La glucólisis o glicolisis, 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.
Es la vía inicial del catabolismo de carbohidratos, y tiene tres funciones principales:
La generación de moléculas de alta energía (ATP y NADH) como fuente de energía celular en procesos de respiración aeróbica y anaeróbica.
La generación de piruvato que pasará al Ciclo de krebs, como parte de la respiración aeróbica.
La producción de intermediarios de 6 y 3 carbonos que pueden ser ocupados por otros procesos celulares.
Cuando hay ausencia de oxígeno, luego que la glucosa ha pasado por este proceso, el piruvato sufre 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 más antiguos, y por esto se considera una de las vías metabólicas más antiguas.
El tipo de glucólisis más 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.
La glucólisis es la forma mas rápida de conseguir energía para una célula, y en el metabolismo de carbohidratos, generalmente es la primera vía a la cual se recurre. Ésta se encuentra estructurada en 10 reacciones enzimáticas que permiten la transformación de una molécula de glucosa a dos moléculas de piruvato mediante un proceso catabólico.
La glucólisis es una de las vías mas estudiadas, y en los libros de textos generalmente se le encuentra dividida en dos fases: La primera de gasto de energía, y la segunda fase, que obtiene energía.
La primera fase consta en transformar una molécula de glucosa en dos moléculas de gliceraldehído -una molécula de baja energía- mediante el uso de 2 ATP. Ésto permite duplicar los resultados de la segunda fase de obtención energética. En la segunda fase, el gliceraldehído se transforma en un compuesto de alta energía, cuya hidrólisis genera una molécula de ATP, y como se generaron 2 moleculas de gliceraldehido, se obtienen en realidad dos moléculas de ATP.
Ésta obtencion de energía se logra mediante el acoplamiento de una reacción fuertemente exergónica despues de una levemente endergónica. Éste acoplamiento ocurre una vez mas en esta fase, generando dos moléculas de piruvato. De ésta manera en la segunda fase se obtienen 4 moléculas de ATP.
La reacción global de la glucólisis es:
La reacción global de la glucólisis es:
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
Donde quedo el Piruvato???
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. Estos intermediarios no pueden cruzar la membrana mitocondrial , y por lo tanto, utilizan sistemas de intercambio con otros compuestos llamados lanzaderas o shuttles. Los más conocidos son el shuttle malato-aspartato y el shuttle glicerol-3-fosfato. Los intermediarios logran entregar sus equivalentes 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 esta manera, se puede obtener 38 moles de ATP a partir de 1 mol de glucosa.
Sin embargo, cuando las células no posean mitocondrias o cuando requieran de grandes cantidades de ATP, el piruvato sufre fermentación que permite obtener 2 moles de ATP por un mol de glucosa, por lo tanto, esta via es poco eficiente respecto a la fase aeróbica de la glucólisis.
Sin embargo, cuando las células no posean mitocondrias o cuando requieran de grandes cantidades de ATP, el piruvato sufre fermentación que permite obtener 2 moles de ATP por un mol de glucosa, por lo tanto, esta 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 primera fase de la glucólisis consiste en transformar una molécula de glucosa en dos moléculas de gliceraldehído. Hasta el momento solo se ha consumido energía (ATP), sin embargo, en la segunda etapa, el gliceraldehido es convertido a una molécula de mucha energía, donde finalmente se obtendrá el beneficio final de 4 moléculas de ATP.
Primer Paso: Hexoquinasa
La primera reacción de la glucólisis es la fosforilación de la glucosa, para activarla 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, la cual puede fosforilar 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 más reactivo, mencionado anteriormente, y la segunda ventaja es que la glucosa-6-fosfato no puede cruzar la membrana celular -a diferencia de la glucosa-ya que en la célula no existe un transportador de G6P. De esta forma se evita la pérdida de sustrato energético para la célula.
La Hexoquinasa sólo fosforila las D-hexosas, y utiliza de sustrato MgATP2+, ya que este catión permite que el último fosfato del ATP sea un blanco más 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.
Esta reacción posee un ΔG negativo.
Segundo Paso: Glucosa-6-P isomerasa
Éste es un paso importante, puesto que aquí se define la geometría molecular que afectará los dos pasos críticos en la glucólisis:
Éste es un paso importante, puesto que aquí se define la geometría molecular que afectará los dos pasos críticos en la glucólisis:
El próximo 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
En esta reacción, la Glucosa-6-fosfato se isomeriza a Fructosa-6-fosfato, mediante la enzima glucosa-6-Pisomerasa. 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
Puesto que la energía libre de esta reacción es igual a +1,7 kJ/mol la reacción es no espontánea y se debe acoplar.
Puesto que la energía libre de esta reacción es igual a +1,7 kJ/mol la reacción es no espontánea y se debe acoplar.
Tercer paso: Fosfofructoquinasa
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.
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.
Cuarto Paso: Aldolasa
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.
Esta reacción tiene una energía libre (ΔG) entre 20 a 25 kJ/mol, por lo tanto en condiciones estándar esta 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 esta reacción sea reversible.
Quinto Paso: Triosa fosfato isomerasa
Puesto que sólo el Gliceraldehído-3-fosfato puede seguir los pasos restantes de la glucólisis, la otra molécula generada por la reacción anterior es isomerizada en Gliceraldehído-3-fosfato. Esta 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 reactivo 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 y el tercer paso.
Sexto Paso: Gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa
Esta reacción consiste en oxidar el gliceraldehído-3-fosfato utilizando NAD+ para añadir un ion fosfato a la molécula, la cual es realizada por la enzima Gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa o bien, GAP deshidrogenasa en 5 pasos, y de ésta manera aumentar la energía del compuesto.
Técnicamente, el grupo aldehído se oxida a un grupo acil-fosfato, que es un derivado de un carboxilo fosfatado. Este compuesto posee una energia de hidrólisis sumamente alta (cercana a los 50 kJ/mol) por lo que se da inicio al proceso de reacciones que permitirán recuperar el ATP más adelante.
Mientras el grupo aldehido se oxida, el NAD+ se reduce, lo que hace de esta reacción una reacción redox. El NAD+ se reduce por la incorporación del ion hidruro (H-) -formado por el hidrógeno del aldehido y los electrones del enlace C-H- para dar como resultado una molécula de NADH de carga neutra.
Septimo Paso: Fosfoglicerato quinasa
En este paso, la enzima Fosfoglicerato quinasa transfiere el grupo fosfato de 1,3-Bifosfoglicerato a una molecula de ADP, generando así la primera molécula de ATP de la vía. Como la glucosa se transformo en 2 moleculas de gliceraldehído, en total se recuperan 2 ATP en esta etapa. Nótese que la enzima fue nombrada por la reacción inversa a la mostrada, y que ésta opera en ambas direcciones.
Octavo Paso: Fosfoglicerato mutasa
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 ocurre 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.
Noveno Paso: Enolasa
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.
Decimo Paso: Piruvato quinasa
Desfosforilación del Fosfoenolpiruvato, obteniéndose piruvato y ATP. Reacción irreversible mediada por la Piruvato quinasa.
El enzima Piruvato Quinasa es dependiente de magnesio y potasio. La energía libre es de -31,4 kJ/mol, por lo tanto la reacción es favorable e irreversible.
El rendimiento total de la glucólisis de una sola glucosa es de 2 ATP y no 4, ya que se consumen 2 ATP en la primera fase, y 2 NADH. 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, formándose en Acetil-CoA gracias a la enzima piruvato deshidrogenasa, se puede entrar al Ciclo de Krebs.
