3.02 – Glicolisi
Ultimo aggiornamento: 30/07/2023
La GLICOLISI è una via metabolica che consta di 10 reazioni, considerando la fosforilazione del glucosio come prima tappa. È localizzata nel citoplasma e può avvenire in anaerobiosi ed aerobiosi. È divisa in due fasi:
– Una fase preparatoria, che porta alla formazione di due metaboliti (gliceraldeide-3-fosfato e diidrossiacetone fosfato) e prevede l’impiego di due molecole di ATP e nessun guadagno.
– Una fase di recupero energetico, in cui si producono 4 molecole di ATP (con un bilancio netto di 2 ATP), 2 di piruvato e 2 di NADH+H+.
Il NAD ridotto può regolare la glicolisi. Infatti una elevata produzione di NADH+H+, in condizione di ipossia o anossia, ne determina il blocco perché il mitocondrio non lo utilizza, pertanto si ha la necessità di riossidare il NAD attraverso le fermentazioni.
Fase preparatoria
Reazione 1
Il glucosio viene fosforilato in glucosio-6-fosfato dall’enzima esochinasi, con il consumo di una molecola di ATP. Perché il glucosio deve essere fosforilato? La fosforilazione ha diverse funzioni:
1. Attiva metabolicamente il glucosio per l’aggiunta del fosfato.
2. Intrappola il glucosio all’interno della cellula.
3. Non interrompe il trasporto verso l’interno della cellula del glucosio.
La reazione è catalizzata dall’enzima esochinasi, che fosforila gli zuccheri a 6 atomi di carbonio. Si differenzia dalla glucochinasi:
1. Per la localizzazione tissutale, l’esochinasi si trova in tutte le cellule, mentre la glucochinasi solo nel fegato.
2. Per la specificità, la glucochinasi ha una specificità alta, mentre l’esochinasi bassa.
3. Per l’affinità, la esochinasi ha una alta affinità e quindi bassa Km, viceversa la glucochinasi (inizia a funzionare a quantità di glucosio più elevate).
4. Inibizione, la esochinasi è inibita dal glucosio-6-fosfato (prima tappa di controllo della glicolisi), mentre la glucochinasi dal fruttosio-6-fosfato.
5. Attivazione ormonale, la glucochinasi è indotta dall’insulina, l’esochinasi no.
Reazione 2
Il glucosio-6-fosfato viene convertito in fruttosio-6-fosfato dall’enzima glucosio-6-fosfato isomerasi. In questa reazione si ha la conversione di un aldoso in chetoso. Perché avviene? Avviene perché è necessario che si formi un altro gruppo CH2OH.
Reazione 3
Il fruttosio-6-fosfato è convertito in fruttosio-1,6-bifosfato dall’enzima fosfofruttochinasi. La fosforilazione comporta il consumo di un’altra molecola di ATP. Perché è necessaria questa fosforilazione? Per avere una molecola simmetrica con due fosfati uno sul C1 e uno sul C6. L’enzima fosfofruttochinasi (PFK1) è un enzima allosterico attivato dalla presenza di ATP, pertanto la mancanza di ATP blocca la glicolisi in quanto non si ha la fosforilazione del fruttosio-6-fosfato (seconda tappa di controllo della glicolisi).
Reazione 4
Il fruttosio-6-fosfato viene scisso in diidrossiacetone fosfato (DHAP) e gliceraldeide-3-fosfato (G3P) dall’enzima aldolasi. Si formano quindi due molecole a 3 atomi di carbonio, con gruppo funzionale differente, la G3P è un aldoso, mentre il DHAP è un chetoso.
Reazione 5
Il DHAP è convertito in G3P dall’enzima triosofosfatoisomerasi. È una reazione reversibile, ma l’equilibrio è spostato verso la G3P dal momento che subito è impiegata nella reazione successiva, pertanto terremo conto di 2 molecole per volta di G3P.
La G3P è anche un intermedio del ciclo dei pentosi fosfati, utile per la formazione degli zuccheri pentosi, come ad esempio il ribosio, usato poi nella sintesi degli acidi nucleici. Pertanto vi è un collegamento tra queste due vie metaboliche che si forniscono intermedi a vicenda.
Fase recupero energetico (consideriamo 2 molecole alla volta)
Reazione 6
La gliceraldeide-3-fosfato (2-G3P) è convertita in 1,3- bifosfoglicerato dall’enzima gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasiin presenza di NAD+ che viene ridotto in NADH+H+. La fosforilazione non prevede consumo di ATP, dal momento che viene utilizzato fosfato inorganico (Pi). L’1,3 bifosfoglicerato può essere convertito in 2,3 bifosfoglicerato, composto importante per la regolazione dell’emoglobina.
Fase recupero energetico Perché c’è questo collegamento tra emoglobina e glicolisi?
L’emoglobina ha una curva sigmoide di affinità con l’ossigeno, dovuta all’effetto cooperativo positivo. Esistono 3 sistemi di regolazione dell’emoglobina, di cui uno è appunto la presenza di 2,3-bifosfoglicerato che si pone tra le subunità beta dell’emoglobina favorendo la dissociazione dell’ossigeno. Se viene prodotto 2,3-bifosfoglicerato, vuol dire che è stato prodotto tanto 1,3 bifosfoglicerato e ciò è indice che la glicolisi si sta svolgendo ad alte rese, pertanto è necessario più ossigeno per incrementare l’attività mitocondriale e quindi il ciclo di Krebs, per produrre ATP con la fosforilazione ossidativa.
Reazione 7
L’1,3-bifosfoglicerato è convertito in 3-fosfoglicerato dall’enzima fosfoglicerochinasi. In questa reazione si formerà ATP mediante la donazione di un fosfato all’ADP dal 1,3-BPG. Si tratta di una fosforilazione a livello del substrato.
Reazione 8
Il 3-fosfoglicerato è convertito in 2-fosfoglicerato dall’enzima fosfoglicerato mutasi.
Reazione 9
Il 2-fosfoglicerato è convertito in fosfoenolpiruvato (PEP) dall’enzima enolasi.
La reazione comporta la perdita di una molecola d’acqua e la formazione di un composto ad alto contenuto energetico, ovvero il PEP.
Reazione 10
Il fosfoenolpiruvato (PEP) è convertito in piruvato dall’enzima piruvato chinasi.
Tale enzima defosforila il PEP per produrre ATP a partire dall’ADP. Si tratta della seconda fosforilazione a livello del substrato.
La piruvato chinasi è inibita da alti livelli di ATP (terza tappa di controllo della glicolisi).
BILANCIO ENERGETICO DELLA GLICOLISI
Al termine della glicolisi abbiamo:
Fase preparatoria: – 2 ATP
Fase recupero energetico: + 4 ATP + 2 NADH+H+ + 2 molecole di piruvato
Totale: 7 molecole di ATP 2 ATP (derivanti dalla differenza tra le due fasi) da ogni NADH+H+ si ricavano 2,5 molecole di ATP quindi in totale dalla riduzione del NAD avremo 5 molecole di ATP
Nota:
6-fosfofruttochinasi
La 6-fosfofruttochinasi (o PFK, o Fosfofruttochinasi 1) è un enzima della glicolisi, appartenente alla classe delle transferasi, che catalizza la seguente reazione:
ATP + D-fruttosio 6-fosfato = ADP + D-fruttosio 1,6-bisfosfato
La sua regolazione è fondamentale nella glicolisi, dove catalizza la fosforilazione di F6P a F1,6BP.
L’enzima è controllato allostericamente dal fruttosio 2,6-bisfosfato la cui produzione a partire dal fruttosio 6-fosfato è controllata da un enzima chiamato fosfofruttochinasi 2 situato in una catena polipeptidica, detta enzima tandem, insieme all’enzima fruttosio 2,6 bisfosfatasi 2 che trasforma il fruttosio 2,6-bisfosfato in fruttosio 6-fosfato.
L’attivazione di una delle due funzioni enzimatiche dell’enzima tandem è regolata dalla fosforilazione di un residuo di serina. Se il residuo è defosforilato, si attiva la fosfofruttochinasi2, viceversa, si attiva la bifosfatasi2. Il fruttosio 2,6-bisfosfato è attivatore allosterico della PFK1 e inibitore allosterico della FBPasi1.
- L’attivazione della fosfofruttochinasi 1 è inoltre favorita dalla presenza di AMP, dell’ADP, del fruttosio 2,6-bisfosfato, del fosfato inorganico e dello ione ammonio, che rimuovono l’inibizione allosterica operata da ATP e dal citrato.
- È inibito da ATP, dal citrato e da bassi livelli di pH, per prevenire un’eccessiva produzione di acido lattico, che ne comporterebbe un ulteriore abbassamento.
Il piruvato:
Il piruvato viene poi utilizzato nella respirazione (aerobica) e fermentazione (anaerobica).
- Nella respirazione aerobica: con carbossilazione il piruvato viene trasformato e usato nel ciclo di Krebs
- La fermentazione anaerobica può essere:
- Lattica
- Alcolica: dal glucosio si arriva al piruvato e poi all’etanolo
Esercizio 1
In che modo viene immagazzinata l’energia?
a Sotto forma di DNA
b Attraverso la formazione di molecole di zucchero
c mediante la formazione di molecole di ATP
d Grazie alla formazione di granuli di RNA
e nessuna delle precedenti
Correzione commentata
risposta corretta lettera C: L’energia viene immagazzinata all’interno delle cellule attraverso la formazione di molecole di adenosina trifosfato (ATP). L’ATP è una molecola ricca di energia che viene sintetizzata durante i processi di respirazione cellulare e fotosintesi. L’energia necessaria per queste reazioni viene catturata e immagazzinata sotto forma di legami chimici ad alta energia nel gruppo fosfato dell’ATP. Quando l’energia è richiesta per svolgere un lavoro cellulare, come il movimento muscolare o la sintesi di nuove molecole, l’ATP viene idrolizzato, rompendo il legame del fosfato ad alta energia e rilasciando l’energia necessaria per compiere il lavoro.
Le altre opzioni sono errate:
a) Sotto forma di DNA: Il DNA è una molecola che contiene le informazioni genetiche, ma non è coinvolto direttamente nell’immagazzinamento di energia.
b) Attraverso la formazione di molecole di zucchero: La formazione di molecole di zucchero, come il glucosio, avviene durante la fotosintesi, ma non rappresenta un meccanismo primario di immagazzinamento di energia a livello cellulare.
d) Grazie alla formazione di granuli di RNA: Gli RNA sono molecole coinvolte nella sintesi proteica e nella regolazione genetica, ma non sono utilizzati come meccanismo principale per l’immagazzinamento di energia.
Esercizio 2
Cosa vuol dire l’acronimo ATP?
a adenosina trifosfato
b adenina trifosfato
c acetaldeide tripiruvato
d adenosina tetrafosfato
e nessuna delle precedenti
Correzione commentata
risposta corretta lettera A L’acronimo ATP sta per adenosina trifosfato. Si tratta di una molecola nucleotidica composta da tre gruppi fosfato, un nucleotide adenina e lo zucchero ribosio. L’ATP è una molecola ad alta energia che funge da “valuta energetica” all’interno delle cellule. Viene utilizzata per trasferire l’energia chimica prodotta durante i processi metabolici alle reazioni cellulari che richiedono energia, come il movimento muscolare, la sintesi di proteine e la trasporto attivo attraverso le membrane cellulari.