Scissione del glucosio
La glicolisi (si pronuncia glicòlisi) sottopone una molecola di glucosio ad una serie di dieci trasformazioni chimiche in sequenza che alla fine producono due molecole di acido piruvico, due ATP e due NADH secondo la seguente reazione (semplificata):

Durante questo processo, il glucosio dapprima viene legato a due fosfati (consumando due ATP), poi è tagliato in due frammenti di tre atomi di carbonio, e infine isomerizzato e disidratato. Si ottengono così due molecole di acido piruvico e vengono liberati quattro ATP. In totale, quindi, la glicolisi produce due ATP (4-2) usando l'energia della demolizione parziale del glucosio ad acido piruvico. L'ATP viene usato per dare energia ai processi molecolari in tutta la cellula. Inoltre, la reazione 6 della glicolisi, ossidando la gliceraldeide-3-fosfato, produce due NADH, che possono essere usati per riduzioni biochimiche o per creare nuova energia chimica.

Dopo la glicolisi
Il sesto enzima della glicolisi rimuove uno ione idruro dalla gliceraldeide-3-fosfato, trasferendolo al NAD+ (nicotinamide adenina dinucleotide) che viene ridotto a NADH. Se la cellula non mettesse in moto altre reazioni in grado di riconvertire il NADH in NAD+, questo sarebbe subito esaurito e la glicolisi si fermerebbe.
Le cellule hanno sviluppato modi diversi per ossidare nuovamente il NADH in NAD+:
1) Respirazione cellulare. Molte cellule, inclusa la maggior parte delle nostre, ossidano il NADH a NAD+ con l'ossigeno molecolare O2, producendo così molto ATP attraverso una serie di reazioni chiamate catena respiratoria (mdm 12-2011) e fosforilazione ossidativa (mdm 12-2005).
2) Fermentazione alcolica. Le cellule di lievito che vivono in assenza di ossigeno, usano l'acido piruvico prodotto dalla glicolisi come molecola ossidante. Prima fanno perdere CO2 all'acido piruvico formando acetaldeide, poi questa per mezzo dell'enzima alcol deidrogenasi (mdm 1-2001) ossida il NADH a NAD+ formando alcol etilico che è espulso dalla cellula. Ogni volta che beviamo birra o vino, assumiamo alcol prodotto attraverso questo processo.
3) Fermentazione lattica. I muscoli sotto sforzo intenso non riescono ad ottenere dal sangue abbastanza ossigeno per sostenere la loro azione, quindi al posto dell'ossigeno, usano come molecola ossidante l'acido piruvico prodotto dalla glicolisi. Per mezzo dell'enzima lattato deidrogenasi (mdm 6-2008) ossidano il NADH a NAD+ usando l'acido piruvico che viene ridotto ad acido lattico. Durante un'intensa attività anaerobica, l'acido lattico si accumula nei muscoli, e quando raggiunge livelli elevati, li obbliga a fermarsi per riposare e riconvertire l'acido lattico in glucosio.

I magnifici dieci
La glicolisi è un processo semplice e geniale che si realizza in dieci tappe governate da dieci enzimi diversi Questi si sono perfezionati nel corso dell'evoluzione per realizzare con efficienza i loro compiti chimici: aggiungere, rimuovere o spostare atomi senza commettere errori. Il processo è attentamente regolato, così il glucosio viene degradato solamente quando c'è bisogno di energia. Nella glicolisi, si trovano esempi di enzimi allosterici che cambiano forma durante il loro funzionamento; enzimi che formano legami covalenti con i loro substrati; ed enzimi che usano ioni metallici o molecole organiche per completare la propria azione. Alcuni di questi enzimi sono così efficienti che lavorano più velocemente del ritmo con il quale le molecole di zucchero possono arrivare a loro. L'intero processo è sottoposto a regolazione enzimatica così che ogni passo procede facilmente, ma in modo controllato, verso l'obiettivo di catturare quanta più energia possibile dalla demolizione ossidativa del glucosio.

1) Esochinasi

La esochinasi compie il primo passo della glicolisi, usando una molecola di ATP per avviare il processo. Trasferisce un gruppo fosfato dall'ATP al glucosio, formando glucosio-6-fosfato. La esochinasi ha la forma di un morsetto, con un grande incavo su un lato e svolge la sua azione compiendo un movimento di adattamento indotto, chiudendosi intorno al glucosio dopo che questo si è legato nel sito attivo.
La struttura senza glucosio, mostrata qui sotto sulla sinistra (file PDB 1ig8) è aperta e permette al glucosio di entrare nel sito attivo. Non contiene ATP, ma solo un gruppo solfato che si trova dove si lega l'ultimo fosfato di ATP.
Quando il glucosio (carboni verdi e ossigeni rossi) entra nel sito attivo, come mostrato qui sotto sulla destra (file PDB 1hkg) la struttura si chiude e lo avvolge allontanando le molecole d'acqua per facilitare la reazione con ATP.



Come accade spesso, le cose diventano più complicate quando si considera il modello umano. Nell'uomo vi sono molti tipi di esochinasi, per soddisfare le necessità lievemente diverse di vari tipi di cellule. L'enzima illustrato qui a destra è preso da cellule di cervello (file PDB 1dgk). È due volte più grande della esochinasi di lievito, ma la cosa straordinaria è che è costruito da due subunità che assomigliano a due enzimi di lievito legati testa-a-coda. Le due metà hanno un sito attivo quasi identico. Quella inferiore è realizza la reazione catalitica.
Quella superiore è specializzata nella regolazione e non sa compiere la reazione di trasferimento del fosfato.

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4) Fruttosio-1,6-bisfosfato aldolasi

A questo punto della glicolisi, la molecola di zucchero è attivata e la cellula è pronta per tagliarla. Il quarto enzima, fruttosio-1,6-bisfosfato aldolasi, taglia la molecola nel mezzo, producendo due pezzi simili, ognuno con un solo fosfato legato. L'enzima può realizzare anche la reazione inversa, legando insieme queste due molecole più piccole per riformare il fruttosio-1,6-bisfosfato. Anzi, l'enzima prende il nome da questa reazione inversa che è una condensazione aldolica. L'enzima mostrato qui (file PDB 4ald) si trova nelle nostre cellule muscolari. Contiene quattro subunità identiche, ognuna col suo proprio sito attivo.




Il sito attivo usa una speciale lisina (Lys 229) per attaccare la catena del fruttosio. Come mostrato qui sotto (file PDB 1j4e) questa lisina forma un legame covalente con il carbonile del fruttosio durante la reazione di scissione. Questa struttura è congelata in uno stadio in cui la molecola di fruttosio è stato tagliata liberando gliceraldeide e lasciando solo diidrossiacetone fosfato (con i tre carboni verdi) legato alla lisina nel sito attivo.
Il sito attivo è inserito in una particolare struttura cilindrica a "barile beta" caratteristica anche di altri enzimi della glicolisi.

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L'enzima aldolasi usato dalla maggior parte dei batteri è diverso dall'aldolasi che abbiamo nelle nostre cellule. Usa due ioni zinco invece di un amminoacido lisina. Potete vedere un esempio di una aldolasi batterica nel file PDB 1zen.
Infine date un'occhiata allo strano enzima prodotto dagli archeobactteri delle sorgenti calde (file PDB 1ojx) che usa una lisina nel sito attivo, come il nostro enzima, ma è composto di dieci catene che formano un complesso molecolare enorme.

5) Triosofosfato isomerasi

A questo punto della glicolisi, la cellula ha rotto lo zucchero in due frammenti diversi. Per economia, l'ideale sarebbe procedere lungo un solo sentiero, invece che lungo percorsi separati per ognuno dei due pezzi. La quinta tappa della glicolisi rende questo possibile interconvertendo i due pezzi uno nell'altro. La trioso fosfato isomerasi, mostrata qui a destra (file PDB 2ypi) strappa un H+ ad un atomo di carbonio e lo sostituisce su un atomo di carbonio vicino. Un particolare amminoacido di acido glutammico (Glu 165) compie il trasferimento.
La trioso fosfato isomerasi compie il suo lavoro miliardi di volte più velocemente della reazione non catalizzata. È così veloce che la velocità di reazione è determinata da quanto velocemente le molecole possono arrivare all'enzima .
Il sito attivo è mostrato in dettaglio nella figura qui sotto, notate che è inserito in un "barile beta" una struttura di forma cilindrica di catene beta (gialle) circondata da un anello esterno di alfa eliche (rosse) simile a quello della reazione precedente di aldolasi. Notate che ogni alfa elica connette la testa di una catena beta con la coda di quella vicina.

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6) Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi


Ora che la glicolisi ha spezzato il glucosio in due frammenti uguali di gliceraldeide-3-fosfato, si può finalmente cercare di ricavarne energia. Per raggiunge questo scopo, la cellula sfrutta il fatto che le aldeidi sono molto facilmente ossidabili ad acidi. Per ossidare la gliceraldeide-3-fosfato ad acido 3-fosfoglicerico utilizza un ossidante più forte del necessario, il NAD+, (magenta) che prende su di sè uno ione idruro (idrogeno negativo) diventando NADH. La cosa notevole è che l'eccesso di energia liberato in questa reazione non va perduto, ma viene recuperato legando all'acido glicerico uno ione fosfato inorganico che poi, nella tappa numero 7, verrà trasferito all'ADP per sintetizzare ATP.
Il NADH che si forma può essere usato o per creare altra energia reagendo con O2 (respirazione cellulare) o per ridurre gli stessi frammenti della molecola di glucosio prodotti dalla glicolisi (fermentazione). In tutti e due i casi si ottiene un risultato importante anche dal punto di vista chimico: il NADH torna nella sua forma ossidata NAD+ e diventa ancora capace di ossidare la gliceraldeide 3-fosfato nella tappa numero 6.
La gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi è composta da quattro subunità identiche. Molte delle strutture di questo enzima, come la forma umana illustrata qui sopra (file PDB 3gpd) hanno il NAD+ legato in tutti e quattro i siti attivi, insieme con due ioni fosfato. Un ione è legato nel sito che dovrebbe ospitare il gruppo fosfato appartenente alla molecola di zucchero, e si pensa che l'altro sia legato nel sito che posiziona lo ione fosfato inorganico entrante per la reazione.
La figura qui a fianco (file PDB 1nqo) mostra la prima parte della reazione, quando la molecola di substrato si è appena legata. Un amminoacido cisteina (sostituita qui con una serina meno reattiva) attacca poi la molecola, formando un legame con il carbonio aldeidico. Questo carbonio viene poi ossidato dal NAD+ formando un tioestere molto reattivo che in seguito si rompe reagendo con uno ione fosfato inorganico (non mostrato). Un'istidina lì vicino assiste la reazione.










7) Fosfoglicerato chinasi


Ora, nella settima tappa della glicolisi, la cellula è pronta a sintetizzare ATP. Per ogni glucosio degradato abbiamo ottenuto due molecole di acido glicerico 1,3-bisfosfato. La fosfoglicerato chinasi prende queste molecole e trasferisce all'ADP il fosfato presente sul carbossile, formando una molecola di ATP. Come col primo enzima della glicolisi, questo processo deve avvenire lontano dall'acqua per assicurare che il fosfato sia trasferito correttamente. La fosfoglicerato chinasi usa lo stesso approccio utilizzato dalla esochinasi: fa avvenire la reazione in uno spazio chiuso situato all'interno dell'enzima, al riparo dalle molecole di acqua che potrebbero interferire. L'enzima è composto di due lobi uniti da un collegamento flessibile. Il lobo superiore si lega all'ADP mentre quello inferiore ha una tasca per l'acido glicerico 1,3-bisfosfato. L'enzima poi si chiude strettamente e compie il trasferimento del fosfato. La struttura mostrata qui a lato sulla sinistra (file PDB 3pgk) è nella forma aperta con l'ADP legato, mentre la struttura mostrata sulla destra (file PDB 1vpe) è nella forma chiusa.

8) Fosfoglicerato mutasi

Il guadagno di ATP nelle prime 7 tappe della glicolisi è stato zero. Infatti, nelle tappe 1 e 3 si sono consumati 2 ATP e nella tappa numero 7 si sono guadagnati 2 ATP. Nelle tre tappe che restano per concludere il processo è indispensabile produrre altri ATP altrimenti tutta la glicolisi perde di significato.
In effetti nelle utime tre tappe si producono 2 ATP trasferendo all'ADP il fosfato rimasto sull'acido 3-fosfoglicerico. Questa reazione però non può essere realizzata in modo diretto perchè l'energia ottenuta dalla semplice idrolisi di un estere fosforico non è sufficiente a produrre una molecola ricca di energia come l'ATP. La strategia quindi è quella di creare nella molecola una situazione di instabilità, l'enolo dell'acido fosfoenolpiruvico che trasformandosi nella forma chetonica più stabile darà la spinta decisiva per sintetizzare ATP nella tappa 10.

La fosfoglicerato mutasi realizza la prima delle trasformazioni necessarie per produrre ATP: sposta il fosfato dal carbonio 3 al carbonio 2 in modo da liberare l'OH sul carbonio 3 per avere un beta idrossi acido che al prossimo passaggio può disidratarsi formando un acido alfa, beta insaturo.
Questo enzima esiste in molte forme: l'enzima del lievito, mostrato in alto a sinistra. (file PDB 3pgk) è composto di quattro subunità identiche. L'enzima umano è simile, ma contiene solamente due subunià. Le piante e molti batteri costruiscono un enzima completamente diverso che usa ioni manganese per la reazione, come mostrato qui sopra a destra (file PDB 1eqj)

L'enzima nelle nostre cellule usa un amminoacido istidina speciale, come quello mostrato qui a destra in un enzima batterico (file PDB 1e58). Questa istidina estrae il fosfato e lo mette in un luogo diverso nella molecola. In realtà, l'enzima compie queste operazioni alla rovescia: prima mette un fosfato nella molecola che, per qualche istante, ne ha due legati, poi stacca l'altro. Per fare questo l'enzima deve essere caricato con un'altra molecola di fosfato prima di compiere la sua reazione. Una piccola molecola intermedia l'acido 2,3-difosfoglicerico porta questi fosfati reattivi all'enzima. Dopo che l'enzima si è caricato, rimane attivo per uno o due minuti compiendo senza sosta la sua reazione molte volte prima che il fosfato venga perduto e debba essere sostituito.


9) Enolasi

Nella tappa 9 della glicolisi, l'enzima enolasi disidrata l'acido 2-fosfoglicerico per formare l'acido fosfoenolpiruvico. Questo è un enolo, una molecola instabile che nella tappa 10 verrà trasformato in un chetone, più stabile, cedendo il fosfato per formare ATP. Il compito dell'enzima enolasi è relativamente semplice, infatti l'eliminazione di una molecola di acqua dall'acido 2-fosfoglicerico, forma un nuovo doppio legame in posizione coniugata con il carbossile della molecola.
L'enzima enolasi mostrato qui a destra (file PDB 2one) è interessante perchè mostra due fasi di questa reazione, prima e dopo che l'acqua è stata rimossa. L'enzima contiene due siti attivi identici. La struttura cristallina ha congelato uno stato diverso in ognuno dei siti attivi.
L'immagine di sinistra mostra la molecola prima che la reazione inizi, mentre quella di destra mostra la molecola dopo che l'acqua è stata rimossa. L'enolasi usa due ioni metallici in questa reazione. Il primo è un ione magnesio (azzurro) che lega la molecola all'enzima, e la tiene nella giusta posizione. Il secondo è uno ione litio (blu) che lega la molecola e aiuta la catalisi. Un'istidina (His) si trova nella posizione ideale per catalizzare la reazione.

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10) Piruvato chinasi


Nell'ultima tappa della glicolisi, la cellula finalmente è pronta a realizzare il guadagno netto di ATP. L'enzima piruvato chinasi rimuove il gruppo fosfato dal carbonio 2 dell'acido fosfoenolpiruvico e lo trasferisce all'ADP formando ATP. L'energia per la sintesi di ATP viene dalla reazione che trasforma l'enolo instabile dell'acido fosfoenolpiruvico, nel corrispondente chetone stabile formando acido piruvico. Come abbiamo visto in precedenza, l'acido piruvuco è il prodotto finale della glicolisi e può subire due destini diversi:
Nella respirazione cellulare viene completamente osidato con O2 formando acqua e CO2
Nella fermentazione alcolica viene prima decarbossilato formando CO2 e poi ridotto ad etanolo.
Nella fermentazione lattica viene ridotto ad acido lattico.

La reazione finale della glicolisi è regolata dall'enzima piruvato chinasi, questo assicura che l'ATP venga sintetizzato solamente quando ce n'è bisogno. Come l'emoglobina, questo enzima viene attivato progressivamente all'aumentare dei livelli del suo materiale di partenza. È attivato anche dalla presenza di zuccheri fosforilati che indicano che molte materie prime sono disponibili. Al contrario, è inibito da molecole che sono abbondanti quando la cellula ha abbastanza energia, come ATP e amminoacidi. La piruvato chinasi è un grosso enzima allosterico che sente i livelli di tutte queste molecole e cambia forma a seconda della loro presenza. È composto di quattro subunità flessibili sistemate a forma di stella. L'intero complesso si piega quando si legano molecole nei siti di regolazione. Nelle due strutture mostrate qui sopra, i siti catalitici si trovano in alto e in basso, mentre i siti regolatori si trovano a sinistra e a destra.
La struttura batterica mostrata sulla sinistra (file PDB 1e0u) si trova nella forma inattiva, più stretta.
La struttura di lievito sulla destra, dall'archivio PDB 1a3w, si trova nella forma attiva dato che possiede molecole di fruttosio 1,6-bisfosfato (magenta) legate nei siti regolatori. I siti attivi contengono un analogo dell'acido fosfoenolpiruvico (giallo) e due ioni metallici, uno ione potassio ed uno ione manganese (verdi) che aiutano la reazione.

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