Glicolisi e Fosforillazione

L’ATP rappresenta una delle molecole più importanti dal punto di vista energetico e viene anche chiamato “moneta energetica” del nostro organismo.
Esso si forma in gran quantità durante i processi ossidativi e le trasformazioni energetiche ed è quel composto che viene speso durante i processi che utilizzano energia, quindi sia durante le fasi anaboliche del metabolismo, sia nella contrazione muscolare, nel trasporto di sostanze contro gradiente di concentrazione, nell’attivazione delle molecole che dovranno essere trasformate.
Non è l’unica moneta di scambio che possiamo trovare nel nostro organismo, in quanto, anche gli altri nucleotidi possono avere la funzione di deposito di energia e di trasferimento di energia per i vari processi metabolici.

Naturalmente la molecola più utilizzata per queste funzioni è l’ATP e lo dimostra il fatto che sia contenuta nella cellula in concentrazioni molto più alte rispetto a tutti gli altri nucleotidi.

ATP→ adenina che si lega con il suo azoto in posizione 9 al gruppo OH del ribosio in posizione 1. Il ribosio, poi in posizione 5 porta legati dei gruppi fosforici, in questo caso 3. A partire dal fosfato più vicino allo zucchero questi vengono indicati con le lettere dell’alfabeto greco, quindi partendo dal fosfato legato allo zucchero avremo il Pα, Pβ e Pγ.

I legami esistenti tra i 3 gruppi fosforici sono altamente energetici, per meglio dire, sono energetici i legami esistenti tra Pα e Pβ e tra Pβ e Pγ. Il legame tra il gruppo fosforico e l’ossidrile dello zucchero non è molto energetico, ha un valore di circa -2-3 kcal (davanti al 2 e al 3 ci sono dei meno, perché intendiamo l’energia che bisogna fornire per spezzare un legame, e poi perché il ∆G di una reazione esoergonica è negativo).
Questo valore è tipico dei legami esistenti all’interno degli zuccheri fosforilati. I legami tra i gruppi fosforici possiedono un ∆G°’ che si aggira tra -7.5 e -12 (dove -7.5 è il valore teorico a condizioni standard e -12 è quello che ritroviamo nelle situazioni reali). Il ∆G°’ di idrolisi rappresenta un valore costante per tutti i tipi di reazione, ma non è il valore che ci si presenta all’interno dell’ambiente cellulare. Normalmente il valore che ritroviamo è molto più negativo, si arriva quindi a -10/-12 kcal/mole. La differenza di energia tra ∆G°’ e le condizioni cellulari è data da:

  • concentrazione di ATP, di ADP e AMP
  • il pH, che influenza l’idrolisi della molecola
  • lo ione Mg2+, infatti la sua concentrazione deve essere mantenuta costante all’interno della cellula perché va ad interagire con le molecole di ATP

Nelle reazioni in cui interviene l’ATP, il substrato non è l’ATP semplice, ma l’Mg-ATP. Le 2 cariche positive dello ione Mg vanno a neutralizzare parte delle cariche negative dei gruppi fosforici, quindi il sito catalitico dell’enzima che legherà l’ATP riconosce solo le molecole in cui l’ATP è legato al magnesio. Nelle condizioni cellulari il valore del ∆G è molto più negativo rispetto a quello tabulato a seconda del variare della concentrazione di ATP, ADP e AMP, ioni H+ e Mg.

il CATABOLISMO è l’insieme delle reazioni tramite le quali scindiamo le macromolecole che introduciamo con la dieta nei loro costituenti fondamentali. Le molecole in questione sono i grassi, le proteine e i carboidrati. I costituenti delle macromolecole vengono ossidati durante i processi catabolici. Il processo di ossidazione libera una grandissima quantità di energia che viene immagazzinata sotto forma di molecole altamente energetiche.
Le molecole in grado di ricevere questa energia, di incamerarla e depositarla all’interno della cellula non sono numerosissime, tra queste troviamo i nucleotidi e altre molecole che vengono chiamate coenzimi. Essi partecipano alle reazioni di ossido-riduzione che avvengono durante il catabolismo e passano dal loro stato ossidato NAD+, NADP+, allo stato ridotto, dopo avere acquisito gli elettroni ad alta energia provenienti dai processi catabolici.

Se abbiamo un’alta concentrazione di ADP e coenzimi allo stato ossidato, la cellula si trova a bassi livelli energetici, al contrario, se prevalgono l’ATP e i coenzimi ridotti la cellula o il tessuto si trovano a buoni livelli energetici.


Queste molecole sono degli importanti modulatori dei processi metabolici. Partendo da sostanze semplici che deriviamo dalle molecole che introduciamo con la dieta, e questi derivati sono amminoacidi, zuccheri, acidi grassi e basi azotate, tramite processi di sintesi, ossia per mezzo dell’ANABOLISMO, siamo in grado di formare le macromolecole tipiche e specifiche dei nostri tessuti. Questi processi di sintesi, richiedono energia per avvenire. Verranno quindi usati ATP, NADH e NADPH, si scaricheranno e l’aumento delle molecole scariche stimolerà il catabolismo.

Perché la molecola di ATP è così energetica??

Un tempo si pensava che fosse a causa del legame anidridico, in realtà non è così. La vera causa sta nella maggior stabilità dei prodotti rispetto ai reagenti. Quando idrolizziamo l’ATP otteniamo come prodotti

  • il gruppo fosfato
  • l’ADP

Il livello energetico di questi prodotti è molto più basso rispetto a quello delle molecole di partenza, quindi il salto energetico che si ha durante la reazione è molto alto perché si formano prodotti molto più stabili.
Nell’ATP troviamo cariche negative adiacenti che tendono a respingersi, ciò conferisce alla molecola una forte instabilità. Quando allontaniamo un gruppo fosforico, questo porta con sé due cariche negative e l’ADP che si forma è meno instabile perché diminuisce la repulsione negativa. Possiamo fare lo stesso discorso per la formazione di AMP dall’ADP, in questo caso la repulsione cala ulteriormente. Il gruppo fosfato che si forma dal distacco del Pγ è stabilizzato per risonanza (le cariche negative possono essere portate da diversi ossigeni, quindi esistono diverse forme isomeriche). L’acido fosforico e l’ADP stesso si trovano in un ambiente quasi neutro (pH tra 7 e 7.4), l’acido fosforico manda in soluzione dei protoni, visto che il mezzo è povero di ioni H+, questo per la legge di azione di massa facilita l’idrolisi dell’ATP. Riassumendo i motivi per cui l’ATP è una molecola energetica sono:

  • la minore repulsione tra cariche negative nell’ADP rispetto all’ATP, quindi la sua maggiore stabilità
  • la stabilizzazione per risonanza del gruppo fosfato
  • la dissociazione di ioni H+ da parte dell’acido fosforico che facilita l’idrolisi di ATP

L’ATP è in grado di formare tutti quei composti che hanno un ∆G°’ collocato al di sotto di quello dell’ATP. Viceversa per formare la nostra moneta energetica esistono 2 modi:

  • catena respiratoria con fosforilazione ossidativa:il trasferimento degli elettroni all’ossigeno libera una grande quantità di energia che viene utilizzata per formare ATP.
  • utilizzo dei composti che hanno un ∆G°’ più negativo rispetto a quello dell’ATP. Questi composti sono il fosfoenolpiruvato e l’1,3-bisfosfoglicerato e vengono anche chiamati “composti altamente energetici”, in quanto liberano le quantità di energia maggiori e soprattutto superiori all’ATP. La formazione di ATP da queste 2 molecole viene chiamata FOSFORILAZIONE A LIVELLO DEL SUBSTRATO.Questi 2 composti si formano durante il processo di glicolisi per ossidazione del glucosio.

1,3-BISFOSFOGLICERATO: costituito da una molecola di acido glicerico contenente 2 gruppi alcolici, uno in posizione 2 e uno in posizione 3. In posizione 3 il gruppo alcolico viene esterificato da quello fosforico. In questo legame, troviamo quindi un gruppo alcolico che si lega ad un fosfato, il legame in posizione 3 è identico a quello del glucosio-6-fosfato e non è altamente energetico. Il gruppo che viene rimosso ad alta energia è quello che si lega al gruppo carbossilico dell’acido 1,3-difosfoglicerico o 1,3-bisfosfoglicerato. E’ questo il gruppo che dà alta energia alla molecola. Se noi idrolizziamo la molecola e formiamo l’acido 3-fosfoglicerico la quantità di energia che otteniamo è molto alta: 14.8 kcal/mole, notevolmente più alta rispetto a quella dell’ATP. Non è il legame in sé che stabilisce l’alta energia, ma è la maggiore stabilità dei prodotti della reazione rispetto ai reagenti a determinarla. I prodotti sono più stabili perché:

  • il fosfato è stabilizzato per risonanza
  • il fosfato si dissocia liberando protoni nel mezzo, facilitando l’idrolisi della molecola
  • il fosfoglicerato è stabilizzato per risonanza (la carica negativa portata da un ossigeno viene distribuita equamente su entrambi gli ossigeni del carbossilato)

L’1,3-bisfosfoglicerato è utilizzato per ricaricare l’ADP, in quanto il fosfato che si separa dal composto si lega poi all’adenosina difosfato producendo ATP. La molecola non viene idrolizzata, ma si ha un passaggio del gruppo fosfato dalla molecola di partenza al prodotto finale. Dalla rottura del legame con il fosfato in posizione 1 si liberano 14.8 kcal/mole, per formare l’ATP ne servono 7.3, il resto viene liberato sotto forma di calore.

La reazione  è molto spostata verso destra, ma non è irreversibile, perché variando le concentrazioni dei reagenti rispetto ai prodotti si può anche tornare indietro. La reazione all’interno della cellula può diventare reversibile in quanto i prodotti, invece di essere accumulati vengono smaltiti molto velocemente.

L’altro composto altamente energetico è il fosfoenolpiruvato. Esso è costituito da un gruppo fosforico che si lega all’enolpiruvato. L’enolo è dato da un gruppo alcolico che si lega ad un carbonio legato a sua volta ad un altro carbonio attraverso un doppio legame. Quando si distacca il gruppo fosforico, che viene stabilizzato per risonanza e libera ioni H+, abbiamo una tautomeria chetoenolica tra il piruvato nella forma enolica e quello in forma chetonica. Anche questa molecola è usata per ricaricare l’ADP che diventa ATP. Questa reazione di distacco del fosfato avviene per idrolisi ed è irreversibile a differenza della precedente. E’ irreversibile perché viene liberata una grandissima quantità di energia. Questa è l’ultima tappa della glicolisi, catalizzata dall’enzima piruvato chinasi, per poter avvenire necessita del magnesio. Il prodotto della reazione è il piruvato o acido piruvico e viene liberata una grandissima quantità di energia.

FOSFOCREATINA: presente in abbondanza a livello muscolare rappresenta una forma di deposito di energia. Ha un ∆G°’ di idrolisi di -10.3kcal/mole, quando si distacca il gruppo fosforico, questo viene stabilizzato per risonanza. La creatina così formata è una molecola che porta una carica positiva che non rimane fissa su un azoto, ma viene delocalizzata sui 3 atomi di azoto presenti all’interno della molecola. Ancora una volta si ha la stabilizzazione del prodotto per risonanza.

Durante la contrazione intensa del muscolo si ha un grande consumo di ATP sintetizzato durante la fase di riposo. Così viene a formarsi l’ADP che rappresenta la forma scarica della nostra “moneta energetica”. La fosfocreatina presente all’interno del muscolo viene utilizzata per ricaricarlo. La fosfocreatina attua il passaggio del fosfato all’ADP, ciò è possibile perché il ∆G°’ della molecola è 10.3 e ce ne servono 7.3 per risintetizzare ATP. In un primo momento utilizziamo l’ATP che è presente nel muscolo, man mano che la contrazione procede, la fosforilazione ossidativa non sarebbe sufficiente o non abbastanza veloce per riformare la quantità di ATP di cui necessita il muscolo per continuare la contrazione. E’ molto più veloce il trasferimento di gruppi fosforici dalla fosfocreatina sull’ADP, il muscolo può quindi continuare a sostenere la contrazione. Quando questa cessa i processi ossidativi riforniscono attraverso la catena respiratoria il tessuto di ATP e si ritorna a costituire le scorte di fosfocreatina all’interno del tessuto.

Se creiamo un diagramma in cui inseriamo i livelli energetici delle diverse molecole possiamo dividerlo in 2 parti diverse. Al di sopra del livello dell’ATP troviamo i composti altamente energetici che liberano una quantità di energia sufficiente da permettere la sintesi di ATP. L’ATP invece può formare le molecole che si trovano al di sotto del suo livello energetico.

Anche altri nucleotidi hanno il valore di molecole energetiche, ma vengono utilizzati più limitatamente. I legami altamente energetici in posizione α, β e γ dell’ATP hanno lo stesso valore energetico negli altri nucleotidi.

L’UTP viene utilizzato per la sintesi dei polisaccaridi

Il GTP viene utilizzato per la sintesi delle proteine

Il CTP viene utilizzato per la sintesi dei lipidi

ATP + GTP + CTP + UTP servono per la sintesi di RNA

Sotto forma di deossiribonucleotidi, sostituendo il dUTP con la dTTP tutti e 4 servono per la sintesi di DNA.