Energía y consumo

Grupo BC09A Trimestre 16I

Glucólisis: Antecedentes, función, importancia de la fosforilación en la glucólisis, reacciones de la primera y segunda fase, regulación, regulación hormonal, destinos del piruvato en condiciones aerobias y anaerobias, balance energético.


Antecedentes
  • La investigación del mecanismo de la glucólisis empezó en la segunda mitad del siglo XIX.
  • En los años 1854 a 1864, Louis Pasteur estableció que la fermentación es causada por microorganismos.
  • En 1897 Edward Buchner demostró que los extractos de levadura, libres de células, también podían realizar este proceso. Este descubrimiento venía a refutar la creencia de que la fermentación, y cualquier otro proceso biológico, estaban mediados por una “fuerza vital” inherente a la materia viva, y por tanto, llevó a la glucólisis al campo de estudio de la química.[1]
  • En los años 1905 a 1910, Arthur Harden y William Young hicieron 2 descubrimientos importantes:
1.- El fosfato inorgánico es necesario para la fermentación y es incorporado en la fructosa 1, 6 bifosfato, un intermediario del proceso.
2.- Un extracto de levadura exento de células puede ser separado mediante diálisis en 2 fracciones, ambas necesarias para la fermentación: una fracción no dializable térmicamente lábil, que denominaron zimasa; y una fracción dializable, estable al tratamiento térmico, que denominaron cozimasa
  • Posteriormente, otros investigadores observaron que la zimasa era una mezcla de enzimas y la cozimasa estaba formada por varios cofactores (coenzimas como el NAD+, ATP y ADP, así como iones metálicos).[2]
  • En su afán por identificar los intermediarios de la vía, los primeros investigadores de la glucólisis desarrollaron una técnica general de investigación metabólica:
Encontraron reactivos que inhiben la producción de los productos de la vía y que, por lo tanto, provocan la acumulación de metabolitos que pueden ser identificados como intermediarios de la vía.
  • Se encontraron distintos reactivos que inhibían la producción de etanol a partir de glucosa en extractos de levadura.
  • El uso de distintos inhibidores da lugar a la acumulación de distintos intermediarios.
  • Un hallazgo importante, derivado de estos estudios fue que los mismos intermediarios y actividades enzimáticas podían ser aislados, no sólo a partir de levaduras, sino también de muchos organismos.
  • Hacia 1940, los esfuerzos de muchos investigadores dieron fruto con la caracterización completa de la vía glucolítica. Tres de aquellos investigadores: Gustav Embded, Otto Meyerhof y Jacob Parnas, han recibido el honor de que la glucólisis se denomine “Vía Embded-Meyerhof-Parnas”.[3]
Glucólisis
  • Proceso por el que los organismos escinden la glucosa en ácido láctico en ausencia de oxígeno con el propósito de obtener energía.
  • Tiene la capacidad de funcionar en presencia o ausencia de oxígeno liberando energía que se capta en la síntesis del ATP.
  • Es la vía de entrada principal de los carbohidratos al eje metabólico central y por ella llega a las células alrededor del 60% de la energía química diaria.
  • La conversión de glucosa en piruvato es exergónica.[4]
  • Proceso esencialmente irreversible.
  • La glucólisis convierte la glucosa a dos unidades de C3 (piruvato), de menor energía libre, en un proceso que utiliza energía liberada para sintetizar ATP a partir de ADP y Pi.
  • Este proceso requiere una vía de reacciones de transferencia de fosforilo acopladas químicamente. Así, la estrategia química de la glucólisis es:
1.- La adición de grupos fosforilo a la glucosa.
2.- Conversión química de los intermediarios fosforilados a compuestos con potenciales de transferencia de grupo fosfato elevados.
3.- Acoplamiento químico de la hidrólisis subsiguiente de las sustancias reactivas a la síntesis de ATP.[5]

Función
  • Generación de moléculas de alta energía (ATP y NADH) como fuente de energía celular en procesos de respiración aeróbica (presencia de oxígeno) y fermentación (piruvato).
  • Generación de piruvato que pasará al ciclo de Krebs, como parte de la respiración aeróbica.
  • Producción de intermediarios de 6 y 3 carbonos que pueden ser utilizados en otros procesos celulares.
  • Aporta sustratos para varios procesos metabólicos.
  • Permite la síntesis de la nueva glucosa en la gluconeogénesis.
  • Permite la incorporación de los monosacáridos fructosa, manosa y galactosa tanto para la síntesis de glucosa como para la degradación.[6]

Importancia de la fosforilación en la glucólisis
  • Los metabolitos fosforilados no pueden abandonar la célula.
  • Los grupos fosforilo son componentes esenciales en la conservación enzimática de la energía metabólica.
  • La fijación de los grupos fosfato a los centros activos de las enzimas proporciona energía de fijación que contribuye a reducir la energía de activación, aumentando la especificidad de las reacciones catalizadas enzimáticamente.[7]
Reacciones de la primera fase
  • Fase preparatoria en la que una hexosa (glucosa) es fosforilada y fragmentada, dando lugar a 2 moléculas de la triosa gliceraldehído-3-fosfato. Este proceso consume 2 ATP, en lo que constituye una especie de inversión de energía.
Reacción 1: Hexoquinasa: Consumo del primer ATP
La reacción 1 de la glucólisis es la transferencia de un grupo fosforilo del ATP a la glucosa para formar glucosa-6-fosfato, una reacción catalizada por la hexoquinasa.
Reacción 2: Fosfoglucosa isomerasa
Conversión de la glucosa-6-fosfato a fructosa-6-fosfato, catalizada por la fosfoglucosa isomerasa. La reacción es la isomerización de una aldosa a una cetosa. El mecanismo de reacción incluye la catálisis ácido-base general:
a)    Un ácido que cataliza la apertura del anillo.
b)    Una base capta el protón ácido del carbono 2 de la G6P, formándose un intermediario cis-endiolato.
c)    El protón es sustituido en el carbono 1, en una transferencia global del protón.[8]
d)    Cierre del anillo para formar el producto.
Reacción 3: Fosfofructoquinasa: Consumo del segundo ATP
La fosfofructoquinasa fosforila la fructosa-6-fosfato para formar fructosa-1,6-bifosfato.
Reacción 4: Aldolasa
La aldolasa cataliza la cuarta reacción de la glucólisis, la rotura de la fructosa-1,6-bifosfato en dos triosas: el gliceraldehído-3-fosfato y la dihidrioxiacetona fosfato.
La reacción es una rotura aldólica. Hay que tener en cuenta que la rotura aldólica entre los carbonos 3 y 4 de la fructosa-1,6-bifosfato requiere la presencia de un carbonilo en el carbono 2 y de un hidroxilo en el carbono 4.
Reacción 5: Triosa fosfato isomerasa
Sólo uno de los productos de la rotura aldólica, el gliceraldehído-3-fosfato, continúa a lo largo de la vía glucolítica.
En este punto de la vía glucolítica, la glucosa, que ha sido transformada en dos gliceraldehído-3-fosfato, ha completado la fase preparatoria de la glucólisis. Es este proceso se han consumito 2 ATP.
Esta inversión ha hecho posible la transformación de una glucosa en dos unidades de C3, cada una de las cuales tiene un grupo fosforilo.[9]

Reacciones de la segunda fase
  • En esta fase las 2 moléculas de gliceraldehído-3-fosfato se convierten en piruvato, con la producción de 4 ATP. Por consiguiente, el rendimiento neto de la glucólisis es de 2 ATP por molécula de glucosa.
Reacción 6: Gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa: Formación del primer intermediario del alta energía
Implica la oxidación y fosforilación del gliceraldehído-3-fosfato por NAD+ y Pi, que es catalizada por la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa.[10]
Reacción 7: Fosfoglicerato quinasa: Primera producción de ATP
Se forma el primer ATP, junto con 3-fosfoglicerato, en una reacción catalizada por la fosfoglicerato quinasa.
Reacción 8: Fosfoglicerato mutasa
La fosfoglicerato mutasa cataliza la conversión de 3-fosfoglicerato (3PG) a 2-fosfoglicerato (2PG).
La enzima transfiere un grupo fosforilo de su sitio activo al sustrato, formando un intermediario bifosfato. A continuación, el intermediario vuelve a fosforilar a la enzima para formar el producto y regenerar la fosfoenzima activa.
Esta reacción es la preparación necesaria para la siguiente reacción de la glucólisis, que genera un compuesto fosforilo de alta energía para ser utilizada en la síntesis de ATP.
Reacción 9: Enolasa: Formación del segundo intermediario de alta energía
El 2-fosfoglicerato se deshidrata a fosfoenolpiruvato, en una reacción catalizada por la enolasa.
La enzima forma un complejo con un catión divalente, como el Mg2+, antes de la fijación del sustrato.
La deshidratación catalizada por la enolasa podría tener lugar en una de las 3 siguientes formas:
a)    El grupo C (3)-OH puede ser liberado primero, generando un carbocatión en C (3).
b)    El protón del carbono 2 puede ser liberado primero, produciendo un carbanión en C (2).
c)    La reacción puede ser concertada.
Reacción 10: Piruvato quinasa: Producción del segundo ATP
Ultima reacción, la piruvato quinasa acopla la energía libre de la hidrólisis de la fosfoenolpiruvato a la síntesis de ATP para formar piruvato.
La reacción de la piruvato quinasa tiene lugar de la siguiente forma:
a)    Un oxígeno del fosforilo beta del ADP efectúa un ataque nucleofílico sobre el átomo de fósforo de la fosfoenolpiruvato, desplazando así el enolpiruvato y formando ATP.
b)    El enolpiruvato se transforma en piruvato.[11]



Regulación
  • La regulación de la glucólisis se ejerce en las reacciones no reversibles o reacciones de “no equilibrio”
  • Estas reacciones son también exergónicas.
  • Pueden ser localizadas en los tramos donde hay un desprendimiento considerable de energía. Se aplica a las reacciones de la hexoquinasa, fosfofructoquinasa y en la piruvato quinasa que son las enzimas alóstericas, reguladoras de la vía glucolítica.
  • La principal enzima reguladora es la enzima alósterica fosfofructoquinasa, ya que reconoce a varios moduladores positivos y negativos. Entre los reguladores positivos se encuentran el AMP y la fructosa-2,6-bifosfato y entre los negativos principales se encuentran el ATP y el citrato.[12]

Regulación hormonal
  • La concentración de la fructosa-2,6-bifosfato tiene relación con el balance de las hormonas insulina y glucagón en la circulación y su efecto se encuentra limitado al hígado, en donde la fructosa-2,6-bifosfato regula en forma recíproca el funcionamiento de la glucólisis y de la gluconeogénesis, estableciéndose la siguiente secuencia de hechos:
a)    Si la glucemia es baja, se secreta glucagón, disminuye la fructosa-2,6-bifosfato, se drena la glucólisis y se estimula la gluconeogénesis.
b)    Si la glucemia es alta, se secreta insulina, aumenta la fructosa-2,6-bifosfato, se acelera la glucólisis y se frena la gluconeogénesis.[13]

Destino del piruvato en condiciones aerobias
  • En presencia de oxígeno el piruvato seguirá la ruta aeróbica. Esto es:
1.    Oxidación del piruvato a acetilcolina.
2.    Oxidación completa de éste en el ciclo de Krebs, hasta CO2 y agua.
3.    Transferencia de los electrones obtenidos a la cadena de transporte electrónico y finalmente al oxígeno para obtener energía.[14]

Destinos del piruvato en condiciones anaerobias
  • En ausencia de oxígeno el piruvato no sigue la ruta aeróbica, puesto que no hay oxígeno al que transferir los electrones que se produzcan.
  • Para que la glucólisis se pueda realizar en estas condiciones se debe buscar la manera de deshacerse de los electrones que genera, es decir, buscar la manera de reoxidar al NADH y NAD+.
  • La manera más común es transferir los electrones al producto final de la glucólisis, el piruvato, transformándolo en otro compuesto, de manera que con una reacción más conseguimos una “glucólisis aumentada en un paso” en la que no hay producción neta de NADH, es decir, no hay cambio neto de estado de redox entre sustratos y productos.
  • El compuesto que se genera será o bien secretado al medio o reciclado por las células para otra función.
  • Esta “glucólisis aumentada en un paso” se conoce como fermentación.[15]

Balance energético
  • En el balance de la vía glucolítica hay que tener presente 2 aspectos:
1.    Los ATP  gastados en la activación, que son siempre 2.
2.    Los ATP producidos por fosforilación a nivel del sustrato, que son siempre 4 pues la vía desde el gliceraldehído-3-fostato hasta el piruvato se recorre 2 veces, una para cada triosa.
  • Esto deja un balance constante de 2 ATP de ganancia neta por cada molécula de glucosa y esto es lo único que se obtiene en anaerobiosis.
  • Cuando la vía trabaja en presencia de oxígeno, hay que agregar los ATP obtenidos por la reoxidación del NADH en la cadena respiratoria.[16]


Glosario

1. Escindir: Dividir algo de gran importancia en 2 o más partes
Asociación de Academias de la Lengua Española. (2016). Escindir. Febrero 27, 2016, de Real Academia Española Sitio web: http://dle.rae.es/?id=GEBq7jT

2. Exergónica: Liberan energía para el trabajo celular a partir del potencial de degradación de los nutrientes orgánicos.
González, M.. (2012). Reacciones endergónicas y reacciones exergónicas. Febrero 27, 2016, de La Guía Sitio web: http://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/reacciones-endergonicas-y-reacciones-exergonicas

3. Lábil: Poco estable
Lexicoon. Lábil-Edición 3.7 (Dic 2015). http://lexicoon.org/eslabil

4. NAD: Dinucleótido de adenina y nicotinamida
Mullis, R. ¿Qué es el NAD?. Febrero 27, 2016, de eHow Sitio web: http://www.ehowenespanol.com/nadh-sobre_154233/

5. NADH: Nicotinamida adenina dinucleótido reducido.
Mullis, R. ¿Qué es el NADH?. Febrero 27, 2016, de eHow Sitio web: http://www.ehowenespanol.com/nadh-sobre_154233/
REFERENCIAS


[1] Voet, D. & Voet, J.. (2006). Bioquímica. Argentina: Editorial Médica Panamericana S.A. Fecha de consulta: 27-02-2016
[2] Ídem
[3] Ídem
[4] Departamento de Bioquímica. (2009). Bioquímica. Febrero 27, 2016, de UNAM Sitio web: http://laguna.fmedic.unam.mx/~3dmolvis/metabol/glcli/
[5] Voet, D. & Voet, J.. (2006). Bioquímica. Argentina: Editorial Médica Panamericana S.A. pp: 458 Fecha de consulta: 27-02-2016
[6] Departamento de Bioquímica. (2009). Bioquímica. Febrero 27, 2016, de UNAM Sitio web: http://laguna.fmedic.unam.mx/~3dmolvis/metabol/glcli/
[7] Departamento de Bioquímica. (2009). Bioquímica. Febrero 27, 2016, de UNAM Sitio web: http://laguna.fmedic.unam.mx/~3dmolvis/metabol/glcli/
[8] Voet, D. & Voet, J.. (2006). Bioquímica. Argentina: Editorial Médica Panamericana S.A. Fecha de consulta: 27-02-2016
[9] Ídem
[10] Ídem
[11] Ídem
[12] Departamento de Bioquímica. (2009). Bioquímica. Febrero 27, 2016, de UNAM Sitio web: http://laguna.fmedic.unam.mx/~3dmolvis/metabol/glcli/
[13] Ídem
[14] Voet, D. & Voet, J.. (2006). Bioquímica. Argentina: Editorial Médica Panamericana S.A. Fecha de consulta: 27-02-2016
[15] Ídem
[16] Departamento de Bioquímica. (2009). Bioquímica. Febrero 27, 2016, de UNAM Sitio web: http://laguna.fmedic.unam.mx/~3dmolvis/metabol/glcli/

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