Glicolisi

Question 1

Cos’è la glicolisi?

Answer 1

Processo CATABOLICO che consiste in una sequenza di 10 REAZIONI che metabolizzano una molecola di GLUCOSIO a DUE molecole di PIRUVATO con la produzione di 2 ATP e 2 NADH.
Il piruvato può andare incontro a FERMENTAZIONE ALCOLICA (etanolo), FERMENTAZIONE LATTICA (lattato) o OSSIDAZIONE COMPLETA formando CO₂ e H₂O (respirazione cellulare)

Question 2

Fasi della glicolisi

Answer 2

Avviene nel citoplasma e non ha bisogno di ossigeno.
Può essere divisa in due fasi

1.INVESTIMENTO ENERGETICO: due momenti in cui viene richiesto ATP. Si spende energia per creare molecole in grado di restituirla in seguito.
Glucosio viene fosforilato e scisso in due molecole di gliceraldeide 3 P.
Il glucosio nel liquido extracellulare è nella sua forma defosforilata ed entra nella cellula attraverso dei trasportatori GLUT. Qui viene fosforilato dall’esochinasi che dall’ATP trasferisce il P al glucosio formando glucosio 6 P. L’ATP diventa ADP. Il glucosio 6 P non può passare attraverso le cellule a causa delle cariche negative del P. I GLUT non riconoscono la forma fosforilata che rimane intrappolata. Il glucosio 6 P è un composto attivato che libera energia quando viene idrolizzato

2.RECUPERO ENERGETICO: si forma ATP e si utilizza NAD⁺. Le due molecole di gliceraldeide 3 P sono trasformate in piruvato con la formazione di 4 ATP e 2 NADH

Question 3

Reazione 1

Answer 3

Trasformazione del GLUCOSIO in GLUCOSIO 6 FOSFATO.
Il fosfato viene inserito formando un LEGAME ESTERE sul C6: intrappolamento del glucosio nella cellula.
L’energia per la formazione del legame viene fornita dall’idrolisi dell’ATP che genera ADP.
Sono due semireazioni:
1. IDROLISI DELL’ATP e la generazione del GRUPPO FOSFATO
2. LEGAME del FOSFATO con il GLUCOSIO
La reazione è CATALIZZATA dall’ESOCHINASI che è costituita da DUE LOBI che si muovono AVVICINANDOSI a seguito del legame con il GLUCOSIO. Il glucosio rimane intrappolato nella proteina ad eccezione del C6 che espone l’OH all’ESTERNO che può accettare il P dall’ATP.
L’esochinasi richiede Mg²⁺ che va a schermare le cariche negative dell’ATP. Questo rende possibile la reazione di fosforilazione che avviene mediante l’attacco del doppietto dell’ossigeno sul C6 sull’atomo di fosforo in γ. Questo consente la liberazione dell’ADP.
La reazione è ESOERGONICA, SPONTANEA (-16.7KJ/mol). E’ IRREVERSIBILE quindi l’equilibro opposto deve avvenire con un enzima diverso che rimuove il fosfato (fosfatasi).
PRIMO INVESTIMENTO ENERGETICO: UTILIZZO ATP

Question 4

Reazione 2

Answer 4

Trasformazione del GLUCOSIO 6 FOSFATO in FRUTTOSIO 6 FOSFATO (ISOMERIZZAZIONE).
E’ una reazione REVERSIBILE con un ΔG°’ prossimo allo 0 (+1.7KJ/mol) per cui all’EQUILIBRIO e che va in entrambe le direzioni. Dipende dalle concentrazioni dei metaboliti in un determinato momento della cellula. E’ CATALIZZATA dalla FOSFOESOSO ISOMERASI

Question 5

Reazione 3

Answer 5

Trasformazione del FRUTTOSIO 6 FOSFATO in FRUTTOSIO 1,6 BISFOSFATO (bis: P legati a due sostituenti diversi). Il fruttosio viene FOSFORILATO in C1.
La reazione è CATALIZZATA dalla FOSFOFRUTTOCHINASI 1 (PFK1). Il ΔG°’ è NEGATIVO (-14.2Kj/mol) per cui la reazione è ESOREGONICA, SPONTANEA e IRREVERSIBILE perché il processo inverso non è possibile (richiede +14.2KJ/mol e ha bisogno di un enzima diverso).
SECONDO INVESTIMENTO ENERGETICO: utilizza ATP (libera ADP).
Questa è la TAPPA LENTA (DI COMANDO) che viene REGOLATA e decide se la glicolisi deve andare avanti oppure no

Question 6

Reazione 4

Answer 6

SCISSIONE del FRUTTOSIO 1,6 BISFOSFATO in GLICERALDEIDE 3 FOSFATO e IDROSSIACETONE FOSFATO.
La reazione è CATALIZZATA dall’ALDOLASI che scinde il FRUTTOSIO 1,6 BISFOSFATO in due generando un GRUPPO ALDEIDICO nella GLICERALDEIDE 3 P e il DIIDROSSIACETONE P. La reazione è REVERSIBILE.
Il ΔG°’ è POSITIVO (+23.8KJ/mol) per cui è una reazione ENDOERGONICA che non avviene spontaneamente per cui deve essere aiutata: il DIIDROSSIACETONE P si INTERCONVERTE con la GLICERALDEIDE 3 P e subito la GLICERALDEIDE 3 P viene presa per le REAZIONI SUCCESSIVE ESOERGONICHE

Question 7

Reazione 5

Answer 7

ISOMERIZZAZIONE del DIIDROSSIACETONE P in GLICERALDEIDE 3 P. Il chetozucchero viene trasformato nell’aldozucchero corrispondente.
E’ una reazione ENDOERGONICA (+7.5KJ/mol), REVERSIBILE. Dal momento che solo la gliceraldeide 3 P può essere degradata nelle fasi successive, il diidrossiacetone P viene convertito in gliceraldeide 3 P dalla TRIOSO FOSFATO ISOMERASI

Question 8

Fine prima fase

Answer 8

Con questa reazione ha fine la prima fase di INVESTIMENTO ENERGETICO della glicolisi in cui sono avvenute DUE FOSFORILAZIONI DI SUBSTRATI e si sono formati DUE KEGAMI ESTERI AD ALTA ENERGIA.
Quindi da una molecola di glucosio sono state formate 2 molecole di GLICERALDEIDE 3 P e sono state utilizzate 2 molecole di ATP

Question 9

Reazione 6

Answer 9

Formazione dell’1,3 BISFOSFOGLICERATO dalla GLICERALDEIDE 3 FOSFATO.
E’ la prima reazione di OSSIDAZIONE della glicolisi (processo catabolico quindi accompagnato a ossidazione).
E’ una reazione di OSSIDORIDUZIONE in cui la GLICERALDEIDE si OSSIDA e il NAD⁺ si RIDUCE. Si produce la prima molecola di NADH.
La reazione è CATALIZZATA dalla GLICERALDEIDE 3 P DEIDROGENASI e può essere considerata come la somma di due reazioni:
1.OSSIDAZIONE dell’ALDEIDE ad ACIDO CARBOSSILICO mediata dal NAD⁺ (ΔG°’= -49.3 KJ/mol)
2. UNIONE dell’ACIDO CARBOSSILICO e dell’ORTOFOSFATO per formare il prodotto finale (LEGAME ANIDRIDICO che costa +50KJ/mol).
Le reazioni sono accoppiate: si forma un intermedio tioestere che ha un livello energetico che permette la seconda reazione (da sola non potrebbe avvenire).
Il ΔG°’ è di +6.3KJ/mol: reazione all’EQUILIBRIO quindi dipende dalle concentrazioni dei metaboliti se procedere in una o nell’altra direzione

Question 10

Reazione 7

Answer 10

Formazione del 3 FOSFOGLICERATO dall’1,3 BISFOSFOGLICERATO.
Il LEGAME ANIDRIDICO ALTAMENTE ENERGETICO dell’1,3 bisfosfoglicerato viene ROTTO generando una grande quantità di ENERGIA che serve all’ADP per poter essere FOSFORILATO ad ATP.
Nella reazione di idrolisi si ha la liberazione del P dall’1,3 BPG con generazione di energia e la formazione di un gruppo COOH. Il gruppo COOH stabilizzato per risonanza consente di avere un livello energetico più basso del 3 FOSFOGLICERATO. Questa reazione ha un ΔG°’ di -49.3KJ/mol ed è ACCOPPIATA alla sintesi di ATP da ADP e Pi che costa +30.5KJ/mol.
Queste reazioni accoppiate rendono il processo possibile con un ΔG°’ di -18.5KJ/mol.
La reazione è CATALIZZATA dalla FOSFOGLICERATO CHINASI e produce la prima molecola di ATP: PRIMO RECUPERO ENERGETICO.
Questa reazione ESOERGONICA compensa la SCISSIONE mediante ALDOLASI che era fortemente ENDOERGONICA

Question 11

Reazione 8

Answer 11

Conversione del 3 FOSFOGLICERATO a 2 FOSFOGLICERATO.
Il 3 fosfoglicerato va incontro ad uno SPOSTAMENTO del FOSFATO dalla POSIZIONE 3 alla POSIZIONE 2 grazie all’enzima FOSFOGLICERATO MUTASI.
La reazione è all’EQUILIBRIO (+4.4KJ/mol)

Question 12

Reazione 9

Answer 12

Conversione del 2 FOSFOGLICERATO in FOSFOENOLPIRUVATO.
Il 2 fosfoglicerato PERDE una molecola d’ACQUA andando a generare un DOPPIO LEGAME tra il C2 e il C3.
E’ una reazione CATALIZZATA dall’ENOLASI quasi all’EQUILIBRIO (+7.5KJ/mol):
disidratazione verso dx
idratazione verso sx

Question 13

Reazione 10

Answer 13

Conversione del FOSFOENOLPIRUVATO in PIRUVATO CATALIZZATA dalla PIRUVATO CHINASI.
Il PEP mediante idrolisi libera il gruppo P quindi un legame ad alta energia (rottura legame fosfoanidridico) recuperando -16KJ/mol.
Il processo di TAUTOMERIZZAZIONE dalla FORMA ENOLICA alla FORMA CHETONICA libera -46KJ/mol.
Sommando i due processi la reazione complessiva è di -61.9KJ/mol. Di questi +30.5KJ/mol vengono utilizzati per la sintesi di ATP.
Nonostante la formazione di ATP rimangono -31.4KJ/mol.
Si formano in realtà 2 molecole di ATP perché le molecole di gliceraldeide 3 P erano due: SECONDO RECUPERO ENERGETICO

Question 14

Regolazione

Answer 14

I punti di controllo della via metabolica sono rappresentati da ENZIMI ALLOSTERICI che hanno ΔG°’ NEGATIVI e che quindi non possono catalizzare la reazione inversa.
Nella GLICOLISI queste reazioni sono:
PRIMA catalizzata da ESOCHINASI (ΔG°’=-16.7KJ/mol)
TERZA catalizzata da FOSFOFRUTTOCHINASI (ΔG°’=-14.2KJ/mol)
DECIMA catalizzata da PIRUVATO CHINASI (ΔG°’=-31.4KJ/mol)
La loro somma determina un valore di energia liberata sufficiente a compensare le reazione endoergoniche

Question 15

Rapporto [ATP]/[AMP]

Answer 15

Nel muscolo scheletrico la glicolisi fornisce ATP per la CONTRAZIONE MUSCOLARE. Il muscolo risente della CARICA ENERGETICA sottoforma del RAPPORTO tra [ATP] e [AMP].

Se [ATP]/[AMP] è MAGGIORE di 1, la [ATP] quindi la carica energetica è ALTA. Per cui la cellula non si impegna in processi che vanno a consumare metaboliti per produrre ATP perché ce n’è già abbastanza.

Se [ATP]/[AMP] è MINORE di 1, la [AMP] è ALTA quindi la carica energetica è BASSA. La cellula deve produrre energia per cui viene attivata la glicolisi.

La glicolisi ha come effetto finale l’aumento della [ATP].

Question 16

Regolazione nel muscolo

Answer 16

Il glicogeno può essere degradato per formare glucosio 1 P che viene trasformato in glucosio 6 P da una fosfoglucomutasi che può entrare nella glicolisi saltando la prima reazione indipendentemente dall’attività dell’esochinasi. Per cui una regolazione sull’esochinasi non è importante.
La piruvato chinasi catalizza l’ultima reazione per cui è improbabile che sia il punto principale di controllo.
Quindi la FOSFOFRUTTOCHINASI è il PUNTO DI CONTROLLO PRINCIPALE della glicolisi

Question 17

Fosfofruttochinasi 1

Answer 17

E’ ATTIVATA da AMP e INIBITA da ATP e ALTA [H⁺] che si forma durante la fermentazione lattica: durante uno sforzo muscolare nei muscoli si può avere CARENZA di OSSIGENO. In condizioni di anossia non potendo fare la fosforilazione ossidativa si deve trovare un altro modo per riossidare i coenzimi e produrre ATP ossia la fermentazione lattica in cui si ottiene la riossidazione del NADH (prodotto dalla glicolisi) e si produce ATP. L’acido lattico che si forma in acqua ionizza formando lattato e rilasciando ioni H⁺ che fanno abbassare il pH e possono causare acidificazione del muscolo. Per cui la glicolisi viene bloccata per evitare un danno muscolare.
ATP si forma anche dalla reazione dell’ADENILATO CICLASI che con 2 ADP produce ATP e AMP che attiva PFK1

Question 18

Esochinasi

Answer 18

E’ INIBITA da un ECCESSO di GLUCOSIO 6 P (ci sono molti metaboliti che portano alla produzione di ATP quindi non c’è bisogno che la glicolisi vada avanti).
PKF1 inibita da ATP determina un ACCUMULO di FRUTTOSIO 6 P che ISOMERIZZA a GLUCOSIO 6 P che INIBISCE l’ESOCHINASI

Question 19

Muscolo a riposo e in contrazione

Answer 19

MUSCOLO A RIPOSO: il glucosio 6 P viene isomerizzato a fruttosio 6 P che viene trasformato dalla PFK1 in fruttosio 1,6 bisfosfato che va avanti nella glicolisi. la fruttosio 1,6 bisfosfatasi va a rimuovere il P rigenerando fruttosio 6 P. C’è un equilibrio in cui entrambi gli enzimi sono attivi e il muscolo non ha necessità di energia ne la spende

MUSCOLO IN CONTRAZIONE: ha bisogno di energia quindi si va a produrre ATP tramite la glicolisi e viene attivata la PFK1 per cui la reazione inversa non avviene perché al muscolo serve energia

Question 20

Piruvato chinasi

Answer 20

E’ INIBITA da ATP e in modo da diminuire la velocità al livello dell’ultima tappa ed è ATTIVATA da FRUTTOSIO1,6 BISFOSFATO che permette un flusso glicolitico veloce. Si parla di ATTIVAZIONE ANTEROGRADA: un metabolita prodotto in precedenza va ad attivare una tappa successiva. Questo consente alla PK di arrivare ad una velocità massima con una minore quantità di PEP

Question 21

Regolazione nel fegato

Answer 21

Il fegato è l’organo deputato alla DISTRIBUZIONE del GLUCOSIO: lo rileva nel sangue e regola il suo trasporto al muscolo per la contrazione muscolare, ai cardiomiociti per il funzionamento del cuore, al cervello, ma anche agli altri organi che lo metabolizzano mediante la glicolisi.
Il fegato utilizza il glucosio anche per la sintesi degli acidi grassi e altri composti che possono essere utilizzati come fonte energetica.
Inoltre il fegato può produrre i corpi chetonici dagli acidi grassi che possono passare la barriera ematoencefalica e arrivare al cervello che li utilizza come fonte di energia in assenza di glucosio.
Quindi il fegato non utilizza il fegato per la glicolisi ma lo rende disponibile per gli altri organi. Di fatto la glicolisi nel fegato non avviene mai perché avverrebbe a concentrazioni talmente elevate che non sono compatibili con un metabolismo normale

Question 22

Glucochinasi o esochinasi IV

Answer 22

Specifica per il fegato e il glucosio ma ha affinità minore.
E’ INIBITA da una PROTEINA REGOLATRICE NUCLEARE che la tiene SEQUESTRATA nel NUCLEO.
E’ ATTIVATA da GLUCOSIO che entra negli epatociti tramite GLUT 2 e determina la DISSOCIAZIONE della glucochinasi dalla proteina regolatrice e il suo trasferimento nel CITOSOL.
E’ INIBITA da FRUTTOSIO 6 P che trasferisce la glucochinasi nel NUCLEO dove si COMPLESSA con la proteina regolatrice

Question 23

Fosfofruttochinasi 1

Answer 23

E’ INIBITA da ATP e da CITRATO: quando la [citrato] è elevata significa che il catabolismo è andato avanti a partire dalla glicolisi ma anche da altre macromolecole quindi la glicolisi viene bloccata.
E’ ATTIVATA da AMP e ADP e da FRUTTOSIO 2,6 BISFOSFATO: la PFK1 produce fruttosio 1,6 bisfosfato da fruttosio 6 P ma questo può formare anche il FRUTTOSIO 2,6 BISFOSFATO tramite la PFK2 che non è un intermedio glicolitico ma funziona da ATTIVATORE ALLOSTERICO della PFK1 aumentando la velocità della tappa limitante della glicolisi

Question 24

Piruvato chinasi

Answer 24

E’ INIBITA da PKA (proteina chinasi A, cAMP dipendente) che la FOSFORILA quando la [GLUCOSIO] è BASSA rendendola INATTIVA (glucosio a disposizione di muscolo e cervello).
E’ ATTIVATA da DEFOSFORILAZIONE quando la [GLUCOSIO] è ALTA

Question 25

Insulina

Answer 25

Secreta dalle cellule β degli isolotti di Langerhans nel pancreas esocrino.
E’ costituita da due catene amminoacidiche legate insieme da ponti disolfuro. La proteina viene secreta con tre catene diverse: catena B all’N-term, peptide C intermedio e catena A al C-term (proinsulina). Il peptide C viene eliminato ma le catene A e B rimangono legate (proteina matura).
In condizioni di IPERGLICEMIA viene secreta insulina che favorisce l’entrata del glucosio nelle cellule. L’insulina si lega ad un RECETTORE tirosin-chinasico che dimerizza causando la FOSFORILAZIONE della sua porzione citosolica e il reclutamento di una VESCICOLA contenente i TRASPORTATORI GLUT 4 (presenti nelle cellule muscolari e adipociti) sulla membrana cellulare. Questi permettono l’ENTRATA del GLUCOSIO nella cellula favorendo la GLICOLISI.
Quando i livelli di glucosio si ABBASSANO, l’insulina non viene più secreta e i GLUT 4 lasciano la membrana con un meccanismo di endocitosi (endosoma)

Question 26

Glucagone

Answer 26

Secreto dalle cellule α degli isolotti del Langerhans nel pancreas esocrino. Ha una struttura completamente ad αELICA con una piccola zona non strutturata ed è costituito da 29 residui amminoacidici (prodotto come precursore che deve essere maturato).
In condizioni di IPOGLICEMIA viene secreto il glucagone che arriva al fegato dove promuove la GLICOGENOLISI producendo glucosio che entra nel sangue aumentando la glicemia.
Inoltre, INIBISCE la GLICOLISI nel fegato

Question 27

Adrenalina (epinefrina)

Answer 27

Ormone che deriva dal catecolo e appartiene ad un gruppo di molecole definite catecolammine. Viene secreta dalla midollare del surrene e rilasciata in risposta ad un’intensa attività fisica.
E’ un ormone definito “combatti o fuggi” che sostiene l’attività metabolica facilitando il RILASCIO del GLUCOSIO per soddisfare le richieste energetiche.
Inoltre, INIBISCE la GLICOLISI nel fegato