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 3

Stadio 1 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. Glucosio ATP ADP Glucosio 6-fosfato Fosfoglucosio isomerasi Fruttosio 6-fosfato ATP ADP Fruttosio 1,6-bifosfato

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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 6-fosfato 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 diidrossiacetone fosfato (DHAP) GAP 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 (1,3-BPG) 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 3-fosfato 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

Invece il destino metabolico del piruvato può essere diverso: 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 2) conversione in lattato 3) conversione in CO2 e H2O Avvengono in assenza di ossigeno

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.