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Glucólisis




Tabla de contenidos

La glucólisis (del griego glycos:azúcar y lysis:ruptura), es la vía metabólica encargada de oxidar o fermentar la glucosa y así obtener energía para la célula. Ésta consiste de 10 reacciones enzimáticas que convierten a la glucosa en dos moléculas de piruvato, la cual es capaz de seguir otras vías metabólicas y así continuar entregando energía al organismo.[1]

Es la vía inicial del catabolismo (degradación) de carbohidratos, y tiene tres funciones principales:

  1. La generación de moléculas de alta energía (ATP y NADH) como fuente de energía celular en procesos de respiración aeróbica (presencia de oxígeno) y anaeróbica (ausencia de oxígeno).
  2. La generación de Piruvato que pasará al Ciclo de krebs, como parte de la respiración aeróbica.
  3. La producción de intermediarios de 6 y 3 carbonos, los que pueden ser ocupados por otros procesos celulares.

Cuando hay ausencia de oxígeno (anoxia o hipoxia), luego que la glucosa ha pasado por este proceso, el piruvato sufre de fermentación, una segunda vía de adquisición de energía que, al igual que la glucólisis, es poco eficiente. El tipo de compuesto obtenido de la fermentación suele variar con el tipo de organismo. En los animales, el piruvato fermenta a lactato y en levadura, el piruvato fermenta a etanol.

En eucariotas y procariotas, la glucólisis ocurre en el citosol de la célula. En células vegetales, algunas de las reacciones glucolíticas se encuentran también en el ciclo de Calvin, que ocurre dentro de los cloroplastos. La amplia conservación de esta vía incluye los organismos filogenéticamente mas antiguos, y por esto se considera una de las vías metabólicas mas antiguas.[2]

El tipo de glucólisis mas común y más conocida es la vía de Embden-Meyerhoff, explicada inicialmente por Gustav Embden y Otto Meyerhof. El término puede incluir vías alternativas, como la vía de Entner-Doudoroff. No obstante, Glucólisis será usada aquí como sinónimo de la vía de Embden-Meyerhoff.





Descubrimiento[3]

Los primeros estudios formales de los procesos glucolíticos fueron iniciados en 1860, cuando Louis Pasteur descubrió que los microorganismos son los responsables de la fermentación,[4] y en 1897 cuando Eduard Buchner encontró que ciertos extractos celulares pueden causar fermentación. La siguiente gran contribución fue de Arthur Harden y William Young en 1905, quienes determinaron que una fracción celular de alto peso molecular y termosensible(enzimas) y una fracción citoplasmática de bajo peso molecular y termoinsensible (ATP, ADP, NAD+ y otros cofactores) son necesarios para que la fermentación ocurra. Los detalles de la vía en sí fueron eventualmente determinados en 1940, con un gran avance de Otto Meyerhoff y algunos años después por Luis Leloir. Las mayores dificultades en determinar lo intrincado de la vía fue la pequeña vida y las bajas concentraciones de los intermediarios en las rápidas reacciones glicolíticas.

Visión General

La reacción global de la glucólisis es:[1]

Reacción global de la glucólisis
\Longrightarrow +
Glucosa + 2 NAD^+ + 2ADP + 2P_i \Longrightarrow 2 piruvato + 2 NADH + 2 ATP + 2 H^+ + 2H_2O


Los productos de esta reacción, mostrados arriba, son utilizados por la célula en muchas funciones:

  • El ATP (Adenosín trifosfato) es la fuente de energía universal de la célula.
  • NADH y H+, otorgan la capacidad de reducir otros compuestos pertenecientes a otras vías metabólicas, o bien para sintetizar ATP.
  • El piruvato es la molécula que seguirá oxidandose en el ciclo de Krebs, como parte de la respiración aeróbica, donde dará origen a más moléculas NADH, que podrán pasar a sintetizar ATP en la mitocondria.


El enlace éster-fosfato

Destino del Piruvato

Véase también: Fermentación y Ciclo de Krebs

Luego de que una molécula de glucosa se transforme en 2 moléculas de piruvato, las condiciones del medio en que se encuentre determinarán la vía metabólica a seguir.

En organismos aeróbicos, el piruvato seguirá oxidándose por la enzima Piruvato deshidrogenasa y el ciclo de Krebs, creando intermediarios como NAD+ y FAD. Éstos intermediarios no pueden cruzar la membrana mitocondrial , y por lo tanto, utilizan sistemas de intercambio con otros compuestos llamados lanzaderas o shuttles. Los mas conocidos son el shuttle malato-aspartato y el shuttle glicerol-3-fosfato. Los intermediarios logran entregar sus equivalentes[5] al interior de la membrana mitocondrial, y que luego pasarán por la cadena de transporte de electrones, la cual los usarán para sintetizar ATP.

De ésta manera, se puede obtener 38 moles de ATP a partir de 1 mol de glucosa.


Sin embargo, cuando las células no posean mitocondrias (ej: eritrocito) o cuando requieran de grandes cantidades de ATP (ej: El músculo al ejercitarse), el piruvato sufre de fermentación que permite obtener 2 moles de ATP por un mol de glucosa, por lo tanto, ésta via es poco eficiente respecto a la fase aeróbica de la glucólisis.

El tipo de fermentación varía respecto al tipo de organismos: En levaduras, se produce fermentación alcohólica, produciendo etanol y CO2como producto final; y en músculos, eritrocitos y algunos microorganismos se produce fermentación láctica, que da como resultado ácido láctico o lactato.

Etapas de la glucolisis

La glucólisis se divide en dos partes principales y diez reacciones enzimáticas, las que se describen a continuación.

Fase de Gasto de Energía (ATP)

Esta fase, aumenta la energía de los compuestos, para que pueda costear la rotura de una molécula de glucosa en dos moléculas de gliceraldehido. Técnicamente hablando, esta fase aumenta la energía libre de los metabolitos, y de esa forma facilitar la catálisis de glucosa en gliceraldehído.

1er Paso: Hexoquinasa

Véase también: Hexoquinasa
Glucosa + ATP Glucosa-6-fosfato + ADP
\Delta G^0 = -16.7 \frac{kJ}{mol}[6]

La primera reacción de la glucólisis es la fosforilación de la glucosa, para activarla (aumentar su energía) y así poder utilizarla en otros procesos cuando sea necesario. Esta activación ocurre por la transferencia de un grupo fosfato del ATP, una reacción catalizada por la enzima Hexoquinasa,[7] la cual puede fosforilar (añadir un grupo fosfato) a moléculas similares a la Glucosa, como la fructosa y manosa.

Las ventajas de fosforilar la glucosa son 2: La primera es hacer de la glucosa un metabolito mas reactivo, mencionado anteriormente, y la segunda ventaja es que la glucosa-6-fosfato no puede cruzar la membrana celular -a diferencia de la glucosa-. De ésta forma se evita la pérdida de sustrato energético para la célula.

Técnicamente hablando, la Hexoquinasa solo fosforila las D-hexosas, y utiliza de sustrato MgATP2-, ya que éste catión permite que el último fosfato del ATP (Fosfato gamma, γ-P o Pγ) sea un blanco mas fácil para el ataque nucleofílico que realiza el grupo hidroxilo (OH) del sexto carbono de la glucosa, lo que es posible debido al Mg2+ que apantalla las cargas de los otros dos fosfatos.[1] [8]

Ésta reacción posee un ΔG negativo.

2do Paso: Fosfohexosa isomerasa

Véase también: Fosfohexosa isomerasa
Glucosa-6-fosfato Fructosa-6-fosfato
\Delta G^0 = 1.7 \frac{kJ}{mol}[6]

Éste es un paso importante, puesto que acá se define la geometría molecular que afectará los dos pasos críticos en la glucólisis: El proximo paso, que agregará un grupo fosfato al producto de esta reacción, y el paso 4, cuando se creen dos moléculas de gliceraldehido que finalmente serán las precursoras del piruvato.[1]

En esta reacción, la Glucosa-6-fosfato se isomeriza a Fructosa-6-fosfato, mediante la enzima Fosfohexosa isomerasa. La isomerización ocurre en una reacción de 4 pasos, que implica la apertura del anillo y un traspaso de protones a través de un intermediario cis-enediol[9]

Puesto que la energía libre de está reacción es igual a +1,7 la reaccion es no espontanea y se debe acoplar.

3er paso: Fosfofructoquinasa

Véase también: Fosfofructoquinasa-1
Fructosa-6-fosfato + ATP Fructosa-1,6-bifosfato + ADP
\Delta G^0 = -14.2 \frac{kJ}{mol}[6]

3. Fosforilación de la fructosa 6-fosfato en el carbono 1, con gasto de un ATP, a través de la enzima Fosfofructoquinasa-1 (PFK1). También este fosfato tendrá una baja energía de hidrólisis. Por el mismo motivo que en la primera reacción, el proceso es irreversible. El nuevo producto se denominará Fructosa-1,6-Bisfosfato.

La irreversibilidad es importante, ya que la hace ser el punto de control de la glucólisis. Como hay otros sustratos aparte de la glucosa que entran en la glucólisis, el punto de control no está colocado en la primera reacción, sino en ésta. La fosfofructoquinasa tiene centros alostéricos, sensibles a las concentraciones de intermediarios como citrato y ácidos grasos. Liberando una enzima llamada fosfructocinasa-2 que fosforila en el carbono 2 y regula la reacción.

4to Paso: Aldolasa

Véase también: Aldolasa
Fructosa-1,6-bifosfato Dihidroxiacetona-fosfato + Gliceraldehido-3-fosfato
\Delta G^0 = 23.8 \frac{kJ}{mol}[6]

La enzima Aldolasa (Fructosa-1,6-bifosfato aldolasa), mediante una condensación aldólica reversible, rompe la fructosa-1,6-bifosfato en dos moléculas de tres carbonos (triosas): Dihidroxiacetona fosfato y Gliceraldehído-3-fosfato. Existen dos tipos de Aldolasa, las que difieren tanto en el tipo de organismos dónde se expresan, como en los intermediarios de reacción.

Ésta reacción tiene una energía libre (ΔG) entre 20 a 25 kJ/mol, por lo tanto en condiciones estándar ésta reacción no ocurre de manera espontánea. Sin embargo, en condiciones intracelulares la energía libre es pequeña debido a la baja concentración de los sustratos, lo que permite que ésta reacción sea reversible.[1]



5to Paso: Triosa-fosfato-Isomerasa

Véase también: Triosa-fosfato isomerasa
Dihidroxiacetona-fosfato Gliceraldehido-3-fosfato
\Delta G^0 = 7.5 \frac{kJ}{mol}[6]

Puesto que sólo el Gliceraldehído-3-fosfato puede seguir los pasos restantes de la glucólisis, la otra molécula generada por la reacción anterior (Dihidroxiacetona-fosfato) es isomerizada (convertida) en Gliceraldehído-3-fosfato. Ésta reacción posee una energía libre en condiciones estandar positiva, lo cual implicaría un proceso no favorecido, sin embargo al igual que para la reacción 4, considerando las concentraciones intracelulares reales del reactante y el producto, se encuentra que la Energía Libre total es negativa, por lo que la dirección favorecida es hacia la formación de G3P.



Éste es el último paso de la "Fase de Gasto de Energía". Sólo hemos gastado ATP en el primer paso (Hexoquinasa) y el tercer paso (Fosfofructoquinasa-1). Cabe recordar que el 4to paso (Aldolasa) genera una molécula de Gliceraldehído-3-fosfato, mientras que el 5to paso genera una segunda molécula de éste. De acá en adelante, las reacciones a seguir ocurrirán dos veces, debido a las 2 moléculas de gliceraldehido generadas de ésta fase. Hasta esta reaccion hay intervencion de energia (ATP)

Fase de beneficio Energético

6to Paso: Gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa

Véase también: GAP deshidrogenasa

6. Se utiliza un fosfato inorgánico y una molécula de NAD+ para producir 1,3-Bifosfoglicerato y una molécula de NADH + H+. Esta reacción la cataliza la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa o GAP-deshidrogenasa.

Gliceraldehido-3-fosfato + P_i + NAD^+ \Longrightarrow \ 1,3-Bifosfoglicerato + NADH + H^+

Llama la atención que el fosfato se ha introducido sin utilizar ATP, sino aprovechando la eneregía producida por la reacción redox . Ahora, el fosfato que se ha introducido si que tiene una alta energía por lo que se podrá transferir al ATP. Esto se conoce como fosforilación a nivel de sustrato.

Esta sexta reacción tiene una importancia capital en la regulación de la glucolisis; si el NAD+ consumido en formar NADH + H+ no se regenera, el ciclo glucolítico se verá comprometido llegando incluso a detenerse. Una de las funciones principales de la vía fermentativa es oxidar el NADH + H+ generado para así permitir a la ruta glucolítica continuar. En caso de haber oxígeno, el NADH + H+ obtenido se destina a la cadena transportadora de electrones para la obtención de energía.

7mo Paso: Fosfoglicerato quinasa

Véase también: Fosfoglicerato quinasa

7. Se desfosforiliza el 1,3-bifosfoglicerato gracias a la fosfoglicerato quinasa, formándose una molécula de ATP por cada una de 1,3-BPG y dando lugar al 3-fosfoglicerato.

1,3-bifosfoglicerato + ADP \Longrightarrow \ 3-fosfoglicerato + ATP

8vo Paso: Fosfoglicerato mutasa

Véase también: Fosfoglicerato mutasa

8. Se isomeriza el 3-fosfoglicerato procedente de la reacción anterior dando 2-fosfoglicerato, la enzima que cataliza esta reacción es la Fosfoglicerato mutasa. Lo único que pasa aquí es el cambio de posición del fosfato del C3 al C2. Son energías similares y por tanto reversibles, con una variación de energía libre cercana a cero.

3-fosfoglicerato \Longleftrightarrow \ 2-fosfoglicerato

9no Paso: Enolasa

Véase también: Enolasa

9. La enzima enolasa propicia la formación de un doble enlace en el 2-fosfoglicerato, eliminando una molécula de agua formada por el hidrógeno del C2 y el OH del C3. El resultado es el fosfoenolpiruvato.

2-fosfoglicerato \Longleftrightarrow \ Fosfoenolpiruvato + H_2O

10mo Paso: Piruvato quinasa

Véase también: Piruvato quinasa

10. Desfosforilación del Fosfoenolpiruvato, obteniéndose piruvato y ATP. Reacción irreversible mediada por la Piruvato quinasa.

Fosfoenolpiruvato + ADP \Longrightarrow \ Piruvato + ATP

La enzima Piruvato Quinasa es dependiente de magnesio y potasio. La energía libre es igual a -31.4, por lo tanto la reacción es favorable e irreversible. El rendimiento total de la glucólisis de una sola glucosa(6C) es de 4 ATP(dos por cada gliceraldehido fosfato(3C) y 2 NADH (que dejarán los electrones H en la cadena de transporte de electrones para formar 3 ATP por cada electrón). Con la molécula de piruvato, mediante un paso de oxidación intermedio llamado descarboxilación oxidativa, mediante el cual el piruvato pasa al interior de la mitocondria, perdiendo CO2 y un electrón que oxida el NAD+, que pasa a ser NADH más H+ y ganando un CoA-SH (coenzima A), formándose en Acetil CoA gracias a la enzima piruvato deshidrogenasa, se puede entrar al Ciclo de Krebs (que, junto con la cadena de transporte de electrones, se denomina respiración.

Regulación

El efecto Pasteur

Artículo principal: Efecto Pasteur


Obtención de Glucosa

Véase también: Glucosa, Glucógeno, y GLUT (transportador)

Regulación enzimática

La glucólisis se regula enzimáticamente en los tres puntos irreversibles de esta ruta, esto es, en la primera reacción (G -- >G-6P), por medio de la Hexoquinasa; En la tercera reacción (F-6P --> F-1,6-BP) por medio de la PFK1 y en el último paso (PEP --> Piruvato) por la Piruvatoquinasa]].

  • La hexoquinasa es un punto de regulación poco importante, ya que se inhibe cuando hay mucho G-6P en músculo. Es un punto poco importante ya que el G-6P se utiliza para otras vias.

HQ: Inhibe G-6P

  • La PFK1 es la enzima principal de la regulación de la glucólisis, actúia como una llave de agua, si está activa cataliza muchas reacciones y se obtiene más Fructosa 1,6 bifosfato, lo que permetirá a las enzimas siguientes transformar mucho piruvato. Si está inhibida, se obtienen bajas concentraciones de producto y por lo tanto se obtiene poco piruvato.

Esta enzima es controlada por regulación alostérica mediante: Por un lado se activa gracias a niveles energéticos elevados de ADP y AMP, inhibiendose en abundancia de ATP y citrato, y por otro se activa en presencia de un metabolito generado por la PFK2 que es la Fructosa-2,6-Bisfosfato (F-2,6-BP)

La lógica de la inhibición y activación son las siguientes:

    • ATP: inhibe esta enzima pues si hay una alta concentración de ATP entonces la célula no necesita generar más.
    • Citrato: si hay una alta concentración de citrato entonces, se está llevando a cabo el ciclo del ácido cítrico (o ciclo de Krebs) y este ciclo aporta mucha energía, entonces no se necesita realizar glucólisis para obtener más ATP, ni piruvato.
    • AMP, ADP: la alta concentración de estas moléculas implica que hay una carencia de ATP, por lo que es necesario realizar glucólisis, para generar piruvato y energía.

PFK1: Inhibe: ATP - Activa: ADP, AMP y F-2,6-BP.

  • La piruvatoquinasa se regula distintamente según el tejido en el que trabaje, pero en hígado se inhibe en presencia de ATP y Acetil Coenzima-A (A-CoA), y se activa gracias de nuevo ante la F-2,6-BP.

PQ: Inhibe: ATP, A-CoA - Activa: F-2,6-BP

En Cáncer

Glucólisis en otros Organismos

Glucólisis en Plantas

Glucólisis en Arqueas

Gluconeogénesis

Artículo principal: Gluconeogénesis

La glucogénesis es la ruta anabólica por la que tiene lugar la síntesis de nueva glucosa a partir de precursores no glucosídicos (lactato, piruvato, glicerol y sogunos aminoácidos). Se lleva a cabo principalmente en el hígado, y en menor medida en la corteza renal.

La glucogénesis es estímulada por la hormona insulina, secretada por las células β (beta) de los islotes de Langerhans del páncreas y es inhibida por su contrarreguladora, la hormona glucagón, secretada por las células α (alfa) de los islotes de Langerhans del páncreas, que estímula la ruta catabólica llamada glucogenólisis para degradar el glucógeno almacenado y transformarlo en glucosa y así aumentar la glicemia (azúcar en sangre).

Desde el punto de vista enzimático, producir glucosiliosas desde lacticosinidas cuesta más de lo que produjo su degradación fosfórica. La ecuación extrafundamental es: 2 ac. piruviconio + 4 ATTP + 2 GHTP + 9 NADH + 7 H + 3 H2O --> Glucosa + 4 ADP + 2 GDP + 6 P + 2 NAD+

El proceso de Glucogénesis, también conocido como síntesis de nueva glucosa.

Referencias

  1. ↑ a b c d e David Nelson & Michael Cox: «Glycolysis, Gluconeogenesis and the Pentose Phosphate Pathway», en Lehningher's Principles of Biochemistry. W.H.Freeman, 2004. 0716743396
  2. ↑ Romano AH & Conway T. Evolution of carbohydrate metabolic pathways. Res Microbiol. 147(6-7):448-55 (1996) PMID 9084754
  3. ↑ De la Wikipedia en Inglés -en:Glycolysis#Discovery
  4. ↑ Papers de Pasteur
  5. ↑ No se usan los intermediarios generados, sino que por medio de los shuttles se vuelven a crear dentro de la mitocondria. Por esto se les llama sus equivalentes. Para una visión química, visitar equivalentes
  6. ↑ a b c d e Valores tomados de Lehningher's Principles of Biochemistry (ISBN 0716743396) y del Volumen 3 de Biochemistry por J. Stenesh (ISBN 0306457334)
  7. ↑ Meyerhof, O. Ueber die enzymatische Milch-säurebildung im Muskelextrakt; die Milch-säurebildung aus den gärfähigen Hexosen. Biochem Z. 183:176 (1927)
  8. ↑ Colowick, S. y Kalckar H.. The role of myokinase in trans-phosphorylations; the enzymatic phosphorylation of hexoses by adenyl pyrophosphate. J. Biol. Chem. 148: 117 (1943).
  9. ↑ Irwin A. Rose: «Mechanism of the Aldose-Ketose Isomerase Reactions», en Advances in Enzymology - and Related Areas of Molecular Biology, Volume 43. Wiley Interscience, 2006. ISBN:0471591788 - DOI 10.1002/9780470122884.ch6

Véase también

Enlaces externos

  • soko.com.ar: Explicación más extensa
  • www2.ufp.pt: A lógica química da Glicólise (Portugués)
  • www.pdb.org: The Glycolytic Enzymes, información en Protein Data Bank (en inglés)
 
Este articulo se basa en el articulo Glucólisis publicado en la enciclopedia libre de Wikipedia. El contenido está disponible bajo los términos de la Licencia de GNU Free Documentation License. Véase también en Wikipedia para obtener una lista de autores.
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