Respirația celulară (partea a II-a): glicoliza

Aproape toată energia folosită de celulele vii provine din legăturile chimice ale glucozei. Glicoliza este primul pas în descompunerea glucozei pentru a extrage energia necesară metabolismului celular. Aproape toate organismele vii efectuează glicoliza ca parte a metabolismului lor. Procesul nu folosește oxigen și, prin urmare, este anaerob.

Glicoliza are loc în citoplasma atât a celulelor procariote, cât și a celor eucariote. Glucoza pătrunde în celulele heterotrofe în două moduri. O metodă este prin transportul activ secundar, care are loc împotriva gradientului de concentrație al glucozei. Celălalt mecanism folosește un grup de proteine ​​integrate în membrana celulară numite proteine transportoare de glucoză (GLUT). Acești transportori ajută la difuzia facilitată a glucozei.

Glicoliza începe cu structura în formă de inel cu șase atomi de carbon a unei singure molecule de glucoză și se termină cu două molecule formate din trei atomi de carbon numite piruvat. Glicoliza constă din două faze distincte. Prima parte a căii glicolitice folosește energie pentru a modifica glucoza  astfel încât molecula sa cu șase atomi de carbon să poată fi împărțită uniform în cele două molecule cu trei atomi de carbon. A doua parte a glicolizei extrage energia din molecule și o stochează sub formă de ATP și NADH, forma redusă a NAD⁺.

Prima jumătate a glicolizei (etapele care au nevoie de energie)

Etapa1. Prima etapă a glicolizei (Figura 4) este catalizată de hexokinază, o enzimă cu specificitate largă și care catalizează fosforilarea zaharurilor cu șase atomi de carbon. Hexokinaza fosforilează glucoza folosind ATP-ul ca sursă de fosfat, producând glucozo-6-fosfat, o formă mai reactivă de glucoză. Această reacție împiedică molecula de glucoză fosforilată să continue să interacționeze cu proteinele transportoare de glucoză și să poată părăsi celula, deoarece fosfatul încărcat negativ nu îi va permite să traverseze interiorul hidrofob al membranei celulare.

Etapa 2. În a doua etapă a glicolizei, o izomerază transformă glucozo-6-fosfatul într-unul dintre izomerii săi, fructozo-6-fosfatul. O izomerază este o enzimă care catalizează conversia unei molecule într-unul dintre izomerii săi. (Această schimbare de la fosfoglucoză la fosfofructoză permite scindare ulterioară a glucozei în două molecule cu trei atomi de carbon.)

Etapa 3. A treia etapă este fosforilarea fructozo-6-fosfatului, catalizată de enzima fosfofructokinază. O a doua moleculă de ATP donează o grupare fosfat cu energie ridicată fructozo-6-fosfatului, producând fructozo-1,6-bisfosfatul. În această cale, fosfofructokinaza este o enzimă care limitează viteza reacției. Enzima este activă atunci când concentrația de ADP este mare și este mai puțin activă atunci când nivelurile de ADP sunt scăzute și concentrația de ATP este ridicată. Astfel, dacă există „suficient” ATP în sistem, reacția încetinește. Acesta este un tip de inhibare prin produsul final, deoarece ATP-ul este produsul final al catabolismului glucozei.

Etapa 4. Grupările fosfat de înaltă energie nou adăugate destabilizează și mai mult fructozo-1,6-bifosfatul. A patra etapă în glicoliză folosește o enzima aldolază pentru a scinda fructozo-1,6-bisfosfatul în doi izomeri cu trei atomi de carbon: dihidroxiaceton-fosfatul și gliceraldehid-3-fosfatul.

Etapa 5. În a cincea etapă, o izomerază transformă dihidroxiaceton-fosfatul în izomerul său, gliceraldehid-3-fosfatul. Astfel, calea va continua cu două molecule de gliceraldehid-3-fosfat. În acest punct al glicolizei, există o investiție netă de energie din două molecule de ATP pentru descompunerea unei molecule de glucoză.

Figura 4 – Prima jumătate a glicolizei utilizează două molecule de ATP pentru fosforilarea glucozei, care este apoi împărțită în două molecule cu trei atomi de carbon.

A două jumătate a glicolizei (etapele care generează energie)

Până acum, glicoliza a costat celula două molecule de ATP și a produs două molecule mici cu trei atomi de carbon (glicerladehid-3-fosfatul). Ambele aceste molecule vor parcurge cea de a două jumătate a glicolizei, în urma căreia va fi extrasă suficientă energie pentru a compensa cele două molecule de ATP consumate și a genera încă două molecule de ATP suplimentare și două molecule de NADH.

Etapa 6. A șasea etapă a glicolizei (Figura 5) oxidează zaharul (gliceraldehid-3-fosfatul), extrăgând electroni de înaltă energie, care sunt preluați de purtătorul de electroni NAD⁺, producând NADH. Zaharul este apoi fosforilat prin adăugarea unei a doua grupări fosfat, producând 1,3-bisfosfoglicerat. Este de remarcat că a doua grupare fosfat nu necesită o altă moleculă de ATP.

Aici intervine un alt potențial factor limitativ pentru continuarea glicolizei. Continuarea reacției depinde de disponibilitatea formei oxidate a purtătorului de electroni, NAD⁺. Astfel, NADH trebuie să fie oxidat continuu înapoi în NAD⁺ pentru a menține acest pas. Dacă NAD⁺ nu este disponibil, a doua jumătate a glicolizei încetinește sau se oprește. Dacă oxigenul este disponibil în sistem, NADH va fi oxidat ușor, deși indirect, iar electronii de mare energie din hidrogenul eliberat în acest proces vor fi utilizați pentru a produce ATP. Într-un mediu fără oxigen, o cale alternativă (fermentarea) poate asigura oxidarea NADH la NAD⁺.

Etapa 7. În a șaptea etapă, catalizată de fosfoglicerat kinază (o enzimă numită pentru reacția inversă), 1,3-bisfosfogliceratul donează ADP-ului o grupare fosfat de energie înaltă, formând o moleculă de ATP. (Acesta este un exemplu de fosforilare la nivel de substrat.) O grupare carbonil de pe 1,3-bisfosfoglicerat este oxidată la o grupare carboxil și se formează 3-fosfogliceratul.

Etapa 8. În a opta etapă, gruparea fosfat rămasă din 3-fosfoglicerat se deplasează de la al treilea atom de carbon la al doilea carbon, producând 2-fosfoglicerat (un izomer al 3-fosfogliceratului). Enzima care catalizează această etapă este o mutază (izomeraza).

Etapa 9. Enolaza catalizează a noua etapă. Această enzimă face ca 2-fosfogliceratul să piardă apă din structura sa; aceasta este o reacție de deshidratare, care are ca rezultat formarea unei duble legături care crește energia potențială în legătura fosforică rămasă și produce fosfoenolpiruvat (FEP).

Etapa 10. Ultima etapă a glicolizei este catalizată de enzima piruvat kinază (enzima din acest caz este numită după reacția inversă de conversie a piruvatului în FEP) și are ca rezultat producerea unei a doua molecule de ATP prin fosforilarea la nivel de substrat și a unei molecule de acid piruvic (sau forma sa de sare, piruvat). Multe enzime din căile enzimatice sunt denumite pentru reacțiile inverse, deoarece enzima poate cataliza atât reacții directe, cât și reacții inverse.

Figura 5 – A doua jumătate a glicolizei implică fosforilarea fără consum de ATP (etapa 6) și produce două molecule NADH și patru molecule ATP din fiecare moleculă de glucoză.

Rezultatul glicolizei

Glicoliza începe cu glucoza și se termină cu două molecule de piruvat, un total de patru molecule de ATP și două molecule de NADH. Două molecule de ATP au fost folosite în prima jumătate a căii pentru a pregăti inelul cu șase atomi de carbon pentru scindare, astfel încât celula are un câștig net de două molecule de ATP și două  molecule de NADH.

Dacă celula nu poate cataboliza moleculele de piruvat în continuare, va recolta doar două molecule de ATP dintr-o moleculă de glucoză. Globulele roșii ale mamiferelor mature nu sunt capabile de respirație aerobă – procesul prin care organismele convertesc energia în prezența oxigenului -, iar glicoliza este singura lor sursă de ATP. Dacă glicoliza este întreruptă, aceste celule își pierd capacitatea de a-și menține pompele de sodiu-potasiu și, în cele din urmă, mor.

Ultimul etapă a glicolizei nu va avea loc dacă piruvat kinaza, enzima care catalizează formarea piruvatului, nu este disponibilă în cantități suficiente. În această situație, se va derula întreaga cale de glicoliză, dar în a doua jumătate se vor produce doar două molecule de ATP. Astfel, piruvat kinaza este o enzimă limitatoare a vitezei glicolizei.