Glicolisi e destini del piruvato

Glicolisi

La glicolisi è una via metabolica presente non solo negli animali e nelle piante (eucarioti), ma anche nella maggior parte dei microrganismi (procarioti).

La glicolisi è il primo stadio della respirazione cellulare ed è costituita da una sequenza di 10 reazioni enzimatiche anaerobiche che avvengono nel citoplasma e degradano il glucosio a due molecole di acido piruvico producendo anche 2 ATP e 2 NADH.

Nb: Il glucosio è un metabolita fondamentale. La concentrazione del glucosio nel sangue oscilla, in genere, tra i 60 e i 100 mg/dl.

Glucosio

Generalmente, il glucosio viene assorbito a livello cellulare da trasportatori che prendono il nome di GLUT, che sono diversi in base al tipo di tessuto. Una volta che il glucosio è entrato nella cellula, può seguire vari destini.

2 molecole di acido piruvico, 2 ADP + 2.

FASE 1: Acidi grassi, aminoacidi, glucosio, acetil-CoA, glicolisi, piruvato, complesso della piruvato deidrogenasi.

I destini del glucosio sono relativi alle esigenze metaboliche delle cellule: può essere, ad esempio, degradato per ricavare energia chimica (per es. ATP) oppure può essere convertito in una forma di riserva energetica.

Il glucosio viene immagazzinato nel fegato sotto forma di glicogeno.

Acetil-CoA. FASE 2: ossidazione dell’acetil-CoA. Ossalacetato, citrato, ciclo dell’acido citrico, CO₂, CO₂.

Per semplicità, possiamo distinguere i processi degradativi che servono per produrre energia in tre fasi (figura):

1. Fase iniziale in cui i vari componenti cellulari vengono utilizzati (quindi degradati) per produrre intermedi; tutti quanti convergono in un composto chiamato Acetil-CoA, che può essere formato sia dalla glicolisi sia dalla degradazione degli acidi grassi (β-ossidazione) e proteine. La glicolisi avviene nel citoplasma di tutte le cellule viventi. La prima fase ruota, quindi, intorno all’Acetil-CoA, che serve a “raccogliere” tutte le fasi degradative;
2. L’acetil-CoA entra nel ciclo di Krebs (negli eucarioti: matrice mitocondriale; nei procarioti: citoplasma);
3. Fosforilazione ossidativa (creste mitocondriali).

FASE 3: trasferimento degli elettroni e fosforilazione ossidativa. 2H + ½ O₂ + catena respiratoria (trasferimento degli elettroni), H₂O.

Attenzione: ricorda che la glicolisi può avvenire sia in presenza che in assenza di ossigeno.

Distinguiamo cioè:

• Glicolisi in anaerobiosi, senza ossigeno.
• Glicolisi in aerobiosi, con ossigeno.

Le fasi della glicolisi

Nella glicolisi si possono individuare 2 fasi, ciascuna composta da 5 reazioni:

1. Fase di investimento energetico: prime 5 reazioni. In questa fase il glucosio viene spezzato in due frammenti identici di 3 atomi di carbonio: 2 molecole di gliceraldeide-3-fosfato (glucide a 3 atomi di C). Per realizzare tale obiettivo si devono però consumare 2 ATP.
2. Fase di guadagno (recupero) energetico: nelle cinque reazioni successive si realizza un guadagno energetico di 2 ATP e, inoltre, si recuperano i 2 ATP utilizzati nella prima fase. Questo si ottiene sfruttando dapprima l’energia liberata dall’ossidazione della gliceraldeide-3-fosfato, poi l’energia cumulata di due reazioni che avvengono contemporaneamente sull’acido fosfoenolpiruvato: (1) la tautomeria chetoenolica e (2) l’idrolisi di un estere fosforico.

Vi è quindi un guadagno di 2 ATP per ogni molecola di glucosio demolita:

• Nella I° fase c’è un consumo di 2 ATP.
• Nella II° fase c’è invece la produzione di 4 ATP.
• Risultato finale: 4 ATP – 2 ATP = 2 ATP totali nuove.

Ma quanto ATP produce il glucosio?

Produce quantità di ATP diverse a seconda se questo ATP viene prodotto:

• Solo dalla glicolisi (in condizioni cioè di anaerobiosi).
• Oppure viene prodotto durante la glicolisi ma anche nella formazione di acetil-CoA e successivamente nel ciclo di Krebs (in condizioni quindi di aerobiosi).

Questo ATP che si produce è in rapporto alla quantità di due coenzimi ridotti: il NAD e il FAD ridotti.

Attenzione: il NAD non si deve assolutamente confondere con il NADP. Il NAD è la nicotinammide adenina dinucleotide mentre il NADP è una nicotinammide adenina dinucleotide fosfato. Il NAD serve per produrre ATP: viene ridotto (diventando NADH) ed entra nella catena respiratoria. Il NADP serve invece per le biosintesi riduttive (sintesi di acidi grassi e colesterolo, che comunque non sono comprese nel programma ministeriale).

Devi sapere che il NAD, il NADP e il FAD sono composti ossidanti, che possono quindi essere ridotti (ricevendo H donati da molecole); sono più blandi dell’ossigeno (l’ossigeno sarebbe troppo forte e pericoloso come agente ossidante, ecco perché viene utilizzato solo alla fine della catena respiratoria) e quindi sono più maneggevoli all’interno del metabolismo.

Premessa generale

Ora procediamo facendo una premessa generale prima di iniziare a descrivere le tappe della glicolisi.

Il glucosio entra nella cellula e, per prima cosa, viene fosforilato in posizione 6: diventa così Glucosio-6-fosfato.

A che serve questa reazione? La fosforilazione ha diverse funzioni:

1. Innanzitutto, attiva metabolicamente il glucosio, perché aggiungendo il fosfato la molecola diventa più reattiva;
2. La fosforilazione intrappola il glucosio, non gli permette di uscire dalla cellula (figura).

Questa tappa di fosforilazione è la tappa iniziale del metabolismo ma non deve essere pensata come la prima tappa vera e propria della glicolisi, ma serve semplicemente al glucosio per entrare e restare all’interno della cellula.

CITOPLASMA, parte extracellulare, glucosio, glucosio, glucosio-6-fosfato.

Questa è la reazione: il glucosio reagisce con l’ATP e il fosfato si lega al carbonio 6 del glucosio. L’ATP, che ha donato il fosfato, è diventato ADP.

Il glucosio è tenuto all’interno della cellula grazie al legame con il fosfato. In questo caso le cariche negative acquisite non gli permettono di attraversare la membrana plasmatica.

Esochinasi e glucochinasi

Parliamo ora di due importanti enzimi coinvolti nella prima reazione della via glicolitica, che possono essere oggetto di quesiti.

La reazione sopra descritta è catalizzata da un enzima chiamato esochinasi: enzima che fosforila zuccheri a 6 atomi di carbonio (ricordate che tutti gli enzimi che fosforilano sono definiti chinasi).

A noi, per ora, interessa capire bene la distinzione tra la glucochinasi e l’esochinasi:

• La prima differenza sta nella localizzazione tissutale: le glucochinasi sono presenti solo nel fegato, mentre le esochinasi sono presenti in tutti i tessuti (anche nel fegato).
• La seconda differenza sta nella specificità: l’esochinasi ha bassa specificità, ovvero riconosce zuccheri a 6 atomi di carbonio, non riconosce solamente il glucosio. Al contrario, la glucochinasi ha un’alta specificità per il glucosio (riconosce solo ed esclusivamente il glucosio).
• Terza differenza sta nell’affinità: l’esochinasi ha bassa specificità ma un’alta affinità al substrato. La glucochinasi ha, invece, bassa affinità (ha difficoltà nel legare il substrato).
• Quarta differenza nella regolazione: un esempio di regolazione è che la glucochinasi è indotta dall’insulina (ne aumenta l’espressione); l’esochinasi, no.

La concentrazione fisiologica di glucosio nel nostro organismo è mediamente 5 mM: a questa concentrazione fisiologica, l’esochinasi funziona tantissimo rispetto alla glucochinasi.

• A concentrazioni fisiologiche di glicemia, nelle cellule funziona solo l’esochinasi (in questo caso nel fegato non funziona la glucochinasi ma l’esochinasi).
• A concentrazioni elevate di glicemia (in seguito ad un pasto), a livello del fegato si assiste all’attivazione della glucochinasi: ha una scarsa affinità per il glucosio, quindi funziona solo a concentrazioni più alte.

La glucochinasi è un enzima insulina-dipendente: aumento del glucosio (cioè aumento della glicemia) → l’organismo risponde fisiologicamente producendo grosse quantità di insulina → l’insulina aumenta la quantità di glucochinasi → la glucochinasi abbatte il glucosio (comincia a funzionare a quantità più elevate).

Tipologie di reazioni della glicolisi

Creiamo un elenco delle tipologie di reazioni che incontreremo studiando le fasi della glicolisi:

• Fosforilazione: trasferimento di gruppo fosfato. Spostamento di un gruppo fosfato da un substrato all’altro (da un ossidrile legato a un carbonio ad un ossidrile legato ad un altro carbonio).
• Isomerizzazione (dal glucosio-6-fosfato al fruttosio-6-fosfato).
• Deidratazione (perdita molecola acqua ad opera di enolasi con formazione di 2 atomi di carbonio).
• Scissione aldolica: enzima aldolasi (avviene la rottura di un carbonio a 6 atomi e la produzione di 2 molecole a 3 atomi di C).

Dopo la glicolisi

Dopo la glicolisi… il sesto enzima della glicolisi rimuove uno ione idruro dallo zucchero, trasferendolo a una molecola trasportatrice di idruri, il NAD⁺ che viene trasformato (ridotto) in NADH.

Se la cellula non mettesse in moto altre reazioni in grado di riconvertire il NADH in NAD⁺, quest’ultimo sarebbe subito esaurito e la glicolisi si fermerebbe all’istante.

Per funzionare, quindi, la glicolisi ha bisogno di essere accoppiata con una reazione che ossidi il NADH a NAD⁺. Questo può avvenire in modi diversi che rappresentano i diversi destini metabolici dell’acido piruvico. I tre più importanti sono: la respirazione cellulare, la fermentazione lattica e la fermentazione alcolica.

Accenniamo ora, brevemente, alcune caratteristiche di questi tre meccanismi; alla fine del capitolo li troverai descritti in modo più dettagliato:

Respirazione cellulare. Negli organismi aerobi la glicolisi costituisce solo il primo passo della respirazione cellulare cioè dell’ossidazione completa del glucosio a CO₂ ad opera di O₂. L’acido piruvico prodotto dalla glicolisi viene ossidato fino a CO₂, nei mitocondri, attraverso la decarbossilazione ossidativa e il ciclo di Krebs. Queste reazioni producono grandi quantità di NADH che deve essere subito ossidato per rigenerare NAD⁺. Questa ossidazione finale è compiuta dell’ossigeno molecolare O₂ che si riduce ad H₂O nella catena respiratoria.

Fermentazione lattica. In condizioni anaerobiche, cioè in assenza di ossigeno, è necessario che qualche altra