GLICOLISI: FUNZIONI, ENZIMI, FASI, PRODOTTI, IMPORTANZA - BIOLOGIA - 2025

La glicolisi o glicolisi è la via principale del catabolismo del glucosio, il cui scopo ultimo è generare energia sotto forma di ATP e ridurre la potenza sotto forma di NADH, da questo carboidrato.

Questo percorso, completamente chiarito negli anni '30 da Gustav Embden e Otto Meyerhof durante lo studio del consumo di glucosio nelle cellule del muscolo scheletrico, consiste nella completa ossidazione di questo monosaccaride e, di per sé, rappresenta una via anaerobica per il ottenere energia.

Struttura molecolare dell'ATP, uno dei prodotti glicolitici (Riepilogo del percorso glicolitico (Fonte: Tekks su Wikipedia in inglese / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) tramite Wikimedia Commons) via Wikimedia Commons)

È una delle principali vie metaboliche, poiché si verifica, con le sue differenze, in tutti gli organismi viventi esistenti, unicellulari o multicellulari, procarioti o eucarioti, e si pensa che sia una catena di reazioni che è evolutivamente altamente conservata in natura.

In effetti, ci sono alcuni organismi e tipi di cellule che dipendono esclusivamente da questo percorso per sopravvivere.

In primo luogo, la glicolisi consiste nell'ossidazione del glucosio, di 6 atomi di carbonio, a piruvato, che ha tre atomi di carbonio; con la concomitante produzione di ATP e NADH, utili per le cellule dal punto di vista metabolico e sintetico.

Nelle cellule in grado di processare ulteriormente i prodotti ottenuti dal catabolismo del glucosio, la glicolisi termina con la produzione di anidride carbonica e acqua attraverso il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni (glicolisi aerobica).

Dieci reazioni enzimatiche avvengono nel corso della via glicolitica e, sebbene la regolazione di queste reazioni possa essere leggermente diversa da specie a specie, anche i meccanismi regolatori sono abbastanza conservati.

Funzioni della glicolisi

Da un punto di vista metabolico, il glucosio è uno dei carboidrati più importanti per tutti gli esseri viventi.

È una molecola stabile e molto solubile, quindi può essere trasportata con relativa facilità in tutto il corpo di un animale o di una pianta, da dove viene immagazzinata e / o ottenuta a dove è necessaria come combustibile cellulare.

Struttura del glucosio (Fonte: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) tramite Wikimedia Commons)

L'energia chimica contenuta nel glucosio viene sfruttata dalle cellule viventi attraverso la glicolisi, che consiste in una serie di passaggi altamente controllati attraverso i quali l'energia rilasciata dall'ossidazione di questo carboidrato può essere "catturata" in forme di energia più utilizzabili. , da qui la sua importanza.

Attraverso questa via si ottengono non solo energia (ATP) e potere riducente (NADH), ma fornisce anche una serie di intermediari metabolici che fanno parte di altre vie, importanti anche da un anabolico (biosintetico) e funzionamento cellulare generale. Ecco un elenco:

- Glucosio 6-fosfato per la via del pentoso fosfato (PPP)

- Piruvato per la fermentazione lattica

- Piruvato per la sintesi di aminoacidi (principalmente alanina)

- Piruvato per il ciclo dell'acido tricarbossilico

- Fruttosio 6-fosfato, glucosio 6-fosfato e diidrossiacetone fosfato, che funzionano come "mattoni" in altre vie come la sintesi di glicogeno, acidi grassi, trigliceridi, nucleotidi, amminoacidi, ecc.

Produzione di energia

La quantità di ATP prodotta dalla via glicolitica, quando la cellula che lo produce non può vivere in condizioni aerobiche, è sufficiente a soddisfare il fabbisogno energetico di una cellula quando è accoppiata a diversi tipi di processi fermentativi.

Tuttavia, quando si tratta di cellule aerobiche, la glicolisi serve anche come fonte di energia di emergenza e funge da "fase preparatoria" prima delle reazioni di fosforilazione ossidativa che caratterizzano le cellule con metabolismo aerobico.

Enzimi coinvolti nella glicolisi

La glicolisi è possibile solo grazie alla partecipazione dei 10 enzimi che catalizzano le reazioni che caratterizzano questa via. Molti di questi enzimi sono allosterici e cambiano forma o conformazione quando esercitano le loro funzioni catalitiche.

Ci sono enzimi che rompono e formano legami covalenti tra i loro substrati e ce ne sono altri che richiedono cofattori specifici per svolgere le loro funzioni, principalmente ioni metallici.

Strutturalmente parlando, tutti gli enzimi glicolitici hanno un centro costituito essenzialmente da fogli β paralleli circondati da eliche α e disposti in più di un dominio. Inoltre, questi enzimi sono caratterizzati dal fatto che i loro siti attivi si trovano solitamente nei siti di legame tra i domini.

È anche importante notare che la regolazione principale della via passa attraverso il controllo (ormonale o da metaboliti) di enzimi come esochinasi, fosfofruttochinasi, gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi e piruvato chinasi.

Principali punti di regolazione della via glicolitica (Fonte: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) tramite Wikimedia Commons)

1- Esochinasi (HK)

La prima reazione di glicolisi (fosforilazione del glucosio) è catalizzata dall'esochinasi (HK), il cui meccanismo d'azione sembra consistere in un "rafforzamento indotto" del substrato che promuove il "lock-up" dell'enzima attorno all'ATP e di glucosio (i suoi substrati) una volta che si è legato ad essi.

A seconda dell'organismo considerato, possono essere presenti uno o più isoenzimi, il cui peso molecolare è compreso tra 50 (circa 500 amminoacidi) e 100 kDa, in quanto sembrano raggrupparsi sotto forma di dimeri, la cui formazione è favorita dalla presenza di glucosio, ioni magnesio e ATP.

L'esochinasi ha una struttura terziaria composta da fogli aperti alfa e beta, sebbene ci siano molte differenze strutturali in questi enzimi.

2- Fosfoglucosio isomerasi (IGP)

Il glucosio fosforilato dall'esochinasi viene isomerizzato a fruttosio 6-fosfato tramite la fosfoglucosio isomerasi (IGP), noto anche come glucosio 6-fosfato isomerasi. L'enzima, quindi, non rimuove né aggiunge atomi, ma li riorganizza a livello strutturale.

Questo è un enzima attivo nella sua forma dimerica (il monomero pesa più o meno 66 kDa) ed è coinvolto non solo nella glicolisi, ma anche nella gluconeogenesi, nella sintesi dei carboidrati nelle piante, ecc.

3- Fosfofruttochinasi (PFK)

Il fruttosio 6-fosfato è un substrato per l'enzima fosfofruttochinasi, che è in grado di ri-fosforilare questa molecola utilizzando ATP come donatore del gruppo fosforile, producendo fruttosio 1,6-bisfosfato.

Questo enzima esiste nei batteri e nei mammiferi come un enzima omotetramerica (composto da quattro subunità identiche di 33 kDa ciascuna per i batteri e 85 kDa ciascuna nei mammiferi) e nei lieviti è un ottamero (composto da subunità più grandi, tra 112 e 118 kDa).

È un enzima allosterico, il che significa che è regolato positivamente o negativamente da alcuni dei suoi prodotti (ADP) e da altre molecole come ATP e citrato.

4- Aldolasse

Conosciuta anche come fruttosio 1,6-bisfosfato aldolasi, l'aldolasi catalizza la scomposizione catalitica del fruttosio 1,6-bisfosfato in diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide 3-fosfato e la reazione inversa, cioè l'unione di entrambi gli zuccheri per la formazione di fruttosio 1,6-bisfosfato.

In altre parole, questo enzima taglia a metà il fruttosio 1,6-bisfosfato, rilasciando due composti 3-carbonio fosforilati. Aldolase è inoltre composta da 4 subunità identiche, ciascuna con il proprio sito attivo.

È stata determinata l'esistenza di due classi (I e II) di questo enzima, che si differenziano per il meccanismo di reazione che catalizzano e poiché alcune (le prime) si verificano nei batteri e negli eucarioti "inferiori", e le altre (il secondo) sono in batteri, protisti e metazoi.

L'aldolasi eucariotica "superiore" è costituita da un omotetramero di subunità di 40 kDa di peso molecolare, ciascuna costituita da un barilotto composto da 8 fogli β / α.

5- Triose fosfato isomerasi (TIM)

I due triosi fosforilati possono essere interconvertiti tra loro grazie all'azione della trioso-fosfato isomerasi, che permette di utilizzare entrambi gli zuccheri durante tutta la glicolisi, garantendo il pieno utilizzo di ciascuna molecola di glucosio che entra nel pathway.

Questo enzima è stato descritto come l'enzima "perfetto", poiché catalizza la reazione descritta circa un trilione di volte più velocemente di quanto accadrebbe senza la tua partecipazione. Il suo sito attivo è al centro di una struttura beta-barile, caratteristica di molti enzimi glicolitici.

È una proteina dimerica, composta da due subunità identiche di circa 27 kDa, entrambe a struttura globulare.

6- Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi (GAPDH)

La gliceraldeide 3-fosfato prodotta dall'azione di aldolasi e trioso fosfato isomerasi funge da substrato per GAPDH, che è un enzima omotetramerica (34-38 kDa ciascuna subunità) che si lega cooperativamente a una molecola di NAD + in ciascuna dei suoi 4 siti attivi, così come 2 ioni fosfato o solfato.

In questa fase del percorso, l'enzima consente la fosforilazione di uno dei suoi substrati utilizzando fosfato inorganico come donatore del gruppo fosforile, con la concomitante riduzione di due molecole di NAD + e la produzione di 1,3-bisfosfoglicerato.

7- fosfoglicerato chinasi (PGK)

La fosfoglicerato chinasi è responsabile del trasferimento di uno dei gruppi fosfato di 1,3-bisfosfoglicerato a una molecola di ADP mediante fosforilazione a livello di substrato. Questo enzima utilizza un meccanismo simile a quello utilizzato dalla esochinasi, poiché si chiude al contatto sui suoi substrati, proteggendoli dall'interferenza delle molecole d'acqua.

Questo enzima, come altri che utilizzano due o più substrati, hanno un sito di legame per l'ADP e un altro per il fosfato di zucchero.

A differenza degli altri enzimi descritti, questa proteina è un monomero da 44 kDa con struttura bilobata, composto da due domini della stessa dimensione collegati da una stretta “fenditura”.

8- Fosfoglicerato mutasi

Il 3-fosfoglicerato subisce un cambiamento del gruppo fosfato verso il carbonio 2, al centro della molecola, che rappresenta un sito di instabilità strategico che facilita il successivo trasferimento del gruppo ad una molecola di ATP nell'ultima reazione della via.

Questo riarrangiamento è catalizzato dall'enzima fosfoglicerato mutasi, un enzima dimerico per l'uomo e tetramerica per il lievito, con una dimensione della subunità vicina a 27 kDa.

9- Enolase

L'enolasi catalizza la disidratazione del 2-fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato, un passaggio necessario per la generazione di ATP nella reazione successiva.

È un enzima dimerico composto da due subunità identiche da 45 kDa. Dipende dagli ioni magnesio per la sua stabilità e per il cambiamento conformazionale necessario per legarsi al suo substrato. È uno degli enzimi più abbondantemente espresso nel citosol di molti organismi e svolge funzioni oltre a quelle glicolitiche.

10- Piruvato chinasi

La seconda fosforilazione a livello di substrato che si verifica nella glicolisi è catalizzata dalla piruvato chinasi, che è responsabile del trasferimento del gruppo fosforile dal fosfoenolpiruvato all'ADP e per la produzione di piruvato.

Questo enzima è più complesso di qualsiasi altro enzima glicolitico e nei mammiferi è un enzima omotetramericano (57 kDa / subunità). Ci sono, nei vertebrati, almeno 4 isoenzimi: L (nel fegato), R (negli eritrociti), M1 (nel muscolo e nel cervello) e M2 (tessuto fetale e tessuti adulti).

Fasi della glicolisi (passo dopo passo)

La via glicolitica consiste di dieci fasi sequenziali e inizia con una molecola di glucosio. Durante il processo, la molecola di glucosio viene “attivata” o “preparata” con l'aggiunta di due fosfati, invertendo due molecole di ATP.

Successivamente, viene "tagliato" in due frammenti e infine viene modificato chimicamente un paio di volte, sintetizzando lungo il percorso quattro molecole di ATP, in modo che il guadagno netto nel percorso corrisponda a due molecole di ATP.

Da quanto sopra si può dedurre che il percorso si divide in una fase di "investimento" energetico, fondamentale per la completa ossidazione della molecola di glucosio, e in un'altra fase di "guadagno" energetico, dove si sostituisce l'energia utilizzata inizialmente e se ne ottengono due. molecole di ATP nette.

- Fase di investimento energetico

1- Il primo passo della via glicolitica consiste nella fosforilazione del glucosio mediata dall'esochinasi (HK), per la quale l'enzima utilizza una molecola di ATP per ogni molecola di glucosio che viene fosforilata. È una reazione irreversibile e dipende dalla presenza di ioni magnesio (Mg2 +):

Glucosio + ATP → Glucosio 6-fosfato + ADP

2- Il glucosio 6-fosfato così prodotto viene isomerizzato a fruttosio 6-fosfato grazie all'azione dell'enzima fosfoglucosio isomerasi (IGP). Questa è una reazione reversibile e non comporta un dispendio energetico aggiuntivo:

Glucosio 6-fosfato → Fruttosio 6-fosfato

3- Successivamente, un'altra fase di inversione energetica prevede la fosforilazione del fruttosio 6-fosfato per formare fruttosio 1,6-bisfosfato. Questa reazione è catalizzata dall'enzima fosfofruttochinasi-1 (PFK-1). Come il primo passo nel percorso, la molecola donatrice del gruppo fosfato è ATP ed è anche una reazione irreversibile.

Fruttosio 6-fosfato + ATP → Fruttosio 1,6-bisfosfato + ADP

4- In questa fase della glicolisi, c'è la scomposizione catalitica del fruttosio 1,6-bisfosfato in diidrossiacetone fosfato (DHAP), una chetosi e gliceraldeide 3-fosfato (GAP), un aldosio. Questa condensazione aldolica è catalizzata dall'enzima aldolasi ed è un processo reversibile.

Fruttosio 1,6-bisfosfato → Diidrossiacetone fosfato + gliceraldeide 3-fosfato

5- L'ultima reazione della fase di inversione energetica consiste nell'interconversione del trioso fosfato DHAP e GAP catalizzata dall'enzima trioso-fosfato isomerasi (TIM), un fatto che non richiede un apporto energetico aggiuntivo ed è anche un processo reversibile.

Diidrossiacetone fosfato ↔ Gliceraldeide 3-fosfato

- Fase di guadagno energetico

6- La gliceraldeide 3-fosfato è utilizzata "a valle" nella via glicolitica come substrato per una reazione di ossidazione e un'altra per la fosforilazione, catalizzata dallo stesso enzima, gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi (GAPDH).

L'enzima catalizza l'ossidazione del carbonio C1 della molecola in un acido carbossilico e la sua fosforilazione nella stessa posizione, producendo 1,3-bisfosfoglicerato. Nel corso della reazione si riducono 2 molecole di NAD + per ogni molecola di glucosio e si utilizzano 2 molecole di fosfato inorganico.

2 Gliceraldeide 3-fosfato + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisfosfoglicerato) + 2NADH + 2H

Negli organismi aerobici, ogni NADH prodotto in questo modo passa attraverso la catena di trasporto degli elettroni per fungere da substrato per la sintesi di 6 molecole di ATP mediante fosforilazione ossidativa.

7- Questo è il primo passaggio della sintesi di ATP nella glicolisi e coinvolge l'azione della fosfoglicerato chinasi (PGK) sull'1,3-bisfosfoglicerato, trasferendo un gruppo fosforile (fosforilazione a livello di substrato) da questa molecola a una molecola di ADP, producendo 2ATP e 2 molecole di 3-fosfoglicerato (3PG) per ciascuna molecola di glucosio.

2 (1,3-bisfosfoglicerato) + 2ADP → 2 (3-fosfoglicerato) + 2ATP

8-3-fosfoglicerato funge da substrato per l'enzima fosfoglicerato mutasi (PGM), che lo converte in 2-fosfoglicerato spostando il gruppo fosforile dal carbonio 3 al carbonio 2 attraverso una reazione in due fasi che è reversibile e dipendente da ioni magnesio (Mg + 2).

2 (3-fosfoglicerato) → 2 (2-fosfoglicerato)

9- L'enzima enolasi disidrata il 2-fosfoglicerato e produce fosfoenolpiruvato (PEP) attraverso una reazione che non garantisce l'aggiunta di energia aggiuntiva e il cui scopo è produrre un composto ad alta energia, in grado di donare il suo gruppo fosforile nei seguenti reazione.

2 (2-fosfoglicerato) → 2 Fosfoenolpiruvato

10- Il fosfoenolpiruvato è un substrato per l'enzima piruvato chinasi (PYK), responsabile del trasferimento del gruppo fosforile in questa molecola a una molecola di ADP, catalizzando così un'altra reazione di fosforilazione a livello del substrato.

Nella reazione si producono 2ATP e 2 molecole di piruvato per ogni glucosio ed è necessaria la presenza di potassio e magnesio in forma ionica.

2 Fosfoenolpiruvato + 2ADP → 2 Piruvato + 2ATP

La resa netta di glicolisi, in questo modo, è costituita da 2ATP e 2NAD + per ogni molecola di glucosio che entra nel percorso.

Se si tratta di cellule con metabolismo aerobico, la degradazione totale di una molecola di glucosio produce tra 30 e 32 ATP attraverso il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni.

Prodotti della glicolisi

La reazione generale della glicolisi è la seguente:

Glucosio + 2NAD + + 2ADP + 2Pi → 2Pyruvate + 2ATP + 2NADH + 2H +

Pertanto, se analizzato brevemente, si potrebbe garantire che i principali prodotti della via glicolitica sono piruvato, ATP, NADH e H.

Tuttavia, il destino metabolico di ciascun intermediario di reazione dipende, in larga misura, dalle esigenze cellulari, motivo per cui tutti gli intermedi possono essere considerati come prodotti di reazione e possono essere elencati come segue:

- Glucosio 6-fosfato

- Fruttosio 6-fosfato

- Fruttosio 1,6-bisfosfato

- Diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide 3-fosfato

- 1,3-bisfosfoglicerato

- 3-fosfoglicerato e 2-fosfoglicerato

- Fosfoenolpiruvato e piruvato

Importanza

Nonostante la glicolisi, di per sé (si potrebbe parlare di glicolisi anaerobica), produca solo circa il 5% dell'ATP che può essere estratto dal catabolismo aerobico del glucosio, questa via metabolica è essenziale per diversi motivi:

- Serve come fonte di energia “rapida”, soprattutto nelle situazioni in cui un animale deve uscire rapidamente da uno stato di riposo, per cui i processi di ossidazione aerobica non sarebbero abbastanza veloci.

- Le fibre muscolari scheletriche "bianche" nel corpo umano, ad esempio, sono fibre a contrazione rapida e dipendono dalla glicolisi anaerobica per funzionare.

- Quando, per qualche motivo, una cellula ha bisogno di fare a meno di alcuni dei suoi mitocondri (che sono gli organelli che effettuano la fosforilazione ossidativa di parte dei prodotti glicolitici, tra le altre cose) la cellula diventa più dipendente dall'energia ottenuta da via glicolitica.

- Molte cellule dipendono dal glucosio come fonte di energia tramite i glicolitici, tra cui i globuli rossi , privi di organelli interni, e le cellule dell'occhio (in particolare quelle della cornea) che non hanno un'alta densità di mitocondri.

Riferimenti

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