BIOLOGIA - Lezione 16 - La Glicolisi | Metabolismo Cellulare

[Musica] Bentornati a tutti. Dopo i primi due video introduttivi sul metabolismo, finalmente ci addentriamo nella prima tappa vera e propria del catabolismo, e cioè la glicolisi. Prima di andare, però, a vedere il processo della glicolisi, vi consiglio di andare a riprendere i due video precedenti che vanno a spiegare, fanno una piccola introduzione su quello che è il metabolismo e più precisamente su quello che è il catabolismo, e cioè i processi che da ora in poi vedremo video per video.

Iniziamo subito con alcune premesse. Prima di tutto, già nei video precedenti abbiamo visto che cos'è l'ATP. L'ATP è la moneta di scambio energetico della cellula, e cioè quando la cellula, grazie al metabolismo, produce ATP, si può dire appunto che abbia prodotto dell'energia. Questa energia, sotto forma di ATP, viene conservata, poi verrà utilizzata in momenti successivi per andare a fare anabolismo e quindi a costruire nuove strutture cellulari, oppure a svolgere delle funzioni importanti per la cellula.

In questa immagine, quindi, vediamo come una molecola chiamata ADP, quindi adenosina difosfato, grazie a dell'energia che viene immagazzinata dentro un legame con il fosfato, si trasforma in ATP, quindi adenosina trifosfato, quindi una molecola di adenosina legata a tre fosfati. Ricordiamo che l'energia dove viene conservata in chimica? Viene conservata nei legami tra gli atomi, quindi viene conservata nei legami all'interno delle molecole. Più precisamente, nella molecola di ATP, l'energia viene conservata dentro i legami tra un fosfato e l'altro.

Questa molecola di ATP, però, come abbiamo detto, quando nella cellula c'è bisogno di energia, può essere scissa in ADP più fosfato, e questo porta al rilascio invece di energia, che sarà ovviamente, come già detto, utilizzata.

Altra premessa che invece dobbiamo fare è su una molecola molto particolare che non abbiamo ancora incontrato, che è il NAD o NADH, e cioè succede che molto spesso, come abbiamo già detto, per trasportare l'energia, le molecole la trasportano mediante gli elettroni. Possiamo anche dire un po' come succede sui cavi dell'energia elettrica, sui cavi elettrici, e cioè che sul cavo di rame viene trasportato un'energia elettrica, e quell'energia altro non è che elettroni. Così avviene anche nel mondo biologico, e cioè l'energia, possiamo dire, che viene trasportata su gli elettroni. Motivo per cui, quando vengono spostati degli elettroni, si può anche dire che viene spostata dell'energia.

E quindi, così come l'energia viene contenuta nei legami tra gli atomi, e ricordiamoci che i legami sono composti da una condivisione di elettroni, quindi i legami sono composti di elettroni, così anche quando noi spostiamo degli elettroni o formiamo o scindiamo dei legami, stiamo spostando dell'energia. Questa spiegazione ci viene molto utile quando dobbiamo appunto andare a parlare di quello che avviene su questa particolare molecola, e cioè il NAD.

Il NAD è una molecola leggermente diversa dall'ATP, che però serve anche questa per conservare dell'energia. Unica differenza con l'ATP è il fatto che il nostro corpo poi non la può utilizzare per andare a riprendersi quell'energia e utilizzarla per processi anabolici. Quindi il NAD, sostanzialmente, è solo una molecola che può trasportare dell'energia. Questo NAD, però, poi dovrà andare in qualche modo a scaricare, a passare questa energia a una molecola di ATP. Possiamo però dire che il NAD è un buon trasportatore di energia, un buon conservatore di energia dei processi metabolici.

Cosa succede precisamente in questa molecola? Allora, esiste una forma molecolare del NAD chiamata NAD+. Questo NAD+, acquisendo due elettroni, e quindi possiamo dire acquisendo dell'energia, possiamo anche dirla, dopo tutta la spiegazione che abbiamo appena fatto, si trasforma in NADH + H+. Questo perché? Perché molto spesso alla giunta di due elettroni ne consegue un aggancio di due protoni, e quindi un H+ più un altro H+. Ovviamente, il primo H+ riesce ad agganciarsi grazie ai due elettroni alla molecola, mentre il secondo H+ rimane solo lì nei paraggi. In ogni caso, molto probabilmente, nelle prossime spiegazioni, io NADH + H+ lo chiamerò semplicemente NADH o NAD ridotto.

Ora andremo a vedere perché, ovviamente, come tutte le reazioni chimiche, ci può essere una reversibilità, e quindi NADH perdendo due elettroni può ri-trasformarsi in NAD+. Come dicevo prima, possono venire anche chiamati NAD+ il NAD ossidato, NADH il NAD ridotto. Questo semplicemente perché è una molecola che acquisisce degli elettroni, si dice che si riduce. Una molecola invece che perde elettroni, si dice che si ossida. Motivo per cui il NAD+ si può chiamare anche NAD ossidato, il NADH si può chiamare NAD ridotto.

Come abbiamo detto, però, il NAD può trasportare dell'energia, ma poi non può essere utilizzato dalla cellula per i processi anabolici. Per fare questo, quindi, il NAD ha bisogno di passare questa energia all'ATP. Quindi, semplicemente, avviene una conversione, e cioè l'energia può essere presa dal NAD, diventando appunto NADH, ma poi questo NADH, cioè questo NAD ridotto, deve passare questa energia in qualche modo alla molecola di ADP, che si trasformerà quindi in ATP, e si trasformerà quindi in questa molecola che conserva l'energia e che potrà poi essere utilizzata in un secondo momento.

Fatte queste dovute anticipazioni, anche perché inizieremo ad incontrare questa molecola chiamata NADH, e quindi bisogna capire di cosa si tratta, possiamo addentrarci sul processo della glicolisi, iniziando innanzitutto a dire che questo processo avviene nel citoplasma. È molto importante specificare questa cosa. La glicolisi avviene nel citoplasma, mentre i processi successivi, e cioè il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa, come vedete, avvengono in una struttura cellulare che abbiamo già visto, che è il mitocondrio. Quindi, tutto quello che andremo a vedere in questo video per quanto riguarda la glicolisi, avviene nel reparto cellulare più ampio chiamato appunto citoplasma.

E precisamente, cosa avviene in glicolisi? Molto semplicemente, la molecola di glucosio, che come abbiamo visto è formata da sei atomi di carbonio legati tra loro, deve essere scissa, deve essere quindi spezzata. Questo perché, grazie alla rottura dei legami, si libera energia. Questa energia poi verrà incanalata, conservata dentro ATP. Quindi, si può dire in maniera molto semplice che la rottura dei legami del glucosio provoca la produzione di ATP.

Come vediamo, quindi, il primo passaggio della glicolisi è la rottura della molecola di glucosio, quindi di questa molecola formata da sei atomi di carbonio legati tra loro, in due molecole più piccole da tre atomi di carbonio e tre atomi di carbonio, chiamate semplicemente gliceraldeide. Come vedete, il nome completo è gliceraldeide 3-fosfato. Dopo andremo a vedere come mai. La cosa che però mi preme farvi notare è come in questo processo si può vedere bene che per separare il glucosio vengono richieste due molecole di ATP. Vedete che la freccia è verso la reazione, quindi l'ATP viene richiesta. E uno si potrebbe porre la domanda: "Ma perché per far avvenire un processo dove io vorrei ricavare dell'ATP, quindi vorrei ottenere dell'energia, devo invece consumarlo?" Ecco perché, per dare la spinta a questo processo, e cioè per far iniziare la glicolisi, c'è bisogno prima di tutto di consumare energia. È un pochino come se la cellula facesse un investimento: "Dice, io investo queste due ATP, però spero nel futuro che me ne escano di più." E in effetti è quello che succede, perché in passaggi successivi la glicolisi trasforma la gliceraldeide in due molecole, sempre composte da tre atomi di carbonio, chiamate però piruvato o acido piruvico. Sono sinonimi questi due termini.

Il passaggio però da gliceraldeide a piruvato produce due molecole di ATP per ogni molecola di piruvato che si forma, e quindi in complesso si vanno a formare 4 ATP totali. Motivo per cui vedete che l'investimento energetico fatto all'inizio della glicolisi è stato opportunamente ripagato.

Andiamo quindi a vedere un pochino più nel dettaglio quello che succede. Possiamo dire che la glicolisi è un processo metabolico mediante il quale una molecola di glucosio, come abbiamo visto, viene divisa in due molecole che si chiamano appunto piruvato o acido piruvico. Alla fine di tutto il processo avremo una generazione netta di 2 ATP, questo perché ovviamente se ne utilizzano due all'inizio, ma poi se ne producono quattro alla fine, quindi noi avremo più 2 ATP alla fine di tutto il processo.

Il processo, però, come è stato già detto nei video precedenti, è composto da varie tappe, e ogni tappa viene catalizzata, e cioè ogni reazione viene effettuata da un enzima. Ci sono in tutto in glicolisi dieci tappe. Cinque tappe vengono definite di preparazione, e cioè viene consumata l'ATP, come abbiamo visto, vengono consumate quindi due molecole di ATP per preparare la molecola alle successive cinque tappe, che invece vengono definite di produzione di energia, perché in questo caso vengono invece prodotte 4 ATP. Ovviamente, facendo 4 meno 2, abbiamo un netto di 2 ATP prodotte in più totali.

Quindi, la glicolisi, quindi, possiamo dire, come vediamo anche nell'ultima formula in cui subentrano tutto quello che viene utilizzato nella reazione, ecco che abbiamo la produzione, vedete, da due ADP che si trasforma in due ATP, quindi la produzione totale di due ATP. Quindi, se vi venisse chiesto quanta ATP produce la glicolisi, precisamente due.

Ora, però, andiamo a vedere più nel dettaglio i vari passaggi della glicolisi.

[Musica]

Vediamo le prime cinque tappe in questa slide. La fase di preparazione inizia con il glucosio, a cui viene agganciato un fosfato. Possiamo vedere, quindi, che per agganciare un fosfato viene utilizzata appunto un ATP, ed ecco qua dove viene consumata la prima ATP della fase di preparazione. Il glucosio, quindi, si trasforma in glucosio 6-fosfato, perché 6-fosfato? Perché il fosfato viene aggiunto sul carbonio numero 6, molto semplicemente. Ecco la nomenclatura della chimica organica, e in taluni casi anche molto semplice.

Poi ci sono vari passaggi, e cioè varie enzimi vanno a catalizzare alcune reazioni che trasformano il G6P in fruttosio 6-fosfato. Il fruttosio 6-fosfato utilizzerà un ATP per andare a collegare un ulteriore fosfato al carbonio numero 1, quindi all'inizio della catena carboniosa, andando a produrre il fruttosio, sempre fruttosio, ma questa volta è 1,6-difosfato, perché ha due fosfati legati al carbonio numero 1, al carbonio numero 6. Ed ecco finalmente, nel passaggio numero 4, la molecola può essere scissa in due molecole, ognuna rispettivamente formata da tre atomi di carbonio più un fosfato che si era agganciato precedentemente. E qua termina la fase di preparazione.

Sappiate che queste due molecole vengono chiamate gliceraldeide 3-fosfato, ma in realtà una di queste molecole, quindi una su due, si trasforma in diidrossiacetone. Questo diidrossiacetone e poi, grazie a un enzima particolare, viene trasformato in gliceraldeide 3-fosfato. Quindi, possiamo dire che al netto, alla fine della fase di preparazione, abbiamo la produzione di due gliceraldeidi 3-fosfato.

Da qua in poi i processi vanno avanti in parallelo per tutte e due le molecole, e quindi avremo la fase di produzione di energia, che comporta inizialmente. Ora io andrò a spiegare ovviamente solo una via in parallelo, perché poi l'altra è esattamente identica. Abbiamo che viene utilizzato un NAD ossidato, viene ridotto in NADH + H+. Ecco come abbiamo visto, quindi, in questo caso si può dire che viene incanalata dell'energia. Questa molecola, però, non è detto che venga utilizzata. Scopriremo più avanti, quando andremo a vedere la fermentazione, perché questa molecola può venire utilizzata o meno.

Andando avanti, quindi, abbiamo che l'acido 1,3-difosfoglicerico si trasforma, grazie alla fuoriuscita di un fosfato che andrà a formare, ecco qua, il primo ATP prodotto, in acido 3-fosfoglicerico. Abbiamo quindi qua la produzione del primo ATP, che però ovviamente, per la doppia via, le due molecole sono ovviamente 2 ATP. Di conseguenza, avremo poi la formazione dell'acido 2-fosfoglicerico, e quindi vedete che il fosfato rimanente viene spostato, e successivamente, con la produzione di acqua, si va a formare l'acido fosforico, per arrivare poi all'ultimo passaggio che trasformerà l'acido fosfoenolpiruvico in piruvato o acido piruvico. In questo passaggio c'è l'ulteriore produzione di ATP, e quindi il distacco del fosfato che era legato, andando ad agganciarsi alla ADP formando appunto ATP. Ovviamente, anche in questo caso le molecole sono due e viaggiando in parallelo non si produce una ATP, solo ma due.

Quindi, nel complesso, nella fase di produzione di energia, ogni molecola di gliceraldeide produce due ATP. Essendo due molecole di gliceraldeide che vanno a fare la stessa via parallela, si producono quindi in totale 4 ATP.

Come avete notato, non mi sono messo a specificare tutti gli enzimi che vanno a prendere parte alla reazione, alle varie reazioni, ai vari step della glicolisi. Questo perché, poi, come avete visto, dopo aver capito il processo generale, in realtà è tutto un lavoro mnemonico. Quindi, quando bisogna andare a studiare la glicolisi, e quindi i vari passaggi, le varie molecole, quindi anche i vari enzimi che le vanno a costituire, basta prendere l'immagine che io sto proiettando qua a sinistra e la si va a studiare in maniera precisa e a memoria. E quindi si può vedere come il primo enzima, ad esempio, della glicolisi è l'esochinasi, che appunto catalizza l'aggiunta di un fosfato dall'ATP al glucosio, e poi via via vedete che c'è tutto il processo della glicolisi catalizzato dai vari enzimi fino ad arrivare al piruvato, chiamato anche appunto acido piruvico.

La cosa molto importante, e quindi, che il guadagno complessivo della glicolisi è di due molecole di ATP e due molecole di NADH, quindi di NAD ridotto. Andremo, come vi ho già detto prima, a vedere quando viene utilizzato nel video prossimo, che andrà a trattare la fermentazione.

E proprio volendoci collegare al prossimo video della fermentazione, andiamo a vedere cosa può avvenire conclusa la glicolisi. Ecco che il metabolismo può prendere due vie, a seconda che la cellula abbia a disposizione ossigeno oppure non lo abbia. Ovviamente, la situazione di presenza o assenza dell'ossigeno può dipendere dall'organismo in sé, e cioè ci sono organismi che semplicemente non respirano, non utilizzano l'ossigeno, è più giusto dire. Quindi sono microrganismi molto spesso definiti anaerobi, e quindi semplicemente loro fanno glicolisi e poi ci si ferma con la glicolisi con un processo che vedremo tra poco che si chiama fermentazione. Cioè, loro non utilizzano l'ossigeno.

Per tutti gli altri organismi, e cioè precisamente gli animali, perché noi stiamo andando a vedere poi principalmente cosa fa una cellula eucariote animale, ecco che se c'è abbastanza ossigeno nella cellula, la via metabolica può continuare con il ciclo di Krebs e poi vedremo la fosforilazione ossidativa. E quindi, in presenza di ossigeno, dopo la glicolisi, quelle due molecole di piruvato possono entrare nel ciclo di Krebs.

Ma cosa succede se invece l'ossigeno non è presente? E cioè, quelle due molecole di NADH e piruvato che derivano dalla glicolisi, cosa andranno a fare? Ecco che, senza l'ossigeno, queste due molecole vanno a fermentare, e cioè affrontano il processo di fermentazione. La fermentazione, vedremo nel prossimo video, può essere lattica o alcolica. Per quanto riguarda le cellule umane, la fermentazione lattica, ed è questo il motivo per cui quando il muscolo non ha a disposizione abbastanza ossigeno, va a formare acido lattico, e questo può verificarsi ovviamente nei casi di un sovra-sforzo fisico.

Bene, con questo abbiamo concluso la glicolisi. Nella prossima lezione andremo ad affrontare, come già detto appunto, la fermentazione. Se questo video vi è stato utile, vi chiedo quindi di lasciare un like, mi farebbe molto piacere, aiuterebbe il canale a crescere. Inoltre, vi invito ad iscrivervi al canale per seguire tutti i prossimi video, ed io vi do appuntamento alla prossima lezione.