Ciclo dei pentosi e Glutatione

VIA DEI PENTOSI

Nella sintesi di acidi grassi il potere riducente è fornito dal NADPH(+ H+). Nelle vie cataboliche, invece, si formano principalmente NADH(H+) e FADH2. Il potere riducente permette poi di ottenere ATP come risultato della catena respiratoria e della fosforilazione ossidativa. C’è però anche la necessità di utilizzare il potere riducente nelle reazioni di biosintesi. La principale via che si occupa di ciò è la via dei pentosi.

La differenza tra NADP+ e NAD+ è data dalla presenza o meno di un gruppo fosfato in posizione 2′ del ribosio sul nucleotide dell’adenina. Inoltre il NADPH è utilizzato a scopi diversi rispetto al NADH.

Infatti il NADPH è utilizzato per:

  • sintesi di acidi grassi
  • fotosintesi
  • sintesi DNA (per l’enzima che converte i nucleotidi in deossiribonucleotidi)
  • azione antiossidante (mantiene allo stato ridotto il glutatione)

La via dei pentosi ha due significati fondamentali:

  • sintesi di zuccheri a cinque carboni, principalmente ribosio-5-fosfato, che ritroviamo anche nei nucleotidi, nel NAD+ e nel NADP+. La richiesta di questa molecola aumenta notevolmente nelle cellule in attiva proliferazione in quanto c’è maggiore richiesta di nucleotidi per la sintesi di DNA e RNA.
  • Sintesi di NADPH (+ H+)

Questa via è attiva in tutte le cellule, ma in particolare in quelle in cui avviene una grande quantità di processi biosintetici che richiedono NADPH:

  • epatociti (attiva sintasi di acidi grassi a partire da un eccesso di zuccheri e proteine)
  • tessuto adiposo (attiva sintesi di acidi grassi)
  • gonadi
  • ghiandole surrenali
  • globuli rossi (dove rappresenta l’unico modo per formare NADPH)


Ad eccezione dei globuli rossi, che trovano come unico modo per sintetizzare NADPH la via dei pentosi, tutti i tessuti posseggono, oltre a questa opzione, la possibilità di ottenere NADPH dalla reazione catalizzata dall’enzima malico (decarbossilazione ossidativa del malato a piruvato). Nei globuli rossi è importante avere una determinata concentrazione di NADPH poiché è necessario mantenere ridotte le proteine del citoscheletro e l’emoglobina. La mancanza di questo potere riducente determina l’anemia mediterranea o favismo.

Il processo consiste in una (prima) fase ossidativa e in una (seconda) fase non ossidativa di riconversione dello scheletro carbonioso (quando questo non viene utilizzato per formare zuccheri a 5 carboni).
All’interno delle cellule il glucosio è in equilibrio con la sua forma fosforilata (metabolicamente attiva), che ha diversi destini: o viene utilizzato nella glicogenosintesi,o entra nella glicolisi (70%) e nella via dei pentosi (30%).

Le prime quattro reazioni di questa via rappresentano la fase ossidativa irreversibile. La prima e la terza forniscono NADPH. Nel caso in cui la cellula necessiti contemporaneamente sia di NADPH sia di RIBOSIO-5-FOSFATO, la via si ferma alla quarta reazione, se vi è necessità di solo NADPH allora la via continua nella fase reversibile (costituita cioè da reazioni che possono decorrere sia in un senso, sia nell’altro), affinchè il ribosio-5-fosfato permetta di ottenere fruttosio-6-fosfato e gliceraldeide-3-fosfato, che andranno nella glicolisi se c’è necessità di energia, oppure nella gluconeogenesi se c’è necessità di riformare glucosio.

Reazione 1 :

deidrogenazione del glucosio-6-fosfato a 6-fosfoglucono-lattone, catalizzata dalla glucosio-6-fosfato deidrogenasi, con formazione di NADPH(+ H+) a partire da NADP+. L’ossidazione avviene sul carbonio 1 del glucosio-6-fosfato che da aldeide diventa acido in forma ciclica. Questo è l’enzima regolatore del processo: il NADP+ è modulatore allosterico positivo, mentre il NADPH e gli acidi grassi a lunga catena sono modulatori allosterici negativi.

Nella famiglia delle ossidoreduttasi, reduttasi è un nome generico per indicare un enzima che trasferisce sia elettroni sia idrogeni, le deidrogenasi sono specifiche per il trasferimento di idrogeni. Ci sono però reazioni in cui c’è trasferimento di idrogeni in cui l’enzima è chiamato reduttasi. Dipende spesso dal nome che è stato dato all’enzima inizialmente (spesso datogli ancora prima di capirne il meccanismo d’azione).

Reazione 2 :

idratazione della struttura ciclica del 6-fosfogluconolattone che diventa perciò 6-fosfogluconato. La reazione è catalizzata dalla 6-fosfogluconolattonasi.

Reazione 3 :

decarbossilazione ossidativa del 6-fosfogluconato a ribulosio-5-fosfato ad opera della fosfogluconato deidrogenasi, con formazione di NADPH e rilascio di CO2. Passiamo così da un composto a 6 carboni al primo zucchero a 5 carboni.

Reazione 4 :

la ribulosio-5-fosfato isomerasi converte il ribulosio-5-fosfato (chetoso) in ribosio-5-fosfato (aldoso).

Reazione 5 :

la ribulosio-5-fosfato epimerasi converte il ribulosio-5-fosfato nell’ epimero sul carbonio 3 in xilulosio-5-fosfato, composto necessario per la continuazione della via. Questa reazione è reversibile.

La via potrebbe terminare in questo punto solo nel caso in cui la cellula necessiti sia di NADPH, sia di ribosio-5-fosfato.

In caso contrario la via continua nella fase non ossidativa, in cui intervengono 2 enzimi:

Reazione 6:

la transchetolasi (che agisce con la tiammina pirofosfato) trasferisce 2 carboni dello xilulosio-5-fosfato sul ribosio-5-fosfato, con formazione di un composto a 7 carboni, il sedoeptulosio-7-fosfato. Dallo xilulosio si otttiene così la gliceraldeide-3-fosfato.

Reazione 7 :

la transaldolasi trasferisce 3 carboni dal sedoeptulosio-7-fosfato sulla gliceraldeide-3-fosfato, con formazione di fruttosio-6-fosfato (formato da 3 carboni della gliceraldeide-3-fosfato e 3 carboni del sedoeptulosio-7-fosfato) ed eritrosio-4-fosfato (che deriva dal sedoeptulosio-7-fosfato). Il fruttosio-6-fosfato entra nella glicolisi o nella gluconeogenesi.

Reazione 8:

l’eritrosio-4-fosfato reagisce con xilulosio-5-fosfato che gli dona 2 carboni. L’enzima è sempre la transchetolasi. Rimane così gliceraldeide-3-fosfato (dallo xilulosio-5-fosfato) e si forma fruttosio-6-fosfato (di cui 4 carboni sono dell’eritrosio-4-fosfato e 2 carboni sono dello xilulosio-5-fosfato). Il fruttosio-6-fosfato e la gliceraldeide-3-fosfato possono entrare nella glicolisi o nella gluconeogenesi. La gliceraldeide-3-fosfato infatti isomerizza a diidrossiacetonfosfato che si condensa con un’altra molecola di gliceraldeide-3-fosfato per dare fruttosio-1,6-bisfosfato.

Il glucosio-6-fosfato che si forma dai prodotti della via che entrano nella gluconeogenesi viene poi utilizzato nuovamente nella via dei pentosi affinchè si formi nuovo potere riducente.

È importante accomodare la stechiometria della reazione:

  • se ci si ferma a ribosio-5-fosfato, la stechiometria è:

1 glucosio-6-fosfato + 2 NADP+ → 1 ribosio-5-fosfato + 1 CO2 + 2 NADPH(H+)

  • se la via procede perchè la cellula non necessita di ribosio-5-fosfato, allora abbiamo:

6 glucosio-6-fosfato + 12 NADP+ → 5 glucosio-6-fosfato + 12 NADPH(H+) + 6 CO2

Le situazioni che possono descrivere i bisogni della cellula in un determinato momento sono 4:

1) Richiesta sia di ribosio-5-fosfato sia di NADPH: ci si ferma alla reazione 4

2) Richiesta più di ribosio-5-fosfato che di NADPH: si parte da glucosio-6-fosfato, si va nella glicolisi che permette di ottenere fruttosio-6-fosfato e gliceraldeide-3-fosfato che si condensano per fare le tappe inversa della fase non ossidativa della via dei pentosi. Si arriva così a ribosio-5-fosfato senza utilizzare i primi 3 enzimi della via dei pentosi.

3) Richiesta più di NADPH che di ribosio-5-fosfato: da 6 molecole di glucosio-6-fosfato si ottengono 5 molecole di glucosio-6-fosfato che rientrano nella via dei pentosi e forniscono una gran quantità di NADPH.

4) Richiesta di NADPH e ATP, ma NON di ribosio-5-fosfato: il fruttosio-6-fosfato e la gliceraldeide-3-fosfato, invece di andare nella gluconeogenesi, entrano nella glicolisi e forniscono energia.

Partendo dal fruttosio-6-fosfato si forma un ATP in più rispetto a quelli che sarebbero prodotto dal glucosio, esso infatti permetterebbe la formazione di 2 ATP e 2 NADH, quindi in tutto 8 ATP, il fruttosio-6-fosfato permette di saltare la fosforilazione ATP-dipedente del glucosio a glucosio-6-fosfato, perciò si “guadagna” un ATP.

 

Il Glutatione

Molecola presente in tutte le cellule dell’organismo, svolge un importante funzione nel combattere lo stress ossidativo cellulare, riducendo radicali liberi, perossidi e altre molecole dannose per le cellule.

Il glutatione (o anche γ-L-glutammil-L-cisteinil-glicina) è un tripeptide dato dall’unione, tramite legami peptidici, di tre aminoacidi (glutammato, cisteina e glicina). La porzione funzionale di questa molecola è rappresentata dal gruppo tiolico (-SH) della cisteina.

formula di struttura

Per poter esplicare la sua funzione deve trovarsi nella forma ridotta (con un il gruppo -SH libero), e una volta avvenuta la reazione si ottengono due molecole di glutatione ossidate, unite da un ponte disolfuro (GS-SG).

Affinché il glutatione possa ritornare nella sua forma funzionale ridotta, è necessario l’intervento di uno specifico enzima NADPH dipendente che è la glutatione reduttasi.

Negli eritrociti il glutatione è fondamentale, al loro interno vi è un ambiente fortemente ossidante e quindi dannoso per le proteine (come per esempio l’emoglobina e quelle del citoscheletro) in essi contenute. Queste non possono essere ripristinate in quanto i globuli rossi mancano dell’intero sistema di sintesi proteica e perciò devono essere protette dagli agenti ossidanti tramite l’azione del glutatione.

Quindi il glutatione, oltre al mantenimento nella forma ridotta dei gruppi -SH nelle proteine, partecipa alla rimozione dei perossidi come l’acqua ossigenata (H2O2) e di perossidi organici (ROOH) seguendo la seguente formula generale:

2 GSH (glutatione ridotto) + ROOH (perossido organico) à GS-SG (glutatiuone ossidato) + H2O + ROH

L’enzima che catalizza questa reazione è la glutatione perossidasi che ossida le molecole di glutatione. Queste saranno successivamente ridotte per opera della glutatione reduttasi.

Esistono patologie come il favismo (chiamato così poiché causato dall’ingestione di fave fresche, crude o cotte e solitamente da altri legumi e farmaci come la Primachina) in cui si ha un deficit nella produzione dell’enzima glucosio-6-fosfato deidrogenasi (primo enzima della via dei pentoso fosfati) che rigenera NADPH. Si ha così un abbassamento della concentrazione di questo cofattore e di conseguenza del potere riducente all’interno delle cellule, in particolare negli eritrociti, dove il NADPH è prodotto esclusivamente tramite la via dei pentoso fosfati.

Nei soggetti eterozigoti la malattia può rimanere silente finchè non si introducono particolari legumi e/o farmaci come accennato in precedenza. Questi provocano un aumento dell’attività ossidativa dei tessuti, e la carenza di NADPH negli eritrociti porta a crisi emolitiche, ittero ed eliminazione in eccesso di bilirubina (prodotto del catabolismo dell’emoglobina) che conferisce all’urina un colore scuro.

Si può parlare quindi di anemia, in quanto il forte stress ossidativo indotto da questi legumi e farmaci porta nei soggetti malati ad un’aggregazione delle proteine del citoscheletro dei globuli rossi (mancando il NADPH e il suo potere riducente) e alla loro precipitazione. Gli eritrociti così difettosi vengono riconosciuti come estranei dai sistemi di controllo dell’organismo ed eliminati.

Si è poi notato che nelle persone affette da questa patologia, l’agente eziologico della malaria (Plasmodium falciparum) non riusciva a portare a termine il proprio ciclo vitale, in quanto particolarmente sensibile allo stress ossidativo. Queste persone, dunque, sopravvivevano maggiormente alla malaria rispetto agli individui sani. Vi è una maggiore concentrazione nelle popolazioni del bacino del Mediterraneo di questi soggetti che resistono alla malaria, malaria che affligge queste regioni (e anche altre come Africa e Asia). Da qui il nome di anemia mediterranea.