La regolazione della Glicolisi nelle cellule

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La produzione di energia attraverso la glicolisi

( Il contenuto di questo articolo fa parte del corso di Biochimica tenuto alle classi  V , indirizzo Biologico Sanitario  , dell’I.T.I.S. di Arezzo )

La glicolisi è un processo che da come risultato la conversione di una molecola di glucosio in due molecole di piruvato . E’ una via metabolica primitiva poichè opera anche nelle cellule più semplici e arcaiche e non richiede ossigeno . La via della glicolisi adempie a cinque funzioni della cellula :

1. il glucosio è convertito in piruvato , che può essere ossidato nel ciclo dell’acido citrico .
2. molti composti diversi dal glucosio possono entrare nella via in stadi intermedi
3. in alcune cellule la sequenza enzimatica viene modificata per permettere al glucosio di essere sintetizzato
4. la via contiene intermedi che sono coinvolti in reazioni metaboliche alternative
5. per ciascun glucosio consumato , due molecole di ADP sono fosforilate a livello del substrato , per produrre due molecole di ATP

Quando venne compresa la glicolisi

Il 1929  può essere considerato l’anno in cui venne  compresa la via metabolica  della glicolisi sopratutto ad opera di tre scienziati

                                 

Jakub Parnas                                                          Otto Meyerhof                                                                 Gustaf Embeden                Biochimico polacco 1884- 1949          Medico e biochimico tedesco 1884-1951                       Biochimico tedesco   1874-1933                                                                                           Nobel per la Medicina 1922

Quale è la reazione completa e bilanciata per la glicolisi ?

C₆H₁₂O₆ + 2ADP + 2NAD⁺ + 2P_ì  >   2 C₃H₄O₃ + 2ATP + 2NADH + 2H₂O +2H⁺

l’apparente semplicità di questa reazione nasconde la complessità della via glicolitica , che coinvolge 9 composti intermedi  e 10 enzimi ; gli enzimi sono situati nel citoplasma della cellula .

Quale è il profilo energetico delle reazioni coinvolte ?

L’immagine seguente mostra le tappe della glicolisi , ciascuna delle quali è vista anche sotto il profilo energetico .

La seguente scheda costituisce una valida sintesi della glicolisi sotto l’aspetto del bilancio energetico , delle reazioni coinvolte  e del profilo energetico . La scheda è ripresa dal “Testo Atlante di Biochimica” di Koolman e Rohm Ed. Zanichelli

 

Quanta energia viene prodotta dalla Glicolisi

Nell’ossidazione complessiva del glucosio a CO₂ :

C₆ H₁₂O₆  + 6O₂  >  6CO₂  + 6H₂O

la variazione di energia libera standard è – 2870 KJ mole ^-1.

Facendo il confronto con la trasformazione del glucosio a piruvato ( ΔG°’= -87 KJ mole^-1 ) si nota che solo il 3% dell’energia disponibile nella molecola di glucosio viene rilasciata nella produzione di piruvato  ( questo ci dice quanto è stato importante nella evoluzione della vita il passaggio al metabolismo aerobico ) .

Come e dove è controllata la glicolisi

Dal profilo energetico mostrato nella schema della glicolisi , vediamo che tre tappe sono accompagnate da una grande variazione di energia libera , le tappe 1 , 3, 10 . Sono tappe irreversibili a differenza delle altre . Sono le tappe dove si esercita il controllo della via metabolica .

Primo punto di controllo

 La tappa 1 è il primo punto di controllo ( come si vede dallo schema della glicolisi abbiamo un grande variazione di energia libera , è una tappa esoergonica ) . In questa tappa il glucosio viene convertito in glucosio 6 – fosfato  tramite l’enzima esocinasi . E’ un enzima presente in tutte le cellule , è attivo anche per molti esosi ed esoso derivati . L’attività dell’enzima è regolata dalla concentrazione del suo prodotto principale , il glucosio 6 -fosfato . Questo prodotto inibisce l’attività dell’enzima con un processo noto come inibizione da prodotto . Quale è lo scopo di questa funzione inibitoria ?

Il primo scopo

Assicura che se in una cellula vi è alta concentrazione di glucosio  6 – fosfato , sufficiente da soddisfare la sua domanda energetica , allora in quella cellula verrà ridotta l’ulteriore fosforilazione di glucosio , che è un processo dispendioso . Notiamo come la cellula inizia il metabolismo del glucosio impegnando una molecola di ATP . Può apparire una mossa falsa da parte della cellula , in realtà la fosforilazione assicura la non permeabilità della membrana cellulare  al glucosio fosforilato e quindi il suo intrappolamento nel citoplasma della cellula .

Il secondo scopo

Poichè la rimozione di glucosio diminuisce la sua concentrazione nel sangue ( tramite la sua conversione a glucosio  6-fosfato nella cellula  ) , ci sarà un successivo conseguente  aumento della glicemia, sempre che continui  l’apporto dall’esterno . Il risultato è che il glucosio sarà maggiormente disponibile per un altro enzima  di fosforilazione , la glucocinasi. Questo enzima è specifica per il D-glucosio e si trova solo nel fegato , trasforma anch’essa il glucosio in glucosio 6 -fosfato . La figura seguente mostra le attività relativa di esocinasi ( in tutte le cellule ) e glucocinasi ( solo nel fegato ).

Perchè le attività dei due enzimi sono diverse

In condizioni normali il glucosio del sangue è disponibile per tutte le cellule . La bassa Km dell’esocinasi ( 0,1 mM) garantisce che anche a basse concentrazioni , il glucosio che entra nella cellula viene velocemente trasformato in glucosio-6-fosfato , che poi entra nella via glicolitica .  Quando le richieste di energia della cellula sono soddisfatte , la concentrazione di glucosio 6-fosfato libero nella cellula tende ad aumentare , riducendo l’attività dell’esocinasi . Se la concentrazione del glucosio ematico aumenta ( ad esempio dopo un pasto ricco di carboidrati) allora aumenta il flusso di glucosio che passa nel fegato attraverso l’attività della glucocinasi epatica . Ciò avviene perchè  la esocinasi  è satura , mentre la glucocinasi non opera alla massima velocità fintanto che i livelli di glucosio non arrivano oltre  la sua Km che vale 10 mM . Inoltre la glucogenesi non è inibita dal glucosio -6 – fosfato .

La sinergia di due enzimi

L’azione combinata di questi due enzimi assicura che se il glucosio è in eccesso , rispetto alla normale domanda , viene convertito in glucosio 6-fosfato specificamente all’interno del fegato . Tra i due enzimi c’è una gerarchia . Poichè il fabbisogno di glucosio  di tutte le  cellule ha la precedenza rispetto all’accumulo nel fegato , la più bassa Km dell’esocinasi assicura che questa esigenza sia soddisfatta  . Da notare come l’attività dei due enzimi concorra alla omeostasi del glucosio nel sangue cioè alla  glicemia .

Secondo punto di controllo

La tappa 3 è il secondo punto di controllo della glicolisi e comporta la conversione di fruttosio 6-fosfato in fruttosio 1,6-difosfato , catalizzata dalla fosfofruttocinasi . Quale enzima è il principale punto di controllo della glicolisi ? E’ la fosfofruttocinasi , che è un enzima allosterico ; la sua attività , quindi , è regolata da un certo numero di effettori , tutti coinvolti nella trasduzione dell’energia . L’attività della fosfofruttocinasi viene incrementata dall’ADP o dall’ AMP ed inibita da ATP , NADH , citrato o acidi grassi a lunga catena .

L’affinità di un enzima verso il substrato viene modulata

Quando una cellula è in uno stato di bassa energia , la quantità di ADP e AMP è più alta del normale , mentre la quantità di ATP è bassa . In queste condizioni l’enzima è completamente attivato ed ha una alta affinità per il suo substrato , il fruttosio 6-fosfato  (vedi figura seguente ). Quando la cellula è in uno stato di alta energia , la concentrazione di ATP è alta , mentre le concentrazioni di AMP e ADP sono basse . In queste condizioni l’ATP si lega ad un sito regolatore sull’enzima , facendo si che la sua curva  della velocità passi da iperbolica a sigmoide . L’enzima ha ora una affinità minore per il suo substrato e la sua velocità diminuisce. Infatti , per una stessa  concentrazione di fruttosio 6-fosfato,  si nota nel grafico che la velocità di reazione raggiunta è più bassa nella curva tratteggiata ( sigmoide ) rispetto a quella non tratteggiata (iperbole ).

Alune molecole protagoniste

Citrato , NADH , acidi grassi a lunga catena inibiscono l’attività della fosfofruttocinasi .  Da dove provengono questi effettori e quale è il significato della loro azione ?   Il NADH citoplasmatico è prodotto nella tappa 6 della glicolisi , così un’alta concentrazione di questo cofattore ridotto implica uno stato ad alta energia della cellula ; non si verifica , quindi , un incremento nella velocità di degradazione del glucosio . Grandi quantità di acidi grassi a lunga catena sono prodotte dalla degradazione dei trigliceridi e grandi quantità di citrato dalla degradazione di determinati amminoacidi . Poichè questi substrati sono disponibili per l’ossidazione nel ciclo dell’acido citrico il loro effetto sull’inibizione della fosfofruttocinasi è quello di conservare il glucosio.

Terzo punto di controllo

La tappa 10 è il terzo punto di controllo della glicolisi . Comporta la conversione del fosfoenolpiruvato a piruvato , catalizzata dalla piruvato cinasi . Questo enzima allosterico è attivato dal fruttosio 1,6 -difosfato e dal fosfoenolpiruvato  , mentre è inibito da ATP , citrato e acidi grassi a lunga catena  . Questo significa che l’attività della piruvato cinasi  è regolata in modo simile a quella della fosfofruttocinasi ; entrambi gli enzimi sono inibiti quando la cellula è in uno stato ad alta energia o quando sono disponibili combustibili alternativi al glucosio . Inoltre il fruttosio 1,6 – difosfato ( che è il prodotto della reazione catalizzata dalla fosfofruttocinasi ) attiva la piruvati cinasi , come fa il fosfoenolpiruvato ( substrato della piruvato cinasi ).

Il controllo positivo da feedforward

Questi sono esempi di controllo positivo da feedforward ( diretto ) simile ad alcuni circuiti elettronici . Così quando la fosfofruttocinasi è attivata da basi livelli di ATP , essa produce un attivatore della piruvato cinasi (fruttosio 1,6 difosfato ) che alla fine viene convertito in un secondo attivatore della piruvato cinasi , il fosfoenolopiruvato . Questa cooperazione tra i due enzimi per accelerare la glicolisi si estende anche alla loro capacità combinatoria di ritardare il processo . Quando la concentrazione di ATP è alta , entrambi gli enzimi sono inibiti . La fosfofruttocinasi riduce la sua attività nei confronti del fruttosio 6-fosfato ( tramite la glucoso 6-fosfato isomerasi ) , la concentrazione di questo substrato aumenta , inibendo perciò l’esocinasi ( vedi figura seguente ).

Il destino del piruvato

La produzione di due molecole di piruvato da una molecola di glucosio  avviene praticamente in tutte le cellule . Questo processo ha tre importanti caratteristiche :

1. non richiede ossigeno
2. due molecole di ADP sono fosforilate tramite la fosforilazione a livello del substrato
3. due molecole di NAD⁺ vengono ridotte .

Il  successivo destino del piruvato in una particolare cellula dipende dalle condizioni correlate a questi tre criteri . Il primo è la disponibilità di ossigeno della cellula ; il secondo lo stato energetico della cellula ; il terzo riguarda i meccanismi disponibili per ossidare il NADH a NAD⁺ . Perchè il NADH prodotto dalla glicolisi deve essere ossidato a NAD⁺ ed essere così riciclato ? Il NAD⁺ viene richiesto dalla gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi ( tappa 6 ) ; il NAD⁺ , quindi è essenziale per questa tappa e per far procedere la glicolisi , la quale altrimenti si arresterebbe . Un ulteriore criterio che regola il destino del piruvato è il tipo di cellula in cui si forma , in quanto alcune cellule ( per es. i globuli rossi ) sono prive della capacità metabolica di portare a termine l’ossidazione completa del piruvato a CO₂ .

Conversione del piruvato a lattato

Se una cellula non ha la capacità di ossidare il piruvato , si deve limitare al processo glicolitico per produrre ATP . Se vi è sufficiente glucosio disponibile per la cellula , il piruvato viene eliminato a condizione che siano presenti ADP , NAD⁺ , e P. Tutte le cellule hanno adeguate quantità di ADP e P  , poichè questi sono i prodotti dell’idrolisi dell’ATP , mentre la quantità di NAD⁺ sono più limitate . La tappa 6 è l’unica reazione  ossidativa della glicolisi ; la gliceraldeide 3-fosfato è ossidata a 1,3 – difosfoglicerato , mentre il NAD⁺ viene ridotto a NADH . Per continuare la glicolisi questo NADH deve essere riossidato a NAD⁺ . Ciò avviene nei globuli rossi e nelle cellule attive del muscolo mediante la riduzione del piruvato a lattato , il quale diffonde fuori dalla cellula per mezzo di una specifica proteina di trasporto di membrana . La reazione è catalizzata dalla lattato deidrogenasi .

L’ attività della lattato deidrogenasi varia da tessuto a tessuto

Tutte le cellule dei mammiferi possiedono la lattato deidrogenasi , l’enzima preposto alla ossidazione del coenzima NADH , ma l’attività dell’enzima varia da tessuto a tessuto . Questa variazione è dovuta al fatto che esistono cinque forme dell’enzima chiamate isozimi o isoenzimi , ciascuna delle quali possiede una diversa Km per il piruvato .

L’enzima lattato deidrogenasi è composto da cinque coenzimi

Ciascun isoenzima della lattato idrogenasi è composto da quattro subunità di tipo M o H . Così i cinque isoenzimi della lattato deidrogenasi sono una combinazione delle due diverse subunità M₄ , M₃H , M₂H₂ , MH₃ , H₄ . L’isoenzima M₄ ha una Km relativamente alta ( bassa affinità ) per il piruvato , ma ha un numero di turnover circa doppio rispetto a quello di H₄ . Questo significa che ad alte concentrazioni di piruvato M₄  trasformerà il piruvato in lattato ad una velocità maggiore di quanto non faccia una quantità equivalente di isoenzima H₄. Inoltre , l’isoenzima H₄ è inibito da alte concentrazioni di piruvato . Gli altri isoenzimi hanno gradi di inibizione intermedi tra questi due estremi .

I cinque coenzimi  sono presenti in quantità variabile nelle cellule

Tutte le cellule possiedono quantità variabili dei cinque isoenzimi ;  il muscolo scheletrico , per esempio , ha una predominanza dell’isoenzima M₄ , mentre il muscolo cardiaco ha una predominanza di H₄ . Il fatto che le cellule del muscolo cardiaco contengano in prevalenza l’isoenzima H₄ , con il più baso numero di turnover per il piruvato è in relazione con la tendenza di queste cellule ad ossidare il piruvato a CO₂ e non , come nel caso del muscolo scheletrico attivo, a trasformarlo in lattato ( quando le cellule cardiache , in seguito ad un infarto vengono danneggiate , riversano nel sangue questo isoenzima . Il suo dosaggio è un indice della gravità e della evoluzione dell’infarto ).

Sebbene le cellule epatiche possano ossidare il  piruvato a CO₂ , esse contengono una predominanza di isoenzima M₄ , che ha una bassa affinità per il piruvato . Così è possibile che prevalga la reazione opposta cioè  il  lattato che entra nel fegato dal plasma sanguigno può essere   rapidamente trasformato in piruvato.

La fermentazione lattica

Questo schema metabolico , detto fermentazione lattica , è mostrato nella figura seguente .

Il ciclo coreagente tra le due idrogenasi , gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi e lattato deidrogenasi , assicura che ci sia rigenerazione di NAD⁺  in questo particolare stato di ossidazione in modo che la glicolisi , la fermentazione lattica e la produzione  di ATP possano continuare .

Conversione del piruvato ad etanolo

La rigenerazione del NAD⁺  può avvenire in alcuni  organismi , come i lieviti , attraverso un’altra via che comporta la formazione di etanolo . Non avviene nei tessuti dei mammiferi .

Nella regolazione della glicolisi  e della gloconeogenesi  intervengono  altri fattori

La regolazione completa della glicolisi si interseca con la via della neoglucogenesi e vede l’intervento di ormoni come l’insulina  e  il glucagone  ,  l’adrenalina e il cortisolo.

Per  un approccio storico alla glicolisi vedi anche :

La Glicolisi : un itinerario storico – epistemologico

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