Appunti di biologia
LA GLICOLISI
Giancarlo Dessì
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GLICOLISI
o
VIA METABOLICA DI EMBDEN-MEYERHOF-PARNAS
Materie prime
- Glucosio o Fruttosio
- ATP
- ADP
- NAD ossidato (NAD)
- Acido fosforico
Dove si svolge
nel citoplasma
glucosio + 2 ADP + 2 Pi ++ 2 NAD
Prodotti
- Acido piruvico
- ATP
- NAD ridotto (NADH2)
- Acqua
2 acido piruvico + 2 ATP + 2 NADH2 + 2 H2O
LA ATTUANO TUTTI GLI ORGANISMI
HA RENDIMENTO ENERGETICO BASSO
NON RICHIEDE OSSIGENO
STATI DI OSSIDAZIONE DEL CARBONIO
Lo stato di ossidazione del carbonio è dato dal numero di legami formati con atomi più
elettronegativi e misura l'energia chimica di legame accumulata in una molecola organica
minima ossidazione (=massima riduzione), N.O.=-4: massima energia utile
massima ossidazione (=minima riduzione), N.O.=+4: energia utile nulla
MASSIMA
ENERGIA
RED = stato ridotto
minima ossidazione
numero di ossidazione -4
ENERGIA
NULLA
OX = stato ossidato
massima ossidazione
numero di ossidazione +4
STATI DI OSSIDAZIONE DEL CARBONIO: IDROCARBURI
Gli idrocarburi hanno molecole contenenti solo legami C-C e C-H
Sono i composti organici con il massimo contenuto di energia chimica utile
H
H
C
-4
H
METANO: tutti i legami sono formati con l'idrogeno (meno elettronegativo)
Il metano è la molecola organica con il minimo stato di ossidazione
del carbonio e con il più alto contenuto di energia chimica
H
C
H
C
-3
H
Negli altri idrocarburi, alcuni atomi di carbonio sono legati
con altri atomi di carbonio e avranno un numero di ossidazione
più alto e il contenuto di energia chimica si abbassa
H
C
H
-2
C
H
C
C
C
-1
C
H
C
C
C
0
C
C
C
OSSIDAZIONE DEL CARBONIO: ALCOLI
H
H
C
-2
H
O
Gli alcoli hanno molecole
contenenti anche uno o più
legami semplici C-O
C
H
C
-1
H
Sono composti organici ricchi di
energia ma meno rispetto agli
idrocarburi
O
C
H
0
C
O
C
C
C
+1
C
C
O
OSSIDAZIONE DEL CARBONIO: ALDEIDI E CHETONI
H
H
C
aldeide
formica
O
Aldeidi e chetoni hanno molecole
contenenti anche uno o più
legami doppi C=O
0
Sono composti organici meno
ricchi di energia rispetto ad alcoli
e idrocarburi
C
H
C
O
+1
altre
aldeidi
C
C
+2
C
O
chetoni
OSSIDAZIONE DEL CARBONIO: ACIDI CARBOSSILICI
E ANIDRIDE CARBONICA
O
H
C
acido
formico
O
+2
Gli acidi carbossilici hanno molecole contenenti
almeno un atomo che forma un legame semplice C-O
e un legame doppio C=O
Il gruppo carbossilico è quello con lo stato di
ossidazione più avanzato
O
altri
acidi
C
C
L'anidride carbonica ha il
massimo stato di
ossidazione del carbonio:
l'unico atomo ha infatti
numero di ossidazione +4.
O
+3
O
+4
C
O
La CO2 è un composto
inorganico: la sua molecola
non contiene energia utile
anidride
carbonica
L'OSSIDAZIONE DEL CARBONIO NELLA GLICOLISI
H
C
O
-1
H
C
OH
0
HO
C
H
0
H
C
OH
0
H
C
OH
0
H
C
OH
-1
Gli zuccheri sono polialcoli contenenti un
gruppo carbonile
Il loro stato di ossidazione corrisponde a
quello degli alcoli più ossidati
Negli esosi (glucosio, fruttosio) il numero di
ossidazione medio del carbonio è 0
H
Nella glicolisi la molecola di un esoso viene
prima suddivisa in due molecole più piccole,
composte da 3 atomi di carbonio (trioso).
Il trioso viene poi ossidato ottenendo un acido
carbossilico ad alto stato di ossidazione:
l'acido piruvico
Nell'acido piruvico il numero di
ossidazione medio del carbonio è +0,67
L'ossidazione biologica del carbonio libera
energia utile che viene accumulata in
molecole in grado di cederla facilmente
H
O
OH
C
C
C
-3 H
+2
H
+3
O
LE MATERIE PRIME DELLA GLICOLISI
FRUTTOSIO
GLUCOSIO
L'ACCUMULATORE DI ENERGIA DELLA
GLICOLISI:
il sistema ADP / ATP
ATP (adenosina tri fosfato)
accumulatore CARICO
L'energia utile liberata in alcune tappe
di un processo di ossidazione, viene
accumulata con il trasferimento di un
gruppo fosfato alla molecola dell'ADP
ADP (adenosina di fosfato)
accumulatore SCARICO
IL TRASPORTATORE DI IDROGENO E DI ELETTRONI: il sistema NAD / NADH2
NAD: forma ossidata
la molecola ha due
elettroni in meno e una
carica positiva
sull'atomo di azoto
della niacina
Nicotinammide adenina dinucleotide: è un coenzima ossidoriduttivo.
Coadiuva gli enzimi nelle reazioni redox che spostano gli elettroni con la deidrogenazione.
È composto da due nucleotidi in cui una delle basi azotate è la nicotinammide, un derivato della
niacina (detta anche vitamina PP o vitamina B3)
NADH2: forma ridotta
la molecola della
niacina acquista uno
ione idrogeno e due
elettroni. Un altro ione
idrogeno resta disperso
nel mezzo e porta la
carica positiva che
aveva l'azoto nella
forma ossidata
Le fasi della glicolisi
FOSFORILAZIONE DEL GLUCOSIO
H
C
O
H
C
O
H
C
OH
H
C
OH
HO
C
H
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OP
H
glucosio
0
+
ATP
Enzima:
esochinasi
+
ADP
H
glucosio-6-fosfato
0
La via metabolica prende inizio, di norma, dal glucosio. Con la spesa di una mole di
ATP, il glucosio viene “attivato” con l'aggiunta di un gruppo fosfato al carbonio n. 6
Le chinasi sono enzimi che scambiano un gruppo fosfato tra una molecola
organica e una molecola di ADP o ATP
Le fasi della glicolisi
ISOMERIZZAZIONE DEL GLUCOSIO-6-P
H
H
C
O
H
C
OH
HO
C
H
H
C
H
H
H
C
OH
C
O
HO
C
H
OH
H
C
OH
C
OH
H
C
OH
C
OP
H
C
OP
H
glucosio-6-fosfato
0
Enzima:
fosfogluco isomerasi
H
fruttosio-6-fosfato
0
Il glucosio fosforilato viene convertito nel suo isomero, il fruttosio fosforilato, per
spostamento del gruppo carbonile dal carbonio n. 1 al carbonio n. 2
Le isomerasi sono enzimi che convertono un composto in un suo isomero
Le fasi della glicolisi
FOSFORILAZIONE DEL FRUTTOSIO
H
H
H
C
OH
C
O
HO
C
H
H
C
H
H
H
C
OH
C
O
HO
C
H
OH
H
C
OH
C
OH
H
C
OH
C
OH
H
C
OP
H
+
ATP
Enzima:
esochinasi
fruttosio
H
fruttosio-6-fosfato
0
0
+
ADP
La glicolisi può iniziare anche a partire dal fruttosio, che viene fosforilato sul carbonio n. 6
con la spesa di una mole di ATP come nel glucosio. In questo caso viene saltata una
tappa, ovvero l'isomerizzazione da glucosio-6-P a fruttosio-6-P
Le chinasi sono enzimi che scambiano un gruppo fosfato tra una molecola
organica e una molecola di ADP o ATP
Le fasi della glicolisi
H
H
C
OH
C
O
HO
C
H
H
C
H
H
FOSFORILAZIONE DEL FRUTTOSIO-6-P
H
H
C
OP
C
O
HO
C
H
OH
H
C
OH
C
OH
H
C
OH
C
OP
H
C
OP
H
+
ATP
Enzima:
fosfofrutto chinasi
+
ADP
H
fruttosio-6-fosfato
0
fruttosio-1,6-difosfato
0
Con la spesa di un'altra mole di ATP, il fruttosio-6-fosfato viene ancora fosforilato, con
l'aggiunta di un gruppo fosfato al carbonio n. 1.
Le chinasi sono enzimi che trasferiscono il gruppo fosfato dall'ATP su una molecola
Le fasi della glicolisi
SCISSIONE DEL FRUTTOSIO-1,6-DP
H
H
OP
C
O
C
HO
H
H
H
H
C
OH
C
H
C
OH
H
C
OP
HO
Enzima:
aldolasi
C
OP
C
O
C
H
+
H
H
C
O
H
C
OH
H
C
OP
H
H
fruttosio-1,6-difosfato
0
diidrossiacetonfosfato
0
aldeide 3-fosfoglicerica
0
La catena di 6 atomi di carbonio si divide in due catene, con formazione di due triosi
fosforilati: un chetone (diidrossiacetone-P) e un'aldeide (aldeide 3-P-glicerica), I due triosi
sono isomeri.
L'aldolasi appartiene al gruppo delle liasi enzimi che rompono un legame con
meccanismi differenti dalle idrolisi
Le fasi della glicolisi
ISOMERIZZAZIONE DEL DIIDROSSIACETONE-P
H
H
HO
C
OP
H
C
O
C
O
H
C
OH
C
H
H
C
OP
Enzima:
H
H
triosofosfato isomerasi
diidrossiacetonfosfato
aldeide 3-fosfoglicerica
0
0
Fra i due triosi isomeri c'è un equilibrio, ma la glicolisi procede con la trasformazione
dell'aldeide 3-fosfoglicerica, perciò il diidrossiacetone-P si trasforma per isomerizzazione
nell'aldeide (equilibrio spostato a destra)
Le isomerasi sono enzimi che convertono un composto in un suo isomero
Le fasi della glicolisi
OSSIDAZIONE DELL'ALDEIDE 3-P-GLICERICA
OP
2
H
C
O
H
C
OH
H
C
OP
H
aldeide
3-fosfoglicerica
0
+ 2 NAD + 2 P
Enzima:
fosfoglicerato deidrogenasi
2
C
O
H
C
OH
H
C
OP
+ 2 NADH2
H
acido
1,3-difosfoglicerico
+0,67
In un processo che si svolge in tre tappe (idratazione, deidrogenazione, fosforilazione),
il gruppo carbonilico dell'aldeide viene ossidato a gruppo carbossilico e fosforilato, con
formazione dell'acido difosfoglicerico. L'ossidazione trasferisce due elettroni e un
atomo di idrogeno sul coenzima NAD, che viene perciò ridotto a NADH2
Le deidrogenasi sono enzimi che rimuovono atomi di idrogeno da un composto
Le fasi della glicolisi
DEFOSFORILAZIONE DELL'ACIDO DIFOSFOGLICERICO
OH
OP
2
C
O
H
C
OH
H
C
OP
H
acido
1,3-difosfoglicerico
2
+ 2 ADP
C
O
H
C
OH
H
C
OP
Enzima:
+ 2 ATP
H
fosfoglicerato chinasi
acido
3-fosfoglicerico
+0,67
+0,67
L'acido difosfoglicerico subisce una defosforilazione, con trasferimento del gruppo
fosfato dal carbonio n. 1 dell'acido all'ADP. La defosforilazione produce perciò due
moli di ATP e recupera la spesa energetica iniziale
Le chinasi sono enzimi che scambiano un gruppo fosfato tra una molecola
organica e una molecola di ADP o ATP
Le fasi della glicolisi
ISOMERIZZAZIONE DELL'ACIDO 3-P-GLICERICO
OH
OH
2
C
O
H
C
OH
H
C
OP
H
acido
3-fosfoglicerico
2
C
O
H
C
OP
H
C
OH
Enzima:
H
fosfoglicerato mutasi
acido
2-fosfoglicerico
+0,67
+0,67
Il gruppo fosfato dell'acido fosfoglicerico viene spostato dal carbonio n. 3 al carbonio n. 2.
Le mutasi sono enzimi che spostano gruppi fosfato all'interno di molecole
organiche. Appartengono al gruppo delle isomerasi
Le fasi della glicolisi
DISIDRATAZIONE DELL'ACIDO 2-P-GLICERICO
OH
2
OH
C
O
H
C
OP
H
C
OH
H
acido
2-fosfoglicerico
+0,67
2
H
Enzima:
enolasi
C
O
C
OP
+
2
H 2O
C
H
acido
fosfoenolpiruvico
+0,67
L'acido 2-fosfoglicerico subisce una disidratazione, ovvero l'allontamento di una molecola
d'acqua per separazione dell'idrogeno del carbonio n. 2 e dell'ossidrile del carbonio n. 3.
Si forma un acido enolico, ovvero un composto provvisto di un gruppo ossidrile associato
ad un doppio legame tra carbonio e carbonio.
Questa reazione è il preludio alla successiva defosforilazione.
L'enolasi appartiene al gruppo delle liasi enzimi che rompono un legame con
meccanismi differenti dalle idrolisi
Le fasi della glicolisi
DEFOSFORILAZIONE DELL'ACIDO FOSFOENOLPIRUVICO
OH
2
H
OH
C
O
C
OP
+ 2 ADP
2
C
H
acido
fosfoenolpiruvico
H
Enzima:
C
O
C
O
C
H
+ 2 ATP
H
fosfoenolpiruvato chinasi
acido
piruvico
+0,67
+0,67
Questa reazione si svolge in due tappe (defosforilazione, tautomeria cheto-enolica). L'acido
fosfoenolpiruvico viene defosforilato e, successivamente, l'acido enolico subisce
un'isomerizzazione (tautomeria) che lo trasforma in un chetoacido: l'acido piruvico.
Nel processo si producono altre due moli di ATP, permettendo un guadagno netto sotto
l'aspetto del bilancio energetico.
Le chinasi sono enzimi che scambiano un gruppo fosfato tra una molecola
organica e una molecola di ADP o ATP
LE TAPPE FONDAMENTALI
Attivazione di un esoso
per fosforilazione
Rottura della catena di 6
atomi di carbonio
Il gruppo carbonile è ossidato
a gruppo carbossile
Defosforilazione e
disidratazione dell'acido
Per avviare la glicolisi, lo zucchero a 6 atomi di carbonio
(glucosio, fruttosio) deve essere “attivato” ovvero deve
essere fosforilato.
Questa fase consuma
2 moli di ATP
La catena di 6 atomi di carbonio viene scissa in due catene
a 3 atomi di carbonio (aldeide fosfoglicerica)
Il trioso ottenuto dalla scissione dell'esoso viene ossidato a
ossiacido (acido fosfoglicerico)
Questa fase produce
2 moli di NADH2
Nelle tappe finali, la catena “attivata” viene defosforilata e
disidratata fino ad ottenere il prodotto finale, l'acido
piruvico
Questa fase produce
4 moli di ATP
LE TAPPE FONDAMENTALI
glucosio o fruttosio
2 ATP
2 ADP
2 aldeide fosfoglicerica
2 Pi
2 NAD
2 NADH2
2 acido difosfoglicerico
2 H2 O
2 ADP
2 ATP
2 acido fosfoenolpiruvico
2 ADP
2 ATP
2 acido piruvico
E DOPO LA GLICOLISI?
Un processo biochimico si arresta quando i suoi
prodotti saturano il mezzo. Affinché la glicolisi
proceda è necessario che l'acido piruvico, l'ATP e il
NADH2 siano rimossi dal mezzo.
L'ATP è impiegato in tutti i processi
vitali per la cellula o per l'organismo
di cui fa parte, perciò è
sistematicamente rimosso
Acido piruvico e NADH2, invece,
subiscono destini differenti in
funzione del tipo di metabolismo
Aerobiosi
L'acido piruvico è usato per
alimentare il ciclo di Krebs
Il NADH2 è impiegato per la catena
di trasporto degli elettroni.
In entrambi i processi, parte
integranti della respirazione,
il risultato è la produzione di altro
ATP
Anaerobiosi
Il NADH2 è impiegato per la
riduzione dell'acido piruvico nelle
fasi finali di un processo di
fermentazione.
Queste fasi non permettono
l'estrazione di ulteriore energia
utile, ma consentono la
sopravvivenza della cellula con la
sola glicolisi.