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Franca Esposito » 9.Metabolismo dei carboidrati: Glicolisi

Carboidrati

Sono i composti organici più abbondanti sulla terra e costituiscono una delle principali e più abbondanti fonti nutrizionali per molti organismi.

Sono Aldeidi o Chetoni poliossidrilici.

Possono essere suddivisi:

Monosaccaridi: Glucosio, Fruttosio, Galattosio, Ribosio
Disaccaridi: Maltosio, Saccarosio, Lattosio
Polisaccaridi: Amido, Glicogeno
Carboidrati: Proteoglicani, Glicoproteine
Complessi: Glicosamminoglicani

Lezione della Prof. Patrizia Carandente Giarrusso

Glucosio

E’ la forma principale in cui sono convertiti i carboidrati della dieta.

E’ la sola fonte energetica utilizzata da alcune cellule specializzate, prive di mitocondri o con scarso rifornimento sanguigno:

Cervello ———–> ~120g glucosio/die

Globuli rossi, cornea, cristallino, retina, midollare surrene, testicoli leucociti, fibre muscolari bianche

———-> ~ 40g glucosio/die

Ruolo centrale del glucosio

Il glucosio è coinvolto in :

processi catabolici ————–> Glicolisi

Via del pentosio fosfato

processi anabolici —————> Sintesi di glicogeno

E’ possibile ottenere glucosio per :

glicogenolisi: scissione del glicogeno (nel fegato e nei muscoli)
gluconeogenesi: sintesi di glucosio a partire da precursori non saccaridici (nel fegato e nella corteccia surrenale)

Glicolisi

Via centrale del catabolismo del glucosio.

Via ossidativa in 10 tappe in cui 1 molecola di glucosio (6 atomi C) è trasformata in 2 molecole di piruvato (3 atomi C) con produzione di energia.

Due fasi: investimento e produzione di energia.

La glicolisi avviene nel citosol.

Reazione complessiva della glicolisi:

Glucosio + 2ADP + 2Pi + 2NAD⁺ → 2Piruvato + 2ATP + 2NADH + 2H⁺

Il piruvato che contiene ancora la maggior parte dell’ energia utilizzabile, avrà poi destini diversi a seconda del tipo di organismo, del compartimento cellulare e delle condizioni (aerobiche o anaerobiche).

Glicolisi (segue)

Funzioni metaboliche della glicolisi

Produzione di ATP

Produzione di Piruvato : che contiene più del 90% dell’energia libera inizialmente presente nel glucosio.

Formazione di intermedi necessari per altri processi biochimici es. produzione di glicerolo per la sintesi dei trigliceridi.

Gli intermedi della glicolisi sono fosforilati

I gruppi fosfato, completamente ionizzati al pH cellulare, non possono attraversare la membrana citoplasmatica.

I gruppi fosfato degli intermedi vengono ceduti all’ADP per formare ATP.
Spesso i gruppi fosfato si legano alle molecole enzimatiche.

Glicolisi schema generale

Glicolisi: Fase di investimento energetico

Glicolisi

Reazione esoergonica irreversibile nelle condizioni cellulari.

OH in posizione 6 del glucosio viene fosforilato dall’ esochinasi in presenza di ioni Mg²⁺ e di ATP (legame fosfoestero) il glucosio rimane così all’interno del citosol.

Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Glicolisi (segue)

Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Glicolisi (segue)

Nelle condizioni cellulari la reazione catalizzata dalla PFK-1 è esoergonica e quindi irreversibile. Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Glicolisi (segue)

Nelle condizioni cellulari la reazione è spostata verso la formazione del fruttosio bisfosfato. Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Glicolisi (segue)

Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Glicolisi : Fase di produzione di energia

Glicolisi (segue)

Gliceraldeide-3P-deidrogenasi

Omotetramero catalizza l’ossidazione del gruppo aldeidico della Gliceraldeide-3P a gruppo carbossilico e la sua fosforilazione.
Ciascuna subunità lega un NAD⁺.

Nel citosol [NAD⁺] è limitato.

Il NADH+ H⁺ che si forma deve essere ossidato a NAD⁺ affinchè la glicolisi possa continuare.

Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Glicolisi (segue)

Formazione di ATP a partire da ADP tramite fosforilazione a livello del substrato, per distinguerla dalla fosforilazione ossidativa (formazione di ATP grazie ad un gradiente elettrochimico). Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Glicolisi (segue)

La reazione è reversibile e procede con formazione di un intermedio, il 2,3-bisfosfoglicerato che, legato all'emoglobina, agisce da modulatore allosterico eterotropico negativo (negli eritrociti la glicolisi serve soprattutto per fare tale intermedio). Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Glicolisi (segue)

La reazione catalizzata dall'enolasi crea un metabolita ad alto contenuto d'energia (PEP) che nella reazione successiva cede un P all'ADP con formazione di ATP (ΔG°' idrolisi del PEP = - 61.9 kJ/mol). Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Glicolisi (segue)

E' una reazione irreversibile e costituisce la “driving force” per portare a termine la glicolisi. Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Bilancio energetico della glicolisi

Tenendo presente che in fase preparatoria si consumano 2 molecole di ATP, il bilancio energetico per ogni molecola di glucosio sottoposta ad ossidazione risulta quindi di:

2 molecole ATP per fosforilazione a livello del substrato
2 molecole NADH+ H⁺
2 molecole piruvato

Il bilancio energetico del processo citosolico può essere integrato nel mitocondrio, dove, in condizioni aerobiche, dalle 2 molecole di NADH prodotte dalla glicolisi si possono ottenere altre molecole di ATP.

La stechiometria tra NADH ed ATP dipende da vari fattori:
a) navetta per recuperare gli equivalenti riducenti del NADH
b) compartimento dove si forma NADH (citosol o mitocondrio)

Regolazione della glicolisi

Prima tappa di regolazione (Reazione 1)

La prima reazione (fosforilazione glucosio) costituisce anche la prima tappa di regolazione della glicolisi.

In particolare l’esochinasi:

è inibita allostericamente dal prodotto della reazione, glucosio-6-fosfato (G6P)
fosforila anche fruttosio e mannosio anche se con minore affinità rispetto al glucosio (scarsa specificità tra carboidrati)

Nelle cellule epatiche agisce anche la glucochinasi, isoenzima dell’esochinasi che:

non è inibita da G6P, ma da fruttosio-6-fosfato (F6P)
non fosforila altri substrati (elevata specificità per glucosio)
fosforila il glucosio solo se presente ad elevate concentrazioni

Proprietà cinetiche di esochinasi e glucochinasi

Sulla base di differenze cinetiche, di specificità e di regolazione allosterica, i due enzimi hanno ruoli diversi. Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Regolazione della glicolisi

Ruolo dell’esochinasi

Fosforila glucosio proveniente dal flusso sanguigno [glucosio] ≈ 5 mM nel sangue ed inizia la glicolisi.

Se il G6P si accumula, l’esochinasi viene inibita e la glicolisi rallenta.

Ruolo della glucochinasi

Non è un enzima della glicolisi, è preposta al mantenimento di un livello ematico costante di glucosio:

glucosio è fosforilato solo quando la sua concentrazione cresce dopo un pasto ed si induce glicogenosintesi
nel fegato la glicogenosintesi è regolata da una proteina regolatrice della glucochinasi e da un equilibrio tra G6P, F6P (inibitore della glucochinasi) e F1P (inibitore della proteina regolatrice)

Regolazione della glicolisi (segue)

Seconda tappa di regolazione della glicolisi (Reazione 3)

Tappa di comando della glicolisi è catalizzata dalla Fosfofruttochinasi 1 (PFK-1), omotetramero soggetto a regolazione allosterica:

inibita da elevate concentrazioni di ATP
inibita anche da citrato, un prodotto a valle della glicolisi

attivata da AMP e ADP, nonché da fruttosio-2,6-bisfosfato Il fruttosio-2,6-bisfosfato deriva da un’altra attività enzimatica, la Fosfofruttochinasi 2 (PFK-2), che fosforila il F6P, legando il secondo gruppo fosfato specificamente all’OH in posizione 2

Formazione Fruttosio 2,6 – bisfosfato

Enzima bifunzionale

Attività chinasica: fosfofruttochinasi 2 (PFK-2)
Attività fosfatasica: fruttosio 2,6 bisfosfatasi 2 (FBPasi-2)

Nel fegato F6P e F2,6-bisP sono in equilibrio:

enzima bifunzionale fosforilato → incremento di attività fosfatasica
enzima funzionale defosforilato → incremento di attività chinasica

Fruttosio-2,6-bisfosfato

Non è un intermedio né della glicolisi né della gluconeogenesi
E’ un modulatore allosterico perché attiva la glicolisi e inibisce la gluconeogenesi

Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Regolazione allosterica di PKF-1

Elevate concentrazioni di ATP inibiscono PFK-1, diminuendo la sua affinità per il Fruttosio-6-fosfato suo substrato.

Inibizione da ATP (e da citrato) è funzionale alla necessità di reprimere l’accumulo del prodotto finale della glicolisi invece AMP e ADP sono attivatori perché indicano carenza di ATP.

Tratto da: JM Berg, JL Tymoczko, L Stryer “Biochimica” Quinta edizione, Zanichelli.

Regolazione della glicolisi

Terza tappa di regolazione della glicolisi (Reazione 10).

La tappa finale della glicolisi è catalizzata dalla piruvato chinasi (PK) che è regolata mediante fosforilazione/defosforilazione (forma più attiva è defosforilata).

PK risulta :

inibita da elevate concentrazioni di ATP
inibita da acetil-CoA ed acidi grassi, combustibili del ciclo dell’acido citrico a valle della glicolisi
attivata dal fruttosio-1,6-bisfosfato (un intermedio della glicolisi più a monte)

Tratto da: JM Berg, JL Tymoczko, L Stryer “Biochimica” Quinta edizione, Zanichelli.

Ingresso di altri carboidrati nella glicolisi

Glicogeno e amido

Unità glucosio scisse per fosforolisi legami α1,4 ad opera di glicogeno fosforilasi.

Si ottiene il glucosio-1-fosfato (G1P) che è poi trasformato in G6P da fosfoglucomutasi.

Saccarosio, lattosio

I monosaccaridi costituenti (glucosio, fruttosio, galattosio) sono ottenuti per scissione disaccaridi tramite enzimi specifici saccarasi, lattasi.