Cosa esegue la glicolisi?

La glicolisi è un processo universale tra le forme di vita sul pianeta Terra. Dai batteri unicellulari più semplici alle balene più grandi del mare, tutti gli organismi – o più specificamente, ciascuna delle loro cellule – usano la molecola di zucchero a sei atomi di carbonio glucosio come fonte di energia.

glicolisi è l'insieme di 10 reazioni biochimiche che funge da passo iniziale verso la completa scomposizione del glucosio. In molti organismi è anche l'ultimo, e quindi unico, passaggio.

La glicolisi è la prima delle tre fasi di respirazione cellulare nel dominio tassonomico (cioè la classificazione della vita) eucariota (o eucarioti), che includono animali, piante, protisti e funghi.

Nei domini Batteri e Archaea, che insieme costituiscono gli organismi per lo più unicellulari chiamati procarioti, la glicolisi è l'unico spettacolo metabolico in città, poiché le loro cellule mancano del macchinario per portare a termine la respirazione cellulare.

La reazione completa racchiusa dalle singole fasi della glicolisi è:

C₆H₁₂oh₆ + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 P_io → 2 CH₃(C=O)COOH + 2 ATP + 2 NADH + 4 H⁺ + 2 H₂oh

In parole, ciò significa che il glucosio, il vettore di elettroni nicotinammide adenina dinucleotide, adenosina difosfato e fosfato inorganico (P_io) si combinano per formare piruvato, adenosina trifosfato, la forma ridotta di nicotinammide adenina dinucleotide e ioni idrogeno (che possono essere considerati elettroni).

Nota che l'ossigeno non appare in questa equazione, perché la glicolisi può procedere senza O₂. Questo può essere un punto di confusione, perché, poiché la glicolisi è un precursore necessario dei segmenti aerobici di respirazione cellulare negli eucarioti ("aerobica" significa "con ossigeno"), è spesso erroneamente vista come un'attività aerobica processi.

Il glucosio è un carboidrato, il che significa che la sua formula assume il rapporto di due atomi di idrogeno per ogni atomo di carbonio e ossigeno: C_nH_2noh_n. È uno zucchero, e nello specifico un monosaccaride, il che significa che non può essere suddiviso in altri zuccheri, così come il disaccaridi saccarosio e galattosio. Comprende una forma ad anello a sei atomi, cinque dei quali sono carbonio e uno è ossigeno.

Il glucosio può essere immagazzinato nel corpo come un polimero chiamato glicogeno, che non è altro che lunghe catene o fogli di singole molecole di glucosio unite da legami idrogeno. glicogeno viene immagazzinato principalmente nel fegato e nei muscoli.

Atleti che usano preferenzialmente determinati muscoli (ad esempio, maratoneti che fanno affidamento sui quadricipiti e sui polpacci muscoli) si adattano attraverso l'allenamento per immagazzinare quantità insolitamente elevate di glucosio, spesso chiamate "caricamento di carboidrati".

L'adenosina trifosfato (ATP) è la "valuta energetica" di tutte le cellule viventi. Ciò significa che quando il cibo viene mangiato e scomposto in glucosio prima di entrare nelle cellule, l'obiettivo finale del metabolismo del glucosio è la sintesi di ATP, un processo guidato dall'energia rilasciata quando i legami nel glucosio e le molecole in cui si trasforma nella glicolisi e respirazione aerobica sono spezzati.

L'ATP generato attraverso queste reazioni viene utilizzato per le esigenze quotidiane di base del corpo, come la crescita e la riparazione dei tessuti, nonché l'esercizio fisico. All'aumentare dell'intensità dell'esercizio, il corpo si allontana dalla combustione dei grassi o dei trigliceridi (tramite l'ossidazione di acidi grassi) alla combustione del glucosio perché quest'ultimo processo si traduce in più ATP creato per molecola di carburante.

Praticamente tutte le reazioni biochimiche si basano sull'aiuto di molecole proteiche specializzate chiamate enzimi procedere.

Gli enzimi sono catalizzatori, il che significa che accelerano le reazioni - a volte di un fattore di un milione o più - senza che essi stessi vengano modificati nella reazione. Di solito prendono il nome dalle molecole su cui agiscono e hanno "-asi" alla fine, come "fosfoglucosio isomerasi", che riorganizza gli atomi nel glucosio-6-fosfato in fruttosio-6-fosfato.

(Gli isomeri sono composti con gli stessi atomi ma strutture diverse, analoghi agli anagrammi nel mondo delle parole.)

Maggior parte enzimi nelle reazioni umane si conformano ad una regola "uno a uno", nel senso che ogni enzima catalizza una particolare reazione e, viceversa, che ogni reazione può essere catalizzata solo da un enzima. Questo livello di specificità aiuta le cellule a regolare strettamente la velocità delle reazioni e, per estensione, le quantità di diversi prodotti prodotti nella cellula in qualsiasi momento.

Quando il glucosio entra in una cellula, la prima cosa che succede è che è fosforilato, cioè una molecola di fosfato è attaccata a uno dei carboni del glucosio. Ciò conferisce una carica negativa alla molecola, intrappolandola efficacemente nella cellula. Questo glucosio-6-fosfato viene quindi isomerizzato come descritto sopra in fruttosio-6-fosfato, che poi subisce un altro passaggio di fosforilazione per diventare fruttosio-1,6-bisfosfato.

Ciascuno dei passaggi di fosforilazione comporta la rimozione di un fosfato dall'ATP, lasciando adenosina difosfato (ADP) dietro a. Ciò significa che sebbene lo scopo della glicolisi sia quello di produrre ATP per l'uso della cellula, comporta un "costo iniziale" di 2 ATP per molecola di glucosio che entra nel ciclo.

Il fruttosio-1,6-bisfosfato viene quindi suddiviso in due molecole a tre atomi di carbonio, ciascuna con il proprio fosfato attaccato. Uno di questi, diidrossiacetone fosfato (DHAP), è di breve durata, poiché si trasforma rapidamente nell'altro, gliceraldeide-3-fosfato. Quindi da questo punto in avanti, ogni reazione elencata si verifica effettivamente due volte per ogni molecola di glucosio che entra nella glicolisi.

La gliceraldeide-3-fosfato viene convertita in 1,3-difosfoglicerato mediante l'aggiunta di un fosfato alla molecola. Piuttosto che essere derivato dall'ATP, questo fosfato esiste come fosfato libero o inorganico (cioè privo di legame con il carbonio). Allo stesso tempo, NAD⁺ viene convertito in NADH.

Nei passaggi successivi, i due fosfati vengono estratti da una serie di molecole a tre atomi di carbonio e aggiunti all'ADP per generare ATP. Poiché ciò accade due volte per molecola di glucosio originale, in questa fase di "vincita" vengono creati un totale di 4 ATP. Poiché la fase di "investimento" richiedeva un input di 2 ATP, il guadagno complessivo di ATP per molecola di glucosio è di 2 ATP.

Per riferimento, dopo 1,3-difosfoglicerato, le molecole nella reazione sono 3-fosfoglicerato, 3-fosfoglicerato, fosfoenolpiruvato e infine piruvato.

Negli eucarioti, il piruvato può quindi procedere verso uno dei due percorsi post-glicolisi, a seconda che sia presente abbastanza ossigeno per consentire la respirazione aerobica. Se lo è, come di solito accade quando l'organismo genitore riposa o si esercita leggermente, il il piruvato viene trasportato dal citoplasma dove avviene la glicolisi in organelli ("piccoli organi") chiamato mitocondri.

Se la cellula appartiene a un procariota o a un eucariote molto laborioso - diciamo, un essere umano che sta correndo un mezzo miglio o sollevando pesi intensamente - il piruvato viene convertito in lattato. Mentre nella maggior parte delle cellule il lattato stesso non può essere utilizzato come combustibile, questa reazione crea NAD⁺ da NADH, consentendo così alla glicolisi di continuare "a monte" fornendo una fonte critica di NAD⁺.

Questo processo è noto come fermentazione dell'acido lattico.

Le fasi aerobiche della respirazione cellulare che avvengono nei mitocondri sono chiamate le ciclo di Krebs e il catena di trasporto degli elettroni, e questi si verificano in quell'ordine. Il ciclo di Krebs (spesso chiamato ciclo dell'acido citrico o ciclo dell'acido tricarbossilico) si svolge nel mezzo dei mitocondri, mentre il catena di trasporto degli elettroni avviene sulla membrana dei mitocondri che forma il suo confine con il citoplasma.

La reazione netta della respirazione cellulare, inclusa la glicolisi, è:

C₆H₁₂oh₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + 38 ATP

Il ciclo di Krebs aggiunge 2 ATP e la catena di trasporto degli elettroni un enorme 34 ATP per un totale di 38 ATP per molecola di glucosio completamente consumata (2 + 2 + 34) nei tre processi metabolici.