Glucosio | Metabolismo, Funzioni | Glicolisi e Ciclo di Krebs

Che Cos'è

Il glucosio è uno zucchero a sei atomi di carbonio.

Rappresenta il composto organico più diffuso in natura, nonché la principale fonte di energia per gli organismi viventi.

Le piante lo sintetizzano attraverso la fotosintesi clorofilliana, che sfrutta la luce solare per produrre glucosio a partire dall'anidride carbonica e dall'acqua.

L'uomo ricava il glucosio dalla dieta, attraverso l'apporto degli alimenti che lo contengono; può anche produrlo in quantità limitate attraverso particolari vie metaboliche.

In questo articolo ci concentreremo sul metabolismo del glucosio. Per chi preferisce approfondire gli usi alimentari e gli aspetti nutrizionali del glucosio, consigliamo la lettura del nostro articolo sul destrosio.

Metabolismo del Glucosio

Gli organismi necessitano di energia per svolgere le proprie funzioni vitali e costruire le molecole e i tessuti che li costituiscono.

Per ottenere questa energia, le cellule demoliscono continuamente molecole organiche come il glucosio. Questa demolizione consiste in una serie di reazioni chimiche (mediate da enzimi), che hanno lo scopo ultimo di generare energia chimica.

Il glucosio è una molecola dall'altissimo contenuto energetico; non a caso, rappresenta il combustile più usato dagli organismi viventi.

Il metabolismo del glucosio è l'insieme delle reazioni chimiche attraverso le quali questo zucchero si scinde in molecole più semplici, producendo energia.

L'energia liberata durante la demolizione del glucosio viene temporaneamente immagazzinata nella molecola di ATP.

I processi metabolici più importanti che portano al rilascio dell'energia dal glucosio prevedono 2 fasi:

• la prima tappa è la glicolisi;
• la seconda tappa interviene sul prodotto finale della glicolisi e può procedere in due direzioni diverse, a seconda della disponibilità o meno di ossigeno:
  • fermentazione (lattica o etanolica), in assenza di ossigeno;
  • respirazione cellulare (ciclo di Krebs), in presenza di ossigeno.

Glicolisi

La glicolisi - dal greco glykys, dolce e lysis, sciogliere - è la tappa iniziale della demolizione (metabolismo) del glucosio.

Avviene nel citoplasma di tutte le cellule, sia procariote che eucariote, e non ha bisogno di ossigeno.

Sostanzialmente, la glicolisi spezza la molecola di glucosio (che ha 6 atomi di carbonio) in 2 molecole di acido piruvico (che hanno 3 atomi di carbonio ciascuna).

Questa reazione prevede il consumo iniziale di 2 molecole di ATP. In pratica, la cellula è costretta a investire 2 molecole energetiche per poterne guadagnare di nuove.

In effetti, al termine delle dieci tappe che caratterizzano la glicolisi, si otterranno 4 molecole di ATP e 2 molecole di NADH⁺ 2H⁺.

La glicolisi porta quindi al guadagno netto di 2 molecole di ATP e si può distinguere in due fasi:

• Fase di preparazione: viene investita l'energia di 2 ATP per arrivare ad ottenere fruttosio 1,6-disfosfato;
• Fase di recupero: si generano due molecole di acido piruvico e si producono 4 molecole di ATP.

Dal punto di vista energetico, si tratta quindi di un processo relativamente inefficiente; come vedremo in seguito, il metabolismo del glucosio si può però ottimizzare in presenza di ossigeno.

Bilancio Finale della Glicolisi

I prodotti della glicolisi sono tre:

• 2 molecole di ATP → guadagno energetico netto;
• 2 molecole di piruvato → possono essere:
  • ridotte ad acido lattico, attraverso la fermentazione lattica;
  • ridotte ad alcol etilico, attraverso la fermentazione alcolica;
  • ossidate in presenza di ossigeno nel ciclo di Krebs.
• Una molecola di NADH → consente di riprendere la glicolisi su una nuova molecola di glucosio.

L'immagine sottostante mostra nel dettaglio le varie tappe della glicolisi. Si può notare come il fruttoso-6-fosfato rappresenti l'intermedio comune:

• all'utilizzazione di zuccheri diversi dal glucosio (come il fruttosio);
• all'utilizzazione del glucosio 1-fosfato proveniente dalla demolizione del glicogeno (che rappresenta la riserva di glucosio dell'organismo).

Dunque:

• nella fase preparatoria una molecola di glucosio viene scissa in due molecole di gliceraldeide-3-fosfato e si consumano due ATP.
  
• nella seconda fase, detta fase di recupero energetico, le due molecole di gliceraldeide-3-fosfato sono convertite in altrettante molecole di piruvato, con concomitante produzione di 2 molecole di ATP ciascuna.

Fermentazione

La fermentazione agisce sull'acido piruvico ottenuto dalla glicolisi.

Avviene nel citoplasma e non richiede ossigeno. Si tratta pertanto di un meccanismo di tipo anaerobico.

Esistono diversi tipi di fermentazione, ognuno dei quali produce sostanze diverse. Le tipologie più importanti sono:

• la fermentazione alcolica;
• la fermentazione lattica.

Fermentazione alcolica

La fermentazione alcolica è svolta dai lieviti (per esempio il lievito di birra o Saccharomyces cerevisiae) e trasforma le 2 molecole di acido piruvico in 2 molecole di etanolo, con liberazione di anidride carbonica. Per farlo sfrutta l'energia ceduta dal NADH.

Questa reazione rigenera quindi il NAD⁺ consumato nelle tappe iniziali della glicolisi e permette di metabolizzare nuovo glucosio.

La fermentazione lattica operata da particolari microrganismi viene sfruttata nella produzione di bevande alcoliche come il vino e la birra, ma anche per la panificazione. Nella lievitazione del pane, infatti, l'anidride carbonica liberata dalla fermentazione alcolica provoca l'aumento di volume, mentre l'etanolo evapora durante la cottura.

Fermentazione lattica

La fermentazione lattica è svolta da batteri e funghi e trasforma le 2 molecole di acido piruvico ottenute dalla glicolisi in 2 molecole di acido lattico. Come descritto per la fermentazione alcolica, la reazione consuma NADH e rigenera NAD⁺ permettendo la ripresa della glicolisi operata su un'altra molecola di glucosio.

La fermentazione lattica operata da particolari microrganismi (fermenti lattici) viene sfruttata nella produzione dello yogurt e del formaggio.

La fermentazione lattica avviene anche nell'organismo umano, ad esempio nei globuli rossi e nelle cellule muscolari sottoposte a un intenso sforzo fisico.

Leggi il nostro articolo di approfondimento sull'Acido Lattico »

Respirazione Cellulare

Mentre la fermentazione avviene in condizioni di anaerobiosi, quando c'è disponibilità di ossigeno l'acido piruvico viene metabilizzato in maniera differente e molto più proficua.

La respirazione cellulare consente di produrre altissime quantità di energia a partire dal glucosio (con un guadagno netto teorico di 38 molecole di ATP, che scende a 30-32 molecole in condizioni reali).

Dal citoplasma, dove sono avvenute le reazioni glicolitiche, l'acido piruvico viene trasferito nei mitocondri. A questo livello si svolgono tre tappe fondamentali:

• la fase preparatoria;
• il ciclo di Krebs (o ciclo dell'acido citrico);
• la catena di trasporto degli elettroni.

Fase Preparatoria

Questa fase funge da ponte tra la glicolisi e il ciclo di Krebs.

Nella fase preparatoria, l'acido piruvico entra nella matrice del mitocondrio, dove subisce la cosiddetta decarbossilazione ossidativa:

• l'acido piruvico perde un atomo di carbonio e si trasforma in acetil-coenzima A,
• si libera una molecola di anidride carbonica,
• una molecola di NAD⁺ si riduce a NADH

La reazione è catalizzata da un opportuno sistema di enzimi e coenzimi, chiamato complesso della piruvato deidrogenasi, fra cui vi è il coenzima A (CoA).

Ciclo di Krebs

L'acetil-coenzima A (Acetil-CoA) originatosi dal piruvato entra nel ciclo di Krebs, legando un gruppo acetile all'acido ossalico (ossalecetato) con formazione di acido citrico e liberazione di coenzima A, che torna disponibile per nuove reazioni.

L'acido citrico viene quindi metabolizzato in una serie di reazioni, che portano alla rigenerazione di acido ossalico, pronto per essere riutilizzato in un nuovo ciclo di reazioni.

Nel corso del ciclo di Krebs, l'ossidazione del glucosio si completa portando alla liberazione di 2 molecole di anidride carbonica (CO₂).

L'immagine sottostante mostra nel dettaglio le varie tappe del ciclo di Krebs.

Catena di trasporto degli elettroni

L'ultima tappa - chiamata fosforilazione ossidativa - si compie sulle creste dei mitocondri e produce la maggior quantità di energia dell'intera respirazione cellulare.

Le reazioni che costituiscono il ciclo di Krebs portano alla liberazione di energia, che in parte viene immagazzinata nell'ATP e in gran parte utilizzata per produrre

• NADH a partire dal NAD⁺
• FADH₂ a partire dal FAD.

NADH e FADH₂ possono quindi cedere gli elettroni accumulati nel ciclo di Krebs alla cosiddetta catena di trasporto degli elettroni.

La catena di trasporto degli elettroni è un processo a cascata che avviene in una zona particolare dei mitocondri, chiamata "cresta mitocondriale".

Attraverso una serie di reazioni di ossido-riduzione gli elettroni passano da un trasportatore ad alto livello energetico a un altro con energia minore, liberando energia.

Una volta percorsa la catena di trasporto, gli elettroni si combinano con gli ioni H⁺ e con le molecole di O₂ (ossigeno) per formare una molecola d'acqua. Nella fosforilazione ossidativa l'ossigeno rappresenta pertanto l'accettore ultimo degli elettroni.

L'energia prodotta dal trasferimento di elettroni viene sfruttata per pompare protoni (H⁺) dalla matrice verso lo spazio intermembrana, attraverso specifici trasportatori.

Tra le due membrane mitocondriali si viene così a creare una concentrazione di protoni (H⁺) molto superiore a quella presente all'interno della membrana interna.

I protoni pompati all'esterno della matrice, infatti, non possono diffondere liberamente attraverso la membrana interna per tornare nella matrice.

Per farlo, devono necessariamente attraversare una proteina trasportatrice: chiamata ATP-sintetasi .

L'ATP-sintetasi è in grado di sfruttare la corrente di protoni per sintetizzare ATP a partire dall'ADP.

Metabolismo del Glucosio nel Corpo Umano

Gran parte del glucosio utilizzato dall'organismo umano viene metabolizzato attraverso la respirazione cellulare e la fosforilazione ossidativa.

Non mancano, tuttavia, alcune eccezioni.

La glicolisi anaerobica lattacida gioca infatti un ruolo centrale:

• nei muscoli sottoposti a un intenso sforzo fisico; in queste condizioni, il fabbisogno di ATP aumenta più rapidamente della capacità del corpo di rifornire di ossigeno il muscolo.
  In questa situazione il muscolo ricava l'energia metabolica necessaria al suo funzionamento soprattutto in modo anaerobico, quindi attraverso la sola glicolisi;
• nella cornea dell'occhio, un tessuto scarsamente vascolarizzato;
• nei globuli rossi, privi di mitocondri

Il glucosio è la principale fonte di energia per l'organismo umano, ma anche gli altri carboidrati hanno un ruolo molto importante.

Altri carboidrati, sia semplici che complessi, possono essere catabolizzati attraverso la glicolisi (previa conversione enzimatica in uno degli intermedi della via metabolica stessa).

Tra i più importanti ricordiamo:

• i monosaccaridi galattosio, fruttosio e mannosio;
• diversi disaccaridi quali saccarosio, maltosio, lattosio e trealosio;
• i due polisaccaridi di deposito, il glicogeno e l'amido;

Per avere un quadro completo del metabolismo del glucosio nel corpo umano, oltre a conoscere la glicolisi e la fosforilazione ossidativa, occorre prendere confidenza con altri 3 termini, che sono:

• Gluconeogenesi: produzione ex novo di glucosio nel fegato.
• Glicogenositesi: accumulo del glucosio nel fegato e nelle cellule muscolari sotto forma di glicogeno.
• Glicogenolisi: scissione del glicogeno nel fegato per produrre glucosio (nelle prime fasi del digiuno).

Metabolismo del Glicogeno

Il glicogeno costituisce una riserva di glucosio, quindi di energia, per l'organismo umano.

È formato dall'unione di moltissime molecole di glucosio ed è contenuto in tutte le cellule dell'organismo.

Le maggiori quantità si trovano:

• nel fegato (100-120 g), che è l'organo percentualmente più ricco di glicogeno;
• nei muscoli (400 g), che per l'entità della loro massa rappresentano il deposito principale di glicogeno;
• in quantità inferiori nel rene.

Il glicogeno contenuto nelle cellule va incontro a modificazioni continue in base alle esigenze di glucosio dell'organismo:

• viene sintetizzato e accumulato nei momenti di abbondanza, ad esempio dopo i pasti, in un processo detto glicogenosintesi;
• viene invece scomposto in glucosio:
  • nei periodi di digiuno, ad esempio tra un pasto e l'altro, e durante la notte;
  • durante l'attività fisica di durata.
Tale processo è detto glicogenolisi.

Leggi il nostro articolo di approfondimento sul Glicogeno »

Gluconeogenesi

La gluconeogenesi è una via metabolica che si svolge soprattutto a livello epatico e che permette di sintetizzare glucosio a partire da altre molecole.

A seconda dei casi, la molecola di partenza può essere:

• l'acido lattico generato soprattutto dal metabolismo delle cellule muscolari in intensa attività e dai globuli rossi; la conversione dell'acido lattico in glucosio avviene nel cosiddetto ciclo di Cori, o ciclo dell'acido lattico;
• il glicerolo, liberato dal metabolismo dei trigliceridi nel tessuto adiposo, quindi riversato in circolo;
• alcuni amminoacidi provenienti soprattutto dalla degradazione delle proteine del tessuto muscolare.
  Tra questi amminoacidi predomina l'alanina, insieme ai noti aminoacidi ramificati (leucina, isoleucina, valina), ma in misura minore partecipano anche la glutammina e l'aspartato.

Corpi Chetonici

Il glucosio rappresenta la sola fonte di energia per alcune cellule e tessuti:

• i globuli rossi, privi di mitocondri;
• le cellule spermatiche;
• la midollare del surrene,
• ma soprattutto il cervello, che solo in particolari condizioni può usare anche i corpi chetonici per produrre energia.

Se non esistessero i corpi chetonici, l'organismo sarebbe quindi costretto a disgregare importanti quantità di proteine muscolari per soddisfare attraverso la sola gluconeogenesi le esigenze di glucosio del cervello.

I corpi chetonici vengono continuamente sintetizzati dall'organismo, ma la loro produzione epatica aumenta notevolmente quando le cellule sono costrette a utilizzare prevalentemente grassi al posto del glucosio.

La sintesi dei corpi chetonici avviene nei mitocondri del fegato ogni volta che l'acetil-CoA è in eccesso rispetto all'ossalacetato. Questa condizione - che è legata soprattutto all'incrementata utilizzazione metabolica degli acidi grassi rispetto al glucosio - si instaura:

• In caso di digiuno prolungato o dieta chetogenica (molto ricca in grassi e quasi priva di carboidrati);
• Durante il diabete mellito scompensato, condizione in cui il glucosio è molto alto nel sangue (iperglicemia) ma non riesce a entrare nelle cellule a causa della carenza o della scarsa efficacia dell'insulina.

Leggi il nostro articolo di approfondimento sui Corpi Chetonici e sulle Diete Senza Carboidrati »

Altri Destini Metabolici del Glucosio

Il glucosio può essere utilizzato per la sintesi di:

• galattosio: contenuto anche nel latte, è il costituente principale dei galattolipidi, che a loro volta formano la mielina che riveste le fibre nervose
• polisaccaridi complessi presenti nella matrice extracellulare; questi polisaccaridi appartengono alla classe dei glicosamminoglicani (GAG), che si legano alle proteine per formare i proteoglicani; costituiscono quindi una sostanza "fondamentale" gelatinosa e fortemente idratata, in cui sono immerse le proteine fibrose; questo gel di polisaccaridi consente la diffusione di sostanze nutritive, metaboliti e ormoni tra il sangue e le cellule dei tessuti e resiste alle forze compressive esercitate sulla matrice extracellulare;
• glicoproteine: non sono altro che proteine contenenti glucosio o un altro carboidrato legato alla catena polipeptidica che le costituisce. Ne esistono vari tipi; tra le glicoproteine si annoverano ad esempio importanti anticorpi, in particolare le immunoglobuline, il collagene dei tessuti connettivi e varie proteine di membrana con funzione di recettori e antigeni.

Glucosio e Alimentazione

Fonti di Destrosio nella Dieta

Ogni giorno assumiamo una notevole quantità di glucosio (circa 300 grammi) attraverso la dieta.

Tuttavia, negli alimenti il glucosio si trova per la maggior parte incorporato in molecole più complesse come:

• amido: è formato dalla concatenazione di varie unità di glucosio legate tra loro attraverso legami lineari e ramificati; costituisce per l'uomo la più cospicua parte dei carboidrati alimentari; nell'intestino viene idrolizzato e scomposto nelle singole unità di glucosio che vengono poi assorbite. L'amido abbonda all'interno di cereali, sfarinati, prodotti da forno e tuberi come le patate.
• Zucchero da cucina (saccarosio): è costituito dall'unione di una molecola di glucosio e fruttosio; oltre ad essere disponibile come tale, è contenuto in dolci, dolciumi, bevande zuccherate, dolci da forno ecc. Anch'esso viene scomposto a livello intestinale, permettendo l'assorbimento del glucosio e del fruttosio che lo costituiscono.
• Lattosio: è lo zucchero caratteristico del latte, costituito dall'unione di glucosio e galattosi. Un enzima intestinale noto come lattasi è responsabile della digestione del lattosio, operata spezzando il legame tra glucosio e galattosio. Questi due monosaccaridi vengono quindi assorbiti e utilizzati dall'organismo a fini energetici.
• Cellulosa: come l'amido è un polimero di glucosio di origine vegetale, ma a differenza di questo non è digeribile per l'intestino umano. Costituisce una parte della fibra alimentare e non può essere considerata una fonte di glucosio per l'organismo.

Come spiegato nel capitolo precedente, il glucosio assorbito negli alimenti o neo-sintetizzato viene in gran parte riversato nel sangue, per:

• essere utilizzato dalle cellule, con finalità energetiche;
• se in eccesso, essere convertito
  • in glicogeno di riserva, immagazzinato nei muscoli e nel fegato;
  • in "grasso di riserva", se le riserve di glicogeno sono sature.

Leggi il nostro articolo di approfondimento sui Carboidrati »

Glucosio e Glicemia

Il termine "glicemia" indica la concentrazione di glucosio nel sangue.

Normalmente, nell'individuo a digiuno da circa 12 ore, i valori della glicemia risultano compresi tra 70 e 95 mg per 100 ml di sangue.

La glicemia è controllata da diversi ormoni, i più importanti dei quali sono l'insulina e il glucagone:

• l'insulina abbassa la glicemia quando è troppo alta;
• il glucagone aumenta la glicemia quando è troppo bassa.

Quando l'insulina non viene prodotta in quantità adeguate o "funziona male", la glicemia si alza portando con sé numerose complicanze. Si parla di diabete.

Quando la glicemia scende troppo compaiono sintomi come tremito, sudorazione abbondante, pallore, dilatazione delle pupille e tachicardia, fino al coma e alla morte.

Leggi il nostro articolo di approfondimento sulla Glicemia »