LA GLICOLISI

Giancarlo Dessìhttp://www.giand.it

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Appunti di biologia

GLICOLISIo

VIA METABOLICA DI EMBDEN-MEYERHOF-PARNAS

Materie prime- Glucosio o Fruttosio- ATP- ADP- NAD ossidato (NAD)- Acido fosforico

Prodotti- Acido piruvico- ATP- NAD ridotto (NADH2)- Acqua

Dove si svolgenel citoplasma

glucosio + 2 ADP + 2 Pi ++ 2 NAD 2 acido piruvico + 2 ATP + 2 NADH2 + 2 H2O

LA ATTUANO TUTTI GLI ORGANISMI

HA RENDIMENTO ENERGETICO BASSO

NON RICHIEDE OSSIGENO

STATI DI OSSIDAZIONE DEL CARBONIOLo stato di ossidazione del carbonio è dato dal numero di legami formati con atomi più elettronegativi e misura l'energia chimica di legame accumulata in una molecola organicaminima ossidazione (=massima riduzione), N.O.=-4: massima energia utilemassima ossidazione (=minima riduzione), N.O.=+4: energia utile nulla

RED = stato ridottominima ossidazionenumero di ossidazione -4

OX = stato ossidatomassima ossidazionenumero di ossidazione +4

MASSIMAENERGIA

ENERGIANULLA

STATI DI OSSIDAZIONE DEL CARBONIO: IDROCARBURI

Gli idrocarburi hanno molecole contenenti solo legami C-C e C-H

Sono i composti organici con il massimo contenuto di energia chimica utile

H

H

H

HC

C

H

H

HC

C

H

C

HC

C

C

C

HCC

C

C

CC

-4

-3

-2

-1

0

METANO: tutti i legami sono formati con l'idrogeno (meno elettronegativo)Il metano è la molecola organica con il minimo stato di ossidazionedel carbonio e con il più alto contenuto di energia chimica

Negli altri idrocarburi, alcuni atomi di carbonio sono legati con altri atomi di carbonio e avranno un numero di ossidazione più alto e il contenuto di energia chimica si abbassa

OSSIDAZIONE DEL CARBONIO: ALCOLI

Gli alcoli hanno molecole contenenti anche uno o più legami semplici C-O

Sono composti organici ricchi di energia ma meno rispetto agli idrocarburi

H

H

H

OC

C

H

H

OC

C

H

C

OC

C

C

C

OC

-2

-1

0

+1

OSSIDAZIONE DEL CARBONIO: ALDEIDI E CHETONI

Aldeidi e chetoni hanno molecole contenenti anche uno o più legami doppi C=O

Sono composti organici meno ricchi di energia rispetto ad alcoli e idrocarburi

H

H OC

0

C

H OC

+1

C

C OC

+2

aldeideformica

altrealdeidi

chetoni

OSSIDAZIONE DEL CARBONIO: ACIDI CARBOSSILICIE ANIDRIDE CARBONICA

Gli acidi carbossilici hanno molecole contenenti almeno un atomo che forma un legame semplice C-O e un legame doppio C=O

Il gruppo carbossilico è quello con lo stato di ossidazione più avanzato

O

H OC

+2

O

C OC

+3

O OC

+4

acidoformico

altriacidi

anidridecarbonica

L'anidride carbonica ha il massimo stato di ossidazione del carbonio: l'unico atomo ha infatti numero di ossidazione +4.

La CO2 è un composto inorganico: la sua molecola non contiene energia utile

L'OSSIDAZIONE DEL CARBONIO NELLA GLICOLISI

Gli zuccheri sono polialcoli contenenti un gruppo carbonile

Il loro stato di ossidazione corrisponde a quello degli alcoli più ossidati

Negli esosi (glucosio, fruttosio) il numero di ossidazione medio del carbonio è 0

C

H OHC

-1

H OHC

H

H

OHC

HO H

H OHC

H OC

-1

0

0

0

0

Nella glicolisi la molecola di un esoso viene prima suddivisa in due molecole più piccole, composte da 3 atomi di carbonio (trioso).

Il trioso viene poi ossidato ottenendo un acido carbossilico ad alto stato di ossidazione: l'acido piruvico

OH

C OC

OH

H

H

C

-3 +2 +3

Nell'acido piruvico il numero di ossidazione medio del carbonio è +0,67

L'ossidazione biologica del carbonio libera energia utile che viene accumulata inmolecole in grado di cederla facilmente

LE MATERIE PRIME DELLA GLICOLISI

GLUCOSIO

FRUTTOSIO

L'ACCUMULATORE DI ENERGIA DELLA GLICOLISI:

il sistema ADP / ATP

ATP (adenosina tri fosfato)

ADP (adenosina di fosfato)

accumulatore CARICO

accumulatore SCARICO

L'energia utile liberata in alcune tappe di un processo di ossidazione, viene accumulata con il trasferimento di un gruppo fosfato alla molecola dell'ADP

IL TRASPORTATORE DI IDROGENO E DI ELETTRONI: il sistema NAD / NADH2

Nicotinammide adenina dinucleotide: è un coenzima ossidoriduttivo.Coadiuva gli enzimi nelle reazioni redox che spostano gli elettroni con la deidrogenazione. È composto da due nucleotidi in cui una delle basi azotate è la nicotinammide, un derivato della niacina (detta anche vitamina PP o vitamina B3)

NAD: forma ossidatala molecola ha due elettroni in meno e una carica positiva sull'atomo di azotodella niacina

NADH2: forma ridottala molecola della niacina acquista uno ione idrogeno e due elettroni. Un altro ione idrogeno resta disperso nel mezzo e porta la carica positiva che aveva l'azoto nella forma ossidata

Le fasi della glicolisi FOSFORILAZIONE DEL GLUCOSIO

C

H OHC

H OHC

H

H

OHC

HO H

H OHC

H OC

+ ATPC

H OHC

H OHC

H

H

OPC

HO H

H OHC

H OC

+ ADP

glucosio glucosio-6-fosfato

La via metabolica prende inizio, di norma, dal glucosio. Con la spesa di una mole di ATP, il glucosio viene “attivato” con l'aggiunta di un gruppo fosfato al carbonio n. 6

Enzima: esochinasi

Le chinasi sono enzimi che scambiano un gruppo fosfato tra una molecola organica e una molecola di ADP o ATP

0 0

Le fasi della glicolisi ISOMERIZZAZIONE DEL GLUCOSIO-6-P

glucosio-6-fosfato fruttosio-6-fosfato

Il glucosio fosforilato viene convertito nel suo isomero, il fruttosio fosforilato, per spostamento del gruppo carbonile dal carbonio n. 1 al carbonio n. 2

Enzima:fosfogluco isomerasi

Le isomerasi sono enzimi che convertono un composto in un suo isomero

C

H OHC

H OHC

H

H

OPC

HO H

H OHC

H OC

C

H OHC

H OHC

H

H

OPC

HO H

OH

C

H

H

O

C

0 0

Le fasi della glicolisi FOSFORILAZIONE DEL FRUTTOSIO

fruttosio fruttosio-6-fosfato

La glicolisi può iniziare anche a partire dal fruttosio, che viene fosforilato sul carbonio n. 6con la spesa di una mole di ATP come nel glucosio. In questo caso viene saltata una tappa, ovvero l'isomerizzazione da glucosio-6-P a fruttosio-6-P

Enzima:esochinasi

C

H OHC

H OHC

H

H

OHC

HO H C

H OHC

H OHC

H

H

OPC

HO H

OH

C

H

H

O

COH

C

H

H

O

C

+ ATP + ADP

0 0

Le chinasi sono enzimi che scambiano un gruppo fosfato tra una molecola organica e una molecola di ADP o ATP

Le fasi della glicolisi FOSFORILAZIONE DEL FRUTTOSIO-6-P

fruttosio-6-fosfato fruttosio-1,6-difosfato

Con la spesa di un'altra mole di ATP, il fruttosio-6-fosfato viene ancora fosforilato, con l'aggiunta di un gruppo fosfato al carbonio n. 1.

Enzima:fosfofrutto chinasi

C

H OHC

H OHC

H

H

OPC

HO H C

H OHC

H OHC

H

H

OPC

HO H

OP

C

H

H

O

COH

C

H

H

O

C

+ ATP + ADP

Le chinasi sono enzimi che trasferiscono il gruppo fosfato dall'ATP su una molecola

0 0

Le fasi della glicolisi SCISSIONE DEL FRUTTOSIO-1,6-DP

fruttosio-1,6-difosfato

La catena di 6 atomi di carbonio si divide in due catene, con formazione di due triosi fosforilati: un chetone (diidrossiacetone-P) e un'aldeide (aldeide 3-P-glicerica), I due triosi sono isomeri.

Enzima:aldolasi

C

H OHC

H OHC

H

H

OPC

HO H

C

H C

H OHC

H

H

OPCHO H

OP

C

H

H

O

C

OP

C

H

H

O

C

+

L'aldolasi appartiene al gruppo delle liasi enzimi che rompono un legame con meccanismi differenti dalle idrolisi

H

O

diidrossiacetonfosfato aldeide 3-fosfoglicerica

0 0 0

Le fasi della glicolisi ISOMERIZZAZIONE DEL DIIDROSSIACETONE-P

Fra i due triosi isomeri c'è un equilibrio, ma la glicolisi procede con la trasformazione dell'aldeide 3-fosfoglicerica, perciò il diidrossiacetone-P si trasforma per isomerizzazione nell'aldeide (equilibrio spostato a destra)

Enzima:triosofosfato isomerasi

C

H C

H OHC

H

H

OPCHO H

OP

C

H

H

O

C

H

O

diidrossiacetonfosfato aldeide 3-fosfoglicerica

0 0

Le isomerasi sono enzimi che convertono un composto in un suo isomero

Le fasi della glicolisi OSSIDAZIONE DELL'ALDEIDE 3-P-GLICERICA

In un processo che si svolge in tre tappe (idratazione, deidrogenazione, fosforilazione), il gruppo carbonilico dell'aldeide viene ossidato a gruppo carbossilico e fosforilato, con formazione dell'acido difosfoglicerico. L'ossidazione trasferisce due elettroni e un atomo di idrogeno sul coenzima NAD, che viene perciò ridotto a NADH2

Enzima:fosfoglicerato deidrogenasi

C

H OHC

H

H

C

O

aldeide 3-fosfoglicerica

0 +0,67

Le deidrogenasi sono enzimi che rimuovono atomi di idrogeno da un composto

H C

H OHC

H

H

OPC

O

+ 2 NAD + 2 P

OOP

OOP

+ 2 NADH2

acido 1,3-difosfoglicerico

2 2

Le fasi della glicolisi DEFOSFORILAZIONE DELL'ACIDO DIFOSFOGLICERICO

L'acido difosfoglicerico subisce una defosforilazione, con trasferimento del gruppo fosfato dal carbonio n. 1 dell'acido all'ADP. La defosforilazione produce perciò due moli di ATP e recupera la spesa energetica iniziale

Enzima:fosfoglicerato chinasi

C

H OHC

H

H

C

O

+0,67

+ 2 ADP

OOP

OOP

+ 2 ATP

acido 1,3-difosfoglicerico

C

H OHC

H

H

C

O

OOP

OOH

acido 3-fosfoglicerico

+0,67

2 2

Le chinasi sono enzimi che scambiano un gruppo fosfato tra una molecola organica e una molecola di ADP o ATP

Le fasi della glicolisi ISOMERIZZAZIONE DELL'ACIDO 3-P-GLICERICO

Il gruppo fosfato dell'acido fosfoglicerico viene spostato dal carbonio n. 3 al carbonio n. 2.

Enzima:fosfoglicerato mutasi

C

H OHC

H

H

C

O

+0,67

OOP

OOH

acido 3-fosfoglicerico

C

H

OH

C

H

H

C

O

OP

OOH

acido 2-fosfoglicerico

+0,67

2 2

Le mutasi sono enzimi che spostano gruppi fosfato all'interno di molecole organiche. Appartengono al gruppo delle isomerasi

Le fasi della glicolisi DISIDRATAZIONE DELL'ACIDO 2-P-GLICERICO

L'acido 2-fosfoglicerico subisce una disidratazione, ovvero l'allontamento di una molecola d'acqua per separazione dell'idrogeno del carbonio n. 2 e dell'ossidrile del carbonio n. 3.Si forma un acido enolico, ovvero un composto provvisto di un gruppo ossidrile associato ad un doppio legame tra carbonio e carbonio.Questa reazione è il preludio alla successiva defosforilazione.

Enzima:enolasi

+0,67

acido 2-fosfoglicerico

C

C

H

H

C

O

OP

OOH

acido fosfoenolpiruvico

+0,67

2 2

C

H

OH

C

H

H

C

O

OP

OOH

+ 2 H2O

L'enolasi appartiene al gruppo delle liasi enzimi che rompono un legame con meccanismi differenti dalle idrolisi

Le fasi della glicolisi DEFOSFORILAZIONE DELL'ACIDO FOSFOENOLPIRUVICO

Questa reazione si svolge in due tappe (defosforilazione, tautomeria cheto-enolica). L'acido fosfoenolpiruvico viene defosforilato e, successivamente, l'acido enolico subisce un'isomerizzazione (tautomeria) che lo trasforma in un chetoacido: l'acido piruvico.Nel processo si producono altre due moli di ATP, permettendo un guadagno netto sotto l'aspetto del bilancio energetico.

Enzima:fosfoenolpiruvato chinasi

+0,67

acido fosfoenolpiruvico

C

C

H

H

C

O

OP

OOH

acido piruvico

+0,67

2 2+ 2 ADP + 2 ATP

C

H

C

H

H

C

O

O

OOH

Le chinasi sono enzimi che scambiano un gruppo fosfato tra una molecola organica e una molecola di ADP o ATP

LE TAPPE FONDAMENTALI

Per avviare la glicolisi, lo zucchero a 6 atomi di carbonio (glucosio, fruttosio) deve essere “attivato” ovvero deve essere fosforilato.

La catena di 6 atomi di carbonio viene scissa in due catene a 3 atomi di carbonio (aldeide fosfoglicerica)

Il trioso ottenuto dalla scissione dell'esoso viene ossidato a ossiacido (acido fosfoglicerico)

Questa fase produce 2 moli di NADH2

Questa fase consuma 2 moli di ATP

Defosforilazione e disidratazione dell'acido

Nelle tappe finali, la catena “attivata” viene defosforilata e disidratata fino ad ottenere il prodotto finale, l'acido piruvico

Questa fase produce 4 moli di ATP

Attivazione di un esoso per fosforilazione

Rottura della catena di 6 atomi di carbonio

Il gruppo carbonile è ossidato a gruppo carbossile

LE TAPPE FONDAMENTALI glucosio o fruttosio

2 ATP2 ADP

2 aldeide fosfoglicerica

2 NAD2 NADH2

2 Pi

2 acido difosfoglicerico

2 acido fosfoenolpiruvico

2 ATP2 ADP

2 H2O

2 ADP2 ATP

2 acido piruvico

E DOPO LA GLICOLISI? Un processo biochimico si arresta quando i suoi prodotti saturano il mezzo. Affinché la glicolisi proceda è necessario che l'acido piruvico, l'ATP e il NADH2 siano rimossi dal mezzo.

L'ATP è impiegato in tutti i processi vitali per la cellula o per l'organismo di cui fa parte, perciò è sistematicamente rimosso

Acido piruvico e NADH2, invece, subiscono destini differenti in funzione del tipo di metabolismo

Aerobiosi

L'acido piruvico è usato per alimentare il ciclo di Krebs

Il NADH2 è impiegato per la catena di trasporto degli elettroni.

In entrambi i processi, parte integranti della respirazione, il risultato è la produzione di altro ATP

Anaerobiosi

Il NADH2 è impiegato per la riduzione dell'acido piruvico nelle fasi finali di un processo di fermentazione.

Queste fasi non permettono l'estrazione di ulteriore energia utile, ma consentono la sopravvivenza della cellula con la sola glicolisi.