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