LA GLICOLISI

(1)

LA GLICOLISI

Giancarlo Dessì http://www.giand.it

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Appunti di biologia

(2)

GLICOLISI

o

VIA METABOLICA DI EMBDEN-MEYERHOF-PARNAS

Materie prime

- Glucosio o Fruttosio - ATP

- ADP

- NAD ossidato (NAD) - Acido fosforico

Prodotti

- Acido piruvico - ATP

- NAD ridotto (NADH

2

) - Acqua

Dove si svolge nel citoplasma

glucosio + 2 ADP + 2 Pi ++ 2 NAD 2 acido piruvico + 2 ATP + 2 NADH

²

+ 2 H

²

O

LA ATTUANO TUTTI GLI ORGANISMI

HA RENDIMENTO ENERGETICO BASSO

NON RICHIEDE OSSIGENO

(3)

STATI DI OSSIDAZIONE DEL CARBONIO

Lo 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 organica minima ossidazione (=massima riduzione), N.O.=-4: massima energia utile

massima ossidazione (=minima riduzione), N.O.=+4: energia utile nulla

RED = stato ridotto minima ossidazione

numero di ossidazione -4

OX = stato ossidato massima ossidazione numero di ossidazione +4

MASSIMA ENERGIA

ENERGIA

NULLA

(4)

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 H C

C H

H C H

C H

C H C

C C

C C H

C C

C C C -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 ossidazione

del 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

(5)

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 O C

C H

H C O

C H

C C O

C C

C O C

-2

-1

0 +1

(6)

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 C O 0

C H C O +1

C C C O +2

aldeide formica

altre aldeidi

chetoni

(7)

OSSIDAZIONE DEL CARBONIO: ACIDI CARBOSSILICI E 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 C O +2

O C C O +3

O C O +4

acido formico

altri acidi

anidride carbonica

L'anidride carbonica ha il massimo stato di

ossidazione del carbonio:

l'unico atomo ha infatti numero di ossidazione +4.

La CO

2

è un composto

inorganico: la sua molecola

non contiene energia utile

(8)

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 C OH

-1

H C OH H

H

OH C

HO H

H C OH H C O

-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 C O O

H 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 in

molecole in grado di cederla facilmente

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LE MATERIE PRIME DELLA GLICOLISI

GLUCOSIO

FRUTTOSIO

(10)

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

(11)

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

²

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 B

3

)

NAD: forma ossidata la molecola ha due elettroni in meno e una carica positiva

sull'atomo di azoto della niacina

NADH

²

: forma ridotta la 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

(12)

Le fasi della glicolisi FOSFORILAZIONE DEL GLUCOSIO

C

H C OH H C OH H

H

OH C

HO H

H C OH H C O

+ ATP C

H C OH H C OH H

H

OP C

HO H

H C OH H C O

+ 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

(13)

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 C OH H C OH H

H C OP

HO H

H C OH H C O

C

H C OH H C OH H

H

OP C

HO H

OH C

H H

O C

0 0

(14)

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. 6 con 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 C OH H C OH H

H

OH C

HO H C

H C OH H C OH H

H

OP C

HO H

OH C

H H

O OH C

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

(15)

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 C OH H C OH H

H C OP

HO H C

H C OH H C OH H

H

OP C

HO H

OP C

H H

O OH C

C H H

O C

+ ATP + ADP

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

0 0

(16)

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 C OH H C OH H

H

OP C

HO H

C

H C

H C OH H

H C OP

HO 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

(17)

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 C OH H

H

OP HO H C

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

(18)

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 NADH

2

Enzima:

fosfoglicerato deidrogenasi

C

H C OH 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 C OH H

H

OP C

O

+ 2 NAD + 2 P

O OP O

OP

+ 2 NADH

²

acido

1,3-difosfoglicerico

2 2

(19)

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 C OH H

H C

O

+0,67

+ 2 ADP O

OP O

OP

+ 2 ATP

acido

1,3-difosfoglicerico

C

H C OH H

H C

O

O OP O

OH

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

(20)

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 C OH H

H C

O

+0,67

O OP O

OH

acido

3-fosfoglicerico

C H

OH C

H

H C

O OP O

OH

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

(21)

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 O

OH

acido

fosfoenolpiruvico

+0,67

2 2

C H

OH C

H

H C

O OP O

OH

+ 2 H

²

O

L'enolasi appartiene al gruppo delle liasi enzimi che rompono un legame con

meccanismi differenti dalle idrolisi

(22)

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 O

OH

acido piruvico

+0,67

2 + 2 ADP 2 + 2 ATP

C

H C

H

H C

O O O

OH

Le chinasi sono enzimi che scambiano un gruppo fosfato tra una molecola

organica e una molecola di ADP o ATP

(23)

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 NADH

2

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

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LE TAPPE FONDAMENTALI glucosio o fruttosio

2 ATP 2 ADP

2 aldeide fosfoglicerica

2 NAD 2 NADH

²

2 P i

2 acido difosfoglicerico

2 acido fosfoenolpiruvico

2 ATP 2 ADP

2 H

²

O

2 ADP 2 ATP

2 acido piruvico

(25)

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 NADH

²

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 NADH

²

, invece, subiscono destini differenti in funzione del tipo di metabolismo

Aerobiosi

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

Il NADH

²

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 NADH

2

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.