La Glicolisi

Salve a tutti!

Per quanto mi sarà possibile, cercherò di spiegare al meglio il fenomeno della glicolisi ed una semplicistica versione della sua regolazione.

Piccola premessa: so di non sapere tutto, potrei anche sbagliare e farlo clamorosamente, ma non mi dispiaccio delle critiche costruttive, anzi! Queste potranno aiutarmi nel mio studio! Quindi grazie a chiunque leggerà quanto sto per scrivere!

LA GLICOLISI

La glicolisi è la principale (o unica) fonte di energia per un gran numero di tessuti (umani e non), energia che si ottiene dal glucosio (e come poi si vedrà, anche da altri zuccheri, il cui metabolismo però può avere ulteriori passaggi) il quale viene convertito in ATP (AdenosinTriPhosphate) e NADH (Nicotinamide Adenine Dinucleotide in forma ridotta, H); il risultato finale del processo sono 2 molecole di piruvato, a 3 atomi di C, le quali prenderanno la loro strada per altre parti del metabolismo (sia anabolismo che catabolismo). Ovviamente potrò trattare solo della parte umana!

La glicolisi può essere divisa in due parti: la prima è la fase preparatoria, la seconda è la fase di recupero energetico. Prima di inoltrarsi nella sequela di steps di demolizione del glucosio (Glc, per comodità), sarebbe meglio spendere qualche parola per parlare del trasporto del Glc nelle cellule.

I trasportatori del Glc sulla membrana cellulare si chiamano GLUT, e sono leggermenti diversi in base al tessuto:

GLUT1 --> Ubiquitario

GLUT2 --> Fegato, intestino, isole di Langherans del pancreas

GLUT3 --> Cervello (neuroni)

GLUT4 --> Muscolo, miocardio, tessuto adiposo

GLUT5 --> Intestino, rene, testicoli, sperma (spermatozoi)

ecc... fino a GLUT12.

Essi sono proteine transmembrana con diverse strutture (penso, non ho informazioni sulle singole strutture, ma penso siano simili) le cui funzioni possono variare leggermente. Prendiamo per esempio il GLUT1, presente anche sulla membrana eritrocitaria (glubuli rossi), è una proteina integrale di membrana di circa 45000 Da, con 12 segmenti idrofobici, ognuno con un segmento ad alfa-elica; la sua struttura non è ancora ben chiara (2006), ma si presuppone che l'associazione lato-lato di alcune eliche possa formare un canale transmembrana rivestito con catene laterali idrofiliche (degli amminoacidi, ovviamente), che possono quindi formare legami ad idrogeno con la molecola di Glc mentre essa si muove.

Per comodità, questo evento va immaginato come una reazione enzimatica, reazione in cui però i prodotti ed i reagenti non hanno differenze di stabilità (infatti non si rompono o formano legami), esso quindi sarà completamente reversibile. Lo scopo di GLUT è infatti quello di velocizzare (come un enzima) la velocità della "reazione", cioè la velocità per cui si arriva al punto di equilibrio, in cui la velocità di entrata è uguale a quella di uscita. In parole povere, più la concentrazione del Glc esterno alla cellula è alta, più la velocità di ingresso tenderà alla velocità massima alla quale l'enzima può lavorare; nel sangue la concentrazione media di Glc è circa 4,5-5 mM, il chè rende il trasportatore quasi sempre saturo e molto vicino alla sua velocità massima. Interessante notare come GLUT sia specifico per il D-glucosio, ovvero che abbia bisogno di una concentrazione bassa di D-Glc (Kt = 1.5 mM) per lavorare ad alte velocità, al contrario per esempio di D-mannosio (20 mM), D-galattosio (30 mM) e L-Glucosio (ben 3000 mM!).

GLUT2 nell'epatocita, trasporta il Glc, derivante dalla demolizione del glicogeno, nel sangue (kt = 66 mM), infatti esso può facilmente rispondere a cambiamenti di concentrazione di Glc intracellulare; GLUT4 in muscolo e tessuto adiposo (kt = 5 mM), si distingue dagli altri in quanto il suo funzionamento è dipendente e stimolato dall'insulina, la quale segnala una gran quantita di Glc nel sangue, incrementandone l'assunzione tissutale*.

*Ammetto come sia difficile entrare nel merito della questione senza un'infarinatura di cinetica enzimatica, vi prego di perdonarmi, ma cerco di parlarne senza tirar fuori Michaelis-Menten e compagni vari .

IL GLUCOSIO

Il glucosio è un monosaccaride, un aldosio (ovvero con un gruppo aldeidico), con formula, rispettivamente, aperta e ciclica (in realtà trattasi di emiacetale, in quanto il C1 aldeidico reagisce con il gruppo ossidrilico del C5, dando quindi un piranosio, anello a 6 atomi di C):

D-Glucosio lineare Alfa- e beta-D-Glucosio, ciclico.

INTERMEDI FOSFORILATI, LA LORO IMPORTANZA

Nella glicolisi tutti i nove intermedi di reazione, compresi fra Glc e piruvato, risultano essere fosforilati, e ciò per tre motivi principali:

1- La membrana cellulare non presenta trasportatori per zuccheri fosforilati, quindi gli intermedi non posso fuoriuscire dalla cellula causando problemi, ed al tempo stesso non è necessario spendere energia per tenerli all'interno, pur essendo in concentrazione maggiore all'interno rispetto all'esterno;

2- I gruppi fosforici sono importantissimi nel conservare l'energia tramite i loro legami, che sono legami fosfoestere (come nell'ATP). I composti fosforilati ad alta energia infatti donano i loro gruppi fosforici all'ADP, formando ATP;

3- Il legame del gruppo fosforico all'enzima aiuta ad abbassare l'energia di attivazione della reazione catalizzata ed aumenta la specificità della stessa. Importante, per esempio, è la stabilizzazione dei gruppi fosforici di ATP ed ADP tramite ioni Mg2+, che aiuta a stabilizzare gli intermedi di reazione nel sito attivo dell'enzima.

Fase Preparatoria

Nella fase preparatoria della glicolisi si richiede l'investimento preventivo di due molecole di ATP, grazie alle quali il Glc viene scisso in due molecole di triosi fosfato; le reazioni sono citoplasmatiche.

1

Nella prima tappa il Glc viene attivato tramite fosforilazione portando a Glc-6-fosfato: tramite una reazione irreversibile catalizzata dall'enzima esochinasi, un gruppo fosforico viene trasferito dall'ATP al substrato (Glc, ma può anche fosforilare D-fruttosio e D-mannosio).

L'esochinasi è un enzima dell'ordine delle "chinasi", ovvero tutti quegli enzimi che trasferiscono un gruppo fosfato dall'ATP ad un accettore nucleofilo, sottoclasse delle "transferasi", necessita dello ione Mg2+ che stabilizza l'ATP; grazie al legame con un esosio, l'enzima subisce una modificazione conformazionale (adattamento indotto) che permette l'avvicinamento dell'ATP al Glc ed impedisce l'entrata di H2O, che idrolizzerebbe i legami fosfoanidridici. Esistono diverse forme di esochinasi, tessuto-dipendenti: molto importante è l'esochinasi IV o glucochinasi, presente negli epatociti, si distingue per una diversa regolazione (da parte del prodotto) ed attività.

ΔG’° = -16.7 kJ/mole

Dove questa cifra indica una reazione che produce energia (esoergonica), in questo caso conservata nel legame del gruppo fosforico; questa tappa è molto importante, in quanto è uno dei punti che fissa il destino del glucosio (la reazione non è infatti reversibile, richiederebbe anche molta energia).

2

Nella seconda tappa, avviene la conversione del Glc-6-fosfato a Fruttosio 6-fosfato: l'enzima fosfoesosio isomerasi catalizza la reazione, che è reversibile e fondamentale per la tappa successiva, quindi per permettere l'attacco di un gruppo fosforico sul C1, il gruppo aldeidico va ridotto ad alcolico.

ΔG’° = -1.7 kJ/mole

Come potete notare, visto il piccolo sbalzo di energia, la reazione risulta reversibile.

Questo è il meccanismo di reazione enzimatico.

3

Nella terza tappa si ha il secondo punto di innesco della glicolisi, ovvero il traferimento di un gruppo fosfato dall'ATP al Fru-6-P, reazione catalizzata dalla fosfofruttochinasi-I (PFK-I) (enzima chiave della glicolisi), ed è effettivamente la prima tappa "di regolazione" della glicolisi, infatti dopo questo punto il prodotto potrà solo proseguire nella glicolisi; il prodotto della reazione irreversibile è il fruttosio 1,6-bisfosfato.

Questo enzima chiave della glicolisi è uno dei più complessi fino ad ora scoperti, e la sua attività viene attivata da grandi concentrazioni di AMP e ADP (specie il primo), mentre è inibito da grandi quantità di ATP, specialmente quando deriva dalla demolizione di altre molecole, come gli acidi grassi.

ΔG’° = -14.2 kJ/mole

Anche qui un alto valore negativo del delta G giustifica l'irreversibilità della reazione; l'energia è ancora una volta conservata nel legame col gruppo fosforico.

4

Nella quarta tappa il fruttosio 1,6-bisfosfato viene scisso in diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide 3-fosfato grazie all'enzima aldolasi (detto fruttosio 1,6-bisfosfato aldolasi), che catalizza una condensanzione aldolica. L'aldolasi di tipo I (quella presente negli animali), catalizza una reazione con un alto delta G positivo, ma che rimane reversibile, poichè nelle condizioni cellulari di concentrazione dei reagenti la variazione di energia libera è piccola.

ΔG’° = 23.8 kJ/mole

Questo è il meccanismo di reazione: come si può notare, come intermedio si può trovare una base di Schiff, mentre le aldolasi di classe II usano ioni Zn2+ che stabilizzano l'intermedio enolato, senza base di Schiff.

5

Nell'ultima tappa della fase preparatoria, il diidrossiacetone fosfato deve essere convertito in gliceraldeide 3-fosfato, poichè solo questa molecola può entrare nelle successive tappe della glicolisi; da questo momento tutti i prodotti ed i reagenti vanno conteggiati con il doppio delle quantità indicate (con la tappa successiva, si formano 2 molecole di gliceraldeide 3-fosfato e non una sola). L'enzima che catalizza questa reazione è la triosio fosfato isomerasi, che opera con un meccanismo simile a quello della fosfoesosio isomerasi, rendendo effettivamente tutti e 6 gli atomi del glucosio disponibili per il metabolismo.

ΔG’° = 7.5 kJ/mole

La reazione è reversibile.

Alla fine di questa fase, facendo i dovuti calcoli, si ottiene:

ΔG’° = [(-16.7) + (-1.7) + (-14.2) + (23.8) + (7.5)], quindi

ΔG’° = -1.3 kJ/mole

Fase di Recupero

In questa seconda fase ci troviamo con due molecole di gliceraldeide 3-fosfato che dovranno essere trasformate in 2 molecole di piruvato con conseguente produzione di 4 molecole di ATP (2 per ogni molecola demolita di gliceraldeide) e 2 NADH, i quali poi andranno a finire nella catena respiratoria mitocondriale, che porterà alla formazione di altre molecole di ATP; per comodità, considererò solo una molecola di gliceraldeide, quindi bisogna tenere a mente che il tutto va moltiplicato per 2.

6

Nella sesta tappa totale, la gliceraldeide 3-fosfato viene ossidata e fosforilata a 1,3-bisfosfoglicerato. Questa è in pratica la prima delle due reazioni in cui si ha conservazione dell'energia sottoforma di NADH: l'enzima che catalizza questa reazione è la gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi, un suo cofattore è il NAD+ (NADH ossidato), l'accettore di protoni che si formano durante la reazione; tuttavia, il NAD usato è solo uno, quindi l'altro H+ generato (guardare il meccanismo) viene mandato in soluzione. Nella fattispecie, la gliceraldeide si lega covalentemente all'enzima, ed il suo gruppo aldeidico va a reagire col residuo di una cisteina (-SH) con formazione di un tioemiacetale; in questi casi un forte inibitore (non fisiologico) dell'enzima è lo ione Hg2+, che blocca il residuo di cisteina. Le cellulle hanno una quantità limitata di NADH, la cui mancanza potrebbe bloccare la glicolisi se non ci fosse una continua riossidazione.

ΔG’° = 6.3 kJ/mole

Questo è il meccanismo di reazione dell'enzima.

7

Nella settima tappa si ha trasferimento di un gruppo fosforico all'ADP con formazione di una molecola di ATP ed una di 3-fosfoglicerato; questa reazione è catalizzata dalla fosfoglicerato chinasi (prende il nome dalla reazione opposta, essa infatti è reversibile). Importante notare come le tappe 6 e 7 costituiscano un processo di accoppiamento energetico, la cui reazione complessiva è decisamente esoergonica.

ΔG’° = -18.5 kJ/mole

8

Nell'ottava tappa, il 3-fosfoglicerato viene convertito in 2-fosfoglicerato tramite la catalisi operata dalla fosfoglicerato mutasi. Questa reazione è importante poichè ha come intermedio una molecola, il 2,3-bisfosfoglicerato, molto importante non solo per la glicolisi, ma anche perchè esso rappresenta un fattore di regolazione dell'affinità per l'ossigeno dell'emoglobina, è infatti prensente in buona quantità negli eritrociti (circa 5 mM).

L'enzima presenta un gruppo fosforico nel suo sito attivo (residuo di istidina), che viene quindi trasferito sul C2 del 3-fosfoglicerato, formando 2,3-bisfosfoglicerato; successivamente il gruppo fosforico sul C3 viene trasferito direttamente all'enzima, rigenerandolo.

ΔG’° = 4.4 kJ/mole

Questo è il meccanismo enzimatico.

9

Nella nona tappa il 2-fosfoglicerato viene disidratato in fosfoenolpiruvato grazie all'enzima enolasi. Pur avendo una variazione di energia modesta, c'è una grande differenza di energia libera di idrolisi dei due gruppi fosfato, infatti il reagente ha ΔG’° = -17.6 kJ/mole nel suo legame, il prodotto invece ΔG’° = -61.9 kJ/mole: il risultato è una ridistribuzione dell'energia nella molecola, infatti l'energia totale è sempre la stessa, ma con la perdita di una molecola di H2O il legame fosforico subisce un aumento. La reazione è reversibile.

ΔG’° = 7,5 kJ/mole

Ecco il meccanismo enzimatico dell'enolasi.

10

Nell'ultima tappa (che poi, ultima non è...) della glicolisivi è il trasferimento del gruppo fosforico dal fosfoenolpiruvato all'ADP, catalizzato dalla piruvato chinasi, reazione che può utilizzare diversi cationi, come K+, Mg2+ o Mn2+. In questa reazione c'è una fosforilazione a livello del substrato che porta ad un prodotto in forma enolica (enolpiruvato), che però tautomerizza molto rapidamente senza intervento enzimatico nella forma chetonica (piruvato), che prevale a pH 7. Dal punto di vista energetico il piruvato conserva solo -31.4 kJ/mole di energia libera rispetto ai -61.9 kJ/mole del fosfoenolpiruvato: la parte mancante è servita per formare una molecola di ATP (l'energia è infatti andata a finire nel suo legame fosfoanidridico); la reazione nell'ambiente cellulare è fondamentalmente irreversibile.

ΔG’° = -31.4 kJ/mole

Ed ecco la tautomerizzazione.

GLICOLISI: Bilancio Energetico

Con la fine della glicolisi (ma NON dello sfruttamento dell'energia totale del glucosio, poichè il piruvato può essere ancora utilizzato) si avrà un guadagno energetico (in condizioni fisiologiche), con la produzione di 2 molecole di ATP e 2 di Piruvato, più 2 di NADH; Si può descrivere l'equazione come

Glc + 2ATP + 2NAD+ + 4ADP + 2Pi ---> 2Piruvato + 2ADP + 2NADH + 2H+ + 4ATP + 2H2O

Da cui si può ottenere facilmente per semplificazione l'equazione complessiva della glicolisi in condizioni aerobie:

Glc + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi ---> 2Piruvato + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O

Che in termini di energia libera si può tradurre in:

Glc + 2NAD+ ---> 2Piruvato + 2NADH + 2H+ con ΔG’°1 = -146 kJ/mole (conversione esoergonica del Glc in piruvato)

2ADP + 2Pi ---> 2ATP + 2H2O con ΔG’°2 = 61 kJ/mole (formazione endoergonica di ATP da ADP e fosfato inorganico)

Ed in totale risulta ΔG’° = -85 kJ/mole

PS: Piccola nota finale, vorrei far notare che la glicolisi non è un metabolismo separato, da immaginare come lineare e/o automatico, ma deve essere visto come un processo dinamico, influenzato da alimentazione, ormoni, farmaci, ecc... Ma anche dagli altri "metabolismi", come quello degli acidi grassi o degli amminoacidi, con cui va ad intrecciarsi, senza poi dimenticare anche l'anabolismo del glucosio (la gluconeogenesi, che da piruvato porta a Glc) o del glicogeno, ecc... Nel solo metabolismo dei carboidrati ci sono innumerevoli vie, sia cataboliche (demolitive) che anaboliche (costruttive), quindi non va falsamente considerato come "semplice"

Intendo inserire qui anche uno dei destini del piruvato, perchè, oltre ad essere molto breve ma importante, risulta fondamentale per la riossidazione del NADH in NAD+ nei tessuti e nelle cellule che usano la fermentazione lattica (pursempre nell'ambito umano) in condizioni di anaerobiosi; in questa semplice reazione il piruvato accetta gli elettroni del NADH rigenerando NAD+ e producendo L-lattato. Gli eritrociti possono attuare la fermentazione lattica anche in condizioni aerobiche.

ΔG’° = -25.1 kJ/mole

L'enzima deputato è la lattato deidrogenasi, che a pH 7 forma l'isomero L dell'acido lattico; questo enzima esiste in diverse forme:

-LDH1 --> Miocardio, eritrociti

-LDH2 --> Miocardio, eritrociti, pancreas, muscolo scheletrico, corteccia renale, polmone

-LDH3 --> Muscolo scheletrico, polmone, pancreas, placenta

-LDH4 --> Midollare renale, muscolo scheletrico, polmone e placenta

-LDH5 --> Muscolo, fegato

A questo punto la reazione permette il recupero totale dei NADH prodotti (ricordate, nella fase di recupero da ogni Glc si ottengono 2 molecole di gliceraldeide 3-fosfato), mentre il lattato prodotto viaggia nel sangue fino al fegato, dove viene riutilizzato per produrre glucosio tramite una serie di reazioni nota come GLUCONEOGENESI.

FRUTTOSIO E GLICOLISI

Nella glicolisi può entrare un qualsiesi altro esosio, ovviamente dopo essere stato fosforilato: in questo caso parlerò del D-fruttosio (Fru). Il fruttosio è un chetozucchero furanosico, quindi simile all'anello del furano, presente in molta frutta, nel miele, ed ovviamente nei prodotti industriali (monomero del saccarosio, insieme al Glc).

D-Fruttosio lineare Alfa-D-Fruttosio ciclico

1- Nel muscolo e nel rene il fruttosio viene semplicemente fosforilato dall'esochinasi, così come avviene per il Glc, dopo previa assunzione dal flusso sanguigno.

Fruttosio 6-Fosfato

2- Nel fegato invece Fru viene fatto entrare nella glicolisi in un altro modo: grazie all'enzima fruttochinasi, Fru viene fosforilato sul C1 e non sul C6, formando quindi fruttosio 1-fosfato (cofattore Mg2+), il quale, successivamente, è scisso in diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide dalla fruttosio 1-fosfato aldolasi; entrambi questi due prodotti verranno poi convertiti in gliceraldeide 3-fosfato, il primo come nella comune glicolisi, il secondo grazie alla triosio chinasi, una molecola di ATP ed il cofattore Mg2+.

Dopo queste reazioni, la glicolisi continua normalmente, come descritto.

NB: Non ho purtroppo notizie certe sulla questione energetica, non intendo per ora scrivere niente.