LA GLICOLISI Giancarlo Dessì Licenza Creative Commons BY-NC- SA BY: Attribuzione - NC: Non commerciale - SA: Condividi allo stesso.

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1 LA GLICOLISI Giancarlo Dessì http://www.giand.it Licenza Creative Commons BY-NC- SA BY: Attribuzione - NC: Non commerciale - SA: Condividi allo stesso modo Appunti di biologia

2 GLICOLISI o VIA METABOLICA DI EMBDEN-MEYERHOF- PARNAS Materie prime - Glucosio o Fruttosio - ATP - ADP - NAD ossidato (NAD) - Acido fosforico Prodotti - Acido piruvico - ATP - NAD ridotto (NADH 2 ) - Acqua Dove si svolge nel citoplasma glucosio + 2 ADP + 2 Pi ++ 2 NAD 2 acido piruvico + 2 ATP + 2 NADH 2 + 2 H 2 O LA ATTUANO TUTTI GLI ORGANISMI HA RENDIMENTO ENERGETICO BASSO NON RICHIEDE OSSIGENO

3 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 RED = stato ridotto minima ossidazione numero di ossidazione -4 OX = stato ossidato massima ossidazione numero di ossidazione +4 MASSIMA ENERGIA NULLA

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 H H C C H H H C C H C H C C C C H C C C C C C -4-4 -3-3 -2-2 -1 0 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 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

5 OSSIDAZIONE DEL CARBONIO: ALCOLI Gli alcoli hanno molecole contenenti anche uno o più legami semplici C-O Sono composti organici ricchi di energia ma meno rispetto agli idrocarburi H H H O C C H H O C C H C O C C C C O C -2-2 -1 0 +1

6 OSSIDAZIONE DEL CARBONIO: ALDEIDI E CHETONI Aldeidi e chetoni hanno molecole contenenti anche uno o più legami doppi C=O Sono composti organici meno ricchi di energia rispetto ad alcoli e idrocarburi H H O C 0 C H O C +1 C C O C +2 aldeide formic a altre aldeid i cheton i

7 OSSIDAZIONE DEL CARBONIO: ACIDI CARBOSSILICI E ANIDRIDE CARBONICA 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 H O C +2 O C O C +3 O O C +4 acido formic o altri acid i anidride carbonic a L'anidride carbonica ha il massimo stato di ossidazione del carbonio: l'unico atomo ha infatti numero di ossidazione +4. La CO 2 è un composto inorganico: la sua molecola non contiene energia utile

8 L'OSSIDAZIONE DEL CARBONIO NELLA GLICOLISI 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 C H OH C -1 H C H H C HO H H OH C H O C -1 0 0 0 0 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 OH C O C O H H H C -3-3 +2 +3 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

9 LE MATERIE PRIME DELLA GLICOLISI GLUCOSIO FRUTTOSIO

10 L'ACCUMULATORE DI ENERGIA DELLA GLICOLISI: il sistema ADP / ATP ATP (adenosina tri fosfato) ADP (adenosina di fosfato) accumulatore CARICO accumulatore SCARICO 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

11 IL TRASPORTATORE DI IDROGENO E DI ELETTRONI: il sistema NAD / NADH 2 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 B 3 ) NAD: forma ossidata la molecola ha due elettroni in meno e una carica positiva sull'atomo di azoto della niacina NADH 2 : 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

12 Le fasi della glicolisi FOSFORILAZIONE DEL GLUCOSIO C H OH C H C H H C HO H H OH C H O C + ATP C H OH C H C H H OPOP C HO H H OH C H O C + AD P glucosio glucosio-6-fosfato 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 Enzima: esochinasi Le chinasi sono enzimi che scambiano un gruppo fosfato tra una molecola organica e una molecola di ADP o ATP 0 0

13 Le fasi della glicolisi ISOMERIZZAZIONE DEL GLUCOSIO-6-P glucosio-6-fosfato fruttosio-6-fosfato Il glucosio fosforilato viene convertito nel suo isomero, il fruttosio fosforilato, per spostamento del gruppo carbonile dal carbonio n. 1 al carbonio n. 2 Enzima: fosfogluco isomerasi Le isomerasi sono enzimi che convertono un composto in un suo isomero C H OH C H C H H OPOP C HO H H OH C H O C C H C H C H H OPOP C HO H OH C H H O C 0 0

14 Le fasi della glicolisi FOSFORILAZIONE DEL FRUTTOSIO fruttosio fruttosio-6-fosfato 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 Enzima: esochinasi C H OH C H C H H C HO H C H OH C H C H H OPOP C HO H OH C H H O C C H H O C + ATP + AD P 0 0 Le chinasi sono enzimi che scambiano un gruppo fosfato tra una molecola organica e una molecola di ADP o ATP

15 Le fasi della glicolisi FOSFORILAZIONE DEL FRUTTOSIO-6-P fruttosio-6-fosfato fruttosio-1,6-difosfato 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. Enzima: fosfofrutto chinasi C H OH C H C H H OPOP C HO H C H OH C H C H H OPOP C HO H OPOP C H H O C OH C H H O C + ATP + AD P Le chinasi sono enzimi che trasferiscono il gruppo fosfato dall'ATP su una molecola 0 0

16 Le fasi della glicolisi SCISSIONE DEL FRUTTOSIO-1,6-DP fruttosio-1,6-difosfato 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. Enzima: aldolasi C H OH C H C H H OPOP C HO H C H C H OH C H H OPOP C HO H OPOP C H H O C OPOP C H H O C + L'aldolasi appartiene al gruppo delle liasi enzimi che rompono un legame con meccanismi differenti dalle idrolisi H O diidrossiacetonfosfato aldeide 3-fosfoglicerica 0 0 0

17 Le fasi della glicolisi ISOMERIZZAZIONE DEL DIIDROSSIACETONE-P 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) Enzima: triosofosfato isomerasi C H C H OH C H H OPOP C HO H OPOP C H H O C H O diidrossiacetonfosfato aldeide 3-fosfoglicerica 0 0 Le isomerasi sono enzimi che convertono un composto in un suo isomero

18 Le fasi della glicolisi OSSIDAZIONE DELL'ALDEIDE 3-P-GLICERICA 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 NADH 2 Enzima: fosfoglicerato deidrogenasi C H OH C H H C O aldeide 3-fosfoglicerica 0 +0, 67 Le deidrogenasi sono enzimi che rimuovono atomi di idrogeno da un composto H C H OH C H H OPOP C O + 2 NAD + 2 P OOPOP OOPOP + 2 NADH 2 acido 1,3-difosfoglicerico 2 2

19 Le fasi della glicolisi DEFOSFORILAZIONE DELL'ACIDO DIFOSFOGLICERICO 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 Enzima: fosfoglicerato chinasi C H OH C H H C O +0, 67 + 2 ADP OOPOP OOPOP + 2 ATP acido 1,3-difosfoglicerico C H OH C H H C O OOPOP O acido 3-fosfoglicerico +0, 67 2 2 Le chinasi sono enzimi che scambiano un gruppo fosfato tra una molecola organica e una molecola di ADP o ATP

20 Le fasi della glicolisi ISOMERIZZAZIONE DELL'ACIDO 3-P-GLICERICO Il gruppo fosfato dell'acido fosfoglicerico viene spostato dal carbonio n. 3 al carbonio n. 2. Enzima: fosfoglicerato mutasi C H OH C H H C O +0, 67 OOPOP OOH acido 3-fosfoglicerico C H OH C H H C O OPOP O acido 2-fosfoglicerico +0, 67 2 2 Le mutasi sono enzimi che spostano gruppi fosfato all'interno di molecole organiche. Appartengono al gruppo delle isomerasi

21 Le fasi della glicolisi DISIDRATAZIONE DELL'ACIDO 2-P-GLICERICO 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. Enzima: enolasi +0, 67 acido 2-fosfoglicerico C C H H C O OPOP OOH acido fosfoenolpiruvico +0, 67 2 2 C H OH C H H C O OPOP O + 2 H 2 O L'enolasi appartiene al gruppo delle liasi enzimi che rompono un legame con meccanismi differenti dalle idrolisi

22 Le fasi della glicolisi DEFOSFORILAZIONE DELL'ACIDO FOSFOENOLPIRUVICO 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. Enzima: fosfoenolpiruvato chinasi +0, 67 acido fosfoenolpiruvico C C H H C O OPOP OOH acido piruvico +0, 67 2 2+ 2 ADP + 2 ATP C H C H H C O O OOH Le chinasi sono enzimi che scambiano un gruppo fosfato tra una molecola organica e una molecola di ADP o ATP

23 LE TAPPE FONDAMENTALI Per avviare la glicolisi, lo zucchero a 6 atomi di carbonio (glucosio, fruttosio) deve essere “attivato” ovvero deve essere fosforilato. 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 NADH 2 Questa fase consuma 2 moli di ATP Defosforilazione e disidratazione dell'acido 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 Attivazione di un esoso per fosforilazione Rottura della catena di 6 atomi di carbonio Il gruppo carbonile è ossidato a gruppo carbossile

24 LE TAPPE FONDAMENTALI glucosio o fruttosio 2 ATP 2 ADP 2 aldeide fosfoglicerica 2 NAD 2 NADH 2 2 P i 2 acido difosfoglicerico 2 acido fosfoenolpiruvico 2 ATP 2 ADP 2 H 2 O 2 ADP 2 ATP 2 acido piruvico

25 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 NADH 2 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 NADH 2, invece, subiscono destini differenti in funzione del tipo di metabolismo Aerobiosi L'acido piruvico è usato per alimentare il ciclo di Krebs Il NADH 2 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 NADH 2 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.