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
[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
[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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