La glicolisi: schema dal glucosio al piruvato

Si frequentano le palestre, si fa jogging, si sceglie di fare una passeggiata per “bruciare” le calorie accumulate. Ma cos’è una caloria?
La caloria è un’unità di misura dell’energia tant’è che i suoi valore possono essere trasformati in joule (1cal = 4,19J). Ciò vuol dire che gli zuccheri presenti negli alimenti hanno un contenuto energetico quantificabile. Lo zucchero infatti viene assimilato dalle cellule e la sua energia interna viene trasformata in ATP, la moneta energetica biologica.

Il glucosio (C₆H₁₂O₆) è lo zucchero più diffuso nel nostro pianeta e gli esseri viventi sono in grado di metabolizzarlo attraverso la glicolisi, che rappresenta la prima via di demolizione del glucosio e degli altri carboidati esosi (ovvero a 6 atomi di carbonio, come il galattosio e il fruttosio). Il termite glicolisi deriva infatti dal greco glykys (dolce) e lysis (scissione).

La glicolisi è schematizzabile in 10 reazioni che avvengono una dopo l’altra in ordine preciso, e che portano alla formazione di cofattori ridotti (NADH), ATP e piruvato (C₃H₃O₃^-). L’equazione netta della reazione è la seguente:

   C₆H₁₂O₆ + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi     →    2C₃H₃O₃^- + 2H+ + 2NADH + 2ATP + 2H₂O

Questa reazione avviene nel citosol, quindi è comune ai procarioti e agli eucarioti, ed è una delle più diffuse fra i viventi. La sequenza delle reazioni che potete vedere nell’immagine di seguito è necessaria per la riuscita del processo, ed enzimi specifici permettono che ciò accada correttamente.

La glicolisi porta in definitiva a un guadagno netto di 2 molecole di ATP e 2 di NADH per ciascuna molecola di glucosio.

I 10 passaggi della glicolisi sono quindi i seguenti. Tra parenetesi le più comuni abbreviazioni delle molecole coinvolte in questo pathway metabolico.

1. Il glucosio (Glu) viene fosforilato a glucosio-6-fosfato (G6P) dall'enzima esochinasi, che utilizza ATP come donatore di fosfato, idrolizzandolo ad ADP.
2. G6P viene convertito nel suo isomero fruttosio-6-fosfato (F6P) dall'enzima fosfoglucosio isomerasi.
3. F6P viene fosforilato a fruttosio-1.6-bisfosfato (FBP) dall'enzima fosfofruttochinasi-1 (PFK1), che idrolizza ATP ad ADP.
4. FBP viene scisso in due molecole, il diidrossiaceton fosfato (DHAP) e la gliceraldeide-3-fosfato (G3P) dall'enzima aldolasi.
5. DHAP viene convertito nel suo isomero G3P dall'enzima trioso fosfato isomerasi.
6. Ogni G3P viene fosforilato e poi ossidato a 1,3 bifosfoglicerato (1-3BPG) dall'enzima gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi, che non consuma ATP per la fosforilazione, ma usa direttamente fosfato inorganico presente nella cellula. L'altro cofattore usato dell'enzima è il NAD⁺ che viene qui ridotto a NADH. La reazione presenta un intermedio in cui il substrato e l'enzima risultato legati covalentemente mediante l'amminoacido cisteina, che presenta un gruppo -SH (chiamato tiolo).
7. 1-3BPG cede uno dei due gruppi fosfato (quello legato al carbonio 1, C1) all'ADP, ottenendo ATP e 3-fosfoglicerato (3PG), in una reazione catalizzata dall'enzima fosfoglicarato chinasi. Questo tipo di aggiunta di un gruppo fosfato viene chiamato fosforilazione a livello del substrato.
8. 3PG viene convertito nell'isomero 2-fosfoglicerato (2PG) dall'enzima fosfoglicerato mutasi.
9. 2PG perde una molecola d'acqua a causa dall'enzima enolasi, che sintetizza il fosfoenolpiruvato (PEP), molecola in grado di cedere facilmente il proprio gruppo fosfato.
10. PEP cede il gruppo fosfato all'ADP, fosforilandolo ad ATP, nella reazione catalizzata dalla piruvato chinasi. PEP si trasforma nella forma enolica del piruvato (Pyr), che immediatamente isomerizza nella forma chetonica, molto più stabile: questo processo viene chiamato tautomeria cheto-enolica. Questo dettaglio non è per niente superfluo, in quanto la sottrazione del prodotto finale della piruvato chinasi spinge questa reazione (e le altre della glicolisi) verso la sintesi di ATP e la fine della glicolisi.

La glicolisi può essere quindi divisa in una fase preparatoria (passaggi 1-5), in cui la cellula “investe” 2 ATP per aggiungere un gruppo fosfato al substrato (fosforilazione), mediante le due chinasi, e in una fase di recupero energetico (passaggi 6-10), nella quale la cellula produce 4 ATP e 2 NADH. Questo avviene perché in questa fase si parte dalle 2 molecole di gliceraldeide-3-fosfato (G3P) prodotte alla fine della fase precedente.
Il NAD⁺ viene ridotto a NADH in quanto utilizzato nel passaggio di ossidazione del substrato (G3P) dall’enzima deidrogenasi: di fatto la reazione completa della glicolisi è una ossido-riduzione. I cofattori ridotti possono essere utilizzati nei mitocondri per sintetizzare ulteriore ATP sulla membrana interna, in caso di presenza di ossigeno (aerobiosi), o sulla membrana esterna (anaerobiosi).

Dalle due molecole di piruvato ottenute si può ricavare altra energia con ulteriori ossidazioni nei mitocondri mediante il ciclo di Krebs. In alternativa il piruvato puà essere trasformato in altre molecole in modo da recuperare i cofattori ossidati (NAD⁺) mediante la fermentazione. Esempi classici di fermentazione sono quelle che portano alla produzione di etanolo (fermentazione alcolica) e di acido lattico (fermentazione lattica).

La glicolisi è finemente regolata soprattutto a livello dei passaggi fortemente esoergonici, ovvero quei passaggi dove viene liberata energia. In particolare le reazioni della glicolisi che hanno questa caratteristica sono la n°1, 3 e 10. Le altre reazioni sono in equilibrio fra prodotti e substrati, per questo motivo esiste la gluconeogenesi, ovvero la reazione che permette la sintesi di glucosio a partire da piruvato. Questa via viene attivata in particolari condizioni cellulari, per esempio quando è presente un substrato non fermentabile, come l'etanolo, come unica fonte di carbonio: la necessità di "risalire" la glicolisi è principalmente legata al fatto che i vari intermedi sono utili anche in altre vie metaboliche vitali per la cellula, come per esempio la sintesi degli acidi grassi.

La glicolisi è considerata la via di metabolismo centrale dei viventi e per questo motivo i geni che codificano per questi enzimi sono costitutivi, ovvero sempre espressi fra le varie specie. Poichè il glucosio è la fonte di carbonio ed energia prediletta dalle cellule, i pathway metabolici di altri zuccheri, come per esempio il galattosio, risultano repressi. Questo fenomeno viene chiamato glucose repression, e consiste nella regolazione dell'espressione genica dei geni coinvolti per esempio nel metabolismo del galattosio (geni GAL) da parte del glucosio.