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

2

molecole

2 ADP + 2 viene assorbito a livello

di acido

piruvico cellulare da trasportatori che

prendono il nome di GLUT, che sono diversi in base al FASE 1

Acidi produzione di

aminoacidi glucosio

tipo di tessuto. Una volta che il glucosio è entrato nella grassi acetil-CoA

cellula, può seguire vari destini. I destini del glucosio

sono relativi alle esigenze metaboliche delle GLICOLISI

cellule può essere, ad esempio, degradato per ricavare

!

energia chimica (per es. ATP) oppure può essere Piruvato

COMPLESSO DELLA

convertito in una forma di riserva energetica. PIRTUVATO

DEIDROGENASI

CO 2

Il glucosio viene immagazzinato Acetil-CoA

nel fegato sottoforma di glicogeno FASE 2

ossidazione

dell’acetil-CoA

Per semplicità, possiamo distinguere i processi ossalacetato citrato

Ciclo

degradativi che servono per produrre energia dell’acido

citrico

in tre fasi (figura): CO 2

1- Fase iniziale in cui i vari componenti CO 2

cellulari vengono utilizzati (quindi

degradati) per produrre intermedi; tutti FASE 3 trasferimento

quanti convergono in un composto degli elettroni e

fosforilazione ossidativa

chiamato Acetil-CoA, che può essere 2H + ½ O

+

CATENA 2

formato sia dalla glicolisi sia dalla RESPIRATORIA

(trasferimento degli

elettroni) ! ! !

degradazione degli acidi grassi (β- H O

2

ossidazione) e proteine. La glicolisi

1

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).

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.

"

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) 2

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 una 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.

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:

Innanzitutto, attiva metabolicamente il glucosio, perché aggiungendo il fosfato

1- la molecola diventa più reattiva;

la fosforilazione intrappola il glucosio, non gli permette di uscire dalla cellula

2- (figura);

Questa tappa di fosforilazione è

la tappa iniziale del CITOPLASMA

PARTE

metabolismo ma non deve EXTRACELLULARE

essere pensata come la prima GLUCOSIO GLUCOSIO

tappa vera e propria della

glicolisi, ma serve

semplicemente al glucosio per

entrare e restare all’interno

della cellula.

Questa è la reazione: il glucosio Il glucosio è tenuto all’interno GLUCOSIO-

della cellula grazie al legame con 6-FOSFATO

il fosfato. In questo caso le

reagisce con l’ATP e il fosfato si cariche negative acquisite non gli

permettono di attraversare la

lega al carbonio 6 del glucosio. membrana plasmatica

L’ATP, che ha donato il fosfato è

diventato ADP. 3

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 nella 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). 4

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…

il sesto enzima della glicolisi rimuove uno ione idruro dallo zucchero, trasferendolo

ad una molecola trasportatrice di idruri, il NAD+ che viene trasformato (ridotto) in

NADH.

Se la cellula non mettesse in moto altre razioni 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 CO

2

ad opera di O . L’acido piruvico prodotto dalla glicolisi viene ossidato fino a CO , nei

2 2

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 O

2

che si riduce ad H O nella catena respiratoria.

2

Fermentazione lattica. In condizioni anaerobiche, cioè in assenza di ossigeno, è

necessario che qualche altra