Vie metaboliche: fasi, reazioni

Le vie metaboliche sono una serie di reazioni chimiche catalizzate da enzimi e collegate dai loro intermedi, ovvero i reagenti di una reazione sono i prodotti della precedente.

Vi sono un gran numero di vie metaboliche che consentono la sopravvivenza del genere umano. Nell’uomo, le più importanti sono:

• glicolisi
• ciclo di Krebs
• via dei pentoso fosfati
• ciclo dell’urea
• β-ossidazione degli acidi grassi
• gluconeogenesi
• ciclo di Cori

Glicolisi

Tra le vie metaboliche la glicolisi è tra le più note. È un processo  in cui una molecola di glucosio tramite trasformazioni chimiche in sequenza dà luogo alla formazione di due molecole di acido piruvico, due ATP e due NADH

La prima reazione della glicolisi è:
C₆H₁₂O₆ + 2 ATP + 2 ADP + 2 NAD⁺ → 2 NADH + 4 ATP + 2 acido lattico  (1)

Pertanto dalla glicolisi di una molecola di glucosio si ottengono 2 molecole di ATP e 2 molecole di acido lattico

L’ NADH prodotto nella reazione reagisce a sua volta col l’ATP secondo la reazione:
6 ADP +2 NADH →2 NAD⁺ + 6 ATP   (2)

In tale reazione si ha la perdita di 2 molecole di NADH e di 6 molecole di ATP e formazione di 2 molecole di NAD⁺  e di 6 molecole di ATP.

La reazione complessiva ottenuta sommando membro a membro la (1) e la (2) è:
C₆H₁₂O₆ + 8 ADP → 8 ATP + 2 acido lattico

Complessivamente nei due stadi considerati si ha il consumo di una molecola di glucosio e di 8 molecole di ADP. Si verifica  la formazione di 8 molecole di ATP e 2 molecole di acido lattico.

Ciclo di Krebs

Il ciclo di Krebs o ciclo dell’acido citrico consiste in una serie di reazioni necessarie a rilasciare l’energia immagazzinata attraverso l’ ossidazione dell’acetil-CoA derivato dai carboidrati , grassi e proteine ​​.

Consiste di  otto reazioni del ciclo hanno lo scopo di trasformare l’acetil Coenzima-A in CO₂ e completare l’ossidazione

Il ciclo di Krebs può essere schematicamente suddiviso in 4 fasi:

• Fase iniziale:

Reazione 1: sintesi del citrato mediante la condensazione dell’acetilCoA e ossalacetato:

Reazione 2: isomerizzazione del citrato in isocitrato

• Fase delle decarbossilazioni ossidative

Reazione 3: 1^a a decarbossilazione ossidativa nella quale avviene la conversione dell’isocitrato a acido α-chetoglutarico o α-chetoglutarato a cinque atomi di carbonio.

Reazione 4: 2^a decarbossilazione ossidativa che trasforma l’ α-chetoglutarato, in succinilCoA . Fase della fosforilazione a livello di substrato in cui il succinilCoA si trasforma in succinato

• Fase delle deidrogenazioni (reazione 6, 7 e 8): in realtà vi sono sono due deidrogenazioni separate da una idratazione.

6) deidrogenazione del succinato a fumarato

7) idratazione del fumarato a malato

8) deidrogenazione del malato a ossalacetato

In totale, nel corso di un ciclo, si formano tre NADH e un FADH2. Inoltre, in una delle reazioni del ciclo si forma una molecola di ATP.

Tutti questi eventi possono essere riassunti nella seguente equazione di reazione:

acetilCoA + 3 NAD⁺ + FAD + ADP + P_i + 2 H₂O →2 CO₂ + 3 NADH + 3 H⁺+ FADH₂ + ATP + CoA

Via dei pentoso fosfati

La via dei pentoso fosfati è la maggiore fonte di NADPH richiesta per i processi anabolici, ovvero dell’insieme dei processi di assimilazione delle sostanze nutritive,  nonché la sintesi di molecole complesse a partire la molecole più semplici.

La via del pentoso fosfato, oltre a produrre NADPH utilizzato come trasportatore di energia chimica, dà luogo alla produzione di ribosio 5-fosfato utilizzato come precursore di molecole più complesse come gli acidi nucleici.

Essa è una tra le vie metaboliche alternative rispetto alla glicolisi adottata da quei batteri che non posseggono l’enzima aldolasi fondamentale nella glicolisi

Può essere suddivisa in due fasi:

• fase ossidativa irreversibile
• fase detta delle interconversioni

Nella prima fase avvengono tre reazioni che trasformano il glucosio-6-fosfato in ribulosio-5-fosfato con liberazione di una molecola di CO₂ e produzione di due molecole di NADPH.

La fase delle interconversioni comprende una serie di reazioni reversibili in cui si ha la  trasformazione di un certo numero di carboidrati tra loro, attraverso reazioni di isomerizzazione. In essa i fosfopentosi in eccesso sono trasformati in intermedi della glicolisi e si ha la nuovamente la sintesi del glucosio-6-fosfato in pentoso fosfato

Ciclo dell’urea

Il ciclo dell’urea ha lo scopo di trasformare l’ammoniaca, sottoprodotto del metabolismo dell’azoto in urea, affinché possa essere eliminata con le urine.

L’ammoniaca deriva dal catabolismo delle proteine costituite da amminoacidi. È una sostanza tossica che deve essere rimossa e la reazione complessiva per la formazione di urea dall’ammoniaca è la seguente:
2 NH₃ + CO₂ + 3 ATP → NH₂CONH₂ + 3 ADP + H₂O

L’urea è prodotta attraverso una serie di reazioni che avvengono nel citosol e nella matrice mitocondriale delle cellule epatiche. Il ciclo coinvolge tre amminoacidi ornitina, citrullina e arginina ed è quindi detto, dalle loro iniziali, ciclo dell’oca

β-ossidazione degli acidi grassi

La β-ossidazione degli acidi grassi  si verifica principalmente nei mitocondri ed è dovuta a una sequenza di reazioni cicliche che determinano la loro conversione in acetil-CoA.

Una volta all’interno della cellula, un gruppo CoA è aggiunto all’acido grasso formando acil-CoA a catena lunga. L’ acil-CoA a catena lunga è quindi modificato in acilcarnitina che è trasportata attraverso la membrana mitocondriale dove passa a acil-CoA a catena lunga. L’acil-CoA a catena lunga entra nella via della β-ossidazione degli acidi grassi.

Essa comporta la produzione di un acetil-CoA da ogni ciclo di β-ossidazione degli acidi grassi. Ogni ciclo della β-ossidazione degli acidi grassi inizia con un acil-CoA e termina con un acetil-CoA, un FADH₂, un NADH e acqua, e la catena acil-CoA diventa più corta di due atomi di carbonio. La resa energetica totale per ciclo è di 17 molecole di ATP.

Questo ciclo si ripete fino a quando non si formano due molecole di acetil-CoA invece di un acil-CoA e un acetil-CoA.

Gluconeogenesi

La gluconeogenesi è un processo metabolico che avviene nel citosol e nei mitocondri necessario a mantenere costante il livello di glucosio nel sangue durante lo stato di digiuno o durante un intenso sforzo fisico

Se il corpo non ha un eccesso di carboidrati che può scomporre in glucosio può utilizzare altre molecole come amminoacidi glucogenici, lattato, piruvato e glicerolo. Il processo di gluconeogenesi è l’opposto della glicolisi e poiché la glicolisi avviene con produzione di energia, ci si aspetterebbe che la gluconeogenesi richiedesse energia. Tuttavia, questo processo si verifica quando il corpo è già a corto di energia, quindi sono necessarie soluzioni alternative. Pertanto, alcuni stadi della gluconeogenesi non avvengono in un modo opposto alla glicolisi.

La gluconeogenesi parte dal piruvato e inizia nei mitocondri o nel citoplasma del fegato o del rene.

Ciclo di Cori

Il ciclo dell’acido lattico detto ciclo di Cori è una via metabolica in cui il lattato è trasportato al fegato e convertito in glucosio per ritornare ai muscoli e ciclicamente metabolizzato in lattato

Il ciclo di Cori è un processo importante per la produzione di energia richiesta dai muscoli durante l’esecuzione di un’attività faticosa.

Quando l’apporto di ossigeno è insufficiente, tipicamente durante un’intensa attività muscolare, l’energia deve essere rilasciata attraverso il metabolismo anaerobico.

In tale situazione, poiché l’ossigeno è insufficiente, il glucosio è scomposto attraverso un processo di metabolismo anaerobico noto come fermentazione. Nel processo il piruvato è convertito in lattato e quindi secreto nel flusso sanguigno.

Le fasi del ciclo di Cori sono:

• conversione del lattato in glucosio nel fegato
• rilascio di glucosio nel sangue
• assorbimento di glucosio da parte dei tessuti periferici
• conversione del glucosio in lattato mediante glicolisi
• rilascio di lattato nel sangue
• assorbimento di lattato da parte del fegato per la conversione di nuovo in glucosio