Appunti di Biochimica metabolica e funzionale sulla glicolisi

BREVE RIASSUNTO: Durante la glicolisi (scopo: sia produrre energia, sia produrre metaboliti intermedi), una via

catabolica citosolica universale presente in tutte le cellule degli organismi viventi, il glucosio entra nella cellula

attraverso il trasportatore GLUT. Una volta all'interno, viene fosforilato dalle esochinasi in glucosio-6-fosfato

(G6P). Questo composto subisce un'isomerizzazione reversibile per formare fruttosio-6-fosfato (F6P), che viene

poi ulteriormente fosforilato in modo irreversibile dall'enzima PFK1, generando fruttosio-1,6-bisfosfato. Questa

molecola simmetrica è quindi scissa dall'aldolasi in due triosi, ciascuno dotato di un fosfato. L'enzima finale

della prima fase di investimento energetico trasforma i triosi in due molecole di gliceraldeide-3-fosfato (G3P),

che proseguono nella fase successiva.

Fino a questo punto, abbiamo consumato ATP e convertito l'esoso (glucosio) in due triosi fosforilati. In seguito,

avviene una reazione di ossidazione mediata dall'enzima GADPH, il quale presenta un gruppo tiolico (-SH) nel

suo sito attivo. Questo gruppo utilizza NAD+, il quale acquisisce protoni ed elettroni, trasformandosi in NADH +

H . In questo passaggio, l'energia viene conservata formando un legame fosfoanidridico con il fosfato

+

inorganico, generando la prima molecola altamente energetica: 1,3-bifosfoglicerato.

Il fosfato in posizione 1 di questa molecola è altamente energetico e può essere impiegato per sintetizzare ATP

da ADP attraverso l'enzima fosfoglicerato chinasi. Successivamente, il fosfato rimanente in posizione 3 viene

trasferito in posizione 2 dalla mutasi; viene poi eliminata una molecola d'acqua, formando così la seconda

molecola altamente energetica: il fosfoenolpiruvato (PEP). Nell'ultima reazione, il fosfato del PEP viene

trasferito sull'ADP, generando ATP e portando alla formazione prima del piruvato in forma enolica e poi nella sua

forma chetonica.

Quindi nella glicolisi, il metabolismo del glucosio avviene in due fasi principali: la fase di investimento

energetico e la fase di recupero.

1. Fase di investimento energetico: In questa fase, la cellula consuma ATP per fosforilare il glucosio,

facilitando la sua trasformazione in intermedi energetici. Questo investimento iniziale di energia è

cruciale per attivare il glucosio e permetterne la scissione durante le fasi successive.

2. Fase di recupero energetico: Qui, vengono prodotti NADH e ATP. Le reazioni che caratterizzano questa

fase includono l’ossidazione degli intermedi e la sintesi di ATP tramite fosforilazione a livello del

substrato.

Alcune reazioni della glicolisi presentano un ΔG intorno allo zero e quindi sono reversibili in condizioni reali;

mentre le reazioni 1,3 e 10 sono altamente esoergoniche sia in condizioni standard che in quelle reali e pertanto

sono reazioni irreversibili.

Il prodotto finale della glicolisi in tutte le cellule è il piruvato, che può seguire diversi destini metabolici a

seconda delle condizioni cellulari:

 In condizioni aerobiche: il piruvato viene prima ossidato ad acetilCoA, liberando CO e,

2

successivamente entra nel ciclo dell’acido citrico (o ciclo di Krebs) fino a formare completamente CO 2

e H O, ottenendo la massima resa energetica.

2

Durante la glicolisi aerobica, si formano due molecole di piruvato, insieme a due ATP tramite

fosforilazione a livello del substrato e due molecole di

NADH derivanti dalle ossidazioni delle due molecole di

glicerolo-3-fosfato (G3P). È fondamentale che il NADH

venga riossidato a NAD+ per mantenere il metabolismo

attivo; infatti, il sistema aerobico per riconvertire il

NADH a NAD+ è la catena respiratoria che svolge un

ruolo cruciale in questo processo. Ogni ciclo nella

catena respiratoria può produrre circa 3 molecole di

ATP, rendendolo un processo molto efficiente (resa

maggiore di ATP).

 In condizioni anaerobiche: in assenza di ossigeno,

come nel caso del lievito, in alcuni microrganismi e in

alcune cellule animali, il piruvato viene convertito in

lattato (o in etanolo nei lieviti). Questo avviene quando

il metabolismo mitocondriale è compromesso, ad

esempio per mancanza di mitocondri, danni a essi,

assenza di ossigeno o scarsa vascolarizzazione del

tessuto. In queste circostanze, la glicolisi non potrebbe

continuare se non ci fosse un altro sistema per

riossidare il NADH a NAD+ e la cellula non avrebbe più

modo di produrre ATP (RICORDA che la glicolisi è

l’unico sistema citosolico in grado di produrre ATP in assenza di ossigeno).

L’enzima lattato deidrogenasi catalizza la conversione del piruvato in lattato, utilizzando il NADH e

rigenerando il NAD+. Questo meccanismo consente alla glicolisi di proseguire anche in condizioni

anaerobiche, garantendo la produzione di ATP. Nel lievito, invece, il piruvato viene trasformato in

etanolo, contribuendo anch'esso alla rigenerazione del NAD+. Quindi la lattato deidrogenasi in

condizioni anaerobiche, si pone in alternativa alla catena respiratoria e riossida il NADH in NAD+

consentendo il mantenimento della glicolisi e della produzione di energia anche in assenza di ossigeno.

Il NADH, prodotto durante la glicolisi, gioca un ruolo cruciale nel metabolismo energetico sia in condizioni

aerobiche che anaerobiche, sebbene il suo utilizzo e la quantità di energia prodotta differiscano tra le due

situazioni.

 In aerobiosi il NADH viene riossidato a NAD+ attraverso la catena respiratoria nei mitocondri. Questo

processo è altamente efficiente: per ogni molecola di NADH riossidato, si generano circa 3 molecole di

ATP. Quindi, in questo contesto, il NADH rappresenta una fonte energetica molto potente, poiché

contribuisce significativamente alla produzione di ATP, che è la principale forma di energia utilizzabile

dalla cellula.

 In anaerobiosi il NADH può comunque essere convertito in NAD+ attraverso un processo alternativo

che prevede la reazione catalizzata dall'enzima lattato deidrogenasi. In questo caso, il piruvato

(prodotto finale della glicolisi) viene ridotto a lattato, e durante questa reazione il NADH viene riossidato

a NAD+. Anche se questo processo consente di rigenerare il NAD+, non porta alla produzione di ATP

aggiuntivo. La produzione di NAD+ è essenziale per la continuazione della glicolisi. Senza NAD+, la

glicolisi si fermerebbe, e la cellula non sarebbe in grado di generare nemmeno piccole quantità di ATP.

In condizioni di stress o mancanza di ossigeno, la capacità di rigenerare NAD+ tramite la conversione

del piruvato in lattato consente alle cellule di sopravvivere temporaneamente, mantenendo una certa

produzione di ATP anche in assenza di ossigeno. Sebbene la resa energetica sia inferiore rispetto alle

condizioni aerobiche, il NADH può ancora fornire una fonte di energia sufficiente per alcune cellule,

soprattutto in situazioni di breve durata o di emergenza. Ad esempio, i neuroni possono funzionare per

brevi periodi anche in anaerobiosi, utilizzando il NADH per sostenere le loro funzioni vitali.

In sintesi, mentre la quantità di ATP prodotta in anaerobiosi è significativamente inferiore rispetto

all’aerobiosi, il NADH può comunque rappresentare una fonte di energia utile per garantire la continuità

delle funzioni cellulari in situazioni in cui l'ossigeno è limitato.

LATTATO DEIDROGENASI (LDH)

La lattato deidrogenasi (LDH) è fondamentale in anaerobiosi perché consente di rigenerare NAD+, mantenere

la glicolisi attiva e fornire energia anche in assenza di ossigeno, garantendo così la sopravvivenza cellulare in

condizi