Glicolisi e respirazione cellulare

GLICOLISI

La glicolìsi è un processo metabolico mediante il quale, in condizioni di anaerobiosi non stretta, una molecola di glucosio viene scissa in due molecole di piruvato al fine di generare molecole a più alta energia, come 2 molecole di ATP e 2 molecole di NADH per ogni molecola di glucosio utilizzata. Il termine deriva dal greco antico, "γλυκύς" (glykýs) che significa "dolce" e "λύσις" (lýsis) che significa "scissione".
La glicolisi è il mezzo per ottenere energia più sfruttato in natura, soprattutto grazie alla sua anaerobiosicità, sebbene non sia il più efficiente. Probabilmente esso si sviluppò con i primi procarioti circa 3,5 miliardi di anni fa.
In una prima fase del processo, composta da cinque passaggi, viene consumata energia per ottenere dal glucosio molecole di un derivato del glucosio a più alta energia (gliceraldeide-3-fosfato), che verranno poi trasformate nella fase successiva, composta di altri cinque passaggi, in molecole nettamente meno energetiche di piruvato, con produzione di energia superiore a quella consumata nella prima fase. Il processo nel suo insieme è quindi di tipo catabolico, cioè in cui molecole più complesse ed energetiche vengono trasformate in altre più semplici e meno energetiche, con accumulo di energia.
Le reazioni che compongono la glicolisi, ciascuna catalizzata da uno specifico enzima, avvengono nel citoplasma delle cellule; solo in alcuni protozoi avvengono in un organulo apposito, chiamato glicosoma.
La glicolisi è detta anche via di Embden-Meyerhof-Parnas, dai nomi di Gustav Embden, Otto Meyerhof e Jakub Parnas, i tre biochimici che maggiormente contribuirono a chiarirne il meccanismo.

1) IN GENERALE...

La reazione completa della glicolisi è la seguente.

Glucosio + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 NADH + 2 piruvato + 2 ATP + 2 H2O + 2 H+

In tutti gli organismi che non prevedono ulteriori degradazioni del piruvato, il processo ha una resa energetica di due molecole di ATP per ogni molecola di glucosio (Glc) o per qualsiasi altro zucchero esoso degradabile da questa via metabolica. Il catabolismo glucidico degli organismi che svolgono comunemente le fermentazioni, come i lieviti, dunque, si ferma al piruvato (che solitamente viene interconvertito in altre forme senza che ciò comporti ulteriori guadagni energetici).
Per gli organismi superiori, come ad esempio i mammiferi, la glicolisi è invece solo il primo passaggio della degradazione degli zuccheri. Le due molecole di ATP da essa ottenute sono solo una piccola parte del totale delle molecole di ATP ottenibili a partire da una molecola di glucosio, che possono arrivare fino a 36/38. Le cellule in grado di svolgere i successivi pathway aerobici (come il ciclo di Krebs), dunque, sono in grado di processare il piruvato, ossidandolo fino ad ottenere anidride carbonica ed acqua. Anche in questi organismi, in ogni caso, la glicolisi può diventare l'unico pathway, senza che il piruvato sia ulteriormente ossidato. Ciò può avvenire in caso di sforzo intenso (soprattutto nei tessuti energeticamente più esigenti, come i muscoli): in questo caso, il piruvato viene convertito ad acido lattico per riconvertire il NADH a NAD+ e bilanciarne le concentrazioni cellulari.
La glicolisi può essere suddivisa in due fasi: la prima fase è detta fase di investimento, la seconda è la fase di rendimento.

2) FASI

2.1) Fase di investimento

La prima parte della glicolisi consiste anzitutto nella conversione del glucosio in fruttosio 1,6-bisfosfato: tale conversione genera di fatto un intrappolamento della molecola glucidica nella cellula (il fosfato carica infatti la molecola, impedendole di attraversare la membrana cellulare). Il fruttosio 1,6-bisfosfato, oltre ad essere una molecola carica, è anche facilmente scindibile in due molecole più piccole da tre atomi di carbonio: queste due molecole saranno i substrati della seconda fase della via metabolica. I passaggi enzimatici della prima fase sono di seguito riportati.

Reazione 1: esochinasi

Il glucosio intracellulare viene fosforilato per azione dell'enzima esochinasi e trasformato in glucosio-6-fosfato con consumo di una molecola di ATP. Questo step è uno dei tre passaggi chiave dell'intero pathway, dal momento che la molecola di glucosio fosforilato, oltre a non poter più uscire dalla membrana cellulare, si destabilizza, diventando più prona a proseguire la via catabolica.
La esochinasi è un enzima la cui attività dipende dalla presenza di ioni magnesio. Uno ione magnesio bivalente è presente nel sito attivo dell'enzima ed agisce formando un complesso ternario esochinasi-ATP-Mg2+. Ma a differenza di altri enzimi specifici questo ha un'affinità anche per altri zuccheri, come il mannosio (la sua Km è di circa 10-6).
Il glucosio-6-fosfato intracellulare può avere differenti destini. Infatti, nel fegato e nei muscoli può prendere la via della glicogenosintesi per sintetizzare glicogeno, rispettivamente epatico e muscolare. Inoltre circa il 3% del glucosio intracellulare viene ossidato nella via dei pentoso-fosfati che è principalmente preposta alla sintesi del NADPH (NAD-fosfato-ridotto) ed alla sintesi del ribosio-5-fosfato. Il NADPH viene utilizzato dalla cellula per i propri processi biosintetici; il ribosio-5-fosfato viene utilizzato per la sintesi di tutti i nucleotidi.

Reazione 2: fosfoglucosio-isomerasi

Il passaggio successivo della glicolisi consiste nella isomerizzazione del glucosio-6-fosfato a fruttosio-6-fosfato. L'enzima fosfoglucosio isomerasi (o fosfoglucoisomerasi), anch'esso Mg-dipendente, catalizza questa reazione di conversione di un glucide aldoso in un chetoso.
Tale reazione, in realtà, richiede più passaggi intermedi di quanti si possano immaginare: l'enzima è infatti in grado di aprire la struttura ciclica del glucosio (anello a sei atomi di carbonio), isomerizzare la molecola e richiuderla nella struttura ciclica del fruttosio (anello a cinque termini).

Reazione 3: fosfofruttochinasi

In seguito all'isomerizzazione, il fruttosio 6-fosfato viene sottoposto ad un'altra fosforilazione. L'enzima fosfofruttochinasi1 catalizza tale reazione fino alla produzione di fruttosio-1,6-bisfosfato, trasferendo un fosfato dall'ATP alla posizione 1 della molecola di fruttosio.
Anche questa reazione, a causa dell'idrolisi di ATP, non è reversibile. La fosfofruttochinasi è un enzima allosterico. Esso può essere inibito dall'ATP, dal citrato e dal suo prodotto, il fruttosio-1,6-bisfosfato. Viene invece attivato dall'ADP, dall'AMP e dal fruttosio-2,6-bisfosfato. Quest'ultima molecola viene ottenuta per fosforilazione del fruttosio-6-fosfato ad opera di un'altra fosfofruttochinasi, la fosfofruttochinasi 2.Proprio a causa di questa finissima regolazione, anche il terzo step della glicolisi è uno dei tre passaggi chiave dell'intera via metabolica.

Reazione 4: aldolasi

Il fruttosio-1,6-bisfosfato prodotto dal precedente step è, di fatto, la versione attivata vera e propria del glucosio, quindi la glicolisi può avviare la degradazione vera e propria, producendo due triosi aventi un fosfato ciascuno.
La quarta reazione della glicolisi, catalizzata dall'enzima aldolasi, consiste dunque nella scissione del fruttosio-1,6-bisfosfato in diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide-3-fosfato.

Reazione 5: trioso fosfato isomerasi

L'aldolasi ha scisso l'esoso in due triosi diversi: dal momento che seguire due vie metaboliche differenti per entrambi le molecole ottenute sarebbe energeticamente molto dispendioso, l'evoluzione del pathway glicolitico ha selezionato un enzima in grado di rendere uniforme la successiva degradazione dei due triosi. La trioso fosfato isomerasi è infatti l'enzima deputato a convertire il diidrossiacetone fosfato in gliceraldeide-3-fosfato, il substrato unico del successivo step.
L'enzima è infatti in grado di prelevare un H+ da un atomo di carbonio, spostandolo su un altro vicino: in questo modo il trioso passa dalla forma chetonica a quella aldeidica.
Il ΔG di reazione, in realtà, è spostato verso la formazione di diidrossiacetone fosfato ma, per la legge di azione di massa, l'equilibrio della reazione è spostato verso destra, dal momento che la concentrazione cellulare di gliceraldeide-3-fosfato è molto bassa (le percentuali risultanti sono 96% di DHAP, 4% di G3P). La gliceraldeide-3-fosfato, infatti, viene velocemente metabolizzata dallo step successivo della via metabolica.

2.2) Fase di rendimento

Reazione 6: gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi

La gliceraldeide-3-fosfato viene convertita in 1,3-bisfosfoglicerato dalla gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi.
Tale reazione consiste nella somma di due processi: l'ossidazione dell'aldeide ad acido carbossilico mediata dal coenzima NAD+ (che si riduce a NADH) e la fosforilazione, (cioè l'attacco di un gruppo fosfato) al gruppo carbossilico. La prima reazione è abbastanza favorita dal punto di vista termodinamico (ΔG°´ di circa -50 kJ mol-1), mentre la seconda è sfavorita, essendo il suo ΔG°´ di segno opposto. Se queste due reazioni avvenissero in semplice sequenza, la seconda avrebbe una energia di attivazione talmente alta da renderla di fatto impossibile. Queste due reazioni, in realtà, vengono accoppiate attraverso l'enzima gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi, che rende dunque la fosforilazione effettivamente possibile.
Il potenziale di ossidazione viene conservato sotto forma di potenziale riducente presente sul NADH, il quale cederà i suoi elettroni alla catena respiratoria per la produzione di molecole di ATP. L'1,3-bifosfoglicerato è un composto ad altissima energia con un ΔG di idrolisi di circa -49,4 KJ/mole.

Reazione 7: fosofoglicerato chinasi

La settima tappa della glicolisi consiste nell'inizio della vera e propria fase di recupero, che consiste nella produzione di ATP. Attraverso l'enzima fosfoglicerato chinasi, infatti, l'1,3-bisfosfoglicerato cede un gruppo fosfato ad un ADP, che così viene ricaricato ad ATP. Questo genere di produzione di ATP è definita fosforilazione al livello del substrato, dal momento che la molecola donatrice, l'1,3-bisfosfoglicerato, è un substrato ad alto potenziale di trasferimento di un gruppo fosfato.
Come avviene per la esochinasi, anche la fosforilazione di ATP deve avvenire lontano dall'ambiente acquoso per evitare uno spreco di molecole ad alta energia. Per questo motivo la fosfoglicerato chinasi è dotata di una tasca in grado di riparare i substrati dall'ambiente esterno.

Reazione 8: fosfoglicerato mutasi

Le ultime tre reazioni della glicolisi consistono nella conversione del 3-fosfoglicerato in piruvato, attraverso una concomitante conversione di un'altra molecola di ADP in ATP.
La prima reazione è un riarrangiamento. La posizione del gruppo fosfato viene cambiata dal carbonio in posizione 3 a quello in posizione 2, attraverso la catalisi della fosfoglicerato mutasi (come le altre mutasi, si tratta di un enzima coinvolto nel riarrangiamento interno delle molecole). La reazione, tuttavia, non consiste in un semplice spostamento.
L'enzima, infatti, lavora innanzitutto come una fosfatasi, rimuovendo il fosfato in posizione 3 da una molecola di 3-difosfoglicerato e generando il prodotto 2-fosfoglicerato). Tale fosfato rimane legato ad un residuo di istidina dell'enzima e viene successivamente attaccato alla molecola di 3-fosfoglicerato (il substrato della reazione), che così rigenera il 2,3-difosfoglicerato. L'enzima, dunque, necessita di una notevole quantità di 2,3-difosfoglicerato perché il residuo di istidina, indispensabile per la reazione, sia sempre fosforilato.
L'enzima coinvolto è anch'esso magnesio-dipendente e l'equilibrio è spostato verso destra.

Reazioni 9: enolasi

La penultima reazione è essenzialmente una disidratazione del 2-fosfoglicerato che porta alla formazione di fosfoenolpiruvato, un composto ad alta energia, ed acqua. Questa disidratazione, catalizzata dall'enzima enolasi, innalza notevolmente il potenziale di trasferimento del gruppo fosfato. Se il ΔG°´ di idrolisi di un fosfato legato ad un alcol è infatti di circa - 13 kJ mol-1, quello del fosfoenolpiruvato raggiunge i - 62 kJ mol-1. Tale valore è dovuto alla forte instabilità della forma enolica della molecola, che cessa solo quando essa raggiunge una più stabile forma chetonica (ovvero il piruvato).
L'enolasi è una liasi la cui attività è stimolata da manganese o da magnesio ed è inibita da uno ione fluoruro.

Reazioni 10: piruvato chinasi

Nell'ultima tappa il fosfoenolpiruvato, ad opera della piruvato chinasi, viene anzitutto idrolizzato in enolpiruvato. Il gruppo fosfato viene ceduto ad un ADP per formare ATP. L'energia necessaria alla produzione di ATP proviene dalla conversione dell'enolpiruvato in piruvato, reazione fortemente esoergonica. La forma enolica del piruvato possiede infatti un potenziale energetico alto ma è molto instabile, quindi tramite una tautomeria cheto-enolica, con la dislocazione degli elettroni dall'atomo di ossigeno all'atomo di carbonio, viene trasformato in piruvato.
La piruvato chinasi è un enzima fortemente regolato: il controllo a valle garantisce che l'ATP venga prodotto solo in caso di effettivo bisogno.
Il piruvato è il prodotto finale della glicolisi e, a seconda degli organismi e delle condizioni fisiologiche, può andare incontro a diversi destini, tra cui la sua trasformazione in acetil-CoA tramite la decarbossilazione ossidativa.

RESPIRAZIONE CELLULARE

Il ruolo dell'ATP

La respirazione cellulare consiste essenzialmente di reazioni di ossidazione progressiva dei substrati. L'ossidazione di materiale organico è infatti una reazione esotermica che rilascia una grande quantità di energia in tempi molto ristretti. L'equazione complessiva dell'ossidazione del glucosio, substrato principale della respirazione cellulare, ad esempio, è:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 38 molecole di ATP.
Lo stesso processo che in un incendio avviene in maniera incontrollata, nella cellula è alla base della trasformazione di glucosio in composti più semplici, con la formazione di molecole di ATP. Questa molecola può essere considerata la "moneta energetica" dell'organismo, per la sua posizione intermedia tra i composti donatori/accettori di gruppi fosfato: la conversione ADP->ATP e l'opposta reazione ATP ->ADP possono avvenire entrambe facilmente nei diversi ambienti cellulari, con una liberazione di 30 kJ per ogni mole di legami fosfoanidridici spezzati.

Glicolisi

La respirazione cellulare è il meccanismo attraverso cui la cellula, in presenza di ossigeno, è in grado di ricavare energia utilizzabile nei processi vitali dai legami chimici dei substrati che internalizza.
La respirazione cellulare consta di diverse reazioni, in cui i prodotti di un passaggio sono utilizzati come reagenti per il processo successivo.
I prodotti di scarto della respirazione cellulare (come CO2 o H2O) vengono eliminati dalla cellula e, negli organismi superiori, escreti attraverso la respirazione polmonare e le urine.

Decarbossilazione ossidativa del piruvato

É un passaggio intermedio nel quale la molecola di piruvato viene introdotta nella matrice mitocondriale è trasformata in acetil-CoA. Questa reazione rilascia, come scarto, CO2 e permette la formazione di NADH.

Ciclo di Krebs

Il ciclo di Krebs (detto anche "ciclo dell'acido citrico") può avvenire solo in presenza di ossigeno. L'acetil-CoA subisce una serie di reazioni di ossidazione fino alla formazione di molecole di CO2 ed alla riduzione dei composti NAD+/p e FAD rispettivamente in NADH/+ e FADH2. Negli organismi eucarioti avviene nei mitocondri, più precisamente nella matrice mitocondriale. Nei procarioti gli enzimi del ciclo di Krebs sono localizzati nel citosol. Dal nome si evince la natura ciclica di queste reazioni: il primo prodotto delle reazioni, il Citrato, viene a riformarsi anche nell'ultimo passaggio, per condensazione di Ossalacetato e acetil-CoA.

Fosforilazione ossidativa

La fosforilazione ossidativa è l'ultimo passaggio del catabolismo. Avviene sempre grazie a complessi enzimatici intramembrana: talvolta su quella plasmatica (nel caso dei procarioti), talvolta sulle creste mitocondriali (introflessi della membrana mitocondriale interna). In questo processo gli elettroni trasportati da NADH e FADH2 vengono scambiati dalle catena enzimatica transmembrana, che provvede a sfruttare questo movimento per generare un gradiente protonico; questi in grado di catalizzare la sintesi di ATP partendo da ADP e fosfato inorganico.