Glicolisi: una via comune al catabolismo del glucosio

Introduzione

In tutti gli organismi (piante, animali, batteri, lieviti) il glucosio svolge un ruolo fondamentale come primaria fonte di energia. Il suo catabolismo è infatti la via principale con cui le cellule ricavano ATP e comprende una serie di reazioni, nel complesso esoergoniche, che sono rimaste pressoché invariate nel corso dell’evoluzione.
In particolare, ciò che accumuna il metabolismo di lieviti, batteri, animali e piante sono 10 tappe fondamentali che nel loro insieme prendono il nome di glicolisi.

La glicolisi (dal greco glykys ovvero dolce e lysis scissione), analogamente al tronco di un albero, rappresenta la via principale dalla quale si dipartono una serie di metabolismi alternativi. Alla fine di questa serie di reazioni, l’energia rilasciata viene recuperata sotto forma di ATP e NADH e vengono prodotte due molecole di piruvato. Quest’ultimo rappresenta un composto chiave da cui si dipartono i rami del nostro albero.

La glicolisi: una visione d’insieme

Prima di descrivere le singole reazioni e gli enzimi convolti, è bene avere un’immagine chiara e generica di quel che succede nel corso della glicolisi. Abbiamo già accennato che alla fine del processo si ottengono due molecole di piruvato, due di ATP e due di NADH. Bisogna però specificare che in realtà le molecole di ATP formate sono quattro ma, poiché ne vengono utilizzate due per questo processo, diremo che la produzione netta è di due molecole di ATP. Basandoci proprio sul consumo e la produzione di energia divideremo la nostra glicolisi in due parti: la fase preparatoria e la fase di recupero energetico.

La fase preparatoria, costituita da 5 reazioni, inizia con una molecola di glucosio e termina con la sua scissione in due composti a tre atomi di carbonio.
La fase di recupero energetico, costituita dalle rimanenti 5 reazioni, costituisce invece la fase di produzione di energia e termina con la produzione delle due molecole di piruvato.

I tre eventi principali che si verificano durante la glicolisi possono quindi essere riassunti in questo modo:

  1. Degradazione del glucosio in due molecole a tre atomi di carbonio
  2. Fosforilazione dell’ADP ad ATP
  3. Formazione di NADH
Equazione globale della glicolisi
Figura 1 – Equazione globale della glicolisi [https://www.pianetachimica.it/index.htm]

Fase preparatoria

Tappa 1: fosforilazione del glucosio

La glicolisi si apre con il consumo di una molecola di ATP al fine di fosforilare il glucosio a livello del carbonio 6 e produrre glucosio 6-fosfato. L’enzima che si occupa di trasferire il gruppo fosfato dall’ATP al glucosio è l’esochinasi, enzima facente parte della classe delle chinasi.
Affinché la reazione possa avvenire è necessaria anche la presenza dello ione Mg2+ che, formando il complesso MgATP2-, rende l’atomo di fosforo terminale maggiormente accessibile all’attacco nucleofilo del glucosio.

In figura viene mostrata l’aggiunta di un gruppo fosfato alla molecola di glucosio. Nonostante è possibile notare la doppia freccia, nell’ambiente intracellulare questa reazione è irreversibile.
Figura 2 – In figura viene mostrata l’aggiunta di un gruppo fosfato alla molecola di glucosio.
Nonostante si noti la doppia freccia, nell’ambiente intracellulare questa reazione è irreversibile. [https://www.chimica-online.it/]

Tappa 2: conversione a fruttosio 6-fosfato

A questo punto il glucosio 6-fosfato viene convertito in fruttosio 6-fosfato, zucchero appartenente alla famiglia dei chetoesosi. La struttura dello zucchero viene quindi cambiata anche se non è stata apportata nessuna modifica agli atomi presenti.

L’enzima che catalizza la conversione è il fosfoglucosio isomerasi e la reazione è del tipo reversibile.

Figura 3 – La strutta esagonale caratteristica del glucosio viene isomerizzata in quella pentagonale del fruttosio [https://www.chimica-online.it/]

Tappa 3: fosforilazione del fruttosio

La seconda e ultima tappa che utilizza ATP è questa: l’enzima fosfofruttochinasi-1 (PFK-1) catalizza il trasferimento di un gruppo fosforico dall’ATP al fruttosio 6-fosfato con formazione di fruttosio 1,6-bifosfato.
Come la prima reazione anche questa è irreversibile in ambiente intracellulare.

Figura 4 – Terza tappa della glicolisi. A differenza delle prime due, essa porta alla formazione di un composto usato solo nella glicolisi [https://www.chimica-online.it/].

Tappa 4 e 5: scissione del fruttosio

La quarta tappa è particolarmente importante: Il fruttosio, zucchero a 6 atomi di carbonio, viene scisso in due molecole a tre atomi di C: gliceraldeide 3-fosfato e diidrossiacetone fosfato.

Il diidrossiacetone fosfato viene poi convertito a gliceraldeide 3-fosfato cosi da ottenere due molecole identiche che parallelamente continueranno la glicolisi.

Gli enzimi che prendono parte a queste due reazioni sono rispettivamente: fruttosio 1,6-bifosfato aldolasi e triosio fosfato isomerasi.

Una volta avvenuta la scissione, rapidamente il diidrossiacetone viene convertito in gliceraldeide (notare la freccia che punta verso il basso). Il meccanismo è simile a quello della seconda tappa.
Figura 5 – Una volta avvenuta la scissione, rapidamente il diidrossiacetone viene convertito in gliceraldeide (notare la freccia che punta verso il basso).
Il meccanismo è simile a quello della seconda tappa.

Fase di recupero energetico

Tappa 6 e 7: ossidazione della gliceraldeide

Le tappe 6 e 7 della glicolisi sono due reazioni accoppiate, in quanto la prima reazione endoergonica (assorbe energia dall’esterno) viene compensata dalla seconda reazione esoergonica (rilascia energia).
Durante questo processo la gliceraldeide 3-fosfato viene convertita in 3-fosfoglicerato, mentre l’1,3-bifosfoglicerato rappresenta l’intermedio comune. Si formano inoltre una molecola di NADH (tappa 6) e una molecola di ATP (tappa 7).

Tappa 8: conversione del 3-fosfoglicerato

L’ottava tappa ha lo scopo di creare una situazione di instabilità. Il gruppo fosforico legato al carbonio 2 viene trasferito dall’enzima fosfoglicerato mutasi al carbonio 3. Il composto che si forma prende quindi il nome di 2-fosfoglicerato.

Tappa 9: disidratazione

Il 2-fosfoglicerato va incontro alla perdita di una molecola d’acqua generando il fosfoenolpiruvato (PEP), un enolo instabile che verrà trasformato nella tappa successiva. La reazione viene catalizzata dall’enzima enolasi.

Figura 6 – L’enzima enolasi catalizza la rimozione reversibile di una molecola d’acqua [https://www.pianetachimica.it/index.htm].

Tappa 10: formazione del piruvato

Per finire, l’ultima tappa della glicolisi consiste nel trasferimento del gruppo fosfato presente del fosfoenolpiruvato ad una molcola di ADP con conseguente formazione di ATP e piruvato.

L’enzima che catalizza la reazione è la piruvato chinasi che per funzionare richiede la presenza di K+ e Mg2+ o Mn2+.

Bisogna inoltre ricordare che dalla scissione del fruttosio sono due le molecole che vanno incontro alle restanti tappe della glicolisi, quindi le molecole di piruvato sono in realtà due.

Figura 7 – Dalla reazione è possibile osservare la produzione di un composto intermedio, l’enolpiruvato, che, data la sua instabilità, viene convertito velocemente in piruvato. [https://www.chimica-online.it/]

Il destino del piruvato

Abbiamo già accennato all’importanza del composto piruvato: esso rappresenta un punto chiave all’interno del metabolismo e da qui in poi si dipartono gli immaginari rami del nostro albero.
Nei nostri tessuti e nei microrganismi aerobi il piruvato seguirà la via della respirazione cellulare, composta a sua volta da due stadi distinti: il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni.

La seconda via metabolica possibile è la fermentazione lattica. Caratteristica di alcuni batteri anaerobici ma presente talvolta anche nei nostri muscoli, essa è la responsabile della produzione dell’acido lattico.

Una terza via possibile è la fermentazione alcolica. Di fondamentale importanza a livello industriale, essa produce in condizione ipossiche anaerobiche etanolo e CO2.

Infine, il piruvato può seguire la via dell’anabolismo e fornire lo scheletro carbonioso per la sintesi di alanina o acidi grassi.

Fonti

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