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Glicolisi
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La glicolìsi è un processo metabolico mediante il quale, in condizioni anaerobiche, una molecola di glucosio viene scissa in due molecole di piruvato per generare molecole ad alta energia, come ATP e NADH. Il termine deriva dal greco antico, "γλυκύς" (glykýs) che significa "dolce" e "λύσις" (lýsis) che significa "scissione".
La glicolisi è il mezzo per ottenere energia più sfruttato in natura, soprattutto grazie alla sua anaerobiosicità, sebbene non sia il più efficiente. Probabilmente esso si sviluppò con i primi procarioti circa 3,5 miliardi di anni fa.
In una prima fase del processo, composta da cinque passaggi, viene consumata energia per preparare dal glucosio molecole di glucosio a più alta energia (gliceraldeide-3-fosfato), che verranno trasformate nella fase successiva, composta di altri cinque passaggi, in molecole nettamente meno energetiche (piruvato), con produzione di energia superiore a quella consumata nella prima fase. Il processo nel suo insieme è quindi di tipo catabolico, cioè in cui molecole più complesse ed energetiche vengono trasformate in altre più semplici e meno energetiche, con produzione di energia.
Le reazioni che compongono la glicolisi, ciascuna catalizzata da uno specifico enzima, avvengono nel citoplasma delle cellule; solo in alcuni protozoi avvengono in un organulo apposito, chiamato glicosoma.
La glicolisi è detta anche via di Embden-Meyerhof-Parnas, dai nomi di Gustav Embden, Otto Meyerhof e Jakub Parnas, i tre biochimici che maggiormente contribuirono a chiarirne il meccanismo.
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Cenni generali
La reazione completa della glicolisi è la seguente.
- Glucosio + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 NADH + 2 piruvato + 2 ATP + 2 H2O + 2 H+
In tutti gli organismi che non prevedono ulteriori degradazioni del piruvato, il processo ha una resa energetica di due molecole di ATP per ogni molecola di glucosio (Glc) o per qualsiasi altro zucchero esoso degradabile da questa via metabolica. Il catabolismo glucidico degli organismi che svolgono comunemente le fermentazioni, come i lieviti, dunque, si ferma al piruvato (che solitamente viene interconvertito in altre forme senza che ciò comporti ulteriori guadagni energetici).
Per gli organismi superiori, come ad esempio i mammiferi, la glicolisi è invece solo il primo passaggio della degradazione degli zuccheri. Le due molecole di ATP da essa ottenute sono solo una piccola parte del totale delle molecole di ATP ottenibili a partire da una molecola di glucosio, che possono arrivare fino a 36/38. Le cellule in grado di svolgere i successivi pathway aerobici (come il ciclo di Krebs), dunque, sono in grado di processare il piruvato, ossidandolo fino ad ottenere anidride carbonica ed acqua. Anche in questi organismi, in ogni caso, la glicolisi può diventare l'unico pathway, senza che il piruvato sia ulteriormente ossidato. Ciò può avvenire in caso di sforzo intenso (soprattutto nei tessuti energeticamente più esigenti, come i muscoli): in questo caso, il piruvato viene convertito ad acido lattico per riconvertire il NADH a NAD+ e bilanciarne le concentrazioni cellulari.
La glicolisi può essere suddivisa in due fasi: la prima fase è detta fase preparatoria, la seconda è la fase di recupero dell'energia.
Fase preparatoria
Nella fase preparatoria, il glucosio viene fosforilato a glucosio-6-fosfato ed infine scisso in due molecole di gliceraldeide-3-fosfato; ciò avviene attraverso l'utilizzo di due molecole di ATP. I primi cinque passaggi della via metabolica, dunque, comportano un consumo netto di energia.
| Step | Substrato | Enzima | Classe dell'enzima | Descrizione | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Glucosio | Glc | Esochinasi | HK | Transferasi | Questo step utilizza ATP per fosforilare il glucosio. Questa reazione presenta una ΔG molto bassa: per questo motivo, la reazione è irreversibile. |
| 2 | Glucosio-6-fosfato | G6P | Fosfoglucosio isomerasi | PGI | Isomerasi | Il cambiamento di struttura è ottenuto attraverso una reazione redox, nella quale l'aldeide viene ridotta ad alcol ed il carbonio adiacente è ossidato a diventare un chetone. Sebbene la reazione non abbia una ΔG molto favorevole, è molto efficiente a causa delle basse concentrazioni di fruttosio-6-fosfato, metabolizzato molto velocemente nello step seguente (questo fenomeno è comprensibile per la legge di azione di massa). |
| 3 | Fruttosio-6-fosfato | F6P | Fosfofruttochinasi | PFK-1 | Transferasi | In questo step c'è nuovamente dispendio di energia attraverso un'altra molecola di ATP. Tale spesa può essere giustificata in due modi: il processo glicolitico da qui in poi è irreversibile e l'energia fornita al glucide lo destabilizza. |
| 4 | Fruttosio 1,6-bisfosfato | F1,6BP | Aldolasi | ALDO | Liasi | La molecola, destabilizzata dalla precedente reazione, è passibile di scissione da parte dell'aldolasi in due molecole glucidiche da tre atomi di carbonio: diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide 3-fosfato. |
| 5 | Diidrossiacetone fosfato | DHAP | Trioso fosfato isomerasi | TPI | Isomerasi | La trioso fosfato isomerasi converte rapidamente il DHAP in gliceraldeide 3-fosfato. |
Fase di recupero dell'energia
Nella seconda fase, quella di recupero dell'energia, le due molecole di gliceraldeide-3-fosfato vengono trasformate in due molecole di piruvato con conseguente produzione di quattro molecole di ATP e due di NADH (per riduzione del NAD+), le quali permettono di rigenerare anche il pool di molecole riducenti presenti nella cellula. Questa seconda fase, dunque, vede un recupero di energia, che porta l'intero pathway glicolitico ad un guadagno netto di energia.
| Step | Substrato | Enzima | Classe dell'enzima | Descrizione | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 6 | Gliceraldeide 3-fosfato | GADP | Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi | GAP | Ossidoreduttasi | I triosi sono ossidati (attraverso il prelievo di un idrogeno) e addizionati di un fosfato inorganico. L'idrogeno viene utilizzato per ridurre due molecole di NAD+, che diventano NADH + H+. |
| 7 | 1,3-bisfosfoglicerato | 1,3BPG | Fosfoglicerato chinasi | PGK | Transferasi | La reazione media la conversione di ADP ad ATP, attraverso il trasferimento enzimatico di un gruppo fosfato presente sul glucide. È un esempio di fosforilazione a livello del substrato. |
| 8 | 3-fosfoglicerato | 3PG | Fosfoglicerato mutasi | PGAM | Isomerasi | |
| 9 | 2-fosfoglicerato | 2PG | Enolasi | ENO | Liasi | |
| 10 | Fosfoenolpiruvato | PEP | Piruvato chinasi | PK | Transferasi | Si tratta di un altro esempio di fosforilazione a livello del substrato, che converte una molecola di ADP in una di ATP, formando piruvato (Pyr). |
Risultato netto della glicolisi
La produzione finale del piruvato è necessaria per il ciclo di Krebs (detto anche ciclo degli acidi tricarbossilici), dove vengono prodotti i coenzimi ridotti (NAD ridotto e FAD ridotto) che, riossidandosi nella catena respiratoria, produrranno molecole di ATP.
Il guadagno complessivo della glicolisi risulta essere, pertanto, di due molecole di ATP e due di NADH, come indica la già citata reazione complessiva:
- Glucosio + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 NADH + 2 piruvato + 2 ATP + 2 H2O + 2 H+
Tappe della glicolisi
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Prima parte (Fase preparatoria)
La prima parte della glicolisi consiste anzitutto nella conversione del glucosio in fruttosio 1,6-bisfosfato: tale conversione genera di fatto un intrappolamento della molecola glucidica nella cellula (il fosfato carica infatti la molecola, impedendole di attraversare la membrana cellulare). Il fruttosio 1,6-bisfosfato, oltre ad essere una molecola carica, è anche facilmente scindibile in due molecole più piccole da tre atomi di carbonio: queste due molecole saranno i substrati della seconda fase della via metabolica. I passaggi enzimatici della prima fase sono di seguito riportati.
Reazione 1: esochinasi
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Per approfondire, vedi la voce Esochinasi. |
Il glucosio intracellulare viene fosforilato per azione dell'enzima esochinasi e trasformato in glucosio-6-fosfato con consumo di una molecola di ATP. Questo step è uno dei tre passaggi chiave dell'intero pathway, dal momento che la molecola di glucosio fosforilato, oltre a non poter più uscire dalla membrana cellulare, si destabilizza, diventando più prona a proseguire la via catabolica.
La esochinasi è un enzima la cui attività dipende dalla presenza di ioni magnesio. Uno ione magnesio bivalente è presente nel sito attivo dell'enzima ed agisce formando un complesso ternario esochinasi-ATP-Mg2+. Ma a differenza di altri enzimi specifici questo ha un'affinità anche per altri zuccheri, come il mannosio (la sua Km è di circa 10-6).
Il glucosio-6-fosfato intracellulare può avere differenti destini. Infatti, nel fegato e nei muscoli può prendere la via della glicogenosintesi per sintetizzare glicogeno, rispettivamente epatico e muscolare. Inoltre circa il 3% del glucosio intracellulare viene ossidato nella via dei pentoso-fosfati che è principalmente preposta alla sintesi del NADPH (NAD-fosfato-ridotto) ed alla sintesi del ribosio-5-fosfato. Il NADPH viene utilizzato dalla cellula per i propri processi biosintetici; il ribosio-5-fosfato viene utilizzato per la sintesi di tutti i nucleotidi.
Reazione 2: fosfoglucosio isomerasi
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Per approfondire, vedi la voce Fosfoglucosio isomerasi. |
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Il passaggio successivo
della glicolisi consiste nella isomerizzazione del
glucosio-6-fosfato a
fruttosio-6-fosfato. L'enzima
fosfoglucosio isomerasi (o
fosfoglucoisomerasi), anch'esso Mg-dipendente,
catalizza questa reazione di conversione di un
glucide
aldoso in un
chetoso. 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 atomi). |
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Reazione 3: fosfofruttochinasi
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Per approfondire, vedi la voce Fosfofruttochinasi. |
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In seguito
all'isomerizzazione, il fruttosio 6-fosfato viene
sottoposto ad un'altra fosforilazione. L'enzima
fosfofruttochinasi1 catalizza tale reazione fino
alla produzione di
fruttosio-1,6-bisfosfato[1],
trasferendo un fosfato dall'ATP alla posizione 1
della molecola di fruttosio. Anche questa
reazione, a causa dell'idrolisi di ATP, non è
reversibile. La fosfofruttochinasi è un enzima
allosterico. Esso può essere inibito dall'ATP,
dal
citrato e dal suo prodotto, il
fruttosio-1,6-bifosfato. Viene invece attivato
dall'ADP, dall'AMP e dal fruttosio-2,6-bisfosfato.
Quest'ultima molecola viene ottenuta per
fosforilazione del fruttosio-6-fosfato ad opera di
un'altra fosfofruttochinasi, la fosfofruttochinasi
di tipo 2. |
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Reazione 4: aldolasi
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Per approfondire, vedi la voce Aldolasi. |
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Il
fruttosio-1,6-bisfosfato prodotto dal precedente
step è, di fatto, la versione attivata
vera e propria del glucosio, quindi la glicolisi può
avviare la degradazione vera e propria, producendo
due triosi aventi un fosfato ciascuno. La quarta reazione della glicolisi, catalizzata dall'enzima aldolasi, consiste dunque nella scissione del fruttosio-1,6-bisfosfato in diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide-3-fosfato. |
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Reazione 5: trioso fosfato isomerasi
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Per approfondire, vedi la voce Trioso fosfato isomerasi. |
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L'aldolasi ha scisso
l'esoso in due triosi diversi: dal momento che
seguire due vie metaboliche differenti per entrambi
le molecole ottenute sarebbe energeticamente molto
dispendioso, l'evoluzione del pathway
glicolitico ha selezionato un enzima in grado di
rendere uniforme la successiva degradazione dei due
triosi. La
trioso fosfato isomerasi è infatti l'enzima
deputato a convertire il
diidrossiacetone fosfato in
gliceraldeide-3-fosfato, il substrato unico del
successivo step. L'enzima è infatti in grado di prelevare un H+ da un atomo di carbonio, spostandolo su un altro vicino: in questo modo il trioso passa dalla forma chetonica a quella aldeidica. Il ΔG di reazione, in realtà, è spostato verso la formazione di diidrossiacetone fosfato ma, per la legge di azione di massa, l'equilibrio della reazione è spostato verso destra, dal momento che la concentrazione cellulare di gliceraldeide-3-fosfato è molto bassa (le percentuali risultanti sono 96% di DHAP, 4% di GRP). La gliceraldeide-3-fosfato, infatti, viene velocemente metabolizzata dallo step successivo della via metabolica. |
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Seconda parte (Fase di recupero dell'energia)
Gli step precedenti della glicolisi hanno prodotto due molecole di gliceraldeide-3-fosfato, ma non hanno ancora ricavato alcun tipo di energia dal processo. Al contrario, fino ad ora sono state spese due molecole di ATP. Le reazioni della seconda fase permettono alla cellula di ricavare energia dalla degradazione della gliceraldeide-3-fosfato.
Reazione 6: gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi
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Per approfondire, vedi la voce Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi. |
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La
gliceraldeide-3-fosfato viene convertita in
1,3-bisfosfoglicerato dalla
gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi. Tale reazione consiste nella somma di due processi: l'ossidazione dell'aldeide ad acido carbossilico mediata dal coenzima NAD+ (che si riduce a NADH) e la fosforilazione, (cioè l'attacco di un gruppo fosfato) al gruppo carbossilico. La prima reazione è abbastanza favorita dal punto di vista termodinamico (ΔG°´ di circa -50 kJ mol-1), mentre la seconda è sfavorita, essendo il suo ΔG°´ di segno opposto. Se queste due reazioni avvenissero in semplice sequenza, la seconda avrebbe una energia di attivazione talmente alta da renderla di fatto impossibile. Queste due reazioni, in realtà, vengono accoppiate attraverso l'enzima gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi, che rende dunque la fosforilazione effettivamente possibile. Il potenziale di ossidazione viene conservato sotto forma di potenziale riducente presente sul NADH, il quale cederà i suoi elettroni alla catena respiratoria per la produzione di molecole di ATP. L'1,3-bifosfoglicerato è un composto ad altissima energia con un ΔG di idrolisi di circa -49,4 KJ/mole. |
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Reazione 7: fosfoglicerato chinasi
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Per approfondire, vedi la voce Fosfoglicerato chinasi. |
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La settima tappa della
glicolisi consiste nell'inizio della vera e propria
fase di recupero, che consiste nella produzione di
ATP. Attraverso l'enzima
fosfoglicerato chinasi, infatti, l'1,3-bisfosfoglicerato
cede un gruppo fosfato ad un ADP, che così viene
ricaricato ad ATP. Questo genere di produzione di
ATP è definita
fosforilazione al livello del substrato, dal
momento che la molecola donatrice,
l'1,3-bisfosfoglicerato, è un substrato ad alto
potenziale di trasferimento di un gruppo fosfato. Come avviene per la esochinasi, anche la fosforilazione di ATP deve avvenire lontano dall'ambiente acquoso per evitare uno spreco di molecole ad alta energia. Per questo motivo la fosfoglicerato chinasi è dotata di una tasca in grado di riparare i substrati dall'ambiente esterno. |
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Reazione 8: fosfoglicerato mutasi
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Per approfondire, vedi la voce Fosfoglicerato mutasi. |
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Le ultime tre reazioni
della glicolisi consistono nella conversione del
3-fosfoglicerato in
piruvato, attraverso una concomitante
conversione di un'altra molecola di ADP in ATP. La prima reazione è un riarrangiamento. La posizione del gruppo fosfato viene cambiata dal carbonio in posizione 3 a quello in posizione 2, attraverso la catalisi della fosfoglicerato mutasi (come le altre mutasi, si tratta di un enzima coinvolto nel riarrangiamento interno delle molecole). La reazione, tuttavia, non consiste in un semplice spostamento. L'enzima, infatti, lavora innanzitutto come una fosfatasi, rimuovendo il fosfato in posizione 3 da una molecola di 2,3-difosfoglicerato e generando il prodotto 2-fosfoglicerato). Tale fosfato rimane legato ad un residuo di istidina dell'enzima e viene successivamente attaccato alla molecola di 3-fosfoglicerato (il substrato della reazione), che così rigenera il 2,3-difosfoglicerato. L'enzima, dunque, necessita di una notevole quantità di 2,3-difosfoglicerato perché il residuo di istidina, indispensabile per la reazione, sia sempre fosforilato. L'enzima coinvolto è anch'esso magnesio-dipendente e l'equilibrio è spostato verso destra. |
Reazione 9: enolasi
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Per approfondire, vedi la voce Enolasi. |
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La penultima reazione è
essenzialmente una disidratazione del
2-fosfoglicerato che porta alla formazione di
fosfoenolpiruvato, un composto ad alta energia,
ed
acqua. Questa disidratazione, catalizzata
dall'enzima
enolasi, innalza notevolmente il potenziale di
trasferimento del gruppo fosfato. Se il ΔG°´ di
idrolisi di un fosfato legato ad un
alcol è infatti di circa - 13 kJ mol-1,
quello del fosfoenolpiruvato raggiunge i - 62 kJ mol-1.
Tale valore è dovuto alla forte instabilità della
forma enolica della molecola, che cessa solo quando
essa raggiunge una più stabile forma chetonica
(ovvero il
piruvato. L'enolasi è una liasi la cui attività è stimolata da manganese o da magnesio ed è inibita da uno ione fluoruro. |
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Reazione 10: piruvato chinasi
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Per approfondire, vedi la voce Piruvato chinasi. |
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Nell'ultima tappa il
fosfoenolpiruvato, ad opera della
piruvato chinasi, viene anzitutto idrolizzato in
enolpiruvato. Il gruppo fosfato viene ceduto ad un
ADP per formare ATP. L'energia necessaria alla
produzione di ATP proviene dalla conversione
dell'enolpiruvato in piruvato, reazione fortemente
esoergonica. La forma enolica del piruvato possiede
infatti un potenziale energetico alto ma è molto
instabile, quindi tramite una tautomeria
cheto-enolica, con la dislocazione degli elettroni
dall'atomo di ossigeno all'atomo di carbonio, viene
trasformato in piruvato. La piruvato chinasi è un enzima fortemente regolato: il controllo a valle garantisce che l'ATP venga prodotto solo in caso di effettivo bisogno. Il piruvato è il prodotto finale della glicolisi e, a seconda degli organismi e delle condizioni fisiologiche, può andare incontro a diversi destini. |
Ingresso nel pathway di esosi alternativi al glucosio
Sebbene il glucosio sia il monosaccaride più utilizzato dalla glicolisi, anche altri zuccheri possono essere utilizzati dalla via metabolica. Si considerino, ad esempio, gli ingressi nella via glicolitica di altri due glucidi molto abbondanti negli alimenti: il fruttosio ed il galattosio.
Ingresso del fruttosio
La maggior parte del fruttosio ingerito con la dieta è metabolizzato a livello epatico, attraverso il cosiddetto pathway del fruttosio-1-fosfato. L'enzima fruttochinasi, infatti, fosforila il fruttosio, producendo una molecola di fruttosio-1-fosfato. Tale molecola è successivamente convertita in una di diidrossiacetone fosfato, un intermedio della glicolisi, ed una di gliceraldeide, attraverso una specifica aldolasi (la fruttosio-1-fosfato aldolasi). La gliceraldeide viene ulteriormente fosforilata da una chinasi (la trioso chinasi) a diventare gliceraldeide-3-fosfato, che può entrare nel pathway glicolitico assieme al diidrossiacetone fosfato.
Un'altra via per l'ingresso del fruttosio può essere la sua fosforilazione a fruttosio-6-fosfato attraverso l'enzima esochinasi. In ogni caso, l'affinità del glucosio per l'enzima è 20 volte maggiore del fruttosio. Nel fegato viene prodotta una ridottissima quantità di fruttosio-6-fosfato, perché il glucosio che vi si trova è molto più abbondante del fruttosio. Allo stesso modo, il glucosio viene immediatamente intrappolato anche nei muscoli, sempre attraverso la esochinasi. Per que