Glicolisi – La Guida: conoscerla e comprenderla

La Glicolisi: che cos’è?

Nello Sport si sente spesso parlare di acido lattico e metabolismo anaerobico, due concetti spesso fraintesi dagli addetti ai lavori poiché non pratici ad alcune vicende chiave del metabolismo energetico, tra cui la glicolisi.

Ogni giorno, i metabolismi aerobici ed anaerobici permettono di svolgere processi metabolici fondamentali. Un esempio è il metabolismo dei globuli rossi, muniti di un metabolismo prettamente glicolitico, ovvero anaerobico.

Cerchiamo di vedere in questo articolo che cos’è la glicolisi e come un processo come questo sia complesso in modo da poter comprendere i molti aspetti delle attività motorie e sportive.

Il termine glicolisi è un termine greco che possiamo tradurre in “rottura” o “scissione dello zucchero”.

In questo processo, infatti, viene utilizzata una molecola di glucosio per produrre energia ed in particolare 2 ATP e 2 NADH.

Glicolisi: la prospettiva molecolare

Cerchiamo di capire cosa succede nella glicolisi e perché questo processo è diviso in 10 reazioni che portano alla formazione del piruvato.

Ogni processo biochimico non arriva direttamente al prodotto finale, poiché sarebbe sconveniente dal punto di vista energetico. Al contrario, si generano diversi intermedi di reazione che permettono alla cellula di “gestire” meglio i singoli passaggi.

Questi sistemi sono stati perfezionati in milioni di anni e questo ha permesso di sviluppare organismi complessi come l’essere umano.

Affinché le singole reazioni possano avvenire è necessario disporre di sostanze, principalmente proteiche, in grado di far interagire tra loro le diverse molecole: gli enzimi.

Prima di parlare di quali enzimi subentrino nella glicolisi parleremo solo di tutte le molecole che vengono prodotte, per agevolare il lettore a comprendere le chiavi di interpretative per studiare questo processo biochimico.

La prima fase della glicolisi: fase di investimento

La glicolisi parte da una molecola di glucosio che viene fosforilata. Questa possiamo definirla la prima tappa della glicolisi.

La fosforilazione prevede un trasferimento di un gruppo fosfato dall’ATP alla molecola di glucosio. Questo trasformerà l’ATP in ADP e il glucosio in glucosio-6-fosfato.

Una volta che il glucosio-6-fosfato (G6P) è stato generato, avverrà un’isomerizzazione, cioè un cambio conformazionale che trasformerà la molecola di G6P in fruttosio-6-fosfato (F6P). Questa è la seconda tappa della glicolisi.

Durante uno sforzo fisico intenso l’aumento delle concentrazioni di adenosin-monofosfato, o AMP, e di fosfato inorganico (Pi), incentiveranno la formazione di fruttosio-1,6-bifosfato a partire dal fruttosio-6-fosfato, con consumo di un’ulteriore molecola di ATP in ADP.

La molecola di fruttosio-1,6-bifosfato prodotta si scinderà in altri due composti: da una parte si produrrà gliceraldeide-3-fosfato (per semplicità troverete nello schema la sigla Gl.3P) e dall’altra parte diidrossiacetone-fosfato (abbreviato a DHAP).

Da questo punto in poi si avrà una doppia via metabolica, che procederà parallelamente.

Prima di questo però il diidrossiacetonefosfato dovrà essere convertito anch’esso a gliceraldeide-3-fosfato.

Con questa quinta tappa si conclude la prima fase della glicolisi, definita fase di investimento, costituita da 5 reazioni (appena esposte).

Per semplicità vi lasciamo questo schema riassuntivo della prima fase, dalla reazione 1 alla reazione 5.

La seconda fase della glicolisi: fase di recupero

Dalla tappa 6 alla tappa 10, la glicolisi diventa un processo esoergonico, cioè produttore di energia. Ricordo che le reazioni tra poco esposte andranno moltiplicate per 2, poiché durante la quarta e la quinta reazione si producono due molecole di gliceraldeide-3-fosfato.

Durante la tappa 6, la singola molecola di gliceraldeide-3-fosfato si trasformerà in 1,3-bifosfoglicerato, con produzione di una molecola di NADH a partire dal NAD. Il NAD è un coenzima importante nel metabolismo energetico e il suo precursore è la vitamina B3, chiamata anche niacina.

IMPORTANTE: il NADH e il NADPH non hanno la medesima funzione! Il primo è fondamentale per cedere gli equivalenti riducenti alla catena di trasporto degli elettroni mentre il NADPH è un donatore di equivalenti riducenti nella vie biosintetiche riduttive. 

Fatta questa doverosa precisazione, procediamo da dove ci eravamo fermati.

L’1,3-bifosfoglicerato è importante perché permetterà di produrre una molecola di ATP a partire dall’ADP, cedendo un gruppo fosfato e portando alla formazione del 3-fosfoglicerato. Questa è la settimana tappa della glicolisi e in questa fase viene recuperato un ATP (in realtà 2, calcolando che tale processo avviene su due molecole di 1,3-bifosfoglicerato).

Nell’ottava tappa viene isomerizzato il 3-fosfoglicerato in 2-fosfoglicerato. Dal 2-fosfoglicerato viene rimossa una molecola di acqua e si genererà il fosfoenolpiruvato ( la nona tappa della glicolisi).

Sarà con la decima tappa che si genererà una molecola di piruvato a partire dal fosfoenolpiruvato, con produzione e recupero di un’altra molecola di ATP (anche qui ricordiamo che sono 2 le molecole di ATP ad essere prodotte essendo nel totale due molecole di fosfoenolpiruvato prodotte per ogni singola molecola di glucosio utilizzata nella glicolisi).

Qual è quindi il guadagno al netto della glicolisi?

• Nella prima fase della glicolisi, dalla tappa 1 alla 5, si consumano 2 molecole di ATP;
• Nella seconda fase, dalla reazione 6 alla reazione 10, abbiamo la produzione di 4 molecole di ATP e 2 NADH.

Al netto di tutto però, tenendo presente le due molecole di ATP consumate nella prima fase, avremo un guadagno netto di 2 molecole di ATP e 2 NADH per ogni molecola di glucosio.

Glicolisi: visione enzimatica

Ora vediamo la prospettiva da parte degli enzimi, cioè quelle sostanze di origine proteica che permettono il compiersi di questi passaggi biochimici.

Procediamo con una rassegna degli enzimi che rientrano in questo ciclo e cerchiamo di conoscerli a pieno. Questo ci aiuterà a comprendere meglio il perché di alcuni fenomeni, specie se siamo degli studenti di Scienze della Nutrizione.

Il primo enzima che permette la fosforilazione del glucosio in glucosio-6-fosfato è l’esochinasi, un enzima appartenente alla famiglia delle transferasi.
La produzione di glucosio-6-fosfato dall’esochinasi rappresenta un punto di controllo per la glicolisi ed è una delle tre reazioni irreversibili del processo. Maggiore sarà la produzione di G6P e più l’esochinasi verrà inibita. Questo enzima permette il trasferimento di un gruppo fosfato da una molecola di ATP (con conversione in ADP) al glucosio.

Il secondo enzima che interviene nella glicolisi è la fosfoglucosio-isomerasi appartenente alla famiglia delle isomerasi.

Il terzo enzima coinvolto nella formazione del fruttosio-1,6-bifosfato è la fosfofruttochinasi (PFK-1), enzima della famiglia delle transferasi. Questo enzima preleva, analogamente a quanto svolto dall’esochinasi, un gruppo fosfato da una molecola di ATP.

L’aumento nella cellula delle concentrazioni di ATP e di citrato, inibiscono questo enzima.

Questa tappa della glicolisi, alla stessa stregua della prima guidata dall’esochiansi, è irreversibile.

La reazione 1 e 3 della glicolisi sono tappe che vedono un consumo di ATP.

Nella quarta reazione subentra un enzima della famiglia delle liasi: l’aldolasi. Con l’aldolasi la molecola di fruttosio-1,6-bifosfato si scinde in due molecole: una molecola di gliceraldeide-3-fosfato e una di diidrossi-acetone-fosfato.

Nella quinta reazione, l’ultima della fase di investimento, grazie all’enzima trioso-fosfato-isomerasi, della famiglia delle isomerasi,  con la formazione di un’ulteriore molecola di gliceraldeide-3-fosfato, oltre a quella prodotta direttamente dall’aldolasi.

Ecco che il precedente schema si è infittito con una serie di nomi di enzimi, a completamento della prima fase della glicolisi.

Nella sesta reazione, la prima della fase di recupero, l’enzima gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi, della famiglia delle ossidoreduttasi, permette la formazione di 1,3-bifosfoglicerato a partire dalla gliceraldeide-3-fosfato e la produzione di una molecola di NADH.

Durante la settima reazione ci sarà la produzione di una molecola di ATP per ognuna delle due molecole di 1,3-bifosfoglicerato. Questa reazione è catalizzata dall’enzima fosfoglicerato chinasi, della famiglia delle transferasi, con la formazione di 3-fosfoglicerato.

L’ottava reazione è guidata da una isomerasi: la fofoglicerato mutasi.

La nona reazione vedrà l’intervento di un enzima appartenente alle liasi: l’enolasi con la formazione di fosfoenolpiruvato.

Sarà con la decima tappa che si avrà la formazione di piruvato per ognuna delle due molecole di fosfoenolpiruvato, grazie alla piruvato chinasi. In quest’ultima tappa, per ciascuna molecola di fosfoenolpiruvato sarà prodotta una molecola di ATP.  Questa tappa è irreversibile e viene incentivata dalla produzione di fruttosio-1,6-bifosfato a livello cellulare.

Non mi resta che augurarvi buon studio!

A cura del Dottor Giulio Merlini

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BIBLIOGRAFIA – REFERENCES:

1. 1. Nelson D.L., Cox M.M., 2010, I principi di biochimica del Lehninger, pp. 625-626 e 629, 5° Edizione.