Biochimica 3: destini di glucosio e piruvato; glicolisi

GLICOLISI

La glicolisi è la via attraverso il quale il glucosio viene ossidato a piruvato. Le tappe della

glicolisi sono, in tutto, 10; comunque, grossolanamente, si può dividere la glicolisi in tre fasi

principali: la fase in cui il glucosio viene convertito in fruttosio-1,6-bisfosfato, la fase in cui

tale molecola viene scissa in due isomeri, ovvero la gliceraldeide-3-fosfato e il

diidrossiacetone-fosfato, convertito poi anch’esso in gliceraldeide-3-fosfato, e la fase in cui

ciascuna molecola di trioso-fosfato viene convertita in piruvato con la produzione di ATP.

Prima fase - La prima fase della glicolisi consiste nella conversione di una molecola di glucosio

in una di fruttosio-1,6-bisfosfato. Questa fase comprende tre tappe e ha bisogno di due

molecole di ATP.

• nella prima tappa, il glucosio viene fosforilato in posizione 6’ dall’enzima esochinasi,

diventando glucosio-6-fosfato; in questa tappa una molecola di ATP viene scissa in

ADP;

• nella seconda tappa, il glucosio-6-fosfato viene isomerizzato a fruttosio-6-fosfato ad

opera dell’enzima fosfo-esosio-isomerasi;

• nella terza tappa, il fruttosio-6-fosfato viene fosforilato in posizione 1’ dall’enzima

fosfofruttochinasi-1 (PFK-1), diventando fruttosio-1,6-bisfosfato; in questa tappa

un’altra molecola di ATP viene scissa in ADP.

Seconda fase - La seconda fase della glicolisi consiste nella scissione del fruttosio-1,6-

bisfosfato in due isomeri: gliceraldeide-3-fosfato e diidrossiacetone-fosfato. In seguito, anche

il diidrossiacetone-fosfato viene trasformato in gliceraldeide-3-fosfato. La seconda fase

comprende due tappe, la quarta e la quinta della glicolisi.

• nella quarta tappa, il fruttosio-1,6-bisfosfato viene scisso in due molecole dall’enzima

aldolasi: una di gliceraldeide-3-fosfato e una di diidrossiacetone-fosfato;

• nella quinta tappa, il diidrossiacetone-fosfato viene isomerizzato a gliceraldeide-3-

fosfato ad opera dell’enzima trioso-fosfato-isomerasi.

Terza fase - La terza fase della glicolisi consiste nella conversione della gliceraldeide-3-fosfato

in acido piruvico. Questa fase è chiamata fase di recupero poiché si producono due molecole

di ATP per ogni gliceraldeide-3-fosfato convertita, portando il bilancio energetico a +2 ATP

(poiché nella prima fase se n’erano consumate due). La terza fase coinvolge 5 tappe, dalla sesta

₂

alla decima dell’intera glicolisi, e, oltre all’ATP, produce una molecola di NADH e una di H O

per ogni molecola di gliceraldeide-3-fosfato.

• nella sesta tappa, la gliceraldeide-3-fosfato viene contemporaneamente fosforilata e

ossidata dall’enzima gliceraldeide-3-fosfato-deidrogenasi, producendo 1,3- ⁺

bisfosfoglicerato senza l’ausilio di ATP e con la riduzione di una molecola di NAD a

NADH;

• nella settima tappa, l’1,3-bisfosfoglicerato, grazie all’enzima fosfoglicerato-chinasi,

viene defosforilato in posizione 1’: questo gruppo fosfato viene trasferito ad una

molecola di ADP per formare una molecola di ATP. L’1,3-bisfosfoglicerato, dunque,

diventa 3-fosfoglicerato;

• nell’ottava tappa, il 3-fosfoglicerato viene isomerizzato a 2-fosfoglicerato dall’enzima

fosfoglicerato-mutasi: questo enzima possiede un residuo di istidina fosforilato, il

quale inizialmente cede il gruppo fosfato al substrato formando un intermedio detto 2,3-

bisfosfoglicerato, per poi defosforilarlo formando il definitivo 2-fosfoglicerato;

• nella nona tappa, il 2-fosfoglicerato viene deidratato e trasformato in fosfoenol-

piruvato ad opera dell’enzima enolasi: dal 2-fosfoglicerato viene rimossa una molecola

d’acqua, e questo fa sì che si formi, nel fosfoenol-piruvato, un doppio legame instabile

ad alto contenuto energetico;

• nella decima tappa, il doppio legame instabile del fosfoenolpiruvato viene rotto

dall’enzima piruvato-chinasi, formando il prodotto finale della glicolisi, cioè il piruvato,

e una molecola di ATP.

Bilancio netto della glicolisi - La prima fase della glicolisi vede il consumo di due molecole di

ATP: ATP = -2

Nella seconda fase, non si ha né dispendio né produzione di molecole fuori dai substrati.

La terza fase comprende il recupero energetico: qui, per ogni molecola di gliceraldeide-3-

fosfato trasformata in piruvato si ha la produzione di due molecole di ATP; dato che le

molecole di gliceraldeide-3-fosfato per molecola di glucosio sono due, si ha, in tutto, la

produzione di quattro molecole di ATP: ATP = -2 +4 = +2

Inoltre, la terza fase della glicolisi vede la produzione, per ogni gliceraldeide-3-fosfato, di una

₂

molecola di NADH ridotto e una molecola di H O ; in tutto, dunque, le molecole di acqua e NADH

prodotte, tramite glicolisi, a partire da una molecola di glucosio, sono due.

In tutto, la glicolisi produce, nettamente, due molecole di ATP, due molecole di NADH e due

₂

molecole di H O .

Glicolisi e fosforilazione a livello del substrato - Nella cellula, l’ATP, molecola carrier di energia

chimica, è prodotta principalmente grazie alla via della fosforilazione ossidativa. Tuttavia,

esistono delle reazioni, dette fosforilazioni a livello del substrato, in cui un substrato viene

modificato (rotto un legame ad alta energia o defosforilato) e una molecola di ADP viene

fosforilata ad ATP. Queste vie alternative di produzione di ATP dette, appunto, fosforilazioni a

livello del substrato, sono presenti anche in due tappe della glicolisi: la settima e la decima.

Regolazione a intermittenza glicolisi-gluconeogenesi - La glicolisi e la gluconeogenesi (via

inversa) sono regolate, in maniera opposta, dallo stesso regolatore: il fruttosio-2,6-bisfosfato.

Il fruttosio-2,6-bisfosfato è un potente attivatore dell’enzima fosfofrutto-chinasi-1, enzima che

catalizza la reazione fruttosio-6-fosfato -> fruttosio-1,6-bisfosfato della glicolisi. La reazione

inversa è una tappa del processo inverso della glicolisi, ossia la gluconeogenesi. L’enzima di

questa reazione inversa è la fruttosio-bisfosfatasi-1.

Il fruttosio-2,6-bisfosfato, analogamente, viene controllato da un enzima che lo fosforila (da

fruttosio-6-fosfato) chiamato fosfofrutto-chinasi-2, e da un enzima che lo defosforila a

fruttosio-6-fosfato, chiamato fruttosio-bisfosfatasi-2.

In realtà, i due enzimi, il fosforilatore e il defosforilatore di F6P/F2,6BP, sono un tutt’uno.

L’enzima in questione è un enzima bifunzionale chiamato fosfofrutto-chinasi-2-fruttosio-

bisfosfatasi-2, e la sua attività regola sia la glicolisi che la gluconeogenesi.

Quando l’attività prevalente è quella della fosfofrutto-chinasi-2, la glicolisi è favorita e la

gluconeogenesi è inibita, poiché si ha la produzione di fruttosio-2,6-bisfosfato, potente

attivatore della fosfofrutto-chinasi-1 e dunque della glicolisi.

Quando è l’attività della fruttosio-bisfosfatasi-2, il fruttosio-2,6-bisfosfato viene defosforilato

a fruttosio-6-fosfato e, dunque, la fosfofrutto-chinasi-1 non è stimolata: in questo modo è la

gluconeogenesi a prevalere e la glicolisi ad essere inibita.

L’attività a intermittenza della fosfofrutto-chinasi-2-fruttosio-bisfosfatasi-2 è regolata, a sua

volta, dal glucagone: quest’ultimo stimola infatti la gluconeogenesi e inibisce la glicolisi, ma

come? Legandosi al suo recettore di membrana, esso stimola la fosforilazione, dunque

attivazione, della protein-chinasi-A, la quale, in forma attiva, fosforila la fosfofrutto-chinasi-2-

fruttosio-bisfosfatasi-2: questa fosforilazione ha valenza di indirizzare l’attività della PFK-2-

FBPasi-2 verso la fruttosio-bisfosfatasi-2, quindi attivando la gluconeogenesi e inibendo la

glicolisi.

Al contrario, l’inattività della protein-chinasi-A mantiene la fosfofrutto-chinasi-2-fruttosio-

bisfosfatasi-2 defosforilata, dunque attiva in direzione glicolitica avendo attività di fosfofrutto-

chinasi-2.

Regolazione della glicolisi - Per quanto riguarda la regolazione degli enzimi della glicolisi, si

hanno altri tipi di regolazione.