Biochimica: Metabolismo del glucosio, glicolisi e ciclo di Krebs

Metabolismo del glucosio nell'eritrocita

Di quale molecola ha bisogno l'eritrocita? Il 2-3 bisfosfoglicerato, che è in realtà una molecola sempre presente nell'organismo. Può diminuire la sua concentrazione ma di fatto è sempre legata all'emoglobina. Entra una fosfatasi che trasforma il 2-3 bisfosfoglicerato in trifosfoglicerato. Quant'è il bilancio netto nell'eritrocita che deve produrre 2-3 bisfosfoglicerato? Sembrerebbe 0 perché inizialmente se ne utilizzano 2 e nella fase di recupero se ne producono solo 2 quindi 2-2=0, non c'è produzione di ATP.

L'1-3 bisfosfoglicerato non lo fornisce nessuno, deriva da un processo di ossidazione della gliceraldeide a acido glicerico - in questa ossidazione viene usato un gruppo fosfato che viene legato alla gliceraldeide 3 fosfato. In quella ossidazione c'è la formazione del legame altamente energetico che fa sì che il fosfato non sia estereo ma appunto ad alta energia.

Regolazione della glicolisi

Nella glicolisi abbiamo visto che 7 tappe sono assolutamente reversibili, cioè hanno AG di idrolisi molto bassi, mentre 3 tappe sono fortemente esoergoniche e sono queste a essere assolutamente regolate. Esse sono la esochinasi, la fosfofruttochinasi 1 e la piruvato chinasi. La prima reazione della via o la reazione all'esochinasi non può essere l'unica tappa da bloccare perché il prodotto può essere usato in altri processi, di fatto l'enzima battistrada che realmente blocca l'intera via è la reazione della fosfofruttochinasi 1, cioè la FFK1 perché una volta formatosi il prodotto di questa reazione, la via deve essere portata a termine.

La via glicolitica è regolata da segnalazioni allosteriche, l'ATP che indica stato di benessere insieme al citrato (attraverso il processo di controllo a feedback negativo) che è il primo metabolita del ciclo di Krebs, la inibiscono. Quando si forma il citrato esso esce dal mitocondrio e va nel citosol. Esce solo quando nel sito c'è un'elevata carica energetica. Se c'è elevata carica si accumula e va nel citosol. (Se c'è un elevata carica dovuta alla presenza di ATP, significa che stiamo bene e quindi è importante che la glicolisi non vada avanti). Abbiamo poi il più importante regolatore allosterico che si forma dall enzima tandem e che è il più importante attivatore.

Piruvato chinasi e regolazione

La piruvato chinasi è l'enzima che trasforma il fosfoenolpiruvico in acido piruvico. Anche questo porta alla produzione di una molecola di ATP. Il prodotto della via di fatto è indice del fatto che la via si è conclusa. La piruvato chinasi è regolata positivamente in maniera allosterica dall'AMP e dall'1-6 bisfosfato. Ma quest'ultimo è l'intermedio specifico della via. Nel momento in cui si forma l'intermedio, questa molecola va a attivare con un metabolismo forward cioè va a favorire inavanti. Di fatto l'enzima precedentemente formato va a reagire in una reazione successiva alla sua per regolarla. Esso assicura la conclusione della via glicolitica.

FFK 1 e affinità dell'ATP

La FFK 1 ha 2 siti che legano il substrato, che è l'ATP o il fruttosio 6 fosfato. Ma abbiamo detto che l'ATP è anche un regolatore negativo. Come accade che se si lega come substrato funziona la reazione e se si lega da regolatore la inibisce? Sarà dovuto all'affinità. Quando la carica energetica è bassa le molecole di ATP si potranno legare al sito come substrato, ma il sito allosterico avrà affinità più bassa, ci vorranno molte più molecole di ATP per legarsi come regolatore. Il sito allosterico ha bassa affinità per l'ATP e poiché non esistono depositi di ATP allora la molecola si legherà al substrato e di conseguenza porterà allo stop della sua produzione. L'affinità è fondamentale perché gestisce determinati e importanti eventi.

Destino dell'acido piruvico

A questo punto cerchiamo di capire il destino dell'acido piruvico. Ricordiamo la struttura dell'acido piruvico, esso può ulteriormente essere ossidato poiché non abbiamo eliminato CO2. L'acido piruvico può continuare a essere ossidato.

Condizioni aerobiche

In condizioni aerobiche l'acido piruvico entra nel mitocondrio, lì verrà decarbossilato in acetil-coA che entrerà nel ciclo di Krebs. Però l'acido piruvico non è l'unico prodotto della glicolisi, di fatto produciamo anche due coenzimi ridotti che sono delle forme di veicolazione di elettroni che devono arrivare alla catena respiratoria. I due NADH che dovrebbero scaricare alla catena respiratoria deve essere riossidato perché queste molecole non sono infinite. Se la glicolisi procede in maniera veloce il rapporto NAD - NADH sarà a favore del NADH e non ci saranno NAD ossidati per procedere con la via. Per fare andare avanti le reazioni, si necessita dei substrati e dunque in questo caso vanno avanti se si ha il NAD che diventa NADH. Per la glicolisi procedere, quindi, necessita di NAD ossidato e se si arriva ad alta concentrazione di NADH dobbiamo riossidarli per far procedere la via.

Sistemi navetta per elettroni

Gli elettroni del NADH devono andare sulla catena respiratoria ma non possono andarci perché il mitocondrio non ha recettori di membrana per loro e cede i suoi elettroni ai sistemi navetta o shuttle. Prendono gli elettroni dal NADH citosolico e sono loro che vanno a trasferirli sulla membrana mitocondriale interna. (Uno è il sistema shuttle del glicerolo fosfato, l'altro è del malato aspartato).Essi si caricano di elettroni del NADH citosolico e li vanno a cedere alla catena respiratoria in maniera tale che la via possa procedere. Di questi 2 sistemi navetta, per ogni molecola di NADH si producono 2.5 molecole di ATP per il sistema di fosforilazione ossidativa. Ma esistono anche altri enzimi trasportatori di elettroni cioè il FAD che in forma ridotta produce 1.5 molecole di ATP. Uno riproduce NAD nel mitocondrio l'altro FADH2. Se utilizza il sistema navetta più efficiente produrrà 2.5 molecole di ATP, se usa il sistema meno efficiente produrrà solo 1.5 molecole di ATP. Siccome il NAD ridotto produce 2.5 molecole di ATP ma alla fine della via glicolitica si hanno due molecole di NADH allora si producono in totale 5 molecole di ATP se si usa il mNAD mentre ne produce 3 se usa il mFAD. (La forma NADH formatasi nel citosol dovrà cedere gli elettroni e lo farà attraverso due sistemi navetta. Il sistema che usa il FAD mitocondriale ossidato produrrà per ciascun elettrone 1.5 mol di ATP mentre per quello che usa il NAD mitocondriale ne formerà 2.5 - in condizioni aerobiche l'acetil-coA entrerà nel mitocondrio e si ossiderà ulteriormente. Il NAD ridotto trasferirà i suoi elettroni attraverso i due sistemi navetta). Questo sistema funziona se c'è l'ossigeno accettore finale di elettroni.

Condizioni anaerobiche e fermentazione lattica

Se siamo in condizioni anaerobiche ci sono dei sistemi quali gli eritrociti che non hanno i mitocondri quindi i NADH prodotti nella via glicolitica non possono rimanere in questa forma perché si altererebbe il rapporto NAD - NADH. Essendo tutto sotto forma di NADH si bloccherebbe la via glicolitica, per cui non si potrebbe produrre ATP e la cellula morirebbe, allora deve esserci una via alternativa per riossidare il NAD ridotto in condizioni anaerobiche, ciò avviene attraverso il processo di fermentazione lattica. Quindi esso è quel processo che consente alla cellula di riequilibrare il rapporto NAD - NADH e di riossidare la molecola in assenza di ossigeno. L'acido piruvico è un chetoacido il cui gruppo chetonico può ridursi formando il gruppo ossidrilico. In presenza della lattato deidrogenasi si formerà il gruppo alcolico del chetone formando l'acido lattico. Se l'acido piruvico si riduce in acido lattico, succede allora che il NADH si ossida in assenza di ossigeno.

Ciclo di Cori

La reazione è tanto reversibile che accade nel Ciclo di Cori, cioè un processo che accade nel muscolo sotto sforzo dove l'ossigeno non arriva. Succede che la cellula deve muoversi quindi fa glicolisi anaerobica, per potere sostenere lo sforzo allora fa fermentazione lattica in maniera tale da avere sempre in produzione il NAD. Il fegato trasforma il lattato in acido piruvico e fa a ritroso la via glicolitica riproducendo ancora glucosio che dal sangue va nel muscolo e viene utilizzato per dare energia alle cellule. Questo spiega il Ciclo di Cori, ciclo che avviene tra muscolo e fegato. Lo stesso ciclo si ha tra il fegato e l'eritrocita che non ha mitocondri e non potendo scaricare elettroni userà questo ciclo.Il significato di LDH, di fatto, non è tanto quello di produrre acido lattico ma di riossidare il NAD in condizione di anaerobiosi, in maniera tale che la glicolisi possa andare avanti.

Fermentazione alcolica

I microrganismi anziché produrre acido lattico e quindi attuare la fermentazione lattica, attraverso la fermentazione alcolica degradano l'acido piruvico che viene prima decarbossilato dall'acetaldeide e successivamente ridotto a gruppo ossidrilico. Il signifcato è sempre lo stesso, NADH riossidato a NAD. I microorganismi, i lieviti etc ... formano alcol dallo zucchero. (L'enzima alcol deidrogenasi è reversibile, è presente anche nel nostro organismo ma non lo facciamo funzionare perché manca un altro enzima - la piruvato-decarbossilasi. Lo usiamo per detossificarci dall'etanolo considerato come una sorta di xenobiotico. L'etanolo viene prima convertito in acetaldeide che è altamente tossica e va a distruggere i neuroni degli alcolisti. Dipende di fatto dalla forte azione dell'alcol, più bevi più ne produci e più produci acetaldeide più danni induci al sistema nervoso). Il fegato per produrre glucosio usa ATP, in genere per tutte le vie metaboliche sarà lui a pagare.

Gluconeogenesi

Se tutte le cellule fanno la glicolisi perché è il pathway più generale, può essere percorsa al contrario nel processo di genesi di nuove molecole di glucosio che è la gluconeogenesi. Le molecole di glucosio che degradiamo dal glicogeno, lo formiamo dal glucosio in eccesso. Il processo di gluconeogenesi, invece, è il processo di sintesi di glucosio da metaboliti intermedi. La via gluconeogenetica avviene nei reni e nel fegato. Per certi versi è l'inverso della via glicolitica, condivide 7 delle 10 tappe delle glicolisi perché sono reversibili. Cambiando la concentrazione di substrato e di prodotti le reazioni vanno in un senso o nell'altro. Non può essere esattamente l'inverso perché le tappe altamente regolate e esoergoniche nella via glicolitica non possono essere portate avanti in senso opposto. Ci sono degli enzimi diversi. La gluconeogenesi è importantissima perché l'organismo consuma un sacco di ATP, dobbiamo sostenere un livello di ATP enorme quindi producendo glucosio viene sostenuto l'apporto energetico. Se siamo in stato di buona alimentazione allora a tutte le cellule arriverà il glucosio introdotto con la dieta, ma in condizioni di digiuno il glucosio non arriva a tutte le cellule. Allora inizialmente il fegato degrada il glicogeno e a poco a poco sostituisce alla degradazione del glicogeno la gluconeogenesi che sostiene la richiesta di glucosio nei sistemi periferici. La gluconeogenesi nell'animale procede inversamente alla via glicolitica. Le piante fanno pure gluconeogenesi ma riescono a partire dall'anidride carbonica per formare le molecole organiche.