GLICOLISI• I carboidrati sono digeriti in molecole biochimicamente utili

come il glucosio che è il principale carboidrato presente nei sistemi viventi.

• Nei mammiferi è l’unica sostanza nutriente utilizzata dal cervello in condizioni nutrizionali normali (di non digiuno).

• Perché proprio il glucosio? Ha una scarsa tendenza a glicosilare non enzimaticamente le proteine (gruppo aldeidico degli zuccheri + ammino gruppo delle proteine che così modificate non funzionano) in quanto tende ad esistere nella forma chiusa

Via glicolitica

• Comune a quasi tutti i tipi di cellule sia procariotiche sia eucariotiche (nel citoplasma).

• E’ suddivisa in tre stadi: la strategia di questi 3 passaggi iniziali è di intrappolare il glucosio all’interno della cellula e di formare un composto che potrà essere facilmente scisso in unità tricarboniose fosforilate

Formule diHaworth

Stadio 1• Glucosio

Glucosio 6-fosfato

ATP

ADP

Fruttosio 6-fosfato

Fosfoglucosio isomerasi

ATP

ADP

Fruttosio 1,6-bifosfato

Il glucosio entra nella cellula ad opera di specifiche proteine di trasporto e quindi fosforilato dall’ATP. Il glucosio 6-fosfato non può attraversare la membrana plasmatica in quanto non è substrato dei trasportatori di glucosio e, inoltre, l’aggiunta del fosfato ha un effetto destabilizzante.

Il trasferimento del P all’OH del C6 è catalizzato dall’esochinasi che come tutte le altre chinasi per essere attiva richiede Mg2+ (o altri ioni metallici bivalenti come Mn2+). Lo ione metallico bivalente forma un complesso con l’ATP.

Il legame del glucosio induce un’ampia modificazione conformazionale nella struttura della proteina enzimatica. L’esochinasi è costituita da due lobi che si muovono avvicinandosi a seguito del legame del glucosio..La tasca presente tra i lobi si chiude ed il glucosio viene circondato interamente dalla proteina: l'unica regione a non essere completamente coperta è il carbonio in posizione 6, in grado così di accettare un gruppo fosfato. La chiusura della fessura indotta dal substrato è una caratteristica generale delle chinasi

Stadio 2

• Consiste nella scissione del fruttosio 1,6-bifosfato in due diversi frammneti tricarboniosi. Il glucosio 6-fosfato non viene scisso facilmente in due frammenti a 3 atomi di C diversamente dal fruttosio 6-fosfato

Stadio 2

• Il fruttosio 1,6-difosfato viene scisso in gliceraldeide 3-fosfato (GAP) e

• diidrossiacetone fosfato (DHAP)GAP

DHAP

acetone

I due composti sono isomeri che possono essere facilmente interconvertiti

Questa reazione è rapida e reversibile. All’equilibrio il 96% del trioso

fosfato è costituito da diidrossiacetone fosfato, però la rimozione del GAP

nelle reazioni successive sposta l’equilibrio a destra.

Stadio 3

• I precedenti passaggi della glicolisi hanno consumato 2 molecole di ATP.

• Lo stadio finale consiste in una serie di reazioni che raccolgono parte dell’energia contenuta nella gliceraldeide 3-fosfato sotto forma di ATP.

Stadio 3

• La GAP viene convertita in 1,3 bifosfoglicerato (1,3-BPG)

1) l’aldeide viene ossidata ad acido carbossilico dal NAD+ (ΔG= -50 KJ mol-1)

2) l’acido carbossilico lega il fosfato (ΔG~ 50 KJ mol-1)

La seconda è sfavorita, quindi i due processi devono essere accoppiati tramite un intermedio che si forma in seguito all’ossidazione dell’aldeide e che rimane legato all’enzima con un legame tioestere. Questo intermedio conserva parte dell’energia rilasciata dalla reazione di ossidazione

Formazione di ATP

• L’ 1,3 bifosfoglicerato è una molecola ad elevato contenuto energetico con un potenziale di trasferimento del grupp P più elevato dell’ATP. Quindi:

• 1,3-BPG + ADP + H+ 3-fosfoglicerato + ATP

Si erano formate 2 molecole di gliceraldeide 3-fosfato e quindi sono state prodotte 2 molecole di ATP

• Il 3-fosfoglicerato viene convertito in piruvato con formazione di ATP da ADP

Riordinamento molecolare

La disidratazione aumenta il potenziale di trasferimento del P perché introduce un doppio legame formando un enolo instabile.

Una volta che P è stato donato all’ATP si forma il chetone che è stabile

Si tratta di una serie di reazioni che inizialmente portano al consumo di 2 ATP per ogni molecola di glucosio, ma che poi permettono la produzione di 4 ATP, con un guadagno netto di 2 ATP

• Durante l’ossidazione della gliceraldeide 3-fosfato il NAD+ è stato ridotto a NADH. Nelle cellule la disponibiltà di NAD+ è limitata*. Quindi deve essere rigenerato affinchè la glicolisi possa procedere.

• La tappa finale della via glicolitica consiste nella rigenerazione del NAD+ attraverso il metabolismo del piruvato.

*Il NAD+ è un coenzima che deriva dalla niacina conosciuta come vitamina B3, componente essenziale della dieta dell’uomo. In natura una fonte di niacina è il petto di pollo. Una carenza di niacina porta alla pellagra

• La sequenza delle reazioni del glucosio a piruvato è simile nella maggioranza degli organismi e nei vari tipi di cellule.

• Invece il destino metabolico del piruvato può essere diverso:

• 1) conversione in etanolo• 2) conversione in lattato• 3) conversione in CO2 e H2O

Avvengono in assenza di ossigeno

• Le fermentazioni sono processi che generano ATP, in cui alcuni composti organici agiscono sia da donatori sia da accettori di e-.

• In presenza di ossigeno, che è la condizione più comune negli organismi pluricellulari e in molti organismi unicellulari, il piruvato viene metabolizzato a CO2 e acqua attraverso il ciclo del’acido citrico e la catena respiratoria. In queste condizioni l’ossigeno accetta elettroni e protoni per formare acqua.

1) conversione in etanolo• L’etanolo si forma nel lievito e in altri microrganismi. E’ un esempio di

fermentazione alcolica

1: decarbossilazione del piruvato

2: riduzione dell’acetaldeide a etanolo ad opera del NADH con produzione di NAD+

• Il risultato netto di questo processo anaerobico è:

• Glucosio + 2Pi + 2ADP + 2H+ 2etanolo + 2CO2 + 2ATP + 2H2O

• Il NAD+ e il NADH non compaiono anche se sono essenziali. Il NADH generato dall’ossidazione della gliceraldeide 3-fosfato viene consumato dalla riduzione dell’acetaldeide ad etanolo.

• L’etanolo che si forma fornisce l’ingrediente essenziale per la produzione della birra e del vino e la CO2 produce le bollicine di gas

2) conversione in lattato. Fermentazione lattica

Avviene anche nelle cellule degli organismi superiori quando la quantità di ossigeno disponibile è limitante come accade nel muscolo durante l’attività fisica

Il piruvato accetta gli elettroni dal NADH in una reazione catalizzata dalla lattato deidrogenasi

• La reazione globale è:

• Glucosio + 2Pi + 2ADP 2lattato + 2ATP +2H2O

• Il NADH formato nell’ossidazione della gliceraldeide 3-fosfato viene consumato nella riduzione del piruvato.

• La rigenerazione del NAD+ che si verifica nella riduzione del piruvato a lattato o etanolo sostiene la continuità del processo glicolitico in condizioni anaerobiche

3) conversione in CO2 e H2O. Condizioni aerobiche

• Durante la conversione del glucosio in lattato in condizioni anaerobiche viene rilasciata solo una piccola parte dell’energia contenuta nella molecola del glucosio.

• Molta più energia può essere estratta in condizioni aerobiche attraverso il ciclo dell’acido citrico e la catena di trasporto degli elettroni che ossidano completamente il glucosio a CO2 e H2O.

• Il punto di entrata della via ossidativa è l’acetil coenzima A (acetil CoA) che si forma dal piruvato all’interno del mitocondrio

• Piruvato + NAD+ + CoA acetil CoA + CO2 + H2O

• La fermentazione fornisce solo una frazione dell’energia che potrebbe rendersi disponibile dall’ossidazione completa del glucosio.

• Perché un processo metabolico di scarsa efficienza energetica viene utilizzato così ampiamente?

• La ragione principale consiste nel fatto che in queste vie non è necessaria la presenza di ossigeno.

• La capacità di sopravvivere senza ossigeno permette a molti microrganismi di adattarsi ad ambienti apparentemente inospitali come il sottosuolo, il fondo del mare o i pori della pelle.

Alcuni bacilli Gram + anaerobi obbligati (Clostridium) in determinate condizioni ambientali danno origine a spore.

Le spore sono forme di resistenza che consentono al batterio di sopravvivere in un ambiente a lui sfavorevole.

Spore del ClostridiumTetani

•Alcuni organismi anaerobi obbligati non sopravvivono in presenza di ossigeno

RIASSUMENDO

• Il glucosio è la principale fonte energetica dell'organismo, in grado di fosforilare l'ADP e trasformarlo in ATP. Le reazioni che portano alla rottura del glucosio o di altre molecole ad alto contenuto energetico, sono ossido riduzioni che avvengono in modo graduale; le prime tappe di questo complesso processo prendono il nome di glicolisi e avvengono nel citoplasma delle cellule; si tratta di una serie di reazioni che inizialmente portano al consumo di 2ATP per ogni molecola di glucosio, ma che poi permettono la produzione di 4 ATP, con un guadagno netto di 2 ATP. 4 gruppi fosfato si legano a molecole derivate dal glucosio e successivamente vengono ceduti per la formazione di 4 molecole di ATP. Durante il processo vengono inoltre prodotti 2 NADH. Al termine della glicolisi, il glucosio è stato trasformato in 2 molecole di acido piruvico, una molecola a 3 atomi di carbonio, che contiene ancora nei suoi legami una certa quantità di energia.