La glucólisis es la vía metabólica que convierte la glucosa ( C 6 H 12 O 6 ) en piruvato y, en la mayoría de los organismos, ocurre en la parte líquida de las células (el citosol ). La energía libre liberada en este proceso se utiliza para formar moléculas de alta energía, trifosfato de adenosina (ATP) y dinucleótido de nicotinamida y adenina reducido (NADH). [1] La glucólisis es una secuencia de diez reacciones catalizadas por enzimas .
La amplia aparición de glucólisis en otras especies indica que se trata de una vía metabólica antigua. [2] De hecho, las reacciones que componen la glucólisis y su vía paralela, la vía de las pentosas fosfato , pueden ocurrir en las condiciones libres de oxígeno de los océanos Arcaicos , también en ausencia de enzimas, catalizadas por iones metálicos, lo que significa que se trata de una "Vía prebiótica plausible para la abiogénesis ". [3]
El tipo más común de glucólisis es la vía Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) , que fue descubierta por Gustav Embden , Otto Meyerhof y Jakub Karol Parnas . La glucólisis también se refiere a otras vías, como la vía de Entner-Doudoroff y varias vías heterofermentativas y homofermentativas. Sin embargo, la discusión aquí se limitará a la vía Embden-Meyerhof-Parnas. [4]
La vía de la glucólisis se puede separar en dos fases: [5]
La reacción general de la glucólisis es:
El uso de símbolos en esta ecuación hace que parezca desequilibrada con respecto a los átomos de oxígeno, los átomos de hidrógeno y las cargas. El equilibrio atómico lo mantienen los dos grupos fosfato (P i ): [6]
Los cargos se equilibran por la diferencia entre ADP y ATP. En el entorno celular, los tres grupos hidroxilo del ADP se disocian en −O − y H + , dando ADP 3− , y este ion tiende a existir en un enlace iónico con Mg 2+ , dando ADPMg − . El ATP se comporta de manera idéntica excepto que tiene cuatro grupos hidroxilo, lo que da ATPMg 2− . Cuando se consideran juntas estas diferencias junto con las cargas verdaderas de los dos grupos fosfato, las cargas netas de -4 en cada lado están equilibradas.
Para fermentaciones simples , el metabolismo de una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato tiene un rendimiento neto de dos moléculas de ATP. Luego, la mayoría de las células llevarán a cabo reacciones adicionales para "reembolsar" el NAD + usado y producir un producto final de etanol o ácido láctico . Muchas bacterias utilizan compuestos inorgánicos como aceptores de hidrógeno para regenerar el NAD + .
Las células que realizan respiración aeróbica sintetizan mucho más ATP, pero no como parte de la glucólisis. Estas reacciones aeróbicas adicionales utilizan piruvato y NADH + H + de la glucólisis. La respiración aeróbica eucariota produce aproximadamente 34 moléculas adicionales de ATP por cada molécula de glucosa; sin embargo, la mayoría de ellas se producen mediante un mecanismo muy diferente de la fosforilación a nivel de sustrato en la glucólisis.
La menor producción de energía, por glucosa, de la respiración anaeróbica en relación con la respiración aeróbica, da como resultado un mayor flujo a través de la vía en condiciones hipóxicas (pocas en oxígeno), a menos que se encuentren fuentes alternativas de sustratos anaeróbicamente oxidables, como los ácidos grasos.
La vía de la glucólisis tal como se la conoce hoy tardó casi 100 años en dilucidarse por completo. [7] Se requirieron los resultados combinados de muchos experimentos más pequeños para comprender las complejidades de todo el camino.
Los primeros pasos para comprender la glucólisis comenzaron en el siglo XIX con la industria del vino. Por razones económicas, la industria vitivinícola francesa intentó investigar por qué el vino a veces se volvía desagradable, en lugar de fermentarse hasta convertirse en alcohol. El científico francés Louis Pasteur investigó este tema durante la década de 1850 y los resultados de sus experimentos iniciaron el largo camino hacia el dilucidar la vía de la glucólisis. [8] Sus experimentos demostraron que la fermentación ocurre por la acción de microorganismos vivos , levaduras, y que el consumo de glucosa de la levadura disminuyó en condiciones aeróbicas de fermentación, en comparación con condiciones anaeróbicas (el efecto Pasteur ). [9]
Los experimentos de fermentación no celular de Eduard Buchner durante la década de 1890 proporcionaron información sobre los pasos componentes de la glucólisis . [10] [11] Buchner demostró que la conversión de glucosa en etanol era posible utilizando un extracto no vivo de levadura, debido a la acción de las enzimas en el extracto. [12] : 135-148 Este experimento no solo revolucionó la bioquímica, sino que también permitió a científicos posteriores analizar esta vía en un entorno de laboratorio más controlado. En una serie de experimentos (1905-1911), los científicos Arthur Harden y William Young descubrieron más fragmentos de glucólisis. [13] Descubrieron los efectos reguladores del ATP sobre el consumo de glucosa durante la fermentación del alcohol. También arrojan luz sobre el papel de un compuesto como intermediario de la glucólisis: la fructosa 1,6-bifosfato. [12] : 151-158
La elucidación de la fructosa 1,6-bifosfato se logró midiendo los niveles de CO 2 cuando se incubó jugo de levadura con glucosa. La producción de CO 2 aumentó rápidamente y luego disminuyó. Harden y Young observaron que este proceso se reiniciaría si se añadiera un fosfato inorgánico (Pi) a la mezcla. Harden y Young dedujeron que este proceso producía ésteres de fosfato orgánico y experimentos adicionales les permitieron extraer difosfato de fructosa (F-1,6-DP).
Arthur Harden y William Young junto con Nick Sheppard determinaron, en un segundo experimento, que una fracción subcelular de alto peso molecular sensible al calor (las enzimas) y una fracción de citoplasma de bajo peso molecular insensible al calor (ADP, ATP y NAD + y otros cofactores ) se requieren juntos para que se desarrolle la fermentación. Este experimento comenzó observando que el jugo de levadura dializado (purificado) no podía fermentar ni siquiera crear un azúcar fosfato. Esta mezcla se rescató con la adición de extracto de levadura sin dializar que había sido hervida. Hervir el extracto de levadura inactiva todas las proteínas (ya que las desnaturaliza). La capacidad del extracto hervido más el jugo dializado para completar la fermentación sugiere que los cofactores no eran de carácter proteico. [13]
En la década de 1920, Otto Meyerhof pudo unir algunas de las muchas piezas individuales de glucólisis descubiertas por Buchner, Harden y Young. Meyerhof y su equipo pudieron extraer diferentes enzimas glicolíticas del tejido muscular y combinarlas para crear artificialmente la vía del glucógeno al ácido láctico. [14] [15]
En un artículo, Meyerhof y la científica Renate Junowicz-Kockolaty investigaron la reacción que divide la fructosa 1,6-difosfato en dos triosas fosfato. Trabajos anteriores propusieron que la división se produjo mediante 1,3-difosfogliceraldehído más una enzima oxidante y acogedoramasa. Meyerhoff y Junowicz descubrieron que la constante de equilibrio de la reacción de isomerasa y aldosas no se veía afectada por los fosfatos inorgánicos ni por ninguna otra cosimasa o enzimas oxidantes. Además, eliminaron el difosfogliceraldehído como posible intermediario en la glucólisis. [15]
Con todas estas piezas disponibles en la década de 1930, Gustav Embden propuso un esquema detallado, paso a paso, de esa vía que ahora conocemos como glucólisis. [16] Las mayores dificultades para determinar las complejidades de la vía se debieron a la vida útil muy corta y las bajas concentraciones en estado estacionario de los intermedios de las reacciones glucolíticas rápidas. En la década de 1940, Meyerhof, Embden y muchos otros bioquímicos finalmente habían completado el rompecabezas de la glucólisis. [15] La comprensión de la vía aislada se ha ampliado en las décadas siguientes, para incluir más detalles sobre su regulación e integración con otras vías metabólicas.
Los primeros cinco pasos de la glucólisis se consideran la fase preparatoria (o de inversión), ya que consumen energía para convertir la glucosa en dos azúcares fosfato de tres carbonos [5] ( G3P ).
Una vez que la glucosa ingresa a la célula, el primer paso es la fosforilación de la glucosa por una familia de enzimas llamadas hexoquinasas para formar glucosa 6-fosfato (G6P). Esta reacción consume ATP, pero actúa para mantener baja la concentración de glucosa dentro de la célula, promoviendo el transporte continuo de glucosa en sangre hacia la célula a través de los transportadores de la membrana plasmática. Además, la fosforilación bloquea la fuga de glucosa: la célula carece de transportadores de G6P y se impide la libre difusión fuera de la célula debido a la naturaleza cargada de G6P. Alternativamente, la glucosa se puede formar a partir de la fosforólisis o hidrólisis de almidón o glucógeno intracelular.
En los animales , también se utiliza en el hígado una isoenzima de la hexoquinasa llamada glucoquinasa , que tiene una afinidad mucho menor por la glucosa (K m en las proximidades de la glucemia normal) y difiere en sus propiedades reguladoras. La diferente afinidad por el sustrato y la regulación alternativa de esta enzima son un reflejo del papel del hígado en el mantenimiento de los niveles de azúcar en sangre.
Cofactores: Mg 2+
Luego, la glucosa fosfato isomerasa reordena el G6P en fructosa 6-fosfato (F6P) . La fructosa también puede entrar en la vía glucolítica mediante fosforilación en este punto.
El cambio de estructura es una isomerización, en la que el G6P se ha convertido en F6P. La reacción requiere una enzima, la fosfoglucosa isomerasa, para continuar. Esta reacción es libremente reversible en condiciones celulares normales. Sin embargo, a menudo se ve impulsado debido a una baja concentración de F6P, que se consume constantemente durante el siguiente paso de la glucólisis. En condiciones de alta concentración de F6P, esta reacción se produce fácilmente a la inversa. Este fenómeno se puede explicar a través del Principio de Le Chatelier . La isomerización a un cetoazúcar es necesaria para la estabilización del carbanión en el cuarto paso de reacción (a continuación).
El gasto energético de otro ATP en este paso se justifica de 2 maneras: el proceso glicolítico (hasta este paso) se vuelve irreversible y la energía aportada desestabiliza la molécula. Debido a que la reacción catalizada por la fosfofructocinasa 1 (PFK-1) está acoplada a la hidrólisis de ATP (un paso energéticamente favorable), es, en esencia, irreversible y se debe utilizar una vía diferente para realizar la conversión inversa durante la gluconeogénesis . Esto hace que la reacción sea un punto regulatorio clave (ver más abajo).
Además, el segundo evento de fosforilación es necesario para permitir la formación de dos grupos cargados (en lugar de solo uno) en el paso posterior de la glucólisis, asegurando la prevención de la libre difusión de sustratos fuera de la célula.
La misma reacción también puede ser catalizada por la fosfofructoquinasa dependiente de pirofosfato ( PFP o PPi-PFK ), que se encuentra en la mayoría de las plantas, algunas bacterias, arqueas y protistas, pero no en los animales. Esta enzima utiliza pirofosfato (PPi) como donante de fosfato en lugar de ATP. Es una reacción reversible que aumenta la flexibilidad del metabolismo glucolítico. [17] Se ha identificado una variante de la enzima PFK dependiente de ADP más rara en especies arcaicas. [18]
Cofactores: Mg 2+
La desestabilización de la molécula en la reacción anterior permite que la aldolasa divida el anillo de hexosa en dos azúcares triosas: dihidroxiacetona fosfato (una cetosa) y gliceraldehído 3-fosfato (una aldosa). Existen dos clases de aldolasas: aldolasas de clase I, presentes en animales y plantas, y aldolasas de clase II, presentes en hongos y bacterias; Las dos clases utilizan diferentes mecanismos para escindir el anillo de cetosa.
Los electrones deslocalizados en la escisión del enlace carbono-carbono se asocian con el grupo alcohol. El carbanión resultante se estabiliza mediante la estructura del propio carbanión mediante distribución de carga por resonancia y por la presencia de un grupo protésico iónico cargado.
La triosafosfato isomerasa interconvierte rápidamente el fosfato de dihidroxiacetona con gliceraldehído 3-fosfato ( GADP ), que continúa hasta la glucólisis. Esto es ventajoso, ya que dirige el fosfato de dihidroxiacetona por la misma vía que el gliceraldehído 3-fosfato, simplificando la regulación.
La segunda mitad de la glucólisis se conoce como fase de liquidación y se caracteriza por una ganancia neta de las moléculas ricas en energía ATP y NADH. [5] Dado que la glucosa conduce a dos azúcares triosas en la fase preparatoria, cada reacción en la fase de pago ocurre dos veces por molécula de glucosa. Esto produce 2 moléculas de NADH y 4 moléculas de ATP, lo que lleva a una ganancia neta de 2 moléculas de NADH y 2 moléculas de ATP de la vía glucolítica por glucosa.
Los grupos aldehído de las triosas se oxidan y se les añade fosfato inorgánico , formando 1,3-bisfosfoglicerato .
El hidrógeno se utiliza para reducir dos moléculas de NAD + , un portador de hidrógeno, para dar NADH + H + para cada triosa.
El equilibrio del átomo de hidrógeno y el equilibrio de carga se mantienen porque el grupo fosfato (P i ) en realidad existe en forma de un anión hidrógeno fosfato ( HPO).2-4), [6] que se disocia para contribuir con el ion H + adicional y da una carga neta de -3 en ambos lados.
Aquí, el arsenato ( [AsO 4 ] 3− ), un anión similar al fosfato inorgánico, puede reemplazar al fosfato como sustrato para formar 1-arseno-3-fosfoglicerato. Este, sin embargo, es inestable y se hidroliza fácilmente para formar 3-fosfoglicerato , el intermediario en el siguiente paso de la ruta. Como consecuencia de omitir este paso, la molécula de ATP generada a partir de 1-3 bisfosfoglicerato en la siguiente reacción no se producirá, aunque la reacción continúe. Como resultado, el arseniato es un desacoplador de la glucólisis. [19]
Este paso es la transferencia enzimática de un grupo fosfato del 1,3-bisfosfoglicerato al ADP mediante la fosfoglicerato quinasa , formando ATP y 3-fosfoglicerato . En este paso, la glucólisis ha alcanzado el punto de equilibrio: se han consumido 2 moléculas de ATP y ahora se han sintetizado 2 moléculas nuevas. Este paso, uno de los dos pasos de fosforilación a nivel de sustrato , requiere ADP; por lo tanto, cuando la célula tiene mucho ATP (y poco ADP), esta reacción no ocurre. Debido a que el ATP se desintegra con relativa rapidez cuando no se metaboliza, éste es un punto regulador importante en la vía glucolítica.
En realidad, el ADP existe como ADPMg − y el ATP como ATPMg 2− , equilibrando las cargas en −5 en ambos lados.
Cofactores: Mg 2+
La fosfoglicerato mutasa isomeriza el 3-fosfoglicerato en 2-fosfoglicerato .
A continuación, la enolasa convierte el 2-fosfoglicerato en fosfoenolpiruvato . Esta reacción es una reacción de eliminación que involucra un mecanismo E1cB .
Cofactores: 2 Mg 2+ , un ion "conformacional" para coordinarse con el grupo carboxilato del sustrato, y un ion "catalítico" que participa en la deshidratación.
Una fosforilación final a nivel de sustrato forma ahora una molécula de piruvato y una molécula de ATP por medio de la enzima piruvato quinasa . Esto sirve como un paso regulador adicional, similar al paso de la fosfoglicerato quinasa.
Cofactores: Mg 2+
La existencia de más de un punto de regulación indica que los intermediarios entre esos puntos entran y salen de la vía de la glucólisis mediante otros procesos. Por ejemplo, en el primer paso regulado, la hexoquinasa convierte la glucosa en glucosa-6-fosfato. En lugar de continuar por la vía de la glucólisis, este intermediario puede convertirse en moléculas de almacenamiento de glucosa, como el glucógeno o el almidón . La reacción inversa, que descompone, por ejemplo, el glucógeno, produce principalmente glucosa-6-fosfato; En la reacción se forma muy poca glucosa libre. La glucosa-6-fosfato así producida puede entrar en la glucólisis después del primer punto de control.
En el segundo paso regulado (el tercer paso de la glucólisis), la fosfofructocinasa convierte la fructosa-6-fosfato en fructosa-1,6-bifosfato, que luego se convierte en gliceraldehído-3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato. El fosfato de dihidroxiacetona se puede eliminar de la glucólisis mediante su conversión en glicerol-3-fosfato, que puede usarse para formar triglicéridos. [20] Por el contrario, los triglicéridos se pueden descomponer en ácidos grasos y glicerol; este último, a su vez, puede convertirse en fosfato de dihidroxiacetona, que puede entrar en la glucólisis después del segundo punto de control.
El cambio en la energía libre, Δ G , para cada paso en la ruta de la glucólisis se puede calcular usando Δ G = Δ G °′ + RT ln Q , donde Q es el cociente de reacción . Esto requiere conocer las concentraciones de los metabolitos . Todos estos valores están disponibles para los eritrocitos , a excepción de las concentraciones de NAD + y NADH. La proporción de NAD + a NADH en el citoplasma es de aproximadamente 1000, lo que hace que la oxidación del gliceraldehído-3-fosfato (paso 6) sea más favorable.
Utilizando las concentraciones medidas de cada paso y los cambios de energía libre estándar, se puede calcular el cambio de energía libre real. (Descuidar esto es muy común: el delta G de la hidrólisis de ATP en las células no es el cambio de energía libre estándar de la hidrólisis de ATP citado en los libros de texto).
Al medir las concentraciones fisiológicas de metabolitos en un eritrocito, parece que aproximadamente siete de los pasos de la glucólisis están en equilibrio para ese tipo de célula. Tres de los pasos (los que tienen grandes cambios negativos de energía libre) no están en equilibrio y se denominan irreversibles ; Estas medidas suelen estar sujetas a regulación.
El paso 5 en la figura se muestra detrás de los otros pasos, porque ese paso es una reacción secundaria que puede disminuir o aumentar la concentración del intermedio gliceraldehído-3-fosfato. Ese compuesto se convierte en fosfato de dihidroxiacetona mediante la enzima triosa fosfato isomerasa, que es una enzima catalíticamente perfecta ; su velocidad es tan rápida que se puede suponer que la reacción está en equilibrio. El hecho de que Δ G no sea cero indica que las concentraciones reales en los eritrocitos no se conocen con precisión.
Las enzimas que catalizan la glucólisis se regulan mediante una variedad de mecanismos biológicos para controlar el flujo general a través de la vía. Esto es vital tanto para la homeostasis en un entorno estático como para la adaptación metabólica a un entorno o necesidad cambiante. [22] Los detalles de la regulación de algunas enzimas están altamente conservados entre especies, mientras que otras varían ampliamente. [23] [24]
En los animales, la regulación de los niveles de glucosa en sangre por parte del páncreas junto con el hígado es una parte vital de la homeostasis . Las células beta de los islotes pancreáticos son sensibles a la concentración de glucosa en sangre. [31] Un aumento en la concentración de glucosa en sangre hace que liberen insulina en la sangre, lo que tiene un efecto particularmente en el hígado, pero también en las células grasas y musculares , haciendo que estos tejidos eliminen la glucosa de la sangre. Cuando el nivel de azúcar en sangre baja, las células beta pancreáticas dejan de producir insulina, pero, en cambio, estimulan a las células alfa pancreáticas vecinas para que liberen glucagón en la sangre. [31] Esto, a su vez, hace que el hígado libere glucosa en la sangre descomponiendo el glucógeno almacenado y mediante la gluconeogénesis. Si la caída del nivel de glucosa en sangre es especialmente rápida o grave, otros sensores de glucosa provocan la liberación de epinefrina desde las glándulas suprarrenales a la sangre. Tiene la misma acción que el glucagón sobre el metabolismo de la glucosa, pero su efecto es más pronunciado. [31] En el hígado, el glucagón y la epinefrina provocan la fosforilación de las enzimas clave y reguladas de la glucólisis, la síntesis de ácidos grasos , la síntesis de colesterol , la gluconeogénesis y la glucogenólisis. La insulina tiene el efecto opuesto sobre estas enzimas. [32] La fosforilación y desfosforilación de estas enzimas (en última instancia, en respuesta al nivel de glucosa en la sangre) es la forma dominante mediante la cual estas vías se controlan en el hígado, la grasa y las células musculares. Así, la fosforilación de la fosfofructoquinasa inhibe la glucólisis, mientras que su desfosforilación mediante la acción de la insulina estimula la glucólisis. [32]
Las tres enzimas reguladoras son la hexoquinasa (o glucoquinasa en el hígado), la fosfofructocinasa y la piruvato quinasa . El flujo a través de la vía glucolítica se ajusta en respuesta a las condiciones tanto dentro como fuera de la célula. Los factores internos que regulan la glucólisis lo hacen principalmente para proporcionar ATP en cantidades adecuadas para las necesidades de la célula. Los factores externos actúan principalmente sobre el hígado , el tejido adiposo y los músculos , que pueden eliminar grandes cantidades de glucosa de la sangre después de las comidas (previniendo así la hiperglucemia al almacenar el exceso de glucosa en forma de grasa o glucógeno, según el tipo de tejido). El hígado también es capaz de liberar glucosa a la sangre entre comidas, durante el ayuno y el ejercicio previniendo así la hipoglucemia mediante la glucogenólisis y la gluconeogénesis . Estas últimas reacciones coinciden con la parada de la glucólisis en el hígado.
Además, la hexoquinasa y la glucoquinasa actúan independientemente de los efectos hormonales como controles en los puntos de entrada de la glucosa a las células de diferentes tejidos. La hexoquinasa responde al nivel de glucosa-6-fosfato (G6P) en la célula o, en el caso de la glucocinasa, al nivel de azúcar en sangre para impartir controles completamente intracelulares de la vía glucolítica en diferentes tejidos (ver más abajo). [32]
Cuando la glucosa se ha convertido en G6P mediante la hexoquinasa o la glucocinasa, se puede convertir en glucosa-1-fosfato (G1P) para su conversión en glucógeno o, alternativamente, se puede convertir mediante glucólisis en piruvato , que ingresa a la mitocondria donde se convierte en acetil-CoA y luego en citrato . El exceso de citrato se exporta desde la mitocondria nuevamente al citosol, donde la ATP citrato liasa regenera acetil-CoA y oxaloacetato (OAA). El acetil-CoA se utiliza luego para la síntesis de ácidos grasos y de colesterol , dos formas importantes de utilizar el exceso de glucosa cuando su concentración en sangre es alta. Las enzimas reguladas que catalizan estas reacciones realizan estas funciones cuando han sido desfosforiladas mediante la acción de la insulina en las células del hígado. Entre comidas, durante el ayuno , el ejercicio o la hipoglucemia, se liberan a la sangre glucagón y epinefrina. Esto hace que el glucógeno hepático se convierta nuevamente en G6P y luego se convierta en glucosa mediante la enzima glucosa 6-fosfatasa específica del hígado y se libere en la sangre. El glucagón y la epinefrina también estimulan la gluconeogénesis, que convierte sustratos no carbohidratos en G6P, que se une al G6P derivado del glucógeno, o lo sustituye cuando se han agotado las reservas de glucógeno del hígado. Esto es fundamental para la función cerebral, ya que el cerebro utiliza la glucosa como fuente de energía en la mayoría de las condiciones. [33] La fosforilación simultánea de, especialmente, la fosfofructoquinasa , pero también, en cierta medida, la piruvato quinasa, evita que la glucólisis se produzca al mismo tiempo que la gluconeogénesis y la glucogenólisis.
Todas las células contienen la enzima hexoquinasa , que cataliza la conversión de la glucosa que ha entrado en la célula en glucosa-6-fosfato (G6P). Dado que la membrana celular es impermeable al G6P, la hexoquinasa actúa esencialmente para transportar la glucosa al interior de las células, de las que ya no puede escapar. La hexoquinasa es inhibida por altos niveles de G6P en la célula. Por tanto, la velocidad de entrada de la glucosa en las células depende en parte de la rapidez con la que se puede eliminar el G6P mediante la glucólisis y la síntesis de glucógeno (en las células que almacenan glucógeno, es decir, el hígado y los músculos). [32] [34]
La glucoquinasa , a diferencia de la hexoquinasa , no es inhibida por la G6P. Ocurre en las células del hígado y solo fosforila la glucosa que ingresa a la célula para formar glucosa-6-fosfato (G6P), cuando la glucosa en la sangre es abundante. Al ser este el primer paso en la vía glucolítica en el hígado, imparte una capa adicional de control de la vía glucolítica en este órgano. [32]
La fosfofructoquinasa es un punto de control importante en la vía glucolítica, ya que es uno de los pasos irreversibles y tiene efectores alostéricos clave, AMP y fructosa 2,6-bisfosfato (F2,6BP).
La fructosa 2,6-bisfosfato (F2,6BP) es un activador muy potente de la fosfofructocinasa (PFK-1) que se sintetiza cuando la F6P es fosforilada por una segunda fosfofructocinasa ( PFK2 ). En el hígado, cuando el nivel de azúcar en sangre es bajo y el glucagón eleva el AMPc, la proteína quinasa A fosforila la PFK2 . La fosforilación inactiva PFK2 y otro dominio de esta proteína se vuelve activo como fructosa bifosfatasa-2, que convierte F2,6BP nuevamente en F6P. Tanto el glucagón como la epinefrina provocan niveles elevados de AMPc en el hígado. El resultado de niveles más bajos de fructosa-2,6-bisfosfato hepático es una disminución de la actividad de la fosfofructoquinasa y un aumento de la actividad de la fructosa 1,6-bisfosfatasa , de modo que se favorece la gluconeogénesis (en esencia, "glucólisis a la inversa"). Esto es consistente con el papel del hígado en tales situaciones, ya que la respuesta del hígado a estas hormonas es liberar glucosa a la sangre.
El ATP compite con el AMP por el sitio efector alostérico de la enzima PFK. Las concentraciones de ATP en las células son mucho más altas que las de AMP, típicamente 100 veces más altas, [35] pero la concentración de ATP no cambia más de aproximadamente un 10% en condiciones fisiológicas, mientras que una caída del 10% en ATP da como resultado un 6- aumento de veces en AMP. [36] Por lo tanto, la relevancia del ATP como efector alostérico es cuestionable. Un aumento de AMP es consecuencia de una disminución de la carga de energía en la célula.
El citrato inhibe la fosfofructoquinasa cuando se prueba in vitro al mejorar el efecto inhibidor del ATP. Sin embargo, es dudoso que este sea un efecto significativo in vivo , porque el citrato en el citosol se utiliza principalmente para la conversión en acetil-CoA para la síntesis de ácidos grasos y colesterol .
TIGAR , una enzima inducida por p53, es responsable de la regulación de la fosfofructoquinasa y actúa como protección contra el estrés oxidativo. [37] TIGAR es una enzima única con función dual que regula la F2,6BP. Puede comportarse como una fosfatasa (fructuosa-2,6-bisfosfatasa) que escinde el fosfato en el carbono-2 produciendo F6P. También puede comportarse como una quinasa (PFK2) agregando un fosfato al carbono-2 de F6P que produce F2,6BP. En humanos, la proteína TIGAR está codificada por el gen C12orf5 . La enzima TIGAR obstaculizará la progresión de la glucólisis al crear una acumulación de fructosa-6-fosfato (F6P) que se isomeriza en glucosa-6-fosfato (G6P). La acumulación de G6P desviará los carbonos hacia la vía de las pentosas fosfato. [38] [39]
El paso final de la glucólisis es catalizado por la piruvato quinasa para formar piruvato y otro ATP. Está regulado por una variedad de diferentes mecanismos de regulación transcripcional, covalente y no covalente, que pueden variar ampliamente en diferentes tejidos. [40] [41] [42] Por ejemplo, en el hígado, la piruvato quinasa se regula según la disponibilidad de glucosa. Durante el ayuno (no hay glucosa disponible), el glucagón activa la proteína quinasa A , que fosforila la piruvato quinasa para inhibirla. [43] Un aumento del azúcar en sangre conduce a la secreción de insulina , que activa la proteína fosfatasa 1 , lo que lleva a la desfosforilación y reactivación de la piruvato quinasa. [43] Estos controles evitan que la piruvato quinasa esté activa al mismo tiempo que las enzimas que catalizan la reacción inversa ( piruvato carboxilasa y fosfoenolpiruvato carboxiquinasa ), evitando un ciclo inútil . [43] Por el contrario, la isoforma de piruvato quinasa que se encuentra en el músculo no se ve afectada por la proteína quinasa A (que es activada por la adrenalina en ese tejido), por lo que la glucólisis permanece activa en los músculos incluso durante el ayuno. [43]
El proceso general de la glucólisis es:
Si la glucólisis continuara indefinidamente, todo el NAD + se consumiría y la glucólisis se detendría. Para permitir que la glucólisis continúe, los organismos deben poder oxidar el NADH nuevamente a NAD + . La forma en que se realiza esto depende del aceptor de electrones externo disponible.
Un método para hacer esto es simplemente hacer que el piruvato realice la oxidación; en este proceso, el piruvato se convierte en lactato (la base conjugada del ácido láctico) en un proceso llamado fermentación del ácido láctico :
Este proceso ocurre en las bacterias involucradas en la elaboración del yogur (el ácido láctico hace que la leche cuaje). Este proceso también ocurre en animales en condiciones hipóxicas (o parcialmente anaeróbicas), que se encuentran, por ejemplo, en músculos sobrecargados y privados de oxígeno. En muchos tejidos, éste es el último recurso celular para obtener energía; la mayoría de los tejidos animales no pueden tolerar condiciones anaeróbicas durante un período prolongado de tiempo.
Algunos organismos, como la levadura, convierten el NADH nuevamente en NAD + en un proceso llamado fermentación de etanol . En este proceso, el piruvato se convierte primero en acetaldehído y dióxido de carbono y luego en etanol.
La fermentación del ácido láctico y la fermentación del etanol pueden ocurrir en ausencia de oxígeno. Esta fermentación anaeróbica permite que muchos organismos unicelulares utilicen la glucólisis como única fuente de energía.
La regeneración anóxica de NAD + es sólo un medio eficaz de producción de energía durante el ejercicio breve e intenso en vertebrados, durante un período que oscila entre 10 segundos y 2 minutos durante un esfuerzo máximo en humanos. (A intensidades de ejercicio más bajas, puede mantener la actividad muscular en animales buceadores , como focas, ballenas y otros vertebrados acuáticos, durante períodos de tiempo mucho más largos). En estas condiciones, el NAD + se repone mediante la donación de electrones del NADH al piruvato para formar lactato. . Esto produce 2 moléculas de ATP por molécula de glucosa, o aproximadamente el 5% del potencial energético de la glucosa (38 moléculas de ATP en las bacterias). Pero la velocidad a la que se produce ATP de esta manera es aproximadamente 100 veces mayor que la de la fosforilación oxidativa. El pH en el citoplasma cae rápidamente cuando los iones de hidrógeno se acumulan en el músculo, lo que eventualmente inhibe las enzimas involucradas en la glucólisis.
La sensación de ardor en los músculos durante el ejercicio intenso puede atribuirse a la liberación de iones de hidrógeno durante el cambio a la fermentación de la glucosa desde la oxidación de la glucosa a dióxido de carbono y agua, cuando el metabolismo aeróbico ya no puede seguir el ritmo de las demandas de energía de los músculos. Estos iones de hidrógeno forman parte del ácido láctico. El cuerpo recurre a este método menos eficiente pero más rápido de producir ATP en condiciones de poco oxígeno. Se cree que este fue el principal medio de producción de energía en organismos anteriores antes de que el oxígeno alcanzara altas concentraciones en la atmósfera hace entre 2000 y 2500 millones de años y, por lo tanto, representaría una forma más antigua de producción de energía que la reposición aeróbica de NAD + en células.
El hígado de los mamíferos se deshace de este exceso de lactato transformándolo nuevamente en piruvato en condiciones aeróbicas; ver ciclo de Cori .
La fermentación de piruvato a lactato a veces también se denomina "glucólisis anaeróbica", sin embargo, la glucólisis finaliza con la producción de piruvato independientemente de la presencia o ausencia de oxígeno.
En los dos ejemplos anteriores de fermentación, el NADH se oxida transfiriendo dos electrones al piruvato. Sin embargo, las bacterias anaeróbicas utilizan una amplia variedad de compuestos como aceptores terminales de electrones en la respiración celular : compuestos nitrogenados, como nitratos y nitritos; compuestos de azufre, tales como sulfatos, sulfitos, dióxido de azufre y azufre elemental; dióxido de carbono; compuestos de hierro; compuestos de manganeso; compuestos de cobalto; y compuestos de uranio.
En los eucariotas aeróbicos , se ha desarrollado un mecanismo complejo para utilizar el oxígeno del aire como aceptor final de electrones, en un proceso llamado fosforilación oxidativa . Los procariotas aeróbicos , que carecen de mitocondrias, utilizan una variedad de mecanismos más simples .
El piruvato producido por la glucólisis es un intermediario importante en la conversión de carbohidratos en ácidos grasos y colesterol . [45] Esto ocurre mediante la conversión de piruvato en acetil-CoA en la mitocondria . Sin embargo, este acetil CoA necesita ser transportado al citosol donde se produce la síntesis de ácidos grasos y colesterol. Esto no puede ocurrir directamente. Para obtener acetil-CoA citosólica, el citrato (producido por la condensación de acetil CoA con oxalacetato ) se elimina del ciclo del ácido cítrico y se transporta a través de la membrana mitocondrial interna hasta el citosol . [45] Allí es escindido por la ATP citrato liasa en acetil-CoA y oxaloacetato. El oxaloacetato regresa a la mitocondria como malato (y luego regresa al oxaloacetato para transferir más acetil-CoA fuera de la mitocondria). La acetil-CoA citosólica puede ser carboxilada por la acetil-CoA carboxilasa en malonil CoA , el primer paso comprometido en la síntesis de ácidos grasos , o puede combinarse con acetoacetil-CoA para formar 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA ( HMG -CoA ) que es el paso limitante de la velocidad que controla la síntesis de colesterol . [46] El colesterol se puede utilizar tal cual, como componente estructural de las membranas celulares, o se puede utilizar para sintetizar hormonas esteroides , sales biliares y vitamina D. [34] [45] [46]
Las moléculas de piruvato producidas por la glucólisis se transportan activamente a través de la membrana mitocondrial interna y hacia la matriz, donde pueden oxidarse y combinarse con coenzima A para formar CO 2 , acetil-CoA y NADH, [34] o pueden carboxilarse ( por piruvato carboxilasa ) para formar oxaloacetato . Esta última reacción "rellena" la cantidad de oxalacetato en el ciclo del ácido cítrico, y por tanto es una reacción anaplerótica (del griego que significa "rellenar"), aumentando la capacidad del ciclo para metabolizar acetil-CoA cuando el tejido lo necesita ( por ejemplo, en el corazón y el músculo esquelético ) aumentan repentinamente con la actividad. [47] En el ciclo del ácido cítrico, todos los intermedios (por ejemplo, citrato, isocitrato, alfa-cetoglutarato, succinato, fumarato, malato y oxaloacetato) se regeneran durante cada vuelta del ciclo. Por lo tanto, agregar más de cualquiera de estos intermediarios a la mitocondria significa que esa cantidad adicional se retiene dentro del ciclo, aumentando todos los demás intermediarios a medida que uno se convierte en el otro. Por lo tanto, la adición de oxalacetato aumenta en gran medida las cantidades de todos los intermedios del ácido cítrico, aumentando así la capacidad del ciclo para metabolizar el acetil CoA, convirtiendo su componente acetato en CO 2 y agua, con la liberación de energía suficiente para formar 11 moléculas de ATP y 1 de GTP. por cada molécula adicional de acetil CoA que se combina con oxalacetato en el ciclo. [47]
Para eliminar catapleróticamente el oxaloacetato del ciclo cítrico, se puede transportar malato desde la mitocondria al citoplasma, disminuyendo la cantidad de oxaloacetato que se puede regenerar. [47] Además, los intermediarios del ácido cítrico se utilizan constantemente para formar una variedad de sustancias como purinas, pirimidinas y porfirinas . [47]
Este artículo se concentra en el papel catabólico de la glucólisis con respecto a la conversión de energía química potencial en energía química utilizable durante la oxidación de glucosa a piruvato. Muchos de los metabolitos de la vía glucolítica también se utilizan en las vías anabólicas y, como consecuencia, el flujo a través de la vía es fundamental para mantener un suministro de esqueletos de carbono para la biosíntesis. [48]
Las siguientes rutas metabólicas dependen en gran medida de la glucólisis como fuente de metabolitos: y muchas más.
Aunque la gluconeogénesis y la glucólisis comparten muchos intermediarios, una no es funcionalmente una rama ni un afluente de la otra. Hay dos pasos reguladores en ambas vías que, cuando están activos en una vía, automáticamente quedan inactivos en la otra. Por tanto, los dos procesos no pueden estar activos simultáneamente. [49] De hecho, si ambos conjuntos de reacciones fueran altamente activos al mismo tiempo, el resultado neto sería la hidrólisis de cuatro enlaces fosfato de alta energía (dos ATP y dos GTP) por ciclo de reacción. [49]
NAD + es el agente oxidante en la glucólisis, como lo es en la mayoría de las demás reacciones metabólicas que producen energía (por ejemplo, beta-oxidación de ácidos grasos y durante el ciclo del ácido cítrico ). El NADH así producido se utiliza principalmente para, en última instancia, transferir electrones al O 2 para producir agua o, cuando el O 2 no está disponible, para producir compuestos como lactato o etanol (consulte Regeneración anóxica de NAD + más arriba). El NADH rara vez se utiliza para procesos sintéticos, siendo la notable excepción la gluconeogénesis . Durante la síntesis de ácidos grasos y colesterol, el agente reductor es el NADPH . Esta diferencia ejemplifica el principio general de que el NADPH se consume durante reacciones biosintéticas, mientras que el NADH se genera en reacciones que producen energía. [49] La fuente del NADPH es doble. Cuando el malato se descarboxila oxidativamente mediante piruvato , la " enzima málica unida a NADP + " , se forman CO 2 y NADPH. El NADPH también se forma por la vía de las pentosas fosfato que convierte la glucosa en ribosa, que puede usarse en la síntesis de nucleótidos y ácidos nucleicos . o puede catabolizarse a piruvato [49] .
La absorción celular de glucosa se produce en respuesta a las señales de la insulina y posteriormente la glucosa se descompone mediante la glucólisis, lo que reduce los niveles de azúcar en sangre. Sin embargo, los niveles bajos de insulina que se observan en la diabetes provocan hiperglucemia, donde los niveles de glucosa en la sangre aumentan y las células no absorben adecuadamente la glucosa. Los hepatocitos contribuyen aún más a esta hiperglucemia a través de la gluconeogénesis . La glucólisis en los hepatocitos controla la producción de glucosa hepática, y cuando el hígado produce en exceso glucosa sin tener medios para descomponerla en el cuerpo, se produce hiperglucemia. [50]
Las mutaciones glicolíticas son generalmente raras debido a la importancia de la vía metabólica; la mayoría de las mutaciones que se producen provocan una incapacidad de la célula para respirar y, por tanto, provocan la muerte de la célula en una fase temprana. Sin embargo, se observan algunas mutaciones ( enfermedades por almacenamiento de glucógeno y otros errores congénitos del metabolismo de los carbohidratos ), siendo un ejemplo notable la deficiencia de piruvato quinasa , que conduce a anemia hemolítica crónica. [ cita necesaria ]
Las células tumorales malignas realizan glucólisis a un ritmo diez veces más rápido que sus homólogos de tejido no canceroso. [51] Durante su génesis, el soporte capilar limitado a menudo resulta en hipoxia (disminución del suministro de O2) dentro de las células tumorales. Por lo tanto, estas células dependen de procesos metabólicos anaeróbicos como la glucólisis para obtener ATP (trifosfato de adenosina). Algunas células tumorales sobreexpresan enzimas glicolíticas específicas que dan como resultado tasas más altas de glucólisis. [52] A menudo, estas enzimas son isoenzimas, de enzimas de glucólisis tradicionales, que varían en su susceptibilidad a la inhibición por retroalimentación tradicional. El aumento de la actividad glucolítica en última instancia contrarresta los efectos de la hipoxia generando suficiente ATP a partir de esta vía anaeróbica. [53] Este fenómeno fue descrito por primera vez en 1930 por Otto Warburg y se conoce como efecto Warburg . La hipótesis de Warburg afirma que el cáncer es causado principalmente por una disfuncionalidad en el metabolismo mitocondrial, más que por el crecimiento descontrolado de las células. Se han propuesto varias teorías para explicar el efecto Warburg. Una de esas teorías sugiere que el aumento de la glucólisis es un proceso protector normal del cuerpo y que el cambio maligno podría deberse principalmente al metabolismo energético. [54]
Esta alta tasa de glucólisis tiene importantes aplicaciones médicas, ya que la glucólisis aeróbica alta en tumores malignos se utiliza clínicamente para diagnosticar y monitorear las respuestas al tratamiento de los cánceres mediante la captación de imágenes de 2-18 F-2-desoxiglucosa (FDG) (un sustrato de hexoquinasa radioactiva modificada ) con Tomografía por emisión de positrones (PET). [55] [56]
Hay investigaciones en curso para afectar el metabolismo mitocondrial y tratar el cáncer reduciendo la glucólisis y, por lo tanto, matando de hambre a las células cancerosas de varias formas nuevas, incluida una dieta cetogénica . [57] [58] [59]
El siguiente diagrama muestra los nombres de las proteínas humanas. Los nombres en otros organismos pueden ser diferentes y es probable que el número de isoenzimas (como HK1, HK2,...) también sea diferente.
Haga clic en genes, proteínas y metabolitos a continuación para vincular a los artículos respectivos. [§ 1]
Algunos de los metabolitos de la glucólisis tienen nombres y nomenclatura alternativos. En parte, esto se debe a que algunos de ellos son comunes a otras vías, como el ciclo de Calvin .
Los intermedios de la glucólisis representados en las proyecciones de Fischer muestran el cambio químico paso a paso. Esta imagen se puede comparar con la representación del modelo poligonal. [60] En un vídeo se muestra otra comparación de las proyecciones de Fischer y el modelo poligonal en glucólisis. [61] Se pueden ver animaciones de video en el mismo canal en YouTube para otra vía metabólica (Ciclo de Krebs) y la representación y aplicación del Modelo Poligonal en Química Orgánica [62]
