Glicolisi e Fermentazione PDF

Bocca: amilasi salivare taglia in modo casuale i legami a1-4 (che uniscono molecole di glucosio nell’amido e nel glicogeno) Intestino tenue: amilasi pancreatica continua a tagliare i prodotti di taglio dell’amilasi salivare → forma oligosaccar...

Bocca: amilasi salivare taglia in modo casuale i legami a1-4 (che uniscono molecole di glucosio nell’amido e nel glicogeno) Intestino tenue: amilasi pancreatica continua a tagliare i prodotti di taglio dell’amilasi salivare → forma oligosaccaridi/disaccaridi Per rompere in componenti singoli (monosaccaridi) c’è bisogno di altri enzimi, legati alla membrana della mucosa intestinale. Perché è importante? Non abbiamo trasportatori in grado di legare oligo/disaccaridi che dovrebbero essere assorbiti a livello intestinale e portati poi nel torrente circolatorio Lattosio: intolleranza al latte e derivati Nei neonati i lattosio è idrolizzato dall'enzima B-galattosidasi (lattasi). Dopo lo svezzamento gran parte degli adulti presenta bassi livelli di lattasi → lattosio ingerito viene fermentato dai batteri generando CO , H , CH ed acidi irritanti → INTOLLERANZA AL LATTOSIO Evoluzione → lattasi diminuisce in modo blando nelle popolazioni che utilizzano il latte anche da adulti (soggetti di etnia africana e asiatica sono generalmente più intolleranti al lattosio) Rimedi per l'intolleranza: 1) utilizzo di latte in cui il lattosio e' stato già idrolizzato dalla lattasi; 2) assunzione di lattasi prima di un pasto Una volta entrato nelle cellule il glucosio ha 4 destini principali nei batteri il glucosio e' utilizzato come scheletro carbonioso di tutti gli amminoacidi, nucleotidi, coenzimi e acidi grassi La GLICOLISI è una sequenza di 10 reazioni enzimatiche (ognuna catalizzata da un enzima diverso) che avvengono nel citosol, attraverso le quali una molecola di glucosio viene convertita in 2 molecole a 3 atomi di C (piruvato) con la concomitante produzione di 2 molecole di ATP Il glucosio e' la sola fonte di energia metabolica in alcuni tessuti/tipi cellulari (cervello, midollare surrenale, globuli rossi, spermatozoi) La glicolisi è distinta in 2 fasi: 1 - Preparatoria (investimento energetico). 2 - Recupero energetico Funzioni della fosforilazione nella glicolisi (che avviene in diversi momenti) a) Intrappolare zuccheri nella cellula b) Generare intermedi ad alta energia c) Abbassare l'energia di attivazione attraverso la fosforilazione temporanea del sito attivo dell'enzima Reazione 1 Una molecola di glucosio, in presenza di di ATP e Mg , diventa substrato per l’enzima esochinasi, viene fosforilata in posizione C6, portando alla formazione del Glucosio-6-fosfato Caratteristiche ΔG’°= -16,7 kJ/mol Reazione fortemente esoergonica e spontanea Irreversibile (è una delle tappe di comando, ΔG’°≠≠ 0). Ha bisogno di Mg , che si lega, attraverso legami di cooperazione con i fosfati β e γ dell’ATP, li stabilizza, e favorisce l’attacco nucleofilo dell’O legato al C6 del glucosio al P del gruppo fosfato, e il rilascio i ADP a partire dell’ATP. L’esochinasi (chinasi per gli esosi) è un enzima ubiquitario (presente in quasi tutte le cellule), che non ha una specificità selettiva per il glucosio (lega anche il D-mannosio e D-fruttosio) Le cellule epatiche contengono l'isozima glucochinasi (HKIV), principalmente coinvolto nel mantenimento dei livelli ematici del glucosio) La fosforilazione del glucosio serve a bloccarlo all'interno della cellula Reazione 2 Isomerizzazione in cui il Glucosio-6-fosfato diventa il suo corrispettivo chetonico, il Fruttosio 6-fosfato, catalizzato dalla fosfoesosio isomerasi: comporta lo spostamento del doppio legame C1=O in C2, in modo che possa essere fosforilato nella reazione successiva Reazione 3 Il C2 ora scoperto viene fosforilato, per ottenere una molecola di Fruttosio 1,6-bisfosfato (FBP). La reazione è catalizzata dalla fosfofruttochinasi e si consuma 1 molecola di ATP. Caratteristiche: Esoergonica: ΔG’°= -14,2 kJ/mol → irreversibile. È La seconda tappa di comando (per alcuni punti di vista la + rilevante) della glicolisi. È regolata allostericamente per spingere avanti la glicolisi Genera il fruttosio 1,6-bisfosfato, intermedio esclusivo della glicolisi (serve al proseguimento di essa) Consuma la 2° molecola di ATP della fase preparatoria della glicolisi Chimicamente la reazione e' simile alla 1ª (attacco nucleofilo dell’O in Cl1 sul P γ elettrofilico dell'ATP-Mg2). Reazione 4 Tappa litica della glicolisi: la reazione è catalizzata dall’aldolasi, enzima della famiglia delle ligasi, che scinde il Fruttosio 1,6-bisfosfato tra il C3 e C4 formando 2 molecole: C1 C2 e C3 → Diidrossiacetone fosfato (DHAP) C4,C5 e C6 → Gliceraldeide-3-fosfato (GAP) Caratteristiche Nonostante ΔG’°= -23,8 kJ/mol → la reazione e' reversibile, perché alle concentrazioni dei reagenti e prodotti reali, il ΔG reale e' vicino allo 0. La scissione aldolica produce due composti interconvertibili, che possono andare in una via di degradazione comune Reazione 5 Isomerizzazione del diidrossiacetone fosfato in gliceraldeide-3-fosfato La reazione è catalizzata dalla triosio fosfato isomerasi (TIM), che sposta il doppio legame con l’O dal C2 al C1: rende indistinguibili gli atomi di C del segmento C1-C3 e C4-C6 della FBF di partenza ΔG’°= 7,5 kJ/mol, ma vicina all'equilibrio → reversibile per Q Completa la fase preparatoria della glicolisi (investimento di energia) Da questo momento in poi la stechiometria delle reazioni va raddoppiata Reazione 6 La gliceraldeide-3-fosfato, insieme ad un gruppo fosfato inorganico (ovvero non legato ad una molecola di ATP), viene ossidata in quanto viene sottratto un atomo di H a cui si lega questo fosfato inorganico. Questa reazione di ossidazione è catalizzata dalla gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi, e comporta la riduzione del NAD+ a NADH (2 H vengono sottratti, il NAD+ assume uno ione idruro, viene rilasciato un H ) Il prodotto è il 1,3-bisfosfoglicerato (1,3-BPG), il primo intermedio ad alta energia: ΔG’°= 6,3 kJ/mol → sarebbe leggermente sfavorita ma viene spinta in avanti per azione di massa, determinata dalla reazione successiva fortemente esoergonica. Reazione 7 Il 1,3-Bisfosfoglicerato viene utilizzato per produrre ATP a partire da adenosina: il gruppo fosfato del 1,3-BPG diventa il fosfato gamma dell’ATP. Il prodotto è il 3-Fosfoglicerato + ATP. L’enzima che catalizza la reazione è la fosfoglicerato chinasi che fosforila (o defosforila) il BPG. ΔG’°= -18,8kJ/mol -l'accoppiamento tra la reazione della GAPDH (endoergonica) e la reazione della PGK (fortemente esoergonica) rende possibile la sintesi di NADH e di ATP (accoppiamento delle reazioni 6 e 7) Deviazione della via glicolitica nei globuli rossi Parte dell' 1,3-BPG è convertito in 2,3-BPG per azione della bistosfoglicerato mutasi. Nei globuli rossi il 2,3-BPG raggiunge concentrazioni elevate. E' idrolizzato in 3-PG da una fosfatasi  Reazione 8 Il gruppo fosfato del 3-Fosfoglicerato viene spostato dalla posizione 3 alla 2, con formazione del 2-Fosfoglicerato. Il catalizzatore è la fosfoglicerato mutasi (+ Mg2+) ΔG’°= 4,4 kJ/mol, ma vicina all'equilibrio → reversibile La reazione avviene in 2 tappe con formazione intermedia di 2,3-BPG Reazione 9 Il 2-Fosfoglicerato viene deidratato (sottrazione di 1 molecola di acqua) dall’enolasi, con formazione del Fosfoenolpiruvato ΔG’°= 7,5 kJ/mol→ sfavorita ma spinta in avanti dalla successiva Comporta la formazione di un intermedio enolico stabilizzato dal Mg+ Genera l'intermedio ad elevatissima energia PEP: può essere usato per produrre ATP (reazione 10) Reazione 10 Il Fosfoenolpiruvato si combina con una molecola di ADP: il gruppo fosfato del PEP viene staccato e, grazie all’enzima piruvato chinasi, unito all’ADP (fosforilazione a livello del substrato, ≠ da fosforilazione ossidativa), con formazione di Piruvato e ATP Esoergonica (ΔG’°= -31.4 kJ/mol) → irreversibile Il piruvato compare prima nella sua forma enolica, poi tautomerizza spontaneamente in quella chetonica Le FERMENTAZIONI Non si ha più produzione di ATP (no guadagno energetico), anzi, il NADH prodotto dalla glicolisi viene riossidato. Ciò serve ad alimentare la glicolisi stessa: nella reazione 6 il NAD+ viene converstito in NADH; se non ci fosse l’11esima reazione, la quantità di NAD+ disponibile si esaurirebbe, e la glicolisi non potrebbe continuare. Per rigenerarlo, viene inserita all’interno della via metabolica l’11esima tappa, perché il NADH tornerà ad essere ossidato, a prescindere dal tipo di fermentazione a cui è andato incontro. Il NAD+ quindi rientrerà nella glicolisi nella reazione 6 per accettare gli elettroni e portare avanti la glicolisi. Dove avviene? Nelle cellule che non possono fare la fosforilazione ossidativa, ovvero che non hanno i mitocondri, come gli eritrociti; oppure, come nel caso delle cellule muscolari, ci sono cellule che fanno la fosforilazione ossidativa, ma nel momento in cui si ha una carenza di ossigeno, provano a produrre ATP con la fermentazione FERMENTAZIONE OMOLATTICA o LATTICA - Reazione 11a Il piruvato viene convertito ad 1 molecola di lattato, grazie all’enzima Lattato deidrogenasi che, avendo come substrato il piruvato e il NADH, riduce il piruvato in lattato, con conseguente ossidazione del NADH in NAD+. Deve essere presente un protone proveniente dall’ambiente cellulare (H+) La reazione avviene in entrambe le direzioni a seconda della concentrazione relativa dei substrati. Sarebbe una reazione spontanea, irreversibile, ma in questo caso, si ha un effetto opposto del rapporto di concentrazione di massa in quanto è il piruvato che viene sequestrato come substrato in modo che il rapporto di azione di massa renda questa reazione + vicina all’equilibrio di quanto sarebbe previsto dallo standard biochimico. Può accadere che in seguito ad un’intensa attività fisica, i muscoli non siano sufficientemente supportati dall’ossigeno, e siano costretti a fare un processso fermentativo, con produzione di acido lattico (=lattato). Il lattato è una molecola che si dissocia in ambiente acquoso, con formazione di protoni: si acidifica l’ambiente cellulare, che favorisce il rilascio dell’O2 da parte dell’Hb. Il lattato viene portato al fegato che, sempre grazie alla lattato deidrogenasi, fa gluconeogenesi (converte il lattato in piruvato e poi in glucosio consumando 6 ATP): il glucosio verrà poi messo in circolo nel sangue e portato al muscolo, per alimentarlo. Lo yogurt è un prodotto di fermentazione: nei derivati del latte vengono inseriti dei batteri/funghi che, in condizioni anaerobiche, riescono a fermentare e dare il sapore/consistenza dello yogurt. Come si prepara? Il latte viene scaldato a 90°C (per uccidere batteri pericolosi, rimuovere O2 e cambiare le proprietà delle sue proteine, es si condensa) e poi portato a 40°C, per aggiungere i lattobacilli alla temperatura ottimale. I batteri sono in grado di scindere il lattosio in glucosio e galattosio e quindi fare fermentazione lattica: producono acido lattico che cambia le proprietà delle proteine del latte (yogurt + denso e sapore acido) FERMENTAZIONE ALCOLICA - Reazione 11b Consiste in 2 reazioni: 1. La piruvato decarbossilasi, con Mg2+ e il coenzima tiamina pirofosfato (gruppo prospettico dell’enzima), decarbossila il piruvato convertendolo in Acetaldeide 2. L’Acetaldeide e il NADH sono substrato dell’alcol deidrogenasi (ossidoriduttasi): con un protone proveniente dall’ambiente si ha la riduzione dell’acetaldeide a etanolo, con conseguente rilascio del NAD+. Energetica della fermentazione Alimenta la glicolisi, ma energeticamente, è scarsa: Il piruvato potrebbe ancora essere ossidato per produrre ATP L’energia libera che viene rilasciata è > di quella rilasciata dalle 2 molecole di ATP che si formano E' altamente inefficiente rispetto alla fosforilazione ossidativa (in cui vengono prodotti 32 ATP / 1 glucosio); però in condizioni anaerobiche la velocità di produzione di ATP può essere anche 100 volte maggiore rispetto alla OxPhos La glicolisi è un metabolismo finemente regolato Effetto Pasteur: certi batteri, se posti in coda aerobiche, consumavano poco glucosio; se shiftati in condizioni anaerobiche consumavano un grande quantità di glucosio, x produrre velocemente ATP (sono necessarie circa 15 glicolisi x ottenere una quantità di ATP circa pari all'ossidazione di glucosio in presenza di O2). Nei tumori: effetto Warburg → il glucosio viene metabolizzato 10 volte di piu' rispetto alle cellule normali, anche in presenza di ossigeno attraverso fermentazione (piuttosto che ossidazione). Perché? Spesso i tumori iniziano a formarsi in zone scarsamente/non vascolarizzate (condizioni tossiche), adattando il loro metabolismo all’ambiente. Quando si formano in zone vascolarizzate continuano a preferire la fermentazione. Basi molecolari dell'effetto Warburg: le cellule cancerose, nella loro riprogrammazione genetica e metabolica, aumentano la loro espressione aumentano sintesi di trasportatori per il glucosio sulla loro superficie (x intoritarne in maggiore quantità) e di enzimi chiave per la glicolisi. L'effetto Warburg e' sfruttato a fini diagnostici - PET-tomografia ad emissione di positroni: Rileva celluli tumorali in quanto in esse si accumula un glucosio marcato col Fluoro (2-fluoro-2-deossiglucosio) che viene somministrato al paziente. Esso è substrato del 1° enzima della glicolisi, l’esochinasi, ma non viene riconosciuto dall’enzima successivo, isomerasi (non viene convertito in fruttosio). Non potendo continuare la glicolisi, il glucosio marcato si accumula nelle cellule che l’hanno assorbito. Quali cellule accumulano maggiormente? Cervello, vescica. Altre macchie scure = possibili tumori. Esistono fibre muscolari lente e fibre muscolari veloci