GLUCÓLISIS
Principales destinos de la glucosa
La glucosa ocupa un lugar central en el metabolismo y puede tener varios destinos siendo alguno de
los más significativos los representados en el
siguiente esquema:
Por un lado, la glucosa puede ser almacenada en
forma de polisacárido glucógeno para ser
utilizada como reserva de combustible.
A su vez esta también puede convertirse
mediante la oxidación de la vía pentosas fosfato
en ribosa-5-P.
Finalmente, la glucosa puede ser oxidada
mediante una secuencia de reacciones que
transforma finalmente en piruvato con la
generación simultanea de __________ y energía en forma de ATP. Esta vía metabólica es el glucolisis
y es sobre la que vamos a centrar nuestro estudio en detalle.
Glucolisis
La glucolisis es un término que significa degradar o romper
azucares. Esta vía metabólica fue la primera en ser dilucidada y
es probablemente la más estudiada y conocida.
En este caso se degrada una molécula de glucosa en una serie de
10 reacciones que son catalizadas por diferentes enzimas con la
finalidad de obtener energía en forma de ATP y se obtienen
también dos moléculas de piruvato.
El producto final de esta vía entonces es, la molécula de piruvato
puede tener destinos que se verán más adelante en detalle. Por
un lado, puede ser reducido en la fermentación láctica y esto
sucede en algunos microorganismos o en células concretas de
superiores frente en algunas condiciones en particular, luego
comentaremos que también puede ser reducido a etanol en lo
que constituye la fermentación alcohólica en levaduras y otros
microorganismos y también puede ser oxidado a Acetil – Co
enzima el cual luego completa su oxidación hasta dióxido de
carbono y en ese proceso se forma ATP, estos en condiciones
aeróbicas.
Otra de las características es que es una vía metabólica común
en casi todas las células, tanto en procariotas como en eucariotas. Y en cuanto a localización a nivel
celular en eucariotas ocurre a nivel del citosol.
En cuanto a los tejidos la glucolisis es ubicua, ocurre en prácticamente todos los tejidos, pero hay
que tener en cuenta que algunos tejidos en particular como por ej. el cerebro o los glóbulos rojos
utilizan casi exclusivamente glucosa como combustible.
Ingreso de glucosa a las células
El ingreso de glucosa a las células se produce mediante difusión facilitada la cual esta mediada por
un grupo de receptores o aceptores de hexosas a través de la membrana celular sin requerir energía.
Estos transportadores son los llamados GLUTS y la familia de los gluts esta compuesta por diferentes
miembros que tienen comportamientos diferenciados de acuerdo con los diferentes tejidos en los
cuales actúa.
Por ejemplo, lis GLUT 1 se encuentran presentes en casi todas las células del mamífero y son
responsables de la captación basal de glucosa. Pero en cambio el GLUT 5 se expresa principalmente
en el intestino delgado y a su vez es el único que
transporta exclusivamente fructosa.
GLUT 2 se encuentra principalmente en el hígado, riñón
y páncreas, y a diferencia de los otros, este tiene un
valor de Km muy elevado para la glucosa y esto asegura
que estos tejidos metabolicen la glucosa solo cuando es
abundante y sus niveles en sangre son elevados.
Los 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.
A su vez, destacamos a los GLUT 4 los cuales se
encuentran principalmente en el musculo esqueletico y
en el tejido adiposo. Estos tejidos son especialmente
sensibles a la insulina y por ejemplo en respuesta a un
alto nivel de glucosa en sangre esta hormona va a ser
liberada por el pancreas y de alguna forma va a actuar
estimulando la movilizacion de los GLUT 4 que se
encuentran secuestrados en vesiculas y de esta forma se
liberan, se fusionan con la membrana plasmatica y van a
poder facilitar y posibilitar el ingreso de glucosa en estos
tejidos.
Estrategia general de la glucolisis
Esta estrategia consiste en atrapar la glucosa que ingresa a las celulas y
metabolizarla, como se decia, esto se realiza en un proceso de 10
reacciones y estas 10 reacciones s epueden dividir en dos etapas.
En la fase 1, que consiste en la fase preparatoria se invierten dos
moleculas de ATP, entonces la estrategi de estos pasos iniciales es
atrapar el sustrato de de la celula y formar un compuesto que luego
pueda ser dividio facilmente en dos moleculas fosforiladas de 3 atomos
de carbono, por un lado el glicerhaldeido-3P (G-3P)y por otro lado
dihidroxiacetona – P (DHAP)
En la fase 2, es la fase de obtencion de energia. En este caso dos
moleculas de G-3P van a ser combertidas en piruvato con la generacion
de 4 moleculas de ATP. Es entonces que la glucolisis tiene una ganancia
neta de 2 molceulas de ATP por glucosa.
En la fase 1 se consumian 2 molecuals de ATP y en la fase 2 se producen
4 moleculas de ATP.
Los intermediarios de la glucolisis pueden tener
o bien 6 atomos de carbono, que son los
derivados de la glucosa o fructosa, o bien 3
atomos de carbono, por ejemplo la
didroxacetona, el glicerhaldehido, el glicerato o
piruvato.
A su vez se observan que entre la glucosa que es
el sustrato inicial y el piruvato que es el producto
final de la via, todos los demas intermediarios se
encuentran fosforilados. Estos compuestos los
grupos fosforilo se encuentran en forma de
enlace esther o en forma de enlace anhidrdo.
Analisis de fases
A) Fase preparatoria
1. Fosforilacion de la glucosa: Hexoquinasa
Una vez que la glucosa entra a las celulas tine como predestino principal ser fosforilada entonces
por el ATP para formar glucosa -6P (G6P), recordemos que la transferencia del grupo fosforilo es
una de las reacciones fundamentales en bioquimica y las enzimas que catalizan la transferencia
intermolecular del grupo fosforilo desde el ATP a un aceptor se llaman QUINASAS.
En este caso la enzia HEXOQUINASA es la encargada de catalizar la transferencia del grupo
fosforilo del ATP al grupo hifroxilo del atomo de carbono 6 de la glucosa para formar para
gormar entonces la G6P.
Una particularidad de estas enzimas es que requieren para su actividad magnesio u otro ion
metalico equivalente dado que de esta forma se forma un complejo con el ATP y lo estabiliza
para su reaccion.
Como se observa en la
figura, ademas estudios
cristaligraficos han
demostrado que la union
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 de esta
forma estos cambios estructurales favorecen la transferencia del grupo fosforilo del ATP a la
glucosa.
La hexoquinasa se encuentra en la mayoria de los tejidos y tiene una amplia espesificidad de
sustrato, ya que por ejemplo puede fosforilar otraas hexosas como ademas de la glucosa la
manosa. El bajo valor de Km de esta enzima asegura que la glucosa en las celulas pueda ser
convertida de forma rapida y eficiente en G6P.
A su vez en el higado hay una isoforma de la enzima que se llama glucoquineasa la cual es
especifica para la glucosa, esta presenta un elevado valor de Km y esto significa que solo va a
fosforilar a la glucosa cuando estas sea abundante (que presente altas concentraciones).
2. Isomerización de glucosa – 6P en fructosa – 6P:
Fosfoglucosa
isomerasa
En la segunda reaccione de la glucolisis vemos que se cataliza la conversion de una aldosa en una
cetosa, es decir que el anillo piranosico de 6 miembros de la G6P se combierte en el anillo furanosico
de 5 miembros de la F6P, esta reaccion es reversible y esta catalizada por la enzima fosfoglucosa
isomerasa.
3. fosforilación de F6P en Fructosa – 1, 6biP:
Fosfofructoquinasa
Entones a la cata isomerización que vimos recién le sigue una segunda reacción de fosforilación, en
este caso la F6P va a ser fosforilada por el ATP. En este caso hay una transferencia del grupo fosfato
del ATP al grupo hidroxilo del carbono 1 de la F6P para formar entonces la F- 1,6 biP.
Esta reacción esta catalizada
por la enzima
fosfofructoquinasa y como
veremos mas a detalle esta
enzima es una enzima
alostérica y esta controlada
por el nivel de ATP y otros
moduladores alostéricos
tanto positivos como
negativos.
4. Ruptura de fructosa – 1, 6 biP en DHAP Y G – 3P: Aldosas
La siguiente reaccion de la glucolisis
es la ruptura de un azucar de 6
atomos de carbono como es la F –
1, 6 biP, para producir dos azucares
de tres atomos de carbono. Por un
lado el gliceraldehido – 3P y por
otro lado la dihdroxacetona fosfato
(DHAP).
Esta reaccion es catalizada por la
aldolasa y es una reaccion inversa a
lo que seria la condensacion
aldolica.
5. isomerización de triosas fosfato: Triosas fosfato isomerasa (TPI)
Las reacciones posteriores de la glucolisis, las que siguen a continuación, utilizan gliceraldehido – 3P
como sustrato por lo cual debe de haber una interconversión de la hidroxacetona fosfato que es una
cetosa, gliceraldehido – 3P que es una aldosa. Esta isomerización entre azucares de tres carbonos
esta catalizada por una enzima que se llama Triosa fosfato isomerasa (TPI) y se caracteriza por tener
una gran eficiencia catalítica.
En esta fase como vimos no se obtuvo energía si no que se consumieron 2 moléculas de ATP para su
realización. En la segunda etapa llegaremos a la serie de reacciones en las cuales se recolecta parte
de la energía que se invirtió la cual esta contenida en el gliceraldehido – 3P y va a permitir impulsar
la síntesis de ATP en diferentes pasos como se verán a continuación.
B) Segunda fase
6. Conservación de la energía, la fosforilación esta acoplada a la
oxidación del
G3P: gliceraldehido 3 - fosfato deshidrogenasa.
Entonces la reacción inicial de esta segunda fase es la conversión del gliceraldehido 3P en 1, 3
Bifosfoglicerato (1, 3 BPG). Esta reacción va a estar catalizada la enzima gliceraldehido 3P
deshidrogenasa.
Esta reacción es una reacción de oxidorreducción y genera un compuesto fosforilado que es el
acilfosfato, el cual es un anhidrido mixto de un ácido fosfórico y de un ácido carboxílico.
Este compuesto tiene la particularidad de tener un elevado potencial de transferencia del grupo
fosforilo. Entonces la reacción en general procede en dos etapas, por un lado, hay una oxidación del
grupo aldehído al carbono 1 que se convierte en A. carboxílico y en este caso el NAD+ es el aceptor
de electrones que se reducen a H, y por otro lado está la unión del A. carboxílico al grupo fosfato
para formar el acilfosfato y esta forma da lugar al 1, 3 bifosfoglicerato.
En el enlace tioester que se menciona participa un grupo tiol de una cisteína que se encuentra en el
sitio activo de la enzima y por ejemplo si por algún motivo este grupo tiol se modifica
oxidativamente o se alquila por algún agente químico como por ejemplo el yodo acetato, al bloquear
este grupo tiol se va a inactivar esta enzima y por lo tanto se va a inhibir la glucolisis.
7. Transferencia de Pi desde el 1, 3 biFG al ADP: Fosfoglicerato quinasa
El 1, 3 bifosfoglicerato entonces es un compuesto de alta energía con un potencial para la
transferencia del grupo fosforilo mayor al del ATP, entonces la formación de ATP es mediante la
transferencia de un grupo fosfato proveniente de un sustrato fosforilado, se llama fosforilación a
nivel de sustrato.
Esta entonces es la primera reacción de la glucolisis en la cual se forma ATP y la enzima encargada de
catalizar esta reacción es la fosfoglicerato quinasa la cual entonces cataliza la transferencia del grupo
fosforilo del 1, 3 fosfoglicerato al ADP a partir del acilfosfato dando como productos entonces ATP y
3 – fosfoglicerato.
Balance de las ultimas dos reacciones (6 y 7)
Si hacemos el balance de estas dos ultimas reacciones la catalizada por la gliceraldehido 3P
deshidrogenasa (enzima de la reacción 6) y la fosfoglicerato quinasa (enzima usada en la reacción 7)
vemos que el gliceraldehido 3P que es un aldehído se va a oxidar a 3 fosfoglicerato que es un ácido
carboxílico. A su vez el NAD+ se va a reducir a NADH+ y se va a formar ATP a partir de ADP y Pi.
Vemos aquí un claro
ejemplo de reacciones que
están acopladas, en las 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 la
dirección favorable con
una diferencia de energía
libre estándar menor a 0.
8. Conversión del 3-FG en 2-FG: fosfoglicerato mutasa
A continuacion en la siguiente etapa hay un reordenamiento intramolecular, en la posicion del grupo
fosforilo se desplaza la conversion del 3 fosfoglicerato en la fomracion del 2 fosfoglicerato. Esta es
una reaccion catalizada
por la encima
fosfoglicerato mutasa, en
general una mutasa es
una enzima que cataliza
un cambio
intramolecular de un
grupo quimico como el
fosforilo.
9. Deshidratacion del 2 – Fosfoglicerato:
Enolasa
En la siguiente reaccion se va a formar un enol y esto ocurre por la deshidratacion del 2 –
Fosfoglicerato, la enzima encargada de realizar esta catalizis es la enolasa y lo que hace es formar un
fosfonolpiruvato (PEP).
Entonces esta reaccion de deshidratacion es importante tanto que como resultado el enolfosfato o
mejor dicho el fosfonolpiruvato va a elevar el potencial de transferencia del grupo fosforilo.
Como se observa en la figura, de acuerdo a la energia libre de hidrolisis del fosfato de 2-FG y del PEP,
hay una marcada diferencia entre ambos valores y esta diferencia se debe a que hay una
redistribuicion de energia en la molecula de PEP.
10. Transferencia del Pi desde el PEP al ADP: piruvato quinasa
Finalmente la ultima reaccion de la via glucolitica consiste en la transferencia del grupo fosforilo
desde el fosfoenolpiruvato (PEP) hasta el ADP, para formar ATP.
Esta reaccion entonces esta catalizada por la piruvato quinasa y constituye el segundo punto de la
via en la cual se generan moleculas de ATP, y tambuen como vimos en el caso anterior es una
fosforilacion a nivel del sistrato.
Balance energético de la glucolisis
Del lado izquierdo de la ecuacion se miestran las entradas a la via en forma de ATP, NAD+, ADP, Pi.
Del lado derecho en cambio vemos los productos en la que vemos que se forman 2 moleculas de
piruvato debido a que hay una insicion de
una molecula de 6 carbonos en dos
moleculas de 3 y ademas de eso se formara
ADP, NADH y los 4 ATP.
Cancelando los términos comunes a ambos lados
de la ecuación el balance neto, es por tanto que
por cada molécula de glucosa que ingresa a la vía
glucolítica se van a generar 2 moléculas de
piruvato + 2NADH + 2ATP.
Regulación de la glucolisis
Las etapas que están reguladas por enzimas clave, son en general las reacciones clave que son
fueryemente exergónicas e irreversibles en las condiciones celulares, a su vez se encuentran lejos del
equilibrio en el estado estacionario metabólico y están limitadas por la enzima y no por el sustrato.
Variación de energía libre en las reacciones de glucolisis
En la siguiente tabla se muestran los valores de los cambios de energía libre en condiciones estándar
y en condiciones reales por ejemplo en el tejido muscular.
Como 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.
En este diagrama entonces vemos la variación de
energía libre en función de la glucolisis y vemos que
hay pasos como la reacción 1, 3 y 10 que presentan
mayor diferencia de energía libre, los valores son los
mas negativos, estos pasos se encuentran entonces
muy alejados del equilibrio y son casi irreversibles y
son por tanto los que serian candidatos a regular el
flujo de la vía metabólica, en cambio las otras
reacciones van a operar más cercanas al equilibrio.
Regulación de la glucolisis
Las reacciones 1, 3 y 10 las cuales decíamos que son
candidatas para regular el flujo de la vía metabólica son las
catalizadas por las enzimas Hexoquinasa,
Fosfofructoquinasa y Piruvatoquinasa.
Por lo que repasaremos estos puntos importantes de la
glucolisis.
La PRIMERA etapa es la catalizada por la hexoquinasa, esta
enzima cataliza la primera etapa en la vía glucolítica y es la
fosforilación de la glucosa para formar G- 6P. Como
mencionábamos antes esta enzima presenta un bajo valor
de Km para la glucosa como vemos aquí en el gráfico, de
este grafico surge un valor de glucosa para el Km de la
glucosa de 0,1 mM. Este bajo valir de Km asegura que la
glucosa en las células pueda ser convertida de forma rápida
y eficiente en G – 6P.
A su vez la hexoquinasa es inhibida por su propio producto que es la G6P, entonces, una vez formada
la G6P se inhiben los siguientes pasos en los cuales la G6P puede ser metabolizado se va a acumular
glucosa G6P y de esta forma se va a inhibir su propia formación.
Como veremos a continuación, si se inhibe la enzima fosfofructoquinasa, que es el paso 3 en la
glucolisis, como resultado de eso va a aumentar el nivel de G6P y eso también conduce a una
inhibición de la enzima hexoquinasa.
Por otra parte, en los hepatocitos hay una isoforma de la hexoquinasa que es la enzima
glucoquinasa, esta enzima cataliza la misma reacción, pero en este caso no resulta inhibida por su
producto.
Dado que la glucoquinasa tiene un valor de Km mucho mas elevado, este valor de Km es de 10 mM,
por lo tanto, esto nos dice que la glucoquinasa va a fosforilar a la glucosa solo cuando haya altas
concentraciones de esta, y esto ocurre porque en realidad la función de la glucoquinasa es
suministrar G6P para otros destinos, por ejemplo, para ser utilizada en la síntesis de glucógeno y de
esta forma almacenar la glucosa.
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 como veíamos recién no es únicamente
intermediario de la glucolisis, sino que también dependiendo de las necesidades metabólicas puede
transformarse en glucógeno o bien tener otros destinos como oxidarse en las vías de las ventosas
fosfato y generar ribosa 5 fosfatina al PH.
La TERCERA etapa es la siguiente en la que se puede regular la glucolisis y es en la que actúa la
enzima fosfofructoquinasa.
Este es el punto de control mas importante de la vía glucolítica en
mamíferos.
Esta enzima, fosfofructoquinasa es de estructura tetramérica, y
presenta entonces un total de 6 sitios de unión, dos de ellos son
para cada uno de los sustratos (ATP y fructosa6P) y los otros cuatro
sitios restantes que son diferentes a los sitios del sitio activo, son
los sitios en los cuales se unen los moduladores alostéricos.
Dentro de estos moduladores alostéricos, por ejemplo, el ATP es
un modulador que actúa de forma de inhibir a esta enzima, el ATP
se une a su sitio de unión, genera un cambio conformacional en la
enzima y de esta forma disminuye la afinidad de la enzima por el
sustrato fructosa 6P. Esta accion inhibitoria al ATP puede ser
contrarrestada por el AMP, de modo que cuando la carga
energética de las células baja va a haber mas AMP que ATP y en
ese caso la glucolisis se va a estimular.
La fosfofructoquinasa es inhibida también por citrato, que es uno de los compuestos iniciales del
ciclo de KREBS, el citrato entonces va a inhibir a la actividad de la fosfofructoquinasa y de esta forma
potencia el efecto inhibitorio que también tenia el ATP.
Otro de los activadores de la fosfofructoquinasa es la fructosa 2, 6DP y este compuesto se forma por
fosforilación de la fructosa 6P en una
reacción que es catalizada por la
fosfofructoquinasa 2 que es una
enzima diferente a la
fosfofructoquinasa 1.
La fructosa 2, 6 DP va a activar a la
fosfofructoquinasa hepática al
aumentar si afinidad por el sustrato y
disminuir el efecto inhibitorio del ATP.
Etapa 10:
La piruvatoquinasa es la enzima que cataliza el ultimo paso de la via glucosídica y también es un paso
importante de regulación.
La regulación de esta enzima se realiza de forma alostérica y el modular alostérico positivo en este
caso es la fructosa 1, 6 BP. Entre los moduladores alostéricos negativos se encuentra el ATP, la
alanina, el acetil – CoA y los A grasos de cadena larga.
A su vez el piruvato quinasa también puede ser regulada por moderación covalente, en este caso es
por fosforilación, entonces cuando
descienden los niveles de glucosa en
sangre, por ejemplo, una señal
hormonal va a desencadenar la
fosforilación del piruvato quinasa y de
esta forma la va a inactivar
disminuyendo su actividad.
Es importante tener en cuenta que además la glucosa hay otros monosacáridos como por ejemplo la
fructosa, la manosa, la
galactosa que también pueden
ingresar en la vía glucolítica.
Estos glúcidos provienen de
diferentes fuentes como por ej.
de polisacáridos como
glucógeno y almidón, o de los
disacáridos como maltosa,
lactosa, sacarosa y trehalosa.
Entonces vamos a repasar
como podrían ingresar estos
monosacáridos a la vía
glucolítica.
La galactosa
Esta se obtiene de la
hidrolisis del disacárido
lactosa formado por
glucosa y galactosa, y
entonces la lactosa se
va a poder convertir en
el intermediario de la glucolisis, G6P mediante la serie de
4 reacciones, la primera de ellas catalizada por la enzima
galactoquinasa a expensas de ATP
La manosa
Que es el epimero de la glucosa del carbono 2, puede entrar en la
via glucolitica luego de su conversion a F6P, en este caso esta
conversion se realiza en dos pasos.
El primero es catalizado por una hexoquqinasa que fosforila a la
manosa para formar manosa 6P y luego la fosfomanosa isomerasa
lo combierte en F6P entrando asi a la via glucolitica.
La fructosa
Sabemos que la hidrolisis del disacarido sacarosa libera fructosa y glucosa, entones hay dos vias para
el metabolismo de la fructosa, una ocurre en el musculo y otra en el higado.
La del musculo la fructosa puede ser fosforilada a expensas de una hexoquinasa dando lugar a la
formacion de F6P y de esa forma ingresar en la via glucolitica.
En cambio en el higado la fructosa se metaboliza
utilizando una via diferente que involucra varios pasos.
El primero es la fosforilacion de la fructosa hasta la F1P
en una reaccion catalizada por la fructoquinasa a
expensas de ATP y la F1P luego puede escindirce en
gliceraldehido y dihidroxiacetona P, esta esicion esta
catalizada por una enzima que es la fructosa 1 P
aldolasa. Entonces luego el gliceraldehido se puede
fosforilar por una gliceraldehido quinasa a expensas de
ATP para formar el gliceraldehido 3P, y la
dhidroxiacetona P puede ser isomerizada tambien
dando lugar a la formacion de gliceraldehido 3P y de esa
forma ingresar a la via glucolitica.
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