GLICOLISI
• I carboidrati sono digeriti in molecole biochimicamente utili
come il glucosio che è il principale carboidrato presente nei
sistemi viventi.
• Nei mammiferi è l’unica sostanza nutriente utilizzata dal
cervello in condizioni nutrizionali normali (di non digiuno).
• Perché proprio il glucosio? Ha una scarsa tendenza a
glicosilare non enzimaticamente le proteine (gruppo aldeidico
degli zuccheri + ammino gruppo delle proteine che così
modificate non funzionano) in quanto tende ad esistere nella
forma chiusa
Via glicolitica
• Comune a quasi tutti i tipi di cellule sia
procariotiche sia eucariotiche (nel
citoplasma).
• E’ suddivisa in tre stadi: la strategia di questi 3
passaggi iniziali è di intrappolare il glucosio
all’interno della cellula e di formare un
composto che potrà essere facilmente scisso
in unità tricarboniose fosforilate
Formule di
Haworth
Stadio 1
•
Glucosio
ATP
ADP
Glucosio 6-fosfato
Fosfoglucosio isomerasi
Fruttosio 6-fosfato
ATP
ADP
Fruttosio 1,6-bifosfato
Il glucosio entra nella
cellula ad opera di
specifiche proteine di
trasporto e quindi
fosforilato dall’ATP. Il
glucosio 6-fosfato non
può attraversare la
membrana plasmatica in
quanto non è substrato
dei trasportatori di
glucosio e, inoltre,
l’aggiunta del fosfato ha
un effetto
destabilizzante.
Il trasferimento del P all’OH del C6 è catalizzato dall’esochinasi che come
tutte le altre chinasi per essere attiva richiede Mg2+ (o altri ioni metallici
bivalenti come Mn2+). Lo ione metallico bivalente forma un complesso
con l’ATP.
Il legame del glucosio induce un’ampia modificazione conformazionale
nella struttura della proteina enzimatica. L’esochinasi è costituita da due
lobi che si muovono avvicinandosi a seguito del legame del glucosio..La
tasca presente tra i lobi si chiude ed il glucosio viene circondato
interamente dalla proteina: l'unica regione a non essere completamente
coperta è il carbonio in posizione 6, in grado così di accettare un gruppo
fosfato. La chiusura della fessura indotta dal substrato è una
caratteristica generale delle chinasi
Stadio 2
• Consiste nella scissione del fruttosio
1,6-bifosfato in due diversi
frammneti tricarboniosi. Il glucosio 6fosfato non viene scisso facilmente in
due frammenti a 3 atomi di C
diversamente dal fruttosio 6-fosfato
Stadio 2
• Il fruttosio 1,6-difosfato viene scisso in gliceraldeide 3-fosfato
(GAP) e
GAP
• diidrossiacetone fosfato (DHAP)
acetone
DHAP
I due composti sono isomeri che possono essere facilmente interconvertiti
Questa reazione è rapida e reversibile. All’equilibrio il 96% del trioso
fosfato è costituito da diidrossiacetone fosfato, però la rimozione del GAP
nelle reazioni successive sposta l’equilibrio a destra.
Stadio 3
• I precedenti passaggi della glicolisi hanno
consumato 2 molecole di ATP.
• Lo stadio finale consiste in una serie di
reazioni che raccolgono parte dell’energia
contenuta nella gliceraldeide 3-fosfato sotto
forma di ATP.
Stadio 3
• La GAP viene convertita in 1,3 bifosfoglicerato (1,3BPG)
1) l’aldeide viene ossidata ad acido carbossilico dal NAD+ (ΔG= -50 KJ mol-1)
2) l’acido carbossilico lega il fosfato (ΔG~ 50 KJ mol-1)
La seconda è sfavorita, quindi i due processi devono essere accoppiati tramite un
intermedio che si forma in seguito all’ossidazione dell’aldeide e che rimane legato
all’enzima con un legame tioestere. Questo intermedio conserva parte dell’energia
rilasciata dalla reazione di ossidazione
Formazione di ATP
• L’ 1,3 bifosfoglicerato è una molecola ad elevato
contenuto energetico con un potenziale di
trasferimento del grupp P più elevato dell’ATP.
Quindi:
• 1,3-BPG + ADP + H+
3-fosfoglicerato + ATP
Si erano formate 2 molecole di gliceraldeide 3-fosfato e quindi sono state
prodotte 2 molecole di ATP
• Il 3-fosfoglicerato viene convertito in piruvato con
formazione di ATP da ADP
Riordinamento molecolare
La disidratazione aumenta il
potenziale di trasferimento del P
perché introduce un doppio
legame formando un enolo
instabile.
Una volta che P è stato donato
all’ATP si forma il chetone che
è stabile
Si tratta di una serie di
reazioni che
inizialmente portano
al consumo di 2 ATP
per ogni molecola di
glucosio, ma che poi
permettono la
produzione di 4 ATP,
con un guadagno
netto di 2 ATP
• Durante l’ossidazione della gliceraldeide 3fosfato il NAD+ è stato ridotto a NADH. Nelle
cellule la disponibiltà di NAD+ è limitata*.
Quindi deve essere rigenerato affinchè la
glicolisi possa procedere.
• La tappa finale della via glicolitica consiste
nella rigenerazione del NAD+ attraverso il
metabolismo del piruvato.
*Il
NAD+ è un coenzima che deriva dalla niacina conosciuta come
vitamina B3, componente essenziale della dieta dell’uomo. In natura
una fonte di niacina è il petto di pollo. Una carenza di niacina porta alla
pellagra
• La sequenza delle reazioni del glucosio a
piruvato è simile nella maggioranza degli
organismi e nei vari tipi di cellule.
• Invece il destino metabolico del piruvato può
essere diverso:
• 1) conversione in etanolo
Avvengono in assenza di
ossigeno
• 2) conversione in lattato
• 3) conversione in CO2 e H2O
• Le fermentazioni sono processi che generano ATP, in
cui alcuni composti organici agiscono sia da donatori
sia da accettori di e-.
• In presenza di ossigeno, che è la condizione più
comune negli organismi pluricellulari e in molti
organismi unicellulari, il piruvato viene metabolizzato
a CO2 e acqua attraverso il ciclo del’acido citrico e la
catena respiratoria. In queste condizioni l’ossigeno
accetta elettroni e protoni per formare acqua.
1) conversione in etanolo
• L’etanolo si forma nel lievito e in altri microrganismi. E’ un esempio di
fermentazione alcolica
1: decarbossilazione del piruvato
2: riduzione dell’acetaldeide a etanolo ad opera del NADH con
produzione di NAD+
• Il risultato netto di questo processo anaerobico è:
• Glucosio + 2Pi + 2ADP + 2H+
2etanolo + 2CO2 + 2ATP + 2H2O
• Il NAD+ e il NADH non compaiono anche se sono essenziali. Il NADH generato
dall’ossidazione della gliceraldeide 3-fosfato viene consumato dalla riduzione
dell’acetaldeide ad etanolo.
• L’etanolo che si forma fornisce l’ingrediente essenziale per la produzione della
birra e del vino e la CO2 produce le bollicine di gas
2) conversione in lattato.
Fermentazione lattica
Avviene anche nelle cellule
degli organismi superiori
quando la quantità di ossigeno
disponibile è limitante come
accade nel muscolo durante
l’attività fisica
Il piruvato accetta gli elettroni dal
NADH in una reazione catalizzata
dalla lattato deidrogenasi
• La reazione globale è:
• Glucosio + 2Pi + 2ADP
2lattato + 2ATP +2H2O
• Il NADH formato nell’ossidazione della gliceraldeide
3-fosfato viene consumato nella riduzione del
piruvato.
• La rigenerazione del NAD+ che si verifica
nella riduzione del piruvato a lattato o
etanolo sostiene la continuità del
processo glicolitico
in
condizioni
anaerobiche
3) conversione in CO2 e H2O.
Condizioni aerobiche
• Durante la conversione del glucosio in lattato in
condizioni anaerobiche viene rilasciata solo una
piccola parte dell’energia contenuta nella molecola
del glucosio.
• Molta più energia può essere estratta in condizioni
aerobiche attraverso il ciclo dell’acido citrico e la
catena di trasporto degli elettroni che ossidano
completamente il glucosio a CO2 e H2O.
• Il punto di entrata della via ossidativa è l’acetil
coenzima A (acetil CoA) che si forma dal piruvato
all’interno del mitocondrio
• Piruvato + NAD+ + CoA
acetil CoA + CO2 + H2O
• La fermentazione fornisce solo una frazione
dell’energia che potrebbe rendersi disponibile
dall’ossidazione completa del glucosio.
• Perché un processo metabolico di scarsa
efficienza energetica viene utilizzato così
ampiamente?
• La ragione principale consiste nel fatto che in
queste vie non è necessaria la presenza di
ossigeno.
• La capacità di sopravvivere senza ossigeno
permette a molti microrganismi di adattarsi ad
ambienti apparentemente inospitali come il
sottosuolo, il fondo del mare o i pori della
pelle.
•Alcuni organismi anaerobi obbligati non sopravvivono in presenza di ossigeno
Alcuni bacilli Gram + anaerobi obbligati (Clostridium) in determinate
condizioni ambientali danno origine a spore.
Le spore sono forme di resistenza che consentono al batterio di
sopravvivere in un ambiente a lui sfavorevole.
Spore del ClostridiumTetani
RIASSUMENDO
• Il glucosio è la principale fonte energetica dell'organismo, in grado
di fosforilare l'ADP e trasformarlo in ATP. Le reazioni che portano
alla rottura del glucosio o di altre molecole ad alto contenuto
energetico, sono ossido riduzioni che avvengono in modo graduale;
le prime tappe di questo complesso processo prendono il nome di
glicolisi e avvengono nel citoplasma delle cellule; si tratta di una
serie di reazioni che inizialmente portano al consumo di 2ATP per
ogni molecola di glucosio, ma che poi permettono la produzione di
4 ATP, con un guadagno netto di 2 ATP. 4 gruppi fosfato si legano a
molecole derivate dal glucosio e successivamente vengono ceduti
per la formazione di 4 molecole di ATP. Durante il processo vengono
inoltre prodotti 2 NADH. Al termine della glicolisi, il glucosio è stato
trasformato in 2 molecole di acido piruvico, una molecola a 3 atomi
di carbonio, che contiene ancora nei suoi legami una certa quantità
di energia.