biochimica e biologia molecolare PDF

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metabolismo dei carboidrati...

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BIOSINTESI DEI CARBOIDRATI GLUCONEOGENESI La biosintesi del glucosio è do fondamentale importanza nei mammiferi, in quanto il cervello, il sistema nervoso, la midollare del rene, i testicoli, gli eritrociti e i tessuti embrionali utilizzano il glucosio come principale, se non unica, fonte di energia. La formazione di glucosio da precursori non saccaridici è chiamata gluconeogenesi. I precursori del glucosio negli animali sono il lattato, il piruvato, il glicerolo e alcuni amminoacidi. Negli animali superiori la gluconeogenesi avviene principalmente nel fegato e in piccola parte anche nella corteccia renale. Il glucosio prodotto passa poi nel sangue per rifornire gli altri tessuti. Negli animali sia la glicolisi che la gluconeogenesi avvengono nel citosol e necessitano di una regolazione reciproca e coordinata. Le due vie non sono identiche, anche se condividono diverse tappe. Sette delle reazioni enzimatiche della gluconeogenesi sono l’inverso di sette tappe della glicolisi. Tre tappe della glicolisi sono, invece, essenzialmente irreversibili e non possono essere utilizzate dalla gluconeogenesi: la conversione del glucosio in glucosio 6-fosfato, da parte dell’esochinasi, la fosforilazione del fruttosio 6-fosfato, da parte della PFK-1, e la conversione e la conversione del PEP in piruvato da parte della piruvato chinasi. Queste tre tappe sono superate mediante un gruppo diverso di enzimi, che catalizzano reazioni diverse, con equilibri diversi. Questi enzimi operano nella gluconeogenesi, ma non nella glicolisi e le loro reazioni sono praticamente irreversibili nella direzione della sintesi del glucosio. La glicolisi e la gluconeogenesi sono regolate indipendentemente da controlli su specifiche reazioni enzimatiche non comuni alle due vie. LA CONVERSIONE DEL PIRUVATO IN FOSFOENOLPIRUVATO RICHIEDE DUE REAZIONI ESOERGONICHE La conversione del piruvato in fosfoenolpiruvato non può avvenire invertendo la reazione della piruvato chinasi della glicolisi. La fosforilazione del piruvato avviene, nei mammiferi, sin una sequenza di reazioni che utilizzano enzimi sia dei mitocondri che del citosol. Il piruvato viene trasportato dal citosol nei mitocondri oppure viene prodotto nei mitocondri dall’alanina. La piruvato carbossilasi converte poi il piruvato in ossalacetato. Quest’enzima è il primo enzima regolatore della via gluconeogenica; l’acetil-CoA è un modulatore positivo. Questa è anche una reazione anaplerotica perché rifornisce di intermedi il ciclo dell’acido citrico. L’ossalacetato formato dal piruvato nei mitocondri viene ridotto reversibilmente a malato dalla malato deidrogenasi mitocondriale a spese del NADH. La malato deidrogenasi mitocondriale opera sia nella glicolisi che nella gluconeogenesi, ma in direzioni opposte. Il malato esce dai mitocondri attraverso il trasportatore malato-α-chetoglutarato presente nella membrana mitocondriale interna. Nel citosol, il malato viene riossidato a ossalacetato, con la contemporanea produzione di NADH citosolico. L’ossalacetato viene poi convertito in fosfoenolpiruvato dalla fosfoenolpiruvato carbossichinasi in una reazione che richiede ioni Mg++ e GTP come donatore del gruppo fosforico. Per fosforilare una molecola di piruvato a PEP sono necessari due gruppi fosforici ad alta energia (uno dell’ATP e uno del GTP). Invece, quando nella glicolisi il PEP viene convertito in piruvato, si forma una sola molecola di ATP. La CO2 rimossa nella reazione della PEP carbossichinasi è la stessa che era stata aggiunta al piruvato nella reazione della piruvato carbossilasi. Questa sequenza di reazioni di carbossilazione e

decarbossilazione rappresenta un sistema di attivazione del piruvato, in quanto la decarbossilazione dell’ossalacetato facilita la formazione del PEP. Il fatto che questo processo attraversi i mitocondri non è casuale. Infatti, il rapporto [NADH]/[NAD+] nel citosol è molto più basso che nei mitocondri. Poiché il NADH viene consumato dalla gluconeogenesi (nella conversione dell’1,3-bisfosfoglicerato a gliceraldeide 3-fosfato), la biosintesi del glucosio non può proseguire se non è continuamente disponibile NADH. Il trasporto del malato dai mitocondri al citosol e la sua riconversione in ossalacetato ha come effetto anche lo spostamento di equivalenti riducenti sotto forma di NADH nel citosol. A volte il precorsore può essere il lattato prodotto dalla glicolisi negli eritrociti o nel muscolo, soprattutto nei vertebrati di grosse dimensioni, dopo un esercizio fisico prolungato. La conversione del lattato in piruvato nel citosol degli epatociti genera NADH, e non è più necessaria, quindi l’esportazione di malato dai mitocondri. Il piruvato prodotto nella reazione della lattato deidrogenasi viene trasportato all’interno dei mitocondri dove viene convertito in ossalacetato dalla piruvato carbossilasi. L’ossalacetato viene trasformato in PEP direttamente nei mitocondri ad opera di un PEP carbossichinasi mitocondriale. Il prodotto della reazione esce dai mitocondri ed entra nella via glucconeogenetica. Le forme citosolica e mitocondriale della PEP carbossichinasi sono codificate da geni nucleari diversi. LA CONVERSIONE DEL FRUTTOSIO 1,6-BISFOSFATO IN FRUTTOSIO 6-FOSFATO È LA SECONDA DEVIAZIONE La seconda reazione della glicolisi che non partecipa alla gluconeogenesi è quella catalizzata dalla PFK-1. Dato che questa reazione è irreversibile, la conversione del fruttosio 1,6-bisfosfato in fruttosio 6 fosfato è catalizzata dalla fruttosio 1,6-bisfosfatasi Mg++ dipendente, che produce l’idrolisi essenzialmente irreversibile del gruppo fosforico su C-1. LA TERZA DEVIAZIONE È LA CONVERSIONE DEL GLUCOSIO 6-FOSFATO IN GLUCOSIO LIBERO La terza deviazione è la reazione finale della gluconeogenesi in cui il glucosio 6-fosfato viene defosforilato a glucosio libero ad opera della glucosio 6-fosfatasi (e non dell’esochinasi). Questo enzima Mg++ dipendente si trova nel reticolo endoplasmatico degli epatociti e delle cellule renali, mentre è assente nel muscolo e nel cervello, e quindi la gluconeogenesi non può avvenire in questi tessuti. Il glucosio prodotto dalla gluconeogenesi nel fegato o nei reni o ingerito con la dieta viene trasportato al muscolo e al cervello dal flusso sanguigno. LA GLUCONEOGENESI È ENERGETICAMENTE COSTOSA La somma delle reazioni biosintetiche che portano alla formazione di glucosio da piruvato è: 2 piruvato + 4 ATP + 2 GTP +2 NADH + 4H2O

glucosio + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi + 2 NAD* + 2 H*

Per ogni molecola di glucosio che si forma dal piruvato vengono consumati sei legami ad alta energia, quattro ricavati dall’ATP e due dal GTP. Sono inoltre necessarie due molecole di NADH per la riduzione di due molecole di 1,3-bisfosfoglicerato. La biosintesi del glucosio è un processo relativamente costoso.

GLI INTERMEDI DEL CICLO DELL’ACIDO CITRICO E MOLTI AMMINOACIDI SONO GLUCOGENICI La gluconeogenesi consente una sintesi netta di glucosio non solo dal piruvato, ma anche dagli intermedi del ciclo dell’acido citrico. Tutti questi composti vengono ossidati nel ciclo dell’acido citrico e sono trasformati in ossalacetato. Alcuni degli atomi di carbonio di molti amminoacidi derivati dalle proteine sono convertiti nelle cellule dei mammiferi sia in piruvato che in alcuni intermedi del ciclo dell’acido citrico. Questi amminoacidi possono essere utilizzati per la produzione di glucosio e sono perciò detti glucogenici. L’alanina e la glutammina sono particolarmente importanti in quanto sono le molecole che trasportano i gruppi amminici dai tessuti extraepatici al fegato. Dopo il distacco dei loro gruppi amminici nei mitocondri epatici, lo scheletro carbonioso di questi amminoacidi ( i chetoacidi piruvato e α-chetoglutarato) è incanalato nella gluconeogenesi. Nei mammiferi gli acidi grassi non possono essere convertiti in glucosio. Gli acidi grassi a catena pari producono nella loro degradazione ossidativa solo acetil-CoA, e i mammiferi non possono utilizzare questo metabolita come precursore del glucosio. La reazione della piruvato deidrogenasi è irreversibile nelle condizioni intracellulari e non esiste altra via per la conversione dell’acetil-CoA in piruvato. I CICLI FUTILI NEL METABOLISMO DEI CAIRBOIDRATI CONSUMANO ATP Il funzionamento simultaneo delle tre vie che nella glicolisi e nella gluconeogenesi sono catalizzate da enzimi diversi potrebbe essere dannoso. Per esempio la PFK-1 e la FBPasi-1 catalizzano le reazioni opposte: ATP + fruttosio 6-fosfato

ADP + fruttosio 1,6-bisfosfato

Fruttosio 1,6-bisfosfato + H2O

fruttosio 6-fosfato + Pi

La somma delle reazioni è: ATP + H2O

ADP + Pi + calore

Una reazione che disperde l’energia generata dall’idrolisi dell’ATP senza effettuare nessun lavoro metabolico netto. Se queste reazioni procedessero contemporaneamente ad elevata velocità si verificherebbe un ciclo futile che degrada ATP dissipando una grande quantità di energia sotto forma di ATP. Per assicurare che i cicli futili non avvengano in condizioni normali, le due vie devono essere regolate separatamente da meccanismi integrati complementari. Il primo punto di controllo è rappresentato dalle reazioni catalizzate dal complesso della piruvato deidrogenasi e dalla piruvato carbossilasi della gluconeogenesi; l’acetil-CoA da una parte è il modulatore positivo allosterico della piruvato carbossilasi, dall’altra è il modulatore negativo della piruvato deidrogenasi, mediante la stimolazione di una proteina chinasi che inattiva la deidrogenasi. Quando le richieste energetiche della cellula diminuiscono, la fosforilazione ossidativa rallenta, il NADH non viene più consumato e il ciclo dell’acido citrico è inibito, provocando un accumulo di acetil-CoA che inibisce il complesso della piruvato deidrogenasi e contemporaneamente stimola la gluconeogenesi attivando la piruvato carbossilasi. Il secondo punto di controllo e a livello è a livello delle reazioni catalizzate dalla FBPasi-1 e dalla PFK-1. La FBPasi-1 è inibita dall’AMP, mentre la PFK-1 è stimolata dall’AMP e dall’ADP ed è

inibita dall’ATP e dal citrato: le due reazioni sono quindi regolate in modo coordinato e complementare. La funzione speciale del fegato nel mantenere costante il livello di glucosio nel sangue richiede un altro meccanismo che coordini produzione e consumo di glucosio. Quando il livello di glucosio nel sangue diminuisce, l’ormone glucagone segnala al fegato di produrre e rilasciare più glucosio. Una delle fonti di questo glucosio è il glicogeno conservato nel fegato, l’altra è la gluconeogenesi. La regolazione ormonale della glicolisi e della gluconeogenesi nel fegato è mediata dal fruttosio 2,6bisfosfato, un effettore allosterico della fosfofruttochinasi-1 e della fruttosio1,6 bisfosfatasi. Quando il fruttosio 1,6 bisfosfato si lega al suo sito allosterico sulla PFK-1, si ha un aumento dell’affinità dell’enzima per il suo substrato fruttosio 6-fosfato e una riduzione dell’affinità per gli inibitori allosterici ATP e citrato. Ma oltre ad attivare la PFK-1 il fruttosio 2,6 bisfosfato inibisce anche la FBPasi-1 rallentando la gluconeogenesi. Questo composto non è un intermedio glicolitico, né, tantomeno, gluconeogenica, è invece un modulatore i cui livelli riflettono i livelli di glucagone nel sangue, che a loro volta variano col variare della concentrazione di glucosio nel sangue. Il composto si forma dalla fosforilazione del glucosio 6-fosfato catalizzata dalla PFK-2 e viene demolito dall’azione della FBPasi-2. Questi due enzimi fanno parte della stessa proteina bifunzionale. Il bilancio tra le due attività enzimatiche, e di conseguenza i livelli di fruttosio 2,6-bisfosfato, sono controllati dal glucagone. Questo ormone stimola l’adenil ciclasi mediante una proteina G. L’adenilato ciclasi sintetizza cAMP a partire da ATP. Il cAMP stimola a sua volta una proteina chinasi cAMP dipendente a trasferire un gruppo fosforico dall’ATP alla proteina bifunzionale PFK2/FBPasi2. La fosforilazione della proteina incrementa l’attività del sito catalitico della FBPasi-2 e inibisce quella del sito della PFK-2. Il glucagone provoca quindi un abbassamento dei livelli cellulari di fruttosio 2,6 bisfosfato, inibendo la glicolisi e attivando la gluconeogenesi. Il fegato, aumentando la sua produzione di glucosio, rifornisce il sangue di questo zucchero, la cui carenza era stata segnalata dal glucagone....