Biochimica - glicolisi

Metabolismo energetico: la glicolisi

Introduzione al metabolismo energetico

Quello che cominciamo a vedere oggi è la prima parte del metabolismo energetico, cioè tutte quelle reazioni che tutte le cellule, in maniera differenziale, mettono in atto per produrre energia o per accumulare o depositare energia, a seconda che il metabolismo sia di tipo anabolico o catabolico. Quello catabolico serve a produrre energia fondamentalmente sotto forma di ATP (adenosintrifosfato), la moneta energetica principale della cellula. Quando la cellula deve depositare energia, la deposita in genere sotto forma di ATP. Quando deve liberare energia, va a liberare delle molecole e produce ATP che verrà poi utilizzato per tutti i processi che seguiranno.

Il ruolo dei carboidrati nel metabolismo

I processi catabolici prevedono l'utilizzo di carboidrati, quindi zuccheri. Vari zuccheri convergono al glucosio in modo tale che il glucosio venga metabolizzato per produrre energia. La produzione di energia derivante direttamente dal glucosio, in realtà, anche se è la più antica, è la meno efficiente, nel senso che la quantità di energia che viene fuori non è elevatissima. Tuttavia, è un processo molto semplice che avviene in tutte le cellule: procariotiche ed eucariotiche. Si pensa che sia uno dei processi più antichi sviluppatosi in una delle prime cellule procariotiche e che sia stato mantenuto durante l'evoluzione perché comunque è una via catabolica immediata e, anche se produce poca energia, un minimo di energia lo assicura.

Altre vie cataboliche

Oltre a questa via, ci sono anche altre vie cataboliche che producono molta più energia: il ciclo di Krebs, la catena di trasporto degli elettroni per quanto riguarda i carboidrati, ma soprattutto la beta-ossidazione per quanto riguarda il metabolismo dei lipidi. Il metabolismo dei lipidi è sempre energeticamente più vantaggioso del metabolismo dei carboidrati, anche se molto più lento da far avvenire. Prima di far avvenire la beta-ossidazione, è necessario che avvenga un’altra serie di reazioni. Ad esempio, quando si fa attività fisica, il metabolismo di lipidi inizia dopo una quarantina di minuti; l’energia sviluppata fino a quel momento deriva dal metabolismo dei carboidrati.

Il processo della glicolisi

La glicolisi è il processo basilare di produzione di energia, e come dice il nome stesso, che deriva dalla fusione di due parole greche GLICO = zucchero, dolce e LISI = rottura, indica nient'altro che la rottura di questi zuccheri. La rottura degli zuccheri semplici, quindi ci riferiamo al glucosio, porta alla formazione di due molecole di piruvato e durante questa scissione da una molecola ciclica a 6 atomi di carbonio a 2 molecole a 3 atomi di carbonio si produce energia sotto forma di ATP e di NAD ridotto: NADH + H⁺. Questa via venne studiata nell'800 e si chiama anche via di Hembden-Meyerhof, che sono i 2 studiosi che l’hanno caratterizzata meglio. I primi studi però risalgono alla metà dell’800 e li condusse Pasteur studiando le fermentazioni: il processo finale di un metabolismo che parte dalla glicolisi e che si completa in assenza di ossigeno.

Reazioni glicolitiche e loro scoperta

Gli studi di questi furono accompagnati sempre verso la fine dell’800 da quelli di Parnas, quindi tutte le 10 reazioni glicolitiche prendono anche il nome di reazioni di Hembden-Meyerhof-Parnas. La glicolisi è un processo composto fondamentalmente da 10 reazioni che avviene in tutte le cellule nel citoplasma, per cui tutti gli enzimi che servono per la glicolisi sono dispersi nel citoplasma. È una via molto antica che partendo dal glucosio arriva a 2 molecole di piruvato liberando una serie di molecole tra cui il NAD ridotto e l’ATP. Anche se è una via catabolica che produce al netto delle molecole di ATP, la glicolisi per avvenire ha bisogno di investire un minimo di energia.

Fasi della glicolisi

Ci sono 2 fasi fondamentali: una prima fase di investimento energetico in cui la cellula spende 2 molecole di ATP e le scinde in ADP e fosfato inorganico e poi c’è una seconda fase di generazione dell’energia. È una via universale che avviene indifferentemente sia in procarioti che eucarioti, mentre le altre vie metaboliche avvengono differentemente in procarioti ed eucarioti. La glicolisi è la via comune a tutti, avviene in maniera specifica nel citoplasma, però avviene in maniera più specifica in alcuni tessuti poiché ci sono alcuni recettori specifici per il glucosio e quindi avviene in maniera più selettiva.

Interazioni metaboliche

Quando si parla di metabolismo, le reazioni che entrano in gioco sono tantissime, sono tutta una serie di reazioni che si interscambiano l'una con l'altra. Noi, per semplificazione, studiamo la glicolisi, il ciclo di Krebs, la catena di trasporto degli elettroni, la beta-ossidazione, la biosintesi degli acidi grassi, il ciclo dell’urea, ecc. ma queste sono tutte reazioni che avvengono insieme. I prodotti molto spesso in una reazione vanno a regolare altri processi, si interscambiano per cui anche all’interno della glicolisi ci sono intermedi che si formano durante il processo e servono per regolare altre vie metaboliche, sono attivatori o inibitori di vie metaboliche, così come gli intermedi del ciclo di Krebs sono dei regolatori della glicolisi. Questo perché la cellula deve regolarsi quanto più è possibile e a livello globale il metabolismo può essere regolato solo se si prendono in considerazione tutte le reazioni che avvengono.

La regolazione del metabolismo

Quindi la cellula, per poter cominciare a produrre energia, deve sapere che ha bisogno di energia e che in quel momento non è attiva nessun'altra via che assicuri la produzione di energia. Tutte queste regolazioni avvengono proprio tramite gli intermedi delle reazioni. La glicolisi è il punto centrale in cui convergono varie vie metaboliche anche di accumulo di zuccheri. Tramite la dieta introduciamo nutrienti che vengono poi accumulati sotto forma di zuccheri. Tutti gli zuccheri possono essere convertiti in glucosio, sia gli zuccheri che introduciamo con la dieta, sia quelli che provengono da altre reazioni metaboliche e vengono convertiti in glucosio perché è proprio il glucosio il punto iniziale della glicolisi.

Reazioni e prodotti della glicolisi

La glicolisi è costituita da 10 reazioni. Queste reazioni prevedono una serie di prodotti che alla fine portano sempre alla formazione del piruvato. Si parla di glicolisi aerobica se una volta avvenuta la glicolisi il piruvato va incontro al ciclo di Krebs. Si parla di glicolisi anaerobica quando in assenza di ossigeno, la glicolisi avviene comunque, però il piruvato prodotto non può essere ossidato e andare incontro al ciclo di Krebs ma va incontro a fermentazioni e viene convertito in acido lattico o lattato. Quando si forma il latte alle ginocchia è perché non avete attivato il metabolismo aerobico, è avvenuta la glicolisi ma non avendo attivato il metabolismo aerobico non siete in grado di far entrare il piruvato nel ciclo di Krebs e non viene attivato il metabolismo degli zuccheri, per cui avviene la fermentazione che è più rapida e si produce l’acido lattico oppure questa via viene utilizzata per alcuni lieviti per fare la vinificazione e produrre alcol etilico e così via.

La glicolisi aerobica

La glicolisi aerobica è quella che più ci interessa perché è quella che continua poi con il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni. Questa glicolisi avviene nelle cellule che hanno i mitocondri e quindi sono in grado di produrre una certa quantità di ossigeno per farla avvenire in maniera aerobica. È detta aerobica perché l’ossigeno è necessario fondamentalmente perché, come vedremo, nella glicolisi si produce NAD ridotto, il quale è un coenzima importante nelle reazioni di ossido-riduzione. Molte reazioni di ossido-riduzione possono avvenire solo in presenza di NAD ossidato o NAD ridotto a seconda che la specie in questione si deve ossidare o ridurre.

Necessità di NAD ossidato

Nel caso del metabolismo dei carboidrati della glicolisi, affinché possa avvenire e non si interrompa ad un certo punto, è necessaria una certa quantità di NAD ossidato in modo tale che vada ad ossidare il substrato e si possa ridurre producendo quindi il NADH+H+ (NAD ridotto). Affinché la glicolisi possa andare avanti, perché non è che avviene una volta e si ferma, è un processo che avviene continuamente finché c’è glucosio disponibile, è necessario che ci sia il NAD ossidato. Una volta che il NAD ridotto è stato prodotto, questo deve essere riossidato perché bisogna sempre rendere disponibile il NAD+ altrimenti le reazioni metaboliche si bloccano. L’ossigeno è necessario anche per riossidare il NAD ridotto e vedrete che questo processo è energeticamente molto vantaggioso perché produce molti ATP, si parla di equivalenti di NAD e sono tanti ATP. È un processo che nelle fasi aerobiche avviene sulla catena di trasporto degli elettroni e quindi nei mitocondri.

Decarbossilazione del piruvato

Questo piruvato che viene prodotto alla fine della glicolisi, in condizioni aerobiche, viene decarbossilato attraverso una reazione di decarbossilazione ossidativa e si forma acetilcoenzima A. Perché avviene questa reazione? Perché il piruvato viene prodotto nel citoplasma e, come abbiamo detto, la glicolisi è citoplasmatica, invece il ciclo di Krebs avviene nei mitocondri, quindi è necessario che questo piruvato venga portato nel mitocondrio ma nella membrana mitocondriale non c’è nessun recettore per il piruvato, per cui questo viene convertito in acetilcoenzima A e trasportato nel mitocondrio dove può avvenire il ciclo di Krebs anche perché gli enzimi del ciclo di Krebs sono tutti localizzati nel mitocondrio e sono in continuo con la matrice mitocondriale e la membrana mitocondriale dove avviene la catena di trasporto degli elettroni.

La glicolisi anaerobica

La glicolisi anaerobica, che è tipica di molti batteri e lieviti ma anche delle cellule eucariotiche, come quando produciamo acido lattico, avviene in assenza di ossigeno, quindi una volta che si è formato il piruvato, questo non può esser decarbossilato e ossidato, non si può formare l’acetil coenzima A perché non c’è l’ossigeno disponibile per queste reazioni, per cui il piruvato viene convertito in acido lattico nel nostro caso ma anche in alcol etilico in modo tale non tanto da metabolizzare il piruvato ma da riossidare il NAD. Queste reazioni sono dette di fermentazione e sono di due tipi: fermentazione lattica e alcolica, fondamentalmente servono a ripristinare il NAD ossidato.

Importanza delle fermentazioni

Quindi abbiamo fatto la glicolisi, siamo arrivati al piruvato, abbiamo prodotto NADH+H+. L’unico modo, se non c’è ossigeno, di ripristinare il NAD ossidato è di far avvenire le fermentazioni, perché sono reazioni di ossido-riduzione che necessitano di NAD ridotto per avvenire e ripristinano il NAD ossidato. Quindi ripeto ci sono 2 tipi di fermentazioni: quella lattica che avviene nelle cellule eucariotiche e quella alcolica che avviene in batteri e lieviti.

Glicolisi nei globuli rossi e trasporto del glucosio

Questo tipo di glicolisi avviene in alcuni tipi cellulari che non possono fare metabolismo aerobico, tipo i globuli rossi che sono cellule anucleate che non hanno il mitocondrio. In questi, infatti, può avvenire solo la glicolisi anaerobica. Anche per questo i globuli rossi sopravvivono così poco, perché non hanno un metabolismo che sia in grado di assicurare una vita piuttosto lunga. Vivono per circa 120 giorni, dopo vengono degradati e riciclati nella milza e nel fegato. Per far sì che possa avvenire la glicolisi, è necessario che il glucosio entri nella cellula e vada a finire nel citoplasma dove sono presenti gli enzimi. Come fa una molecola di glucosio a entrare nella cellula?

Meccanismi di trasporto del glucosio

Fondamentalmente ci sono 2 processi e sono tutti e 2 mediati da un trasportatore perché il glucosio non può passare attraverso la membrana così semplicemente perché la membrana plasmatica non è permeabile al glucosio. Essa è formata da un doppio strato di fosfolipidi quindi ha una natura all’interno altamente idrofobica e quindi è permeabile solo a molecole molto piccole, ioni o amminoacidi. In questo caso, il glucosio è una molecola altamente polare, infatti ha molti gruppi OH, è altamente ingombrante, è ciclica per cui non può passare e ha necessità di essere trasportata in qualche modo all’interno della cellula. I metodi sono 2: una diffusione facilitata sodio-dipendente e un cotrasporto, trasporto attivo che dipende dal sodio.

Diffusione facilitata e cotrasporto

Il passaggio di una molecola dall’esterno all’interno della cellula o viceversa può avvenire secondo 2 modalità: con dispendio energetico e senza dispendio energetico. Tutti quelli che avvengono senza dispendio energetico si chiamano passivi, perché la molecola passa secondo un gradiente di concentrazione da una zona più concentrata ad una meno concentrata. Se invece è necessaria energia, parliamo quindi di trasporto attivo, la molecola viene trasportata contro gradiente quindi passa ad esempio dall’esterno della cellula dove ce n’è di meno all’interno della cellula dove ce n’è di più, quindi si va contro gradiente e vi è bisogno di energia per prendere questa molecola e trascinarla all’interno. La diffusione facilitata è una modalità di trasporto passivo, tutte le diffusioni sono dei trasporti passivi, cioè le molecole passano senza far spendere energia alla cellula. Se le molecole sono permeabili attraverso la membrana si parla di diffusione semplice, quindi da dove ce n’è di più la molecola passa a dove ce n’è di meno e passa attraverso la membrana.