METABOLISMO DEL Glucosio

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1 METABLISM DEL Glucosio

2 Il metabolismo del glucosio può essere suddiviso nelle seguenti vie metaboliche: Glicolisi ssidazione del glucosio in acido piruvico e acido lattico. Via del pentoso fosfato Via ossidativa alternativa per il glucosio Glicogenolisi Idrolisi di glicogeno a formare glucosio Glicogenesi Sintesi di glicogeno da glucosio Gluconeogenesi Formazione di glucosio a partire da molecole diverse dai carboidrati

3 Metabolismo del glucosio Glucosio Glicogeno Glicogenolisi Glucosio-6-fosfato Via del pentoso fosfato Ribosio-5-fosfato Glicogenesi Gluconeogenesi Glicolisi Amminoacidi iruvato Acetil CoA Condizione aerobica Condizione anaerobica Lattato Ciclo di Krebs

4 Catabolismo del glucosio Glucosio Glicolisi Condizioni anaerobiche Etanolo iruvato Condizioni aerobiche Acetil CoA Condizioni anaerobiche Lattato Ciclo di Krebs C 2 e H 2

5 Catabolismo del glucosio Glucosio Glicolisi Condizioni anaerobiche Etanolo iruvato Condizioni aerobiche Acetil CoA Condizioni anaerobiche Lattato Ciclo di Krebs C 2 e H 2

6 GLICLISI La glicolisi è la via metabolica degradativa del glucosio. La glicolisi genera energia che viene conservata sotto forma di AT. 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 AT La glicolisi avviene nel citosol della cellula.

7 GLICLISI gni sfera rappresenta un atomo di carbonio 2 AD 2 i 2 AT 2 Glucosio Acido piruvico 2 NAD + 2 NADH 2H +

8 GLICLISI La glicolisi comprende dieci reazioni e può essere divisa in due fasi: Fase I: 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 AT. 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 AT.

9 I FASE glicolisi H Esochinasi Glucosio AT AD Glucosio 6-fosfato Fosfoglucosio isomerasi Fruttosio 6-fosfato Fosfofruttochinasi AD Fruttosio 1,6-bisfosfato Aldolasi AT H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H 5 Gliceraldeide 3-fosfato + Diidrossiacetone fosfato Trioso fosfato isomerasi CH 2 C C H H CH 2 C CH 2 H Gliceraldeide 3-fosfato (2) 2 CH 2 C H C H

10 II FASE glicolisi 6 Gliceraldeide 3-fosfato (2) Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi 2 NAD + 2 NADH 2 CH 2 C H C H 7 Acido 1,3 Bisfosfoglicerico (2) Fosfoglicerato chinasi 2 AD 2 AT 2 CH 2 C H C 8 Acido 3 fosfoglicerico (2) Fosfoglicerato mutasi 2 CH 2 C H C H 9 Acido 2 fosfoglicerico (2) Enolasi 2 H 2 2 CH 2 H C C H 10 Acido fosfoenolpiruvico (2) iruvato chinasi 2 AD 2 AT 2 CH 2 C C H Acido piruvico 2 CH 3 C C H

11 I FASE glicolisi 1 Glucosio AT Esochinasi AD Glucosio 6-fosfato Nella prima reazione deve essere spesa un po di energia per iniziare la glicolisi, viene consumata una molecola di AT. Glucosio 6-fosfato 2 Fosfoglucosio isomerasi Fruttosio 6-fosfato La seconda è una reazione di isomerizzazione di un aldoso (glucosio) in un chetoso (fruttosio).

12 Il glucosio è trattenuto nella cellula dalla fosforilazione a glucosio 6-fosfato

13 3 Fruttosio 6-fosfato AT Fosfofruttochinasi AD Fruttosio 1,6-bisfosfato Nella terza reazione un enzima chinasi fosforila il futtosio 6- fosfato. La fosfofruttichinasi gioca un ruolo fondamentale nel controllo della glicolisi. Fruttosio 1,6-bisfosfato 4 Aldolasi Gliceraldeide 3-fosfato + Diidrossiacetone fosfato Nella reazione 4 avviene una scissione aldolica e il fruttosio 1,6- bisfosfato si scinde in due molecole di triosi.

14 5 Gliceraldeide 3-fosfato + Diidrossiacetone fosfato Trioso fosfato isomerasi Gliceraldeide 3-fosfato (2) 2 La quinta è una reazione di isomerizzazione catalizzata da una isomerasi in cui il diidrossiacetoneèconvertito in gliceraldeide3- fosfato. I FASE glicolisi E necessaria l energia di 2 molecole di AT per iniziare la sequenza di reazioni della glicolisi

15 II FASE glicolisi Gliceraldeide 3-fosfato (2) 2 6 Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi 2 NAD + 2 NADH Acido 1,3 Bisfosfoglicerico (2) 2 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. 7 Acido 1,3 Bisfosfoglicerico (2) Fosfoglicerato chinasi 2 AD 2 AT 2 Acido 3 fosfoglicerico (2) 2 La reazione 7 porta alla formazione dell acido 3-fosfoglicerico e di due molecole di AT

16 Acido 3-fosfoglicerico (2) 2 8 Fosfoglicerato mutasi Acido 2-fosfoglicerico (2) 2 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. Acido 2-fosfoglicerico (2) 2 9 Enolasi 2 H 2 Acido fosfoenolpiruvico (2) 2 Nella reazione 9 l acido 2-fosfoglicerico viene deidratato (perde 2 molecole di H 2 ) attraverso l azione di una enolasi.

17 10 Acido fosfoenolpiruvico (2) 2 AD iruvato chinasi 2 AT 2 Acido piruvico 2 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 AT I FASE glicolisi In questa seconda fase sono prodotte 4 molecole di AT e 2 di NADH

18 REAZINE TTALE dei processi di glicolisi glucosio + 2i + 2NAD + + 2AD 2 acido piruvico + 2AT + 2NADH + 2H + +2H 2 Il guadagno energetico della glicolisi è di 2 molecole di AT con la formazione di un prodotto, l acido piruvico, che contiene ancora molta dell energia iniziale della molecola di glucosio.

19 Destino del piruvato Glucosio Tre vie metaboliche possibili del piruvato Glicolisi Condizioni anaerobiche Etanolo iruvato Condizioni aerobiche Acetil CoA Condizioni anaerobiche Lattato Ciclo di Krebs C 2 e H 2

20 Destino del piruvato Glucosio In condizioni aerobiche il piruvato viene prima trasformato in Acetil CoA e poi completamente ossidato a C 2 e H 2 nel ciclo di Krebs. Glicolisi Condizioni anaerobiche Etanolo iruvato Acetil CoA Condizioni aerobiche Ciclo di Krebs Condizioni anaerobiche Lattato 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. C 2 e H 2 Nel lievito: fermentazione alcolica con formazione di etanolo Nel muscolo: fermentazione omolattica con formazione di lattato

21 Fermentazione omolattica CH 3 C C H Acido piruvico NADH H + NAD + Lattato deidrogenasi H CH 3 C C H H Acido lattico Durante attività fisica intensa e prolungata: il muscolo ha bisogno di molta energia in breve tempo. E presente poco ossigeno. roduzione di acido lattico attraverso la via di glicolisi in condizioni anaerobiche. roduzione di NAD +.

22 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.

23 Glicolisi in condizioni aerobiche L acido piruvico viene trasportato all interno dei mitocondri e trasformato in Acetil CoA NAD + NADH H + CH 3 C C H Acido piruvico + CoA CoA Coenzima A iruvato Deidrogenasi C CH 3 Acetil Coenzima A + C 2 L acido piruvico prodotto ha un elevato contenuto energetico e può essere ulteriormente ossidato per produrre una quantità maggiore energia.

24 REGLAZINE 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. fosforilazionedefosforilazione). Regolazione trascrizionale, avviene per stimolazione della trascrizione del DNA.

25 REGLAZINE della glicolisi La glicolisi è principalmente controllata a livello della fosfofruttochinasi e parzialmente a livello dell esochinasi e della piruvato chinasi. La fosfofruttochinasi 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 AT inibisce l enzima diminuendo la sua affinità per il fruttosio 6-fosfato. L AD e l AM rimuovono gli effetti inibitori dell AT 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.

26 REGLAZINE 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 AT.

27 REGLAZINE della glicolisi Esochinasi, enzima che catalizza la prima reazione della glicolisi iruvato 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 AT in modo da non produrre altre molecole energetiche quando già ve ne sono in eccesso.

28 VIA DEL ENTS FSFAT (SHUNT DELL ESS ESS MNFSFAT) Glucosio Glucosio-6-fosfato Via del pentoso fosfato Ribosio-5-fosfato La via del pentoso fosfato è una via alternativa di trasformazione del glucosio. I prodotti di questa via metabolica sono: NADH e ribosio 5-fosfato, composti necessari per i processi biosintetici. uò essere suddivisa in: fase I: fase ossidativa fase II: fase non ossidativa (interconversione dei pentosi)

29 VIA DEL ENTS FSFAT Fase non ossidativa Fruttosio 6-fosfato + Gliceraldeide 3-fosfato Transchetolasi Tranaldolasi Fase ossidativa Glucosio 6-fosfato deidrogenasi Glucosio 6-fosfato 6-fosfogluconato 6-fosfogluconato deidrogenasi C 2 Ribulosio 5-fosfato NAD + NADH NAD + NADH Ribulosio 5-fosfato isomerasi Ribosio 5-fosfato

30 VIA DEL ENTS FSFAT Fase ossidativa Il glucosio 6-fosfato viene trasformato in ribosio 5- fosfato e viene generato NADH attraverso reazioni catalizzate da deidrogenasi e isomerasi. Fase non ossidativa 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.

31 NADH Il NADH 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 AT, il NADH serve come donatore di elettroni nelle biosintesi riduttive. Il NADH opera principalmente nel mitocondrio mentre il NADH svolge la sua funzione nel citoplasma dove avvengono le reazioni di sintesi delle molecole biologiche. Ribosio 5-fosfato viene utilizzato per la sintesi di nucleotidi e acidi nucleici essendo lo zucchero costituente lo scheletro esterno del DNA.

32 REGLAZINE della via del pentoso fosfato Regolazione della fase ossidativa La velocità della via del pentoso fosfato è regolata principalmente dalla concentrazione di NAD + La concentrazione di NAD + influenza l attività della glucosio 6-fosfato deidrogenasi Quando la cellula consuma NADH la concentrazione di NAD + aumenta aumentando la velocità della reazione della glucosio 6-fosfato deidrogenasi e quindi stimolando la nuova sintesi di NADH.

33 REGLAZINE della via del pentoso fosfato Il glucosio 6-fosfato, in base alle necessità di NADH, ribosio 5-fosfato e AT, va incontro a destini diversi: se la necessità principale della cellula è la produzione di NADH, 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.

34 VIA DEL ENTS FSFAT 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 NADH è molto importante perché è qui che avvengono le biosintesi riduttive che lo utilizzano (es. sintesi di acidi grassi e colesterolo)

35 Glucosio Glicogeno Glicogenolisi Glucosio-6-fosfato Via del pentoso fosfato Ribosio-5-fosfato Glicogenesi Gluconeogenesi Glicolisi Amminoacidi iruvato Acetil CoA Condizione aerobica Condizione anaerobica Lattato Ciclo di Krebs

36 GLUCNEGENESI Via metabolica di sintesi del glucosio a partire da precursori non glucidici. La via gluconeogenica converte il piruvato in glucosio. La gluconeogenesi si svolge principalmente nel fegato e in maniera minore nel rene. La gluconeogenesi non è l inverso della glicolisi, solo alcune delle sue reazioni sono reazioni glicolitiche che procedono all inverso.

37 GLUCNEGENESI I principali precursori non saccaridici sono: Lattato si forma nel muscolo scheletrico in caso di attività intensa e prolungata Amminoacidi derivano dalle proteine introdotte con la dieta Glicerolo viene prodotto dall idrolisi dei trigliceridi nel tessuto adiposo

38 GLUCNEGENESI Glucosio Glucosio 6-fosfato Glucosio 6-fosfatasi Fruttosio 6-fosfato Fruttosio 1,6-bisfosfato Fruttosio 1,6-bisfosfatasi Gliceraldeide 3-fosfato Diideossiacetone fosfato Glicerolo 1,3-Bisfosfoglicerato 3-Fosfoglicerato 2-Fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato Amminoacidi ssalacetato iruvato Fosfoenolpiruvato carbossichinasi iruvato carbossilasi Lattato

39 GLUCNEGENESI 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 RINCII DI BICHIMICA DI LEHNINGER 4E, Ed. Zanichellli

40 GLUCNEGENESI Reazioni di conversione da IRUVAT a FSFENLIRUVAT Reazione che richiede l impiego di energia libera, tale processo è reso possibile attraverso la formazione dell intermedio ossalacetato. Due sono gli enzimi che partecipano a tali reazioni e sono caratteristici della sola gluconeogenesi: piruvato carbossilasi fosfoenolato carbossichinasi Tratto da: D.L. Nelson, M.M. Cox, I RINCII DI BICHIMICA DI LEHNINGER 4E, Ed. Zanichellli

41 GLUCNEGENESI Reazioni di conversione da FSFENLIRUVAT a FRUTTSI 1,6-BISFSFAT Fruttosio 1,6-bisfosfato Le reazioni di questa via sono catalizzate dagli stessi enzimi della via glicolitica Fosfoenolpiruvato Glucosio Glucosio 6-fosfato Fruttosio 6-fosfato Glucosio 6-fosfatasi Fruttosio 1,6-bisfosfatasi Reazioni glicolitiche endoergoniche che nella gluconeogenesi sono catalizzate da enzimi diversi da quelli della glicolisi Fruttosio 1,6-bisfosfato

42 GLUCNEGENESI La reazione complessiva della gluconeogenesi è: 2 iruvato + 4 AT + 2GT + 2 NADH + 6 H 2 Glucosio + 4 AD + 2GD + 2 NAD i + 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 AT.

43 REGLAZINE 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.

44 REGLAZINE della gluconeogenesi FSFFRUTTCHINASI FRUTTSI 1,6-BISFSFATASI _ attivata da AM _ inibita da AT e citrato _ inibita da AM _ attivata dal citrato Un alto livello di AM indica che la carica energetica è bassa e induce alla generazione di AT; al contrario alti livelli di AT indicano un potenziale energetico alto. In questo caso la glicolisi è attivata e la gluconeogenesi è inibita.

45 REGLAZINE 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.