Catabolismo dei carboidrati Glicolisi

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1 Catabolismo dei carboidrati Glicolisi

2 Principali vie di utilizzo del Glucosio

3 L estrazione dell energia dai composti organici può essere divisa in tre stadi

4 Metabolismo del glucosio C 6 H 12 O 6 + 6O 2 => 6CO 2 + 6H 2 O kcal mol -1 Tre tappe ATP Glicolisi Ciclo degli acidi tricarbossilici (o di KREBS ) Catena di trasporto degli elettroni Fosforilazione ossidativa

5 mitocondri citosol GLUCOSIO GLICOLISI 2 PIRUVATO Fosforilazione Ossidativa 2 NADH 5 ATP 3 ATP 2 ATP 2 NADH 5 ATP 2 AcetilCoA 6 NADH 15 ATP CAC CO 2 2 FADH 2 3 ATP 2 GTP 2 ATP totale 32 ATP 30 ATP

6 GENERALITA I processi generatori di energia hanno luogo in siti che sono distinti dalle regioni ove hanno luogo le reazioni che consumano energia L energia deriva dai processi ossidativi (di qui la necessità di O 2 ) a carico degli alimenti (carboidrati, lipidi, proteine). Per esempio l ossidazione del glucosio è un processo esoergonico: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O DG = -686 Kcal/mole (glucosio) Nei sistemi biologici l ossidazione del glucosio avviene attraverso una serie di reazioni che conducono alla formazione di acqua e CO 2

7 Composti organici ridotti (carboidrati, proteine, lipidi ) Catena di trasporto di elettroni NADH NAD+ Catabolismo Ossidazione elettroni FADH 2 O 2 FAD 2H 2 O Composti ossidati Sintesi di ATP

8 Nei sistemi biologici l ossidazione del glucosio avviene attraverso una serie di reazioni che conducono alla formazione di acqua e CO 2 Questa sequenza metabolica non coinvolge direttamente l uso di ossigeno molecolare. Infatti questa molecola è un agente ossidante così energico che l energia prodotta in un processo di ossidazione di un substrato organico sarebbe così elevata da non poter essere conservata o usata efficientemente. Gli elettroni rilasciati dai composti organici non vengono dati direttamente all ossigeno, o ad altri ossidanti, ma a ossidanti meno energici come il NAD + e il FAD (forme ossidate), dando luogo alle forme ridotte di questi trasportatori di elettroni, rispettivamente NADH e FADH 2, che a loro volta cederanno gli elettroni ad alta energia ad una serie di trasportatori che costituiscono la catena di trasporto degli elettroni mitocondriale. L ossigeno molecolare appare soltanto all ultimo stadio di questo processo.

9 GLICOLISI La glicolisi è una sequenza di 10 reazioni che convertono il glucosio in piruvato con la concomitante produzione di ATP e di NADH. Le reazioni della GLICOLISI hanno luogo nel CITOSOL Glicolisi 2 C6 2 NADH 2 ATP 2 x C3

10 Glicolisi 2 C6 2 x C3 CO 2 O CH 3 -C-CoA C3 Acetil-CoenzimaA C2

11 O CH 3 -C-CoA Acetil-CoenzimaA C2 CoA Ciclo degli acidi tricarbossilici (o di KREBS ) 2 CO 2 2 x C1

12 Destini metabolici del Piruvato prodotto dalla glicolisi anaerobiosi aerobiosi

13 Stadio 1 Gli Stadi della GLICOLISI Stadio 2 Stadio 3

14 Fase preparatoria Gli Stadi della GLICOLISI Fase di recupero energetico

15 Stadio 1 Intrappolare il glucosio nella cellula 1 Fosforilazione 2 Isomerizzazione 3 Fosforilazione Stadio 2 Scissione del composto a C6 in due C3

16 Stadio 3 Produzione di ATP

17 Reazione 1 Intrappolamento del glucosio dentro la cellula Trasportatori specifici per il glucosio La forma fosforilata non transita attraverso le membrane perché non può legare i trasportatori

18 Reazione 2 Isomerizzazione di un aldoso (glucosio) in un chetoso (fruttosio) Fosfoglucosio isomerasi

19 Reazione 3 Seconda fosforilazione PFK È un enzima allosterico

20 Reazione 4 Scissione di un composto C6 in due composti C3 Chetoso Aldoso

21 Reazione 5 Reazione di isomerizzazione 96% La reazione procede velocemente dal diidrossiacetone fosfato verso la gliceraldeide 3-fosfato perché le reazioni successive della glicolisi rimuovono la gliceraldeide 3-fosfato Via diretta della glicolisi

22 Reazione 6 L ossidazione di un aldeide ad acido favorisce la formazione di un composto ad elevato potenziale di trasferimento del gruppo fosfato L ossidazione della GAP (processo esoergonico) e la fosforilazione (processo endoergonico) sono energeticamente accoppiati. La GAP durante la catalisi si lega covalentemente con il gruppo tiolico SH di un residuo di cisteina nel sito attivo dell enzima formando un intermedio tioestere ad alta energia che favorisce la reazione di fosforilazione che è endoergonica. DG -0.4 Kcal/mol intermedio tioestere ad alta energia

23 1 La reazione può essere considerata come la somma di due reazioni HO OSSIDAZIONE + NAD + + H 2 O + NADH + H + DG (-) aldeide Acido carbossilico Unione dell acido carbossilico con l ortofosfato per formare un acilfosfato dotato di un elevato potere di trasferimento del gruppo fosforico HO + Pi FOSFORILAZIONE DG (+) 2 Acido carbossilico

24 Utilizzo di un intermedio covalente legato all enzima come meccanismo di accoppiamento energetico La prima reazione è esoergonica DG - La seconda reazione è endoergonica DG + Il valore assoluto dei due DG è simile Se le due reazioni avvenissero separatamente, la seconda avrebbe una elevata energia di attivazione e non avverrebbe a velocità biologicamente significativa. I due processi devono essere accoppiati: 1) Ossidazione dell aldeide (esoergonica) 2) Sintesi dell acil fosfato (endoergonica) Come si realizza l accoppiamento? Attraverso un intermedio che si forma a seguito dell ossidazione dell aldeide e che rimane legato all enzima con un legame tioestere. L intermedio tioestere è un composto a più alta energia dell acido carbossilico libero.

25 Fosforolisi Intermedio emitioacetale Intermedio aciltioestere

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27 Energia libera di idrolisi dei tioesteri e degli esteri I prodotti di idrolisi hanno lo stesso contenuto in energia libera G

28 Reazione 7 Legame anidridico ad alta energia Fosforilazione a livello del substrato Il substrato ha un alto potenziale di trasferimento del gruppo fosforico

29 Reazione 8 Reazione 9 DG -14,8 kcal/mol Reazione 10

30 Reazione 10 La conversione enolochetone è una reazione esorgonica instabile (forma chetonica) stabile L elevato potere di trasferimento del gruppo fosforico del fosfoenolpiruvato deriva principalmente dalla forte esoergonicità della successiva conversione enolo-chetone

31 Meccanismo della Reazione 8

32 Meccanismo della Reazione 8

33 Glicolisi 2 ATP 2 NAD Tutte le reazioni della glicolisi hanno un DG (-) 4 ATP 2 NADH + 2 ATP Rigenerazione NAD+ gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi

34 Ingresso del fruttosio e galattosio nella glicolisi

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36 Catabolismo anaerobico dei carboidrati Le fermentazioni

37 Destino del piruvato Rigenerazione del NAD + attraverso il metabolismo del pirivato Condizioni anaerobiche Fermentazione lattica Condizioni aerobiche Fermentazione alcolica Ciclo dell acido citrico e la catena di trasporto degli elettroni O 2

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39 FERMENTAZIONE LATTICA In assenza di ossigeno il NADH in eccesso viene riconvertito a NAD + trasferendo gli elettroni al piruvato ox red Glucosio + 2NAD + + 2ADP = 2 Piruvato + 2NADH + 2ATP 2 lattato + 2NAD + Glucosio + 2P i + 2ADP = 2 lattato + 2ATP

40 Reazione di ossidoriduzione in cui il trasportatore di elettroni è il NAD+

41 FERMENTAZIONE ALCOLICA In assenza di ossigeno il NADH in eccesso viene riconvertito a NAD + trasferendo gli elettroni all acetaldeide ox red Glucosio + 2P i + 2ADP = 2 etanolo +2CO 2 + 2ATP

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43 Regolazione della Glicolisi

44 Il flusso attraverso la glicolisi Regolazione della glicolisi è regolato mediante il controllo di 3 enzimi che catalizzano reazioni altamente spontanee (esoergoniche): Esochinasi, Fosfofruttochinasi, Piruvato chinasi. Enzimi glicolitici * DG o ' (kj/mol) DG (kj/mol) Esochinasi Fosfoglucosio Isomerasi Fosfofruttochinasi Aldolasi Triosofosphato Isomerasi +7.9 negative Gliceraldeide 3-fosfato Deidrogenasi e Fosfoglicerato Chinasi Fosfoglicerato Mutasi Enolasi Piruvato Chinasi *Values in this table from D. Voet & J. G. Voet (2004) Biochemistry, 3rd Edition, John Wiley & Sons, New York, p. 613.

45 esochinasi fosfofruttochinasi Regolazione della glicolisi Nelle vie metaboliche gli enzimi che catalizzano reazioni irreversibili sono potenziali siti di regolazione Tipi di regolazione Legame reversibile di effettori allosterici (millisec) piruvato chinasi Modificazione covalente mediante fosforilazione (sec) Regolazione trascrizionale (ore)

46 Livelli di regolazione delle vie metaboliche Controllo rapido 1) Disponibilità di substrato: quando la concentrazione intracellulare del substrato è al di sotto del valore della K M (come succede comunemente) la velocità della reazione dipende fortemente dalla concentrazione del substrato 2) Regolazione allosterica da parte di intermedi metabolici che segnalano lo stato energetico della cellula (ATP, citrato, alanina )

47 In condizioni fisiologiche generalmente le concentrazioni dei substrati sono inferiori al valore di K M Variazioni piccole delle concentrazioni dei substrati comportano rapide variazioni della velocità delle reazioni

48 Reazione 3 della Glicolisi Struttura della fosfofruttochinasi La fosfofruttochinasi epatica è un tetramero di 4 subunità identiche. Sono indicate le posizioni dei siti catalitici e dei siti allosterici.

49 Regolazione allosterica della fosfofruttochinasi fruttosio 6-fosfato fruttosio 1,6-bisfosfato Una elevata concentrazione di ATP inibisce l enzima diminuendo la sua affinità per il fruttosio 6-fosfato. L AMP diminuisce e il citrato aumenta l effetto inibitore dell ATP. Effettori allosterici ATP INIBITORE (ricchezza energetica) AMPATTIVATORE (povertà energetica) CITRATO INIBITORE (ricchezza di intermedi metabolici)

50 Il fruttosio 2,6-bisfosfato è un attivatore della Fosfofruttochinasi T R Il fruttosio 2,6-bisfosfato aumenta l affinità dell enzima per il fruttosio 6-fosfato La dipendenza sigmoide della velocità dalla concentrazione del substrato diventa iperbolica in presenza di fruttosio 2,6- bisfosfato 1 mm.

51 Regolazione della concentrazione del fruttosio 2,6-bisfosfato fruttosio 6-fosfato chinasi fosfatasi fruttosio 2,6-bisfosfato Struttura dei domini dell enzima bifunzionale Fosfofruttochinasi 2 Fruttosio bisfosfatasi 2 FBPasi2 Fosfofruttochinasi 2 PFK2

52 Regolazione della sintesi e della degradazione del fruttosio 2,6-bisfosfato Una diminuzione della concentrazione del glucosio ematico, segnalato dal glucagone, determina la fosforilazione dell enzima bifunzionale e quindi la diminuzione della concentrazione di fruttosio 2,6-bisfosfato, inibendi la glicolisi e stimolando la gluconeigenesi. Un aumento della concentrazione di fruttosio 6-fosfato stimola la fosfoproteina fosfatasi, che attiva la PFK2. La glicolisi è stimolata e la gluconeogenesi è inibita. Il glucagone segnale bassi livelli di glucosio ematico ed attiva la Proteina chinasi A Ser

53 Regolazione dell attività catalitica della piruvato chinasi La Piruvato chinasi è regolata da effettori allosterici e dalla modificazione covalente

54 Regolazione della glicolisi nel muscolo

55 Vie di SINTESI e DEGRADAZIONE del glucosio Glicolisi e Gluconeogenesi a confronto

56 Generalità Vie di SINTESI e DEGRADAZIONE Glicolisi e Gluconeogenesi Le vie di sintesi e degradazione di una macromolecola (glucosio, lipidi ) sono separate in compartimenti cellulari diversi. La regolazione delle vie anaboliche e cataboliche non potrebbe avere luogo se fossero catalizzate dallo stesso gruppo di enzimi. Le vie anaboliche e cataboliche che hanno in comune gli stessi composti di partenza e gli stessi prodotti finali (glucosio e piruvato) possono avere molti enzimi in comune, ma almeno una delle tappe deve essere catalizzata nella direzione anabolica ed in quella catabolica da due enzimi diversi. Tali enzimi sono sottoposti a regolazione separata. Inoltre per rendere irreversibili le vie anaboliche e cataboliche è necessario che in ogni direzione esista almeno una reazione termodinamicamente favorita in un senso e quindi sfavorita nel senso opposto Le vie metaboliche sono sottoposte ad un controllo cinetico da parte delle concentrazioni. Gli intermedi anabolici e catabolici che si accumulano possono contribuire al controllo della velocità del metabolismo.

57 Il flusso attraverso la glicolisi Regolazione della glicolisi è regolato mediante il controllo di 3 enzimi che catalizzano reazioni altamente spontanee (esoergoniche): Esochinasi, Fosfofruttochinasi, Piruvato chinasi. Enzimi glicolitici * DG o ' (kj/mol) DG (kj/mol) Esochinasi Irreversibile Fosfoglucosio Isomerasi Fosfofruttochinasi Irreversibile Aldolasi Triosofosphato Isomerasi +7.9 negative Gliceraldeide 3-fosfato Deidrogenasi se, e Fosfoglicerato Chinasi Fosfoglicerato Mutasi Enolasi Piruvato Chinasi Irreversibile *Values in this table from D. Voet & J. G. Voet (2004) Biochemistry, 3rd Edition, John Wiley & Sons, New York, p. 613.

58 Confronto tra Glicolisi e Gluconeogenesi

59 citosol Catabolismo dei triacilgliceroli Gluconeogenesi Il glucosio può essere sintetizzato da precursori non glucidici Ha luogo prevalentemente nel fegato e nel rene Non è l inverso della Glicolisi mitocondri Le tre reazioni irreversibili della glicolisi sono sostituite da nuove reazioni glucosio DG -20 kcal/mol glicolisi gluconeogenesi DG -9 kcal/mol piruvato

60 La reazione di decarbossilazione dell ossalacetato favorisce la formazione del fosfoenolpiruvato fosfoenolpiruvato Fosfoenolpiruvato carbossichinasi GDP + CO 2 GTP Decarbossilato e fosforilato ossalacetato Piruvato carbossilasi ADP +Pi ATP HCO 3 - piruvato

61 Sintesi del fosfoenolpiruvato dal piruvato Matrice mitocondriale Citosol

62 Vie alternative da piruvato a fosfoenolpiruvato Precursori

63 Regolazione reciproca della Gluconeogenesi e della glicolisi nel fegato La regolazione allosterica è il principale sistema di regolazione. La concentrazione di fruttosio 2,6-bisfosfato è elevato nello stato alimentato ed è bassa nello stato di digiuno. Un altra regolazione importante è l inibizione della piruvato chinasi mediante fosforilazione durante il digiuno.

64 Il ciclo di Cori Il lattato formato nel muscolo attivo viene convertito in glucosio dal fegato. Questo ciclo sposta al fegato una parte del carico metabolico del muscolo attivo.