Glicolisi e destini del piruvato: processi metabolici all'Università del Molise

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DEL MOLISE

CdL di Infermieristica e TPALL aa. 2024-25
LEZIONE XI
Glicolisi e destini del piruvato
Alessandro Medoro, PhD
15-18 Novembre 2024

Il trasporto del glucosio nelle cellule

Nell'uomo il trasporto del
glucosio può avvenire secondo
gradiente (diffusione facilitata)
contro gradiente (trasporto
attivo).

Glucosio
Cellula
Diffusione facilitata
Contro gradiente di
concentrazione

• La diffusione facilitata non richiede ATP e coinvolge i trasportatori
  del glucosio, i cosiddetti GLUT.
• Il trasporto attivo si verifica nell'intestino e nei tubuli renali e
  richiede l'utilizzo indiretto di energia biochimica (Na+/glucosio in
  simporto).

Il trasporto del glucosio nelle cellule

Glucosio
Lume
Na+
o galattosio
Fruttosio
SGLT1
GLUT5
Orletto a spazzola
Glucosio
Enterocita
Galattosio
Fruttosio
Liquido
interstiziale
Na+
ATP
GLUT2
k+
Capillare

GLUCOSIO E GALATTOSIO

Ingresso attraverso gli SGLT1
(cotrasportatori di Na+ e
glucosio) con dispendio di ATP
per permettere la fuoriuscita
di Na+ attraverso la pompa
Na+/K+ (TRASPORTO ATTIVO)

Uscita attraverso i
trasportatori del glucosio
GLUT2 nel lume vascolare
(TRASPORTO PASSIVO o
DIFFUSIONE FACILITATA)

Il trasporto del fruttosio nelle cellule

Il terzo principale esoso che necessita di essere trasportato è il
fruttosio; nell'enterocita è anche presente il GLUT5 che trasporta
questo monosaccaride con più alta affinità rispetto al glucosio.

Fruttosio
Fruttosio
Glut2
Capillari
sanguigni
Fruttosio
5
(non c'è co-trasporto con il sodio)
Enterocita

Come per il glucosio e il galattosio, anche il fruttosio fuoriesce
dall'enterocita attraverso GLUT2.

Caratteristiche del trasporto del glucosio nei vari tessuti

Il sistema di trasporto del glucosio può essere dipendente
o indipendente dall'insulina.

GLUT1

• Blood-Brain Barrier
• Heart (lesser extent)
• Liver
• Insulin-Independent
• Pancreas
• High Km
• Small Intestine
• Low Affinity
• Brain
• Insulin-Independent
• Neurons
• Low Km
• Sperm
• High Affinity
• Skeletal Muscle
• Insulin-Dependent*

GLUT4

• Adipose Tissue
• Moderate Km
• Heart
• Moderate Affinity

GLUT5

• Enterocyte of Intestinal
  Epithelium (Luminal Side)
• Insulin-Independent

GLUT3

• Blood
• Insulin-Independent

GLUT2

Caratteristiche del trasporto del glucosio nei vari tessuti

Tessuti insulino-dipendenti

Tessuti che hanno bisogno dell'insulina per
esprimere GLUT e quindi assorbire maggiori
quantità di glucosio

Tessuto muscolare striato
Tessuto adiposo
scheletrico
cardiaco

Il GLUT4 è presente soprattutto nel muscolo scheletrico, nel cuore e nel tessuto
adiposo bianco e bruno, non a caso definiti tessuti insulino-dipendenti.

Regolazione dell'espressione dei GLUT4 da parte dell'insulina

(a) In assenza di insulina il glucosio non può entrare nella cellula.

Glucosio
Recettore per l'insulina
N
LEC
Cellula adiposa o cellula
muscolare a riposo
Vescicole
secretorie
Proteina
di trasporto GLUT-4

(b) L'insulina segnala alla cellula di inserire trasportatori GLUT-4
nella membrana, permettendo al glucosio di entrare nella cellula.

L'insulina si lega
al recettore
Glucosio
1
4
Il glucosio
entra nella cellula
2
Inserimento
nella membrana
3
Cascata
di trasduzione
del segnale
- GLUT-4

La produzione di energia: catabolismo dei nutrienti

La degradazione enzimatica delle sostanze nutritive
principali (carboidrati, lipidi e proteine) procede attraverso
una serie di reazioni che hanno lo scopo ultimo di generare
energia chimica.

Questa energia viene utilizzata per tutte le reazioni cellulari,
ivi comprese quelle anaboliche (biosintesi).

Metabolismo dei carboidrati

Glicolisi: ossidazione del glucosio a piruvato o acido
lattico
Gluconeogenesi: sintesi del glucosio a partire da
precursori diversi dai carboidrati
Glicogenosintesi: sintesi di glicogeno a partire da
glucosio
Glicogenolisi: idrolisi del glicogeno in glucosio
Via dei pentoso fosfati: ossidazione anaerobia del
glucosio a CO2

Catabolismo dei carboidrati: la glicolisi

• La glicolisi è la via di degradazione del glucosio
  (a 6 atomi di C) a piruvato (a 3 atomi di C).
• In condizioni anaerobie, il piruvato sarà ridotto
  ad acido lattico (fermentazione lattica).
• In condizioni aerobie, il piruvato sarà usato per generare
  acetil-CoA (a due atomi di C) che entrerà
  nel ciclo di Krebs.

Catabolismo dei carboidrati: la glicolisi

In condizioni aerobie

Glucosio
GLICOLISI
Piruvato
RESPIRAZIONE (O2)
CO2 + HO
2

In condizioni anaerobie

Glucosio
FERMENTAZIONI
Prodotti della fermentazione
(lattato, etanolo)

Catabolismo del glucosio: la glicolisi

La glicolisi è un processo che si verifica nel citoplasma
delle cellule.
Consiste di due fasi attraverso 10 diverse reazioni,
ognuna catalizzata da un enzima diverso.
▪
Porta alla formazione di due molecole di ATP e NADH e
di due molecole a tre atomi di carbonio: il piruvato.
La reazione completa della glicolisi è la seguente:
C6H1206 + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 P: > 2 NADH + 2 C2H2O3 + 2 ATP + 2
H2O + 2 H+

Le fasi della glicolisi

Le reazioni della glicolisi sono
organizzate in due fasi principali:

1. La fase di investimento o
   preparazione, in cui viene
   investita l'energia di 2 ATP per
   generare il
   fruttosio 1,6-bisfosfato.
2. La fase di recupero,
   in cui si generano due piruvato e
   si producono 4 ATP.
   L' ATP può essere utilizzato per
   ricavarne energia libera, mentre
   piruvato e NADH prenderanno diversi
   destini a seconda delle condizioni:
   anaerobiche o aerobiche.

Glucosio
ATP
1
ADP
Glucosio 6-fosfato
Fruttosio 6-fosfato
Fase di preparazione
ATP
1
ADP
Fruttosio 1,6-bisfosfato
11
Gliceraldeide 3-fosfato
2 NAD+
Diidrossiacetone fosfato
2 NADH + 2 H+
1,3-bisfosfoglicerato (2)
2 ADP
2
ATP
3-fosfoglicerato (2)
t
Fase di
recupero energetico
2-fosfoglicerato (2)
Fosfoenolpiruvato (2)
2 ADP
2
ATP
Piruvato (2)

In condizioni anaerobiche, è indispensabile rigenerare il NAD+ altrimenti la
glicolisi, e quindi la produzione di ATP, si blocca.

La fase di investimento

CH2OH
H
--
O
H
H
OH
H
HO
OH
H
OH
Glucosio
ATP
Esochinasi/
glucochinasi
ADP
CH2OP
H
H
H
OH
H
HO
OH
H
OH
Glucosio 6-fosfato (G6P)
2
Fosfoesoso
isomerasi
CH2O P
CH2OH
O
H
HO
H
OH
OH
H
Fruttosio 6-fosfato (F6P)
Regolazione a livello della
seconda reazione di
fosforilazione (PFK-1).
3
ATP
Fosfofruttochinasi
ADP
CH2OP
CH2OP
O
H
HO
H
OH
OH
H
4
Fruttosio 1,6-bisfosfato (FBP)
L'enzima aldolasi agisce su una
molecola instabile, il FBP,
favorendo la scissione in due
composti più stabili.
4
Aldolasi
5
CH2OP
C
I
I
c=0
H-C-OH
1
5
CH2OH
CH2OP
Diidrossiacetone
fosfato (DAP)
Gliceraldeide 3-fosfato
(G3P) (2 molecole)
Produzione di due molecole di gliceraideide-
3-fosfato
1
L'enzima esochinasi (o glucochinasi)
«carica» un gruppo fosfato sul
carbonio non compreso
nell'anello del glucosio.
2
L'enzima fosfoesoso isomerasi
converte l'aldoesoso nel
corrispettivo isomero chetoso.
O
H
Fosfotrioso
isomerasi
L'enzima fosfotrioso isomerasi
favorisce lo spostamento del
gruppo carbonilico dal secondo
al primo carbonio della catena.
3
L'enzima fosfofruttochinasi
«carica» un gruppo fosfato
sull'altro carbonio non compreso
nell'anello del fruttosio.
È l'enzima chiave della vita.
Consumo netto di due
molecole di ATP.
C

Reazione 1

Fosforilazione del glucosio sul carbonio non compreso nell'anello carbonioso

CH2OH
CH2OPO32-
O
O
Esochinasi
OH
OH
+ ADP + H+
OH
HỎ
OH
HÒ
OH
OH
Glucosio
Glucosio 6-fosfato
(G-6P)
Il glucosio una volta entrato nella cellula viene fosforilato a
glucosio-6-P spendendo una molecola di ATP.

Reazione 1

Fosforilazione del glucosio-6-P

Il glucosio una volta entrato nella cellula viene fosforilato a
glucosio-6-P.

Extracellular
fluid
Cytoplasm
Glucose
Glucose
Glucochinasi
Esochinasi IV
ATP
- ADP
Glucose-
KO- 6-phosphate
La forma fosforilata non transita
attraverso le membrane perché
non può legare i trasportatori
Trasportatori
specifici per il
glucosio
Glucose is kept in the cell
by phosphorylation to G6P,
which cannot easily cross
the plasma membrane

L'esochinasi

L'esochinasi è presente in tutte le cellule che fanno la
glicolisi. Esistono 4 isoforme di questo enzima
È in grado di fosforilare molti esosi (come mannosio e
fruttosio) in presenza di Mg+ ed è inibita dal prodotto
della reazione (glucosio-6-P).
Quando la cellula ha soddisfatto il suo bisogno di ATP, si
accumula glucosio-6-P che inibisce l'attività dell'enzima e
la glicolisi.

La glucochinasi (esochinasi IV)

La glucochinasi (esochinasi IV) è specifica per il glucosio ed
è presente nel fegato e non è inibita dal glucosio-6-P.
Questa differenza rispecchia i differenti metabolismi
cellulari: il fegato è il principale regolatore della glicemia,
quindi deve essere in grado di operare la glicolisi in risposta
non solo al proprio fabbisogno energetico ma anche alla
concentrazione di glucosio del sangue.

Reazione 2

Isomerizzazione di un aldoso (glucosio) in un chetoso (fruttosio)

0
H
C
H-C-OH
CH2OPO32-
-Q H
H
H
K
OH H
H-C-OH
HÒ
OH
H OH
H-C-OH
CH2OPO32-
Glucosio 6-fosfato
(G-6P)
Glucosio 6-fosfato
(forma a catena aperta)
O
CH2OH
C
HO-C-H
0
H HO
H-C-OH
H
OH
H-C-OH
HO H
CH2OPO32-
Fruttosio 6-fosfato
(forma a catena aperta)
Fruttosio 6-fosfato
(F-6P)
Fosfoglucosio
isomerasi
Il passaggio successivo della glicolisi
consiste nella isomerizzazione del glucosio-
6-fosfato a fruttosio-6-fosfato.
fruttosio-6-fosfato.
L'enzima fosfoglucosio
isomerasi (o fosfoglucoisomerasi), è Mg-
dipendente.
Tale reazione, in realtà, richiede più
passaggi intermedi di quanti si possano
immaginare: l'enzima è infatti in grado
di aprire la struttura ciclica del glucosio
(anello a sei atomi di carbonio),
isomerizzare la molecola e richiuderla nella
struttura ciclica del fruttosio (anello a cinque
termini).
2-O3POH2C
CH2OH
HO-C-H

Reazione 3

Seconda fosforilazione della glicolisi

Seconda fosforilazione della glicolisi. Il fruttosio 6-fosfato viene
sottoposto ad un'altra fosforilazione.

2-O3POH2C
CH2OH
0
Fosfofruttochinasi
HO
ATP
OH
PFK
OH
È un enzima allosterico
Fruttosio 6-fosfato
(F-6P)
2-O3POH2C
CH2OPO32-
0
+ ADP + H+
HOT
OH
OH
Fruttosio 1,6-bisfosfato
(F-1,6-BP)

Fosfofruttochinasi

Tale reazione è il punto di controllo
più importante della glicolisi. PFK
catalizza la terza reazione della
glicolisi, che determina in modo
irreversibile l'ingresso del glucosio
nella glicolisi (il glucosio 6-fosfato
può prendere altre vie diverse dalla
glicolisi) Oltre ai siti di legame per i
substrati (fruttosio 1,6-bifosfato,
ATP) possiede siti regolatori ai quali
si legano attivatori o inibitori
allosterici.
La PFK è finemente regolata da:

• ATP (-)
• Citrato (-)

• AMP
  (+)
• Fruttosio 2,6
  bisfosfato (+)

Fruttosio 6-fosfato
ATP
ATP, citrato
+
AMP
Fosfofruttochinasi-1
+
· Fruttosio
2,6-bisfosfato
ADP
H
H-C-O-P
C=O
HO-C-H
1
H-C-OH
H-C-OH
H-C-O-(P
H
Fruttosio 1,6-bisfosfato
O
Aldolasi
H
1
C-H
H-C-O-(P
H-C-OH
C=O
H-C-O-(P)
H-C-OH
H
Trioso fosfato
isomerasi
H
Gliceraldeide
3-fosfato
Diidrossiacetone
fosfato