La glicòlisi è un processo metabolico attraverso il quale, in condizioni di anaerobiosi non stretta, una molecola di glucosio viene scissa in due molecole di piruvato al fine di generare molecole a più alta energia, come 2 molecole di ATP e 2 molecole di NADH per ogni molecola di glucosio utilizzata. Il termine deriva dal greco antico, γλυκύς (glykýs), che significa «dolce», e λύσις (lýsis), che significa «scissione»..
La glicolisi o via di Embden-Meyerhof-Parnas è il mezzo per ottenere energia più sfruttato in natura, soprattutto grazie alla sua anaerobioticità, sebbene non sia il più efficiente. Probabilmente esso si sviluppò con i primi procarioti circa 3,5 miliardi di anni fa.Romano AH, Conway T. (1996) Evolution of carbohydrate metabolic pathways. Res Microbiol. 147(6-7):448-55 PMID 9084754
In una prima fase del processo, composta da cinque passaggi, viene consumata energia (fase di consumo energetico) per ottenere dal glucosio molecole di un derivato del glucosio a più alta energia (gliceraldeide-3-fosfato), che verranno poi trasformate nella fase successiva, composta di altri cinque passaggi, in molecole nettamente meno energetiche di piruvato, con produzione di energia superiore a quella consumata nella prima fase. Il processo nel suo insieme è quindi di tipo catabolico, cioè in cui molecole più complesse ed energetiche, vengono trasformate in altre più semplici e meno energetiche, con accumulo di energia.
Le reazioni che compongono la glicolisi, ciascuna catalizzata da uno specifico enzima, avvengono nel citoplasma delle cellule; solo in alcuni protozoi come i tripanosomi e leishmanie avvengono in un organulo apposito, chiamato glicosoma.
Con il termine 'glicolisi' ci si riferisce di solito alla via di Embden-Meyerhof-Parnas, dai nomi di Gustav Embden, Otto Meyerhof e Jakub Parnas, i tre biochimici che maggiormente contribuirono a chiarirne il meccanismo, ma ci si può riferire anche alla via di Entner-Doudoroff e a varie vie metaboliche eterofermentative e omofermentative, alcuni organismi utilizzano infatti vie alternative ma estremamente simili alla glicolisi EMP, con enzimi o molecole variabili.
Scoperta della glicolisi
L'individuazione della via di degradazione dei glucidi fu uno dei primi grandi temi affrontati nell'Ottocento dalla nascente biochimica. Si può dire che la disciplina si sia sviluppata di pari passo con la scoperta progressiva di dettagli sempre maggiori sulle fermentazioni, di cui la glicolisi è parte integrante.
I primi studi su questi processi iniziarono nell'anno 1860, quando Louis Pasteur individuò i microorganismi come responsabili delle fermentazioni. Nel 1897 Hans e Eduard Buchner scoprirono per puro caso che le fermentazioni possono avvenire anche solo in presenza di semplici estratti cellulariPer estratto cellulare si intende la raccolta del citoplasma e di tutto il contenuto di una cellula in seguito alla sua lisi., smentendo il dogma ipotizzato da Pasteur, secondo cui i processi metabolici fossero possibili solo all'interno di una struttura vivente, come una cellula.
Nel 1905 Arthur Harden e William Young, andando più nel dettaglio, individuarono le due frazioni subcellulari necessarie per lo svolgimento di una fermentazione: una frazione termosensibile ad alto peso molecolare (quella contenente gli enzimi) ed una non termosensibile a basso peso molecolare (contenente ADP, ATP, NAD+ e altri cofattori).
Nei primi decenni del Novecento si studiarono intensamente gli estratti cellulari di muscoli e lieviti, responsabili delle fermentazioni lattica ed alcolica, che si scoprì successivamente condividere la maggior parte degli enzimi e dei metaboliti. Le difficoltà maggiori in questi studi erano essenzialmente legate alla breve emivita degli intermedi metabolici, che impediva di analizzare il processo in maniera stabile. Il pathway, in ogni caso, fu completamente caratterizzato nel 1940, attraverso i contributi vari di Gustav Embden, Otto Meyerhof, Jakub Parnas, Carl Neuberg, Otto Warburg, Gerty e Carl Cori.
Aspetti generali
La reazione completa della glicolisi è la seguente:
C6H12O6 + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 NADH + 2 C3H4O3 + 2 ATP + 2 H2O + 2 H+.
In tutti gli organismi, che non prevedono ulteriori degradazioni del piruvato, il processo ha una resa energetica di due molecole di ATP per ogni molecola di glucosio (Glc) o per qualsiasi altro zucchero esoso degradabile da questa via metabolica. Il catabolismo glucidico degli organismi che svolgono comunemente le fermentazioni, come i lieviti, dunque, si ferma al piruvato (che solitamente viene convertito in altre forme senza che ciò comporti ulteriori guadagni energetici).
Per gli organismi superiori, come ad esempio i mammiferi, la glicolisi è invece solo il primo passaggio della degradazione degli zuccheri. Le due molecole di ATP da essa ottenute sono solo una piccola parte del totale delle molecole di ATP ottenibili a partire da una molecola di glucosio, che possono arrivare fino a 30/32. Le cellule in grado di svolgere i successivi pathway aerobici (come il ciclo di Krebs), dunque, sono in grado di processare il piruvato, ossidandolo fino ad ottenere anidride carbonica ed acqua (catena di trasporto degli elettroni). Anche in questi organismi, in ogni caso, la glicolisi può diventare l'unico pathway (quando vi è carenza d'ossigeno) senza che il piruvato sia ulteriormente ossidato. Ciò può avvenire in caso di sforzo intenso (soprattutto nei tessuti energeticamente più esigenti, come i muscoli): in questo caso, il piruvato viene convertito ad acido lattico per riconvertire il NADH a NAD+ e bilanciarne le concentrazioni cellulari.
La glicolisi può essere suddivisa in due fasi: la prima fase è detta fase di investimento, la seconda è la fase di rendimento.
Fase di investimento Nella fase di investimento, il glucosio viene fosforilato a glucosio-6-fosfato ed infine scisso in due molecole di gliceraldeide-3-fosfato; ciò avviene attraverso l'utilizzo di due molecole di ATP. I primi cinque passaggi della via metabolica, dunque, comportano un consumo netto di energia.
FaseSubstratoEnzimaClasse dell'enzimaDescrizione1GlucosioGlcEsochinasiHKTransferasiQuesta fase utilizza ATP per fosforilare il glucosio. Questa reazione presenta una ΔG molto bassa: per questo motivo, la reazione è irreversibile.Necessaria è la presenza di Mg2+ il quale rende possibile la reazione sequestrando in un complesso le cariche negative dei fosfati dell'ATP.2 Glucosio-6-fosfatoG6PFosfoglucosio isomerasiPGIIsomerasiIl cambiamento di struttura è ottenuto attraverso una reazione redox, nella quale l'aldeide viene ridotta ad alcol ed il carbonio adiacente è ossidato a diventare un chetone. Sebbene la reazione non abbia una ΔG molto favorevole, è molto efficiente a causa delle basse concentrazioni di fruttosio-6-fosfato, metabolizzato molto velocemente nel passaggio seguente (questo fenomeno è comprensibile per la legge di azione di massa).3Fruttosio-6-fosfatoF6PFosfofruttochinasiPFK-1TransferasiIn questo passaggio c'è nuovamente dispendio di energia attraverso un'altra molecola di ATP. Tale spesa può essere giustificata in due modi: il processo glicolitico da qui in poi è irreversibile e l'energia fornita al glucide lo destabilizza. La reazione è attivata da alti livelli di AMP e Pi (quindi richiesta energetica da parte della cellula) mentre è inibita da alte concentrazioni di ATP e di citrato. Anche qui è importante la presenza di Mg2+. 4 Fruttosio 1,6-bisfosfatoF1,6BPAldolasiALDOLiasiLa molecola, destabilizzata dalla precedente reazione, è passibile di scissione da parte dell'aldolasi in due molecole glucidiche da tre atomi di carbonio: diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide 3-fosfato.5Diidrossiacetone fosfatoDHAPTrioso fosfato isomerasiTPIIsomerasiLa trioso fosfato isomerasi converte rapidamente il DHAP in gliceraldeide 3-fosfato.
Fase di rendimento Nella seconda fase, quella di rendimento, le due molecole di gliceraldeide-3-fosfato vengono trasformate in due molecole di piruvato con conseguente produzione di quattro molecole di ATP e due di NADH (per riduzione del NAD+), le quali permettono di rigenerare anche il pool di molecole riducenti presenti nella cellula. Questa seconda fase, dunque, vede un recupero di energia, che porta l'intero pathway glicolitico ad un guadagno netto di energia. FasSubstratoEnzimaClasse dell'enzimaDescrizione6Gliceraldeide 3-fosfatoGADPGliceraldeide 3-fosfato deidrogenasiGAPOssidoreduttasiI triosi sono ossidati (attraverso il prelievo di un idrogeno) e addizionati di un fosfato inorganico. L'idrogeno viene utilizzato per ridurre due molecole di NAD+, che diventano NADH + H+.7 1,3-bisfosfoglicerato1,3BPGFosfoglicerato chinasiPGKTransferasiLa reazione media la conversione di ADP ad ATP, attraverso il trasferimento enzimatico di un gruppo fosfato presente sul glucide. È un esempio di fosforilazione a livello del substrato.83-fosfoglicerato3PGFosfoglicerato mutasiPGAMIsomerasiLa reazione media lo spostamento del gruppo fosfato dalla posizione 3 alla posizione 2 per disporre lo stesso in posizione più favorevole.92-fosfoglicerato2PGEnolasiENOLiasiUna molecola di H2O viene rimossa dalla posizione 2 per concentrare ulteriore energia chimica in prossimità del gruppo fosfato.10FosfoenolpiruvatoPEPPiruvato chinasiPKTransferasiSi tratta di un altro esempio di fosforilazione a livello del substrato, che converte una molecola di ADP in una di ATP, formando piruvato (Pyr).
Risultato netto della glicolisi La produzione finale del piruvato è necessaria per il ciclo di Krebs (detto anche ciclo degli acidi tricarbossilici o dell'Acido Citrico), dove vengono prodotti i coenzimi ridotti (NAD ridotto e FAD ridotto) che, riossidandosi nella catena respiratoria, produrranno molecole di ATP.
Il guadagno complessivo della glicolisi risulta essere, pertanto, di due molecole di ATP e due di NADH, come indica la già citata reazione complessiva:
Glucosio + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 NADH + 2 piruvato + 2 ATP + 2 H2O + 2 H+ tale via metabolica si verifica incessantemente nel citosol, pertanto si richiede nel citosol continua disponibilità di glucosio, ADP, Pi e NAD; di glucosio c'è continua disponibilità (via GLUT o dalla glicogenolisi o dalla gluconeogenesi) così pure di ADP e Pi (da varie vie anaboliche) non c'è invece disponibilità di NAD che deve perciò essere rigenerato dall'ossidazione del NADH, che può avvenire grazie al metabolismo mitocondriale (si parla in quel caso di glicolisi aerobica) o tramite la riduzione del piruvato a lattato (trattasi in quel caso di glicolisi anaerobica).
Tappe della glicolisi Prima parte (Fase di investimento) La prima parte della glicolisi consiste anzitutto nella conversione del glucosio in glucosio-6-fosfato, tramite l'aggiunta di un gruppo fosfato al carbonio 6, per impedire alla molecola di uscire dalla cellula, consumando la prima molecola di ATP. Dopodiché il Glucosio-6-fosfato viene trasformato in Fruttosio-6-fosfato sfruttando la reazione di tautomeria cheto-enolica. A questo punto, consumando la seconda molecola di ATP, avviene il passaggio a fruttosio 1,6-bisfosfato, aggiungendo un secondo gruppo fosfato, stavolta sul carbonio 1: tale conversione genera di fatto un intrappolamento della molecola glucidica nella cellula (il fosfato carica infatti la molecola, impedendole di attraversare la membrana cellulare). Il fruttosio 1,6-bisfosfato, oltre ad essere una molecola carica, è anche facilmente scindibile in due molecole più piccole da tre atomi di carbonio: queste due molecole saranno i substrati della seconda fase della via metabolica. I passaggi enzimatici della prima fase sono di seguito riportati. Reazione 1: esochinasi