Schema della Glicolisi

GLICOLISI

 La glicolisi è una via metabolica composta di dieci reazioni, per le quali partendo da una molecola di glucosio si ottengono due molecole di acido piruvico.
Essa costituisce la prima tappa di un processo che porta, durante e infine, alla formazione di energia sotto forma di ATP. In particolare nella glicolisi si producono in condizioni anaerobie 4 molecole di ATP, anche se due sono utilizzate come fonte di energia nelle prime tappe di attivazione. Da una molecola di glucosio tramite la glicolisi è possibile ricavare circa il 5% dell’energia totale, mentre il resto si ottiene tramite la respirazione cellulare.

Il glicogeno è un polimero del glucosio, che si trova soprattutto nel fegato e nei muscoli, esso ha un elevato peso molecolare (milioni di Dalton). Il glicogeno muscolare è funzionale alle richieste energetiche della fibrocellula muscolare. Nel fegato il glicogeno epatico ha una massa pari a 70 grammi, esso ha la funzione di mantenere la glicemia entro un intervallo di valori indispensabili per la vita. É fondamentale che tali valori di glucosio nel sangue si mantengano tra i 40 e i 100-110 mg per 100 ml di sangue (a digiuno), perché il carburante glucidico fornisce energia senza che venga coinvolta la fosforilazione ossidativa. Tale processo metabolico avviene a livello dei mitocondri.
Vi sono cellule, come per esempio quelle della midollare del rene, i linfociti, e altri tipi che possiedono pochi mitocondri in quanto non necessitano di un gran dispendio energetico, altre, come accade per gli eritrociti, non ne possiedono affatto e quindi sopravvivono utilizzando esclusivamente la glicolisi. Al di sotto dei 40 mg per 100 ml di sangue, si entra in coma, perché al cervello non arriva abbastanza glucosio. Il fabbisogno del cervello di glucosio non è assoluto, ma relativo, in quanto il esso può essere sostituito per un 50-60 % dai corpi chetonici.

La glicolisi avviene nel citoplasma (infatti tutti i suoi enzimi sono citoplasmatici). Dal punto di vista evolutivo rappresenta il modo più primitivo di ricavare energia. Essa iniziò ad essere operativa circa tre miliardi e 500 milioni di anni fa, quando le piante non erano ancora in grado di produrre ossigeno, e dunque non poteva avvenire la fosforilazione ossidativa. La glicolisi, infatti, può avvenire in ambiente anaerobico.

Dal glucosio a 6 atomi di carbonio, si producono due molecole di ATP e due di NADH (coenzima della maggior parte delle deidrogenasi). La via della respirazione cellulare non è obbligatoria, la cellula produce energia anche in condizioni anaerobie. Tutte le cellule utilizzano glucosio come fonte di energia, sia quelle che hanno i mitocondri sia quelle che non ce li hanno. Solo quelle che sono dotate di mitocondri, che nel nostro corpo sono la maggior parte, andranno incontro a fosforilazione ossidativa, le altre possono produrre energia solo tramite glicolisi anaerobia.

Se il piruvato entra nel mitocondrio viene convertito in acetil-CoA, un tioestere, che quando idrolizzato libera una gran quantità di energia. Esso si avvia al ciclo dell’acido citrico, che vede l’ossidazione del solo acetil, il CoA infatti è rilasciato nel mezzo. Infine abbiamo la respirazione cellulare che forma quattro molecole di CO2 e quattro d’acqua. Se manca l’ossigeno o mancano i mitocondri, le due molecole di piruvato servono a riossidare le due molecole di NADH, la cui disponibilità è limitata e la cui assenza non permette di proseguire il processo glicolitico.

La forma metabolicamente attiva del glucosio è il glucosio-6-fosfato, in cui l’OH del carbonio 6 forma un legame estereo con un fosfato che è messo a disposizione dall’ATP. Il glucosio-6-fosfato non può essere rilasciato dall’interno all’esterno della cellula, ma solo defosforilato a glucosio neutro, che può tornare in circolo, e fosfato inorganico (Pi). Quando la glicemia si abbassa il fegato rilascia glucosio neutro, non fosfato. Il glucosio-6-fosfato può essere prodotto dal glucosio-1-fosfato. Quando il glicogeno viene mobilizzato, perché si è abbassata la glicemia, esso e trasformato prima in glucosio-1-fosfato, poi reversibilmente in glucosio-6-fosfato. Il glucosio quando trasformato in glucosio-6-fosfato è come intrappolato e non può sottrarsi ai suoi destini.
Il glucosio non attraversa passivamente la membrana plasmatica della cellula che lo utilizza, ci sono dei trasportatori appositi. Per entrare o uscire il glucosio fa uso del trasporto facilitato.

Nel lume intestinale, vi sono:

  • polisaccaridi: amido, glicogeno
  • disaccaridi: lattosio, saccarosio
  • enzimi: amilasi, α-glucosidasi, lattasi, saccarasi

Le amilasi producono dei disaccaridi, quali il maltosio a due molecole di glucosio, il maltotrioso a tre molecole di glucosio e destrine limite che si formano a partire da polisaccaridi ramificati, cioè amilopectina nell’amido e nel glicogeno. Lattosio e saccarosio vengono idrolizzati da lattasi e saccarasi, per formare, galattosio, glucosio e fruttosio.
I monosaccaridi possono essere portati nella cellula che riveste la parete intestinale (enterocita), tramite trasportatori. In particolare per glucosio e galattosio vi è il sodium glucose transporter one, SGLT1. Esso utilizza il gradiente di concentrazione del sodio, maggiormente presente all’esterno dell’enterocita (in condizioni fisiologiche), come forza motrice in grado di spingere all’interno i monosaccaridi senza fare uso di ATP. L’SGLT1 lega per simporto o glucosio o galattosio e due ioni sodio per ogni molecola di monosaccaride. La concentrazione dei monosaccaridi nell’enterocita può essere maggiore (fino a dieci volte) rispetto a quella nel lume intestinale. Ora sodio e glucosio, o galattosio, si trovano nella cellula intestinale. Essi hanno necessità di uscire dall’estremità laterobasale per raggiungere il circolo sanguigno.
Il glucosio o galattosio escono tramite trasportatori (in parte per diffusione semplice in parte per trasporto facilitato). Glucosio, galattosio e fruttosio usano come trasportatore il GLUT2. Il sodio è espulso tramite trasporto attivo grazie alla pompa sodio-potassio. Essa vuole mantenere un equilibrio dinamico: una concentrazione maggiore del sodio fuori dalla cellula e una concentrazione del potassio maggiore all’interno della cellula.
Svolge un lavoro contro gradiente che utilizza energia, trasformando ATP in ADP e Pi, e il suo buon funzionamento è basilare per una corretta captazione del glucosio (quindi sostanzialmente l’ingresso del glucosio nella cellula costa energia). Il fruttosio a differenza di glucosio e galattosio entra solo in favore di gradiente di concentrazione e non contro (è molto importante ad esempio nel testicolo) grazie al trasportatore GLUT5.
Il trasportatore GLUT2 è presente sulla membrana plasmatica delle cellule epatiche. É la porta di ingresso e di uscita nell’epatocita del glucosio. Esso segnala iperglicemia, necessità di incamerare glucosio, oppure ipoglicemia, la necessità di mobilizzare il glucosio. Ciò che fa viaggiare il glucosio in un senso o nell’altro è il gradiente di concentrazione, ovvero la glicemia.

Il trasportatore GLUT4 è proprio del muscolo (anche del cuore), del tessuto adiposo (il glucosio è trasformato in triacilgliceroli). Esso è dipendente dall’insulina, dall’ipossia (nelle cellule muscolari la carenza di ossigeno limita le capacità ossidative della respirazione cellulare, a ciò si può fare fronte aumentando la glicolisi anaerobia), dalla dieta e dall’esercizio fisico (si può abbassare la glicemia anche con l’esercizio oltre che con l’insulina). L’insulina favorisce la captazione del glucosio nel muscolo, aumentando la sintesi dei trasportatori reclutandoli all’interno della cellula e portandoli sulla membrana plasmatica, quindi aumenta nel tempo il numero di molecole di glucosio che entrano.

Esaminiamo ora la dieci reazioni una per una:

 

I° Tappa

Il primo enzima della glicolisi è un enzima regolatore. É importante che lo sia perché così è possibile regolare fin dall’inizio il processo, cioè è possibile per i prodotti intermedi dello stesso intraprendere la via metabolica più utile. Esso è una chinasi.L’ OH legato al carbonio 6 del glucosio neutro è esterificato con un fosfato (o fosforilato) messo a disposizione dell’ATP che diventa ADP. L’ATP chela sempre uno ione magnesio Mg2+. Questa è considerata la prima tappa della glicolisi, ma è in realtà la prima tappa di utilizzazione del glucosio, cioè il glucosio-6-fosfato è quella forma metabolicamente attiva del glucosio da cui si parte sempre se lo si vuole utilizzare. Questa è una tappa irreversibile, nelle condizioni cellulari non si arriva mai a fare tornare indietro la reazione. Non è esatto dire che una reazione è irreversibile in assoluto. Come faccio a fare tornare indietro una reazione irreversibile (ΔG01 < 0), la cui inversa è sfavorevole (ΔG01 > 0)? Aumentando il prodotto e diminuendo il reagente. Ma nelle condizioni cellulari non si raggiunge mai una concentrazione di prodotto atta a fare tornare indietro la reazione. Ecco che le reazioni irreversibili possono essere considerate come reazioni regolatrici.

 

Esochinasi e Glucochinasi

Le esochinasi sono una classe di enzimi presenti in tutti i tipi di cellula, ma hanno caratteristiche cinetiche diverse nei vari tessuti. É la esochinasi del fegato che è chiamata glucochinasi. Esochinasi è chiamata soprattutto quella del muscolo. La differenza sta nel valore di Km (costante di Michaelis-Menten), cioè la concentrazione di glucosio che corrisponde a metà della Vmax (indicatore di affinità per il substrato) dell’enzima. Quella della esochinasi è pari a 0,1 mM, mentre quella epatica è 100 volte maggiore. Perciò l’enzima epatico è cento volte meno affine al glucosio rispetto a quello muscolare. Ciò significa che l’enzima muscolare entra in funzione molto presto quando aumenta la glicemia, cioè per concentrazioni ematiche di glucosio molto basse. L’enzima cattura, consumando ATP, il glucosio trasformandolo in glucosio-6-fosfato. La massa muscolare dell’organismo umano è 18 chili, è molta. Un enzima che interviene quando la glicemia è molto bassa rischia di abbassarla ulteriormente. Ciò è pericoloso, ed è per questo che un accumulo di glucosio-6-fosfato inibisce la esochinasi muscolare.

La glucochinasi epatica interviene solo quando le concentrazioni di glucosio ematico sono molto alte. Le concentrazioni di glucosio ematico a digiuno sono tra 5 e 10 mM. L’enzima muscolare, a queste concentrazioni, è saturo, lavora alla velocità massima. Per raggiungere la velocità massima con l’enzima del fegato ci vuole il glucosio alla concentrazione di 10 mM, cioè fino a che non si raggiunge questa concentrazione di glucosio non si ha una fosforilazione particolarmente efficiente del glucosio epatico. La glucocinasi è soggetta a una regolazione genica da parte di insulina, che attiva l’espressione del gene della glucocinasi, e da parte del glucagone che invece inibisce l’espressione del gene.

 

II° Tappa:

 Isomerizzazione del glucosio-6-fosfato in fruttosio-6-fosfato. Questa è una reazione reversibile, catalizzata dalla fosfoglucosio isomerasi.

  

III° Tappa:

Questa è la cosiddetta tappa battistrada o di impegno, poiché una volta raggiunto questo punto la glicolisi procede senza rischio di deviazione, i metaboliti intermedi presenti nel citoplasma, infatti, potrebbero intraprendere indirizzi differenti. É una tappa questa su cui si esercita il maggiore controllo:

  • regolazione allosterica
  • regolazione covalente
  • meccanismo di regolazione che prevede l’esistenza di enzimi che nell’evoluzione si sono differenziati per il controllo di questa attività

Anche questa tappa è irreversibile. É catalizzata dalla fosfofruttochinasi detta anche PFK1 (esiste anche una PFK2). A questo punto il consumo di molecole di ATP è pari a due, una a livello della esochinasi (prima tappa) e una qui, sempre accompagnata da Mg2+. Il prodotto della reazione è un fruttosio-1,6-bisfosfato.

 

IV° Tappa:

Il fruttosio-1,6-bisfosfato è spezzato in due da una aldolasi, quindi si formano i due zuccheri triosi: il diidrossiacetonfosfato e la gliceraldeide-3-fosfato. La reazione consiste in una scissione aldolica che è il contrario di una condensazione aldolica. Tra i due triosi c’è un enzima che catalizza la trasformazione reversibile di uno nell’altro. La triosofosfato isomerasi catalizza una reazione che è favorita in questo senso: dalla gliceraldeide-3-fosfato al diidrossiacetonfosfato (ΔG01 < 0 e pari a -7 Kj /mole), ed ha invece un ΔG positivo nel senso opposto (dall’idrossiacetonefosfato alla gliceraldeide). Nonostante ciò la glicolisi prosegue con la gliceraldeide, l’enzima che catalizza la reazione successiva, cioè, ha per substrato la gliceraldeide. Ciò è possibile in ambiente cellulare, dove il ΔG della reazione diidrossiacetonfosfato-gliceraldeide diviene negativo, perchè il prodotto della reazione è immediatamente sottratto.

Le reazioni precedenti facevano parte della FASE PREPARATORIA: attivazione del substrato con consumo di 2 ATP e sua scissione in 2 triosi, entriamo ora nella FASE DI RECUPERO ENERGETICO, in cui avvengono le reazioni che portano alla sintesi di 4 ATP e potere riducente (NADH + H+).

 

VI° Tappa:

OSSIDAZIONE DELLA GLICERALDEIDE-3-FOSFATO

La gliceraldeide-3-fosfato va incontro a un processo ossidativo catalizzato dalla Gliceraldeide3-fosfato deidrogenasi (NAD+ dipendente), che asporta due idrogeni dal substrato e trasferisce uno ione H+ e 2e- (uno ione idruro) sul NAD+ (che perciò si riduce a NADH) e rilascia l’ H+ rimanente nel mezzo. Tra i substrati troviamo anche il Pi (fosfato inorganico). La reazione produce l’1,3-DPG. Si forma, grazie all’energia fornita dall’ossidazione, un’anidride mista a livello del carbossile (prodotto per ossidazione dell’aldeide). Questo è un legame ad alta energia, che se scisso libera prodotti con livello energetico molto più basso rispetto a quello del reagente. Importante per la catalisi è il tiolo (residuo attivo) di una cisteina che si trova nel sito attivo dell’enzima. Questa reazione è reversibile, quindi questo enzima non è regolatore delle via. Infatti le tappe reversibili della glicolisi le troviamo a ritroso nella gluconeogenesi. Quest’ultima avviene soprattutto nel fegato e permette di produrre glucosio a partire da composti non glucidici e che utilizza proprio le tre tappe irreversibili della glicolisi:

  • in caso di digiuno (ipoglicemia) gli epatociti, stimolati dal glucagone (ormone peptidico, di 29 amminoacidi, a unica catena, con recettori specifici su epatociti e adipociti) prodotto dalle cellule a delle isole di Langherans, attuano la glicogenolisi ottenendo glucosio (a partire da glucosio-6-fosfato) che va in circolo
  • in caso di digiuno prolungato, quando le riserve di glicogeno terminano, la gluconeogenesi utilizza:
    • amminoacidi
    • glicerolo (derivante dalla mobilizzazione dei trigliceridi)
    • lattato

Le tre reazioni irreversibili che la gluconeogenesi devia sono quelle catalizzate da enzimi regolatori della via glicolitica:

  • glucochinasi
  • PFK-1
  • piruvatochinasi

 

NAD+ : NICOTINAMIDE- ADENIN-DINUCLEOTIDE

è un coenzima costituito da due nucleotidi:

  1. AMP (nel NADP+ il carbonio 2 del ribosio è fosforilato)
  2. NMN (nucleotide privo di base azotata, al posto della quale vi è un derivato della piridina/derivato della niacina/acido nicotinico/vitamina PP): la nicotinamide, che lega uno ione idruro ed è la parte attiva della molecola)

Sia acido nicotinico (niacina), sia nicotinamide (niacinamide) hanno ruolo attivo nel funzionamento del NAD+/NADP+. L’acido nicotinico si trova prevalentemente nei vegetali, la nicotinamide soprattutto negli organismi animali (fegato, muscolo, ed è molto resistente al calore).

Il NADH può venire:

  • (in presenza di O2) riossidato a livello della catena respiratoria con sintesi di ATP
  • (in condizioni anaerobie) riossidato dalla lattato deidrogenasi fornendo NAD+ per ulteriori processi glicolitici (ciò avviene ad esempio negli eritrociti):

2 Piruvato + 2NADH + 2H+ → 2 Lattato + 2NAD+

 

VII° Tappa:

TRASFERIMENTO DEL GRUPPO FOSFATO DALL’ 1,3-DIFOSFOGLICERATO ALL’ADP

in presenza di Mg2+ la fosfogliceratochinasi trasferisce il gruppo fosfato dell’1,3-DPG (scindendone il legame ad alta energia) sull’ADP. Si ottengono così 2 molecole di 3-PG e 2 ATP per ogni molecola di glucosio catabolizzata. Questa reazione è esorgonica ed è la PRIMA FOSFORILAZIONE A LIVELLO DI SUBSTRATO che troviamo nella glicolisi.

Ora abbiamo recuperato i 2 ATP utilizzati nella fase preparatoria.

 

VIII° Tappa:

CONVERSIONE DEL 3-FOSFOGLICERATO IN 2-FOSFOGLICERATO

la fosfogliceratomutasi trasferisce il gruppo fosfato del 3-PG dal C3 al C2, si forma così 2-PG.

È una reazione reversibile. Nel sito attivo dell’enzima vi è un’ istidina che partecipa nel trasferimento appena citato. Durante questo processo si forma un importantissimo intermedio: il 2,3-BPG!

 

IX° Tappa:

DISIDRATAZIONE DEL 2-FOSFOGLICERATO A FOSFOENOLPIRUVATO

disidratazione del 2-PG (molecola non ad alta energia) a PEP (fosfoenolpiruvato, molecola ad alta energia), catalizzata dall’enolasi. Reazione leggermente endorgonica.

 

X° Tappa:

TRASFERIMENTO DEL GRUPPO FOSFATO DAL FOSFOENOLPIRUVATO ALL’ADP

reazione catalizzata dalla piruvatochinasi, non reversibile, termodinamicamente favorita infatti il ∆G°’ del fosfoenolpiruvato è maggiore del ∆G°’ dell’idrolisi dell’ATP. Inoltre è irreversibile in quanto il livello energetico del fosfoenolpiruvato è maggiore del livello energetico del piruvato che è stabilizzato dalla tautomeria chetoenolica.

Perciò la glicolisi produce in tutto 2 ATP e 2 NADH + 2H+.

Il ∆G°’ di alcune reazioni è maggiore di 0, quindi alcune reazioni sono sfavorite. Ma la cosa importante è che il ∆G, che tiene conto delle condizioni REALI (soprattutto della concentrazione di reagenti e di prodotti), sia sempre NEGATIVO in tutte le reazioni dei processi metabolici, la glicolisi per prima! Se anche solo una delle reazioni dovesse avere un ∆G positivo, la sequenza metabolica si bloccherebbe!

 

REGOLAZIONE DELLA GLICOLISI

esocinasi

  • regolazione GENICA (solo negli epatociti):
    • l’insulina (ormone anabolizzante) induce l’espressione del gene dell’esocinasi
    • il glucagone inibisce l’espressione del gene dell’esocinasi

insulina e glucagone agiscono opponendosi l’uno all’altro

La glucocinasi (GK) si può trovare inattiva nel nucleo dell’epatocita legata alla Regolatoring Protein (complesso GK-RP), perciò la regolazione di questo enzima avviene soltanto nel fegato. Quando la glicemia è alta, il glucosio stesso favorisce l’uscita della glucocinasi dal nucleo ed il suo sganciamento dalla Regulatoring Protein. La glucocinasi diventa perciò attiva e può iniziare la glicolisi. Elevate concentrazioni di fruttosio-6-fosfato (intermedio della glicolisi), invece, indicano la necessità di bloccare il catabolismo di glucosio. Il fruttosio-6-fosfato agisce provocando il trasferimento della glucocinasi attiva nel nucleo, dove questa si lega nuovamente al complesso GKRP e diventa inattiva.

  • Regolazione ALLOSTERICA:
    • l’esocinasi extraepatica è inibita dal suo stesso prodotto, il glucosio-6-fosfato
    • la PFK-1 possiede come modulatori allosterici positivi l’AMP, Pi e l’ADP, mentre i modulatori allosterici negativi sono l’ATP, il citrato e gli ioni H+ (derivanti dalla dissociazione dell’acido lattico a pH cellulare)
    • la piruvato chinasi possiede come modulatore allosterico positivo il fruttosio-1,6-bisfosfato, e come modulatore allosterico negativo l’ATP e l’alanina, in equilibrio col piruvato a causa delle transaminazioni: l’NH2 dell’alanina viene trasferito su un a-chetoacido (a-chetoglutarato), si ottiene così glucosio e l’a-chetoacido corrispondente dell’amminoacido di partenza: il piruvato. Questi processi sono reversibili. L’alanina perciò ha significato di composto che può portare piruvato, essa provoca l’aumento di concentrazione del prodotto della piruvato chinasi e quindi ne è un modulatore allosterico negativo.