Biochimica: Glicolisi

GLICOLISI

La glicolisi è un processo citoplasmatico, mediante il quale viene prodotta energia sotto forma di ATP partendo da una molecola di glucosio.

Questo meccanismo produce sempre 2 molecole di piruvato, che poi possono prendere “strade” diverse a seconda che l’ossigeno sia o meno presente. Parliamo di processi aerobici, quando l’ossigeno è disponibile, di processi anaerobici quando scarseggia.

Con il termine 'glicolisi' ci si riferisce di solito alla via di Embden-Meyerhof-Parnas, dai nomi dei biochimici che contribuirono maggiormente alla sua scoperta.

Dividiamo la glicolisi in due parti: una fase di investimento, in cui si consuma ATP; una fase di guadagno energetico, in cui l’ATP viene prodotto.

La reazione complessiva della glicolisi è la seguente:

Glucosio + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 P_i → 2 NADH + 2 piruvato + 2 ATP + 2 H₂O + 2 H⁺

Quindi c’è un guadagno netto di 2 molecole di ATP subito, abbiamo inoltre 2 molecole di NADH + H⁺  che verranno sfruttate per produrre energia nel trasporto di elettroni o catena di trasporto degli elettroni.

Fase di investimento

Si parte come detto da una semplice molecola di glucosio, che entra nella cellula attraverso i trasportatori del glucosio ( GLUT 1, 2, 3, 4, 5 ). All’interno del citoplasma subisce l’azione dell’enzima esochinasi ( EK ). Esistono 4 diverse EK, saranno trattate in seguito nella parte riguardante la regolazione della glicolisi.

L’esochinasi converte il glucosio in glucosio 6-P, è una chinasi quindi trasferisce gruppi fosfato da molecole ad alta energia, esempio ATP, ad altre molecole. Questo trasferimento è detto fosforilazione, al contrario, la rimozione di un gruppo fosfato da un substrato è detto fosfatasi e il processo sarà di defosforilazione. Si chiama esochinasi perché fosforila un esoso, cioè uno zucchero a sei atomi di carbonio. L’ EK si serve dell’ATP come donatore del gruppo fosfato ( Pi ), l’ATP cede anche l’energia immagazzinata nel legame fosfoesterico tra i gruppi fosfati e permette il processo dell’EK. Prende parte al processo anche lo ione Mg²⁺, che serve essenzialmente come stabilizzatore delle cariche negative sui gruppi fosforici, rendendo il terzo gruppo più accessibile per l’enzima EK. La prima reazione è irreversibile, quindi ideale per far parte dei processi che controllano la glicolisi.

Il glucosio 6-P potrebbe intraprendere altre vie metaboliche, per continuare nella glicolisi viene trasformato in fruttosio 6-P dall’enzima fosfoglucoisomerasi. Anche questo enzima si serve del magnesio come stabilizzatore, la reazione avviene con l’apertura dell’anello da parte dell’enzima. Questa reazione richiede poca energia per procedere, dunque è reversibile.

Al fruttosio 6-P viene aggiunto un ulteriore gruppo fosfato sul C1, diventando fruttosio 1,6-bisfosfato. Catalizza questa reazione l’enzima fosfofruttochinasi, o PKF. Esistono 2 PKF, 1 e 2. Questa reazione è importante perché il substrato fruttosio 1,6-bisfosfato è un intermedio unicamente della glicolisi, non può prendere parti così com’è ad altri processi, perciò si definisce questo processo come la reazione di comando della glicolisi. Anche questo enzima utilizza l’ATP come donatore del gruppo Pi e il magnesio come cofattore. Si tratta di un processo soggetto ad una regolazione complessa, che sarà trattata prossimamente.

A questo punto il F16BP subisce una scissione da parte dell’enzima aldolasi. Si divide in gliceraldeide 3-P ( GAP) e diidrossiacetone P (DHAP). Questi substrati hanno 3 C, come il piruvato, composto finale.

Ultima reazione di investimento: il DHAP viene riconvertito in GAP, per opera della fosfotrioso isomerasi.

In questa fase abbiamo consumato 2 molecole di ATP, per aggiungere gruppi fosfato al glucosio, primo step, al fruttosio 6-P, terzo step.

Fase di guadagno

Arriviamo alla fase di guadagno avendo nel citoplasma due molecole di GAP che dovranno essere convertite in piruvato, ricavando energia.

La prima reazione è ancora una reazione di fosforilazione, che però, a differenza delle prime due, non avviene consumando ATP, bensì utilizzando Pi inorganico. Le due molecole di GAP vengono convertite in 1,3-bisfosfoglicerato, le 2 gliceraldeide-P perdono un’ H⁺, altri 2 protoni sono donati dal Pi inorganico. Questi 2 protoni sono utilizzati per produrre 2 molecole di NADH + H⁺.

  L’enzima che catalizza questa reazione è la GAP deidrogenasi, o GAP DH, che utilizza come substrato il due molecole di NAD⁺.

Il 1,3-bisfosfoglicerato viene convertito in 3-fosfoglicerato ad opera di una chinasi, la 1,3-BPGlicerato chinasi. L’enzima trasforma anche una molecola di ADP in ATP, utilizzando il Pi e l’energia di legame fosfoesterica.Anch’esso si serve di magnesio come cofattore. Questa reazione è detta fosforilazione a livello del substrato, si producono due molecole di ATP, una per ogni 1,3-BPGlicerato defosforilato, è in effetti il primo processo di produzione di ATP della glicolisi.

Arrivati a questo passaggio, il 3-fosfoglicerato e isomerizzato in 2-fosfoglicerato, dall’enzima fosfoglicerato mutasi. Anche questo sfrutta il magnesio come ione cofattore.

Il 2-fosfoglicerato è deidratato, per mezzo dell’enzima enolasi, per produrre fosfoenolpiruvato, PEP.

La deidratazione produce una molecola di acqua, quindi due in totale essendo due i 2-fosfoglicerato.

Ultima reazione della glicolisi, la produzione di piruvato dal fosfoenolpiruvato. La conversione è fatta dalla piruvato chinasi, che rimuove il gruppo Pi dal PEP e forma altre due molecole di ATP. Il piruvato poi tautomerizza, dalla forma enolica a quella chetonica.

La glicolisi così facendo produce 2 molecole di piruvato, che poi a seconda delle condizioni daranno o una fermentazione ( lattica, alcolica ) o entreranno in cicli più complessi, ad esempio quello di Krebs.

Produce 2 molecole di ATP come guadagno netto, 1 molecola di acqua e 2 molecole di NADH + H⁺.