Post on 18-Sep-2018
Bioenergetica & metabolismo (1)
Tutte le vie metaboliche
sono interconnesse
(come le linee di una
grande metropolitana)
La maggior parte degli
organismi viventi hanno vie
metaboliche molto simili
1
2
Bioenergetica & metabolismo (2)
Vie cataboliche
•Esoergoniche
•Convergenti
•Ossidative
Vie anaboliche
•Endoergoniche
•Divergenti
•Riduttive
Cibo O2
studiare
biochimica
3
saltare di gioia per
aver superato
l’esame
disperarsi per non aver
superato l’esame
Bioenergetica & metabolismo (3)
La maggior parte dell’energia libera dei “combustibili metabolici” viene
convertita in energia chimica (ATP) attraverso due vie:
1) Fosforilazione ossidativa
2) Reazioni accoppiate
In condizioni anaerobiche questa seconda via è la sola praticabile
glucosio-6-P + ADP
ATP
glucosio + ATP
Go’=+4 kcal/mol(endoergonica)
Go’=-7 kcal/mol
(esoergonica)
Go’=-3 kcal/mol(esorgonica)
glucosio + Pi glucosio-6-P
ADP + Pi
4
Bioenergetica & metabolismo (4)
PolisaccaridiGrassi
Acidi Grassi e Glicerolo
Zuccheri Semplici
Proteine
Ammino Acidi
Acetil CoA
Glucosio
Ciclo
Krebs
CoA
2 CO2
8 H (NADH & FADH2)O2
H2O
ATP
Glico
lisi
Piruvato
ATP
NADH
5
Vie cataboliche
Stadio I: scissione delle molecole complesse
nelle loro unità costitutive
Stadio II: conversione delle unità costitutive
in acetil CoA con produzione
limitata di ATP e NADH
Stadio III: completa ossidazione dell’acetil
CoA a CO2 e H2O con alta
produzione di NADH (matrice
mitocondriale) e ATP (fosforilazione
ossidativa nella MMI)Fosforilazione
ossidativa
Citosol
Mitocondri
Glicolisi e vie di utilizzazione del glucosio
6
7
Strategia della glicolisi
deidrogenasi
Prima fase della Glicolisi
8
Fosforilazione
Isomerizzazione
Fosforilazione(PFK-1)
Scissione
Isomerizzazione
Mg2+
ΔG’° (kJ/mole)
-16,7
Mg2+ -1,7
Mg2+-14,2
23,8
Esochinasi
9
Esochinasi : un esempio di adattamento indotto
Per evitare che l’esochinasi catalizzi l’idrolisi
dell’ATP (attività ATP idrolasica) l’enzima, in
presenza di glucosio, subisce una variazione
conformazionale che impedisce all’H2O di
entrare nel sito catalitico
(meccanismo comune a tutte le chinasi)
10
Triosio fosfato isomerasi
96% 4%Per il principio di Le Chatelier
l’equilibrio è spostato tutto
verso la gliceraldeide 3-fosfato
perché utilizzata nella seconda
fase della glicolisi
7,5 kJ/mole
Fosforilazione a
livello del substrato
Seconda fase della Glicolisi
11
Tautomeria
cheto-enolica
Produzione di un
composto “ad alta
energia”
Fosforilazione a
livello del substrato
Riordinamento
Produzione di un
composto “ad alta
energia”
Gliceraldeide
3-fosfato
deidrogenasi
6,3
ΔG’° (kJ/mole)
-18,5
Mg2+
4,4
7,5
-31,4
Mg2+
K+
Mg2+
12
Bilancio energetico della glicolisi
13
Destino del piruvato
O2
O2
30 ATP
6 ATP
2 ATP
(crauti, yogurt)
(vino, birra)
%510038
2 ATP di anaerobica Resa
14
Il ruolo delle fermentazioni nella glicolisi
Fermentazione lattica
15
Lattato
Lattico deidrogenasiΔG’°= –25,1kJ/mole
Il meccanismo d’azione della fosfo esoso isomerasi
H
Il meccanismo d’azione della aldolasi I
Il meccanismo d’azione della gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi
19
Ciclo di Cori (1)
Muscolo
scheletrico
Bianco: sforzi intensi ma brevi
(Glicolisi)
Ali tacchino, alligatori, grossi mammiferi, mammiferi marini*,
celacantide, dinosauri?
Rosso: sforzi lenti ma prolungati
(Fosforilativa ossidativa)
Uccelli migratori, piccoli vertebrati, cavallo
*I grandi mammiferi marini e i rettili
anfibi possono restare immersi per
lunghi periodi perché oltre ad
utilizzare il glicogeno tramite la
glicolisi anaerobica, sono in grado
di immagazzinare una buona
quantità di O2 sotto forma di MbO2
20
Ciclo di Cori (2)
Fermentazione alcolica (1)
21
22
Fermentazione alcolica (2)
Tiamina (vit.B1)
In carenza
“beriberi”
Meccanismo comune a
tutte le decarbossilasi
Fermentazioni & biotecnologie
23
Le fermentazioni dei microbi
generano molti prodotti di
interesse industriale
• vino, birra
• yogurt, formaggi
• acido formico, acetico
propionico, succinico,
• metanolo, isopropanolo,
butanolo
• glicerolo
24
Ingresso dei polisaccaridi e altri zuccheri nella via glicolitica (1)
25
Ingresso del glicogeno nella via glicolitica
26
La degradazione del glicogeno & amido inizia con una fosforolisi
Glicolisi
Glucosio 6-fosfato
Fosfoglucomutasi
Piridossal fosfato è il cofattore
della glicogeno fosforilasi che
agisce come catalizzatore
acido generale
27
Deramificazione del glicogeno (e amido)
Glicolisi
Glucosio 6-fosfato
Fosfoglucomutasi
Glicolisi
28
Fosfoglucomutasi
Enzima che permette
l’ingresso del glicogeno nella
glicolisi
Idrolisi del glucosio 6-fosfato da parte della glucosio 6-
fosfatasi dell’ER
30
Ingresso di altri zuccheri nella via glicolitica
Maltosiomaltasi
Fegato
31
Ingresso del galattosio nella glicolisi
Biosintesi
del
Lattosio
Se carente si accumula
galattosio e galattosio-1-
fosfato nel sangue e nei
tessuti causando
ingrossamento del
fegato, diminuzione della
vista e ritardo mentale
(Galattosemia, da non
confondere con
l’intolleranza al lattosio
dovuto alla mancanza di
b-galattosidasi
Parto Adenoipofisi a-LattalbuminaPro-lattina
32
Biosintesi del lattosio: un esempio di controllo ormonale
sulla specificità di un enzima
33
Via del pentosio fosfato
Glucuronato
Acido ascorbico
34
Via del pentosio fosfato
Regolatore chiave
del metabolismo
dei carboidrati
e acidi grassi
isomerasi
Ribulosio 5P
epimerasi
La prima reazione catalizzata dalla transchetolasi
La reazione catalizzata dalla transaldolasi
La seconda reazione catalizzata dalla transchetolasi
Intermedi carbanionici stabilizzati dalle interazioni covalenti con la
transaldolasi e la transchetolasi
38
Le reazioni ossidative della via del pentosio fosfato
La carenza di G6PD
causa il “Favismo”
(lisi eritrociti, itterizia,
insufficienza renale)
ma protegge dalla malaria
(presente nella fave)
39
Favismo: un altro esempio di adattamento metabolico
Il plasmodio della malaria (Plasmodium falciparum), è molto sensibile ai danni ossidativi e
viene ucciso a un livello di stress ossidativo tollerabile dall’eritrocita umano con un deficit di
Glucosio 6-fosfato deidrogenasi
40
Regolazione della via del pentosio fosfato
L’ingresso del glucosio 6-fosfato nella glicolisi o nella via del pentosio fosfato dipende dalle
esigenze al momento della cellula e dalle concentrazioni di NADPH+ nel citosol
41
Metabolismo del 2,3 DPG
1,3 difosfoglicerato
mutasi
2,3 difosfoglicerato
fosfatasi
carenza di EX
normale
carenza di PK
Glicolisi & trasporto di O2 nel GR
42
Principi generali delle vie biosintetiche
La biosintesi di una molecola biologica non utilizza la stessa via della sua degradazione;
Vi è almeno un passaggio enzimatico diverso.
Ogni punto di deviazione è di solito finemente regolato ai fini della massima
economia cellulare
I processi biosintetici sono sempre accompagnati da un consumo di energia chimica
superiore all’energia prodotta dalla corrispondente via catabolica
43
Biosintesi dei carboidrati (1)
44
Biosintesi dei carboidrati (2)
Fegato e
Corticale
del rene
Propionato
Rumine
Cervello umano (120g/d)
Sistema nervoso
Midollare del rene
Testicoli, eritrociti
4,4÷5 mM
45
Gluconeogenesi (1)
3a deviazione
2a deviazione
1a deviazione
G
Reazioni irreversibili
della glicolisi percorse
con vie alternative nella
gluconeogenesi
46
1a deviazione: sintesi del fosfoenolpiruvato (1)
47
1a deviazione: sintesi del fosfoenolpiruvato (2)
48
Vie alternative di alimentazione
della gluconeogenesi
1a deviazione: sintesi del fosfoenolpiruvato (3)
Alanina
a-chetoglutarato
Glutammato
Alanina transaminasi
Muscolo (prolungata attività)
Muscolo (intensa attività)
Il diverso percorso dipende
dalla disponibilità di
NADH citosolico
Eritrociti
49
2a deviazione: fruttosio 1,6 bifosfatasi (FBPase-1)
Fruttosio 1,6 -bifosfato
Fruttosio 6 -fosfato
Pfruttosio 1,6 bifosfatasi
(FBPase-1)P
Mg2+
ΔG°’=-16,3 kJ/mole
H2O
50
3a deviazione: glucosio 6-fosfatasi
Glucosio 6-fosfato
Glucosio
PP
Glucosio 6-fosfatasi
(G6Pase) Mg2+
Fegato
H2O
ΔG°’=-13,8 kJ/mole
Reni
51
Bilancio energetico della gluconeogenesi
3a deviazione
2a deviazione
1a deviazione
-6 ATP
-2 NADHGluconeogenesi
Glicolisi
+2 ATP
+2 NADH
Piruvato Succinil-CoA
Alanina Isoleucina*
Cisteina Metionina
Glicina Treonina
Serina Valina
Triptofano*
a-chetoglutarato Fumarato
Arginina Fenilalanina*
Glutammato Tirosina*
Glutammina Ossalacetato
Istidina Asparagina
Prolina Aspartato
Gli amminoacidi glucogenici
raggruppati per sito
d’ingresso
Gli intermedi del ciclo dell’acido citrico e molti
amminoacidi sono glucogenici
Tutti questi amminoacidi possono essere precursori del glucosio nel sangue o del glicogeno nel fegato, in quanto
possono essere convertiti in piruvato o in intermedi del ciclo dell’acido citrico. Soltanto la leucina e la lisina sono
completamente incapaci di fornire atomi di carbonio alla sintesi di glucosio.
*Questi amminoacidi sono detti chetogenici.
La gluconeogenesi e la
glicolisi sono regolate in
modo reciproco
53
Biosintesi del glicogeno (1)
UDP-glucosio Glicogeno
ADP-glucosio Amido
ADP-glucosio Glicogeno nei batteri
La polimerizzazione delle unità di glucosio presenti nei polisaccaridi quali glicogeno e amido
non avviene per semplice aggiunta dello zucchero eventualmente fosforilato alla catena
Lo zucchero per polimerizzare deve
essere legato ad un nucleotide
difosfato (“zucchero attivato”)
54
Biosintesi del glicogeno (2)
55
Biosintesi del glicogeno (3)
6-7 residui
almeno 11 residui
56
Biosintesi del glicogeno (4)
Per iniziare la formazione del glicogeno
occorre la Glicogenina, una proteina che
funge sia da iniziatore della catena sia da
catalizzatore (attività glicosiltrasferasica)
per unire i primi 7 residui di glucosio
trasportati dall’UDP e formare il primer
57
Regolazione del metabolismoL’organismo in attività si trova sempre in uno stato stazionario lontano dall’equilibrio
termodinamico (omeostasi). Se una perturbazione altera una delle due velocità il sistema
viene riportato nello stato stazionario mediante il cambiamento dell’attività degli enzimi
Degradazione(catabolismo)
Biosintesi(anabolismo)
turnover
turnover
58
Regolazione coordinata glicolisi-gluconeogenesi (1)
Tessuti che sintetizzano glucosio
Tessuti che usano glucosio come
fonte di energia primaria
59
Regolazione coordinata glicolisi-gluconeogenesi (2)
La concentrazione del
glucosio nel sangue è
mantenuta costante alla
concentrazione di 5mM
(omeostasi ) da:
Enzimi
Esochinasi I,II,III,IV
Glucosio 6.fosfatasi
Trasportatori del glucosio
GLUT1,2,3,4
Insulina
1° punto di controllo
60
Regolazione dell’omeostasi del glucosio (1)
Esistono quattro forme enzimatiche (isoenzimi) di esochinasi con due funzioni diverse
Esochinasi I, II, III (la II è la più abbondante, chiamata comunemente Esochinasi)
•Funzione prevalente: utilizzazione di glucosio come fonte di energia nella glicolisi
Esochinasi IV (chiamata comunemente Glucochinasi)
•Funzione prevalente: dirottare l’eccesso di glucosio verso la gluconeogenesi
[Glucosio ematico]
Esochinasi Glucochinasi
Muscolo SI NO
Fegato NO (poco) SI
Km Glucosio 0,1mM 10 mM
Inib. da prodotto SI NO
61
Regolazione dell’omeostasi del glucosio (2)
Fegato
ATP
Tutti i tessuti
Proteina nucleare
che regola la
quantità di
esochinasi IV
in relazione alla
presenza di
glucosio
Glicogeno e
Acidi grassi
62
Regolazione dell’omeostasi del glucosio (3)
ATP
Muscolo
a riposo
Muscolo
in attività
63
Regolazione della secrezione di insulina prodotta dalle cellule b del
pancreas in base alla concentrazione di glucosio nel sangue
64
Regolazione coordinata glicolisi-gluconeogenesi
2° punto di controllo
65
Regolazione FPK-1: enzima chiave della glicolisi
Segnala che le
necessità
energetiche sono
soddisfatte dal
catabolismo di
lipidi e proteine
Il più importante ed
efficace regolatore
allosterico della
FPK-1 e dalla
FBPasi-1
L’attività della FPK-1
è modulata da una
complicata
regolazione
allosterica
66
Regolazione coordinata FPK-1 e FBPasi-1
67
Cicli futili nel metabolismo dei carboidrati
ATP + Fruttosio 6-fosfato ADP + Fruttosio 1,6-bisfosfato
Fruttosio 1,6-bisfosfato + H2O Fruttosio 6-fosfato + Pi
ATP + H2O ADP + Pi G°’= -7,3 Kcal/mol
Se le reazioni di controllo della glicolisi e della gluconeogenesi avvenissero simultaneamente
e alla stessa velocità elevata, si avrebbe un notevole consumo di ATP con formazione di calore
(G° di idrolisi dell’ATP)
Esempio di ciclo futile
In condizioni normali i cicli futili non avvengono perché impediti dai meccanismi di regolazione
reciproca visti precedentemente. In alcuni casi i cicli futili sono “utili” come nel caso dei
muscoli alari dei calabroni dove la FFK-1 non è inibita da un eccesso di ATP. Ne consegue
che sia la FPK-1 che la FBPasi sono molto attive simultaneamente e il calore che si genera
dall’idrolisi dell’ATP serve a mantenere la temperatura a 30°C necessaria per permettere ai
calabroni di volare a temperature relativamente basse (~10°C)
FPK-1
FBPasi-1
68
Regolazione dei livelli di fruttosio 2,6-bisfosfato nel fegato
La concentrazione epatica del modulatore allosterico è determinata dalla velocità della sua
sintesi da parte della fosfofruttochinasi-2 (PFK-2) e dalla velocità della sua degradazione
da parte della fruttosio 2,6 bisfosfatasi-2 (FBPasi-2).
Questi due enzimi fanno parte di un’unica catena polipeptidica e sono entrambi regolati in
modo complementare e coordinato dall’insulina e dal glucagone
[Glucosio]SangueTessuti
Glucagone
OH
P
[Glucosio]
69
Regolazione dei livelli di fruttosio 2,6-bisfosfato nel muscolo
Nel muscolo i processi si invertono: l’adrenalina attiva la PFK-2 e inibisce la FBPase-2 con
conseguente aumento della glicolisi e produzione di ATP
ATP
P
OH
Stress, fuga
Adrenalina
La forma isoenzimatica muscolare del complesso PFK-2/FBPase-2 ha una regolazione
covalente opposta a quella del fegato
70
Xilulosio 5-fosfato: un regolatore chiave del metabolismo dei
carboidrati e grassi
Glucagone
OH
P
FegatoPasto ricco in zuccheri
Glucosio 6-fosfato
Xilulosio 5-fosfato
via ossidativa e
non ossidativa
del pentosio fosfato
Acetil-CoA
NADPHBiosintesi
Acidi grassi
71
Regolazione coordinata glicolisi-gluconeogenesi
3° punto di controllo
72
Regolazione della piruvato chinasi (PK)
[Glucosio]
Proteina chinasi A
L= liver
M=MuscleIn questo modo, quando la
concentrazione ematica è bassa,
il fegato non consuma glucosio
nella glicolisi e lo dirotta, tramite il
sangue, ai tessuti
cAMP
73
Due destini alternativi del piruvato
L’aumento di di
Acetil-CoA, in
seguito alla
degradazione
dei grassi e/o
delle proteine,
rallenta la
glicolisi e
accelera la
produzione di
glicogeno
attraverso la
gluconeogenesi
74
Regolazione covalente della glicogeno fosforilasi nel muscolo
Siti glicogeno
75
Regolazione ormonale della glicogeno fosforilasi nel muscolo e fegato
Amplificazione
a cascata
76
Regolazione allosterica della glicogeno fosforilasi nel muscolo
2AMP 2AMP
Forma R
Forma T
Siti glicogeno
Siti AMP
Effettore allosterico
positivo
77
Regolazione allosterica della glicogeno fosforilasi nel fegato
Effettore allosterico
negativo
Il legame del glucosio ad un sito allosterico dell’enzima induce una modificazione
conformazionale che espone il residuo di serina fosforilato all’azione della PP1
con conseguente diminuzione dell’attività enzimatica
(o glucagone)
78
Regolazione covalente, allosterica e ormonale della glicogeno sintasi
Glicogeno
Sintasi Kinasi 3
Anche la glicogeno sintasi è regolata mediante
fosforilazione e defosforilazione
Fosfoproteina fosfatasi
(fegato)
Fosfoproteina fosforilasi 1
(muscolo)
(Tirosina Chinasi)
IRS-1=Substato 1 del recettore
PI-3K=Fosfatidilinositolo
3-chinasi
PIP2=Fosfatidilinositolo
4,5-bisfosfato
PIP3=Fosfatidilinositolo
3,4,5-trifosfato
PDK-1=Proteina chinasi
PKB=Proteina chinasi B
ADP
ATPCKII
Priming della fosforilazione della glicogeno sintasi da parte di GSK3
La fosfoproteina fosfatasi (PP1) chiamata anche fosforilasi a fosfatasi ha un
ruolo centrale nel metabolismo del glicogeno
80
Regolazione coordinata della glicogeno sintasi e glicogeno fosforilasi
Glicogeno
Sintasi Kinasi 3
ADP
ATPCKII
81
Coordinamento dei segnali allosterici e ormonali nel metabolismo dei
carboidrati nel fegato
Glicogeno
ADP
ATPCKII
82
Coordinamento dei segnali allosterici e ormonali nel metabolismo dei
carboidrati nel muscolo
ATP
ADP
ATPCKII
83
Differenze degli ormoni iperglicemizzanti nel metabolismo dei
carboidrati nel fegato e nel muscolo
Nel muscolol’adrenalina aumenta sia
la demolizione del
glicogeno che la glicolisi
per fornire ATP per la
contrazione
Nel muscolo la gluco-
neogenesi non è attiva
perché occorre molto
ATP (6 mol/Glucosio);
viene fatta al fegato nella
fase di recupero
energetico
Nel fegato il glucagone (che
segnala una ridotta
concentrazione di
glucosio ematico)
o l’adrenalina
(che segnala una
condizione di stress,
combattimento o fuga)
hanno l’effetto di
favorire il trasferimento
del glucosio al sangue
IL muscolo utilizza le sue riserve di glicogeno per le proprie necessità.
Durante un’intensa attività muscolare l’ATP è fornito dalla glicolisi