Le cellule fanno energia scomponendo le macromolecole. La respirazione cellulare è il processo biochimico che converte “energia alimentare” (dai legami chimici delle macromolecole) in energia chimica sotto forma di trifosfato di adenosina (ATP). Il primo passo di questo processo strettamente regolato e intricato è la glicolisi. La parola glicolisi deriva dal glico latino (zucchero) e dalla lisi (rottura). La glicolisi svolge due funzioni intracellulari principali: generare ATP e metaboliti intermedi per nutrirsi in altri percorsi. La via glicolitica converte un esosio (carboidrati a sei carbonio come il glucosio), in due molecole di trioso (carboidrati a tre carbonio) come il piruvato, e una rete di due molecole di ATP (quattro prodotte, due consumate) e due molecole di nicotinamide adenina dinucleotide (NADH).
Sapevi che la glicolisi è stata la prima via biochimica scoperta? A metà del 1800, Louis Pasteur determinò che i microrganismi causano la ripartizione del glucosio in assenza di ossigeno (fermentazione). Nel 1897, Eduard Buchner scoprì che le reazioni di fermentazione possono ancora essere effettuate in estratti di lievito senza cellule, ottenuti rompendo aprire la cellula e raccogliendo il citoplasma che contiene le molecole solubili e gli organelli. Poco dopo, nel 1905, Arthur Harden e William Young scoprirono che il tasso di fermentazione diminuisce senza l’aggiunta di fosfato inorganico (Pi)e che la fermentazione richiede la presenza sia di una componente sensibile al calore (successivamente identificata per contenere un certo numero di enzimi) sia di un basso peso molecolare, frazione stabile al calore (ioni inorganici, ATP, ADP e coenzes). Nel 1940, con lo sforzo di molti individui, il percorso completo della glicolisi è stato stabilito da Gustav Embden, Otto Meyerhof, Jakub Karol Parnas, et al. Infatti, la glicolisi è ora conosciuta come il percorso EMP.
Il glucosio può entrare nelle cellule in due modi: diffusione facilitata tramite un gruppo di proteine integrali chiamate proteine GLUT (trasportatore di glucosio) che navetta glucosio nel citosol. I membri della famiglia di proteine GLUT sono presenti in tessuti specifici in tutto il corpo umano. In alternativa, il trasporto attivo secondario sposta il glucosio contro il suo gradiente di concentrazione attraverso una proteina “symporter” (cotrasportatrice) transmembrana. Il symporter utilizza l’energia elettrochimica dal pompaggio di uno ione. Esempi sono i trasportatori collegati al sodio-glucosio nell’intestino tenue, cuore, cervello, e reni.
In condizioni sia aerobiche (o2 ricche) che anaerobiche (o2 carenti), la glicolisi può iniziare una volta che il glucosio entra nel citosol di una cellula. Ci sono due fasi principali della glicolisi. La prima fase richiede energia ed è considerata una fase preparatoria, intrappolando il glucosio nella cellula e ristrutturando la spina dorsale a sei carbonio in modo che possa essere scisto in modo efficiente. La seconda fase è la fase di “pay-off” (pagamento), con rilascio di energia e la generazione di piruvato.
A seconda del livello di ossigeno e della presenza di mitocondri, il piruvato può avere uno dei due possibili destini. In condizioni aerobiche, con i mitocondri presenti, il pirotto entra nei mitocondri, subendo il ciclo dell’acido citrico e la catena di trasporto degli elettroni (ETC) da ossidare a CO2, H2O e ancora più ATP. Al contrario, in condizioni anaerobiche (per esempio nei muscoli in condizioni di lavoro) o in mancanza di mitocondri (come nei procarioti), il piruvato subisce la fermentazione in lattato (cioè, è ridotto al lattato in condizioni anaerobiche). È interessante notare che, lievito e alcuni batteri in condizioni anaerobiche possono convertire il piruvato in etanolo attraverso un processo noto come fermentazione alcolica.
Un controllo rigoroso e la regolazione delle vie metaboliche mediate da enzimi, come la glicolisi, è fondamentale per il corretto funzionamento di un organismo. Il controllo è esercitato dalla limitazione del substrato o dalla regolazione legata all’enzima. La limitazione del substrato si verifica quando la concentrazione di substrato e prodotti nella cellula sono vicini all’equilibrio. Di conseguenza, la disponibilità del substrato determina il tasso della reazione. Nella regolazione legata all’enzima, la concentrazione di substrato e prodotti è lontana dall’equilibrio. L’attività dell’enzima determina il tasso di reazione, che controlla il flusso del percorso complessivo. Nella glicolisi, i tre enzimi regolatori sono esaochinasi, fosfofruttochinasi e chinasi piruvato.
