Biochimica: Regolazione della glicolisi

Regolazione della glicolisi

La glicolisi è un processo metabolico che agisce in sincronia con altri processi e meccanismi cellulari, basti pensare al ciclo di Krebs, alla biosintesi degli amminoacidi o alla beta ossidazione degli acidi grassi.

E’ composta da 10 reazioni catalizzate da 10 enzimi diversi, enzimi che possono essere sottoposti a controllo. In realtà non tutti e 10 gli enzimi sono controllati, infatti molte reazioni sono facilmente reversibili, ma 3 processi irreversibili controllano la velocità di flusso. Questi tre enzimi sono:

1.       Esochinasi ( EK ), enzima di conversione del glucosio a glucosio 6-P.

2.       Fosfofruttochinasi ( PFK 1 ), converte il fruttosio 6-P in 1,6-Fruttosiobisfosfato.

3.       Piruvato chinasi ( PK), trasforma il fosfoenolpiruvato in piruvato.

Esistono più modi per controllare un’enzima, la modificazione allosterica è uno dei metodi più rapidi, la regolazione genica è più lenta, ma con un maggior controllo nel tempo.

L’esochinasi

Esistono più isoforme dell’esochinasi, numerate da I a IV. Queste isoforme catalizzano la stessa reazione, ma sono diverse per la collocazione all’interno del corpo e per la regolazione. La reazione che catalizza è la seguente:

Glucosio + ATP          Glucosio 6-P + ADP

Come si può capire dal nome, questo enzima non catalizza esclusivamente questa reazione, ma attacca agli esosi ( da qui il nome ESO ) un gruppo fosfato Pi; fosforila dunque zuccheri aventi 6C.

Il suo meccanismo d’azione è abbastanza semplice: composta da due lobi, quando il glucosio si lega con il suo sito attivo induce una modificazione conformazionale, la proteina enzimatica circonda lo zucchero totalmente, lasciando scoperto solo il C6. L’ambiente intorno al glucosio diventa apolare, favorendo il rilascio del Pi dall’ATP. La chinasi si adatta al substrato, non resta rigida, ciò favorisce la fosforilazione.

Le chinasi I, II e III sono enzimi che hanno una bassa costante di Michaelis-Menten; la costante di Michaelis-Menten è una grandezza caratteristica di ciascun enzima.

Essa è un termine che indica quantitativamente l'affinità tra un enzima e il suo substrato: più basso è il valore di K_M e più bassa sarà la concentrazione di substrato che permette di raggiungere un valore di velocità di reazione pari alla metà della velocità massima, il che indica una alta affinità dell'enzima per il substrato. Viceversa un alto valore di K_M indica che sarà necessario più substrato per raggiungere una velocità di reazione pari alla metà della velocità massima, il che significa una minore affinità dell'enzima per il substrato.

Le prime tre esochinasi hanno costanti K_M anche inferiore all’1mM. L’esochinasi I è ubiquitaria, il cui gene si definisce houskeeping, gene costitutivo per la vita. L’esochinasi II è presente nel tessuto muscolare e l’esochinasi III è inibita da eccesso di glucosio, inibizione da substrato. Tutte questi enzimi sono inibiti dal prodotto, il glucosio 6-P.  Tale inibizione è necessaria per prevenire l'accumulo di glucosio 6-P nella cellula nei casi in cui la velocità di flusso complessiva del pathway è bassa. Il glucosio entrato nella cellula, infatti, finchè non viene processato dalla esochinasi, è libero di diffondere nuovamente verso il circolo sanguigno (rendendosi disponibile eventualmente ad altri distretti dell'organismo), a differenza di quanto avviene per il glucosio-6-fosfato, carico e dunque impossibilitato a passare la membrana. Un suo eccessivo accumulo, inoltre, causerebbe un elevato rigonfiamento della cellula per osmosi.

La IV è detta glucochinasi, ha un’importanza fondamentale nell’organismo. Si colloca principalmente nel fegato, ma viene sintetizzata anche nel pancreas e nell’ipotalamo. La sua costante è quasi 100 volte maggiore di quella delle precedenti chinasi,quindi fosforila il glucosio a concentrazioni molto più grandi, oltretutto non è inibita dal prodotto di reazione, il glucosio 6-P. Quindi anche se il glucosio 6-P si accumula negli epatociti il meccanismo continua a fosforilare glucosio. Questo enzima è inibito dal fruttosio 6-P,cioè il prodotto del passaggio successivo della glicolisi, perciò se il rapporto [Glu]/[Fru6P]rimane alto l’enzima continua a fosforilare, altrimenti se il [Fru6P] aumenta, una proteina inibitrice viene rilasciata nel citosol e sequestra l’esochinasi nel nucleo, dove non può fosforilare. Quando [Glu] aumenta e attraverso i pori nucleari penetra nel nucleo, l’esochinasi si libera e torna nel citosol a fosforilare. La costante di Michaelis è importante anche per il fatto che,essendo grande, l’esochinasi IV ha bassa affinità per il glucosio, quindi serve una discreta quantità di glucosio per attivarla allostericamente. Quando il glucosio nel sangue è basso nel fegato si attiva la gluconeogenesi, la concentrazione di glucosio aumenta sensibilmente, ma non in modo tale da attivare l’ esochinasi IV, così che il glucosio possa entrare nel torrente circolatorio e aumentare la sua concentrazione sanguigna.

 Fosfofruttochinasi

Questo enzima catalizza il passaggio 3 della glicolisi, cioè la trasformazione del fruttosio 6-P in 1,6-fruttosiobisfosfato. Da F6P a F16BP. Il controllo di questa reazione è fondamentale, poiché indirizza il fruttosio 6-P unicamente nella glicolisi. La reazione che catalizza è la seguente:

Fruttosio 6-P + ATP         Fruttosio 1,6-BP e ADP

Essendo il F16BP unicamente un substrato glicolitico, essendo la glicolisi un processo per produrre energia sotto forma di ATP, se la [ATP] aumenta e l’ATP si accumula, questo spegne l’enzima e il pathway si blocca.

Viceversa se la concentrazione di AMP e ADP aumenta, essendo sinonimo di mancanza di energia, la PFK 1 si attiva, fosforilando il fruttosio 6-P.

Ci sono vari modi per produrre energia nel nostro organismo,l’ossidazione degli acidi grassi e uno di questi. Per non produrre energia inutilmente, quando abbiamo la produzione di citrato,intermedio del catabolismo degli acidi grassi, il citrato inibisce l’enzima, aumentando l’affinità tra enzima e ATP.

Un substrato particolare di inibizione/attivazione è il fruttosio 2,6-BP.

Quando il livello di glucosio ematico diminuisce, il glucagone segnala alfegato di produrre più glucosio, di rilasciarne di più nel sangue e di non utilizzarlo per il suo fabbisogno. Inibisce quindi la glicolisi, stimola la glicogenolisi e la gluconeogenesi. Quando il livello nel sangue è alto l’insulina stimola la glicolisi, la sintesi del glucosio e quella dei triacilgliceroli, o trigliceridi.

Il fruttosio 2,6-BF regola questi meccanismi. Si lega alla PKF 1 e aumenta l’affinità per il fruttosio-6P, diminuisce l’affinità per ATP e citrato. Stimola quindi la glicolisi, rallentando la gluconeogenesi.

Insulina e glucagone regolano il metabolismo del glucosio intervenendo sulla fruttosio-2,6-bisfosfato.

In che modo? Quando il livello di glucosio ematico aumenta, le cellule beta del pancreas rilasciano l’ormone insulina. Questo ormone si lega sul suo recettore di membrana e attiva la proteina G, che catalizza il passaggio del ATP ad cAMP. Questo ultimo va ad attivare la proteina chinasi cAMP dipendente (PKA), che de fosforila l’enzima PFK 2, cioè la fosfofruttochinasi 2, cioè la proteina responsabile della trasformazione del fruttosio 6-P in fruttosio 2,6-BP. Il F26BP va dunque ad attivare la PKF 1, che fosforila il fruttosio 6-P a F16BP, continuando la glicolisi.

Al contrario fa il glucagone, attivando la proteina fosfatasi 2 che de fosforila la fruttosio 2,6-bisfosfato, riconvertendo il substrato in fruttosio 6-P, necessario per la gluconeogenesi.

Anche i bassi livelli di pH inibiscono l'attività della fosfofruttochinasi, prevenendo così una eccessiva produzione di acido lattico, in grado di generare un crollo ulteriore del pH, condizione molto grave per l'organismo.

Piruvato chinasi

Questo enzima catalizza il passaggio da PEP a piruvato.

Sono presenti 3 isoforme:  L, nel fegato, M muscoli, A altri tessuti.

Livelli elevati di ATP e acil-CoA a catena lunga inibiscono l’enzima, come abbiamo visto in precedenza, ma anche l’alanina inibisce l’enzima piruvato chinasi. Questo perché il piruvato è sintetizzabile dall’alanina, livelli molto alti di alanina inibiscono dunque la defosforilazione del PEP. L’isozima L è disattivato dal glucagone, in modo che non possa più produrre piruvato, più difficile da riconvertire in glucosio del PEP.