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LA GLICOLISI
Giancarlo Dessìhttp://www.giand.it
Licenza Creative Commons BY-NC-SABY: Attribuzione - NC: Non commerciale - SA: Condividi allo stesso modo
Appunti di biologia
GLICOLISIo
VIA METABOLICA DI EMBDEN-MEYERHOF-PARNAS
Materie prime- Glucosio o Fruttosio- ATP- ADP- NAD ossidato (NAD)- Acido fosforico
Prodotti- Acido piruvico- ATP- NAD ridotto (NADH2)- Acqua
Dove si svolgenel citoplasma
glucosio + 2 ADP + 2 Pi ++ 2 NAD 2 acido piruvico + 2 ATP + 2 NADH2 + 2 H2O
LA ATTUANO TUTTI GLI ORGANISMI
HA RENDIMENTO ENERGETICO BASSO
NON RICHIEDE OSSIGENO
STATI DI OSSIDAZIONE DEL CARBONIOLo 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 organicaminima ossidazione (=massima riduzione), N.O.=-4: massima energia utilemassima ossidazione (=minima riduzione), N.O.=+4: energia utile nulla
RED = stato ridottominima ossidazionenumero di ossidazione -4
OX = stato ossidatomassima ossidazionenumero di ossidazione +4
MASSIMAENERGIA
ENERGIANULLA
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
HC
C
H
H
HC
C
H
C
HC
C
C
C
HCC
C
C
CC
-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 ossidazionedel 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
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
OC
C
H
H
OC
C
H
C
OC
C
C
C
OC
-2
-1
0
+1
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 OC
0
C
H OC
+1
C
C OC
+2
aldeideformica
altrealdeidi
chetoni
OSSIDAZIONE DEL CARBONIO: ACIDI CARBOSSILICIE 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 OC
+2
O
C OC
+3
O OC
+4
acidoformico
altriacidi
anidridecarbonica
L'anidride carbonica ha il massimo stato di ossidazione del carbonio: l'unico atomo ha infatti numero di ossidazione +4.
La CO2 è un composto inorganico: la sua molecola non contiene energia utile
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 OHC
-1
H OHC
H
H
OHC
HO H
H OHC
H OC
-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 OC
OH
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 inmolecole in grado di cederla facilmente
LE MATERIE PRIME DELLA GLICOLISI
GLUCOSIO
FRUTTOSIO
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
IL TRASPORTATORE DI IDROGENO E DI ELETTRONI: il sistema NAD / NADH2
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 B3)
NAD: forma ossidatala molecola ha due elettroni in meno e una carica positiva sull'atomo di azotodella niacina
NADH2: forma ridottala 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
Le fasi della glicolisi FOSFORILAZIONE DEL GLUCOSIO
C
H OHC
H OHC
H
H
OHC
HO H
H OHC
H OC
+ ATPC
H OHC
H OHC
H
H
OPC
HO H
H OHC
H OC
+ 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
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 OHC
H OHC
H
H
OPC
HO H
H OHC
H OC
C
H OHC
H OHC
H
H
OPC
HO H
OH
C
H
H
O
C
0 0
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. 6con 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 OHC
H OHC
H
H
OHC
HO H C
H OHC
H OHC
H
H
OPC
HO H
OH
C
H
H
O
COH
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
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 OHC
H OHC
H
H
OPC
HO H C
H OHC
H OHC
H
H
OPC
HO H
OP
C
H
H
O
COH
C
H
H
O
C
+ ATP + ADP
Le chinasi sono enzimi che trasferiscono il gruppo fosfato dall'ATP su una molecola
0 0
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 OHC
H OHC
H
H
OPC
HO H
C
H C
H OHC
H
H
OPCHO 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
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 OHC
H
H
OPCHO H
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
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 NADH2
Enzima:fosfoglicerato deidrogenasi
C
H OHC
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 OHC
H
H
OPC
O
+ 2 NAD + 2 P
OOP
OOP
+ 2 NADH2
acido 1,3-difosfoglicerico
2 2
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 OHC
H
H
C
O
+0,67
+ 2 ADP
OOP
OOP
+ 2 ATP
acido 1,3-difosfoglicerico
C
H OHC
H
H
C
O
OOP
OOH
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
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 OHC
H
H
C
O
+0,67
OOP
OOH
acido 3-fosfoglicerico
C
H
OH
C
H
H
C
O
OP
OOH
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
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
OOH
acido fosfoenolpiruvico
+0,67
2 2
C
H
OH
C
H
H
C
O
OP
OOH
+ 2 H2O
L'enolasi appartiene al gruppo delle liasi enzimi che rompono un legame con meccanismi differenti dalle idrolisi
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
OOH
acido piruvico
+0,67
2 2+ 2 ADP + 2 ATP
C
H
C
H
H
C
O
O
OOH
Le chinasi sono enzimi che scambiano un gruppo fosfato tra una molecola organica e una molecola di ADP o ATP
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 NADH2
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
LE TAPPE FONDAMENTALI glucosio o fruttosio
2 ATP2 ADP
2 aldeide fosfoglicerica
2 NAD2 NADH2
2 Pi
2 acido difosfoglicerico
2 acido fosfoenolpiruvico
2 ATP2 ADP
2 H2O
2 ADP2 ATP
2 acido piruvico
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 NADH2 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 NADH2, invece, subiscono destini differenti in funzione del tipo di metabolismo
Aerobiosi
L'acido piruvico è usato per alimentare il ciclo di Krebs
Il NADH2 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 NADH2 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.