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Le vie metaboliche
Le vie metaboliche sono interconnesse tra di loro perché la cellula non deve mai perdere energia. Es: glicolisi e gluconogenesi Sono due processi, uno degrada il glucosio e uno che lo produce, difficilmente in una cellula avremo che avvengano insieme altrimenti sarebbe un ciclo inutile → porterebbe ad un dispendio di energia inutile. Le vie metaboliche sono regolate da enzimi chiave, regolatori, che sono disposti in particolare momenti della via catabolica, verosimilmente quanto più a monte possibile nella via metabolica stessa → prima interrompiamo, prima re preserviamo la molecola ad alto contenuto energetico che non ci serve. I CARBOIDRATI La loro formula generale è questo carbonio con idrogeno 2 volte, e ossigeno per n volte → a seconda se stiamo parlando di un triosio, pentoso, esoso e così via… Sono sfruttati dal nostro organismo come fonte di energia, ci sono alcuni carboidrati che possono essere complessati, associati ad altri atomi → ad esempio azoto, fosforo e l’ozoto. Possono essere distinti in semplici o complessi a seconda se stiamo parlando di strutture condensate o meno → i semplici sono i monosaccaridi e disaccaridi, i complessi invece sono i polisaccaridi o gli oligosaccaridi È differente la loro fonte → i semplici presentano indici glicemici più elevati, aumentano più rapidamente la glicemia rispetto a quelli complessi che l’aumentano in maniera più progressiva I carboidrati sono l’aspetto principale della nostra alimentazione in termini calorici → il glucosio ha un ruolo importante nelle nostre cellule: Riserva → glicogeno nei muscoli e fegato o amido nelle piante. Produrre energia → glicolisi → ossidazione mediante la glicolisi Ossidazione → utilizzato in una via di ossidazione alternativa (pentosio fosfato). Attraverso questa via oltre a produrre NADPH (no catena di trasporto di elettroni), produciamo ribosio 5-fosfato (nucleotidi)
Glicolisi
La glicolisi è la via centrale per il catabolismo del glucosio, è un processo che richiede 10 tappe: le prime cinque delle quali costituiscono la fase preparatoria, la fase successiva si chiama fase di riposo. Durante la reazione una molecola di glucosio viene degradato mediante una serie di reazioni catalizzate da enzimi, per produrre un composto a tre atomi di carbonio: il piruvato. Quindi il glucosio va incontro alla glicolisi per produrre il piruvato, il piruvato a sua volta può avere un destino aerobico o anaerobico: Aerobico → decarbossilazione → AcetilCoA → ciclo dell’acido citrico → fosforilazione ossidativa (mitocondrio) Anaerobico → fermentazione (senza O2) → Lattato (nostra) o alcolica (microrganismi) Sostanzialmente quando degradiamo una molecola di glucosio → mediante una serie di tappe catalizzati da enzimi possiamo convertire una molecola di glucosio in due molecole di piruvato (da 6C a 3Cx2) Attraverso la glicolisi siamo in grado di ottenere una parte di energia degradando questa macromolecola in due molecole di piruvato attraverso un processo catalizzato da 10 reazioni. Il piruvato è il primo prodotto della glicolisi, successivamente viene decarbossilato per ottenere l’acetilCoA → intermedio fondamentale per il ciclo degli acidi carbossilici. L’acetilCoA verrà decarbossilato completamente nel ciclo degli acidi carbossilici per ottenere equivalenti riducenti e ATP. Dall’altra parte però dobbiamo immaginare che ci deve essere ossigeno, se siamo in condizioni di poco ossigeno, la nostra cellula sfrutta comunque il piruvato per fare energia attraverso la fermentazione lattica → acido lattico → condizione anaerobica senza lo sfruttamento del mitocondrio Alcuni lieviti riescono a fare la fermentazione alcolica → fermentano per ottenere alcol → ottengono etanolo. La glicolisi è quella via catabolica che consente di degradare una molecola di glucosio per ottenere due molecole di piruvato (3C). Inoltre la glicolisi è costituita da 10 tappe, 10 reazioni enzimatiche. Possiamo distinguere queste 10 tappe in due fasi:
- Fase di investimento energetico → 5 tappe ad alto consumo energetiche irreversibili Consumando energia per ottenerne un maggior ricavo → 2 molecole di ATP.
L’esochinasi e la glucochinasi sono due enzimi che catalizzano la stessa reazione ma con affinità diverse per il proprio substrato. Vuol dire che un enzima è più affine e un enzima è meno affine per il glucosio → serve per far sì che in base ai tessuti che esprimono questo enzima, essi possano svolgere la loro funzione. Esochinasi : Nella maggior parte dei tessuti Ampia specificità per il substrato È inibita dal prodotto della reazione (glucosio 6-fosfato) → feedback negativo del suo prodotto Ha una Km molto bassa e quindi un’affinità elevata Ha una Vmax bassa La fosforilazione del glucosio è quindi efficiente anche quando la [Gluc] nel Tessuto è bassa Glucochinasi: Nelle cellule epatiche e nelle cellule delle isole pancreatiche Sensore del glucosio (secrezione dell’insulina dal pancreas) Fosforilazione del glucosio nella iperglicemia (fegato) È attiva solo quando la [Gluc] è alta Non è inibita dal glucosio 6-fosfato Certe volte la glucochinasi viene sequestrata dal nucleo per evitare che possa fosforilare il glucosio e viene rilasciata dal nucleo solo quando entra il glucosio nella cellula → sistema di regolazione Il glucosio una volta fosforilato subisce una serie di trasformazioni, in particolarmente viene isomerizzato in fruttosio-6-fosfato.
- Conversione del glucosio-6-fosfato a fruttosio-6-fosfato L’enzima fosfoesosio isomerasi, catalizza l’isomerizzazione reversibile, trasformando il glucosio-6-fosfato, un aldoso, in un chetoso → fruttosio-6-fosfato.
- Fosforilazione del fruttosio-6-fosfato a fruttosio-1,6-bisfosfato La fosfofruttochinasi-1(PFK1) catalizza la fosforilazione, grazie al consumo di ATM, per formare il fruttosio-1,6-fosfato, è una reazione irreversibili nelle condizioni cellulari e può essere considerata la prima reazione “di comando”. L’isomerasi della PFK1, che è la PFK2 che produce fruttosio-2,6-bis-fosfato → stimola la glicolisi. Può essere regolata quando si segnala una richiesta energetica (bassi livelli di ATP) e quindi abbiamo AMP e ADP nella cellula. Quando abbiamo alte concentrazioni di questi intermedi energetici la cellula segnala il bisogno di produrli. Più AMP e ADP → spingono la glicolisi Questa tappa è stimolata anche dal fruttosio-2,3-bisfosfato → modulatore positivo della glicolisi
La glicolisi può essere inibita da alte concentrazioni di ATP e di citrato (primo intermedio del ciclo degli acidi carbossilici) → se si accumula molto citrati vuol dire che il ciclo è in sovraccarico e stiamo producendo tantissima ATP e di conseguenza lo rallenta.
- Scissione del fruttosio-1.6-bisfosfato L’enzima fruttosio-1,6, bisfosfato aldolasi, o chiamato semplicemente aldolasi, catalizza una condensazione aldolica reversibile, dove il fruttosio-1,6-bisfosfato viene scisso in due diversi triosi fosforilati → gliceraldeide-3-fosfato e i diidrossiacetone fosfato
- Interconversione dei triosi fosfato Solo uno di questi due triosi verrà utilizzato nella reazione, cioè il gliceraldeide-3-fosfato, l’altro, ovvero, il diidrossiacetone verrà isomerizzato in gliceraldeide-3-fosfato mediante la triosio fosfato isomerasi. Recap: Il glucosio entra nella cellula attraverso i trasportatori GLUT (che possono essere modulati dall’insulina) Viene fosforilato dall’esochinasi o gluchinasi → in questo modo lo indirizziamo al suo destino intracellulare A questo punto può prendere il percorso che può essere la via del pentoso fosfato, la biosintesi del glicogeno oppure la glicolisi. Nel caso della glicolisi → il glucosio viene convertito in fruttosio-6-fosfato Successivamente subirà un’altra trasformazione enzimatica → PFK1 che consuma una molecola di ATP che crea un intermedio ad alto contenuto energetico → fruttosio-1,6-bis- fosfato. Quest’ultima è anche una tappa regolatoria, l’esochinasi è inibita mediante un meccanismo di feedback negativo perché spesso il prodotto inibisce l’enzima. In base alle concentrazioni di ATP oppure dei suoi prodotti della degradazione, AMP e ADP, spinge o meno questa tappa. Successivamente questa molecola di fruttosio-1,6-bisfosfato viene scissa mediante l’aldolase → diossidroacetonefosfato e la gliceraldeide fosfato
Questa è l’ultima tappa della glicolisi e riguarda il trasferimento del gruppo fosforico del fosfoenolpiruvato all’ADP, catalizzato dalla piruvato chinasi. In questa fosforilazione a livello del substrato il piruvato prodotto compare prima nella sua forma enolica, poi tautomerizza rapidamente e senza enzimi, nella sua forma chetonica. Il bilancio complessivo della glicolisi: Glucosio + 2NAD+ + 2ADP + 2 Pi –––> 2 piruvato + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O Il lattato Il lattato si forma per l’azione della lattato deidrogenasi, ed è il prodotto finale della glicolisi anaerobica nelle cellule eucariotiche. È una reazione reversibile, il NAD+ viene convertito in NADH. Nel muscolo scheletrico in attività la produzione di NADH è abbondante: rapporto NADH/NAD+ elevato che favorisce la trasformazione del piruvato in lattato: Il lattato così prodotto diffonde nel torrente sanguigno e può essere utilizzato dal fegato per sintetizzare glucosio (gluconeogenesi). Metabolismo del fruttosio
- Circa il 10% delle calorie che assumiamo deriva dal fruttosio
- La fonte principale del fruttosio è il disaccaride saccarosio
- Il saccarosio viene scisso nell’intestino in fruttosio e glucosio
- Il fruttosio è anche presente come monosaccaride libero in molti frutti, nel miele, nel granturco
- L’ingresso del fruttosio nelle cellule non dipende dall’insulina
- Il fruttosio non promuove la secrezione di insulina Tappe: Fruttosio mediante l’enzima fruttochinasi, si fosforila il fruttosio e si ottiene il fruttosio 1- fosfato, questa reazione prevede un uso di ATP Grazie alla fruttosio 1-fosfato aldolasi si ottengono i due intermedi triosi: gliceraldeide + diidrossiacetone fosfato La gliceraldeide mediante la triosio chinasi e uso di ATP. Fosforilazione del fruttosio È espressa nel fegato, nei reni e nella mucosa dell’intestino tenue. Negli organismi, gli esosi diversi dal glucosio entrano nella glicolisi dopo essere stati convertiti in composti fosforilati. Ad esempio il fruttosio viene fosforilato dall’esochinasi, e ciò avviene al livello del muscolo e del rene. Nel fegato la questione cambia perché l’enzima fruttochinasi catalizza la osforilazione del fruttosio in C-1 invece che in C-6.
Fruttosuria essenziale In mancanza della fruttochiasi. È una condizione benigna, asintomatica dove il fruttosio abbonda nelle urine. Intolleranza ereditaria al fruttosio. È una condizione dove per assenza dell’aldolasi B, il fruttosio 1-P resta intrappolato nelle cellula. Provoca una grave ipoglicemia, vomito, ittero, emorragia etc… può provocare l’insufficienza epatica e la morte. Una terapia rapida è quella di individuare e rimuovere fruttosio e saccarosio dalla dieta. Metabolismo del galattosio Il galattosio, prodotto dall’idrolisi del lattosio, passa dall’intestino, al sangue e infine al fegato dove viene fosforilato in C-1 dall’enzima galattochinasi, a spese dell’ATP. La carenza della galattochinasi provoca la galattosemia e la galattosuria, un disordine metabolico dove i livelli di galattosio nel sangue e nelle urine sono molto elevati.
LA GLUCONEOGENESI
Per il cervello e il sistema nervoso dell’uomo, e per altre varie parti del corpo, il glucosio presente nel sangue è la sola o la principale sostanza nutriente. Non sempre la quantità di glucosio fornito da queste riserve è sufficiente al fabbisogno dell’organismo. Ad esempio durante i pasti o durante gli esercizi fisici più lunghi, viene consumato glicogeno. In queste occasioni è necessario un modo per sintetizzare il glicosio da altri precursori non glucidici. La formazione i glucosio da precursori non saccaridici è chiamato gluconeogenesi, questo processo utilizza il piruvato e i composti a tre o quattro atomi di carbonio a esso correlati. Negli animali i precursori del glucosio sono i compasti a tre atomi di carbonio come: il lattato, il piruvato e il glicerolo, la gliconeogenesi avviene principalmente a livello del fegato, in una piccola parte della corteccia renale e nelle cellule epiteliali che circondano il lume dell’intestino tenue. Il glucosio prodotto passa poi nel sangue per rifornire gli altri tessuti. Ciclo di cori: dopo un esercizio intenso il lattato (prodotto dalla glicolisi anaerobica), prodotto nei muscoli scheletrici, ritorna al fegato per essere convertito in glucosio, che viene trasferito di nuovo al muscolo dove viene convertito in glicogeno. Le reazioni della gluconeogenesi sono le stesse in tutti gli ordanismi, ma differiscono da organismo a organismo per il contesto metabolico e la regolazione. Sia la glicolisi sia la gluconeogenesi sono processi irreversibili nelle condizioni cellulari, negli animali avvengono entrambe nel citosol. Non sono vie metaboliche identiche percorse in direzioni opposte, e condividono anche alcune tappe.
Questa reazione è irreversibile e abbiamo la formazione del fruttosio-1.6-bisfosfato catalizzata dall’enzima fruttosio-1,6-bisfosfatasi (FBPasi-1), essa promuove l’idrolisi irreversibile del gruppo fosforico sull’atomo C-1.
- Terza deviazione: conversione del glucosio-6-fosfato in glucosio E’ la reazione finale della gluconeogenesi. Avviene la sefosforilazione del glucosio-6-fosfato a glucosio libero (reazione inversa dell’esochinasi), la reazione è catalizzata dall’enzima glucosio-6-fosfatasi e non richiede sintesi di ATP, ma usa l’idrolisi di un estere fosforilica. La glucocneogenesi è energeticamente dispendiosa ma essenziale, molta dell’energia libera viene spesa per rendere la gluconeogenesi un processo irreversibile. In sostanza, sia la glicolisi che la gluconeogenesi sono processi irreversibili nelle condizioni esistenti nella cellula.
