METABOLISMO METABOLISMO
DEL DEL
Glucosio
Glucosio
Il metabolismo del glucosio può essere suddiviso nelle seguenti vie metaboliche:
Glicolisi
Via del pentoso fosfato
Glicogenolisi
Glicogenesi
Gluconeogenesi
Ossidazione del glucosio in acido piruvico e acido lattico.
Via ossidativa alternativa per il glucosio Idrolisi di glicogeno a formare glucosio Sintesi di glicogeno da glucosio
Formazione di glucosio a partire da molecole diverse dai carboidrati
Metabolismo del glucosio
Glucosio-6-fosfato Glicogeno
Piruvato Glucosio
Ribosio-5-fosfato
Acetil CoA
Ciclo di Krebs
Glicogenolisi
Glicogenesi
Glicolisi Gluconeogenesi
Lattato
Condizione anaerobica Condizione
aerobica
Amminoacidi
Via del pentoso fosfato
Piruvato Glucosio
Acetil CoA
Lattato Etanolo
Catabolismo del glucosio
Condizioni anaerobiche
Glicolisi
Condizioni anaerobiche Condizioni
aerobiche
CO
2e H
2O
Ciclo di Krebs
Piruvato Glucosio
Acetil CoA
Lattato Etanolo
Catabolismo del glucosio
Condizioni anaerobiche
Glicolisi
Condizioni anaerobiche Condizioni
aerobiche
CO2 e H2O
Ciclo di Krebs
GLICOLISI GLICOLISI
La glicolisi è la via metabolica degradativa del glucosio.
La glicolisi genera energia che viene conservata sotto forma di ATP.
La glicolisi è una via che ricava energia dalla trasformazione del glucosio (6 atomi di carbonio) in acido piruvico (3 atomi di carbonio).
La glicolisi può essere suddivisa in due tappe successive:
I fase → converte il glucosio in gliceraldeide 3-fosfato II fase → produce due molecole di acido piruvico
I prodotti finali della glicolisi sono: acido piruvico, NADH e ATP
La glicolisi avviene nel citosol della cellula.
GLICOLISI GLICOLISI
2
Glucosio Acido piruvico
2 ADP
2 Pi 2 ATP
Ogni sfera rappresenta
un atomo di carbonio
2 NAD
+2 NADH
2H
+GLICOLISI GLICOLISI
La glicolisi comprende dieci reazioni e può essere divisa in due fasi:
Fase I
Fase I: investimento energetico (reazioni 1-5). Nella prima fase il glucosio, molecola a 6 atomi di carbonio, viene prima fosforilata e poi idrolizzata per formare due molecole di gliceraldeide-3-fosfato, molecola a 3 atomi di carbonio. Sono utilizzate per le reazioni 2 molecole di ATP.
Fase II
Fase II: recupero energetico (reazioni 6-10). Le due molecole di gliceraldeide-3-fosfato sono trasformate in due molecole di acido piruvico. Le reazioni generano 4 molecole di ATP.
ATP
I FASE glicolisi
Glucosio
ADP Glucosio 6-fosfato Esochinasi
P Fosfoglucosio
isomerasi
Fruttosio 6-fosfato P
Fruttosio 1,6-bisfosfato P P
Fosfofruttochinasi ADP
Gliceraldeide 3-fosfato Diidrossiacetone+ fosfato
P P Aldolasi
1
2
3
4
Gliceraldeide 3-fosfato (2) 2 P Trioso fosfato
isomerasi
5
ATP
C C
O CH2
H P O
C C
O CH2
OH H P O
CH2 C O
P O CH2 OH
O OH H H
O H
H H
OH OH H OH
O OH H H
O H
H H
OH OH H O P
O
OH H O H OH H H
O OH
P
O
OH H O H OH H H
O O
P P
II FASE glicolisi
2 NAD+
Acido 1,3 Bisfosfoglicerico (2) Gliceraldeide 3-fosfato
deidrogenasi
Fosfoglicerato chinasi
Fosfoglicerato mutasi
Enolasi
6
7
8
9
Acido piruvico 2
Piruvato chinasi
10
Gliceraldeide 3-fosfato (2) 2 P
2 NADH
P 2 P
Acido 3 fosfoglicerico (2) 2 P 2 ATP
2 ADP
Acido 2 fosfoglicerico (2)
P 2
Acido fosfoenolpiruvico (2)
P 2
2 H2O
2 ADP 2 ATP
C C
O CH3
O
OH C
C
O CH2
O OH
P OH
C C
O CH2
OH OH P O
C C
O CH2
OH O P O
P C
C
O CH2
OH H P O
C C
O CH2
O OH
P
ATP
Glucosio
ADP Glucosio 6-fosfato Esochinasi
P
1
•
Nella prima reazione deve essere spesa un po’ di energia per iniziare la glicolisi, viene consumata una molecola di ATP.
Glucosio 6-fosfato P
Fosfoglucosio isomerasi
Fruttosio 6-fosfato P
2
•
La seconda è una reazione di isomerizzazione di un aldoso (glucosio) in un chetoso (fruttosio).
I FASE glicolisi
Il glucosio è trattenuto nella cellula dalla
fosforilazione a glucosio 6-fosfato
•Nella
terza reazione un enzima chinasi fosforila il futtosio 6- fosfato. La fosfofruttichinasi gioca un ruolo fondamentale nel controllo della glicolisi.
•
Nella reazione 4 avviene una scissione aldolica e il fruttosio 1,6- bisfosfato si scinde in due molecole di triosi.
Fruttosio 6-fosfato P
Fruttosio 1,6-bisfosfato P P
Fosfofruttochinasi ADP
3 ATP
Fruttosio 1,6-bisfosfato P P
Gliceraldeide 3-fosfato Diidrossiacetone+ fosfato
P P Aldolasi
4
•
La quinta è una reazione di isomerizzazione catalizzata da una isomerasi in cui il diidrossiacetone è convertito in gliceraldeide 3- fosfato.
Gliceraldeide 3-fosfato Diidrossiacetone+ fosfato
P P
Gliceraldeide 3-fosfato (2) 2 P Trioso fosfato
isomerasi
5
I FASE
glicolisi E necessaria l’energia di 2 molecole di ATP
per iniziare la sequenza di reazioni della
glicolisi
•
La reazione 6 consiste nell’ossidazione e fosforilazione della gliceraldeide 3-fosfato. L’agente ossidante è il coenzima NAD
+che si riduce formando NADH. L’enzima che catalizza la reazione è una deidrogenasi.
II FASE glicolisi
2 NAD+
Acido 1,3 Bisfosfoglicerico (2) Gliceraldeide 3-fosfato
deidrogenasi
6
Gliceraldeide 3-fosfato (2) 2 P
2 NADH
P 2 P
Acido 1,3 Bisfosfoglicerico (2) Fosfoglicerato
chinasi
7
P 2 P
Acido 3 fosfoglicerico (2) 2 P 2 ATP
2 ADP
•
La reazione 7 porta alla formazione dell’acido 3-fosfoglicerico e di
due molecole di ATP
•
Nella reazione 8 avviene il trasferimento di un gruppo funzionale (fosfato) da una posizione ad un’altra della stessa molecola per azione di un enzima mutasi.
•
Nella reazione 9 l’acido 2-fosfoglicerico viene deidratato (perde 2 molecole di H
2O) attraverso l’azione di una enolasi.
Fosfoglicerato mutasi
8
Acido 3-fosfoglicerico (2) 2 P
Acido 2-fosfoglicerico (2)
P 2
Enolasi
9
Acido 2-fosfoglicerico (2)
P 2
Acido fosfoenolpiruvico (2)
P 2
2 H2O
•
Nella reazione 10, la reazione finale della glicolisi, la piruvato chinasi catalizza la reazione di scissione del gruppo fosfato e la formazione di altre 2 molecole di ATP
Acido piruvico 2
Piruvato chinasi
10
Acido fosfoenolpiruvico (2)
P 2
2 ADP 2 ATP
I FASE
glicolisi In questa seconda fase sono prodotte 4
molecole di ATP e 2 di NADH
REAZIONE TOTALE dei processi di glicolisi
glucosio + 2Pi + 2NAD+ + 2ADP
2 acido piruvico + 2ATP + 2NADH + 2H++2H2O
Il guadagno energetico della glicolisi è di 2 molecole di ATP con la
formazione di un prodotto, l’acido piruvico, che contiene ancora
molta dell’energia iniziale della molecola di glucosio.
Piruvato
GlucosioAcetil CoA
Lattato Etanolo
Destino del piruvato
Condizioni anaerobiche
Glicolisi
Condizioni anaerobiche Condizioni
aerobiche
CO2 e H2O
Ciclo di Krebs
Tre vie metaboliche
possibili del piruvato
Destino del piruvato
Piruvato Glucosio
Acetil CoA
Lattato Etanolo
Condizioni anaerobiche
Glicolisi
Condizioni anaerobiche Condizioni
aerobiche
CO2 e H2O
Ciclo di Krebs
In condizioni anaerobiche
In condizioni anaerobiche → il piruvato deve essere convertito in un prodotto ridotto per poter riformare il NAD+, a partire dal NADH, che rientra nella glicolisi.
Nel lievito Nel lievito:
fermentazione alcolica con formazione di etanolo
Nel muscolo Nel muscolo:
fermentazione omolattica con formazione di lattato
In condizioni aerobiche
In condizioni aerobiche → il piruvato viene prima trasformato in Acetil CoA e poi completamente ossidato a CO2 e H2O nel ciclo di Krebs.
Fermentazione omolattica
NADH
H+ NAD+ C C
O CH3
O
OH
Acido piruvico Acido lattico
• Durante attività fisica intensa e prolungata: il muscolo ha bisogno di molta energia in breve tempo.
• E’ presente poco ossigeno.
• Produzione di acido lattico attraverso la via di glicolisi in condizioni anaerobiche.
• Produzione di NAD+.
Lattato deidrogenasi
C C
O CH3
H
OH OH
Fermentazione omolattica
In condizioni di carenza di ossigeno, come ad esempio negli eritrociti e nei muscoli durante un’attività fisica intensa, l’acido piruvico viene ridotto ad acido lattico. Infatti l’eccesso di NADH e acido piruvico prodotti attraverso la glicolisi per sviluppare l’energia necessaria per l’attività muscolare, non riescono ad essere smaltiti attraverso i mitocondri.
Glicolisi in condizioni aerobiche
L’acido piruvico viene trasportato all’interno dei mitocondri e trasformato in Acetil CoA
C C
O CH3
O
OH Acido piruvico
+ CoA CoA
C CH3
O
Acetil Coenzima A Coenzima A
NADH H+ NAD+
+ CO2
L’acido piruvico prodotto ha un elevato contenuto energetico e può essere ulteriormente ossidato per produrre una quantità maggiore energia.
Piruvato Deidrogenasi
REGOLAZIONE di una via metabolica
Nelle vie metaboliche gli enzimi che catalizzano le reazioni irreversibili sono potenziali siti di regolazione.
Tipi di regolazione dell’attività enzimatica:
Legame reversibile agli enzimi di effettori allosterici (molecole che si legano all’enzima modificando la sua affinità per il substrato).
Modificazione covalente dell’enzima che può essere trasformato dalla forma attiva a quella inattiva (es. fosforilazione- defosforilazione).
Regolazione trascrizionale, avviene per stimolazione della trascrizione del DNA.
REGOLAZIONE della glicolisi
• La glicolisi è principalmente controllata a livello della fosfofruttochinasi e parzialmente a livello dell’esochinasi e della piruvato chinasi.
• La fosfofruttochinasifosfofruttochinasi è l’enzima più importante per il controllo della glicolisi e catalizza la trasformazione fruttosio 6-fosfato a fruttosio 1,6-bisfosfato.
• Un’elevata concentrazione di ATP inibisce l’enzima diminuendo la sua affinità per il fruttosio 6-fosfato. L’ADP e l’AMP rimuovono gli effetti inibitori dell’ATP e quindi sono considerati attivatori ⇒ la glicolisi viene stimolata quando la carica energetica diminuisce.
• La fosfofruttochinasi è inibita dal citrato, il primo intermedio del ciclo dell’acido citrico ⇒ elevati livelli di citrato implicano che non sia necessario degradare altro glucosio per produrre citrato.
REGOLAZIONE della glicolisi
• Un importante regolatore della glicolisi è il fruttosio 2,6-bisfosfato, un isomero del fruttosio 1,6-bisfosfato che è uno degli intermedi della via metabolica.
Il fruttosio 2,6-bisfosfato attiva la fosfofruttochinasi nel fegato aumentando la sua affinità per il fruttosio 6-fosfato e diminuendo gli effetti inibitori dell’ATP.
REGOLAZIONE della glicolisi
Esochinasi, enzima che catalizza la
prima reazione della glicolisi Piruvato chinasi, enzima che catalizza la terza reazione irreversibile della
glicolisi
_ inibita dal glucosio 6-fosfato che si forma quando c’è eccesso di fruttosio 6-fosfato che a sua volta aumenta i suoi livelli quando la fosfofruttochinasi è inibita.
_ attivata dal fruttosio 1,6- bisfosfato, il prodotto della precedente reazione irreversibile, in modo da poter degradare la grande quantità di intermedi.
_ inibita da ATP in modo da non
produrre altre molecole
energetiche quando già ve ne sono in eccesso.
Glucosio-6-fosfato Glucosio
Ribosio-5-fosfato Via del pentoso
fosfato
VIA DEL PENTOSO FOSFATO VIA DEL PENTOSO FOSFATO
(SHUNT DELL
(SHUNT DELL’ ’ ESOSO MONOFOSFATO) ESOSO MONOFOSFATO)
La via del pentoso fosfato è una via alternativa di trasformazione del glucosio.
I prodotti di questa via metabolica sono: NADPH e ribosio 5-fosfato, composti necessari per i processi biosintetici.
Può essere suddivisa in:
fase I: fase ossidativa
fase II: fase non ossidativa (interconversione dei pentosi)
VIA DEL PENTOSO FOSFATO
Glucosio 6-fosfato
NADP+ NADPH 6-fosfogluconato
NADP+ NADPH Ribulosio 5-fosfato
Ribosio 5-fosfato
Glucosio 6-fosfato deidrogenasi
CO2
6-fosfogluconato deidrogenasi
Ribulosio 5-fosfato isomerasi
Transchetolasi Tranaldolasi
Fase ossidativa Fase non ossidativa
Fruttosio 6-fosfato Gliceraldeide+ 3-fosfato
VIA DEL PENTOSO FOSFATO
Fase ossidativa
Fase non ossidativa
Il glucosio 6-fosfato viene trasformato in ribosio 5- fosfato e viene generato NADPH attraverso reazioni catalizzate da deidrogenasi e isomerasi.
Il ribosio 5-fosfato, attraverso una serie di reazioni di rottura e formazione di legami C-C, si trasforma in fruttosio 6-fosfato e gliceraldeide 3-fosfato. In questo modo vi è un collegamento reversibile tra la via del pentoso fosfato e la glicolisi.
NADPH
Ribosio 5-fosfato
Il NADPH è un cofattore riducente come il NADH, ha la sua stessa struttura con un gruppo fosfato in più.
Mentre il NADH viene ossidato nella catena respiratoria per generare ATP, il NADPH serve come donatore di elettroni nelle biosintesi riduttive. Il NADH opera principalmente nel mitocondrio mentre il NADPH svolge la sua funzione nel citoplasma dove avvengono le reazioni di sintesi delle molecole biologiche.
viene utilizzato per la sintesi di nucleotidi e acidi nucleici essendo lo zucchero costituente lo scheletro esterno del DNA.
REGOLAZIONE della via del pentoso fosfato
Regolazione della
fase ossidativa La velocità della via del pentoso fosfato è regolata principalmente dalla concentrazione di NADP+
Quando la cellula consuma NADPH la concentrazione di NADP+ aumenta aumentando la velocità della reazione della glucosio 6-fosfato deidrogenasi e quindi stimolando la nuova sintesi di NADPH.
La concentrazione di NADP+ influenza l’attività della glucosio 6-fosfato deidrogenasi
REGOLAZIONE della via del pentoso fosfato
Il glucosio 6-fosfato, in base alle necessità di NADPH, ribosio 5-fosfato e ATP, va incontro a destini diversi:
• se la necessità principale della cellula è la produzione di NADPH, attraverso le reazioni viste il ciclo forma di nuovo glucosio 6-fosfato e la via metabolica inizia di nuovo.
• se la necessità della cellula è quella di sintetizzare DNA la maggior parte del glucosio 6-fosfato viene convertito in ribosio 5-fosfato per la sintesi dei nucleotidi precursori del DNA.
• se la cellula ha bisogno di energia la cellula utilizza gli intermedi fruttosio 6-fosfato e gliceraldeide 3-fosfato, molecole che possono essere utilizzate nella glicolisi per produrre energia.
La via del pentoso fosfato si svolge nel citoplasma delle cellule principalmente di fegato, tessuto adiposo, cervello e ghiandola
mammaria
In questi tessuti la formazione di NADPH è molto importante perché è qui che avvengono le biosintesi riduttive che lo utilizzano (es. sintesi di acidi grassi e colesterolo)
VIA DEL PENTOSO FOSFATO
Glucosio-6-fosfato
GlicogenoPiruvato Glucosio
Ribosio-5-fosfato
Acetil CoA
Ciclo di Krebs
Glicogenolisi
Glicogenesi
Glicolisi Gluconeogenesi
Lattato
Condizione anaerobica Condizione
aerobica
Amminoacidi
Via del pentoso fosfato
GLUCONEOGENESI GLUCONEOGENESI
9
Via metabolica di sintesi del glucosio a partire da precursori non glucidici.
9
La via gluconeogenica converte il piruvato in glucosio.
9
La gluconeogenesi si svolge principalmente nel fegato e in maniera minore nel rene.
9
La gluconeogenesi non è l’inverso della glicolisi, solo alcune
delle sue reazioni sono reazioni glicolitiche che procedono
all’inverso.
I principali precursori non saccaridici sono:
9
Lattato
⇒si forma nel muscolo scheletrico in caso di attività intensa e prolungata
9
Amminoacidi
⇒derivano dalle proteine introdotte con la dieta
9
Glicerolo
⇒viene prodotto dall’idrolisi dei trigliceridi nel tessuto adiposo
GLUCONEOGENESI
Piruvato Piruvato
Ossalacetato Fosfoenolpiruvato
2-Fosfoglicerato 3-Fosfoglicerato 1,3-Bisfosfoglicerato
Gliceraldeide 3-fosfato Diideossiacetone fosfato Fruttosio 1,6-bisfosfato
Fruttosio 6-fosfato Glucosio 6-fosfato
Glucosio Glucosio
Amminoacidi
Amminoacidi LattatoLattato
Glicerolo Glicerolo
Glucosio 6-fosfatasi
Piruvato carbossilasi
Fosfoenolpiruvato carbossichinasi
GLUCONEOGENESI
Fruttosio 1,6-bisfosfatasi
GLUCONEOGENESI
Le reazioni differenti tra glicolisi e gluconeogenesi sono quelle che nella glicolisi avvengono in
maniera irreversibile e sono fortemente esoergoniche.
Tratto da: D.L. Nelson, M.M. Cox, I PRINCIPI DI BICHIMICA DI LEHNINGER 4E, Ed. Zanichellli
GLUCONEOGENESI
Due sono gli enzimi che partecipano a tali reazioni e sono caratteristici della sola gluconeogenesi:
piruvato carbossilasi
fosfoenolato carbossichinasi
Reazioni di conversione da PIRUVATO a FOSFOENOLPIRUVATO
Reazione che richiede l’impiego di energia libera, tale processo è reso possibile attraverso la formazione dell’intermedio ossalacetato.
GLUCONEOGENESI
Reazioni di conversione da FOSFOENOLPIRUVATO a
FRUTTOSIO 1,6-BISFOSFATO
Le reazioni di questa via sono catalizzate dagli stessi enzimi della via glicolitica
Fosfoenolpiruvato Fruttosio
1,6-bisfosfato
Fruttosio 1,6-bisfosfato Fruttosio 6-fosfato
Glucosio 6-fosfato
Glucosio Glucosio
Glucosio 6-fosfatasi
Fruttosio 1,6-bisfosfatasi
Reazioni glicolitiche endoergoniche che nella gluconeogenesi sono
catalizzate da enzimi diversi da quelli della glicolisi
GLUCONEOGENESI
La reazione complessiva della gluconeogenesi è:
2 Piruvato + 4 ATP + 2GTP + 2 NADH + 6 H2O
Glucosio + 4 ADP + 2GDP + 2 NAD+ + 6 Pi + 2H+
Nella gluconeogenesi per sintetizzare una molecola di glucosio da
due di piruvato vengono spesi sei legami fosfato mentre nella
trasformazione da glucosio a piruvato attraverso la glicolisi sono
prodotte 2 molecole di ATP.
REGOLAZIONE della gluconeogenesi
Le due vie opposte della glicolisi e della
gluconeogenesi sono coordinate e non procedono contemporaneamente ma sono regolate in
maniera reciproca.
Le quantità e le attività degli enzimi che distinguono le due vie metaboliche sono
controllate in modo da avere soltanto una delle
due vie metaboliche attiva.
REGOLAZIONE della gluconeogenesi
FOSFOFRUTTOCHINASI FRUTTOSIO 1,6-BISFOSFATASI
_ attivata da AMP
_ inibita da ATP e citrato
_ inibita da AMP
_ attivata dal citrato
Un alto livello di AMP indica che la carica energetica è bassa e induce alla generazione di ATP; al contrario alti livelli di ATP indicano un potenziale energetico alto. In questo caso la glicolisi è attivata e la gluconeogenesi è inibita.
REGOLAZIONE della gluconeogenesi
Il Fruttosio 2,6-bisfosfato, che si forma dalla fosforilazione del fruttosio 6-fosfato, regola l’attività di due enzimi delle due vie metaboliche, la sua concentrazione dipende dalle due velocità della sua sintesi e degradazione
E’ un attivatore allosterico della
fosfofruttochinasi (glicolisi) E’ un inibitore della fruttosio bisfosfatasi (gluconeogenesi)
Durante il digiuno il livello di fruttosio 2,6-bisfosfato è basso mentre è alto nello stato alimentato poiché la sua produzione e degradazione è sotto controllo ormonale. Quindi nello stato alimentato verrà attivata la glicolisi e rallentata la gluconeogenesi.
