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Rita Santamaria » 10.Metabolismo dei carboidrati. Glicolisi e destino metabolico del piruvato


Carboidrati

I carboidrati si dividono in tre gruppi a seconda della loro struttura:

  • Monosaccaridi.
  • Oligosaccaridi.
  • Polisaccaridi.

I monosaccaridi sono costituiti da una sola molecola di zucchero.
Un monosaccaride può essere:

  • aldoso, se contiene un gruppo aldeidico (glucosio, ribosio, gliceraldeide);
  • chetoso, se contiene un gruppo chetonico (fruttosio, diidrossiacetone).

Gli oligosaccaridi sono costituiti da corte catene di unità monosaccaridiche unite mediante legame glicosidico.
Tra gli oligosaccaridi i più abbondanti sono i disaccaridi, come il saccarosio (glucosio + fruttosio), il lattosio (galattosio + glucosio), il maltosio (glucosio + glucosio).

I polisaccaridi sono zuccheri complessi derivati dall’unione, mediante legame glicosidico, di un numero elevatissimo di unità monosaccaridiche (glicogeno, amido, cellulosa).
I polisaccaridi formano lunghissime catene lineari o ramificate

Metabolismo del glucosio

Il glucosio occupa una posizione centrale nel metabolismo di tutti gli organismi.

Le principali vie metaboliche del glucosio sono:

  • Glicolisi (ossidazione del glucosio a piruvato).
  • Fermentazione (trasformazione in acido lattico o etanolo).
  • Via del pentoso-fosfato (via ossidativa alternativa del glucosio).
  • Ciclo di Krebs o ciclo dell’acido citrico (ossidazione completa a CO2 e H2O).
  • Gluconeogenesi (sintesi di glucosio).
  • Glicogenosintesi (sintesi di glicogeno).
  • Glicogenolisi (degradazione del glicogeno).

In Figura 1 è schematizzato il metabolismo del glucosio.

Fig. 1 Le vie metaboliche del glucosio

Fig. 1 Le vie metaboliche del glucosio


Glicolisi

La glicolisi è una via metabolica universale mediante la quale una molecola di glucosio è ossidata a due molecole di piruvato con produzione di energia sotto forma di ATP e NADH.

Per alcune cellule (globuli rossi, cellule del cervello) la glicolisi rappresenta la principale fonte di energia metabolica.

La glicolisi consiste in 10 reazioni che hanno luogo nel citosol.

Nel corso della glicolisi si ha produzione di intermedi indispensabili per altri processi biochimici.

Fasi della glicolisi

La glicolisi si divide in due fasi:

Fase preparativa
Il glucosio viene fosforilato e scisso in due molecole di gliceraldeide-3-fosfato (reazioni 1-5). In questa fase vengono utilizzate 2 molecole di ATP.

Fase di recupero
Le due molecole di gliceraldeide-3-fosfato vengono trasformate in due molecole di piruvato con produzione di 4 molecole di ATP (reazioni 6-10).

La fase preparativa consuma 2 molecole di ATP.

La fase di recupero produce 4 molecole ATP.

Il rendimento netto è di 2 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio ossidata a piruvato.

L’equazione complessiva dell’intera via è:

Glucosio + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 piruvato + 2 NADH + H+ + 2 ATP + 2 H2O

Nella Figura 2 sono riportate le 10 reazioni della glicolisi.

Reazioni della glicolisi

Fig. 2 Le due fasi della glicolisi (D.L. Nelson, M.M. Cox, I  principi di biochimica di Lehninger, Zanichelli, 4a edizione, 2006, traduzione di P. Capini, E. Regola, revisione di E. Melloni, F. Salamino)

Fig. 2 Le due fasi della glicolisi (D.L. Nelson, M.M. Cox, I principi di biochimica di Lehninger, Zanichelli, 4a edizione, 2006, traduzione di P. Capini, E. Regola, revisione di E. Melloni, F. Salamino)


Reazione 1

Fosforilazione del glucosio e produzione di glucosio-6-fosfato

Glucosio + ATP → Glucosio-6-fosfato + ADP

L’ATP è il donatore del gruppo fosfato.

La fosforilazione del glucosio è una reazione endoergonica.

L’idrolisi dell’ATP è esoergonica.

Queste due reazioni sono accoppiate.

L’enzima che catalizza questa reazione è l’esochinasi.

L’esochinasi ha bisogno di ioni Mg++ per l’attività catalitica.

Gli ioni Mg++ schermano le cariche negative dei gruppi fosfato α e β dell’ATP rendendo così il gruppo fosfato γ più suscettibile all’attacco nucleofilo da parte del gruppo -OH del glucosio.

Il primo substrato (glucosio) determina un cambio conformazionale sull’enzima che favorisce il legame con il secondo substrato (Mg-ATP).

Reazione 2

Isomerizzazione del glucosio-6-fosfato a fruttosio-6-fosfato

glucosio-6-fosfato ⇆ fruttosio-6-fosfato

Isomerizzazione da aldoso a chetoso.

L’enzima che catalizza questa reazione è la glucosio fosfato isomerasi.

I riarrangiamenti molecolari dei gruppi carbonilici ed idrossilici tra il C1 e il C2, che si verificano durante questa reazione, sono necessari per le due tappe successive della glicolisi (reazione 3 e reazione 4).

Reazione 3

Fosforilazione del fruttosio-6-fosfato e produzione del fruttosio-1,6-bisfosfato

fruttosio-6-fosfato + ATP → fruttosio-1,6-bisfosfato + ADP

L’ATP è il donatore del gruppo fosfato.

Come nella reazione 1, la reazione endoergonica di fosforilazione è accoppiata alla reazione di idrolisi dell’ATP e la reazione totale è esoergonica.

L’enzima che catalizza questa reazione è la fosfofruttochinasi 1.

La fosfofruttochinasi 1 è un enzima regolatore.

Reazione 4

Scissione del fruttosio-1,6-bisfosfato in gliceraldeide-3-fosfato e diidrossiacetone fosfato

fruttosio-1,6-bisfosfato ⇆ gliceraldeide-3-fosfato + diidrossiacetone fosfato.

L’enzima che catalizza questa reazione è l’aldolasi.

La rottura del legame tra C3 e C4, che si verifica durante la reazione, dipende dalla presenza su C2 di un gruppo carbonilico.

Reazione 5

Isomerizzazione del diidrossiacetone fosfato in gliceraldeide-3-fosfato.

diidrossiacetone fosfato ⇆ gliceraldeide-3-fosfato.

L’enzima che catalizza questa reazione è la trioso fosfato isomerasi.

Con questa reazione termina la fase preparativa della glicolisi.

I prodotti della fase preparativa sono 2 molecole di gliceraldeide-3-fosfato.

Reazione 6

Ossidazione e fosforilazione della gliceraldeide-3-fosfato a 1,3-bisfosfoglicerato

gliceraldeide-3-fosfato + NAD+ + Pi ⇆ 1,3-bisfosfoglicerato + NADH + H+

Con questa reazione inizia la fase di recupero della glicolisi.

Sono 2 le molecole di gliceraldeide-3-fosfato che partecipano a questa reazione.

Questa reazione consiste nell’ossidazione della gliceraldeide-3-fosfato e nell’addizione di un gruppo fosfato.

Si forma 1,3-bisfosfoglicerato, un’anidride mista che ha un’energia di idrolisi molto elevata.

L’enzima che catalizza questa reazione è la gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi.

La gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi ha come coenzima il NAD+ che acquista, sotto forma di ione idruro, gli equivalenti riducenti sottratti al substrato e si riduce a NADH.
L’altro atomo di idrogeno sottratto al substrato è presente in soluzione sotto forma di ione H+.

Reazione 7

Trasferimento di un gruppo fosfato dal 1,3-bisfosfoglicerato all’ADP.

1,3-bisfosfoglicerato + ADP ⇆ 3-fosfoglicerato + ATP.

In questa reazione un gruppo fosfato viene trasferito dall’1,3-bisfosfoglicerato all’ADP con conseguente fosforilazione di questo ad ATP.

Questa fosforilazione viene detta fosforilazione a livello del substrato e va distinta dalla fosforilazione ossidativa in cui il trasferimento dei gruppi fosfato all’ADP è legato al trasferimento di elettroni.

L’enzima che catalizza questa reazione è la fosfoglicerato chinasi.

Reazione 8

Isomerizzazione del 3-fosfoglicerato in 2-fosfoglicerato

3-fosfoglicerato ⇆ 2-fosfoglicerato

Questa reazione consiste nello spostamento di un gruppo fosfato all’interno della stessa molecola.

L’enzima che catalizza questa reazione è la fosfogliceromutasi.

Durante questa reazione si forma un intermedio, il 2,3 bisfosfoglicerato.

Il 2,3 bisfosfoglicerato è presente in tracce nella maggior parte delle cellule mentre è molto abbondante negli eritrociti dove regola l’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno.

Reazione 9

Deidratazione del 2-fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato

2-fosfoglicerato ⇆ fosfoenolpiruvato + H2O

Questa è una reazione di disidratazione.

L’enzima che catalizza questa reazione è l’enolasi.

La perdita di una molecola di H2O dal 2-fosfoglicerato determina una ridistribuzione dell’energia all’interno della molecola.

Il fosfoenolpiruvato ha un’energia libera di idrolisi del gruppo fosfato notevolmente superiore a quella del 2-fosfoglicerato.

Reazione 10

Trasferimento di un gruppo fosfato dal fosfoenolpiruvato all’ADP

fosfoenolpiruvato + ADP → piruvato + ATP

Il fosfoenolpiruvato trasferisce il suo gruppo fosfato all’ADP producendo ATP e piruvato.

L’enzima che catalizza questa reazione è la piruvato chinasi.

Questa reazione è un altro esempio di fosforilazione a livello del substrato.

La reazione della piruvato chinasi è essenzialmente irreversibile.

Bilancio della glicolisi

Nella glicolisi avviene la degradazione di 1 molecola di glucosio (6 atomi di C) in 2 molecole di piruvato (3 atomi di C).

Si consumano 2 molecole di ATP nella fase preparativa e se ne producono 4 nella fase di recupero.

Il rendimento netto è di 2 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio ossidata a piruvato.

Regolazione della glicolisi

La glicolisi è finemente regolata.

Le reazioni catalizzate da:

  • Esochinasi;
  • Fosfofruttochinasi 1;
  • Piruvato chinasi;

sono irreversibili e sono siti di controllo dell’intera via metabolica.

Gli enzimi esochinasi, fosfofruttochinasi 1 e piruvato chinasi sono enzimi allosterici.

La reazione della fosfofruttochinasi 1 è quella che più di tutte regola la glicolisi.

La fosfofruttochinasi 1 è:

  • Inattivata da ATP e citrato (carica energetica alta).
  • Attivata da AMP e ADP (carica energetica bassa).

Un importante regolatore della fosfofruttochinasi 1 è il fruttosio 2,6 bisfosfato (attivatore).

Destino del piruvato

Il piruvato prodotto durante la glicolisi può andare incontro a tre diversi destini in funzione della presenza o meno dell’ossigeno.

In presenza di ossigeno il piruvato entra nel ciclo dell’acido citrico dopo essere stato trasformato in acetil-CoA.

In assenza di ossigeno il destino del piruvato è la fermentazione.

Nella Figura 3 sono schematizzati i tre possibili destini metabolici del piruvato.

Fig. 3 Destino metabolico del piruvato

Fig. 3 Destino metabolico del piruvato


Fermentazione

Il NADH formatosi durante la glicolisi (reazione n. 6) deve essere riconvertito in NAD+.

Il NAD+ è necessario quale accettore di elettroni nella reazione della glicolisi catalizzata dalla gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi (reazione n. 6).

In presenza di ossigeno (condizioni aerobiche) il NADH dona gli elettroni alla catena di trasporto degli elettroni.

In assenza di ossigeno (condizioni anaerobiche) il NAD+ viene rigenerato mediante la fermentazione.

Fermentazione lattica

La fermentazione lattica consiste in una reazione di ossido-riduzione che avviene in un’unica tappa.

L’acido piruvico viene ridotto a lattato utilizzando gli equivalenti riducenti del NADH.

Il NADH viene ossidato a NAD+.

Piruvato + NADH + H+ ⇆ lattato + NAD+.

La reazione è catalizzata dall’enzima lattico deidrogenasi.

In questo modo viene rigenerato il NAD+ necessario alla glicolisi.

La fermentazione lattica ha luogo nel muscolo sotto sforzo ed in alcuni microrganismi.

Fermentazione alcolica

Il lievito ed altri microrganismi fermentano il glucosio ad etanolo e CO2.

La fermentazione alcolica consiste in una reazione di ossido-riduzione che avviene in due tappe.

Nella prima tappa il piruvato viene decarbossilato formando acetaldeide, un composto a due atomi di carbonio

Piruvato ⇆ acetaldeide + CO2

La reazione è catalizzata dall’enzima piruvato decarbossilasi.

Nella seconda tappa l’acetaldeide viene ridotta ad etanolo a spese del NADH prodotto durante la reazione n. 6 della glicolisi.

acetaldeide + NADH + H+ ⇆ etanolo + NAD+.

La reazione è catalizzata dall’enzima alcol deidrogenasi.

In questo modo viene rigenerato il NAD+ necessario alla glicolisi.

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