Biochimica II - Glicolisi, Fermentazione Lattica, e Catabolismo dei Saccardi - PDF

Biochimica II n°03 del 18.10.2020 (Prof.ssa V. Naponelli ) Sbobinatori: Alessandra Invitto, Kristian Isi Controllore: - Supercontrollore: Kaur Mansimardip ULTIME TRE TAPPE DELLA GLICOLISI, FERMENTAZIONE LATTICA E ALCOLICA, CATABOLISMO DEI SACCARIDI DIVERSI DAL GLUCOSIO La prof.ssa inizia...

Biochimica II n°03 del 18.10.2020 (Prof.ssa V. Naponelli ) Sbobinatori: Alessandra Invitto, Kristian Isi Controllore: - Supercontrollore: Kaur Mansimardip ULTIME TRE TAPPE DELLA GLICOLISI, FERMENTAZIONE LATTICA E ALCOLICA, CATABOLISMO DEI SACCARIDI DIVERSI DAL GLUCOSIO La prof.ssa inizia la lezione riprendendo la settima reazione della glicolisi, trattata nella lezione precedente. in particolare ricorda che si tratta della Fosfoglicerato chinasi, ovvero la prima reazione di fosforilazione a livello del substrato, che porta alla formazione di 2 molecole di ATP a partire da 2 molecole di 1,3 Bis-fosfoglicerato. La reazione in condizioni standard ha un ΔG’° negativo pari a -18,8 kJ/mol, quindi si tratta di una reazione esoergonica. Successivamente la professoressa inizia la spiegazione delle ultime tre tappe della glicolisi, la fermentazione lattica e alcolica e il catabolismo dei saccaridi diversi dal glucosio. OTTAVA REAZIONE: FOSFOGLICERATO MUTASI [n.d.s.: La prof.ssa dice che bisogna ricordare i passaggi della reazione della fosfoglicerato mutasi per l’esame] È una reazione reversibile che utilizza l’enzima MUTASI per spostare gruppi funzionali all’interno dello stesso composto (scambio intermolecolare di gruppi fosfato). In particolare, si tratta dello spostamento del gruppo fosfato dal C3 al C2 grazie all’utilizzo di ioni Mg2+. La reazione porta alla formazione di 2-fosfoglicerato a partire dal 3-fosfoglicerato ed all’equilibrio ha un ΔG’° di 4,4 kJ/mol, quindi procede in entrambe le direzioni. Il gruppo fosfato trasferito dal C3 al C2 non è lo stesso perché il fosfato viene ceduto da un gruppo ma preso da un altro. Il meccanismo di reazione segue i seguenti passaggi: Nel sito attivo entra il 3-fosfoglicerato (substrato). Il 3 fosfoglicerato si lega ad un residuo di istidina fosforilato presente a livello del sito attivo (PO3 di colore rosso), il quale, grazie all’intervento di un altro residuo di istidina, che cattura il protone, forma un intermedio rappresentato dal 2-3 BISFOSFOGLICERATO. Ci sono quindi 2 fosfati: uno nella posizione in cui si troverà nel prodotto e uno nella posizione in cui era nel substrato. N.B.: Il 2-3 bisfosfoglicerato è un effettore allosterico negativo dell’emoglobina, spinge la curva verso dx, infatti è molto concentrato a livello degli eritrociti. 1  Biochimica II n°03 del 18.10.2020 (Prof.ssa V. Naponelli ) Sbobinatori: Alessandra Invitto, Kristian Isi Controllore: - Supercontrollore: Kaur Mansimardip Per far avvenire questa reazione serve un innesco, ovvero il 2-3 bis-fosfoglicerato che permette di fosforilare l’istidina. Successivamente la reazione va avanti autonomamente grazie agli scambi del gruppo fosfato. Le mutasi, quindi, sono delle isomerasi che trasferiscono gruppi all’interno dello stesso composto. Il 2- 3 bis-fosfoglicerato si forma grazie allo shunt (deviazione) del 2-3 bis-fosfoglicerato grazie alla mutasi/fosfatasi che prende l’1-3 bisfosfoglicerato e lo trasforma in 2-3 bisfosfoglicerato. A questo punto si potrebbe anche riformare il 3 fosfoglicerato attraverso l’attività fosfatasica appartenente allo stesso enzima. In questo modo si riesce a variare quella che è la concentrazione di 2-3 bisfosfoglicerato all’interno della cellula; tuttavia, facendo questo si perde la possibilità di poter fare ATP perché viene saltato l’enzima che lo forma, per questo lo shunt del 2-3 bis-fosfoglicerato non è molto usato dalla cellula, ad eccezione dell’eritrocita che usa lo shunt più spesso per regolare le concentrazioni di 2-3 bisfosfoglicerato. Inoltre, nell’eritrocita c’è un altro enzima chiamato MIP fosfatasi (che aumenta la sua attività in condizioni acide) che è in grado di usare il 2-3 fosfoglicerato per formare il 2 fosfoglicerato e quindi modularne la sua quantità e lo spostamento della curva verso dx o verso sx. 2  Biochimica II n°03 del 18.10.2020 (Prof.ssa V. Naponelli ) Sbobinatori: Alessandra Invitto, Kristian Isi Controllore: - Supercontrollore: Kaur Mansimardip NONA REAZIONE: ENOLASI È una reazione che catalizza l’eliminazione di una molecola di H2O dal 2 fosfoglicerato formando un doppio legame a livello dei 2 atomi di carbonio (evidenziati nella foto). Serve per riformare un composto altamente energetico, ovvero il fosfoenolpiruvato (PEP), che mi permetterà di ottenere ATP. La reazione procede all’equilibrio perché il ΔG’° è uguale a 7,5 Kj/mol, ma poiché formo un composto altamente energetico che mi permetterà di produrre ATP, la cellula sta guadagnando. La reazione converte un composto con un potenziale di trasferimento del gruppo fosfato relativamente basso (il ΔG’° di idrolisi del 2-fosfoglicerato è pari a -17,6 kJ/mole) in uno con un elevato potenziale di trasferimento (il ΔG’° di idrolisi del fosfoenolpiruvato è pari a -61,9 kJ/mole). Anche l’enolasi ha nel sito attivo 2 ioni Mg2+ che servono a stabilizzare la struttura del substrato e fare in modo che la reazione proceda secondo un meccanismo di catalisi Acido-Base (come la maggior parte degli enzimi). DECIMA REAZIONE: PIRUVATO CHINASI Essa è la seconda reazione di fosforilazione a livello del substrato che catalizza la reazione di formazione del piruvato (prodotto della via glicolitica) a partire dal fosfoenolpiruvato (composto più altamente energetico a livello della cellula) la quale necessita di potassio, magnesio o manganese per poter avvenire. Si tratta dell’ultima tappa della glicolisi ed è una reazione irreversibile che “trascina” anche tutte le reazioni prima di lei rendendole irreversibili (essendo, appunto, l’ultima). Il gruppo fosfato viene trasferito all’ADP formando ATP. Il ΔG’° della reazione è di -31,4 kJ/mol; quindi, è una reazione fortemente esoergonica che ha la freccia che va verso la formazione dei prodotti. 3  Biochimica II n°03 del 18.10.2020 (Prof.ssa V. Naponelli ) Sbobinatori: Alessandra Invitto, Kristian Isi Controllore: - Supercontrollore: Kaur Mansimardip Alla fine di questa reazione si forma il piruvato in forma enolica che può essere tautomerizzato in forma chetonica (forma più stabile) e si ottengono 2 ATP (uno per molecola). Anche la piruvato chinasi è un enzima regolato della via glicolitica, insieme ad esochinasi e fosfofruttochinasi 1 (PFK-1). Le reazione regolate sono quelle “molto negative”. BILANCIO COMPLESSIVO DELLA GLICOLISI PARTENDO DA GLUCOSIO EMATICO Semplificando: La Glicolisi produce solo 2 ATP (perché dei 4 ATP prodotti, 2 vengono utilizzati per i processi glicolitici, mentre soltanto 2 ATP rappresenteranno la resa effettiva). Il potere riducente del NADH viene poi trasportato dagli shuttle all’interno del mitocondrio per far avvenire la catena di trasporto degli elettroni. 4  Biochimica II n°03 del 18.10.2020 (Prof.ssa V. Naponelli ) Sbobinatori: Alessandra Invitto, Kristian Isi Controllore: - Supercontrollore: Kaur Mansimardip DESTINI DEL PIRUVATO Il piruvato può essere formato anche da altre reazioni che non sono della glicolisi [n.d.s.: La prof cita questa domanda tipica di esame: Da chi viene formato il piruvato e quali sono i suoi destini? Es: in condizioni di digiuno il piruvato non può provenire dalla glicolisi perché non ho il glucosio…] 1) In condizioni di aerobiosi: il piruvato forma Acetil-CoA e si continua con il ciclo di Krebs. 2) In condizioni di anaerobiosi avviene invece la fermentazione. Nel nostro organismo avviene solo quella lattica che porta alla formazione di lattato. Un altro tipo di fermentazione è quella alcolica che avviene nel nostro organismo solo in condizioni patologiche. FERMENTAZIONE LATTICA Avviene in assenza di ossigeno ed ovviamente formerà molto meno ATP rispetto ad una reazione che avviene in condizione di aerobiosi. Si svolge nelle cellule che non hanno mitocondri o non hanno tanto ossigeno. È catalizzata dalla lattato deidrogenasi (isoenzima) ed utilizza il potere riducente del NADH che viene ossidato a NAD+ per permettere la riduzione del piruvato in lattato. [n.d.s.: La prof.ssa afferma che occorre necessariamente ricordare questa reazione!]. 5  Biochimica II n°03 del 18.10.2020 (Prof.ssa V. Naponelli ) Sbobinatori: Alessandra Invitto, Kristian Isi Controllore: - Supercontrollore: Kaur Mansimardip Il NADH utilizzato da questa reazione mi consente di riossidare il NADH a NAD+ ed è fondamentale a livello del citosol, dove non abbiamo tanto NAD+, per non interrompere la glicolisi. Essenzialmente, infatti, il lattato a livello della cellula non serve a molto, se non a riformare il piruvato (es: Nel ciclo di cori il lattato viene portato dal muscolo al fegato per riformare il piruvato). ISOENZIMI DELLA LATTATO DEIDROGENASI [n.d.s: La prof.ssa consiglia caldamente di rivedere gli isoenzimi della lattato deidrogenasi trattati nel corso di Biochimica I]. Si tratta di tetrameri formati da subunità H (che si trovano nel cuore) o M (che si trovano nel muscolo). -LDH1: si trova nel cuore dove catalizza la reazione da lattato verso il piruvato che verrà utilizzato dall’organo per formare Acetil-CoA. Il cuore è un organo che fa sempre metabolismo ossidativo in quanto è sempre rifornito d’ossigeno. Per quanto riguarda la cinetica, ha una Km molto bassa per il lattato (predilige usare lattato per formare piruvato). -LDH5: si trova nel muscolo e nel fegato dove catalizza la reazione da piruvato verso il lattato (predilige usare piruvato per formare lattato) -Aumento di LDH1 a livello ematico: Corrisponde ad una “fuoriuscita” di LDH1 dal cuore, di conseguenza è indice di infarto del miocardio. -Aumento di LDH5 a livello ematico: Corrisponde ad una “fuoriuscita” di LDH5 dal fegato o dal muscolo, di conseguenza è indice di epatite acuta o eccessivo sforzo muscolare. 6  Biochimica II n°03 del 18.10.2020 (Prof.ssa V. Naponelli ) Sbobinatori: Alessandra Invitto, Kristian Isi Controllore: - Supercontrollore: Kaur Mansimardip DESTINI DEL PIRUVATO Il piruvato può andare incontro a diversi destini, a seconda che l’organismo si trovi in condizioni di anaerobiosi o aerobiosi; esistono fibre muscolari differenti, a seconda del tipo di metabolismo che si usa per produrre ATP. Le fibre muscolari possono essere rosse (tipo I), intermedie (IIa) o bianche (tipo IIx); queste ultime non sono irrorate dal sangue quanto le fibre rosse e per produrre ATP utilizzano glucosio proveniente da depositi presenti nel muscolo stesso. In questo caso si ha un metabolismo che riguarda tendenzialmente vertebrati di grosse dimensioni (ad esempio l’uomo o un alligatore, un elefante) in cui la circolazione non consente di far arrivare tutto l’ossigeno necessario per un metabolismo aerobico. Negli organismi più piccoli invece non viene prodotto lattato perché arriva molto ossigeno ad ogni compartimento, permettendo sempre un metabolismo aerobico che consente sforzi prolungati e di minore intensità, senza produzione di lattato. Per quanto appena spiegato, un coccodrillo dopo aver attaccato una preda con uno scatto rapido e di alta intensità, producendo lattato, ha bisogno di riposo per compensare e riportare l’organismo a lavorare in condizioni basali, ricaricando l’emoglobina che ha ceduto ossigeno. Si tratta infatti di sforzi che possono 7  Biochimica II n°03 del 18.10.2020 (Prof.ssa V. Naponelli ) Sbobinatori: Alessandra Invitto, Kristian Isi Controllore: - Supercontrollore: Kaur Mansimardip essere compiuti per un tempo limitato. Quando viene superato interviene il metabolismo aerobico. L’intensità dell’esercizio è inversamente proporzionale alla potenza sviluppata. La concezione che l’acido lattico porti ad una condizione di fatica muscolare è stata sconfessata ormai da diversi anni, a provocare affaticamento sono gli ioni H+ che si accumulano, non il lattato che viene invece utilizzato dal cuore per produrre ATP. FERMENTAZIONE ALCOLICA Un altro destino che il piruvato può seguire è la fermentazione alcolica: il piruvato viene decarbossilato ad acetaldeide e successivamente utilizzato per formare etanolo. Il nostro organismo non possiede la piruvato decarbossilasi, ma verrà comunque trattata perchè c’è un meccanismo legato a questo enzima di fondamentale importanza, utile nella comprensione di altri enzimi con un metabolismo simile. Possediamo invece l’alcol deidrogenasi, l’enzima che ci permette di catalizzare la reazione legata al metabolismo dell’etanolo in acetaldeide. Il piruvato viene prima di tutto decarbossilato attraverso l’enzima piruvato decarbossilasi, che è presente nei lieviti e porta alla formazione di CO2 che viene liberata. Il coenzima necessario a livello dell’enzima è la TPP (tiaminapirofosfato), derivata dalla vitamina B1, e implicato in tutte le vie in cui viene eliminato un gruppo CO2 che si trova vicino ad un gruppo carbonilico. Ritroveremo la TPP quando parleremo della piruvato deidrogenasi, dell’alfa-chetoglutarato deidrogenasi e della transchetolasi. La carenza di tiamina, ovvero Vit. B1, porta alla patologia Beriberi: senza abbastanza tiamina, il corpo non riesce a convertire i carboidrati in energia in modo efficiente. La malattia è tipicamente associata a diete povere di tiamina, come quelle composte quasi esclusivamente da riso bianco (che perde la tiamina durante la lavorazione). 8  Biochimica II n°03 del 18.10.2020 (Prof.ssa V. Naponelli ) Sbobinatori: Alessandra Invitto, Kristian Isi Controllore: - Supercontrollore: Kaur Mansimardip Il gruppo funzionale della tiamina pirofosfato è l’anello tiazolico che presenta un idrogeno(H) acido che facilmente viene staccato e si ottiene una forma ionizzata dell’anello, con un carbonio parzialmente negativo perché ha perso l’H. In questo modo l’anello tiazolico è in grado di catturare elettroni: il carbonio del gruppo funzionale della TPP attacca il carbonio carbonilico del piruvato e richiama a se l’azoto, che ha parziale carica positiva. Questo porta all’indebolimento del legame che permette il distacco della CO2. A questo punto si ha una stabilizzazione del composto per risonanza, protonazione e poi l’eliminazione del catione del tiazolo e il distacco dei due atomi di carbonio che formano l’acetaldeide. L’idrossietil TPP è il tiazolo attivato che ha su di se i due atomi di carbonio provenienti dal piruvato, l’acetaldeide viene quindi eliminata. Ora l’acetaldeide viene utilizzata dall’alcol deidrogenasi, che è un enzima presente anche nel nostro organismo, dove però catalizza la reazione opposta rispetto a quella descritta ora per la fermentazione. L’enzima possiede due ioni zinco che servono a stabilizzare sia l’enzima stesso che il substrato, in particolare polarizzano l’acetaldeide che viene legata a livello del sito attivo e questo fa in modo che il NADH possa ossidarsi cedendo lo ione idruro (2 elettroni e un protone) e si forma etanolo. 9  Biochimica II n°03 del 18.10.2020 (Prof.ssa V. Naponelli ) Sbobinatori: Alessandra Invitto, Kristian Isi Controllore: - Supercontrollore: Kaur Mansimardip Enzima alcol deidrognasi Per quanto riguarda invece la glicolisi anaerobica, nella resa energetica non viene nominato il NADH perché non viene formato ma viene solo utilizzato per essere riossidato a NAD+. Nella glicolisi aerobica, il NADH formato dalla gliceraldeide 3 fosfato subirà un destino diverso rispetto a quello visto fino ad ora. Il destino del NADH è quello di essere portato all’interno del mitocondrio tramite gli shuttle. Lo shuttle del malato aspartato porta alla formazione di NADH all’interno del mitocondrio, e la sua resa è di 2,5 ATP. Lo shuttle del glicerolo-3-fosfato utilizza il NADH per formare FADH2 nel mitocondrio tramite la cessione di elettroni, così la resa effettiva nel mitocondrio diventa di 1,5 ATP. La “scelta” dello shuttle dipende esclusivamente dal tipo cellulare, ad esempio le cellule epatiche o dei reni utilizzano quello del malato aspartato, le cellule muscolari invece usano il secondo tipo. ALTRI ZUCCHERI CHE POSSONO ENTRARE IN GLICOLISI AL POSTO DEL GLUCOSIO I carboidrati entrano in glicolisi sotto forma di polisaccaridi (amido e glicogeno), disaccaridi (saccarosio, lattosio e maltosio) o monosaccaridi (fruttosio, galattosio e mannosio). Nel processo di digestione dei carboidrati il primo step a cui si va incontro è la trasformazione in monosaccaridi. Questo avviene tramite l’alfa-amilasi salivare, o ptialina, nella bocca; il bolo passa poi per lo stomaco, ma qui non avviene la digestione dei carboidrati. Il processo che ci interessa continua quindi con le alfa amilasi pancreatiche. Le molecole che si formano quando vengono scissi i legami che tengono uniti i monosaccaridi si chiamano destrine. (La prof dice che nella prossima lezione tornerà sull’argomento presentando una slide modificata). 10  Biochimica II n°03 del 18.10.2020 (Prof.ssa V. Naponelli ) Sbobinatori: Alessandra Invitto, Kristian Isi Controllore: - Supercontrollore: Kaur Mansimardip Destino dei vari monosaccaridi: 1. GALATTOSIO Entra nella via glicolitica sotto forma di glucosio monofosfato. Viene prima fosforilato grazie alla galattochinasi, enzima magnesio-dipendente che usa un ATP per attaccare un fosfato al carbonio 1 del galattosio. A questo punto non potrà più uscire dalla cellula. Successivamente l’UDP-glucosio (un glucosio che ha un nucleotide di fosfato che lo etichetta) cede l’UDP al galattosio monofosfato per formare UDP-galattosio. Agganciare queste molecole agli zuccheri serve sia ad attivarli (perché gli zuccheri per natura sono molecole inerti e difficilmente reagirebbero), sia ad etichettare gli zuccheri non destinati alla glicolisi. L’ UDP galattosio viene epimerizzato da un enzima detto UDP-glucosio epimerasi, che catalizza una reazione di ossidazione e poi una di riduzione, per formare l’UDP- glucosio. Il lattosio, essendo formato da glucosio e galattosio, è molto importante nella dieta dei bambini. Se non si è in grado di utilizzare il galattosio si va incontro a condizioni patologiche gravi. Ricapitolando, gli enzimi che ci permettono di ottenere glucosio a partire da galattosio sono quindi galattochinasi, transferasi ed epimerasi. Quando manca il gene per la galattochinasi, insorgeranno problemi di vista, 11  Biochimica II n°03 del 18.10.2020 (Prof.ssa V. Naponelli ) Sbobinatori: Alessandra Invitto, Kristian Isi Controllore: - Supercontrollore: Kaur Mansimardip se ci sono invece alterazioni nei due geni successivi le patologie sono molto più gravi. Se un bambino è affetto da galattosemia, i livelli di galattosio nel sangue sono molto alti e di conseguenza c’è il rischio che questo si depositi sotto forma di un suo metabolita (galattitolo), creando cataratte e problemi alla vista. Se mancano invece gli enzimi di transferasi e epimerasi i sintomi della patologia saranno ritardi cognitivi e nello sviluppo. 2. Mannosio Anche il mannosio viene fosforilato a mannosio 6-fosfato e poi trasformato in fruttosio 6-fosfato, che procederà nella via glicolitica. 3. Fruttosio Può seguire due vie diverse in base all’organo in cui si torva. - In quasi tutte le cellule: viene fosforilato dal primo enzima della glicolisi, ovvero l’esochinasi (può utilizzare altri monosaccaridi oltre al glucosio). Il fruttosio-6-fosfato entra nella via glicolitica - Nel fegato: c’è un enzima più specifico ed efficiente detto fruttochinasi. Viene formato il fruttosio-1-fosfato; esso poi viene scisso da dalla fruttosio-1-fosfatoaldolasi, formando due molecole: gliceraldeide e diidrossiacetone fosfato. Solo una delle due è già fosforilata, la gliceraldeide invece verrà fosforilata dalla triosochinasi. Il vantaggio è che ci si ricongiunge alla via glicolitica bypassando gli enzimi regolati della via glicolitica (come la PFK1 che è regolata da insulina e glucagone). Introdurre fruttosio invece di glucosio evita i picchi di glicemia nei soggetti diabetici, proprio perché permetti di saltare questi passaggi con enzimi regolati da insulina e glucagone. 12