METABOLISMO DEI CARBOIDRATI I: PROCESSI ANAEROBICI … · mente diffusa nelle cellule viventi....

l nostro studio dettagliato del metabolismo inizieràconsiderando le fasi anaerobiche del metabolismo dei carboidrati (figura 13.1). Lamaggior parte del presente capitolo è dedicata alla glicolisi, la via iniziale del cataboli-smo dei carboidrati. Il termine glicolisi deriva da vocaboli greci che significano “dol-ce” e “scissione”. Questi termini sono letteralmente corretti, dal momento che la glico-lisi è la via attraverso cui zuccheri a sei atomi di carbonio (che sono dolci) sono scissi,producendo un composto a tre atomi di carbonio, il piruvato. Durante questo proces-so parte dell’energia potenziale immagazzinata nella struttura degli esosi è rilasciata eutilizzata per ottenere la sintesi di ATP da ADP. La glicolisi può procedere in condi-zioni di anaerobiosi, senza che avvenga un’ossidazione netta dei substrati saccaridici.Gli anaerobi, microrganismi che vivono in ambienti privi di ossigeno, possono rica-vare tutta la loro energia metabolica da questo processo. In ogni caso anche le celluleaerobie utilizzano la glicolisi. In queste cellule la glicolisi è la parte iniziale, anaerobi-ca, di una via degradativa che nel complesso comporta un notevole consumo di ossi-geno e alla completa ossidazione dei carboidrati.

Per parecchie ragioni la glicolisi rappresenta un buon punto di partenza per ini-ziare uno studio dettagliato sul metabolismo. Innanzitutto è stata la prima via meta-bolica a essere compresa nei dettagli. In secondo luogo è una via pressoché universal-mente diffusa nelle cellule viventi. Inoltre la regolazione della glicolisi ci è particolar-mente chiara. Infine, non meno importante è il ruolo metabolico centrale che questavia riveste nel generare sia energia sia intermedi metabolici per altre vie. Si tratta diuna delle autostrade più trafficate della mappa del metabolismo, ed è anche raccorda-ta a molte strade di traffico meno intenso.

CAPITOLO 13

METABOLISMO

DEI CARBOIDRATI I:

PROCESSI ANAEROBICI

NELLA PRODUZIONE

DELL'ENERGIA

METABOLICA

I

FIGURA 13.1

Processi anaerobici nella produzione dell’energia metabolica. Le por-zioni in viola della mappa metabolica mostrano la via glicolitica e la scissione deipolisaccaridi che alimentano questa via. La glicolisi produce ATP anaerobica-mente e fornisce combustibile per le vie aerobiche di produzione di energia. Inumeri 1, 2, 3 identificano i tre stadi del metabolismo (vedere capitolo 12).

Cap. 13 pellicole 3-05-2004 20:14 Pagina 454

ISBN 88-408-1287-3 M E TA B O L I S M O D E I C A R B O I D R AT I I 455

ATP

ADP

1

2

3

Nucleic acids

Polysaccharides

Monosaccharides

Glucose

Pyruvate

Citricacidcycle

Oxidizedelectron carriers

(NAD+, FAD)

Electrontransport

andoxidative

phosphorylation

Photosynthesis

Acetyl-CoA

CO2

NH3 O2

H2O

e–e–

Glyceraldehyde-3-phosphate

NucleotidesAmino acids

Proteins Lipids

Glycerol

Fatty acids

Glycolysis

Gluconeogenesis

Catabolicpathway

Anabolicpathway

Key:

Electron flow

Lightenergy

Reducedelectron carriers(NADH, FADH2)


Sebbene le cellule possano metabolizzare diversi zuccheri esosi per mezzo dellaglicolisi, lo zucchero che viene principalmente utilizzato come carburante nella mag-gior parte delle cellule è il glucosio. In effetti alcuni tessuti animali, come il cervello,utilizzano normalmente il glucosio come sola fonte di energia, e qualsiasi tipo di pro-duzione di energia in queste cellule ha inizio con la glicolisi. La maggior parte dellecellule può comunque utilizzare altri zuccheri; ci occuperemo quindi anche delle mo-dalità di conversione di questi zuccheri a intermedi metabolici nella glicolisi. Consi-dereremo inoltre anche i processi in cui i carboidrati immagazzinati sotto forma dipolisaccaridi sono resi disponibili per l’utilizzazione nella glicolisi.

LA GLICOLISI: UNA VISIONE D’INSIEME

INTERRELAZIONI TRA LA GLICOLISI E LE ALTRE VIE METABOLICHE

La glicolisi è una via a 10 passaggi che converte una molecola di glucosio in due mole-cole di piruvato con la contemporanea produzione di due molecole di ATP. Il consu-mo dei polisaccaridi di riserva, così come il metabolismo degli oligosaccaridi, fornisceglucosio, altri esosi a esso correlati e zuccheri fosfati, ognuno dei quali entra attraver-so un proprio percorso nella via glicolitica. Ci concentreremo inizialmente sul proces-so considerando il glucosio come composto di partenza, e discuteremo successiva-mente i percorsi di ingresso degli altri carboidrati.

Le 10 reazioni che separano il glucosio dal piruvato possono essere distinte in duediverse fasi, schematizzate in figura 13.2. Le prime cinque reazioni costituiscono unafase di investimento energetico, nella quale gli zuccheri fosfati vengono sintetizzati aspese di 2 moli di ATP (che vengono convertite in ADP), e il substrato a sei atomi dicarbonio viene scisso in 2 zuccheri fosfati a tre atomi di carbonio. Le successive cin-que reazioni rappresentano una fase di produzione energetica, nella quale i trioso fo-sfati sono convertiti in composti ad alta energia. Questi composti trasferiscono 4 mo-li di fosfato all’ADP, sintetizzando 4 moli di ATP. La resa netta è pari a 2 moli di ATP e2 moli di piruvato, per mole di glucosio metabolizzato. Si noti che vengono prodottianche 2 equivalenti di riduzione sotto forma di NADH.

Negli organismi aerobi, la glicolisi è il primo passaggio nella combustione comple-ta del glucosio a CO2 e acqua. Il secondo passaggio consiste nell’ossidazione del piru-vato ad acetil-CoA, e il processo finale è rappresentato dall’ossidazione degli atomi dicarbonio del gruppo acetile nel ciclo dell’acido citrico (vedere figura 13.1). Il capitolo14 presenterà in dettaglio questi ultimi due processi. La glicolisi produce anche inter-medi biosintetici: essa è pertanto una via al contempo anabolica e catabolica, e rivesteun’importanza che va oltre la sintesi di ATP e di substrati per il ciclo dell’acido citrico.

GLICOLISI AEROBICA E ANAEROBICA

La glicolisi è una via metabolica antica che probabilmante era già usata dai primibatteri noti circa 3.5 miliardi di anni fa. Poiché ciò accadeva circa un miliardo di an-ni prima che i più antichi organismi fotosintetici noti cominciassero a fornire il lorocontributo di O2 all’atmosfera terrestre, la glicolisi doveva funzionare in condizionicompletamente anaerobiche, cioè senza un cambiamento netto dello stato di ossida-zione nel corso della conversione dei substrati nei prodotti. Si noti tuttavia che, comemostrato in figura 13.2, la conversione di glucosio a piruvato, che non ossida gli ato-mi di carbonio del glucosio, comporta la riduzione concomitante di due moli diNAD+ a NADH. Affinché la via possa operare anaerobicamente, il NADH deve esse-re dunque riossidato a NAD+ mediante il trasferimento dei suoi elettroni a un accet-tore in modo da mantenere uno stato stazionario. Alcuni microrganismi che cresconoin condizioni anaerobiche possono generare ulteriore energia mediante il trasferi-mento di elettroni a sostanze inorganiche come ioni solfato o nitrato; alcuni organi-smi possono ridurre substrati organici. La via più diretta è quella utilizzata dai batte-ri lattici, che usano semplicemente il NADH per ridurre il piruvato a lattato, attra-

456 13. METABOLISMO DEI CARBOIDRATI I ISBN 88-408-1287-3

FIGURA 13.2

Le due fasi della glicolisi e i prodotti del-la glicolisi.

Le dieci reazioni della glicolisipossono essere raggruppate in una

fase di investimento energetico(prime 5 reazioni)

e in una fase di produzione dell’energia

(ultime 5 reazioni)

FASE DI INVESTIMENTOENERGETICO

FASE DI PRODUZIONEENERGETICA

Glucosio

2 Piruvato

BILANCIO NETTO:

Glucosio Piruvato


verso l’enzima lattato deidrogenasi. È questa la reazione che avviene quando il lattediventa acido:

ISBN 88-408-1287-3 L A G L I C O L I S I : U NA V I S I O N E D’ I N S I E M E 457

Una fermentazione è una viametabolica producente energia chenon comporta cambiamenti distato di ossidazione nellatrasformazione dei substrati inprodotti

La glicolisi anaerobica (come laglicolisi aerobica) porta allaformazione di piruvato, che vieneperò ridotto, cosicché non si haalcuna ossidazione netta

COO−

C

CH3

O + NADH + H+ C

CH3

HO

Piruvato

H + NAD+ ∆G°′ = −25.1 kJ/mol

L-Lattato

COO−

La glicolisi è quindi parte di una fermentazione, che è definita come un processometabolico che produce energia senza alcun cambiamento di stato di ossidazione. Lafermentazione lattica (conversione del glucosio a lattato) è importante nella fabbrica-zione del formaggio. Un’altra fermentazione importante comporta la rottura del pi-ruvato ad acetaldeide e CO2 (vedere pagina 470), con la successiva riduzione dell’ace-teldeide a etanolo da parte dell’alcol deidrogenasi:

CH3CHO � NADH � H� CH3CH2OH � NAD�

Operata da lieviti, questa fermentazione produce l’alcol delle bevande alcoliche.Anche i lieviti utilizzati nella panificazione operano la fermentazione alcolica: la CO2prodotta dalla decarbossilazione del piruvato determina il rigonfiamento del pane,mentre l’etanolo prodotto evapora durante la cottura. Tra le decine di altre fermenta-zioni utili, ci sono quelle che portano alla produzione di acido acetico (fabbricazionedell’aceto) e dell’acido propionico (fabbricazione del formaggio svizzero).

Le cellule animali, simili in questo ai batteri lattici, possono ridurre il piruvato alattato: compiono questo processo quando il piruvato è prodotto più velocemente diquanto possa essere ossidato attraverso il ciclo dell’acido citrico. Durante sforzi in-tensi, le cellule del muscolo scheletrico ottengono la maggior parte della propriaenergia da questa glicolisi anaerobica: una glicolisi che ha luogo in condizioni anae-robiche.

Si consideri invece una cellula che sostenga una respirazione attiva, cioè la demoli-zione ossidativa e la produzione di energia a partire da molecole di nutrienti che rea-giscono con l’ossigeno. In queste cellule il piruvato è ossidato ad acetil-CoA, che entranel ciclo dell’acido citrico. Il NADH prodotto durante la glicolisi è riossidato attraver-so la catena di trasporto elettronico mitocondriale per un’ulteriore produzione dienergia (vedere capitolo 15), attraverso il trasferimento finale degli elettroni all’O2,l’accettore elettronico terminale. La conversione del glucosio a piruvato nelle cellulein grado di respirare è detta glicolisi aerobica.

I PRIMI FONDAMENTALI ESPERIMENTI

Sebbene se ne sia compreso il funzionamento solo nel secolo scorso, la glicolisi è statasfruttata da quando gli uomini hanno iniziato a utilizzare il lievito per la preparazio-ne del pane e della birra. (La prima definizione di fermentazione è stata quella di “mo-dificazione chimica accompagnata da effervescenza.”) La dimostrazione di Louis Pa-steur, nel 1856, che le fermentazioni sono opera di microrganismi rappresenta unapietra miliare nella storia della scienza. Ciononostante la visione dominante del tem-po era che un processo quale la fermentazione del glucosio con produzione di etano-lo fosse un fenomeno tanto complesso da non poter essere riprodotto all’esterno del-la cellula vivente. Come abbiamo visto nel capitolo 1, nel 1897 Eduard e Hans Büch-ner mostrarono che la fermentazione poteva aver luogo in assenza di cellule.

Nel 1905 Arthur Harden e William Young scoprirono che il fosfato inorganico,quando aggiunto all’estratto di lievito, stimolava e prolungava la fermentazione delglucosio. Nel corso della fermentazione il fosfato inorganico scompariva dal mezzo direazione, e questo portò Harden e Young a suggerire che la fermentazione procedesseattraverso la formazione di uno o più esteri fosforici di zuccheri.


Questa scoperta aprì la porta all’individuazione delle singole reazioni chimichecoinvolte nella fermentazione, impresa riuscita in Germania negli anni ’30 del secoloscorso, principalmente a opera di G. Embden, O. Meyerhof e O. Warburg. Per questola glicolisi è spesso denominata via di Embden-Meyerhof. Questi scienziati identifica-rono 10 diverse reazioni che portano alla trasformazione di glucosio in piruvato,identiche in una gran varietà di organismi. Gli studi sulla glicolisi hanno fornito laprima dimostrazione che una via metabolica consiste di una serie di reazioni chimi-che definite. Sono oggi disponibili informazioni dettegliate sulla struttura e il mecca-nismo di azione di ciscuno degli enzimi coinvolti.

LA STRATEGIA DELLA GLICOLISI

La glicolisi è una via così importante da meritare l’analisi dattagliata di ognuna dellesue 10 reazioni. Prima di fare ciò daremo una sguardo alla via metabolica nel suocomplesso. Innanzitutto va ricordato quanto detto nel capitolo 12, e cioè che nelle cel-lule eucariote la glicolisi avviene nel citosol, mentre la successiva ossidazione del piru-vato avviene nei mitocondri. (Alcuni tripanosomi, i protozoi parassiti che provocanola malattia del sonno africana, rappresentano un’interessante eccezione: in essi la gli-colisi avviene in un organulo citoplasmatico organizzato, detto glicosoma.)

La figura 13.3 fornisce una rappresentazione sintetica della conversione del gluco-sio in piruvato. Nella fase di “investimento energetico” (le prime cinque reazioni), lozucchero viene attivato metabolicamente per mezzo della fosforilazione. Questo pro-cesso produce uno zucchero fosforilato a sei atomi di carbonio, il fruttosio 1,6-bisfo-sfato, che subisce una scissione che produce 2 moli di trioso fosfato: la gliceraldeide-3-fosfato e il diidrossiacetone fosfato.

Nella fase di “produzione energetica” (le successive cinque reazioni), i triosi fosfa-ti subiscono un’ulteriore attivazione con produzione di due composti contenenti le-gami fosforici ad alta energia: dapprima l’1,3-bisfosfoglicerato e quindi il fosfoenol-piruvato. Si ricordi dalla figura 3.7 che ciascuno di questi composti possiede un ∆G°′di idrolisi maggiore di quello dell’ATP; essi possono essere considerati come compo-sti ad altissima energia. Durante la fase di produzione energetica, ciascuno di questicomposti trasferisce il proprio fosfato ad alta energia all’ADP con formazione di ATP.Questo processo è detto fosforilazione a livello del substrato, e consiste nel trasferi-mento di un gruppo fosforico da un composto a elevato contenuto energetico al-l’ADP, con formazione di ATP. La fosforilazione a livello del substrato è un processodistinto dalla fosforilazione ossidativa, cioè la sintesi di ATP determinata dal traspor-to elettronico (vedere capitolo 15), e dalla fotofosforilazione, l’utilizzazione dell’ener-gia fotosintetica per la produzione dell’ATP (vedere capitolo 17).

Dal momento che per ogni mole di glucosio sono prodotte 2 moli di trioso fosfa-to, la resa delle due fosforilazioni a livello del substatrato della glicolisi è di 4 moli diATP per mole di glucosio. Sottraendo le due moli di ATP investite nella prima fase(reazioni 1-5), si realizza un guadagno netto di due molecole di ATP sintetizzate permolecola di glucosio convertita a piruvato (vedere figura 13.2).

LE REAZIONI DELLA GLICOLISI

Consideriamo ora la sequenza delle 10 reazioni che portano dal glucosio al piruvato,numerando ogni reazione come indicato in figura 13.3. I nomi per esteso dei substra-ti e dei prodotti verranno dati quando verrà descritta la relativa reazione, ma per sem-plicità essi verranno presentati nel testo in forma abbreviata. Per esempio, glucosio-6-fosfato è equivalente a α-D-glucosio-6-fosfato.

REAZIONI 1-5: FASE DI INVESTIMENTO ENERGETICO

Le prime 5 reazioni, che costituiscono la fase di investimento energetico, sono rias-sunte qui a margine.


L’ATP è sintetizzato in treprincipali modi: mediante la

fosforilazione a livello delsubstrato, mediante fosforilazione

ossidativa e mediantefotofosforilazione

ADP

P P

P

FBP

PG3P

ATP

F6P

ADP

P G6P

ATP

G

P DHAP

1 FosforilazioneEsochinasi

2 IsomerizzazioneFosfoglucoisomerasi

5 IsomerizzazioneTrioso fosfato isomerasi

3 FosforilazioneFosfofruttochinasi

4 ScissioneAldolasi


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FIGURA 13.3

Una visione d’insieme della glicolisi. Questo schema riassunti-vo della glicolisi mostra gli intermedi chiave e le reazioni in ciascunadelle due fasi principali. Nella fase di produzione energetica, per ciascuna molecola di ATP utilizzata nella fase di investimentoenergetico sono prodotte due molecole di ATP.

Piruvato

ATP 10 Reazione

Fosforilazione a livello del substrato

2 ATP prodotti

102

Fosfoenol-piruvato

Produzione di un compostoad altissima energia (e di acqua)

H2O

3-Fosfoglicerato

1,3-Bisfosfo-glicerato

Diidrossiacetonefosfato

Gliceraldeide-3-fosfato

Fruttosio-1,6-bisfosfato

Glucosio

ATP

ATP

ATP

H OH

H

OH

O

H

CH2OH

FASE DI INVESTIMENTO ENERGETICO

FASE DI PRODUZIONE ENERGETICA

ReazioniAttivazione mediante fosforilazione

2 ATP investiti

–

OH

H

HO

OH H

CH2O

OH

O

H HO

O CH2

H

1

2

3

4

6

5

1 3

ReazioniScissione di uno zuccherofosforilato a 6 atomi di carbonioin due zuccheri fosforilatia 3 atomi di carbonio

e 4

ReazioneProduzione di 2 NADH e di uncomposto ad altissima energia

6

5

Reazioni e 8 9

H2C

H2C

C

O

C

HC

O

H

O

C O

2

OH

H2C O

OH

O

P

P

P

HC

2

H2C O

OH

P

P

P

COO−

HC

2

H2C O

OH

COO−

C

2

CH3

O

COO−

C

2

CH2

O

P P

2 NADH

7

8

9

ReazioneFosforilazione a livello del substrato

2 ATP prodotti

72


Reazione 1: il primo investimento di ATPCominceremo con la fosforilazione ATP-dipendente del glucosio catalizzata dall’eso-chinasi.


O

OH

OH

OHHO

CH2OH

α -D-Glucosio

5

6

4

3 2

1 + ATP

O

OHOHHO

CH2O

OH

P

Mg2+∆G°′ = −16.7 kJ/molADP + H++

α -D-Glucosio-6-fosfato

Una forma di esochinasi con KMelevata permette al fegato, in

condizioni di glicemia elevata, diregolare l’utilizzazione del glucosio

in funzione della sua disponibilità

Lo ione magnesio è necessario dal momento che la forma reattiva dell’ATP è il suocomplesso chelato con Mg2+ (vedere pagina 432). Ciò è vero per tutti gli enzimi ATP-dipendenti.

L’esochinasi esiste in varie forme nei diversi organismi ma è generalmente carat-terizzata dalla bassa specificità per gli zuccheri e dalla bassa K

Mper questi substrati

(circa 0.1 mM). La bassa specificità permette la fosforilazione di vari zuccheri esosi,inclusi fruttosio e mannosio, permettendo la loro utilizzazione attraverso la glicolisi.Come è stato notato nel capitolo 11, l’esochinasi è inibita retroattivamente dal suoprodotto, il glucosio-6-fosfato, un meccanismo che controlla l’ingresso dei substratinella via glicolitica. Va ricordato inoltre che la struttura dell’esochinasi fornisce unachiara evidenza del modello dell’adattamento indotto della catalisi enzimatica (ve-dere pagina 373).

Dal momento che i livelli intracellulari di glucosio sono solitamente moltomaggiori del valore di K

Mdell’esochinasi, l’enzima funziona spesso in vivo a con-

centrazioni saturanti di substrato. Il fegato dei vertebrati contiene una distinta for-ma di esochinasi, caratterizzata da un valore molto alto di K

Mper il glucosio (circa

10 mM), da una dipendenza sigmoidale dalla concentrazione del glucosio, e dallainsensibilità all’inibizione da glucosio-6-fosfato. Questa speciale esochinasi per-mette al fegato di regolare la propria velocità di utilizzazione del glucosio in rispo-sta alle variazioni del livello di glucosio nel sangue. Come discuteremo nel capitolo16, una delle principali funzioni del fegato è infatti la regolazione del livello di glu-cosio nel sangue: questo enzima rappresenta uno dei principali meccanismi attra-verso i quali il fegato svolge questa funzione. Questa forma di esochinasi è spessochiamata glucochinasi, sebbene la sua specificità di substrato sia identica a quelladell’esochinasi.

Reazione 2: isomerizzazione del glucosio-6-fosfatoLa reazione successiva, catalizzata dalla fosfoglucoisomerasi, è l’isomerizzazioneprontamente reversibile dell’aldoso, il glucosio-6-fosfato (G6P), nel chetoso corri-spondente, il fruttosio-6-fosfato (F6P).

OH

OH

O

CH2O

OHHO

6

5

4

3

2

1

P

HOOH

O CH2OH

OH

6

1

5

4 3

2

OCH2P

∆G°′ = +1.7 kJ/mol

α -D-Glucosio-6-fosfato D-Fruttosio-6-fosfato

Questa reazione procede attraverso un’intermedio enediolico: B e B-H rappresen-tano i residui aminoacidici del sito attivo.



H

OH

G6P F6PEnediolo

O

H

H

O

B+

H

B

H+

BO

H

C

H

O

O

B

H

B

H

O

H

C

H

HO–

O

B

B+

H

O

OH

O

B

H

H

H

B

+B

H

O C

OH

H

H

OH

HOOH

O CH2OH

OH

6

1

5

4

3

2

OCH2P

ATP+ HOOH

O CH2O

6

1

5

4

2

OCH2P

Mg2+

3OH

P

∆G°′ = −14.2 kJ/mol+ ADP + H+

D-Fruttosio-6-fosfato D-Fruttosio-1,6-bisfosfato

Il trasferimento dell’ossigeno carbonilico dal carbonio 1 al carbonio 2 fa sì che ilgruppo idrossilico creato a livello del carbonio 1 possa essere facilmente fosforilatonella reazione successiva. Incontreremo più avanti altre isomerizzazioni aldoso-che-toso che procedono con un meccanismo simile.

Reazione 3: il secondo investimento di ATPNella rezione 3, la fosfofruttochinasi dell’ATP compie un’altra fosforilazione ATP-di-pendente, con formazione di un esoso fosforilato a livello degli atomi di carbonio 1 e6. Il prodotto, il fruttosio-1,6-bisfosfato (FBP), era chiamato un tempo fruttosio-1,6-difosfato; è stato deciso questo cambio di denominazione per mettere in evidenza chei due fosfati sono separati, piuttosto che legati come nell’ADP.

Analogamente alla fosforilazione del glucosio, questa reazione è sufficientementeesoergonica da essere praticamente irreversibile in vivo. Questa caratteristica è impor-tante, in quanto la fosfofruttochinasi (PKF) rappresenta il sito primario di regolazio-ne del flusso di carbonio attraverso la glicolisi. La PKF è un enzima allosterico la cuiattività è estrememente sensibile allo stato energetico della cellula, come pure ai livel-li di vari altri intermedi, in particolare il citrato e gli acidi grassi. Le interazioni con glieffettori allosterici, che saranno discusse più avanti in questo capitolo, attivano laPKF. Tale attivazione aumenta il flusso di carbonio attraverso la glicolisi quando è ne-cessario generare più ATP, mentre lo inibisce quando la cellula dispone di grosse ri-serve di ATP o di substrati ossidabili.

Le piante superiori possiedono due diverse forme di PKF: l’enzima ATP-dipen-dente e una forma specifica, la quale utilizza come agente fosforilante il pirofosfatoinvece dell’ATP.

Fruttosio-6-fosfato � PPi�� fruttosio-1,6-bisfosfato � Pi

Questo enzima, che per attività è comparabile alla fosfofruttochinasi ATP-di-pendente, sembra rappresentare un’alternativa per la catalisi del terzo passaggio del-la glicolisi.

Reazione 4: scissione dei due triosi fosfatiLa reazione 4 è catalizzata dall’enzima fruttosio-1,6-bisfosfato aldolasi, comunemen-te detto aldolasi, perché la reazione che catalizza è simile all’inverso di una condensa-

La reazione della fosfofruttochinasiè il principale sito di regolazionedella glicolisi


zione aldolica. In questa reazione avviene quella “scissione dello zucchero” che è ri-chiamata dal termine glicolisi: in questa fase infatti il composto a sei atomi di carboniofruttosio-1,6-bisfosfato si scinde formando 2 intermedi a tre atomi di carbonio, la gli-ceraldeide-3-fosfato e il diidrossiacetone fosfato.

Questa reazione illustra un importante principio metabolico. Come si può nota-re, la reazione è fortemente endoergonica in condizioni standard, in modo tale che laformazione del fruttosio-6-fosfato risulta altamente favorita. Tuttavia, dalle effettiveconcentrazioni intracellulari di reagenti e prodotti determinate nel muscolo scheletri-co di coniglio, si può calcolare un ∆G pari a –1.3 kJ/mol, un valore in accordo conl’osservazione che la reazione procede verso destra in vivo. Questo esempio mette inevidenza la necessità di considerare le condizioni nella cellula, e non le condizionistandard, per decidere quale sia la direzione favorita di una reazione.

L’aldolasi della maggior parte dei vertebrati è una proteina tetramerica. L’enzimaattiva il substrato, rendendone possibile la scissione, mediante condensazione del car-bonio chetonico in posizione 2 con il gruppo ε-amminico nel sito attivo, e conse-guente formazione di una base di Schiff intermedia, come mostrato in figura 13.4.Una base di Schiff è il prodotto della condensazione di un gruppo amminico con ungruppo carbonilico. Il substrato attivato subisce la sottrazione di un protone dalgruppo idrossilico del carbonio 4, seguita dall’eliminazione dello ione enolato che siviene così a formare, con la conseguente rottura del legame tra il C-3 e il C-4.

Reazione 5: isomerizzazione del diidrossiacetone fosfatoCome si è visto precedentemente, la reazione dell’aldolasi produce 2 zuccheri fosfatoa tre atomi di carbonio. La funzione della reazione 5, catalizzata dalla trioso fosfatoisomerasi, è quella di trasformare uno di questi prodotti, il diidrossiacetone fosfato(DHAP), in gliceraldeide-3-fosfato (G3P), il substrato della successiva reazione glico-litica; questa reazione consente l’utilizzo di tutti e 6 gli atomi di glucosio.

Anche questa reazione è alquanto endoergonica in condizioni standard; la concen-trazione intracellulare di gliceraldeide-3-fosfato è però bassa, e questo sposta l’equili-brio sopra indicato verso destra. Come descritto nel capitolo 11 (pagina 374), l’isome-rizzazione del diidrossiacetone fosfato procede attraverso un intermedio enediolico.

A questo punto la glicolisi ha consumato due molecole di ATP e ha convertito unozucchero esoso in due molecole di gliceraldeide-3-fosfato, ciascuna delle quali è suc-cessivamente metabolizzata a dare composti ad alta energia che promuovono la sinte-si di ATP. A questo punto la fase di investimento energetico del ciclo è completata, esta per cominciare la fase di produzione di energia.

CH2OH

P

C

CH2O

O

Diidrossiacetone fosfato

C

P

C

CH2O

OH

D-Gliceraldeide-3-fosfato

H

H

O

∆G°′ = +7.6 kJ/mol


Nelle condizioni presenti nellacellula, l’aldolasi scinde il fruttosio-

1,6-bisfosfato, anche se si puòprevedere che agisca in senso

opposto nelle condizioni standard

D-Fruttosio-1,6-bisfosfato


REAZIONI 6-10: FASE DI PRODUZIONE DELL’ENERGIA

Le cinque reazioni della fase di produzione dell’energia sono riassunte a lato.

Reazione 6: produzione del primo composto ad alta energiaQuesta reazione, catalizzata dalla gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi, è tra le più in-teressanti della glicolisi per quanto riguarda il meccanismo, sia perché genera il primointermedio ad alta energia, sia perché produce due equivalenti di riduzione (vedere fi-gura 13.5). La reazione completa è la seguente:

La reazione 6 comporta un’ossidazione del carbonio carbonilico della gliceraldei-de-3-fosfato con scambio di due elettroni e produzione di un gruppo carbossilico, untipo di reazione che è normalmente piuttosto esoergonica. Tuttavia la reazione com-pleta è debolmente endoergonica (in condizioni standard), in quanto l’enzima utilizzala maggior parte dell’energia rilasciata per sintetizzare un composto ad altissimaenergia, l’1,3-bisfosfoglicerato (BPG). Questo composto contiene un’anidride car-bossilico-fosforica, ossia un gruppo acil-fosfato, in posizione 1: è un gruppo funzio-nale con un’energia libera standard di idrolisi altissima, –49.4 kJ/mol. Questo enzimarichiede un coenzima, il NAD+, che riceve elettroni dal substrato da ossidare.

Poiché il gruppo acilfosfato è molto più ricco in energia dei legami anidridici traresidui di fosfato dell’ATP, l’1,3-bisfosfoglicerato può promuovere la sintesi di ATP apartire dall’ADP. Questo è infatti ciò che avviene nella reazione successiva della viametabolica, la prima delle due fosforilazioni a livello del substrato nella glicolisi. Poi-ché è evidentemente importante comprendere i meccanismi della sintesi dell’ATP,


Piruvato

2

Fosforilazionea livellodel substratoPiruvato chinasi

PPEP

2

P

P

P

P

2PG

3PG

ATP

BPGP

G3P

6 Ossidazione efosforilazioneGliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi

7 Fosforilazionea livellodel substratoFosfogliceratochinasi

10

8 IsomerizzazioneFosfogliceratomutasi

9 DisidratazioneEnolasi

2 NADH + 2 H+

2 NAD+ + 2 Pi

2

H2O

2

2

2

2

ADP2

ATP2

ADP2D-Gliceraldeide-3-fosfato 1,3-Bisfosfoglicerato

P

O

C

C

CH2 O

OHH

H + NAD+ + Pi

∆G°′ = +6.3 kJ/mol+ NADH + H+P

O

C

C

CH2 O

OHH

O

P

FIGURA 13.4

Meccanismo di reazione della fruttosio-1,6-bisfosfato aldo-lasi. La figura mostra la base di Schiff intermedio di reazione che siforma tra il substrato e il residuo di lisina del sito attivo. B è un resi-duo basico presente nell’enzima, che riceve un protone dall’ossidrilepresente su C-4 e lo cede dopo la scissione del legame tra C-3 e C-4.

C O

CH2OH2O

CH2O

P

P

Fruttosio-1,6-bisfosfato

Basedi Schiff

2

3

1CH2O

1 1

CH2O

Keq = 10−4

P

C OHH

C

O H


4

C HHO

C OHH

C OHH

4

5

6

C N+

CH2O

CH2O

P

P

C HH

HO

C OHH

C OHH

B−

C N+

CH2OH2O

P

C HH

HO

H

1

C O

CH2 O P

CH2OH

Diidrossiacetonefosfato

B−

C N

:

P

CH

HHOHB

H2N

B−

Aldolasi

La gliceraldeide-3-fosfatodeidrogenasi produce un compostoad alto contenuto energetico e unacoppia di equivalenti di riduzione.


molto lavoro sperimentale è stato dedicato a chiarire come i composti ad altissimaenergia siano sintetizzati nel corso della fosforilazione a livello del substrato.

Nel caso della gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi questa conoscenza deriva ingran parte dall’antica osservazione che la glicolisi è inibita dallo iodoacetato e da me-talli pesanti come il mercurio. Entrambi questi composti reagiscono con gruppi sulfi-drilici liberi, come mostrato qui di seguito nel caso dello iodoacetato:

RSH � ICH2COO� �� RS—CH2COO� � HI

La scoperta che questi composti inibiscono la glicolisi inibendo specificamente lagliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi implica necessariamente che l’enzima contieneuno o più gruppi tiolici essenziali. Oggi sappiamo che la reazione procede come sche-matizzato in figura 13.5, iniziando con la formazione di un gruppo tioemiacetale checoinvolge il gruppo carbonilico del substrato e un gruppo tiolico di un residuo di ci-steina dell’enzima. Il tioemiacetale viene quindi ossidato dal NAD+ con formazione diun intermedio acil-enzima, cioè un tioestere. I tioesteri sono composti ad alta energia;la fosforolisi di questo tioestere da parte di Pi permette la conservazione di gran partedell’energia sotto forma di acil-fosfato, che costituisce il prodotto.

La stechiometria complessiva della reazione prevede la riduzione di 1 mole diNAD+ a NADH + H+. Questa reazione è la fonte del NADH formato nella glicolisi,come già messo in evidenza in figura 13.2.

Reazione 7: la prima fosforilazione a livello del substratoCome abbiamo precedentemente notato, l’1,3-bisfosfoglicerato, a causa del suo eleva-to potenziale di trasferimento di gruppo, possiede una forte tendenza a trasferire ilproprio gruppo acil fosfato all’ADP, con conseguente formazione di ATP. Questa rea-zione di fosforilazione a livello del substrato è catalizzata dalla fosfoglicerato chinasi,come mostrato qui di seguito:


FIGURA 13.5

Schema di reazione della gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi. Passaggio 1: forma-zione dell’intermedio iniziale tioemiacetalicotra la gliceraldeide-3-fosfato e l’enzima. Pas-saggio 2: ossidazione dell’intermedio inizialeda parte del NAD+, con formazione di un inter-medio acil-enzima. Passaggio 3: scissione fo-sforolitica del legame tioestere nell’intermedioacil-enzima.

P

O

C

C

CH2 O

OHH

O

1,3-Bisfosfoglicerato

+ ADP ∆G°′ = −18.8 kJ/mol+ P COO−

C

CH2 O

OHH

3-Fosfoglicerato

P

ATPMg2+

CH2O P


Tioemiacetale

C OHH

C OH

CH2O NAD+ NADH + H+

S

P

C OHH

C OHH

C OHH

P

C O

O

P OH

O

CH2O

1,3-Bisfosfo-glicerato

1 2 3

CH2O

S

P

C OHH

C O

O

P OH

O−

−O

Gliceraldeide-3-fosfatodeidrogenasi

SH

−O

A questo punto il bilancio netto di ATP del processo glicolitico è zero. Si ricordiche sono state investite due moli di ATP per mole di glucosio per generare 2 moli ditrioso fosfato. La reazione qui riportata genera una mole di ATP per mole di trioso fo-


sfato, ovvero due moli di ATP per mole di glucosio. La via metabolica nel complessodiviene esoergonica nelle rimanenti tre reazioni. In quest’ultima fase è prevista l’atti-vazione del fosfato residuo, che nel 3-fosfoglicerato (3PG) possiede un potenziale ditrasferimento relativemente basso.

Reazione 8: preparazione alla sintesi del successivo composto ad alta energiaL’attivazione del 3-fosfoglicerato inizia con un’isomerizzazione catalizzata dalla fo-sfoglicerato mutasi. L’enzima trasferisce il fosfato dalla posizione 3 alla posizione 2del substrato a dare il 2-fosfoglicerato. È richiesto Mg2+.


P

COO−

C

CH2OH

OH ∆G°′ = +1.7 kJ/mol

COO−

C

CH2

OMg2+

P + H2O

2-Fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato

∆G°′ = −31.4 kJ/mol

COO−

C

CH2

OMg2+

P +COO−

C

CH3

O+ H+ + ADPK+ ATP

Fosfoenolpiruvato Piruvato

La piruvato chinasi catalizza la seconda reazione glicolitica checomporta produzione di ATP

La fosfoglicerato chinasi catalizzala prima reazione glicolitica checomporta la produzione di ATP

P

COO−

C

CH2 O

OHH ∆G°′ = +4.4 kJ/mol

COO−

C

CH2 OH

OH PMg2+

3-Fosfoglicerato 2-Fosfoglicerato

La reazione è leggermente endoergonica in condizioni standard. Ancora una vol-ta, il livello intracellulare di 3-fosfoglicerato è elevato rispetto a quello del 2-fosfogli-cerato (2PG), e ciò fa sì che la reazione proceda in vivo verso destra senza difficoltà.L’enzima contiene un residuo di fosfoistidina nel sito attivo. Nel primo passaggio del-la reazione, il gruppo fosfato è trasferito al substrato a dare un intermedio, il 2,3-bi-sfosfoglicerato. La demolizione dell’intermedio legato all’enzima rigenera l’enzimafosforilato e dà luogo alla formazione del prodotto, che viene rilasciato.

Enzima–P � 3-P-glicerato �� [Enzima–2,3-bis-P-glicerato] �� Enzima–P � 2-P-glicerato

Reazione 9: sintesi del secondo composto ad alta energiaLa reazione 9, catalizzata dalla enolasi, produce un altro composto ad altissima ener-gia, il fosfoenolpiruvato (PEP), che partecipa alla seconda fosforilazione a livello delsubstrato della glicolisi.

La reazione prevede una semplice disidratazione, o α,β-eliminazione, con una va-riazione complessiva di energia libera piuttosto modesta. Tuttavia l’effetto è di aumen-tare enormemente l’energia libera di idrolisi del legame fosfato: da –15.6 kJ/mol per il2-fosfoglicerato a –61.9 kJ/mol per il fosfoenolpiruvato. Il carbonio 2 del fosfoenolpi-ruvato è “bloccato” nella configurazione enolica sfavorita e, come discusso nel capitolo3, la grande instabilità termodinamica dell’enolpiruvato è la principale responsabiledella valore estremamente negativo dell’energia libera di idrolisi del fosfoenolpiruvato.

Reazione 10: la seconda fosforilazione a livello del substratoNell’ultima reazione, catalizzata dalla piruvato chinasi, il fosfoenolpiruvato trasferi-sce il proprio gruppo fosfato all’ADP nel corso di un’altra fosforilazione a livello delsubstrato. Si noti che l’enzima riceve il proprio nome come se la reazione catalizzataindicata di seguito procedesse verso sinistra, anche se è fortemente esoergonica nelladirezione in cui è scritta. A molti enzimi è stato dato un nome prima che venisseroidentificate la loro funzione o la direzione della catalisi intracellulare.

O

O–

CH2HO P

C

NH

CH

O

N NH

Residuo diN -fosfoistidina


L’enzima richiede Mg2+ e K+. Sebbene la reazione includa la sintesi endoergonicadi ATP, il processo è nel complesso fortemente esoergonico, poiché, come già sottoli-neato nel capitolo 3, la tautomerizzazione spontanea del prodotto, l’enolpiruvato, conformazione della forma chetonica altamente favorita, produce una forte spinta ter-modinamica al procedere della reazione nella direzione indicata.

La reazione della piruvato chinasi è un altro punto di regolazione metabolica. Nelfegato dei vertebrati l’enzima, un tetramero di Mr (peso molecolare) di circa 250 000,è inibito allostericamente da alte concentrazioni di ATP e attivato dal fruttosio-1,6-bisfosfato. La sintesi dell’enzima nel fegato è regolata dalla dieta; la sua attività intra-cellulare può aumentare fino a 10 volte per effetto di un’aumentata sintesi di enzima,o induzione, come risultato dell’ingestione di una forte dose di carboidrati. Quale chesia il meccanismo genetico implicato, questa induzione contribuisce all’efficacia del“carico da carboidrati”, la pratica di mangiare una grande quantità di zuccheri primadi affrontare una prova sportiva che richiede una grande resistenza fisica, come peresempio una maratona. L’aumentato livello di piruvato chinasi aumenta la velocità diproduzione dell’energia a opera della glicolisi.

L’attività piruvato chinasica nel fegato è inoltre regolata dalla fosforilazione edefosforilazione della proteina enzimatica. La forma defosforilata è molto più attivadi quella fosforilata. Quando l’ossidazione degli acidi grassi e il ciclo dell’acido citri-co sono già operanti a velocità sufficienti per soddisfare il bisogno di energia dellacellula, questo meccanismo di regolazione, che è sotto controllo ormonale, instradail fosfoenolpiruvato verso la gluconeogenesi (vedere capitolo 16). In caso contrariotutto il fosfoenolpiruvato prodotto nel muscolo viene virtualmente convertito in pi-ruvato.

Le insufficienze genetiche di piruvato chinasi eritrocitaria sono state studiate nel-l’uomo. L’accumulo di fosfoenolpiruvato determina eccessivi livelli ematici di altri in-termedi glicolitici. Di particolare rilevanza clinica è l’accumulo di 2,3-bisfosfoglicera-to, che è stato introdotto nel capitolo 7 come inibitore allosterico del legame dell’ossi-geno all’emoglobina. Questo accumulo determina la compromissione dell’assunzio-ne di ossigeno a livello polmonare e la compromissione del trasporto di ossigeno aitessuti attraverso il flusso sanguigno.

La reazione piruvato chinasica trasforma la via glicolitica da un processo nell’in-sieme energeticamente neutro a un processo che comporta una sintesi netta di ATP.In questa fase vengono prodotti due gruppi fosfato ad alta energia per mole di esoso,e questi vanno ad aggiungersi agli altri due gruppi formati dalla fosfoglicerato china-si. Sottraendo i due ATP investiti a livello delle reazioni catalizzate dalla esochinasi edalla fosfofruttochinasi, si ottiene un bilancio netto di due gruppi fosfato ad altaenergia per mole di glucosio: certamente non una resa elevata, ma che rende il pro-cesso in grado di soddisfare le esigenze energetiche di molti anaerobi. Inoltre il suc-cessivo metabolismo del piruvato attraverso le vie aerobiche produce ulteriore fosfa-to ad alta energia.

La tabella 13.1 riassume le reazioni della glicolisi, mettendo in evidenza le varia-zioni di energia libera e la resa in ATP di ogni passaggio.

I DESTINI METABOLICI DEL PIRUVATO

Il piruvato rappresenta un momento centrale del metabolismo. Il suo destino è stret-tamente correlato allo stato ossidoriduttivo della cellula, il quale è a sua volta in rela-zione alla reazione catalizzata dalla gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (reazione 6).Si ricordi che questa reazione converte 1 mole di NAD+ a NADH per ogni mole ditrioso fosfato. Questo NADH deve essere riossidato a NAD+ perché la glicolisi possacontinuare. Come notato precedentemente, durante la glicolisi aerobica questoNADH è ossidato dalla catena di trasporto degli elettroni nei mitocondri, con il tra-sferimento finale degli elettroni all’ossigeno. L’ossidazione del NADH, che considere-remo in dettaglio nel capitolo 15, fornisce ulteriore energia, con circa 3 moli di ATPsintetizzato a partire da ADP per ogni mole di NADH ossidato. Dal momento che perogni mole di glucosio che entra nella via sono prodotte 2 moli di NADH, la glicolisi


I carboidrati introdotti conl’alimentazione inducono

l’espressione della piruvato chinasie aumentano la capacità del corpo

di ottenere energia mediante la glicolisi

C H

COO–

C O

H

H

C

H

COO–

C

O–

O

O P O–

H

H+

ATP

O–

Adenosina

O

O P

O–

O

–O P O


Resa �G°� �GReazione Enzima in ATP (kJ/mol) (kJ/mol)

FASE DI INVESTIMENTO ENERGETICO

Esochinasi (HK) �1 �16.7 �33.5

Fosfoglucoisomerasi (PGI) �1.7 �2.5

Fosfofruttochinasi (PFK) �1 �14.2 �22.2

Aldolasi (ALD) �23.9 �1.3

Trioso-fosfato isomerasi (TPI) �7.6 �2.5

FASE DI PRODUZIONE ENERGETICA

Gliceraldeide-3-fosfato �12.6 �3.4deidrogenasi(G3PDH)

Fosfoglicerato chinasi (PGK) �2 �37.6 �2.6

Fosfogliceromutasi (PGM) �8.8 �1.6

Enolasi(ENO) �3.4 �6.6

Piruvato chinasi (PK) �2 �62.8 �33.4

Bilancio netto: Glucosio � 2ADP � 2Pi � 2NAD� �� 2 piruvato � 2ATP � 2NADH � 2H� � 2H2O �2 �73.3 �96.2

Nota: I valori di �G sono stimati sulla base delle concentrazioni intracellulari approssimative degli intermedi glicolitici nel muscolo scheletrico di coniglio.Tutti i valori di �G dopo la reazione 5 sono stati raddoppiati, dato che ciascuna reazione coinvolge 2 molecole di substrato a tre atomi di carbonio per molecola di glucosio.

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TABELLA 13.1 Sommario della glicolisi

1

ADP

Glucosio-6-fosfato (G6P)

Glucosio (G)

ATP

2

Fruttosio-6-bisfosfato (F6P)

3

ADP

Fruttosio-1,6-bisfosfato (FBP)

ATP

4

Gliceraldeide-3-fosfato (G3P)+ diidrossiacetone fosfato (DHAP)

5

Due gliceraldeide-3-fosfato

g

6

2NADH + 2H+

Due 1,3-bisfosfoglicerato (BPG)

2NAD+ + 2Pi

7

2

Due 3-fosfoglicerato (3PG)

2ADP

ATP

8

Due 2-fosfoglicerato (2PG)

92H2O

Due fosfoenolpiruvato (PEP)

10

2

Due Piruvato (Pyr)

2ADP

ATP


aerobica fornisce considerevolmente più ATP rispetto alla glicolisi anaerobica. L’ossi-dazione del piruvato attraverso il ciclo dell’acido ciclico produce inoltre molta altraenergia.

IL METABOLISMO DEL LATTATO

Nelle cellule aerobiche che sostengono una glicolisi a ritmi molto elevati, il NADHprodotto in questa via non può essere completamente riossidato nel mitocondrio conuna velocità confrontabile. In questo caso, come anche nel caso delle cellule anaerobi-che nelle quali mancano i mitocondri, il NADH deve essere utilizzato per ridurre unsubstrato organico, al fine di garantire l’omeostasi. Come osservato precedentemente,questo substrato è costituito dal piruvato stesso sia nelle cellule eucariotiche sia neibatteri lattici, mentre il prodotto è costituito dal lattato. L’enzima che catalizza questareazione è la lattato deidrogenasi (vedere pagina 457). L’equilibrio della reazione èmolto spostato a destra. La figura 13.6, che illustra il profilo energetico della glicolisianaerobica, mostra che il NADH prodotto dall’ossidazione della gliceraldeide-3-fo-sfato è utilizzato per ridurre il piruvato a lattato. Quindi, durante la glicolisi anaero-bia, o fermentazione lattica, viene rispettato il bilancio ossidoriduttivo complessivo.

Nei vertebrati alcune cellule, come i globuli rossi del sangue, ricavano molta dellapropria energia da un metabolismo anaerobico. Il muscolo scheletrico, che a riposoricava la maggior parte della propria energia dalla respirazione, sotto sforzo è forte-mente dipendente dalla glicolisi, una circostanza in cui le scorte di glicogeno sono ra-pidamente consumate, o mobilizzate, per fornire substrati alla via glicolitica. Normal-mente il lattato prodotto diffonde dai tessuti e viene trasportato dal flusso sanguignoverso tessuti fortemente aerobi, quali cuore e fegato. I tessuti aerobi sono in grado dicatabolizzare ulteriormente il lattato attraverso la respirazione, o possono convertirlonuovamente a glucosio mediante la gluconeogenesi. Se però il lattato è prodotto ingrosse quantità non può essere consumato rapidamente. In questo caso, come abbia-mo discusso nel capitolo 7, il pH del sangue scende e agisce l’effetto Bohr, con au-mento di apporto di ossigeno ai tessuti.


FIGURA 13.6

Profilo energetico ed elettronico dellaglicolisi anaerobica. Il grafico mostra il ∆G′di ciascuna reazione, calcolato dal valore di∆G°′ e dalle concentrazioni molari stimate diciascun intermedio nell’eritrocita umano. (I nu-meri in parentesi sono le concentrazioni micro-molari stimate). Si notino questi punti: (1) duedei quattro ATP prodotti sono usati per com-pensare l’investimento iniziale di ATP; (2) incondizioni di anaerobiosi gli equivalenti di ridu-zione prodotti dalla gliceraldeide-3-fosfato dei-drogenasi devono essere usati per ridurre unsubstrato organico; (3) gli enzimi soggetti acontrollo sono quelli che catalizzano reazionicosì fortemente esoergoniche da essere pratica-mente irreversibili (frecce), e (4) poiché unareazione per procedere deve avere un ∆G′ ne-gativo, eventuali inesattezze nella misura dellaconcentrazione dei metaboliti sono probabil-mente all’origine dei valori di ∆G′ positivi, misu-rati per alcune reazioni.

Il piruvato deve essere ridotto alattato quando i tessuti non sono

sufficientemente aerobici perossidare tutto il NADH prodotto

dalla glicolisi

ATP

ADP

0

20

40

∆G' r

elat

ivo

al g

luco

sio,

kJ/

mol

60

80

ATPATP22ADP

2ADP

2NAD+2NADH + 2H+

Percorso avanzato

ATP2

Glucosio(5000)

G6P(83) F6P

(14)

FBP(31)

G3P(19)

DHAP(138)

Pi(1000)

G3P(19)

BPG(1)

Lac(2900)

Pyr(51)

3PG(118)

2PG(30) PEP

(23)

(1850)

ADP(138)


Fino a tempi recenti, si riteneva che l’accumulo di lattato nel muscolo scheletricofosse principalmente una conseguenza del metabolismo anaerobico, che si verificaquando la domanda di energia dei tessuti eccede la loro capacità di ossidazione del pi-ruvato prodotto nella glicolisi. Recenti studi metabolici, tra cui l’analisi mediante 31PNMR dei livelli degli intermedi fosforilati nelle cellule muscolari in attività, suggeri-scono che il lattato è in realtà un intermedio e non un prodotto metabolico termina-le. Questi studi dimostrano che anche in tessuti perfettamente ossigenati, circa il 50%del glucosio metabolizzato è convertito in lattato. Questo può rappresentare un mez-zo per il coordinamento tra le vie deputate all’immagazzinamento dell’energia e quel-le deputate alla sua produzione in tessuti diversi, anche se i meccanismi coinvolti nonsono ancora chiari.

ISOENZIMI DELLA LATTATO DEIDROGENASI

La lattato deidrogenasi, come molti altri enzimi, esiste nei tessuti animali in formemolecolari multiple. Diverse forme molecolari di un enzima che catalizzano la stessareazione sono dette isoenzimi o isozimi. La lattato deidrogenasi è stato il primo enzi-ma per il quale fu stabilita la base fisica dell’esistenza di isoenzimi. La maggior partedei tessuti contengono cinque isoenzimi della lattato deidrogenasi; questi possono es-sere separati elettroforeticamente, come mostrato in figura 13.7.

La lattato deidrogenasi (LDH) è una proteina tetramerica che consiste di due di-versi tipi di subunità, indicate con M e H, che presentano piccole differenze di se-quenza aminoacidica. Le subunità M predominano nel muscolo scheletrico e nel fe-gato, mentre le subunità H predominano nel cuore. Le subunità M e H si combinanoa caso l’una con l’altra, in modo che i cinque principali isoenzimi hanno composizio-ne M4, M3H, M2H2, MH3 e H4. A causa dell’assortimento casuale delle subunità, lacomposizione isoenzimatica di un tessuto è determinata principalmente dall’attivitàdei due geni che specificano le due subunità.

Il significato fisiologico dell’esistenza di forme differenti di questo enzima non èchiaro. In ogni caso, la specificità tissutale del profilo isoenzimatico è utile in medici-na clinica. Condizioni patologiche quali infarto del miocardio, epatite infettiva, o af-fezioni muscolari determinano necrosi cellulare nei tessuti colpiti, con il rilascio delcontenuto cellulare nel sangue. La composizione isoenzimatica della LDH nel sierodel sangue è indicativa del tessuto responsabile del rilascio degli isoenzimi. Questainformazione può essere usata per la diagnosi di queste condizioni patologiche e perseguire l’andamento della terapia.

METABOLISMO DELL’ETANOLO

Il piruvato ha numerosi destini alternativi nei microrganismi anaerobi. Come prece-dentemente osservato, i batteri lattici riducono il piruvato a lattato in un unico pas-saggio (vedere qui sotto). Il lievito invece converte il piruvato in etanolo in una via co-stituita da due passaggi. Questa fermentazione alcolica inizia con la decarbossilazio-

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FIGURA 13.7

Basi strutturali dell’esistenza di isoenzi-mi della lattato deidrogenasi. Delle prepa-razioni sono state analizzate mediante elet-troforesi su gel d’amido, che è stato successiva-mente trattato per rivelare le bande contenentiproteina enzimaticamente attiva. LDH-1 è untetramero contenente soltanto la subunità H,mentre LDH-5 contiene solo subunità M. Lacorsia centrale deriva da un esperimento nelquale sono state mescolate uguali quantità diLDH-1 e LDH-5. Le subunità sono state disso-ciate e quindi lasciate riassociare. La presenza dicinque differenti forme enzimatiche e le loroquantità relative dimostrano che le singole su-bunità M e H possono associarsi casualmente aformare tetrameri di composizione mista di su-bunità.

Per concessione di C.L. Markert, Science (1963) 140:1329.Copyright © 1963 by the AAAS.

NADHNADH + H+

NAD+

H+ +

NAD+

Etanolo

CO2

H+

Acetaldeide

Lattato

Fermentazione lattica Fermentazione alcolica

Piruvato

LievitoCellule animali e batteriche produconoacido lattico

a b

Str

uttu

ra in

sub

unità

LDH

-5

Mis

cela

(1

+ 5

)

LDH

-1

( + )

Origine

( – )

A4

A3B1

A2B2

A1B3

B4


ne non ossidativa del piruvato ad acetaldeide, catalizzata dalla piruvato decarbossila-si. La reazione è seguita dalla riduzione NADH-dipendente dell’acetaldeide a etanolo,catalizzata dall’alcol deidrogenasi.


La prima reazione richiede tiamina pirofosfato come coenzima. Questo coenzi-ma, che deriva dalla vitamina B1, partecipa a varie reazioni di trasferimento di grup-po in cui sia presente un’aldeide attivata (vedere capitolo 14).

La produzione industriale di etanolo ha assunto un’enorme importanza nell’am-bito degli sforzi fatti dall’umanità per risolvere due gravi problemi: (1) la sostituzionedel petrolio, fonte energetica non rinnovabile, con una fonte di energia rinnovabile e(2) lo smaltimento dei materiali biologici di scarto. Attraverso la bioingegneria si cer-ca di ottenere la produzione di ceppi batterici che possano convertire in esosi mate-riali come la cellulosa proveniente dagli scarti della lavorazione del legno, o la paglia,oppure anche materiali più complessi presenti nei rifiuti umani e animali. Si studiainoltre con particolare attenzione la regolazione della glicolisi, allo scopo di massi-mizzare la produzione di etanolo una volta prodotti i substrati adatti a questa via.

Anche i tessuti animali contengono alcol deidrogenasi, sebbene l’etanolo non siaun prodotto metabolico importante in queste cellule. Alcune delle principali conse-guenze metaboliche dell’intossicazione da etanolo derivano dall’ossidazione dell’eta-nolo nel fegato da parte di questo enzima. Per prima cosa si ha una massiccia riduzio-ne del NAD+ a NADH, che riduce il livello stesso di NAD+, diminuendo così il flussoattraverso la gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi con la conseguente inibizione dellaproduzione di energia. Inoltre l’acetaldeide è piuttosto tossica, e molti degli effettispiacevoli dei postumi di un’ubriacatura dipendono dall’azione dell’acetaldeide e deisuoi metaboliti.

PRODUZIONE DI ENERGIA E BILANCIO ELETTRONICO

Scrivendo l’equazione chimica bilanciata della glicolisi, possiamo calcolare la quan-tità di energia associata alla trasformazione di 1 mole di glucosio. Per la glicolisianaerobica o per la fermentazione lattica è possibile scrivere la seguente equazionechimica:

Glucosio � 2ADP � 2Pi�� 2 lattato � 2ATP � 2H2O

Analogamente è possibile scrivere un’equazione bilanciata per la fermentazionealcolica:

Glucosio � 2ADP � 2Pi � 2H� �� 2 etanolo � 2CO2 � 2ATP � 2H2O

Si noti che nessuno dei due processi coinvolge un cambiamento nello stato di os-sidazione complessivo: NAD+ e NADH, anche se partecipano entrambi ai processimetabolici, non appaiono nelle reazioni complessive, come è anche mostrato in figu-ra 13.6.

Nel caso della glicolisi aerobica, nell’equazione completa compaiono i nucleotidinicotinammidici, come mostrato di seguito:

Glucosio � 2ADP � 2Pi � 2NAD� �� 2 piruvato � 2ATP � 2NADH � 2H�� 2H2O

Nel mitocondrio, il NADH genera equivalenti di riduzione in un processo di tra-


sporto che richiede energia, come descritto nel capitolo 15. È noto sperimentalmenteche la riossidazione di 1 mole di NADH nel mitocondrio produce circa 3 moli di ATP.

2NADH � 8H� � O2 � 6ADP � 6Pi�� 2NAD� � 8H2O � 6ATP

Sommando queste due ultime equazioni si comprende perché la glicolisi che haluogo in concomitanza con la respirazione produce 8 moli di ATP per mole di glucosio.

Glucosio � 8ADP � 6H� � 8Pi � O2�� 2 piruvato � 8ATP � 10H2O

Il metabolismo del glucosio, sia che produca lattato o etanolo, rappresenta unprocesso non ossidativo, come si può osservare confrontando le formule brute delglucosio (C6H12O6) e del lattato (C3H6O3). È evidente che non c’è cambiamento del-lo stato di ossidazione complessivo degli atomi di carbonio, in quanto il numero diatomi di idrogeno e ossigeno legati per atomo di carbonio sono identici per il gluco-sio e il lattato. La stessa cosa vale quando si formano etanolo e CO2, se nella valutazio-ne vengono inclusi gli atomi di entrambi i composti. Tuttavia, alcuni singoli atomi dicarbonio del lattato o dell’insieme di etanolo e CO2 subiscono un’ossidazione mentrealtri vengono ridotti. Al contrario il piruvato ha un livello di ossidazione superiore aquello del glucosio, come si può vedere dalla sua formula bruta (C3H4O3).

Si noti anche che la glicolisi, sia essa aerobica o anaerobica, libera solo una piccolafrazione dell’energia potenziale contenuta nella molecola di glucosio. Come osserva-to precedentemente (vedere i capitoli 3 e 12), la combustione completa del glucosio aCO2 e H2O produce 2870 kJ/mol di energia libera in condizioni standard. Come ve-dremo nel prossimo capitolo, circa 38 moli di ATP sono sintetizzate dall’ADP per mo-le di glucosio metabolizzato completamente dalla via glicolitica e dal ciclo dell’acidocitrico. L’energia libera necessaria per spingere la sintesi di queste 38 moli di ATP rap-presenta circa il 40% dell’energia potenziale rilasciata durante la combustione delglucosio. Dal momento che il catabolismo del glucosio a lattato o piruvato rende sol-tanto rispettivamente 2 o 8 moli di ATP, è chiaro che molta dell’energia potenzialepresente nel glucosio è, al termine della glicolisi, ancora in attesa di essere resa dispo-nibile. Il metabolismo aerobico produce più energia di quello anaerobico; di conse-guenza, gli organismi aerobi hanno generalmente più successo e sono più diffusi de-gli organismi anaerobi. La precoce evoluzione del metabolismo aerobico ha reso pos-sibile l’esistenza dei grandi e vigorosi animali che conosciamo oggi. Ciononostante al-cuni animali di grosse dimensioni ricavano ancora una grande porzione della propriaenergia metabolica dalla glicolisi, almeno in determinate condizioni fisiologiche. Unbuon esempio è costituito dal coccodrillo: torpido (e aerobio) per molta parte dellapropria esistenza, è capace di brevi e rapidissimi scatti. In quest’ultima situazione laglicolisi, accopppiata alla demolizione delle riserve saccaridiche, rappresenta un mo-do rapido, anche se inefficiente, di produrre energia.

LA REGOLAZIONE DELLA GLICOLISI

La glicolisi è strettamente coordinata ad altre importanti vie metaboliche per la pro-duzione e l’utilizzazione dell’energia, in particolare alla sintesi e degradazione del gli-cogeno (o dell’amido), alla gluconeogenesi, alla via del pentoso fosfato e al ciclo del-l’acido citrico. I fattori metabolici che controllano la glicolisi spesso regolano anche al-tre vie in modo coordinato. È quindi difficile considerare la regolazione della glicolisiindipendentemente da queste altre vie, e di conseguenza ritorneremo sull’argomentosolo dopo aver presentato le altre principali vie del metabolismo energetico (vederecapitolo 23). È comunque importante descrivere qui i due enzimi chiave che fungonoda siti di regolazione: la fosfofruttochinasi (il sito principale) e la piruvato chinasi. Sinoti che l’esochinasi catalizza anche un passaggio regolato (vedere pagina 373 e figu-ra 11.8). La regolazione dell’esochinasi da parte del suo prodotto, il glucosio-6-fosfa-to, è coinvolta anche in altri processi, come la sintesi del glicogeno e l’omeostasi del li-vello ematico di glucosio.

ISBN 88-408-1287-3 L A R E G O L A Z I O N E D E L L A G L I C O L I S I 471

La glicolisi, che produce 2 moli di ATP per mole di glucosioossidato anaerobicamente oppure 8moli di ATP per mole di glucosioossidato nella via aerobica, rilascia solo una piccolapercentuale dell’energia contenutanella molecola di glucosio

La fosfofruttochinasi e la piruvatochinasi sono i principali siti di controllo della glicolisi


METABOLISMO DEI CARBOIDRATI I: PROCESSI ANAEROBICI … · mente diffusa nelle cellule viventi....

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