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Bioquímica | Introducción al metabolismo, glucólisis y bioenergética
Glucólisis
Principales destinos de la glucosa
La glucosa ocupa un rol central en el metabolismo y
puede tener varios destinos, algunos son representados
en el esquema.
● Puede ser almacenada en forma del polisacárido
glucógeno para ser utilizado como reserva de
combustible.
● Puede convertirse mediante la oxidación de la vía
de Pentosas fosfato en ribosa-5-fosfato y
NADPH.
● Puede ser oxidada mediante una secuencia de reacciones que se transforma
finalmente en piruvato con la generación simultánea de NADH y energía en
forma de ATP. Esta vía metabólica es la glucólisis.
Glucólisis
Es la vía metabólica encargada de oxidar la glucosa con la finalidad de obtener
energía para la célula en forma de ATP y se obtienen también dos moléculas de
piruvato. Es un término que significa degradar o romper azúcares.
Consiste en una secuencia de 10 reacciones catalizadas por diferentes enzimas,
que metabolizan una molécula de: glucosa → 2 piruvato + 2 ATP.
La mayoría de los organismos utilizan glucosa como fuente de energía. Es una ruta
metabólica común a casi todas las células, tanto procariotas como eucariotas.
En eucariotas, la glucólisis ocurre en el
citosol.
La glucólisis es ubicua, ocurre prácticamente en todos los tejidos.
- La glucosa es prácticamente el único combustible utilizado por el cerebro
(excepto durante el ayuno), y es el único combustible que pueden utilizar los
glóbulos rojos.
Ingreso de la glucosa a las células
La entrada de glucosa a las células se produce
por medio de la difusión facilitada mediada por
un grupo de receptores/transportadores de
membrana denominados
GLUT que no
requieren energía.
La familia de los GLUT está compuesta por
diferentes miembros que tienen
comportamientos diferenciados de acuerdo a
los diferentes tejidos en los cuales actúan.
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GLUT 1: presentes en casi todas las células de
mamífero y son los responsables de la
captación basal de glucosa.
GLUT 2: principalmente en el hígado, riñón y
páncreas, a diferencia de los otros GLUT tiene
un valor de Km muy elevado para la glucosa,
asegurando que estos tejidos metabolicen la
glucosa sólo cuando es abundante y sus niveles
en sangre son elevados.
GLUT 3: se encuentran principalmente en el cerebro a nivel neuronal y se unen a la
glucosa con alta afinidad lo que permite captar la glucosa especialmente cuando los
niveles de glucosa en sangre son bajos.
GLUT 4: se encuentran principalmente en el
músculo esquelético y el tejido adiposo. Estos
tejidos son especialmente sensibles a la insulina.
Por ejemplo, en respuesta a un alto nivel de glucosa
en sangre está hormona va a ser liberada por el
páncreas y de alguna forma va a actuar
estimulando la movilización de los GLUT 4 que se
encuentran secuestrados en vesículas, de esta
forma se liberan, se fusionan con la membrana
plasmática y podrán facilitar y posibilitar el ingreso
de glucosa en estos tejidos.
GLUT 5: se expresa principalmente en el intestino delgado y a su vez es el único que
transporta exclusivamente fructosa.
La insulina estimula la captación de glucosa en los tejidos adiposo y muscular
incrementando el número de transportadores de glucosa GLUT4 en la membrana
plasmática.
Estrategia general de la glucólisis
La estrategia general es atrapar la glucosa que ingresa en la célula y metabolizarla
en un proceso de 10 reacciones que se pueden dividir en dos etapas:
Primera etapa: Fase Preparatoria: se invierten 2 moléculas de ATP en la conversión
de glucosa en 2 moléculas fosforiladas de 3 carbonos: gliceraldehído-3P (G-3P) y
dihidroxiacetona-P (DHAP).
- Consiste en atrapar el sustrato dentro de la célula y formar un compuesto que
luego pueda ser dividido fácilmente en dos moléculas fosforiladas de 3 carbonos.
Segunda etapa: Fase de obtención de energía. 2 moléculas de G-3P son
convertidas en 2 moléculas de Piruvato. Como resultado de estas reacciones de
oxidación se obtienen 2 NADH y 4 ATP.
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La glucólisis tiene una ganancia neta
de 2 moléculas de ATP por glucosa.
● En la fase 1 se consumen 2 moléculas
de ATP
● En la fase 2 se producen 4 moléculas
de ATP
Como se observa en el esquema los
intermediarios de la glucólisis pueden
tener:
● 6 átomos de C que son los derivados
de la glucosa o fructosa.
● 3 átomos de C, por ejemplo, la
dihidroxiacetona, el gliceraldehído, el
glicerato, o el piruvato.
Entre la glucosa, que es el sustrato inicial y el piruvato que es el producto final de la
vía, todos los demás intermediarios se encuentran fosforilados. Estos
compuestos; los grupos fosforilo, se encuentran en forma de enlace éster o en forma
de enlace anhídrido.
¿Cuál es la función de los grupos fosfato?
● Dado que la membrana plasmática carece de transportadores para azúcares
fosforilados, los intermediarios glucolíticos una vez fosforilados pueden ser
retenidos en la célula.
● Los grupos fosforilo son esenciales en conservar la energía metabólica.
● La energía liberada de la ruptura de enlaces fosfoanhidrido (como en el ATP)
puede ser parcialmente conservada en la formación de enlaces éster (como en la
glucosa 6P).
● Los compuestos de alta energía formados en la glucólisis (como 1,3-
bifosfoglicerato y el fosfoenolpiruvato) pueden donar el grupo fosforilo al ADP para
formar ATP.
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Estrategia general de la glucólisis, paso a paso
1er Fase: Preparatoria
1. Fosforilación de la glucosa: HEXOQUINASA
Quinasas: enzimas que catalizan la transferencia de un fosforilo desde el ATP a
un aceptor.
Una vez que la glucosa entra a las células tiene como predestino principal ser
fosforilada por el ATP para formar glucosa-6-fosfato.
En este caso la enzima
Hexoquinasa es la encargada de catalizar la transferencia
del grupo fosforilo del ATP al grupo hidroxilo del átomo de carbono 6 de la glucosa
para formar entonces la glucosa-6-fosfato.
- Las hexoquinasas requieren para su actividad magnesio u otro ion metálico
equivalente dado que, de esta manera, se forma un complejo con el ATP y lo
estabilizan para su reacción.
Como se observa en la figura, estudios
cristalográficos han demostrado que la unión de la
glucosa produce un cambio conformacional en
la estructura de la enzima.
Se produce un ajuste inducido en la estructura de la enzima y estos cambios
estructurales favorecen la transferencia del grupo fosforilo del ATP a la glucosa.
Hexoquinasa: se encuentra en la mayoría de los tejidos, y tiene una amplia
especificidad de sustrato Km=0,1 mM. El bajo valor de Km asegura que la glucosa en
las células pueda ser convertida de forma rápida y eficiente en glucosa-6-fosfato
Glucoquinasa: ubicada en el hígado, específica para la glucosa, Km = 10mM. El
elevado valor de Km significa que sólo fosforilará a la glucosa cuando ésta sea
abundante, es decir, que se presente en altas concentraciones.
2. Isomerización de glucosa-6-P en fructosa-6-P:
Fosfoglucosa isomerasa
Isomerización: conversión de una aldosa (hemiacetal) en una cetosa (hemicetal).
Se cataliza la conversión de una aldosa en una cetosa, es decir, que el anillo
piranósico de 6 miembros de la glucosa-6-fosfato (G6P) se convierte en el anillo
furanósico de 5 miembros de la fructosa-6-fosfato (F6P). Esta reacción es
reversible y está catalizada por la enzima fosfoglucosa isomerasa.
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3. Fosforilación de fructosa-6-P en fructosa-1,6biP: Fosfofructoquinasa
Es la principal reacción en la regulación de la glucólisis.
La PFK es una enzima alostérica
En este caso, la fructosa-6-fosfato será fosforilada por el ATP.
Hay una transferencia del grupo fosfato del ATP al grupo hidroxilo en el carbono 1 de
la F-6P para formar entonces la fructosa-1,6biP. Esta reacción está catalizada por la
enzima
fosfofructoquinasa (PFK), controlada por el nivel de ATP y otros
moduladores alostéricos tanto positivos como negativos.
● Moduladores positivos: ADP, AMP, F-2,6biP
● Moduladores negativos: ATP, citrato
4. Ruptura de la Fructosa-1,6biP en DHAP y G-3P:
Aldolasa
La siguiente reacción es la ruptura de un azúcar de 6 átomos de C como es la
Fructosa-1,6biP, para producir dos azúcares de 3 átomos de C, por un lado, el
Gliceraldehído-3- fosfato (G-3P) y por otro lado la Dihidroxiacetona fosfato
(DHAP). Esta reacción es catalizada por la
Aldolasa y es una reacción inversa a lo
que sería la condensación aldólica.
5. Isomerización de triosas fosfato:
Triosa fosfato isomerasa (TPI)
Las siguientes reacciones utilizan G-3-P como
sustrato, por lo cual, debe haber una
interconversión de la DHAP (es una cetosa) en
G-3-P (es una aldosa).
Esta isomerización entre azúcares de 3
carbonos está catalizada por una enzima que
se llama Triosa fosfato isomerasa (TPI) y se
caracteriza esta enzima por tener una gran
eficiencia catalítica.
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2da fase: Obtención de energía
6. Conservación de la energía, la fosforilación está acoplada a la oxidación del
G-3P: gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa
La reacción inicial de la 2º fase es la conversión del G-3-P en 1,3-bifosfoglicerato.
Esta reacción está catalizada por la
gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa.
● Gran parte de la energía que se genera en esta reacción de óxido-reducción
se conserva en el compuesto acilfosfato (un anhídrido mixto de ácido
carboxílico y ácido fosfórico)
● El acilfosfato tiene un elevado potencial para la transferencia del grupo fosforilo
(ΔG°’ de hidrólisis del acilfosfato = -49,3 kJ/mol; para el ATP = - 30,5 kJ/mol)
La reacción procede en dos etapas:
Por un lado, hay una oxidación del grupo aldehído del C 1 que se convierte
en ácido carboxílico. En este caso, el NAD+ es el aceptor de electrones que
se reduce a NADH.
Por otro lado, está la unión del ácido carboxílico al grupo fosfato para
formar el Acilfosfato y esta forma dar lugar al 1,3-bifosfoglicerato.
La formación del 1,3-biFG, es una reacción
termodinámicamente desfavorable (la formación
de un acilfosfato a partir de un carboxilato) que está
dirigida por una reacción termodinámicamente
favorable, como la oxidación de un aldehído.
Estas dos reacciones de fosforilación y oxidación
están acopladas mediante el enlace éster tiólico,
un intermediario en la enzima que retiene parte de
la energía desprendida de la reacción de oxidación.
En el enlace tioéster participa un grupo tiol
de una cisteína que se encuentra en el sitio
activo de la enzima. Por ejemplo, si por algún motivo este grupo tiol se modifica
oxidativamente o se alquila por algún agente químico, como, por ejemplo: el
iodoacetato, al bloquear este grupo tiol se va a inactivar esta enzima y por lo
tanto se va a inhibir la glucólisis.
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7. Transferencia del Pi desde el 1,3-biFG al ADP: Fosfoglicerato quinasa
El 1,3-biFG es un compuesto de alta energía con un potencial para la transferencia
del grupo fosforilo mayor al del ATP.
Fosforilación a nivel del sustrato: formación de ATP mediante la transferencia de
un grupo fosforilo proveniente de un sustrato fosforilado.
Esta es la primera reacción de la glucólisis en la cual se forma ATP.
La enzima encargada de catalizar esta reacción es la Fosfoglicerato quinasa, la
cual, cataliza la transferencia del grupo fosforilo del 1,3-biFG al ADP a partir del
acilfosfato dando como productos entonces ATP y 3-FG.
Balance de las dos últimas reacciones (6 y 7):
● El G-3P, un aldehído, se oxida a 3-FG, un ácido carboxílico
● El NAD+ se reduce a
NADH
● Se forma ATP a partir de ADP y Pi, y a expensas de la energía liberada por
la oxidación de un carbono.
Es un claro ejemplo de reacciones que están acopladas, en la que una reacción que
no es favorable puede ser acoplada a otra reacción que es altamente favorable. De
esta forma la suma de las dos reacciones hace que ocurra en dirección favorable
con una diferencia de energía libre estándar (ΔG°’) menor a 0.
8. Conversión del 3-FG en 2-FG:
Fosfoglicerato mutasa
Mutasa: enzima que cataliza el movimiento intramolecular de un grupo químico.
En esta etapa hay un reordenamiento intramolecular. La posición del grupo fosforilo
se desplaza en la conversión del 3-PG en la formación del 2-PG. Esta es una reacción
catalizada por la Fosfoglicerato mutasa.
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9. Deshidratación del 2-Fosfoglicerato: Enolasa
En la siguiente reacción se formará un Enol, debido a la deshidratación del 2-FG,
catalizada por la
Enolasa, que forma un fosfoenolpiruvato.
- Esta reacción de deshidratación es importante dado que como resultado el
fosfoenolpiruvato elevará el potencial de transferencia del grupo fosforilo.
La diferencia de ΔG°’ se debe a una oxido-reducción intramolecular con
redistribución de energía en el producto PEP.
10. Transferencia del Pi desde el PEP al ADP:
Piruvato quinasa
Esta reacción constituye el segundo punto en el que se forma ATP, también
mediante una fosforilación a nivel del sustrato.
La última reacción de la vía glucolítica consiste en la transferencia del grupo
fosforilo desde el fosfoenolpiruvato hasta el ADP para formar ATP. Esta reacción
está catalizada por la piruvato quinasa.
Balance energético de la glucólisis
En la primera ecuación del lado izquierdo de la ecuación, se muestran las entradas a
la vía en forma de ATP, NAD+, ADP y Pi (fosfato inorgánico). Del lado derecho se
muestran los productos. Como hay una división de una molécula de 6 C en dos
moléculas de 3 C, se formarán dos moléculas de piruvato al final, además de ADP,
NADH y los 4 ATP.
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El balance global: por cada molécula de glucosa que ingresa a la vía glucolítica
se van a generar 2 moléculas de piruvato, 2 moléculas de ATP y 2 moléculas de
NADH.
Regulación de la glucólisis
Las etapas que están reguladas por enzimas clave:
● Son generalmente reacciones fuertemente exergónicas e irreversibles en las
condiciones celulares.
● Están limitadas por la enzima y no por el sustrato
● Están lejos del equilibrio en el estado estacionario metabólico.
Variación de energía libre en las reacciones de la glucólisis
En la tabla se muestran los valores de los cambios de energía libre en condiciones
estándar y en condiciones reales, por ejemplo, en el tejido muscular.
Se puede observar al hacer una comparación, en algunos casos hay cambios
importantes en los valores de energía libre tanto en condiciones reales como en
condiciones estándar.
Diagrama de los cambios en la energía
libre en los diferentes pasos de la glucólisis
en el músculo cardíaco.
Las reacciones 1, 3 y 10 son irreversibles
y regulan el flujo de la vía: presentan
mayor diferencia energía libre (los valores
son los más negativos) y se encuentran
entonces muy alejados del equilibrio
Las otras reacciones operan cercanas al
equilibrio.
Las reacciones de la glucólisis que se encuentran reguladas (1, 3 y 10) son aquellas
catalizadas por:
Hexoquinasa
Fosfofructoquinasa
Piruvatoquinasa
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Etapa 1: Fosforilación de la glucosa.
Hexoquinasa/Glucoquinasa
La
Hexoquinasa es inhibida por su propio producto; la G6P, entonces si una vez
formada la G6P se inhiben los siguientes pasos en los cuales la G-6-P puede ser
metabolizada, se acumulará G6P y de esta forma se inhibirá su propia formación.
Si se inhibe la enzima fosfofructoquinasa (paso 3) en la glucólisis aumentará el nivel
de G6P y eso también conduce a una inhibición de la Hexoquinasa.
En los hepatocitos, se presenta la
glucoquinasa (isoforma de la Hexoquinasa) que
cataliza la misma reacción, pero en este caso no resulta inhibida por sus
productos; por la G6P.
● Si bien la hexoquinasa es una enzima reguladora de la vía glucolítica no es el
paso limitante de la velocidad de la glucólisis.
● La razón de esto es que la G6P no es únicamente intermediario la glucólisis,
sino que también dependiendo de las necesidades metabólicas puede
transformarse en glucógeno o bien tener otros destinos como oxidarse en la
vías de la pentosa fosfato y generar ribosa 5 fosfato y NADPH.
Etapa 3: Fosforilación de la Fructosa-6P.
Fosfofructoquinasa-1
Este es el punto de control más importante de la vía glucolítica en
mamíferos.
La
fosfofructoquinasa es de estructura tetramérica y presenta
un total de 6 sitios de unión:
● 2 de ellos son para cada uno de los sustratos ATP y fructosa
6 fosfato
● Los 4 sitios restantes son diferentes a los sitios del sitio activo, son los sitios
en los que se unen los moduladores alostéricos.
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Dentro de estos moduladores alostéricos:
ATP es un modulador que actúa inhibiendo la enzima.
➔ El ATP se une al subsitio de unión, genera un cambio conformacional
en la enzima y de esta forma disminuye la afinidad de la enzima por el
sustrato fructosa-6-fosfato.
La acción inhibitoria del ATP puede ser contrarrestada por el AMP:
➔ Cuando la carga energética de la célula es baja habrá más AMP que
ATP y en ese caso la glucólisis se estimulará.
El citrato inhibe la actividad de la fosfofructoquinasa y potencia el efecto
inhibitorio que también tenía el ATP.
Otro de los activadores de la fosfofructoquinasa es la fructosa-2,6- bisfosfato que
se forma por fosforilación de la F6P en una reacción que es catalizada por la
fosfofructoquinasa-2, es una enzima diferente a la fosfofructoquinasa-1.
● La fructosa-2,6-bisfosfato activará a la fosfofructoquinasa hepática al aumentar
su afinidad por el sustrato y disminuir el efecto inhibitorio del ATP.
Etapa 10: Transferencia del Pi desde el PEP al ADP.
Piruvatoquinasa
● Regulación alostérica:
➢ Modulador alostérico positivo:
F1,6-biP
➢ Moduladores alostéricos negativos:
➔ ATP, Alanina
➔ Acetil-CoA
➔ Ácidos grasos de cadena larga
● Modulación covalente por fosforilación
Cuando descienden los niveles de glucosa en sangre, por ejemplo: una señal
hormonal desencadenará la fosforilación de esta enzima (piruvatoquinasa) y de esta
forma la inactivará disminuyendo su actividad
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Glúcidos que alimentan la glucólisis
Además de la glucosa, otros monosacáridos como fructosa, manosa y galactosa
pueden ingresar en la ruta glucolítica. Estos glúcidos provienen de: polisacáridos
(glucógeno y almidón) o de disacáridos (maltosa, lactosa, sacarosa, trehalosa).
Galactosa: se obtiene de la hidrólisis del
disacárido lactosa, formado por glucosa y
galactosa. Entonces, la lactosa se convertirá en el
intermediario de la glucólisis, glucosa-6-fosfato,
mediante esta serie de cuatro reacciones, la primera
está catalizada por la galactoquinasa a expensas de
ATP.
Manosa: es el epímero de la glucosa en el carbono 2, puede entrar en la vía
glucolítica luego de su conversión a fructosa-6-fosfato. En este caso, esta conversión
se realiza en dos pasos, el primero catalizado por una hexoquinasa que fosforila a la
manosa para formar manosa-6-fosfato, y luego la fosfomanosa isomerasa lo
convierte en fructosa-6-fosfato entrando así a la vía glucolítica.
Fructosa: la hidrólisis del disacárido sacarosa libera glucosa y fructosa.
Hay dos vías para el metabolismo de la fructosa: una ocurre en el músculo y otra en
el hígado.
En el músculo, la fructosa puede ser fosforilada a expensas de una hexoquinasa,
dando lugar a la formación de F-6-P y de esa forma ingresar a la vía glucolítica.
En el hígado la fructosa se metaboliza utilizando una vía diferente que involucra
varios pasos:
➔ El 1º paso de esta vía es la fosforilación de la fructosa hasta fructosa-1-
fosfato en una reacción catalizada por la fructoquinasa a expensas de ATP.
➔ La fructosa-1-fosfato luego puede escindirse en gliceraldehído y
dihidroxiacetona-fosfato.
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➢ Esta división está catalizada por la fructosa-1-fosfato-aldolasa.
➔ El gliceraldehído se puede fosforilar por una gliceraldehído quinasa a expensas
de ATP para formar el gliceraldehído-3-fosfato.
➔ La dihidroxiacetona-fosfato puede ser isomerizada también dando lugar a la
formación de gliceraldehído-3-fosfato y de esa forma ingresar en la vía glucolítica
Ante una situación de elevados niveles de fructosa,
por ejemplo: frente a una ingesta en exceso, el
catabolismo de la fructosa en el hígado elude un
importante punto de control a nivel metabólico que
es la regulación de la fosfofructoquinasa dado que
el producto de la metabolización de la fructosa a
nivel hepático ingresa en la glucólisis a través del
gliceraldehído-3-fosfato.
Principales destinos del Piruvato
El destino del piruvato es variable y puede tener
diferentes destinos posibles.
Existen tres reacciones relevantes del piruvato:
La fermentación láctica se produce en algunos
microorganismos y eucariotas superiores, o cuando la
cantidad de oxígeno es limitada como ocurre en el
músculo durante la contracción muscular intensa. La
reducción del piruvato por el NADH da lugar a la
formación de lactato y esta reacción está catalizada
por la enzima lactato deshidrogenasa
La fermentación alcohólica (en levaduras y otros microorganismos), formando
etanol (a partir del piruvato) a expensas de NADH. Ocurre principalmente en
ausencia de O2.
En el primer paso hay una descarboxilación del piruvato en una reacción catalizada
por la piruvato descarboxilasa
dando lugar a la formación del
acetaldehído. En el segundo
paso, el acetaldehído se reduce
a expensas de NADH dando
lugar a la formación de etanol.
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Oxidación del piruvato a acetil-coenzima A.
Se produce en animales, plantas y microorganismos en condiciones aeróbicas (con
oxígeno).
El piruvato puede ser oxidado en una reacción catalizada por el complejo
multienzimático piruvato deshidrogenasa, reacción que ocurre en la mitocondria. El
piruvato se descarboxila dando lugar a la formación de acetil-CoA
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