Glicolisi: definizione, passaggi, prodotti e reagenti

In accordo con le leggi fondamentali della fisica, tutti gli esseri viventi hanno bisogno di energia dall'ambiente in qualche forma per sostenere la vita. Chiaramente, diversi organismi hanno sviluppato vari mezzi per raccogliere carburante da varie fonti per alimentare il macchinario cellulare che guida i processi quotidiani come la crescita, la riparazione e la riproduzione.

Piante e animali ovviamente non acquisiscono cibo (o il suo equivalente in organismi che non possono effettivamente "mangiare" nulla) da mezzi simili, e le loro rispettive interiora non digeriscono allo stesso modo le molecole estratte da fonti di combustibile. Alcuni organismi richiedono ossigeno per sopravvivere, altri ne vengono uccisi e altri ancora possono tollerarlo ma funzionano bene in sua assenza.

Nonostante la gamma di strategie impiegate dagli esseri viventi per estrarre energia dai legami chimici nei composti ricchi di carbonio, la serie di dieci reazioni metaboliche chiamate collettivamente glicolisi sono comuni praticamente a tutte le cellule, sia negli organismi procarioti (quasi tutti sono batteri) che negli organismi eucarioti (principalmente piante, animali e funghi).

Una panoramica dei principali input e output della glicolisi è un buon punto di partenza per capire come le cellule si convertono molecole raccolte dal mondo esterno in energia per sostenere la miriade di processi vitali in cui le cellule del tuo corpo sono continuamente impegnato.

I reagenti della glicolisi sono spesso elencati glucosio e ossigeno, mentre acqua, anidride carbonica e ATP (adenosina trifosfato, la molecola vivente più comunemente usata per alimentare i processi cellulari) sono dati come prodotti della glicolisi, come segue:

C₆H₁₂oh₆ + 6 O₂ --> 6 CO₂ + 6 H₂O + 36 (o 38) ATP

Chiamare questo "glicolisi", come fanno alcuni testi, non è corretto. Questa è la reazione netta di respirazione aerobica nel suo complesso, di cui la glicolisi è la fase iniziale. Come vedrai in dettaglio, i prodotti della glicolisi di per sé sono in realtà piruvato e una modesta quantità di energia sotto forma di ATP:

C₆H₁₂oh₆ --> 2 C₃H₄oh₃ + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+

NADH, o NAD+ nel suo stato de-protonato (nicotinammide adenina dinucleotide), è un cosiddetto trasportatore di elettroni ad alta energia e un intermedio in molte reazioni cellulari coinvolte nel rilascio di energia. Nota due cose qui: una è che la glicolisi da sola non è così efficiente nel rilasciare ATP come la respirazione aerobica completa, in quale il piruvato prodotto nella glicolisi entra nel ciclo di Krebs in rotta verso quegli atomi di carbonio che atterrano nel trasporto degli elettroni catena. Mentre la glicolisi avviene nel citoplasma, le successive reazioni della respirazione aerobica avvengono in organelli cellulari chiamati mitocondri.

Il glucosio, che contiene una struttura a sei anelli che include cinque atomi di carbonio e un atomo di ossigeno, viene trasportato nella cellula attraverso la membrana plasmatica da proteine ​​di trasporto specializzate. Una volta all'interno, viene immediatamente fosforilato, cioè gli viene attaccato un gruppo fosfato. Questo fa due cose: dà alla molecola una carica negativa, in effetti intrappolandola all'interno della cellula (le molecole cariche non possono facilmente attraversare la membrana plasmatica) e destabilizza la molecola, impostandola per me più realtà scomposta in più piccoli componenti.

La nuova molecola è chiamata glucosio-6-fosfato (G-6-P), poiché il gruppo fosfato è attaccato all'atomo di carbonio numero 6 del glucosio (l'unico che si trova al di fuori della struttura ad anello). L'enzima che catalizza questa reazione è un'esochinasi; "hex-" è il prefisso greco per "sei" (come in "zucchero a sei atomi di carbonio") e le chinasi sono enzimi che rimuovono un gruppo fosfato da una molecola e lo fissano altrove; in questo caso, il fosfato viene prelevato dall'ATP, lasciandosi dietro l'ADP (adenosina difosfato).

Il passo successivo è la conversione del glucosio-6-fosfato in fruttosio-6-fosfato (F-6-P). Questo è semplicemente un riarrangiamento di atomi, o un'isomerizzazione, senza addizioni o sottrazioni, tale che uno degli atomi di carbonio all'interno dell'anello di glucosio viene spostato all'esterno dell'anello, lasciando un anello di cinque atomi al suo interno posto. (Ricorderete che il fruttosio è "zucchero della frutta", un elemento alimentare comune e naturale.) L'enzima che catalizza questa reazione è la fosfoglucosio isomerasi.

Il terzo passaggio è un'altra fosforilazione, catalizzata dalla fosfofruttochinasi (PFK) e che produce fruttosio 1,6-bisfosfato (F-1,6-BP). Qui, il secondo gruppo fosfato è unito all'atomo di carbonio che è stato estratto dall'anello nel passaggio precedente. (Suggerimento per la nomenclatura chimica: il motivo per cui questa molecola è chiamata "bisfosfato" piuttosto che "difosfato" è che i due fosfati sono unito a diversi atomi di carbonio, piuttosto che uno sia unito all'altro opposto a un legame carbonio-fosfato.) In questo così come nel precedente fase di fosforilazione, il fosfato fornito proviene da una molecola di ATP, quindi queste prime fasi della glicolisi richiedono un investimento di due ATP.

La quarta fase della glicolisi rompe una molecola di sei atomi di carbonio, ora altamente instabile, in due diverse molecole di tre atomi di carbonio: gliceraldeide 3-fosfato (GAP) e diidrossiacetone fosfato (DHAP). L'aldolasi è l'enzima responsabile di questa scissione. Puoi discernere dai nomi di queste molecole a tre atomi di carbonio che ognuna di esse ottiene uno dei fosfati dalla molecola madre.

Con il glucosio che è stato manipolato e diviso in pezzi approssimativamente uguali a causa di un piccolo apporto di energia, il le rimanenti reazioni della glicolisi comportano il recupero dei fosfati in un modo che si traduce in un'energia netta guadagno. La ragione fondamentale per cui ciò si verifica è che la rimozione dei gruppi fosfato da questi composti è maggiore energeticamente favorevoli che semplicemente prenderli direttamente dalle molecole di ATP e applicarli ad altre finalità; pensa ai primi passi della glicolisi nei termini di un vecchio adagio: "Devi spendere soldi anche per fare soldi".

Come G-6-P e F-6-P, GAP e DHAP sono isomeri: hanno la stessa formula molecolare, ma diverse strutture fisiche. Si dà il caso che il GAP si trovi sulla via chimica diretta tra glucosio e piruvato, mentre il DHAP no. Pertanto, nella quinta fase della glicolisi, un enzima chiamato trioso fosfato isomerasi (TIM) si fa carico e converte DHAP in GAP. Questo enzima è descritto come uno dei più efficienti di tutto il metabolismo energetico umano, accelerando la reazione che catalizza di un fattore di circa dieci miliardi (10¹⁰).

Nella sesta fase, GAP viene convertito in 1,3-bisfosfoglicerato (1,3-BPG) sotto l'influenza dell'enzima dalla gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi. Gli enzimi deidrogenasi fanno esattamente ciò che suggeriscono i loro nomi: rimuovono gli atomi di idrogeno (o protoni, se preferisci). L'idrogeno liberato da GAP trova la sua strada verso una molecola di NAD+, producendo NADH. Tieni presente che a partire da questo passaggio, ai fini contabili, il tutto viene moltiplicato per due, poiché la molecola iniziale di glucosio diventa Due molecole di GAP. Quindi, dopo questo passaggio, due molecole di NAD+ sono state ridotte a due molecole di NADH.

L'inversione di fatto delle precedenti reazioni di fosforilazione della glicolisi inizia con il settimo passaggio. Qui, l'enzima fosfoglicerato chinasi rimuove un fosfato da 1,3-BPG per produrre 3-fosfoglicerato (3-PG), con l'atterraggio del fosfato sull'ADP per formare ATP. Poiché, ancora una volta, ciò comporta due molecole 1,3-BOG per ogni molecola di glucosio che entra nella glicolisi a monte, questo significa che complessivamente vengono prodotti due ATP, annullando i due ATP investiti nella prima fase e tre.

Nella fase otto, il 3-PG viene convertito in 2-fosfoglicerato (2-PG) grazie alla fosfoglicerato mutasi, che estrae il gruppo fosfato rimanente e lo sposta di un carbonio. Gli enzimi mutasi differiscono dalle isomerasi in quanto, piuttosto che riorganizzare significativamente la struttura di un'intera molecola, spostano semplicemente un "residuo" (in questo caso, un gruppo fosfato) in una nuova posizione lasciando la struttura complessiva intatto.

Nella fase nove, tuttavia, questa conservazione della struttura è resa discutibile, poiché il 2-PG viene convertito in fosfoenol piruvato (PEP) dall'enzima enolasi. Un enol è una combinazione di un alk_ene_ e un alcol. Gli alcheni sono idrocarburi che includono un doppio legame carbonio-carbonio, mentre gli alcoli sono idrocarburi con un gruppo ossidrile (-OH) aggiunto. L' -OH nel caso di un enolo è attaccato a uno degli atomi di carbonio coinvolti nel doppio legame carbonio-carbonio di PEP.

Infine, nella decima e ultima fase della glicolisi, la PEP viene convertita in piruvato dall'enzima piruvato chinasi. Se dai nomi dei vari attori in questa fase sospetti che nel processo vengano generate altre due molecole di ATP (una per reazione effettiva), hai ragione. Il gruppo fosfato viene rimosso dal PEP e aggiunto all'ADP in agguato nelle vicinanze, producendo ATP e piruvato. Il piruvato è un chetone, il che significa che ha un carbonio non terminale (cioè uno che non è al estremità della molecola) coinvolta in un doppio legame con l'ossigeno e due singoli legami con altro carbonio atomi. La formula chimica del piruvato è C₃H₄oh₃, ma esprimendolo come (CH₃)CO(COOH) offre un quadro più illuminante del prodotto finale della glicolisi.

La quantità totale di energia liberata (è allettante ma sbagliato dire "prodotta", poiché "produzione" di energia è un termine improprio) è convenientemente espressa come due ATP per molecola di glucosio. Ma per essere più matematicamente precisi, questo è anche 88 kilojoule per mole (kJ/mol) di glucosio, pari a circa 21 kilocalorie per mole (kcal/mol). Una mole di una sostanza è la massa di quella sostanza che contiene il numero di molecole di Avogadro, o 6,02 × 10²³ molecole. La massa molecolare del glucosio è di poco superiore ai 180 grammi.

Poiché, come notato in precedenza, la respirazione aerobica può derivare ben oltre 30 molecole di ATP per glucosio investito, si è tentati di considerare la produzione energetica della sola glicolisi come banale, quasi senza valore. Questo è completamente falso. Considera che i batteri, che esistono da quasi tre miliardi e mezzo di anni, possono cavarsela abbastanza bene usando solo glicolisi, perché si tratta di forme di vita squisitamente semplici che hanno pochi requisiti degli organismi eucarioti fare.

In effetti, è possibile visualizzare la respirazione aerobica in modo diverso ponendo l'intero schema a testa in giù: mentre questo tipo di energia la produzione è certamente una meraviglia biochimica ed evolutiva, gli organismi che ne fanno uso per la maggior parte si affidano assolutamente esso. Ciò significa che quando l'ossigeno non si trova da nessuna parte, gli organismi che si affidano esclusivamente o pesantemente all'aerobica metabolismo - cioè, ogni organismo che legge questa discussione - non può sopravvivere a lungo in assenza di ossigeno.

In ogni caso, la maggior parte del piruvato prodotto nella glicolisi si sposta nella matrice mitocondriale (analoga al citoplasma di cellule intere) ed entra nel ciclo di Krebs, detto anche ciclo dell'acido citrico o dell'acido tricarbossilico ciclo. Questa serie di reazioni serve principalmente a generare molti portatori di elettroni ad alta energia, sia NADH che un composto correlato chiamato FADH₂, ma produce anche due ATP per molecola di glucosio originale. Queste molecole poi migrano verso la membrana mitocondriale e partecipano alle reazioni a catena di trasporto degli elettroni che alla fine liberano 34 ATP in più.

In assenza di ossigeno sufficiente (come quando ci si allena intensamente), parte del piruvato subisce una fermentazione, una sorta di metabolismo anaerobico in cui il piruvato viene convertito in acido lattico, generando più NAD+ da utilizzare nel metabolismo processi.