La Glicolisi: processo biochimico e metabolismo del fruttosio

La Glicolisi: Reazioni Biochimiche e Ruolo Metabolico

La glicolisi è un insieme di reazioni biochimiche che parte dalla lisi di una molecola di zucchero e svolge un ruolo centrale nel metabolismo dai microrganismi fino a piante e animali. La sua forza risiede nell'energia potenziale della molecola di glucosio che per questo risulta un ottimo combustibile. La sua completa ossidazione a anidride carbonica ed acqua procede a un'elevata energia libera standard di -2840KJ/mol e il suo immagazzinamento sotto forma di polimeri come amido e glicogeno consente alle cellule di conservarne in grandi quantità pur mantenendo una bassa osmolarità citosolica. Il glucosio fornisce anche una varietà di intermedi metabolici per la biosintesi di altre molecole; ad esempio, in Escherichia coli ha migliaia di destini metabolici per produrre scheletri di carbonio di amminoacidi, nucleotidi, acidi grassi e coenzimi. In animali e piante vascolari, invece, ha 4 principali destini:

• forma polisaccaridi complessi della membrana e della matrice extracellulare;
• forma polisaccaridi come glicogeno e amido e disaccaridi con funzione di immagazzinamento;
• la sua ossidazione attraverso la via glicolitica con produzione di molecole a 3 atomi di carbonio (come piruvato) e di ATP determina la formazione di intermedi utilizzabili come metaboliti in altre vie;
• l'ossidazione del glucosio attraverso la via del pentoso fosfato produce ribosio-5-fosfato utile sia per sintesi di acidi nucleici sia per produzione di NADPH essenziale per diverse funzioni cellulari.

La glicolisi Università degli Studi di Ferrara glucosio K ATP 1 -ADF glucosio 6-fosfato 2 fruttosio 6-fosfato ATP 3 ADP H. von EulerChelpin G. Embden 4 gliceraldeide 3-fosfato (PGAL) -2NAD 52P K 2NADH + 2H 2PCCCP acido 1,3-difosfoglicerico (DPG) 2ADP 6 2ATP Eduard Buchner acido 3-fosfoglicerico (PGA) 7 Meyerhof 8 HO 2CCCP acido fosfoenolpiruvico (PEP) 2ADP 9 2ATP 2GCC acido piruvico 1 acido 2-fosfoglicerico fruttosio 1.6-difosfatoLa glicolisi rappresenta una serie di reazioni che partono con la degradazione della molecola di glucosio (a 6 atomi di carbonio) in 2 molecole di piruvato (a 3 atomi di carbonio) con conseguimento di energia attraverso la produzione di molecole di ATP e NADH. La via glicolitica è stata la prima via metabolica identificata di cui diversi scienziati si sono occupati: i principali furono Buchner, che nel 1897 identificò nella fermentazione del lievito il cosiddetto "principio vitale", Chelpin, che risolse tutta la via nel lievito, e infine Embden che insieme a Meyerhof si dedicò allo studio della via nel muscolo, ponendo dei fondamenti nuovi per la biochimica e contribuendo a capire non solo la via principale degli organismi viventi ma anche portando alla scoperta degli enzimi che vi partecipano e di cofattori importanti come il NADH permettendo così di definire ruolo di ATP e composti fosforilati nel metabolismo cellulare.

La glicolisi è la via centrale per il catabolismo del glucosio nella maggior parte delle cellule. In alcuni tessuti nei mammiferi è l'unica fonte di energia metabolica (ad esempio negli eritrociti, nella midollare del surrene, nel cervello e negli spermatozoi) e anche in tessuti di piante specializzate in produzione di amido, come i tuberi di patata o il crescione che è una pianta acquatica. Ci sono inoltre molti organismi anaerobi che dipendono esclusivamente dalla glicolisi per la produzione di energia.

Fasi della Glicolisi

La via glicolitica è formata da 10 tappe divise in due fasi: una preparatoria e una di recupero energetico.

Fase Preparatoria della Glicolisi

HO-CHI Fosforilazione del glucosio e sua conversione in gliceraldeide 3-fosfato Glucosio 4 OH H ATP- esochinasi ADP P-O-CH; Glucosio 6-fosfato = OH H HO 2 fosfoesesio isomerasi P-O-CH :_ 0. CH2-OH Fruttosio 6-fosfato HO - 0 seconda reazione di innesco ADP chinasl 1 CH,-0-P Fruttosio 1,6-bisfosfato H HO scissione di uno zucchero fosforilato a sei atomi di carbonio in due zuccheri fosforilati a tre atomi di carbonio aldolasi Gliceraldeide 3-fosfato P-O-CHA-CH- . OH Diidrossiacetone fosfato 11 triosão fosfato bomberisi Fase preparatoria: il glucosio dà origine a intermedi che vengono fosforilati usando ATP come donatore di gruppi fosforici.

1. Il Glucosio viene fosforilato a livello del gruppo ossidrilico su C6 e origina Glucosio 6-fosfato.
2. Il Glucosio 6-fosfato è trasformato da molecola a 6 atomi a una a 5 atomi di carbonio, fosforilata a questo livello diventando Fruttosio 6-fosfato.
3. Il Fruttosio 6-fosfato è fosforilato su C1 originando Fruttosio 1,6-bisfosfato.
4. Il Fruttosio 1,6-bisfosfato viene scisso in 2 molecole a 3 atomi di carbonio che sono la Gliceraldeide 3- fosfato e il Diidrossiacetone fosfato (questa è la vera e propria tappa litica).
5. Il Diidrossiacetone fosfato può essere riisomerizzato a Gliceraldeide 3-fosfato, quindi si ottengono 2 molecole di Gliceraldeide 3-fosfato.

2 P-O-CH :- -CH_OH ATP- ) prima reazione di innesco

Fase di Recupero Energetico della Glicolisi

Gliceraldeide 3-fosfato (2) (2)-0-CH,-CH-C Conversione ossidativa della gliceraldeide 3-fosfato in piruvato, accoppiata alla formazione di ATP e NADPH ZP, - 2NAD- deidrogenasi (2) ®-0-CH2-CH- 1,3-Bisfosfoglicerato (2) prima reazione di formazione dell'ATP (fosforilazione a livello del substrato) 2ADP fomfaglicerato 2 ATP - china (2) 0-0-CH-CH- OH 3-Fosfoglicerato (2) = O fosfoglicerato mutas 2-Fosfoglicerato (2) = 0 2H,O (2) CH2 -các seconda reazione di formazione dell'ATP (fosforilazione a livello del substrato) 10 2ADP~ piruvato 2 ATP - Piruvato (2) (2) CH-C- Fasi di recupero energetico: per ciascuna Gliceraldeide

1. La Gliceraldeide viene ossidata e fosforilata utilizzando non ATP ma fosfato inorganico e va a formare 1,3- Bisfosfoglicerato e origina NADH (importante perché libera energia quando si ossida, quindi ha un elevato potenziale energetico).
2. 1,3-Bisfosfoglicerato viene defosforilato a 3- Fosfoglicerato con produzione di 1 molecola di ATP.
3. Il 3-Fosfoglicerato è isomerizzato e diventa 2- Fosfoglicerato.
4. Il 2-Fosfoglicerato subisce deidratazione originando Fosfoenolpiruvato.
5. Il Fosfoenolpiruvato utilizza il suo elevato potere energetico per trasferire gruppi fosfato su ADP originando ATP e generando Piruvato.

Nella fase preparatoria si ha il consumo di 2 molecole di ATP, mentre nella seconda fase se ne producono 4, quindi complessivamente al termine della glicolisi si hanno 2 molecole di ATP nette prodotte.

Equazione e Enzimi della Glicolisi

Equazione della Via Glicolitica

Università degli Studi di Ferrara O Da una molecola di glucosio si originano 2 molecole di piruvato e 2 di ATP ma anche 2 molecole di NADH. Glucosio + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 P-> 2 Piruvato + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2 O

Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi

L'enzima coinvolto nella produzione di NADH è la Riduzione del H H H 0 0 C NH2 + H+ C R H NAD Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi, che contiene il NH2 > NH H O CH N 2H N N 2 coenzima NAD+, che può ricevere 2 elettroni e 2 H H R Tipo A Produzione del Tipo B O=P-O"H H NADH gliceraldeide-3-fosfato protoni generando una molecola di NADH con 0 OH OH NH ripiegamento NAD 0=P-0" Adenina N N di Rossmann β -α-β-α-β liberazione di ione idruro H+. È importante ricordare la O CH, O H H struttura con la quale la porzione proteica di questo NAD+ H H (ossidato) OH OH enzima lega il NAD+ perché è una struttura ricorrente in molte deidrogenasi: questa struttura è una successione di ß foglietti e a eliche e prende il nome di ripiegamento di Rossmann.

3 ossidazione e fosforilazione 2 NADH + ZH- ® Fosfoenolpiruvato (2)

Variazione di Energia Libera nella Glicolisi

Università degli Studi di Ferrara Dal punto di vista energetico le reazioni che riguardano la produzione delle 2 molecole di NADH 1. Conversione esoergonica sono fortemente esoergoniche e generano una Glucosio + 2 NAD+ -+ 2 Piruvato + 2 NADH + 2 H+ AG,"0 = - 146 kJ/mole variazione di energia libera standard fortemente 2. Conversione endoergonica 2 ADP + 2 P++ 2 ATP + 2 H2O AG,"0 = 2 (30,5 KJ/mole) = 61 KJ/mole negativa, mentre la parte endoergonica è attribuibile alle reazioni per la formazione di ATP, con AG'º = - 85 KJ/mole variazione di energia libera standard pari a 61KJ/mole. Facendo la somma algebrica la Piruvato variazione di energia libera standard è uguale a -85KJ/mole, quindi la glicolisi è un processo fortemente irreversibile perché è spinto da una variazione di energia libera notevolmente negativa. Tuttavia, essa non rilascia tutta l'energia disponibile nella molecola di glucosio, perché il piruvato prodotto contiene ancora buona parte dell'energia che può essere utilizzata, come si vedrà in seguito, nel ciclo di Krebs e attraverso la catena di trasporto elettroni nella fosforilazione ossidativa. Inoltre, può essere utilizzato anche come combustibile successivamente.

Un altro aspetto importante riguarda la funzione degli intermedi fosforilati. Aggiungere un gruppo fosforico a una molecola, quindi trasformare glucosio in glucosio 6-fosfato, significa aggiungere una notevole carica negativa e pertanto queste molecole sono costrette a restare nell'ambiente intracellulare perché non ci sono trasportatori di glucosio 6-fosfato. In più i gruppi fosforici hanno un notevole potenziale energetico intrinseco e possono essere utilizzati per riformare ATP: ad esempio, i gruppo fosforici di questi intermedi quando interagiscono con il sito catalitico di un enzima riducono l'energia di attivazione di quell'enzima e aumentano la specificità per il substrato stesso favorendo la catalisi della reazione enzimatica, anche perché questi enzimi si combinano con complessi magnesio che interagiscono con i gruppi fosfato migliorando la catalisi.

Enzimi Coinvolti nella Glicolisi

Esochinasi e Fosforilazione del Glucosio

1. Esochinasi H La fosforilazione del glucosio avviene attraverso H OH Ma l'esochinasi, che catalizza il trasferimento di un gruppo Glucose 0 O - CH2 hexokinase H Adenosine -0-P-O-P -P H _2+ fosforico sul glucosio a partire da ATP, quindi un nome O H Mg O O OH MgATP2- HO H più corretto sarebbe ATP Glucosiotransferasi. Questo CH2OPO2- ATP H O H enzima come substrato può usare glucosio ma anche altri H OH H + ADP + H+ HO OH zuccheri come fruttosio e mannosio, quindi non ha elevata H OH specificità. La professoressa si raccomanda di prestare Glucose-6-phosphate (G6P) AG'0 = - 16,7 KJ/mole attenzione al valore del 4G di ogni singola reazione. In questo caso AG è negativo, per cui la reazione è esoergonica.

CH2OH H O H H OH H + ATP (o ATP Glucosiotransferasi) HO OH O. H OH OH Glucose 4