via del pentoso fosfato

METABOLISMO
DEL
Glucosio
Il metabolismo del glucosio può essere suddiviso nelle seguenti vie
metaboliche:
ƒ Glicolisi
Ossidazione del glucosio in acido piruvico
e acido lattico.
ƒ Via del pentoso fosfato
Via ossidativa alternativa per il glucosio
ƒ Glicogenolisi
Idrolisi di glicogeno a formare glucosio
ƒ Glicogenesi
Sintesi di glicogeno da glucosio
ƒ Gluconeogenesi
Formazione di glucosio a partire da
molecole diverse dai carboidrati
Glucosio
Metabolismo del glucosio
Via del pentoso
fosfato
Glicogenolisi
Ribosio-5-fosfato
Glucosio-6-fosfato
Glicogeno
Glicogenesi
Glicolisi
Gluconeogenesi
Piruvato
Amminoacidi
Condizione
aerobica
Acetil CoA
Ciclo di
Krebs
Condizione
anaerobica
Lattato
Catabolismo del glucosio
Glucosio
Glicolisi
Condizioni
anaerobiche
Etanolo
Piruvato
Condizioni
aerobiche
Acetil CoA
Ciclo di Krebs
CO2 e H2O
Condizioni
anaerobiche
Lattato
Catabolismo del glucosio
Glucosio
Glicolisi
Condizioni
anaerobiche
Etanolo
Piruvato
Condizioni
aerobiche
Acetil CoA
Ciclo di Krebs
CO2 e H2O
Condizioni
anaerobiche
Lattato
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
2 ADP
Ogni sfera
rappresenta
un atomo di
carbonio
2 Pi
2 ATP
2
Acido piruvico
Glucosio
2 NAD+
2 NADH
2H+
GLICOLISI
La glicolisi comprende dieci reazioni e può essere divisa in due fasi:
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: 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.
I FASE glicolisi
OH
Glucosio
1
Esochinasi
OH
HO
H H
ATP
H
H
OH
OH
OH
HO
Glucosio 6-fosfato
2
P
P
P
OH
O
OH
O
H HO
ATP
OH
H
OH
ADP
H
P
P
O
O
OH
H
O
P
P
O
CH2
OH
P
P
OH
H
C
C
O
H
CH2
Trioso fosfato
isomerasi
Gliceraldeide 3-fosfato (2)
O
HO
H
Aldolasi
Gliceraldeide 3-fosfato
+
Diidrossiacetone fosfato
5
OH
OH
Fruttosio 1,6-bisfosfato P
4
H
H
Fruttosio 6-fosfato
3
OH
H H
Fosfoglucosio
isomerasi
Fosfofruttochinasi
P
O
ADP
C
CH2
OH
O
O
2
P
P
O
CH2
C
OH
C
H
P
II FASE glicolisi
O
2
Gliceraldeide 3-fosfato (2)
2 NAD+
6 Gliceraldeide 3-fosfato
deidrogenasi
2 NADH
7
Acido 1,3 Bisfosfoglicerico (2)
2 ADP
Fosfoglicerato
chinasi
2 ATP
Acido 3 fosfoglicerico (2)
8
C
C
CH2
H
O
2 P
P
P
O
CH2
C
C
O
2
P
P
O
CH2
C
C
OH
Acido piruvico
O
2
2 H2 O
Piruvato
chinasi
P
O
OH
P
Acido fosfoenolpiruvico (2)
10
O
OH
Fosfoglicerato
mutasi
Enolasi
P
OH
Acido 2 fosfoglicerico (2)
9
P
2 ADP
C
OH
O
C
OH
P
P
2
CH2
O
CH2
C
O
C
OH
P
2 ATP
O
2
CH3
C
C
OH
O
I FASE glicolisi
Glucosio
1
Esochinasi
ATP
ADP
Glucosio 6-fosfato
P
• Nella prima reazione deve essere spesa un po’ di energia per
iniziare la glicolisi, viene consumata una molecola di ATP.
Glucosio 6-fosfato
2
P
Fosfoglucosio
isomerasi
Fruttosio 6-fosfato
P
• La seconda è una reazione di isomerizzazione di un aldoso
(glucosio) in un chetoso (fruttosio).
Il glucosio è trattenuto nella cellula dalla
fosforilazione a glucosio 6-fosfato
Fruttosio 6-fosfato
3
Fosfofruttochinasi
P
ATP
ADP
Fruttosio 1,6-bisfosfato P
P
•Nella terza reazione un enzima chinasi fosforila il futtosio 6fosfato. La fosfofruttichinasi gioca un ruolo fondamentale nel
controllo della glicolisi.
Fruttosio 1,6-bisfosfato P
4
P
Aldolasi
Gliceraldeide 3-fosfato
+
Diidrossiacetone fosfato
P
P
• Nella reazione 4 avviene una scissione aldolica e il fruttosio 1,6bisfosfato si scinde in due molecole di triosi.
Gliceraldeide 3-fosfato
+
Diidrossiacetone fosfato
5
P
P
Trioso fosfato
isomerasi
Gliceraldeide 3-fosfato (2)
2
P
• La quinta è una reazione di isomerizzazione catalizzata da una
isomerasi in cui il diidrossiacetone è convertito in gliceraldeide 3fosfato.
I FASE
glicolisi
E necessaria l’energia di 2 molecole di ATP
per iniziare la sequenza di reazioni della
glicolisi
II FASE glicolisi
6
2
Gliceraldeide 3-fosfato (2)
2 NAD+
Gliceraldeide 3-fosfato
deidrogenasi
2 NADH
Acido 1,3 Bisfosfoglicerico (2)
P
2 P
P
• 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)
2 ADP
Fosfoglicerato
chinasi
2 ATP
Acido 3 fosfoglicerico (2)
2 P
2
P
P
• La reazione 7 porta alla formazione dell’acido 3-fosfoglicerico e di
due molecole di ATP
Acido 3-fosfoglicerico (2)
8
2
P
Fosfoglicerato
mutasi
P
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.
P
Acido 2-fosfoglicerico (2)
9
Enolasi
2
2 H2 O
Acido fosfoenolpiruvico (2)
P
2
• Nella reazione 9 l’acido 2-fosfoglicerico viene deidratato (perde 2
molecole di H2O) attraverso l’azione di una enolasi.
P
Acido fosfoenolpiruvico (2)
10
Piruvato
chinasi
Acido piruvico
2
2 ADP
2 ATP
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 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.
Destino del piruvato
Tre vie metaboliche
possibili del piruvato
Glucosio
Glicolisi
Condizioni
anaerobiche
Etanolo
Piruvato
Condizioni
anaerobiche
Condizioni
aerobiche
Acetil CoA
Ciclo di Krebs
CO2 e H2O
Lattato
Destino del piruvato
In condizioni aerobiche → il piruvato
viene prima trasformato in Acetil CoA e
poi completamente ossidato a CO2 e
H2O nel ciclo di Krebs.
Glucosio
Glicolisi
Condizioni
anaerobiche
Etanolo
Piruvato
Condizioni
anaerobiche
Condizioni
aerobiche
Acetil CoA
Ciclo di Krebs
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.
CO2 e H2O
Nel lievito:
lievito
fermentazione
alcolica con
formazione di
etanolo
Nel muscolo:
muscolo
fermentazione
omolattica con
formazione di
lattato
Fermentazione omolattica
NADH
H+
NAD+
OH
O
CH3
C
C
CH3
C
OH
O
Acido piruvico
O
C
OH
Lattato deidrogenasi
H
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+.
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
trasformato in Acetil CoA
NAD+
all’interno
dei
mitocondri
e
NADH
H+
O
CH3
C
C
+
CoA
CoA
OH
O
Acido piruvico
Coenzima A
Piruvato
Deidrogenasi
C
+
CO2
O
CH3
Acetil Coenzima A
L’acido piruvico prodotto ha un elevato contenuto energetico e può
essere ulteriormente ossidato per produrre una quantità maggiore
energia.
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. fosforilazionedefosforilazione).
™ 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 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 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
_ 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.
Piruvato chinasi, enzima che catalizza
la terza reazione irreversibile della
glicolisi
_ attivata dal fruttosio 1,6bisfosfato, 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.
VIA DEL PENTOSO FOSFATO
(SHUNT DELL’ESOSO MONOFOSFATO)
Glucosio
Via del pentoso
fosfato
Glucosio-6-fosfato
Ribosio-5-fosfato
™ 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
Fase non ossidativa
Fruttosio 6-fosfato
+
Gliceraldeide 3-fosfato
Fase ossidativa
Glucosio 6-fosfato
Glucosio 6-fosfato
deidrogenasi
NADP+
NADPH
6-fosfogluconato
6-fosfogluconato
deidrogenasi
Transchetolasi
Tranaldolasi
CO2
Ribulosio 5-fosfato
Ribulosio 5-fosfato
isomerasi
Ribosio 5-fosfato
NADP+
NADPH
VIA DEL PENTOSO FOSFATO
Fase ossidativa
Fase non ossidativa
Il glucosio 6-fosfato viene trasformato in ribosio 5fosfato 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+
La concentrazione di NADP+ influenza l’attività della
glucosio 6-fosfato deidrogenasi
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.
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.
VIA DEL PENTOSO FOSFATO
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)
Glucosio
Via del pentoso
fosfato
Glicogenolisi
Ribosio-5-fosfato
Glucosio-6-fosfato
Glicogeno
Glicogenesi
Glicolisi
Gluconeogenesi
Piruvato
Amminoacidi
Condizione
aerobica
Acetil CoA
Ciclo di
Krebs
Condizione
anaerobica
Lattato
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.
GLUCONEOGENESI
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
Glucosio
GLUCONEOGENESI
Glucosio 6-fosfatasi
Glucosio 6-fosfato
Fruttosio 6-fosfato
Fruttosio 1,6-bisfosfatasi
Fruttosio 1,6-bisfosfato
Gliceraldeide 3-fosfato
Diideossiacetone fosfato
1,3-Bisfosfoglicerato
3-Fosfoglicerato
2-Fosfoglicerato
Fosfoenolpiruvato
Ossalacetato
Amminoacidi
Piruvato
Fosfoenolpiruvato carbossichinasi
Piruvato carbossilasi
Lattato
Glicerolo
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
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.
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 PRINCIPI DI BICHIMICA DI LEHNINGER 4E, Ed. Zanichellli
GLUCONEOGENESI
Reazioni di conversione da
FOSFOENOLPIRUVATO a
FRUTTOSIO 1,6-BISFOSFATO
Le reazioni di questa via sono catalizzate dagli
stessi enzimi della via glicolitica
Fruttosio
1,6-bisfosfato
Fosfoenolpiruvato
Glucosio
Glucosio 6-fosfatasi
Glucosio 6-fosfato
Fruttosio 6-fosfato
Fruttosio 1,6-bisfosfatasi
Fruttosio 1,6-bisfosfato
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 AMP
_ inibita da ATP e citrato
_ 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.