento netto dello stato di ossidazione nel corso della conversione dei substrati nei prodotti. Si noti tuttavia che, come mostrato in figura 13., la conversione di glucosio a piruvato, che non ossida gli atomi di carbonio del glucosio, comporta la riduzione concomitante di due moli di NAD+ a NAD. Affinché la via possa operare anaerobicamente, il NAD deve essere dunque riossidato a NAD+ mediante il trasferimento dei suoi elettroni a un accettore in modo da mantenere uno stato stazionario. Alcuni microrganismi che crescono in condizioni anaerobiche possono generare ulteriore energia mediante il trasferimento di elettroni a sostanze inorganiche come ioni solfato o nitrato; alcuni organismi possono ridurre substrati organici. La via più diretta è quella utilizzata dai batteri lattici, che usano semplicemente il NAD per ridurre il piruvato a lattato, attra-

4 ISBN LA GLILISI: UNA VISINE D INSIEME 457 verso l enzima lattato deidrogenasi.è questa la reazione che avviene quando il latte diventa acido: + NAD NAD + G = 5.1 kj/mol 3 iruvato 3 L-Lattato La glicolisi è quindi parte di una fermentazione, che è definita come un processo metabolico che produce energia senza alcun cambiamento di stato di ossidazione. La fermentazione lattica (conversione del glucosio a lattato) è importante nella fabbricazione del formaggio. Un altra fermentazione importante comporta la rottura del piruvato ad acetaldeide e (vedere pagina 470), con la successiva riduzione dell aceteldeide a etanolo da parte dell alcol deidrogenasi: Una fermentazione è una via metabolica producente energia che non comporta cambiamenti di stato di ossidazione nella trasformazione dei substrati in prodotti 3 NAD 3 NAD perata da lieviti, questa fermentazione produce l alcol delle bevande alcoliche. Anche i lieviti utilizzati nella panificazione operano la fermentazione alcolica: la prodotta dalla decarbossilazione del piruvato determina il rigonfiamento del pane, mentre l etanolo prodotto evapora durante la cottura. Tra le decine di altre fermentazioni utili, ci sono quelle che portano alla produzione di acido acetico (fabbricazione dell aceto) e dell acido propionico (fabbricazione del formaggio svizzero). Le cellule animali, simili in questo ai batteri lattici, possono ridurre il piruvato a lattato: compiono questo processo quando il piruvato è prodotto più velocemente di quanto possa essere ossidato attraverso il ciclo dell acido citrico. Durante sforzi intensi, le cellule del muscolo scheletrico ottengono la maggior parte della propria energia da questa glicolisi anaerobica: una glicolisi che ha luogo in condizioni anaerobiche. Si consideri invece una cellula che sostenga una respirazione attiva, cioè la demolizione ossidativa e la produzione di energia a partire da molecole di nutrienti che reagiscono con l ossigeno. In queste cellule il piruvato è ossidato ad acetil-oa, che entra nel ciclo dell acido citrico. Il NAD prodotto durante la glicolisi è riossidato attraverso la catena di trasporto elettronico mitocondriale per un ulteriore produzione di energia (vedere capitolo 15), attraverso il trasferimento finale degli elettroni all, l accettore elettronico terminale. La conversione del glucosio a piruvato nelle cellule in grado di respirare è detta glicolisi aerobica. La glicolisi anaerobica (come la glicolisi aerobica) porta alla formazione di piruvato, che viene però ridotto, cosicché non si ha alcuna ossidazione netta I RIMI FNDAMENTALI ESERIMENTI Sebbene se ne sia compreso il funzionamento solo nel secolo scorso, la glicolisi è stata sfruttata da quando gli uomini hanno iniziato a utilizzare il lievito per la preparazione del pane e della birra. (La prima definizione di fermentazione è stata quella di modificazione chimica accompagnata da effervescenza. ) La dimostrazione di Louis asteur, nel 1856, che le fermentazioni sono opera di microrganismi rappresenta una pietra miliare nella storia della scienza. iononostante la visione dominante del tempo era che un processo quale la fermentazione del glucosio con produzione di etanolo fosse un fenomeno tanto complesso da non poter essere riprodotto all esterno della cellula vivente. ome abbiamo visto nel capitolo 1, nel 1897 Eduard e ans Büchner mostrarono che la fermentazione poteva aver luogo in assenza di cellule. Nel 1905 Arthur arden e William Young scoprirono che il fosfato inorganico, quando aggiunto all estratto di lievito, stimolava e prolungava la fermentazione del glucosio. Nel corso della fermentazione il fosfato inorganico scompariva dal mezzo di reazione, e questo portò arden e Young a suggerire che la fermentazione procedesse attraverso la formazione di uno o più esteri fosforici di zuccheri.

5 METABLISM DEI ARBIDRATI I ISBN Questa scoperta aprì la porta all individuazione delle singole reazioni chimiche coinvolte nella fermentazione, impresa riuscita in Germania negli anni 30 del secolo scorso, principalmente a opera di G. Embden,. Meyerhof e. Warburg. er questo la glicolisi è spesso denominata via di Embden-Meyerhof. Questi scienziati identificarono 10 diverse reazioni che portano alla trasformazione di glucosio in piruvato, identiche in una gran varietà di organismi. Gli studi sulla glicolisi hanno fornito la prima dimostrazione che una via metabolica consiste di una serie di reazioni chimiche definite. Sono oggi disponibili informazioni dettegliate sulla struttura e il meccanismo di azione di ciscuno degli enzimi coinvolti. LA STRATEGIA DELLA GLILISI L AT è sintetizzato in tre principali modi: mediante la fosforilazione a livello del substrato, mediante fosforilazione ossidativa e mediante fotofosforilazione 1 Fosforilazione Esochinasi Isomerizzazione Fosfoglucoisomerasi 3 Fosforilazione Fosfofruttochinasi 4 Scissione Aldolasi DA G G6 F6 FB G3 5 Isomerizzazione Trioso fosfato isomerasi AT AD AT AD La glicolisi è una via così importante da meritare l analisi dattagliata di ognuna delle sue 10 reazioni. rima di fare ciò daremo una sguardo alla via metabolica nel suo complesso. Innanzitutto va ricordato quanto detto nel capitolo 1, e cioè che nelle cellule eucariote la glicolisi avviene nel citosol, mentre la successiva ossidazione del piruvato avviene nei mitocondri. (Alcuni tripanosomi, i protozoi parassiti che provocano la malattia del sonno africana, rappresentano un interessante eccezione: in essi la glicolisi avviene in un organulo citoplasmatico organizzato, detto glicosoma.) La figura 13.3 fornisce una rappresentazione sintetica della conversione del glucosio in piruvato. Nella fase di investimento energetico (le prime cinque reazioni), lo zucchero viene attivato metabolicamente per mezzo della fosforilazione. Questo processo produce uno zucchero fosforilato a sei atomi di carbonio, il fruttosio 1,6-bisfosfato,che subisce una scissione che produce moli di trioso fosfato: la gliceraldeide- 3-fosfato e il diidrossiacetone fosfato. Nella fase di produzione energetica (le successive cinque reazioni), i triosi fosfati subiscono un ulteriore attivazione con produzione di due composti contenenti legami fosforici ad alta energia: dapprima l 1,3-bisfosfoglicerato e quindi il fosfoenolpiruvato.si ricordi dalla figura 3.7 che ciascuno di questi composti possiede un G di idrolisi maggiore di quello dell AT; essi possono essere considerati come composti ad altissima energia. Durante la fase di produzione energetica, ciascuno di questi composti trasferisce il proprio fosfato ad alta energia all AD con formazione di AT. Questo processo è detto fosforilazione a livello del substrato, e consiste nel trasferimento di un gruppo fosforico da un composto a elevato contenuto energetico all AD, con formazione di AT. La fosforilazione a livello del substrato è un processo distinto dalla fosforilazione ossidativa, cioè la sintesi di AT determinata dal trasporto elettronico (vedere capitolo 15), e dalla fotofosforilazione, l utilizzazione dell energia fotosintetica per la produzione dell AT (vedere capitolo 17). Dal momento che per ogni mole di glucosio sono prodotte moli di trioso fosfato, la resa delle due fosforilazioni a livello del substatrato della glicolisi è di 4 moli di AT per mole di glucosio. Sottraendo le due moli di AT investite nella prima fase (reazioni 1-5), si realizza un guadagno netto di due molecole di AT sintetizzate per molecola di glucosio convertita a piruvato (vedere figura 13.). LE REAZINI DELLA GLILISI onsideriamo ora la sequenza delle 10 reazioni che portano dal glucosio al piruvato, numerando ogni reazione come indicato in figura I nomi per esteso dei substrati e dei prodotti verranno dati quando verrà descritta la relativa reazione, ma per semplicità essi verranno presentati nel testo in forma abbreviata. er esempio, glucosio-6- fosfato è equivalente a α-d-glucosio-6-fosfato. REAZINI 1-5: FASE DI INVESTIMENT ENERGETI Le prime 5 reazioni, che costituiscono la fase di investimento energetico, sono riassunte qui a margine.

6 ISBN LE REAZINI DELLA GLILISI 459 FASE DI INVESTIMENT ENERGETI 1 Glucosio AT Reazioni 1 3 Attivazione mediante fosforilazione AT investiti 3 Fruttosio- 1,6-bisfosfato 4 AT Reazioni 4 e 5 Scissione di uno zucchero fosforilato a 6 atomi di carbonio in due zuccheri fosforilati a 3 atomi di carbonio Gliceraldeide- 3-fosfato 5 Diidrossiacetone fosfato FASE DI RDUZINE ENERGETIA 6 1,3-Bisfosfoglicerato NAD Reazione 6 roduzione di NAD e di un composto ad altissima energia 7 AT Reazione 7 Fosforilazione a livello del substrato AT prodotti 3-Fosfoglicerato 8 9 Reazioni 8 e 9 roduzione di un composto ad altissima energia (e di acqua) Fosfoenolpiruvato 10 AT Reazione 10 Fosforilazione a livello del substrato AT prodotti iruvato 3 FIGURA 13.3 Una visione d insieme della glicolisi. Questo schema riassuntivo della glicolisi mostra gli intermedi chiave e le reazioni in ciascuna delle due fasi principali. Nella fase di produzione energetica, per ciascuna molecola di AT utilizzata nella fase di investimento energetico sono prodotte due molecole di AT.

7 METABLISM DEI ARBIDRATI I ISBN Reazione 1: il primo investimento di AT ominceremo con la fosforilazione AT-dipendente del glucosio catalizzata dall esochinasi α-d-glucosio 1 + AT Mg + α-d-glucosio-6-fosfato + AD + + G = 16.7 kj/mol Una forma di esochinasi con K M elevata permette al fegato, in condizioni di glicemia elevata, di regolare l utilizzazione del glucosio in funzione della sua disponibilità Lo ione magnesio è necessario dal momento che la forma reattiva dell AT è il suo complesso chelato con Mg + (vedere pagina 43). iò è vero per tutti gli enzimi ATdipendenti. L esochinasi esiste in varie forme nei diversi organismi ma è generalmente caratterizzata dalla bassa specificità per gli zuccheri e dalla bassa K M per questi substrati (circa 0.1 mm). La bassa specificità permette la fosforilazione di vari zuccheri esosi, inclusi fruttosio e mannosio, permettendo la loro utilizzazione attraverso la glicolisi. ome è stato notato nel capitolo 11, l esochinasi è inibita retroattivamente dal suo prodotto, il glucosio-6-fosfato, un meccanismo che controlla l ingresso dei substrati nella via glicolitica. Va ricordato inoltre che la struttura dell esochinasi fornisce una chiara evidenza del modello dell adattamento indotto della catalisi enzimatica (vedere pagina 373). Dal momento che i livelli intracellulari di glucosio sono solitamente molto maggiori del valore di K M dell esochinasi, l enzima funziona spesso in vivo a concentrazioni saturanti di substrato. Il fegato dei vertebrati contiene una distinta forma di esochinasi, caratterizzata da un valore molto alto di K M per il glucosio (circa 10 mm), da una dipendenza sigmoidale dalla concentrazione del glucosio, e dalla insensibilità all inibizione da glucosio-6-fosfato. Questa speciale esochinasi permette al fegato di regolare la propria velocità di utilizzazione del glucosio in risposta alle variazioni del livello di glucosio nel sangue. ome discuteremo nel capitolo 16, una delle principali funzioni del fegato è infatti la regolazione del livello di glucosio nel sangue: questo enzima rappresenta uno dei principali meccanismi attraverso i quali il fegato svolge questa funzione. Questa forma di esochinasi è spesso chiamata glucochinasi, sebbene la sua specificità di substrato sia identica a quella dell esochinasi. Reazione : isomerizzazione del glucosio-6-fosfato La reazione successiva, catalizzata dalla fosfoglucoisomerasi, è l isomerizzazione prontamente reversibile dell aldoso, il glucosio-6-fosfato (G6), nel chetoso corrispondente, il fruttosio-6-fosfato (F6) α-d-glucosio-6-fosfato D-Fruttosio-6-fosfato G = +1.7 kj/mol Questa reazione procede attraverso un intermedio enediolico: B e B- rappresentano i residui aminoacidici del sito attivo.

8 ISBN LE REAZINI DELLA GLILISI 461 B + B B B + B B + B B + B B G6 Enediolo F6 Il trasferimento dell ossigeno carbonilico dal carbonio 1 al carbonio fa sì che il gruppo idrossilico creato a livello del carbonio 1 possa essere facilmente fosforilato nella reazione successiva. Incontreremo più avanti altre isomerizzazioni aldoso-chetoso che procedono con un meccanismo simile. Reazione 3: il secondo investimento di AT Nella rezione 3, la fosfofruttochinasi dell AT compie un altra fosforilazione AT-dipendente, con formazione di un esoso fosforilato a livello degli atomi di carbonio 1 e 6. Il prodotto, il fruttosio-1,6-bisfosfato (FB), era chiamato un tempo fruttosio-1,6- difosfato; è stato deciso questo cambio di denominazione per mettere in evidenza che i due fosfati sono separati, piuttosto che legati come nell AD. La reazione della fosfofruttochinasi è il principale sito di regolazione della glicolisi D-Fruttosio-6-fosfato 6 + AT Mg D-Fruttosio-1,6-bisfosfato + AD + + G = 14. kj/mol Analogamente alla fosforilazione del glucosio, questa reazione è sufficientemente esoergonica da essere praticamente irreversibile in vivo. Questa caratteristica è importante, in quanto la fosfofruttochinasi (KF) rappresenta il sito primario di regolazione del flusso di carbonio attraverso la glicolisi. La KF è un enzima allosterico la cui attività è estrememente sensibile allo stato energetico della cellula, come pure ai livelli di vari altri intermedi, in particolare il citrato e gli acidi grassi. Le interazioni con gli effettori allosterici, che saranno discusse più avanti in questo capitolo, attivano la KF. Tale attivazione aumenta il flusso di carbonio attraverso la glicolisi quando è necessario generare più AT, mentre lo inibisce quando la cellula dispone di grosse riserve di AT o di substrati ossidabili. Le piante superiori possiedono due diverse forme di KF: l enzima AT-dipendente e una forma specifica, la quale utilizza come agente fosforilante il pirofosfato invece dell AT. Fruttosio-6-fosfato i fruttosio-1,6-bisfosfato i Questo enzima, che per attività è comparabile alla fosfofruttochinasi AT-dipendente, sembra rappresentare un alternativa per la catalisi del terzo passaggio della glicolisi. Reazione 4: scissione dei due triosi fosfati La reazione 4 è catalizzata dall enzima fruttosio-1,6-bisfosfato aldolasi,comunemente detto aldolasi,perché la reazione che catalizza è simile all inverso di una condensa-

9 METABLISM DEI ARBIDRATI I ISBN zione aldolica. In questa reazione avviene quella scissione dello zucchero che è richiamata dal termine glicolisi: in questa fase infatti il composto a sei atomi di carbonio fruttosio-1,6-bisfosfato si scinde formando intermedi a tre atomi di carbonio, la gliceraldeide-3-fosfato e il diidrossiacetone fosfato. D-Fruttosio-1,6-bisfosfato Nelle condizioni presenti nella cellula, l aldolasi scinde il fruttosio- 1,6-bisfosfato, anche se si può prevedere che agisca in senso opposto nelle condizioni standard Questa reazione illustra un importante principio metabolico. ome si può notare, la reazione è fortemente endoergonica in condizioni standard, in modo tale che la formazione del fruttosio-6-fosfato risulta altamente favorita. Tuttavia, dalle effettive concentrazioni intracellulari di reagenti e prodotti determinate nel muscolo scheletrico di coniglio, si può calcolare un G pari a 1.3 kj/mol, un valore in accordo con l osservazione che la reazione procede verso destra in vivo. Questo esempio mette in evidenza la necessità di considerare le condizioni nella cellula, e non le condizioni standard, per decidere quale sia la direzione favorita di una reazione. L aldolasi della maggior parte dei vertebrati è una proteina tetramerica. L enzima attiva il substrato, rendendone possibile la scissione, mediante condensazione del carbonio chetonico in posizione con il gruppo ε-amminico nel sito attivo, e conseguente formazione di una base di Schiff intermedia, come mostrato in figura Una base di Schiff è il prodotto della condensazione di un gruppo amminico con un gruppo carbonilico. Il substrato attivato subisce la sottrazione di un protone dal gruppo idrossilico del carbonio 4, seguita dall eliminazione dello ione enolato che si viene così a formare, con la conseguente rottura del legame tra il -3 e il -4. Reazione 5: isomerizzazione del diidrossiacetone fosfato ome si è visto precedentemente, la reazione dell aldolasi produce zuccheri fosfato a tre atomi di carbonio. La funzione della reazione 5, catalizzata dalla trioso fosfato isomerasi, è quella di trasformare uno di questi prodotti, il diidrossiacetone fosfato (DA), in gliceraldeide-3-fosfato (G3), il substrato della successiva reazione glicolitica; questa reazione consente l utilizzo di tutti e 6 gli atomi di glucosio. G = +7.6 kj/mol Diidrossiacetone fosfato D-Gliceraldeide-3-fosfato Anche questa reazione è alquanto endoergonica in condizioni standard; la concentrazione intracellulare di gliceraldeide-3-fosfato è però bassa, e questo sposta l equilibrio sopra indicato verso destra. ome descritto nel capitolo 11 (pagina 374), l isomerizzazione del diidrossiacetone fosfato procede attraverso un intermedio enediolico. A questo punto la glicolisi ha consumato due molecole di AT e ha convertito uno zucchero esoso in due molecole di gliceraldeide-3-fosfato, ciascuna delle quali è successivamente metabolizzata a dare composti ad alta energia che promuovono la sintesi di AT. A questo punto la fase di investimento energetico del ciclo è completata, e sta per cominciare la fase di produzione di energia.

10 : ISBN LE REAZINI DELLA GLILISI Gliceraldeide- 3-fosfato N + B K eq = N N + B B 1 Diidrossiacetone fosfato 6 Fruttosio-1,6- bisfosfato Base di Schiff N Aldolasi B FIGURA 13.4 Meccanismo di reazione della fruttosio-1,6-bisfosfato aldolasi. La figura mostra la base di Schiff intermedio di reazione che si forma tra il substrato e il residuo di lisina del sito attivo. B è un residuo basico presente nell enzima, che riceve un protone dall ossidrile presente su -4 e lo cede dopo la scissione del legame tra -3 e -4. REAZINI 6-10: FASE DI RDUZINE DELL ENERGIA Le cinque reazioni della fase di produzione dell energia sono riassunte a lato. Reazione 6: produzione del primo composto ad alta energia Questa reazione, catalizzata dalla gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi,è tra le più interessanti della glicolisi per quanto riguarda il meccanismo, sia perché genera il primo intermedio ad alta energia, sia perché produce due equivalenti di riduzione (vedere figura 13.5). La reazione completa è la seguente: D-Gliceraldeide-3-fosfato + NAD + + i + NAD + + G = kj/mol 1,3-Bisfosfoglicerato La reazione 6 comporta un ossidazione del carbonio carbonilico della gliceraldeide-3-fosfato con scambio di due elettroni e produzione di un gruppo carbossilico, un tipo di reazione che è normalmente piuttosto esoergonica. Tuttavia la reazione completa è debolmente endoergonica (in condizioni standard), in quanto l enzima utilizza la maggior parte dell energia rilasciata per sintetizzare un composto ad altissima energia, l 1,3-bisfosfoglicerato (BG). Questo composto contiene un anidride carbossilico-fosforica, ossia un gruppo acil-fosfato, in posizione 1: è un gruppo funzionale con un energia libera standard di idrolisi altissima, 49.4 kj/mol. Questo enzima richiede un coenzima, il NAD +,che riceve elettroni dal substrato da ossidare. oiché il gruppo acilfosfato è molto più ricco in energia dei legami anidridici tra residui di fosfato dell AT, l 1,3-bisfosfoglicerato può promuovere la sintesi di AT a partire dall AD. Questo è infatti ciò che avviene nella reazione successiva della via metabolica, la prima delle due fosforilazioni a livello del substrato nella glicolisi. oiché è evidentemente importante comprendere i meccanismi della sintesi dell AT, 6 ssidazione e fosforilazione Gliceraldeide-3- fosfato deidrogenasi 7 Fosforilazione a livello del substrato Fosfoglicerato chinasi 10 Fosforilazione a livello del substrato iruvato chinasi G3 BG 3G 8 Isomerizzazione Fosfoglicerato mutasi G 9 Disidratazione Enolasi E iruvato NAD + + i NAD + + AD AT AD AT La gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi produce un composto ad alto contenuto energetico e una coppia di equivalenti di riduzione.

11 METABLISM DEI ARBIDRATI I ISBN NAD + NAD Gliceraldeide- 3-fosfato S S Tioemiacetale S 1,3-Bisfosfoglicerato Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi FIGURA 13.5 Schema di reazione della gliceraldeide-3- fosfato deidrogenasi. assaggio 1: formazione dell intermedio iniziale tioemiacetalico tra la gliceraldeide-3-fosfato e l enzima. assaggio : ossidazione dell intermedio iniziale da parte del NAD +, con formazione di un intermedio acil-enzima. assaggio 3: scissione fosforolitica del legame tioestere nell intermedio acil-enzima. molto lavoro sperimentale è stato dedicato a chiarire come i composti ad altissima energia siano sintetizzati nel corso della fosforilazione a livello del substrato. Nel caso della gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi questa conoscenza deriva in gran parte dall antica osservazione che la glicolisi è inibita dallo iodoacetato e da metalli pesanti come il mercurio. Entrambi questi composti reagiscono con gruppi sulfidrilici liberi, come mostrato qui di seguito nel caso dello iodoacetato: RS I RS I La scoperta che questi composti inibiscono la glicolisi inibendo specificamente la gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi implica necessariamente che l enzima contiene uno o più gruppi tiolici essenziali. ggi sappiamo che la reazione procede come schematizzato in figura 13.5, iniziando con la formazione di un gruppo tioemiacetale che coinvolge il gruppo carbonilico del substrato e un gruppo tiolico di un residuo di cisteina dell enzima. Il tioemiacetale viene quindi ossidato dal NAD + con formazione di un intermedio acil-enzima, cioè un tioestere. I tioesteri sono composti ad alta energia; la fosforolisi di questo tioestere da parte di i permette la conservazione di gran parte dell energia sotto forma di acil-fosfato, che costituisce il prodotto. La stechiometria complessiva della reazione prevede la riduzione di 1 mole di NAD + a NAD + +. Questa reazione è la fonte del NAD formato nella glicolisi, come già messo in evidenza in figura 13.. Reazione 7: la prima fosforilazione a livello del substrato ome abbiamo precedentemente notato, l 1,3-bisfosfoglicerato, a causa del suo elevato potenziale di trasferimento di gruppo, possiede una forte tendenza a trasferire il proprio gruppo acil fosfato all AD, con conseguente formazione di AT. Questa reazione di fosforilazione a livello del substrato è catalizzata dalla fosfoglicerato chinasi, come mostrato qui di seguito: Mg + + AD + AT G = 18.8 kj/mol 1,3-Bisfosfoglicerato 3-Fosfoglicerato A questo punto il bilancio netto di AT del processo glicolitico è zero. Si ricordi che sono state investite due moli di AT per mole di glucosio per generare moli di trioso fosfato. La reazione qui riportata genera una mole di AT per mole di trioso fo-

12 ISBN LE REAZINI DELLA GLILISI 465 sfato, ovvero due moli di AT per mole di glucosio. La via metabolica nel complesso diviene esoergonica nelle rimanenti tre reazioni. In quest ultima fase è prevista l attivazione del fosfato residuo, che nel 3-fosfoglicerato (3G) possiede un potenziale di trasferimento relativemente basso. La fosfoglicerato chinasi catalizza la prima reazione glicolitica che comporta la produzione di AT Reazione 8: preparazione alla sintesi del successivo composto ad alta energia L attivazione del 3-fosfoglicerato inizia con un isomerizzazione catalizzata dalla fosfoglicerato mutasi. L enzima trasferisce il fosfato dalla posizione 3 alla posizione del substrato a dare il -fosfoglicerato. È richiesto Mg +. Mg + G = +4.4 kj/mol 3-Fosfoglicerato -Fosfoglicerato La reazione è leggermente endoergonica in condizioni standard. Ancora una volta, il livello intracellulare di 3-fosfoglicerato è elevato rispetto a quello del -fosfoglicerato (G), e ciò fa sì che la reazione proceda in vivo verso destra senza difficoltà. L enzima contiene un residuo di fosfoistidina nel sito attivo. Nel primo passaggio della reazione, il gruppo fosfato è trasferito al substrato a dare un intermedio, il,3-bisfosfoglicerato. La demolizione dell intermedio legato all enzima rigenera l enzima fosforilato e dà luogo alla formazione del prodotto, che viene rilasciato. N N N Enzima 3--glicerato [Enzima,3-bis--glicerato] Enzima --glicerato Residuo di N-fosfoistidina Reazione 9: sintesi del secondo composto ad alta energia La reazione 9, catalizzata dalla enolasi,produce un altro composto ad altissima energia, il fosfoenolpiruvato (E), che partecipa alla seconda fosforilazione a livello del substrato della glicolisi. Mg + + G = +1.7 kj/mol -Fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato La reazione prevede una semplice disidratazione, o α,β-eliminazione, con una variazione complessiva di energia libera piuttosto modesta. Tuttavia l effetto è di aumentare enormemente l energia libera di idrolisi del legame fosfato: da 15.6 kj/mol per il -fosfoglicerato a 61.9 kj/mol per il fosfoenolpiruvato. Il carbonio del fosfoenolpiruvato è bloccato nella configurazione enolica sfavorita e, come discusso nel capitolo 3, la grande instabilità termodinamica dell enolpiruvato è la principale responsabile della valore estremamente negativo dell energia libera di idrolisi del fosfoenolpiruvato. Reazione 10: la seconda fosforilazione a livello del substrato Nell ultima reazione, catalizzata dalla piruvato chinasi, il fosfoenolpiruvato trasferisce il proprio gruppo fosfato all AD nel corso di un altra fosforilazione a livello del substrato. Si noti che l enzima riceve il proprio nome come se la reazione catalizzata indicata di seguito procedesse verso sinistra, anche se è fortemente esoergonica nella direzione in cui è scritta. A molti enzimi è stato dato un nome prima che venissero identificate la loro funzione o la direzione della catalisi intracellulare. La piruvato chinasi catalizza la seconda reazione glicolitica che comporta produzione di AT Mg AD + K + AT G = 31.4 kj/mol Fosfoenolpiruvato 3 iruvato

13 METABLISM DEI ARBIDRATI I ISBN AT Adenosina I carboidrati introdotti con l alimentazione inducono l espressione della piruvato chinasi e aumentano la capacità del corpo di ottenere energia mediante la glicolisi L enzima richiede Mg + e K +.Sebbene la reazione includa la sintesi endoergonica di AT, il processo è nel complesso fortemente esoergonico, poiché, come già sottolineato nel capitolo 3, la tautomerizzazione spontanea del prodotto, l enolpiruvato, con formazione della forma chetonica altamente favorita, produce una forte spinta termodinamica al procedere della reazione nella direzione indicata. La reazione della piruvato chinasi è un altro punto di regolazione metabolica. Nel fegato dei vertebrati l enzima, un tetramero di M r (peso molecolare) di circa , è inibito allostericamente da alte concentrazioni di AT e attivato dal fruttosio-1,6- bisfosfato. La sintesi dell enzima nel fegato è regolata dalla dieta; la sua attività intracellulare può aumentare fino a 10 volte per effetto di un aumentata sintesi di enzima, o induzione, come risultato dell ingestione di una forte dose di carboidrati. Quale che sia il meccanismo genetico implicato, questa induzione contribuisce all efficacia del carico da carboidrati, la pratica di mangiare una grande quantità di zuccheri prima di affrontare una prova sportiva che richiede una grande resistenza fisica, come per esempio una maratona. L aumentato livello di piruvato chinasi aumenta la velocità di produzione dell energia a opera della glicolisi. L attività piruvato chinasica nel fegato è inoltre regolata dalla fosforilazione e defosforilazione della proteina enzimatica. La forma defosforilata è molto più attiva di quella fosforilata. Quando l ossidazione degli acidi grassi e il ciclo dell acido citrico sono già operanti a velocità sufficienti per soddisfare il bisogno di energia della cellula, questo meccanismo di regolazione, che è sotto controllo ormonale, instrada il fosfoenolpiruvato verso la gluconeogenesi (vedere capitolo 16). In caso contrario tutto il fosfoenolpiruvato prodotto nel muscolo viene virtualmente convertito in piruvato. Le insufficienze genetiche di piruvato chinasi eritrocitaria sono state studiate nell uomo. L accumulo di fosfoenolpiruvato determina eccessivi livelli ematici di altri intermedi glicolitici. Di particolare rilevanza clinica è l accumulo di,3-bisfosfoglicerato,che è stato introdotto nel capitolo 7 come inibitore allosterico del legame dell ossigeno all emoglobina. Questo accumulo determina la compromissione dell assunzione di ossigeno a livello polmonare e la compromissione del trasporto di ossigeno ai tessuti attraverso il flusso sanguigno. La reazione piruvato chinasica trasforma la via glicolitica da un processo nell insieme energeticamente neutro a un processo che comporta una sintesi netta di AT. In questa fase vengono prodotti due gruppi fosfato ad alta energia per mole di esoso, e questi vanno ad aggiungersi agli altri due gruppi formati dalla fosfoglicerato chinasi. Sottraendo i due AT investiti a livello delle reazioni catalizzate dalla esochinasi e dalla fosfofruttochinasi, si ottiene un bilancio netto di due gruppi fosfato ad alta energia per mole di glucosio: certamente non una resa elevata, ma che rende il processo in grado di soddisfare le esigenze energetiche di molti anaerobi. Inoltre il successivo metabolismo del piruvato attraverso le vie aerobiche produce ulteriore fosfato ad alta energia. La tabella 13.1 riassume le reazioni della glicolisi, mettendo in evidenza le variazioni di energia libera e la resa in AT di ogni passaggio. I DESTINI METABLII DEL IRUVAT Il piruvato rappresenta un momento centrale del metabolismo. Il suo destino è strettamente correlato allo stato ossidoriduttivo della cellula, il quale è a sua volta in relazione alla reazione catalizzata dalla gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (reazione 6). Si ricordi che questa reazione converte 1 mole di NAD + a NAD per ogni mole di trioso fosfato. Questo NAD deve essere riossidato a NAD + perché la glicolisi possa continuare. ome notato precedentemente, durante la glicolisi aerobica questo NAD è ossidato dalla catena di trasporto degli elettroni nei mitocondri, con il trasferimento finale degli elettroni all ossigeno. L ossidazione del NAD, che considereremo in dettaglio nel capitolo 15, fornisce ulteriore energia, con circa 3 moli di AT sintetizzato a partire da AD per ogni mole di NAD ossidato. Dal momento che per ogni mole di glucosio che entra nella via sono prodotte moli di NAD, la glicolisi

14 ISBN I DESTINI METABLII DEL IRUVAT 467 TABELLA 13.1 Sommario della glicolisi Resa G G Reazione Enzima in AT (kj/mol) (kj/mol) FASE DI INVESTIMENT ENERGETI Glucosio (G) 1 AT Esochinasi (K) AD Glucosio-6-fosfato (G6) Fosfoglucoisomerasi (GI) Fruttosio-6-bisfosfato (F6) 3 AT Fosfofruttochinasi (FK) AD Fruttosio-1,6-bisfosfato (FB) 4 Aldolasi (ALD) Gliceraldeide-3-fosfato (G3) + diidrossiacetone fosfato (DA) 5 Trioso-fosfato isomerasi (TI) Due gliceraldeide-3-fosfato FASE DI g RDUZINE ENERGETIA NAD + + i 6 NAD + + Due 1,3-bisfosfoglicerato (BG) AD 7 AT Due 3-fosfoglicerato (3G) 8 Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi(g3d) Fosfoglicerato chinasi (GK) Fosfogliceromutasi (GM) Due -fosfoglicerato (G) 9 Due fosfoenolpiruvato (E) AD 10 AT Due iruvato (yr) Enolasi(EN) iruvato chinasi (K) Bilancio netto: Glucosio AD i NAD piruvato AT NAD Nota: I valori di G sono stimati sulla base delle concentrazioni intracellulari approssimative degli intermedi glicolitici nel muscolo scheletrico di coniglio. Tutti i valori di G dopo la reazione 5 sono stati raddoppiati, dato che ciascuna reazione coinvolge molecole di substrato a tre atomi di carbonio per molecola di glucosio.

15 METABLISM DEI ARBIDRATI I ISBN aerobica fornisce considerevolmente più AT rispetto alla glicolisi anaerobica. L ossidazione del piruvato attraverso il ciclo dell acido ciclico produce inoltre molta altra energia. IL METABLISM DEL LATTAT Il piruvato deve essere ridotto a lattato quando i tessuti non sono sufficientemente aerobici per ossidare tutto il NAD prodotto dalla glicolisi Nelle cellule aerobiche che sostengono una glicolisi a ritmi molto elevati, il NAD prodotto in questa via non può essere completamente riossidato nel mitocondrio con una velocità confrontabile. In questo caso, come anche nel caso delle cellule anaerobiche nelle quali mancano i mitocondri, il NAD deve essere utilizzato per ridurre un substrato organico, al fine di garantire l omeostasi. ome osservato precedentemente, questo substrato è costituito dal piruvato stesso sia nelle cellule eucariotiche sia nei batteri lattici, mentre il prodotto è costituito dal lattato. L enzima che catalizza questa reazione è la lattato deidrogenasi (vedere pagina 457). L equilibrio della reazione è molto spostato a destra. La figura 13.6, che illustra il profilo energetico della glicolisi anaerobica, mostra che il NAD prodotto dall ossidazione della gliceraldeide-3-fosfato è utilizzato per ridurre il piruvato a lattato. Quindi, durante la glicolisi anaerobia, o fermentazione lattica, viene rispettato il bilancio ossidoriduttivo complessivo. Nei vertebrati alcune cellule, come i globuli rossi del sangue, ricavano molta della propria energia da un metabolismo anaerobico. Il muscolo scheletrico, che a riposo ricava la maggior parte della propria energia dalla respirazione, sotto sforzo è fortemente dipendente dalla glicolisi, una circostanza in cui le scorte di glicogeno sono rapidamente consumate, o mobilizzate, per fornire substrati alla via glicolitica. Normalmente il lattato prodotto diffonde dai tessuti e viene trasportato dal flusso sanguigno verso tessuti fortemente aerobi, quali cuore e fegato. I tessuti aerobi sono in grado di catabolizzare ulteriormente il lattato attraverso la respirazione, o possono convertirlo nuovamente a glucosio mediante la gluconeogenesi. Se però il lattato è prodotto in grosse quantità non può essere consumato rapidamente. In questo caso, come abbiamo discusso nel capitolo 7, il p del sangue scende e agisce l effetto Bohr, con aumento di apporto di ossigeno ai tessuti. FIGURA 13.6 rofilo energetico ed elettronico della glicolisi anaerobica. Il grafico mostra il G di ciascuna reazione, calcolato dal valore di G e dalle concentrazioni molari stimate di ciascun intermedio nell eritrocita umano. (I numeri in parentesi sono le concentrazioni micromolari stimate). Si notino questi punti: (1) due dei quattro AT prodotti sono usati per compensare l investimento iniziale di AT; () in condizioni di anaerobiosi gli equivalenti di riduzione prodotti dalla gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi devono essere usati per ridurre un substrato organico; (3) gli enzimi soggetti a controllo sono quelli che catalizzano reazioni così fortemente esoergoniche da essere praticamente irreversibili (frecce), e (4) poiché una reazione per procedere deve avere un G negativo, eventuali inesattezze nella misura della concentrazione dei metaboliti sono probabilmente all origine dei valori di G positivi, misurati per alcune reazioni. G' relativo al glucosio, kj/mol Glucosio (5000) AT AD G6 (83) F6 (14) AT (1850) AD (138) FB (31) G3 (19) AD G3 (19) DA (138) i (1000) BG (1) AT 3G (118) G (30) NAD + NAD + + E (3) yr (51) AD AT 80 Lac (900) ercorso avanzato

16 ISBN I DESTINI METABLII DEL IRUVAT 469 Fino a tempi recenti, si riteneva che l accumulo di lattato nel muscolo scheletrico fosse principalmente una conseguenza del metabolismo anaerobico, che si verifica quando la domanda di energia dei tessuti eccede la loro capacità di ossidazione del piruvato prodotto nella glicolisi. Recenti studi metabolici, tra cui l analisi mediante 31 NMR dei livelli degli intermedi fosforilati nelle cellule muscolari in attività, suggeriscono che il lattato è in realtà un intermedio e non un prodotto metabolico terminale. Questi studi dimostrano che anche in tessuti perfettamente ossigenati, circa il 50% del glucosio metabolizzato è convertito in lattato. Questo può rappresentare un mezzo per il coordinamento tra le vie deputate all immagazzinamento dell energia e quelle deputate alla sua produzione in tessuti diversi, anche se i meccanismi coinvolti non sono ancora chiari. B 4 Struttura in subunità LD-5 Miscela (1 + 5) LD-1 ( + ) A 1 B 3 ISENZIMI DELLA LATTAT DEIDRGENASI La lattato deidrogenasi, come molti altri enzimi, esiste nei tessuti animali in forme molecolari multiple. Diverse forme molecolari di un enzima che catalizzano la stessa reazione sono dette isoenzimi o isozimi. La lattato deidrogenasi è stato il primo enzima per il quale fu stabilita la base fisica dell esistenza di isoenzimi. La maggior parte dei tessuti contengono cinque isoenzimi della lattato deidrogenasi; questi possono essere separati elettroforeticamente, come mostrato in figura La lattato deidrogenasi (LD) è una proteina tetramerica che consiste di due diversi tipi di subunità, indicate con M e, che presentano piccole differenze di sequenza aminoacidica. Le subunità M predominano nel muscolo scheletrico e nel fegato, mentre le subunità predominano nel cuore. Le subunità M e si combinano a caso l una con l altra, in modo che i cinque principali isoenzimi hanno composizione M 4,M 3, M,M 3 e 4.A causa dell assortimento casuale delle subunità, la composizione isoenzimatica di un tessuto è determinata principalmente dall attività dei due geni che specificano le due subunità. Il significato fisiologico dell esistenza di forme differenti di questo enzima non è chiaro. In ogni caso, la specificità tissutale del profilo isoenzimatico è utile in medicina clinica. ondizioni patologiche quali infarto del miocardio, epatite infettiva, o affezioni muscolari determinano necrosi cellulare nei tessuti colpiti, con il rilascio del contenuto cellulare nel sangue. La composizione isoenzimatica della LD nel siero del sangue è indicativa del tessuto responsabile del rilascio degli isoenzimi. Questa informazione può essere usata per la diagnosi di queste condizioni patologiche e per seguire l andamento della terapia. METABLISM DELL ETANL Il piruvato ha numerosi destini alternativi nei microrganismi anaerobi. ome precedentemente osservato, i batteri lattici riducono il piruvato a lattato in un unico passaggio (vedere qui sotto). Il lievito invece converte il piruvato in etanolo in una via costituita da due passaggi. Questa fermentazione alcolica inizia con la decarbossilazio- A B A 3 B 1 A 4 rigine ( ) FIGURA 13.7 Basi strutturali dell esistenza di isoenzimi della lattato deidrogenasi. Delle preparazioni sono state analizzate mediante elettroforesi su gel d amido, che è stato successivamente trattato per rivelare le bande contenenti proteina enzimaticamente attiva. LD-1 è un tetramero contenente soltanto la subunità, mentre LD-5 contiene solo subunità M. La corsia centrale deriva da un esperimento nel quale sono state mescolate uguali quantità di LD-1 e LD-5. Le subunità sono state dissociate e quindi lasciate riassociare. La presenza di cinque differenti forme enzimatiche e le loro quantità relative dimostrano che le singole subunità M e possono associarsi casualmente a formare tetrameri di composizione mista di subunità. er concessione di.l. Markert, Science (1963) 140:139. opyright 1963 by the AAAS. iruvato Fermentazione lattica a + b Fermentazione alcolica ellule animali e batteri che producono acido lattico + + Acetaldeide Lievito NAD NAD + + NAD + NAD + Lattato Etanolo

17 METABLISM DEI ARBIDRATI I ISBN ne non ossidativa del piruvato ad acetaldeide, catalizzata dalla piruvato decarbossilasi. La reazione è seguita dalla riduzione NAD-dipendente dell acetaldeide a etanolo, catalizzata dall alcol deidrogenasi. La prima reazione richiede tiamina pirofosfato come coenzima. Questo coenzima, che deriva dalla vitamina B 1, partecipa a varie reazioni di trasferimento di gruppo in cui sia presente un aldeide attivata (vedere capitolo 14). La produzione industriale di etanolo ha assunto un enorme importanza nell ambito degli sforzi fatti dall umanità per risolvere due gravi problemi: (1) la sostituzione del petrolio, fonte energetica non rinnovabile, con una fonte di energia rinnovabile e () lo smaltimento dei materiali biologici di scarto. Attraverso la bioingegneria si cerca di ottenere la produzione di ceppi batterici che possano convertire in esosi materiali come la cellulosa proveniente dagli scarti della lavorazione del legno, o la paglia, oppure anche materiali più complessi presenti nei rifiuti umani e animali. Si studia inoltre con particolare attenzione la regolazione della glicolisi, allo scopo di massimizzare la produzione di etanolo una volta prodotti i substrati adatti a questa via. Anche i tessuti animali contengono alcol deidrogenasi, sebbene l etanolo non sia un prodotto metabolico importante in queste cellule. Alcune delle principali conseguenze metaboliche dell intossicazione da etanolo derivano dall ossidazione dell etanolo nel fegato da parte di questo enzima. er prima cosa si ha una massiccia riduzione del NAD + a NAD, che riduce il livello stesso di NAD +, diminuendo così il flusso attraverso la gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi con la conseguente inibizione della produzione di energia. Inoltre l acetaldeide è piuttosto tossica, e molti degli effetti spiacevoli dei postumi di un ubriacatura dipendono dall azione dell acetaldeide e dei suoi metaboliti. RDUZINE DI ENERGIA E BILANI ELETTRNI Scrivendo l equazione chimica bilanciata della glicolisi, possiamo calcolare la quantità di energia associata alla trasformazione di 1 mole di glucosio. er la glicolisi anaerobica o per la fermentazione lattica è possibile scrivere la seguente equazione chimica: Glucosio AD i lattato AT Analogamente è possibile scrivere un equazione bilanciata per la fermentazione alcolica: Glucosio AD i etanolo AT Si noti che nessuno dei due processi coinvolge un cambiamento nello stato di ossidazione complessivo: NAD + e NAD, anche se partecipano entrambi ai processi metabolici, non appaiono nelle reazioni complessive, come è anche mostrato in figura Nel caso della glicolisi aerobica, nell equazione completa compaiono i nucleotidi nicotinammidici, come mostrato di seguito: Glucosio AD i NAD piruvato AT NAD Nel mitocondrio, il NAD genera equivalenti di riduzione in un processo di tra-

18 ISBN LA REGLAZINE DELLA GLILISI 471 sporto che richiede energia, come descritto nel capitolo 15. È noto sperimentalmente che la riossidazione di 1 mole di NAD nel mitocondrio produce circa 3 moli di AT. NAD 8 6AD 6 i NAD 8 6AT Sommando queste due ultime equazioni si comprende perché la glicolisi che ha luogo in concomitanza con la respirazione produce 8 moli di AT per mole di glucosio. Glucosio 8AD 6 8 i piruvato 8AT 10 Il metabolismo del glucosio, sia che produca lattato o etanolo, rappresenta un processo non ossidativo, come si può osservare confrontando le formule brute del glucosio ( ) e del lattato ( ). È evidente che non c è cambiamento dello stato di ossidazione complessivo degli atomi di carbonio, in quanto il numero di atomi di idrogeno e ossigeno legati per atomo di carbonio sono identici per il glucosio e il lattato. La stessa cosa vale quando si formano etanolo e, se nella valutazione vengono inclusi gli atomi di entrambi i composti. Tuttavia, alcuni singoli atomi di carbonio del lattato o dell insieme di etanolo e subiscono un ossidazione mentre altri vengono ridotti. Al contrario il piruvato ha un livello di ossidazione superiore a quello del glucosio, come si può vedere dalla sua formula bruta ( ). Si noti anche che la glicolisi, sia essa aerobica o anaerobica, libera solo una piccola frazione dell energia potenziale contenuta nella molecola di glucosio. ome osservato precedentemente (vedere i capitoli 3 e 1), la combustione completa del glucosio a e produce 870 kj/mol di energia libera in condizioni standard. ome vedremo nel prossimo capitolo, circa 38 moli di AT sono sintetizzate dall AD per mole di glucosio metabolizzato completamente dalla via glicolitica e dal ciclo dell acido citrico. L energia libera necessaria per spingere la sintesi di queste 38 moli di AT rappresenta circa il 40% dell energia potenziale rilasciata durante la combustione del glucosio. Dal momento che il catabolismo del glucosio a lattato o piruvato rende soltanto rispettivamente o 8 moli di AT, è chiaro che molta dell energia potenziale presente nel glucosio è, al termine della glicolisi, ancora in attesa di essere resa disponibile. Il metabolismo aerobico produce più energia di quello anaerobico; di conseguenza, gli organismi aerobi hanno generalmente più successo e sono più diffusi degli organismi anaerobi. La precoce evoluzione del metabolismo aerobico ha reso possibile l esistenza dei grandi e vigorosi animali che conosciamo oggi. iononostante alcuni animali di grosse dimensioni ricavano ancora una grande porzione della propria energia metabolica dalla glicolisi, almeno in determinate condizioni fisiologiche. Un buon esempio è costituito dal coccodrillo: torpido (e aerobio) per molta parte della propria esistenza, è capace di brevi e rapidissimi scatti. In quest ultima situazione la glicolisi, accopppiata alla demolizione delle riserve saccaridiche, rappresenta un modo rapido, anche se inefficiente, di produrre energia. La glicolisi, che produce moli di AT per mole di glucosio ossidato anaerobicamente oppure 8 moli di AT per mole di glucosio ossidato nella via aerobica, rilascia solo una piccola percentuale dell energia contenuta nella molecola di glucosio LA REGLAZINE DELLA GLILISI La glicolisi è strettamente coordinata ad altre importanti vie metaboliche per la produzione e l utilizzazione dell energia, in particolare alla sintesi e degradazione del glicogeno (o dell amido), alla gluconeogenesi, alla via del pentoso fosfato e al ciclo dell acido citrico. I fattori metabolici che controllano la glicolisi spesso regolano anche altre vie in modo coordinato. È quindi difficile considerare la regolazione della glicolisi indipendentemente da queste altre vie, e di conseguenza ritorneremo sull argomento solo dopo aver presentato le altre principali vie del metabolismo energetico (vedere capitolo 3). È comunque importante descrivere qui i due enzimi chiave che fungono da siti di regolazione: la fosfofruttochinasi (il sito principale) e la piruvato chinasi. Si noti che l esochinasi catalizza anche un passaggio regolato (vedere pagina 373 e figura 11.8). La regolazione dell esochinasi da parte del suo prodotto, il glucosio-6-fosfato,è coinvolta anche in altri processi, come la sintesi del glicogeno e l omeostasi del livello ematico di glucosio. La fosfofruttochinasi e la piruvato chinasi sono i principali siti di controllo della glicolisi