Cos’è la glicolisi? Dove avviene la glicolisi, definizione e fasi del percorso della glicolisi.
Obiettivi Chiave di Apprendimento
- Conoscere le vie di scomposizione e ossidazione del glucosio
- Scoprire come il metabolismo del glucosio contribuisce alla produzione di energia cellulare
- Apprendi come il metabolismo del glucosio è associato al processo di invecchiamento
- Scopri come il metabolismo del glucosio può essere sostenuto
Che cos’è la glicolisi?
La glicolisi è la via metabolica che scompone il glucosio carboidrato per produrre energia cellulare sotto forma di ATP. La glicolisi genera ATP direttamente, come prodotto delle reazioni chimiche della via, e indirettamente, utilizzando l’energia generata dagli elettroni estratti dai legami chimici del glucosio. Questi elettroni sono trasportati dalla molecola NAD alla catena di trasporto degli elettroni mitocondriale, dove sono utilizzati per alimentare la produzione di ATP attraverso la fosforilazione ossidativa (OXPHOS).
In questo articolo, esamineremo questi processi più in dettaglio. Ma prima di farlo, è importante rivedere alcuni concetti che ci aiuteranno a capire cos’è la glicolisi e il ruolo che gioca nel metabolismo cellulare.
La glicolisi è una via del metabolismo cellulare
Il metabolismo è l’insieme delle reazioni chimiche che sostengono la vita. Tra queste ci sono quelle che ci permettono di ottenere energia dal cibo e di usare questa energia per sintetizzare le molecole necessarie all’attività cellulare. Il metabolismo si divide in due tipi di processi: 1) il catabolismo, l’insieme delle vie degradative che scompongono grandi molecole in molecole più piccole, rilasciando l’energia immagazzinata nei legami chimici; e 2) l’anabolismo, l’insieme delle vie di biosintesi costruttiva che costruiscono grandi molecole da molecole più piccole e immagazzinano l’energia cellulare nei loro legami chimici. Ciò significa che la scomposizione del cibo per ottenere energia avviene attraverso reazioni cataboliche, mentre la sintesi delle molecole cellulari complesse da unità più semplici avviene attraverso reazioni anaboliche.
L’energia contenuta nel cibo non è prontamente disponibile per essere utilizzata dalle cellule e deve essere convertita attraverso reazioni metaboliche in una forma di energia che le cellule possono utilizzare. Questa forma è una molecola chiamata adenosina trifosfato (ATP), “la valuta energetica della cellula” comune a tutti i sistemi biologici. L’ATP è usato per tutti i tipi di funzioni biologiche in tutti i tipi di cellule e tessuti, tra cui, per esempio, per alimentare la contrazione muscolare o sostenere l’attività neuronale.
Il metabolismo è la somma dei processi interconnessi che richiedono e consumano energia e che sostengono la vita.
L’insieme delle reazioni metaboliche attraverso le quali l’energia viene estratta dai nutrienti per generare ATP è chiamato respirazione cellulare. Nel processo di respirazione, l’ossigeno (O2) viene consumato e vengono prodotti anidride carbonica (CO2), acqua (H2O) e calore. L’energia viene estratta dai nutrienti attraverso un tipo di reazione chimica chiamata reazione redox (da riduzione – guadagno di elettroni + ossidazione – perdita di elettroni). Nelle reazioni redox, gli elettroni (le particelle elettricamente cariche che orbitano intorno ai nuclei degli atomi) sono trasferiti da una molecola (che è ossidata) a un’altra (che è ridotta). Pertanto, diciamo che, nella respirazione cellulare, i nutrienti sono ossidati per generare energia cellulare come ATP.
Il glucosio, ottenuto dalla scomposizione dei carboidrati, e gli acidi grassi, ottenuti dalla scomposizione dei trigliceridi (grassi), sono i principali combustibili che le cellule usano per generare ATP; anche gli aminoacidi ottenuti dalla scomposizione delle proteine sono usati, ma in misura minore.
La respirazione cellulare avviene in tre fasi principali. Nella prima, le molecole di combustibile sono ossidate per produrre frammenti di due carboni sotto forma di gruppo acetile dell’acetil-coenzima A (acetil-CoA). Nella seconda fase, i gruppi acetilici sono ossidati nei mitocondri nel ciclo dell’acido citrico, con elettroni trasferiti ai trasportatori di elettroni nicotinamide adenina dinucleotide (NAD), che dipende dalla vitamina B3, e flavin adenina dinucleotide (FAD), che dipende dalla vitamina B2. Nella terza fase della respirazione, gli elettroni vengono trasferiti all’ossigeno attraverso la catena di trasporto degli elettroni (ETC) nei mitocondri, e la loro energia viene utilizzata per alimentare la produzione di ATP attraverso un processo chiamato fosforilazione ossidativa (OXPHOS).
La glicolisi fa parte del primo stadio della respirazione cellulare: è la via che ossida il glucosio. La glicolisi genera la molecola piruvato, che viene poi convertita in acetil-CoA per essere usata nel secondo stadio della respirazione cellulare.
La respirazione cellulare è come una reazione di combustione molto lenta: brucia i combustibili per generare energia, consumando ossigeno e rilasciando anidride carbonica e calore nel processo.
Figura 1: Estrazione metabolica e stoccaggio di energia dal cibo. Fonte: OpenStax, Anatomia e Fisiologia; 24.1 Panoramica delle reazioni metaboliche. Licenza CC BY 4.0.
Che cos’è il glucosio? Perché è importante la glicolisi?
Il glucosio è un carboidrato. I carboidrati sono un tipo di biomolecole composte da carbonio, idrogeno e ossigeno che includono zuccheri, amidi e cellulosa. Più specificamente, il glucosio è un monosaccaride, la forma più semplice di zucchero e il tipo più elementare di carboidrato.
Abbiamo ottenuto il glucosio alimentare dalla scomposizione di carboidrati complessi, come l’amido, composto da diverse o molte unità di monosaccaridi unite insieme (cioè, sono polisaccaridi). Otteniamo anche il glucosio dalla scomposizione di zuccheri alimentari più semplici, come i disaccaridi (composti da due unità monosaccaridiche), che includono il saccarosio o il lattosio, per esempio. Altri monosaccaridi, come il fruttosio o il galattosio, possono anche essere utilizzati per la produzione di energia, ma devono prima essere convertiti in altre molecole che possono essere utilizzate nelle vie metaboliche del glucosio.
La glicolisi è importante perché è la via metabolica attraverso cui il glucosio genera energia cellulare. Il glucosio è la più importante fonte di energia per tutti gli organismi viventi. Nel corpo umano, il glucosio è il combustibile preferito dalla stragrande maggioranza delle cellule: è l’unico combustibile che i globuli rossi possono usare, il combustibile preferito dal cervello in condizioni di non fame, e il combustibile principale usato dai muscoli durante l’esercizio faticoso.
Il glucosio è così importante che il nostro corpo ha diversi meccanismi per assicurare che i livelli di zucchero nel sangue siano mantenuti relativamente costanti in modo che il cervello sia sempre adeguatamente fornito di glucosio. Dopo un pasto, l’aumento della glicemia aumenta il rilascio dell’ormone pancreatico insulina, che a sua volta stimola l’assorbimento del glucosio da parte dei tessuti, principalmente il fegato e il muscolo scheletrico, e l’immagazzinamento del glucosio sotto forma di glicogeno. Tra i pasti, una diminuzione dei livelli di glucosio nel sangue aumenta il rilascio dell’ormone pancreatico glucagone, che a sua volta stimola la scomposizione delle riserve di glicogeno in glucosio e il suo rilascio nel sangue. I depositi di glicogeno vengono mobilitati anche quando il glucosio viene utilizzato per sostenere l’attività fisica.
Il glucosio, che è un carboidrato, è la più importante fonte di energia per la maggior parte delle cellule. I suoi livelli ematici sono mantenuti relativamente costanti per assicurare un rifornimento costante al cervello.
Il glucosio viene ossidato nella glicolisi per produrre ATP
La glicolisi avviene nella matrice fluida delle cellule (il citosol) in una sequenza di dieci reazioni divise in due fasi. Nel primo stadio, il glucosio (che ha sei carboni) è scisso in due frammenti di tre carboni in un processo che consuma effettivamente ATP per preparare il glucosio alla degradazione. Nel secondo stadio, ogni frammento di tre carboni è ossidato in una molecola chiamata piruvato in un processo che produce ATP.
Gli elettroni estratti nelle reazioni di ossidazione sono trasferiti al NAD+, una molecola redox che porta gli elettroni alla catena di trasporto degli elettroni mitocondriale (ETC) per produrre più ATP attraverso la fosforilazione ossidativa (OXPHOS).
Figura 2: Glicolisi. Fonte: OpenStax, Anatomia e Fisiologia; 24.2 Metabolismo dei Carboidrati.
Licenza CC BY 4.0.
La glicolisi è la via metabolica che scompone il glucosio per produrre ATP.
La prima fase della glicolisi usa ATP
Il glucosio può facilmente entrare ed uscire dalle cellule attraverso i trasportatori di membrana. Tuttavia, una semplice modifica strutturale è sufficiente per mantenerlo all’interno delle cellule per essere metabolizzato: l’aggiunta di una struttura chimica chiamata gruppo fosforico (un atomo di fosforo con tre atomi di ossigeno attaccati) in una reazione nota come fosforilazione. La glicolisi inizia facendo proprio questo: fosforila il glucosio e lo intrappola all’interno delle cellule.
La fosforilazione del glucosio è effettuata da un enzima chiamato esochinasi che prende un gruppo fosforico dall’ATP e lo trasferisce al glucosio, producendo glucosio 6-fosfato (vedi passo 1 nella figura 3). L’esochinasi appartiene a una famiglia di enzimi chiamati chinasi (che è la classificazione degli enzimi che fosforilano un substrato usando un gruppo fosforilico dall’ATP o viceversa). Tutti gli enzimi chinasi richiedono magnesio per la loro attività. Pertanto, il magnesio gioca un ruolo importante in questa reazione. Infatti, il magnesio ha un ruolo chiave nella glicolisi in generale perché è un cofattore per tutte le chinasi che partecipano a questo percorso. Uno dei motivi principali per cui Qualia Life (precedentemente chiamato Eternus) contiene magnesio è quello di sostenere le reazioni di glicolisi.
Nelle fasi successive della glicolisi, il glucosio 6-fosfato viene convertito in fruttosio 6-fosfato (fase 2, figura 3), che a sua volta viene fosforilato nuovamente per produrre fruttosio 1,6-bisfosfato (fase 3, figura 3). Questa seconda fosforilazione viene effettuata da un’altra chinasi (fosfofruttochinasi) utilizzando un’altra molecola di ATP e magnesio come cofattore. Questa molecola a sei carboni viene poi scissa in due molecole a tre carboni (passo 4, figura 3), che sono diverse ma interconvertibili (passo 5, figura 3); la forma gliceraldeide-3-fosfato è usata nel secondo stadio della glicolisi.
Figura 3: Il primo stadio della glicolisi. Fonte: OpenStax, Biology; 7.2 Glycolysis.
License CC BY 4.0.
Il primo stadio della glicolisi usa ATP per preparare il glucosio alla degradazione; è un investimento di ATP che darà i suoi frutti.
Il secondo stadio della glicolisi produce ATP
La prima reazione del secondo stadio trasforma la gliceraldeide 3-fosfato in 1,3-bisfosfoglicerato (passo 6, figura 4) . Questa reazione comprende due processi accoppiati: un’ossidazione e un’aggiunta di fosfato. La reazione di ossidazione estrae due elettroni dalla gliceraldeide 3-fosfato, che vengono trasferiti alla molecola redox NAD+ (derivata dalla vitamina B3), riducendola alla forma NADH. Nella fase successiva, il 3-fosfoglicerato viene prodotto da un’altra chinasi (fosfoglicerato chinasi, con magnesio come cofattore) con la concomitante produzione di ATP (fase 7, figura 4). Qualia Life sostiene queste reazioni fornendo magnesio e vitamina B3 sotto forma di Niacinamide e acido nicotinico.
Nelle due fasi successive, il 3-fosfoglicerato viene riorganizzato (fase 8, figura 4) e poi disidratato (fase 9, figura 3) per formare fosfoenolpiruvato. Nella fase finale della glicolisi, il fosfoenolpiruvato è convertito in piruvato e un’altra molecola di ATP è prodotta piruvato chinasi utilizzando il magnesio come cofattore (fase 10, figura 4).
Nel secondo stadio, due molecole di ATP sono generate da ogni unità di tre carboni, il che significa che ogni molecola di glucosio produce quattro molecole di ATP. Dato che il primo stadio della glicolisi utilizza due molecole di ATP per preparare il glucosio alla degradazione, il risultato netto della glicolisi è la produzione di due molecole di ATP per ogni molecola di glucosio.
Questo meccanismo di produzione di ATP è chiamato fosforilazione a livello del substrato. Utilizza l’energia chimica rilasciata dalla conversione di un substrato a più alta energia in un prodotto a più bassa energia per alimentare il trasferimento di un gruppo fosforilico per produrre la molecola ad alta energia ATP. La fosforilazione a livello di substrato è una fonte di ATP più veloce, ma meno efficiente. Ha anche il costo di usare un NAD+, che diventa NADH. Come vedremo nella parte 4 di questa serie, la maggior parte dell’ATP è generata dalla fosforilazione ossidativa, e il NAD+ sarà recuperato durante quella fase finale della respirazione cellulare.
Figura 4: La seconda metà della glicolisi. Fonte: OpenStax, Biology; 7.2 Glycolysis.
License CC BY 4.0.
Il secondo stadio della glicolisi genera piruvato, NADH e ATP; il risultato netto della glicolisi è la produzione di due molecole di ATP per molecola di glucosio ma al costo di un NAD+.
Il piruvato prodotto nella glicolisi produce acetil-CoA nei mitocondri
La glicolisi produce solo una frazione dell’ATP che può essere prodotto dall’ossidazione completa del glucosio. Questo perché le molecole di piruvato prodotte nella glicolisi possono ancora essere ulteriormente ossidate. È nelle seguenti vie di generazione di energia cellulare, il ciclo dell’acido citrico e l’OXPHOS, che avviene la maggior parte della produzione di ATP.
Mentre la glicolisi ha luogo nel citosol, il ciclo dell’acido citrico e l’OXPHOS hanno luogo nei mitocondri. Quindi, il piruvato, il prodotto finale della glicolisi, è trasportato nei mitocondri dove è convertito in frammenti di due carboni – unità acetiliche – e anidride carbonica (CO2). In questa reazione, effettuata da un gruppo di enzimi chiamato complesso piruvato deidrogenasi, gli elettroni estratti dal piruvato sono trasferiti al NAD+, riducendolo a NADH. Le unità acetiliche sono trasferite al coenzima A (CoA, derivato dall’acido pantotenico, cioè la vitamina B5) per formare l’acetil-CoA, la molecola che alimenta le unità a due carboni nel ciclo dell’acido citrico, dove saranno ulteriormente ossidate. Gli elettroni estratti da ogni unità acetilica saranno poi utilizzati per generare ATP attraverso l’OXPHOS.
Figura 5: Ossidazione del piruvato. Fonte: OpenStax, Anatomia e Fisiologia; 24.2 Metabolismo dei Carboidrati.
Licenza CC BY 4.0.
La conversione mitocondriale del piruvato in acetil-CoA è il collegamento tra la glicolisi e il ciclo dell’acido citrico. Si tratta di una reazione importante che richiede diversi cofattori: CoA (derivato dall’acido pantotenico), NAD+ (sintetizzato da composti con attività della vitamina B3 o utilizzando L-triptofano come substrato e la vitamina B6 come cofattore), FAD+ (flavin adenina dinucleotide, derivato dalla vitamina B2 cioè, riboflavina), il coenzima tiamina pirofosfato (derivato dalla vitamina B1 cioè, tiamina), e l’acido lipoico .
Qualia Life supporta queste reazioni fornendo Niacinamide e acido nicotinico (vitamina B3), riboflavina (vitamina B2), acido pantotenico (vitamina B5), tiamina HCl (vitamina B1), piridossal-5′-fosfato (vitamina B6), acido lipoico, L-triptofano e magnesio.
Il piruvato è convertito in acetil-CoA nei mitocondri; questo passo collega la glicolisi al ciclo dell’acido citrico e alla fosforilazione ossidativa. Ha un costo di un’unità di NAD+ (che sarà poi recuperata).
Il NADH prodotto nella glicolisi genera ATP nei mitocondri
Il NAD+ è una molecola redox che trasporta elettroni alla catena di trasporto elettronico mitocondriale (ETC) per produrre ATP attraverso l’OXPHOS. Nell’ossidazione di ogni molecola di glucosio ad acetil-CoA, vengono utilizzate quattro molecole di NAD+, ciascuna delle quali riceve due elettroni e diventa la forma NADH. Poiché il NAD+ è un elemento centrale nella produzione di ATP, è importante che le cellule mantengano un pool di NAD+ disponibile per ricevere elettroni.
Qualia Life contiene una serie di ingredienti che favoriscono l’aumento del pool di NAD+ nelle cellule. Questi includono le proantocianidine dell’uva (nell’estratto d’uva, BioVin®), il resveratrolo (nell’estratto d’uva, BioVin®), il coenzima Q10 e l’acido lipoico.
Il NADH trasporta gli elettroni alla catena di trasporto elettronico mitocondriale per produrre ATP attraverso la fosforilazione ossidativa. Il NAD+ viene rigenerato nel processo.
Come il metabolismo del glucosio influisce sull’invecchiamento
Il glucosio e altri monosaccaridi hanno la capacità di reagire con i gruppi amminici di proteine, lipidi e acidi nucleici per produrre una modifica strutturale chiamata glicazione non enzimatica. Queste molecole modificate sono chiamate prodotti finali della glicazione avanzata (AGE) e perdono la loro funzione: sono molecole danneggiate.
Gli AGE sono di solito degradati dai meccanismi di controllo della qualità cellulare, ma possono accumularsi nei tessuti. La produzione di AGE aumenta quando c’è un’esposizione prolungata ad alti livelli di glucosio nel sangue, per esempio. La degradazione degli AGE diminuisce con l’invecchiamento a causa della progressiva perdita di efficienza metabolica e dei meccanismi di difesa cellulare.
L’accumulo di AGE è uno dei principali protagonisti dell’invecchiamento e dello sviluppo delle disfunzioni legate all’età. Per esempio, la glicazione delle proteine può contribuire all’irrigidimento dei vasi sanguigni e all’aggregazione neurodegenerativa delle proteine nel cervello. Inoltre, oltre ad essere molecole danneggiate, gli AGE possono attivare vie di segnalazione che contribuiscono alla disfunzione dei tessuti aumentando lo stress ossidativo e la produzione di altre molecole dannose.
Quindi, l’efficienza del metabolismo dei carboidrati è importante non solo per la produzione di energia cellulare, ma anche per la minimizzazione dei danni cellulari associati alla glicazione. Se gli zuccheri non vengono utilizzati nei percorsi energetici delle cellule, possono reagire con proteine, grassi e altre molecole e contribuire all’invecchiamento malsano. Per queste ragioni, è importante sostenere le vie metaboliche del glucosio per aiutare il nostro corpo a proteggersi dall’accumulo di AGE.
La perdita di efficienza del metabolismo del glucosio e dei meccanismi di difesa cellulare, legata all’età, può portare all’accumulo di dannosi prodotti finali della glicazione avanzata (AGEs).
Perché è importante sostenere il metabolismo del glucosio/glicolisi
Sostenere il metabolismo del glucosio contribuisce al mantenimento di un flusso glicolitico sano. Questo è fondamentale, prima di tutto, perché il glucosio è la più importante fonte di energia per le nostre cellule e tessuti. Un sano metabolismo dei carboidrati è importante per una produzione efficiente di ATP per alimentare i processi biologici.
Un efficiente metabolismo del glucosio è anche fondamentale per il mantenimento di sani livelli di zucchero nel sangue. Tra gli altri benefici (come una sana segnalazione dell’insulina, per esempio), questo aiuta a diminuire la probabilità di reazioni dannose di glicazione delle proteine e dei grassi.
Il metabolismo del glucosio può essere sostenuto fornendo precursori per i cofattori che partecipano alla glicolisi e alla produzione di acetil-CoA. Come abbiamo visto, Qualia Life fornisce questi ingredienti. Qualia Life fornisce anche ingredienti che supportano gli enzimi regolatori del glucosio, come l’estratto di foglie di Rosmarinus officinalis (50% di acido ursolico). Inoltre, Qualia LIfe contiene anche ingredienti che supportano i percorsi di controllo della qualità cellulare che funzionano per proteggere dagli AGE. Questi includono Sirtmax® Kaempferia parviflora Root Extract e Rosmarinus officinalis Leaf Extract (50% di acido ursolico) .
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