Glucolisis

Glucólisis y catabolismo de las hexosas

EN la glucólisis se degrada una molécula de glucosa en una serie de reacciones catalizadas enzimácticamente, dando dos moléculas de piruvato. Durante la secuencia de reacciones parte de la energía libre cedida por la glucosa se conserva en forma de ATP. La glucólisis fue la primera tura metabólica elucidada y es probablemente la que se conoce mejor.

La glucólisis es una ruta central, casi universal, del catabolismo de la glucosa. En ciertos tejidos de mamíferos y tipos de células, la glucosa es la única fuente de energía metabólica a través de la glucólisis. Algunos tejidos vegetales como los tubérculos de patatas, que están modificados para el almacenamiento de almidón, y algunas patatas adaptadas al crecimiento en áreas que se inundan regularmente con agua obtienen la mayor parte de su energía a partir de la glucólisis; muchos tipos de microorganismos anaeróbicos son totalmente dependientes de esta ruta metabólica.

Fermentación es un término general que indica degradación anaeróbica de la glucosa u otros nutrientes orgánicos a diversos productos para obtener energía en forma de ATP. Debido a que los organismos vivos aparecieron primeramente en una atmósfera falta de oxígeno, la degradación anaeróbica de la glucosa es probablemente el mecanismo biológico más antiguo para obtener energía a partir de moléculas combustibles orgánicas. En el transcurso de la evolución esta secuencia de reacciones se ha conservado completamente; los enzimas glucolíticos de los animales vertebrados son muy similares, en secuencia de aminoácidos y estructura tridimensional, a sus homólogos de la levadura o la espinaca. El proceso de la glucólisis sólo difiere de una especie a otra en los detalles de su regulación y en el destino posterior del piruvato formado. Los principios termodinámicos y los tipos de mecanismos reguladores en la glucólisis de encuentran en todas las rutas del metabolismo celular.

 Visión global: la glucólisis tiene dos fases.

La rotura de la glucosa que contiene seis carbonos en dos moléculas del piruvato formado por tres carbonos tiene lugar en diez pasos, constituyendo los primeros cinco la fase preparatoria. En estas reacciones la glucosa es fosforilada en primer lugar en el grupo hidroxilo en C-6 (paso 1). La D-glucosa-6-fosfato así formada se convierte en D-fructosa-6-fosfato (paso 2), la cual vuelve a ser fosforilada, esta vez en C-1, dando D-fructosa-1,6-bisfosfato (paso 3). El ATP es el dador de fosfato en ambas fosforilaciones.

La fructosa 1,6-bisfofato se parte a continuación dado dos moléculas de tres carbonos, la dihidroxiacetona fosfato y el gliceraldehído-3-fosfato (paso 4); éste es el paso de la lisis del que proviene el nombre del proceso. La dihidroxiacetona fosfato se isomeriza a una segunda molécula de gliceraldehído-3-fosfato (paso 5), lo que finaliza la primera fase de la glucólisis. Se invierten dos moléculas de ATP para activar, o cebar, la molécula de glucosa para su rotura en dos piezas de tres carbonos; porteriormente habrán unos buenos dividendos para esta inversión.

El retorno energético tiene lugar en la fase de beneficios de la glucólisis. Cada molécula de gliceraldehído-3-fosfato es oxidada y fosforilada por fosfato inorgánico (no por ATP) formando 1,3-bisfosfoglicerato (paso 6). En la conversión de dos moléculas de 1,3-bisfosfoglicerato en dos moléculas de piruvato (paso 7 a 10) se libera energía. Gran parte de esta energía se conserva mediante la fosforilación acoplada de dos moléculas de ATP a ATP. El rendimiento neto es de dos moléculas de ATP por molécula de glucosa utilizada, ya que se han invertido dos moléculas de ATP en la fase preparatoria de la glucólisis. También se conserva energía en la fase de beneficios mediante la formación de dos moléculas de NADH por molécula de glucosa.

En las reacciones secuenciales de la glucólisis son de especial interés tres tipos de transformaciones químicas:

1. La degradación del esqueleto carbonado de la glucosa que da piruvato.

2. La fosforilación del ADP a ATP por compuestos fosfato de altas energías formadas durante la glucólisis.

3. LA transferencia de átomos de hidrogeno o electrones al NAD, formando NADH.

El destino del producto, piruvato, depende del tipo de célula y de las circunstancias metabólicas.

 Destino del piruvato

El piruvato formado en la glucólisis puede tomar tres rutas catabólicas alternativas. En los organismos o tejidos aeróbicos, en condiciones aeróbicas, la glucólisis sólo constituye el primer paso en la degradación completa de la glucosa. EL piruvato se oxida, con pérdida de su grupo carboxilo en forma de CO2 dando el grupo acetilo del acetil-coenzima A, que es oxidado seguidamente de manera completa a CO2 por el ciclo del ácido cítrico. Los electrones de estas oxidaciones pasan al O2 a través de una cadena de transportadores en la mitocondria, formando H2O. LA energía proveniente de las reacciones de transferencia electrónica impulsa las síntesis de ATP en la mitocondria.

La segunda ruta metabólica del piruvato es su reducción al lactato vía fermentación del ácido láctico. Cuando un tejido, como el músculo esquelético durante la contracción vigorosa, ha de funcionar anaeróbicamente el piruvato no se puede oxidar más debido a la carencia de oxígeno. EN estas condiciones el piruvato se reduce a lactato. Ciertos tejidos y ciertos tipos celulares convierten la glucosa en lactato incluso en condiciones aeróbicas. El lactato es también el producto de la glucólisis en condiciones anaeróbicas en los microorganismos que llevan a cabo la fermentación láctica.

La tercera ruta principal del catabolismo del piruvato conduce al etanol. En algunos tejidos vegetales y en ciertos invertebrados, protistas y microorganismos como la levadura de cerveza, el piruvato se convierte anaeróbicamente en etanol y CO2, proceso denominado fermentación alcohólica (o etanólica).

 Formación de ATP acoplada a la glucólisis

Durante la glucolisis parte de la energía de la molécula de glucosa se conserva en forma de ATP, mientras que la mayor parte de la misma permanece en el producto, piruvato. La ecuación global de la glucolisis es

Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi  2 piruvato + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O

Por cada molécula de glucosa degradada a piruvato, se generan dos moléculas de ATP a partir de ADP y Pi. Podemos ahora dividir la ecuación de la glucolisis en dos procesos:

1. Conversión de la glucosa en piruvato, que es exergónica:

Glucosa + 2NAD+  2 piruvato + 2NADH + 2H+

2. Formación de ATP a partir de ADP y Pi que es endergónica:

2ADP + 2Pi  2ATP + 2H2O

Tanto en condiciones estándar como intracelulares, la glucolisis es un proceso esencialmente irreversible, conducido hasta su totalidad por este gran descenso neto de energía libre.

 Energía restante en el piruvato producido durante la glucolisis

La glucolisis solo libera una pequeña fracción de la energía total disponible de la molécula de glucosa. Cuando la glucosa se oxida completamente a CO2 y H2O, la variación de energía libre estándar libre es -2.840 kJ/mol. La degradación glucolitica de la glucosa a dos moléculas de piruvato rinde por tanto solamente (146/2.840)100 = 5,2% de la energía total que se puede liberar en la oxidación completa. Las dos moléculas de piruvato formadas por la glucolisis aun contienen la mayor parte de la energía biológicamente obtenible de la molécula de glucosa, energía que se puede extraer mediante reacciones oxidativas en el ciclo del acido cítrico.

 Importancia de los intermedios fosforilados

Cuando uno de los nueve intermedios glucoliticos entre la glucosa y el piruvato esta fosforilado. El grupo fosfato permanece tener tres funciones:

1. Los grupos fosfato están ionizados a pH 7, lo que da a cada uno de los intermedios de la glucolisis una carga neta negativa. Después de la fosforilacion inicial, la célula ya no ha de gastar más energía para retener los intermedios fosforilados a pesar de la gran diferencia entre las concentraciones intra y extracelulares de estos compuestos.

2. Los grupos fosfato son componentes esenciales en la conservación enzimática de la energía metabólica. La energía liberada en la rotura de enlaces anhídrido acido fosfórico se conserva parcialmente en la formación de la alta energía formados en la glucolisis (1,3-bisfosfoglicerato y fosfoenolpiruvato) donan grupos fosfato al ADP para formar ATP.

3. La fijacionnde los grupos fosfato a los sitios activos de los enzimas proporciona energía de fijación que contribuye a reducir la energía de activación aumentando además la especificad de las reacciones catalizadas enzimáticamente. Los grupos fosfato del ADP, ATP y los intermedios glucolíticos forman complejos con el Mg, siendo los sitios de fijación de sustrato de muchos de los enzimas glucoliticos especiicos con respecto a estos complejos de Mg. Casi todos los enzimas glucoliticos requieren Mg para su actividad.

 La fase preparatoria de la glucolisis precisa ATP.

La fase preparatoria de la glucolisis requiere la inversión de dos moléculas de ATP y da lugar a la rotura de la cadena de hexosa en dos triosas fosfato.

1. Fosforilación de la glucosa.

En el primer paso de la glucólisis, la glucosa es cebada para posteriormente reacciones mediante fosforilación en el C-6 dando glucosa-6-fosfato; el ATP es el dador de fosfato.

Esta reacción, que es irreversible en condiciones intracelulares, está catalizada por la hexoquinasa. El nombre común quinasa se aplica

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