SA B09-Metabolismo dei carboidrati I - Giorgio Sartor · 16/03/2018 3 I glucidi •I glucidi sono...

16/03/2018

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Metabolismo dei carboidrati

I

Prof. Giorgio Sartor

Copyright © 2001-2018 by Giorgio Sartor.

All rights reserved.

B09-I Versione 3.1 – Mar-18

Glicolisi

O

H

OH

OH

HH

OH

OH

HH

OHH

H

CH2OH

OH

OHHHOHOHHOHH

CH3

OO

O

CH3

OHO

O

CH2OPO3--

OHH

OHH

OHH

OH

D-Glucoso

Fruttoso-1,6-difosfato

2ADP + 2Pi

2ATP

2NAD+

2NADH

2 Piruvato

Fermentazionelattica

(Anaerobiosi)Fermentazione

alcolica(Anaerobiosi)

2 Lattato2NAD+

2NADH

2 CO2 + 2 etanolo

Riboso-5-fosfato

3-fosfogliceraldeide

GlicolisiCiclo deipentosiGluconeogensi

Glicogeno

Metabolismodel Glicogeno

NADH

Ossidazioneaerobica

Ciclo di Krebs

Fosforilazioneossidativa

6 CO2 + 6H2O

NAD+

NAD+

Piruvato

Acetil-CoA

H+H+

ADP + Pi

ATPO2

Indice

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v. 3.1 © gsartor 2001-2018 Metabolismo dei carboidrati - I - 3 -


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I glucidi

• I glucidi sono tra i maggiori fornitori di energia degli organismi.

• Sono introdotti con la dieta e prodotti dalle cellule.

• Sono in genere dei polisaccaridi.–Attraverso la digestione vengono

degradati a monosaccaridi (glucosio, fruttosio, galattosio, …)



I glucidi

• I monosaccaridi vengono demoliti per produrre energia a spesa dei legami chimici.

• In presenza di ossigeno si ha la “combustione” completa del monosaccaride:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O• L’energia prodotta viene immagazzinata

sottoforma di nucleotidi trifosfati (ATP).

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I glucidi

• Una cellula in condizioni ottimali tende ad accumulare polisaccaridi come:–glucidi di riserva (amidi, glicogeno)–glucidi strutturali (cellulosa).


Vie metaboliche

• Tutte le operazioni di degradazione dei monosaccaridi e di sintesi dei monosaccaridi e polisaccaridi sono gestite da vie metaboliche che mantengono l’omeostasi dell’organismo.

• Quando il bilancio si altera si ha la regolazione del metabolismo

• La velocità con la quale avviene una via metabolica è regolata.

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Regolazione delle vie metaboliche

• La velocità di una via metabolica – può essere regolata sia dalla disponibilità del

substrato che dalla disponibilità dell’enzima.– È controllata a livello della reazione più lenta della via

metabolica• Termodinamicamente molto favorito• Catalizzato da un enzima estremamente regolato• Spesso in una biforcazione della via metabolica

• Le vie cataboliche (demolizione) ed anaboliche (sintesi) usano spesso gli stessi enzimi, ma hanno almeno una reazione catalizzata da un enzima diverso


Regolazione delle vie metaboliche

A

B BB B

B

BBB

C

D

EE

EE

EE

E

E E

EE

E

F

G

Reazione limitata dalla concentrazione di

substrato.(all’equilibrio o vicina

all’equilibrio)

Reazione limitata dalla concentrazione di

enzima.(lontana dall’equilibrio)

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Glicolisi

La via di Embden-Meyerhof (Warburg)


GlicolisiO

H

OH

OH

HH

OH

OH

HH

OHH

H

CH2OH

OH

OHHHOHOHHOHH

CH3

OO

O

CH3

OHO

O

CH2OPO3--

OHH

OHH

OHH

OH

D-Glucoso


2ADP + 2Pi

2ATP

2NAD+

2NADH

2 Piruvato




2 Lattato2NAD

2NAD

2 CO2 + 2 etanolo

Riboso-5-fosfato



Glicogeno

Metabolismodel

NADH + H+

Ossidazioneaerobica

Ciclo di Krebs


6 CO2 + 6H2O

NAD

NAD+

Piruvato

Acetil-CoA

H+H+

ADP +

ATPO2

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Glicolisi

• In tutte le cellule avviene la glicolisi• Dieci reazioni, le stesse in tutte le cellule, ma con

diversa cinetica• Tre fasi:

– La prima fase converte il glucosio in fruttosio-1,6-difosfato,

– La seconda fase scinde il fruttosio-1,6-difosfato in due triosi,

– La terza fase produce due molecole di piruvato. • I prodotti sono: piruvato, ATP e NADH.• Esistono tre diversi destini possibili del piruvato.

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Glicolisi• Gli enzimi sono confinati nel citoplasma della

cellula.

• Gli intermedi sono tutti fosforilati.– Non passano attraverso le membrane.

– Vengono riconosciuti dagli enzimi.

– Sono convertiti in intermedi ad alto potenziale di trasferimento del fosfato che sono in grado di fosforilare l’ADP ad ATP.


Pote

nzi

ale

di tr

asfe

rim

ento

del

fosf

ato (

∆G°'

) kc

al/m

ole

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Fosfoenolpiruvato

1,3-bifosfoglicerato

ATP

Glucoso-6-fosfato

Intermedi fosforilati

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Fasi della glicolisi

1. Fosforilazione del substrato ed attivazione,

2. Scissione dello zucchero a sei atomi di carbonio,

3. Recupero dell’energia nella fosforilazione dell’ADP.


Reazioni della glicolisi• Sei tipi di reazioni:1. Trasferimento del fosfato (4)

2. Spostamento del fosfato (1)

3. Redox (1)

R OH ATP R O PO

OO ADP

Chinasi+ +

RO

HO P

OO

OH

H

H

RO

H

POO

O

OHH

HMutasi

R OHH

H

R OH

Deidrogenasi

+ Ossidante + Riducente

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Reazioni della glicolisi• Sei tipi di reazioni:

4. Isomerizzazione (1)

5. Deidratazione (1)

6. Scissione aldolica (1)

CH2OH

R

O

R

OH

O HIsomerasi

HOH

HH

HH

Enolasi

+ H2O

R'H OH

R

HOH

O

R'

H O

R

HOH

O

H

Aldolasi

+


Fosforilazione

• La prima fase della glicolisi consiste nella fosforilazione del glucoso per arrivare a fruttoso-1,6-difosfato attraverso il glucoso-6-fosfato che viene isomerizzato a fruttoso-6-fosfato.

• Vengono consumate due molecole di ATP per ottenere lo zucchero difosfato.

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O

CH2OH

OH

OH

OH

OH

O

CH2

OH

OH

OH

OH

OPO

3--

O

OH

OH

CH2OH

OH

CH2

O

PO3--

O

OH

OH

CH2

OH

CH2

O

PO3--

OPO

3--

OH

O

CH2

O

PO3--

H

OH

CH2

O

OPO

3--

OH

O

CH2

O

PO3--

OPO3--

OH

O

CH2

O

PO3--

O

OPO3--

O

CH2

OH

O

OPO3--

O

CH2

O

O

O

CH3

O

ATP

ADP

Pi

NADH

ADP

ATP

Glucoso Glucoso-6-fosfato Fruttoso-6-fosfato Fruttoso-1,6-bifosfato

Diidrossiacetonfosfato

3-fosfogliceraldeide1,3-bifosfoglicerato

3-fosfoglicerato 2-fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato Piruvato

ADP

ATP

NAD+ +

ADP

ATPH2O


O

CH2OH

OH

OH

OH

OH

O

CH2

OH

OH

OH

OH

OPO

3--

O

OH

OH

CH2OH

OH

CH2

O

PO3--

O

OH

OH

CH2

OH

CH2

O

PO3--

OPO

3--

OH

O

CH2

O

PO3--

H

OH

CH2

O

OPO

3--

OH

O

CH2

O

PO3--

OPO3--

OH

O

CH2

O

PO3--

O

OPO3--

O

CH2

OH

O

OPO3--

O

CH2

O

O

O

CH3

O

ATP

ADP

Pi

NADH

ADP

ATP





ADP

ATP

NAD+ +

ADP

ATPH2O

TRANSFERASI(Kinasi)

TRANSFERASI(Kinasi)

TRANSFERASI(Kinasi)

MUTASI

TRANSFERASI(Kinasi)

ALDOLASI

ISOMERASI

ENOLASI

DEIDROGENASI

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O

CH2OH

OH

OH

OH

OH

O

CH2

OH

OH

OH

OH

OPO

3--

O

OH

OH

CH2OH

OH

CH2

O

PO3--

O

OH

OH

CH2

OH

CH2

O

PO3--

OPO

3--

OH

O

CH2

O

PO3--

H

OH

CH2

O

OPO

3--

OH

O

CH2

O

PO3--

OPO3--

OH

O

CH2

O

PO3--

O

OPO3--

O

CH2

OH

O

OPO3--

O

CH2

O

O

O

CH3

O

ATP

ADP

Pi

NADH

ADP

ATP





ADP

ATP

NAD+ +

ADP

ATPH2O

TRANSFERASI(Kinasi)

TRANSFERASI(Kinasi)

TRANSFERASI(Kinasi)

MUTASI

TRANSFERASI(Kinasi)

ALDOLASI

ISOMERASI

ENOLASI

DEIDROGENASI


O

CH2OH

OH

OH

OH

OH

O

CH2

OH

OH

OH

OH

OPO3--

O

OH

OH

CH2OH

OH

CH2

OPO3--

O

OH

OH

CH2

OH

CH2

OPO3--

OPO3--

OH

O

CH2

OPO3--

H

OH

CH2

O

OPO3--

OH

O

CH2

OPO3--

OPO3--

OH

O

CH2

OPO3--

OOPO3--

O

CH2

OH

O

OPO3--

O

CH2

O

O

O

CH3

O

ATP

ADP

ATP

ADP

NAD+ + Pi

NADH ADP

ATP

ADPATP

Glucoso

Glucoso-6-fosfato

Fruttoso-6-fosfato

Fruttoso-1,6-bifosfato




3-fosfoglicerato

2-fosfogliceratoFosfoenolpiruvatoPiruvato

EsochinasiMg++

Fosfoglucoisomerasi

Fosfofruttochinasi

AldolasiGliceraldeide-

3-fosfatodeidrogenasi

Fosfogliceratochinasi

Fosfogliceratomutasi

Enolasi

Piruvatochinasi

Mg++

Mg++

Mg++, K+

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Fase 1Formazione di fruttoso-1,6-bifosfato

O

CH2OH

OH

OH

OH

OH

O

CH2

OH

OH

OH

OH

OPO3--

O

OH

OH

CH2OH

OH

CH2

OPO3--

O

OH

OH

CH2

OH

CH2

OPO3--

OPO3--

OH

O

CH2

OPO3--

H

OH

CH2

O

OPO3--

OH

O

CH2

OPO3--

OPO3--

OH

O

CH2

OPO3--

OOPO3--

O

CH2

OH

O

OPO3--

O

CH2

O

O

O

CH3

O

ATP

ADP

ATP

ADP

NAD+ + Pi

NADH ADP

ATP

ADPATP

Glucoso

Glucoso-6-fosfato

Fruttoso-6-fosfato





3-fosfoglicerato


EsochinasiMg++

Fosfoglucoisomerasi

Fosfofruttochinasi


3-fosfatodeidrogenasi



Enolasi

Piruvato

chinasi

Mg++

Mg++

Mg++, K+

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Fase 1Formazione di fruttoso-1,6-bifosfato

O

CH2OH

OH

OH

OH

OH

O

CH2

OH

OH

OH

OH

OPO3--

O

OH

OH

CH2OH

OH

CH2

OPO3--

O

OH

OH

CH2

OH

CH2

OPO3--

OPO3--

ATP

ADP

ATP

ADP

Glucoso

Glucoso-6-fosfato

Fruttoso-6-fosfato


EsochinasiMg++

Fosfoglucoisomerasi

Fosfofruttochinasi


Formazione del fruttoso-1,6-difosfato

• Gli enzimi coinvolti sono due chinasi (la esochinasi e la fosfofruttochinasi) ed una isomerasi

• Risultato netto:

GLU + 2 ATP → FBP + 2 ADP

OH

OH

OH

H

H

OHOH

H

CH2OH

H

OH

OH

OH

H

H

OHOH

H

CH2OPO3--

H

O CH2OH

OH

H

OH

OH

H

CH2OPO3--

H

O CH2OPO3--

OH

H

OH

OH

H

CH2OPO3--

H

ATP

ADP

Esochinasi (EC 2.7.1.1)Mg++

Glucoso

Glucoso-6-fosfato

GLU

G6P

Fruttoso-6-fosfato

Fosfoglucoisomerasi (EC 5.3.1.9)

F6P

ATP

ADP

Fosfofruttochinasi (EC 2.7.1.11)Mg++

FBPFruttoso-1,6-bifosfato

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Esochinasi

• Fosforilazione del glucoso

• Consumo di ATP

• Fosforilazione spontanea a causa dell’idrolisi dell’ATP

OH

OH

OH

H

H

OHOH

HH

O HH

H

OH

OH

OH

H

H

OHOH

HH

O HHP

O

OO

O

P

OO

O

OH OH

N N

N N

NH2

O

P

OO

O

PO

OO

Mg++

O

P

OO

O

OH OH

N N

N N

NH2

O

P

OO O

Esochinasi (EC 2.7.1.1)

Glucoso

Glucoso-6-fosfatoADP

ATP


Esochinasi EC 2.7.1.1

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Esochinasi inattiva

• Il legame del glucoso induce un cambiamento conformazionale

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Esochinasi attiva

http://www.genome.jp/dbget-bin/mime_rasmol?1BDGhttp://www.rcsb.org/pdb/explore.do?structureId=1BDG


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1dgk

1hkg 2yhx

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• La fosforilazione confina il glucoso nella cellula• La Km per il glucosio è 0.1 mM; nella cellula il

glucosio è 4 mM• La glucochinasi ha una Km

glucoso = 10 mM, siattiva solo quando la cellula si arricchisce inglucosio

• La esochinasi è regolata allostericamente,viene inibita dal glucoso-6-fosfato ma non è ilprincipale sito di regolazione della glicolisi


Formazione del fruttoso-6-difosfatoO

H

OH

OH

H

H

OHOH

H

CH2OH

H

OH

OH

OH

H

H

OHOH

H

CH2OPO3--

H

O CH2OH

OH

H

OH

OH

H

CH2OPO3--

H

OH

O

OH

H

H

OHOH

H

CH2OH

H

PO3--

ATP

ADP

Mg++

Glucoso

Glucoso-6-fosfato

GLU

G6P

Fruttoso-6-fosfato

F6P

Via dei pentosi fosfati

Sintesi di NADPH edi zuccheri a 3, 5, 6 e 7 atomi di carbonio

Glucoso-1-fosfato

Glicogeno

Glucuronato

Glucosamina-6-fosfato

Sintesi dicarboidrati

Deposito di energia nel muscolo e nel

fegato

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OH

OH

OH

H

H

OHOH

H

CH2OH

H

OH

OH

OH

H

H

OHOH

H

CH2OPO3--

H

O CH2OH

OH

H

OH

OH

H

CH2OPO3--

H

O CH2OPO3--

OH

H

OH

OH

H

CH2OPO3--

H

ATP

ADP


Glucoso

Glucoso-6-fosfato

GLU

G6P

Fruttoso-6-fosfato


F6P

ATP

ADP


F6PFruttoso-1,6-bifosfato


Fosfoglucoisomerasi EC 5.3.1.9

O H

O

OH

H

H

OHOH

HH

O HHP

O

O O

H

OH

OOH

H

H

OHOH

HH

O HHP

O

O O

H

B+

H

B

B

B

OH

OOH

OHOH

HH

O HHP

O

O O

H

H

B

B+ H

OH

OH

OH

OHOH

HH

O HHP

O

O O

H

H

B

B

BH+

B

O

H

O HHP

O

O O

OH

H

H

OH

OH

OHH

H

H+

Esce il F6P

Entra il G6P

Apertura dell'anello

Intermediocis-enediolato

Scambiato con il mezzo

Chiusura dell'anello

Glucoso-6-fosfato

Fruttoso-6-fosfato

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F6P



G6P

Aminoacidi basici

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22



F6P

Aminoacidi basici



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1hox


OH

OH

OH

H

H

OHOH

H

CH2OH

H

OH

OH

OH

H

H

OHOH

H

CH2OPO3--

H

O CH2OH

OH

H

OH

OH

H

CH2OPO3--

H

O CH2OPO3--

OH

H

OH

OH

H

CH2OPO3--

H

ATP

ADP


Glucoso

Glucoso-6-fosfato

GLU

G6P

Fruttoso-6-fosfato


F6P

ATP

ADP



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Fosfofruttochinasi EC 2.7.1.11

È la reazione che controlla la glicolisi• È la seconda reazione di fosforilazione• Valore di ∆G grande e negativo,

– La PFK è altamente regolata• ATP inibisce, AMP elimina l’inibizione• Il citrato è un inibitore allosterico• Il fruttoso-2,6-bifosfato è un attivatore allosterico

– L’attività della PFK aumenta quando lo stato energetico della cellula è basso.

– L’attività della PFK diminuisce quando lo stato energetico della cellula è alto.

• Spinge la reazione verso la glicolisi e non verso il ciclo dei pentosi


OH

OH

OH

H

H

OHOH

H

CH2OH

H

OH

OH

OH

H

H

OHOH

H

CH2OPO3--

H

O CH2OH

OH

H

OH

OH

H

CH2OPO3--

H

OH

O

OH

H

H

OHOH

H

CH2OH

H

PO3--

O CH2OPO3--

OH

H

OH

OH

H

CH2OPO3--

H

ATP

ADP

Mg++

Glucoso

Glucoso-6-fosfato

GLU

G6P

Fruttoso-6-fosfato

F6P

Via dei pentosi fosfati

Sintesi di NADPH edi zuccheri a 5, 6 e 7 atomi di carbonio

Glucoso-1-fosfato

Glicogeno

Glucuronato

Glucosamina-6-fosfato

Sintesi dicarboidrati

Deposito di energia nel muscolo e nel

fegato

ATP

ADP

Fosfofruttochinasi (EC 2.7.1.11) Mg++


ATPCitratoAMP


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O

H

O HHP

O

OO

OH

H

H

OH

OH

OHH

HO

H

O HHP

O

O O

OH

H

H

OH

OH

OH

HP

O

OO

Fruttoso-6-fosfatoF6P

ATP ADPMg++

FBP


+ +

∆G°' = -14.2 kJ mol-1

∆Geritrociti = -18.8 kJ mol-1



ADP

ADPFBPMg++

Mg++

Dimero di un tetramero

http://www.rcsb.org/pdb/explore.do?structureId=1PFK

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ADP

ADPF6P

Mg++

Mg++



ADPFBPMg++

FBP

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4pfk



F6P

Dimero di un tetramero

http://www.rcsb.org/pdb/explore.do?structureId=1MTO

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4pfk 4pfk 6pfk


Enzima tandem• La regolazione della PFK

coinvolge un’altra molecola fosforilata: il fruttoso-2,6-bifosfato, che funziona da attivatore allosterico della PFK.

• La sintesi di questa molecola è regolata da una proteina che, su singolo polipeptide, svolge due attività enzimatiche diverse a secondo se è o non è fosforilato: l’enzima tandem.

• L’enzima tandem è finemente regolato.

O

CH2OH

OPO3--

H

OH

OH

H

CH2

H

OPO3--

O

CH2OH

OH

H

OH

OH

H

CH2

H

OPO3--

ATP ADP

Pi

cAMP

PO

O

O

O

CH2OH

H

OH

OH

HCH2

H

O

OPO

O

O

FosforilasiChinasi A

Attiva

Enzima defosforilato

Enzima fosforilato

6-Fosfofrutto-2-chinasi (EC 2.7.1.105)

Fruttoso-2,6-difosfatasi (EC 3.1.3.46)

FosforilasiChinasi AInattiva

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Enzima tandem


Regolazione PFK

4ald-1j4e4ald-1j4e

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Fase 2Scissione del fruttoso-1,6-bifosfato

O

OH

OH

CH2

OH

CH2

OPO3--

OPO3--

OH

O

CH2

OPO3--

H

OH

CH2

O

OPO3--




Aldolasi

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Scissione del fruttoso-1,6-difosfato

• La scissione del fruttoso-1,6-difosfato attraverso l’aldolasi porta alla formazione di due triosi, diidrossiacetonfosfato e 3-fosfogligeraldeide.

• I due triosi sono tra loro in equilibrio attraverso la trioso fosfato isomerasi

O CH2OPO3--

OH

H

OH

OH

H

CH2OPO3--

H

CH2OPO3--O

CH2OPO3--

HOHOHHOHH

CH2OPO3--OHOH

H CH2OPO3--

H

OHH

O

DHAP


GAP


F6P


Aldolasi (EC 4.1.2.13)

Trioso fosfato isomerasi(EC 5.3.1.1)


Aldolasi: meccanismo generaleCH2OPO3--

CH2OPO3--

OHH

H O

HOH

O

H

CH2OPO3--

HOHH

O

CH2OPO3--

OHH

H O

R

CH2

O

OH

R'

H

R

CH2

O

O

R'

H

R

CH2-

O

R

CH2

O

O

R'

H

R

CH3

O

Zn++ CH2OPO3--

CHOH

O Zn++ O CH2OPO3--

HOH

+

OH- H2O

+

Prodotto I

OH-H2O

Prodotto II

Enzima Enzima

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Aldolasi EC 4.2.1.13

(CH2)4NH2

O

CH2OPO3--

CH2OPO3--

OHH

H O

HOH

O

H

(CH2)4NH2

O

(CH2)4

N+

CH2OPO3--

CH2OPO3--OHH

H O

HOH

H

H

O

(CH2)4

NCH2OPO3--

HOH

H

OH

O

CH2OPO3--

CH2OPO3--

OHH

H O

HOH

O

H

CH2OPO3--

HOH

(CH2)4

N+

H

H

CH2OPO3--

HOH

H

O

CH2OPO3--OHH

H O

Lys

Tyr

..

..

H2O

Enzima libero

Legame del substrato

Complesso enzima-substrato

Formazione dellabase di Shiffprotonata

Prodotto IGliceraldeide-3-fosfato

Prodotto IIDiidrossiacetonfosfato

Idrolisi dellabase di Shiff

Tautomeria e protonazione

Complesso enzima-substrato conBase di Shiff protonata

Intermedioenaminico

Complesso enzima-prodotto con Base

di Shiff protonata



FBP

Lys

Tyr

16/03/2018

33



FBP



4ald 1j4e

16/03/2018

34


Trioso-fosfato isomerasi EC 5.3.1.1

Converte DHAP in GAP• Il meccanismo coinvolge la

formazione di enendiolo• Il sito attivo contiene un Glu che

agisce come base



• Catalizza l’equilibrio:

• L’equilibrio è spostato verso sinistra (≅96% DHAP, ≅ 4% GAP), nel procedere della glicolisi viene consumata solo GAP e l’equilibrio si sposta verso destra.

CH2OPO3--OHOH

H CH2OPO3--

H

OHH

O

DHAP


GAP


Trioso fosfato isomerasi(EC 5.3.1.1)

∆G°' = +7.56 kJ mol-1

16/03/2018

35



DHAP


GAP


O

O

HOH

H

O

:B+

H

OPO3--

O

O

H

OH

OH

H :B+

OPO3--

O

O

H

OH

OH

OPO3--

H :B+

Glu Glu

Glu



Omologo di DHAP

Glu

Lys

16/03/2018

36



Omologo di DHAP

Glu



16/03/2018

37



Fase 3Recupero dell’energia

OH

O

CH2

OPO3--

H

OH

O

CH2

OPO3--

OPO3--

OH

O

CH2

OPO3--

OOPO3--

O

CH2

OH

O

OPO3--

O

CH2

O

O

O

CH3

O

NAD+ + Pi

NADH ADP

ATP

ADPATP



3-fosfoglicerato


Gliceraldeide-3-fosfato

deidrogenasi



Enolasi

Piruvatochinasi

Mg++

Mg++

Mg++, K+

16/03/2018

38


Recupero dell’energia• La formazione di GAP permette il recupero

dell’energia attraverso il suo metabolismo con formazione di una serie di intermedi forsforilati: – 1,3-bifosfoglicerato, – 3-fosfoglicerato, – 2-fosfoglicerato, – fosfoenolpiruvato ed infine – piruvato.

• Il destino del piruvato dipende dalla presenza di ossigeno e può essere diverso in cellule diverse (lievito, muscolo…)


• La 3-fosfogligeraldeide prodotta viene ossidata e fosforilata 1,3-bifosfoglicerato da una deidrogenasi, con produzione di NADH

• il 1,3-bifosfoglicerato viene utilizzato per fosforilare l’ADP ad opera di una fosfogliceratochinasi e si forma 3-fosfoglicerato,

• che viene isomerizzato a 2-fosfoglicerato ad opera di una mutasi,

• il 2-fosfoglicerato perde una molecola d’acqua ad opera di una enolasi e si forma il fosfoenolpiruvato che

• viene trasformato in piruvato ad opera della piruvato chinasi con formazione di ATP.

CH2OPO3--

H

OHH

O

GAP


CH2OPO3--

O

OHH

O--O3P

CH2OPO3--

O

OHH

O

CH2OH

O

OPO3--H

O

CH2

O

OPO3--

O

CH2

O

OH

O

CH3

O O

O

1,3BPG


NAD+

NADH

3PG

3-fosfoglicerato

ADP

ATP

2PG

2-fosfoglicerato

PEP

Fosfoenolpiruvato

EnolpiruvatoPiruvato

ADPATP

Gliceraldeide-3-fosfatodeidrogenasi(EC 1.2.1.12)

Fosfoglicerato chinasi(EC 2.7.2.3)

Enolasi(EC 4.2.1.11)

Fosfoglicerato mutasi(EC 5.4.2.1)

Piruvato chinasi(EC 2.7.1.40)

H2O

Mg++

Recupero dell’energia

16/03/2018

39







CH2OPO3--

H

OHH

O

GAP


CH2OPO3--

O

OHH

O--O3P

CH2OPO3--

O

OHH

O

CH2OH

O

OPO3--H

O

CH2

O

OPO3--

O

CH2

O

OH

O

CH3

O O

O

1,3BPG


NAD+

NADH

3PG

3-fosfoglicerato

ADP

ATP

2PG

2-fosfoglicerato

PEP

Fosfoenolpiruvato


ADPATP






H2O

Mg++



CH2OPO3--

H

OHH

O

GAP


CH2OPO3--

O

OHH

O--O3P

CH2OPO3--

O

OHH

O

CH2OH

O

OPO3--H

O

CH2

O

OPO3--

O

CH2

O

OH

O

CH3

O O

O

1,3BPG


NAD+

NADH

3PG

3-fosfoglicerato

ADP

ATP

2PG

2-fosfoglicerato

PEP

Fosfoenolpiruvato


ADPATP






H2O

Mg++







16/03/2018

40


Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi EC 1.2.1.12

GAP è ossidata a 1,3BPG• L’energia ottenuta dalla

conversione di un’aldeide ad acido carbossilico è usata per la fosforilazione a 1,3BPG e per la riduzione del NAD+ a NADH



SR

O

CH2OPO3--

H

OHH

O

GA

3-fosfogliceralde

CH2OPO3--

O

OHH

O--O3P

B

SH

NAD+ NAD+

B

SH

NAD+

B+H

S

H

O

R

NAD+

B+H

SR

O

R

OH

O

PO

OH

O

B+H

R

OO

PO3--

H

1,3BP


NAD+

NADH

NADH

NAD+GAP

ComplessoEnzima-substrato

Intermedio

tioacetalico

Intermedio

aciltioestere

NADH

1,3BPG

∆G°' = +6.3 kJ mol-1

1

2 3

5

4

come

16/03/2018

41



Cys carbossimetilata

NAD+



16/03/2018

42


Fosfoglicerato chinasi EC 2.7.2.3

CH2OPO3--

O

OHH

O--O3P

CH2OPO3--

O

OHH

O

1,3BPG


NADH

3PG

3-fosfoglicerato

ADP

ATP



Fosfoglicerato mutasi EC 5.4.2.1

Il gruppo fosfato passa da C-3 a C-2 • Spostamento di fosfato per la

formazione di PEP• Si forma un intermedio fosfo-

istidina• È stato dimostrato che del 2,3BPG

è richiesto per la fosforilazione di His.

16/03/2018

43



CH2OPO3--

O

OHH

O

CH2OH

O

OPO3--H

O

3PG

3-fosfoglicerato

2PG

2-fosfoglicerato


∆G°' = +4.4 kJ mol-1



NH3+

B

N+

NHP

O

O O

O

H

O

OH

O

H

H P

O

OO

:N NH

NH3+

N+

NH

:N NH

P

O

O O

O

H

O

O

O

H

H P

O

OO

B+

H

NH3+

N+

NH

N+

NHP

O

OO

P

O

O O

O

H

O

O

OH

H

H

3BPG

3-fosfoglicerato

2BPG

2-fosfoglicerato

intermedio2,3-bifosfoglicerato

16/03/2018

44



2-fosfoglicerato

3-fosfoglicerato



His

His

His

Mn++

Mn++

3PG

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45



His

His

His

Mn++

3PG


Enolasi EC 4.2.1.11

Da 2PG a PEP• Il ∆G globale è 1.8 kJ/mol • Il contenuto in energia di 2PG e

PEP è simile.• L’enolasi riarrangia la molecola in

modo tale che possa fornire più energia nell’idrolisi.

16/03/2018

46


Enolasi EC 4.2.1.11

CH2OH

O

OPO3--H

O

CH2

O

OPO3--

O

2PG

2-fosfoglicerato

PEP

Fosfoenolpiruvato

H2O

Mg++∆G°' = +1.8 kJ mol-1


Enolasi EC 4.2.1.11PEP

Mg++

16/03/2018

47


Enolasi EC 4.2.1.11

PEP

Mg++

Glu


Piruvato Chinasi EC 2.7.1.40

Da PEP a piruvato viene prodotto ATP• Valore di ∆G grande e negativo.• Punto di regolazione• Attivata allostericamente da AMP,

F1,6BP • Inibita allostericamente da ATP e

acetil-CoA • Tautomeria chetoenolica del

piruvato.

16/03/2018

48



CH2

O

OPO3--

O

CH2

O

OH

O

CH3

O O

O

PEP

Fosfoenolpiruvato

Piruvato

ADP ATP


Forma enolica Forma chetonica

∆G°' = -31.7 kJ mol-1



.

B

H OHOH

O

Mg++

HO

H

H

H

O O

O P

O

O

O

O P

O

O

OP

O

OO

N N

NN

NH2

OHOH

O

O O

O P

O

O

O

O P

O

O

OP

O

OO

N N

NN

NH2M+

Mg++

.

B

H

Mg++

H

H

O O

OP

OO

O

OO

OHOH

O

P

O

O

OP

O

OO

N N

NN

NH2M+

Mg++

HO

H

HO

H

16/03/2018

49



O O

Mg++

PO O

O

O CH2H

K+

O

POO

OP

O

OO

Adenosina

Mg++

H

O O

Mg++

O CH2

O O

O CH3

H+

PEP ADP

ATP

Enolpiruvato Piruvato



http://www.rcsb.org/pdb/explore.do?structureId=1PYK

16/03/2018

50



1e0u 1a3w



ATP

Mg++

Na+

16/03/2018

51


Energia

Stato Standard (∆G°’) In eritrociti (∆G)

Passi della Glicolisi

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ener

gia

Lib

era (

kJ m

ole-1

)

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30Eso

chin

asi

Fosf

ofr

utt

och

inasi

Pir

uvato

Chin

asi

Fosf

oglu

coso

isom

era

si

GAP-d

eidro

genasi

Ald

ola

si

Tri

oso

-fosf

ato

iso

mera

si

PG

A C

hin

asi

PG

A M

uta

si

Enola

si


O

CH2OH

OH

OH

OH

OH

O

CH2

OH

OH

OH

OH

OPO3--

O

OH

OH

CH2OH

OH

CH2

OPO3--

O

OH

OH

CH2

OH

CH2

OPO3--

OPO3--

OH

O

CH2

OPO3--

H

OH

CH2

O

OPO3--

OH

O

CH2

OPO3--

OPO3--

OH

O

CH2

OPO3--

OOPO3--

O

CH2

OH

O

OPO3--

O

CH2

O

O

O

CH3

O

ATP

ADP

ATP

ADP

NAD+ + Pi

NADH ADP

ATP

ADPATP

Glucoso

Glucoso-6-fosfato

Fruttoso-6-fosfato





3-fosfoglicerato


EsochinasiMg++

Fosfoglucoisomerasi

Fosfofruttochinasi


3-fosfato

deidrogenasi



Enolasi

Piruvatochinasi

Mg++

Mg++

Mg++, K+

SITO DI REGOLAZIONE

SITO DI REGOLAZIONE

SITO DI REGOLAZIONE

16/03/2018

52


Destino del piruvato

• In assenza di ossigeno– Riduzione a lattato

– Prima riduzione a lattato poi decarbossilazione ad acetato

– Prima decarbossilazione ad aldeide poi riduzione ad etanolo

• In presenza di ossigeno– Decarbossilazione,

– Ciclo di Krebs,

– Respirazione cellulare

Ripristino di NAD+ per continuare la glicolisi

Aerobiosi Anaerobiosi

O2O2

16/03/2018

53

Aerobiosi Anaerobiosi

O2O2


Destino del piruvato

• In assenza di ossigeno–Nel muscolo

• Ridotto a Lattato

–Nel lievito• Decarbossilato ad aldeide

ridotta quindi ad etanolo

Ripristino di NAD+ per continuare la glicolisi

16/03/2018

54


Schema generale del metabolismo dei glucidi

O

H

OH

OH

HH

OH

OH

HH

OHH

H

CH2OH

OH

OHHHOH

OHHOHH

CH3

OO

O

CH3

OHO

O

CH2OPO3--

OHH

OHH

OHH

OH

D-Glucoso


2ADP + 2Pi

2ATP

2NAD+

2NADH

2 Piruvato




2 Lattato2NAD+

2NADH

2 CO2 + 2 etanolo

Riboso-5-fosfato



Glicogeno

Metabolismodel Glicogeno

NADH

Ossidazioneaerobica

Ciclo di Krebs


6 CO2 + 6H2O

NAD+

NAD+

Piruvato

Acetil-CoA

H+H+

ADP + Pi

ATPO2


AnaerobiosiOH

O

CH2

OPO3--

H

OH

CH2

O

OPO3--

OH

O

CH2

OPO3--

OPO3--

OH

O

CH2

OPO3--

O

OPO3--

O

CH2

OH

O

OPO3--

O

CH2

O

O

O

CH3

O

OH

O

CH3

O

Pi

ADP

ATP

ADPATP

Diidrossiacetonfosfato3-fosfogliceraldeide


3-fosfoglicerato



deidrogenasi



Enolasi

Piruvatochinasi

Mg++

Mg++

Mg++, K+

Lattico

deidrogenasi

Lattato

NADH NAD+Nel muscolo

16/03/2018

55


Lattico deidrogenasi EC 1.1.1.27

N

HH

R

O

NH2

N+

NHHO

CH3

OO

NH2+

NH

NH2

H+

OH

CH3

OO

H

N+

H

R

O

NH2

His195

Arg171

NADH

NAD+



16/03/2018

56



NAD+

His 195

Arg 171

Omologo delpiruvato


AnaerobiosiOH

O

CH2

OPO3--

H

OH

CH2

O

OPO3--

OH

O

CH2

OPO3--

OPO3--

OH

O

CH2

OPO3--

O

OPO3--

O

CH2

OH

O

OPO3--

O

CH2

O

O

O

CH3

O

O

CH3

H

CH2

OH

CH3

ADP

ATP

ADPATP

Diidrossiacetonfosfato3-fosfogliceraldeide


3-fosfoglicerato



deidrogenasi



Enolasi

Piruvatochinasi

Mg++

Mg++

Mg++, K+

CO2

Alcol

deidrogenasi

Etanolo

Acetaldeide

Piruvatodecarbossilasi

Pi

NADHNAD+Nel lievito

16/03/2018

57


Piruvato decarbossilasi EC 4.1.1.1

• Catalizza la decarbossilazione del piruvato.

• Usa la tiamina pirofosfato come coenzima

N

N

S

N+ CH3

H

CH3

NH2

OP

O

OP

O

OOO

ACIDO ACIDO



CS

N CH3

R'

R

S

N+ CH3

R'

R

HCH

3O

OO

H+

CH3

OH

OO

S

N+ CH3

R'

R

OH

C

CH3

S

N+ CH3

R'

R

OH

CH3

S

N CH3

R'

R

CO2

O

CH3

S

N+ CH3

R'

R

H

H

H+

H

CH3

O

H+

+TPP

Acetaldeide

Piruvato

δ-

16/03/2018

58



TPP

Mg++


Alcool deidrogenasi EC 1.1.1.1

• Catalizza la reazione di ossidoriduzione:H

CH3 ONADH

CH3

O

HH

H

NAD+

N

HH

R

O

NH2

H

CH3 O

Zn++

S

SN

NH

H+

NAD+

H

CH3 OH

H+

+

Acetaldeide Alcol etilico

16/03/2018

59



NAD+

Zn++



NAD+

16/03/2018

60


Alcool deidrogenasi EC 1.1.1.1NAD+

Zn++Trifluoroetanolo

NAD+

Zn++

Cys Cys

HisHis

Trifluoroetanolo


Alcool deidrogenasi EC 1.1.1.1NAD+

Zn++Trifluoroetanolo

Omologo di NAD+

Etanolo Zn++

Cys

Cys

HisHis

16/03/2018

61


Energetica della Glicolisi

• I valori di ∆G°’ sono variabili (positivi e negativi) − ∆G nelle cellule ha valori vicini a

zero − Solo tre reazioni su dieci hanno

valori di ∆G negativo e grande. • Le reazioni i cui valori di ∆G

sono grandi e negativi sono punti di regolazione.


Energia



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ener

gia

Lib

era (

kJ m

ole-1

)

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

Eso

chin

asi

Fosf

ofr

utt

och

inasi

Pir

uvato

Chin

asi

Fosf

oglu

coso

isom

era

si

GAP-d

eidro

genasi

Ald

ola

si

Tri

oso

-fosf

ato

iso

mera

si

PG

A C

hin

asi

PG

A M

uta

si

Enola

si

16/03/2018

62


Energia



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Ener

gia

Lib

era (

kJ m

ole-1

)

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30


Energia dalla glicolisi∆G = -43.4 kJ mol-1

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O∆G = -2850 kJ mol-1

• La scissione di glucoso a piruvato utilizza solo il 1.7% del contenuto energetico del glucoso.

16/03/2018

63


Gli enzimi glicolitici possono formare complessi multienzimatici

• Nella purificazione di proteine da cellule le interazioni non covalenti tra proteine viene persa

• È stato suggerito che gli enzimi glicolitici si assemblino in un complesso multienzimatico dove i substrati sono canalizzati da un enzima all’altro senza passare in soluzione.

Crediti e autorizzazioni all’utilizzo• Questo materiale è stato assemblato da informazioni raccolte dai seguenti testi di Biochimica:

– CHAMPE Pamela , HARVEY Richard , FERRIER Denise R. LE BASI DELLA BIOCHIMICA [ISBN 978-8808-17030-9] – Zanichelli

– NELSON David L. , COX Michael M. I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER - Zanichelli – GARRETT Reginald H., GRISHAM Charles M. BIOCHIMICA con aspetti molecolari della Biologia

cellulare - Zanichelli– VOET Donald , VOET Judith G , PRATT Charlotte W FONDAMENTI DI BIOCHIMICA [ISBN 978-

8808-06879-8] - Zanichelli

• E dalla consultazione di svariate risorse in rete, tra le quali:– Kegg: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes http://www.genome.ad.jp/kegg/– Brenda: http://www.brenda.uni-koeln.de/– Protein Data Bank: http://www.rcsb.org/pdb/– Rensselaer Polytechnic Institute:

http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/MB1index.html

• Il materiale è stato inoltre rivisto e corretto dalla Prof. Giancarla Orlandini dell’Università di Parma alla quale va il mio sentito ringraziamento.

Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da: http://www. gsartor.org/pro

• Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto l’autore usando questa frase:

Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio Sartor

Università di Bologna

Giorgio SartorUfficiale: [email protected]: [email protected]

Aggiornato il 16/03/2018 19:43:57

SA B09-Metabolismo dei carboidrati I - Giorgio Sartor · 16/03/2018 3 I glucidi •I glucidi sono...

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