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 las 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 presencia de la 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 del Arcaico , también en ausencia de enzimas, catalizadas por iones metálicos, lo que significa que esta es una vía prebiótica plausible para la abiogénesis . [3]
El tipo más común de glucólisis es la vía de Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) , 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, el análisis aquí se limitará a la vía de 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 se mantiene gracias a los dos grupos fosfato (P i ): [6]
Las cargas 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, dando ATPMg 2− . Cuando se consideran juntas estas diferencias junto con las cargas reales de los dos grupos fosfato, las cargas netas de −4 en cada lado están equilibradas. [ cita requerida ]
En las fermentaciones simples , el metabolismo de una molécula de glucosa a dos moléculas de piruvato tiene un rendimiento neto de dos moléculas de ATP. La mayoría de las células llevarán a cabo reacciones adicionales para "reembolsar" el NAD + utilizado y producir un producto final de etanol o ácido láctico . Muchas bacterias utilizan compuestos inorgánicos como aceptores de hidrógeno para regenerar el NAD + . [ cita requerida ]
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 estas se producen mediante un mecanismo muy diferente de la fosforilación a nivel de sustrato en la glucólisis. [ cita requerida ]
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 (bajo nivel de oxígeno), a menos que se encuentren fuentes alternativas de sustratos anaeróbicamente oxidables, como los ácidos grasos. [ cita requerida ]
La vía de la glucólisis tal como se la conoce hoy en día tardó casi 100 años en dilucidarse por completo. [7] Se necesitaron los resultados combinados de muchos experimentos más pequeños para comprender las complejidades de toda la vía.
Los primeros pasos para comprender la glucólisis comenzaron en el siglo XIX con la industria del vino. Por razones económicas, la industria vinícola francesa intentó investigar por qué el vino a veces se volvía desagradable, en lugar de fermentar en alcohol. El científico francés Louis Pasteur investigó esta cuestión durante la década de 1850, y los resultados de sus experimentos iniciaron el largo camino para dilucidar la vía de la glucólisis. [8] Sus experimentos demostraron que la fermentación se produce por la acción de microorganismos vivos , levaduras, y que el consumo de glucosa de la levadura disminuía en condiciones aeróbicas de fermentación, en comparación con las condiciones anaeróbicas (el efecto Pasteur ). [9]
Los experimentos de fermentación no celular de Eduard Buchner durante la década de 1890 proporcionaron una visión de los pasos que componen 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 los 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 partes de la glucólisis. [13] Descubrieron los efectos reguladores del ATP en el consumo de glucosa durante la fermentación del alcohol. También arrojaron luz sobre el papel de un compuesto como intermediario de la glucólisis: la fructosa 1,6-bisfosfato. [12] : 151–158
La dilucidación de la fructosa 1,6-bisfosfato se logró midiendo los niveles de CO2 cuando el jugo de levadura se incubó con glucosa. La producción de CO2 aumentó rápidamente y luego disminuyó. Harden y Young observaron que este proceso se reiniciaría si se añadía un fosfato inorgánico (Pi) a la mezcla. Harden y Young dedujeron que este proceso producía ésteres de fosfato orgánico y experimentos posteriores les permitieron extraer fructosa difosfato (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 ) son necesarias juntas para que se lleve a cabo la fermentación. Este experimento comenzó observando que el jugo de levadura dializado (purificado) no podía fermentar o incluso crear un fosfato de azúcar. Esta mezcla se rescató con la adición de extracto de levadura no dializado que había sido hervido. Hervir el extracto de levadura hace que todas las proteínas se vuelvan inactivas (ya que las desnaturaliza). La capacidad del extracto hervido más el jugo dializado para completar la fermentación sugiere que los cofactores no tenían carácter proteico. [13]
En la década de 1920, Otto Meyerhof logró unir algunas de las muchas partes individuales de la glucólisis descubiertas por Buchner, Harden y Young. Meyerhof y su equipo lograron extraer diferentes enzimas glucolíticas 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 producía mediante 1,3-difosfogliceraldehído más una enzima oxidante y la cozymasa. Meyerhoff y Junowicz descubrieron que la constante de equilibrio para la reacción de la isomerasa y las aldosas no se veía afectada por los fosfatos inorgánicos ni por ninguna otra cozymasa o enzima oxidante. Además, eliminaron el difosfogliceraldehído como posible intermediario en la glucólisis. [15]
En la década de 1930, Gustav Embden, que ya tenía todas estas piezas a su disposición, propuso un esquema detallado, paso a paso, de la vía que hoy conocemos como glucólisis. [16] Las mayores dificultades para determinar las complejidades de la vía se debían a la corta vida útil y a las bajas concentraciones en estado estacionario de los intermediarios 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 posteriores, para incluir más detalles de 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 fosfatos de azúcar de tres carbonos [5] ( G3P ).
Una vez que la glucosa entra en 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 sanguínea hacia la célula a través de los transportadores de la membrana plasmática. Además, la fosforilación impide que la glucosa se escape al exterior: la célula carece de transportadores para G6P y se impide la difusión libre fuera de la célula debido a la naturaleza cargada de G6P. La glucosa también puede formarse a partir de la fosforólisis o hidrólisis del 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 cercana a la glucemia normal) y difiere en sus propiedades reguladoras. La diferente afinidad por los sustratos y la regulación alternada de esta enzima son un reflejo del papel del hígado en el mantenimiento de los niveles de azúcar en sangre.
Cofactores: Mg 2+
La G6P se reorganiza luego en fructosa 6-fosfato (F6P) por acción de la glucosa fosfato isomerasa . La fructosa también puede ingresar a la vía glucolítica por fosforilación en este punto.
El cambio de estructura es una isomerización, en la que la 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 impulsada por 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 ejecuta fácilmente en sentido inverso. Este fenómeno se puede explicar a través del Principio de Le Chatelier . La isomerización a un azúcar ceto es necesaria para la estabilización del carbanión en el cuarto paso de la reacción (abajo).
El gasto energético de otro ATP en este paso se justifica de dos maneras: el proceso glucolítico (hasta este paso) se vuelve irreversible y la energía suministrada desestabiliza la molécula. Debido a que la reacción catalizada por la fosfofructoquinasa 1 (PFK-1) está acoplada a la hidrólisis del 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 regulador 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, lo que garantiza 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 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 más rara de la enzima PFK dependiente de ADP en especies de arqueas. [18]
Cofactores: Mg 2+
La desestabilización de la molécula en la reacción anterior permite que la aldolasa divida el anillo de hexosa en dos triosas: fosfato de dihidroxiacetona (una cetosa) y gliceraldehído 3-fosfato (una aldosa). Existen dos clases de aldolasas: las aldolasas de clase I, presentes en animales y plantas, y las aldolasas de clase II, presentes en hongos y bacterias; las dos clases utilizan mecanismos diferentes para dividir el anillo de cetosa.
Los electrones deslocalizados en la ruptura del enlace carbono-carbono se asocian con el grupo alcohol. El carbanión resultante se estabiliza por la estructura del propio carbanión a través de la distribución de carga por resonancia y por la presencia de un grupo prostético iónico cargado.
La triosafosfato isomerasa interconvierte rápidamente el fosfato de dihidroxiacetona con gliceraldehído 3-fosfato ( GADP ), que continúa su camino hacia la glucólisis. Esto es ventajoso, ya que dirige el fosfato de dihidroxiacetona por la misma vía que el gliceraldehído 3-fosfato, lo que simplifica la regulación.
La segunda mitad de la glucólisis se conoce como fase de recompensa, caracterizada por una ganancia neta de las moléculas ricas en energía ATP y NADH. [5] Dado que la glucosa produce dos triosas en la fase preparatoria, cada reacción en la fase de recompensa ocurre dos veces por molécula de glucosa. Esto produce 2 moléculas de NADH y 4 moléculas de ATP, lo que genera una ganancia neta de 2 moléculas de NADH y 2 moléculas de ATP de la vía glucolítica por glucosa.
Los grupos aldehído de los azúcares triosas se oxidan y se les añade fosfato inorgánico , formándose 1,3-bisfosfoglicerato .
El hidrógeno se utiliza para reducir dos moléculas de NAD + , un transportador 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 anión fosfato de hidrógeno ( HPO2−4), [6] que se disocia para aportar 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. Sin embargo, este es inestable y se hidroliza fácilmente para formar 3-fosfoglicerato , el intermediario en el siguiente paso de la vía. 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 arsenato es un desacoplador de la glucólisis. [19]
Este paso es la transferencia enzimática de un grupo fosfato del 1,3-bisfosfoglicerato al ADP por 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 relativamente rápido cuando no se metaboliza, este es un punto regulador importante en la vía glucolítica.
En realidad, el ADP existe como ADPMg − y el ATP como ATPMg 2− , lo que equilibra 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 implica un mecanismo E1cB .
Cofactores: 2 Mg 2+ , un ion “conformacional” para coordinar con el grupo carboxilato del sustrato y un ion “catalítico” que participa en la deshidratación.
Una fosforilación final a nivel de sustrato forma 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 por otros procesos. Por ejemplo, en el primer paso regulado, la hexoquinasa convierte la glucosa en glucosa-6-fosfato. En lugar de continuar a través de la vía de la glucólisis, este intermediario puede convertirse en moléculas de almacenamiento de glucosa, como glucógeno o almidón . La reacción inversa, la descomposición, por ejemplo, del glucógeno, produce principalmente glucosa-6-fosfato; se forma muy poca glucosa libre en la reacción. 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 fosfofructoquinasa convierte la fructosa-6-fosfato en fructosa-1,6-bisfosfato, que luego se convierte en gliceraldehído-3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato. El dihidroxiacetona fosfato puede eliminarse de la glucólisis mediante la conversión en glicerol-3-fosfato, que puede usarse para formar triglicéridos. [20] Por el contrario, los triglicéridos pueden descomponerse en ácidos grasos y glicerol; este último, a su vez, puede convertirse en dihidroxiacetona fosfato, 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 vía de la glucólisis se puede calcular utilizando 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 , con la excepción de las concentraciones de NAD + y NADH. La relación de NAD + a NADH en el citoplasma es 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. (Es muy común ignorar esto: el delta G de la hidrólisis de ATP en las células no es el cambio de energía libre estándar de la hidrólisis de ATP que se cita en los libros de texto).
A partir de la medición de 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 los denomina irreversibles ; dichos pasos suelen estar sujetos a regulación.
El paso 5 de la figura se muestra detrás de los demás pasos, porque es una reacción secundaria que puede disminuir o aumentar la concentración del intermediario gliceraldehído-3-fosfato. Ese compuesto se convierte en fosfato de dihidroxiacetona por acción de 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 no se conocen con precisión las concentraciones reales en el eritrocito.
Las enzimas que catalizan la glucólisis se regulan a través de una serie 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 muy conservados entre especies, mientras que otros varían ampliamente. [23] [24]
En los animales, la regulación de los niveles de glucosa en sangre por el páncreas en conjunto con el hígado es una parte vital de la homeostasis . Las células beta en 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 azúcar en sangre cae, las células beta pancreáticas cesan la producción de insulina, pero, en su lugar, 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 al descomponer el glucógeno almacenado y por medio de la gluconeogénesis. Si la caída en el nivel de glucosa en sangre es particularmente rápida o severa, otros sensores de glucosa causan la liberación de epinefrina de las glándulas suprarrenales a la sangre. Esto tiene la misma acción que el glucagón en 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 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 por la que se controlan estas vías en el hígado, las células grasas y los músculos. Por lo tanto, la fosforilación de la fosfofructoquinasa inhibe la glucólisis, mientras que su desfosforilación a través de la acción de la insulina estimula la glucólisis. [32]
Las tres enzimas reguladoras son la hexoquinasa (o glucoquinasa en el hígado), la fosfofructoquinasa y la piruvato quinasa . El flujo a través de la vía glucolítica se ajusta en respuesta a las condiciones tanto internas como externas a 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 graso y los músculos , que pueden eliminar grandes cantidades de glucosa de la sangre después de las comidas (evitando así la hiperglucemia al almacenar el exceso de glucosa como grasa o glucógeno, dependiendo del tipo de tejido). El hígado también es capaz de liberar glucosa a la sangre entre las comidas, durante el ayuno y el ejercicio, evitando así la hipoglucemia por medio de la glucogenólisis y la gluconeogénesis . Estas últimas reacciones coinciden con la detención 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 glucoquinasa, 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 por la hexoquinasa o la glucoquinasa, puede convertirse en glucosa-1-fosfato (G1P) para su conversión en glucógeno , o bien se convierte por glucólisis en piruvato , que entra en la mitocondria donde se convierte en acetil-CoA y luego en citrato . El exceso de citrato se exporta desde la mitocondria de regreso 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 la síntesis de colesterol , dos formas importantes de utilizar el exceso de glucosa cuando su concentración es alta en la sangre. Las enzimas reguladas que catalizan estas reacciones realizan estas funciones cuando han sido desfosforiladas a través de la acción de la insulina sobre las células del hígado. Entre las comidas, durante el ayuno , el ejercicio o la hipoglucemia, se liberan glucagón y epinefrina en la sangre. Esto hace que el glucógeno hepático se convierta de nuevo en G6P, y luego se convierta en glucosa por la enzima específica del hígado glucosa 6-fosfatasa y se libere en la sangre. El glucagón y la epinefrina también estimulan la gluconeogénesis, que convierte los sustratos no carbohidratos en G6P, que se une a la G6P derivada del glucógeno, o la 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, en particular, de la fosfofructoquinasa , pero también, en cierta medida, de 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 a la G6P, la hexoquinasa actúa esencialmente para transportar la glucosa a las células de las que ya no puede escapar. La hexoquinasa se inhibe por altos niveles de G6P en la célula. Por lo tanto, la velocidad de entrada de glucosa en las células depende parcialmente de la rapidez con la que se pueda eliminar la 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. Se produce en las células del hígado y solo fosforila la glucosa que ingresa a la célula para formar 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 F2,6BP es un activador muy potente de la fosfofructoquinasa (PFK-1) que se sintetiza cuando la F6P es fosforilada por una segunda fosfofructoquinasa ( PFK2 ). En el hígado, cuando el azúcar en sangre es bajo y el glucagón eleva el AMPc, la PFK2 es fosforilada por la proteína quinasa A. La fosforilación inactiva la PFK2, y otro dominio de esta proteína se activa como fructosa bisfosfatasa-2, que convierte la F2,6BP de nuevo en F6P. Tanto el glucagón como la epinefrina provocan niveles elevados de AMPc en el hígado. El resultado de unos niveles más bajos de F2,6BP en el hígado 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, la "glucólisis a la inversa"). Esto es coherente 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 en 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 un 10% en condiciones fisiológicas, mientras que una caída del 10% en ATP resulta en un aumento de 6 veces en AMP. [36] Por lo tanto, la relevancia del ATP como efector alostérico es cuestionable. Un aumento en AMP es una consecuencia de una disminución en 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 a 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 para proteger contra el estrés oxidativo. [37] TIGAR es una enzima única con doble función que regula F2,6BP. Puede comportarse como una fosfatasa (fructosa-2,6-bisfosfatasa) que escinde el fosfato en el carbono 2 produciendo F6P. También puede comportarse como una quinasa (PFK2) añadiendo 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 hacia adelante 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 carbonos hacia la vía de la pentosa 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 gama 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 en función de la disponibilidad de glucosa. Durante el ayuno (sin 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 conduce 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 ), lo que evita un ciclo inútil . [43] Por el contrario, la isoforma de la 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, se agotaría todo el NAD + y la glucólisis se detendría. Para que la glucólisis continúe, los organismos deben poder oxidar el NADH nuevamente a NAD + . La forma en que esto se lleva a cabo depende de qué aceptor de electrones externo esté 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 se produce en las bacterias que participan en la elaboración del yogur (el ácido láctico hace que la leche se cuaje). Este proceso también se produce en animales en condiciones de hipoxia (o parcialmente anaeróbicas), como ocurre, por ejemplo, en los músculos sobrecargados que carecen de oxígeno. En muchos tejidos, este es el último recurso celular para obtener energía; la mayoría de los tejidos animales no pueden tolerar condiciones anaeróbicas durante un período prolongado.
Algunos organismos, como la levadura, convierten el NADH nuevamente en NAD + en un proceso llamado fermentación del 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 del etanol pueden producirse en ausencia de oxígeno. Esta fermentación anaeróbica permite que muchos organismos unicelulares utilicen la glucólisis como su única fuente de energía.
La regeneración anóxica del NAD + sólo es un medio eficaz de producción de energía durante ejercicios cortos e intensos en vertebrados, durante un período que va desde 10 segundos a 2 minutos durante un esfuerzo máximo en humanos. (A intensidades de ejercicio más bajas puede sostener 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 el NADH que dona sus electrones 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 bacterias). Pero la velocidad a la que se produce el 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, inhibiendo finalmente las enzimas involucradas en la glucólisis.
La sensación de ardor en los músculos durante el ejercicio intenso se puede atribuir a la liberación de iones de hidrógeno durante el cambio de la oxidación de la glucosa a dióxido de carbono y agua a la fermentación de la glucosa, cuando el metabolismo aeróbico ya no puede seguir el ritmo de las demandas energéticas 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 bajo oxígeno. Se cree que este ha sido el principal medio de producción de energía en organismos anteriores antes de que el oxígeno alcanzara altas concentraciones en la atmósfera entre 2000 y 2500 millones de años atrás, y por lo tanto representaría una forma más antigua de producción de energía que la reposición aeróbica de NAD + en las células.
El hígado de los mamíferos elimina este exceso de lactato transformándolo nuevamente en piruvato en condiciones aeróbicas; véase ciclo de Cori .
La fermentación del piruvato a lactato a veces también se denomina "glucólisis anaeróbica", sin embargo, la glucólisis termina con la producción de piruvato independientemente de la presencia o ausencia de oxígeno.
En los dos ejemplos de fermentación anteriores, 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, 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 a través de la conversión de piruvato en acetil-CoA en la mitocondria . Sin embargo, este acetil CoA necesita ser transportado al citosol donde ocurre la síntesis de ácidos grasos y colesterol. Esto no puede ocurrir directamente. Para obtener acetil-CoA citosólico, el citrato (producido por la condensación de acetil CoA con oxaloacetato ) 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 se devuelve a la mitocondria como malato (y luego nuevamente a 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 un componente estructural de las membranas celulares, o puede utilizarse para sintetizar las hormonas esteroides , las sales biliares y la 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 la coenzima A para formar CO2 , acetil-CoA y NADH [34] , o pueden carboxilarse (por la piruvato carboxilasa ) para formar oxalacetato . Esta última reacción "llena" la cantidad de oxalacetato en el ciclo del ácido cítrico y, por lo tanto, es una reacción anaplerótica (del griego que significa "llenar"), que aumenta la capacidad del ciclo para metabolizar acetil-CoA cuando las necesidades energéticas del tejido (por ejemplo, en el corazón y el músculo esquelético ) aumentan repentinamente por la actividad. [47] En el ciclo del ácido cítrico, todos los intermediarios (por ejemplo, citrato, isocitrato, alfa-cetoglutarato, succinato, fumarato, malato y oxalacetato) se regeneran durante cada vuelta del ciclo. Por lo tanto, la adición de 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 oxaloacetato aumenta en gran medida las cantidades de todos los intermediarios del ácido cítrico, aumentando así la capacidad del ciclo para metabolizar acetil CoA, convirtiendo su componente de acetato en CO2 y agua, con la liberación de suficiente energía para formar 11 moléculas de ATP y 1 molécula de GTP por cada molécula adicional de acetil CoA que se combina con oxaloacetato en el ciclo. [47]
Para eliminar catapleróticamente el oxaloacetato del ciclo cítrico, el malato puede transportarse 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 las purinas, pirimidinas y porfirinas . [47]
Este artículo se centra en el papel catabólico de la glucólisis en relación con la conversión de energía química potencial en energía química utilizable durante la oxidación de la glucosa a piruvato. Muchos de los metabolitos de la vía glucolítica también son utilizados por las vías anabólicas y, en consecuencia, el flujo a través de la vía es fundamental para mantener un suministro de esqueletos de carbono para la biosíntesis. [48]
Las siguientes vías 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 o tributaria de la otra. Existen dos pasos reguladores en ambas vías que, cuando están activos en una vía, están automáticamente inactivos en la otra. Por lo 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 de fosfato de alta energía (dos ATP y dos GTP) por ciclo de reacción. [49]
El NAD + es el agente oxidante en la glucólisis, como lo es en la mayoría de las demás reacciones metabólicas que producen energía (por ejemplo, la beta-oxidación de los ácidos grasos y durante el ciclo del ácido cítrico ) . El NADH así producido se utiliza principalmente para transferir electrones al O2 para producir agua o, cuando el O2 no está disponible, para producir compuestos como el lactato o el etanol (véase Regeneración anóxica del 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 un principio general de que el NADPH se consume durante las reacciones biosintéticas, mientras que el NADH se genera en las reacciones que producen energía. [49] La fuente del NADPH es doble. Cuando el malato se descarboxila oxidativamente mediante la "enzima málica unida al NADP + " , el piruvato , se forman CO2 y NADPH. El NADPH también se forma mediante la vía de la pentosa fosfato , que convierte la glucosa en ribosa, que puede utilizarse en la síntesis de nucleótidos y ácidos nucleicos , o puede catabolizarse a piruvato. [49]
La captación celular de glucosa se produce en respuesta a las señales de insulina, y posteriormente la glucosa se descompone a través de la glucólisis, lo que reduce los niveles de azúcar en sangre. Sin embargo, la resistencia a la insulina o los niveles bajos de insulina que se observan en la diabetes dan lugar a hiperglucemia, en la que los niveles de glucosa en la sangre aumentan y las células no la absorben adecuadamente. Los hepatocitos contribuyen aún más a esta hiperglucemia a través de la gluconeogénesis . La glucólisis en los hepatocitos controla la producción hepática de glucosa, y cuando el hígado produce glucosa en exceso sin tener un medio para que el cuerpo la descomponga, se produce hiperglucemia. [50]
Las mutaciones glucolíticas son generalmente poco frecuentes debido a la importancia de la vía metabólica; la mayoría de las mutaciones que se producen dan lugar a 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 de 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 requerida ]
En la aciduria malónica y metilmalónica combinada (CMAMMA) debida a la deficiencia de ACSF3 , la glucólisis se reduce en un -50%, lo que es causado por la lipoilación reducida de enzimas mitocondriales como el complejo piruvato deshidrogenasa y el complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa . [51]
Las células tumorales malignas realizan la glucólisis a una velocidad diez veces más rápida que sus contrapartes de tejidos no cancerosos. [52] Durante su génesis, el soporte capilar limitado a menudo da como resultado 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 ATP (trifosfato de adenosina). Algunas células tumorales sobreexpresan enzimas glucolíticas específicas que dan como resultado tasas más altas de glucólisis. [53] A menudo, estas enzimas son isoenzimas, de enzimas de glucólisis tradicionales, que varían en su susceptibilidad a la inhibición de retroalimentación tradicional. El aumento de la actividad glucolítica en última instancia contrarresta los efectos de la hipoxia al generar suficiente ATP a partir de esta vía anaeróbica. [54] Este fenómeno fue descrito por primera vez en 1930 por Otto Warburg y se conoce como el efecto Warburg . La hipótesis de Warburg afirma que el cáncer es causado principalmente por disfuncionalidad en el metabolismo mitocondrial, en lugar de por el crecimiento descontrolado de las células. Se han propuesto varias teorías para explicar el efecto Warburg. Una de estas teorías sugiere que el aumento de la glucólisis es un proceso protector normal del cuerpo y que el cambio maligno podría ser causado principalmente por el metabolismo energético. [55]
Esta alta tasa de glucólisis tiene importantes aplicaciones médicas, ya que la alta glucólisis aeróbica de los 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 modificado radiactivo ) con tomografía por emisión de positrones ( PET). [56] [57]
Se están llevando a cabo investigaciones 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 . [58] [59] [60]
El diagrama que aparece a continuación 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 los genes, proteínas y metabolitos que aparecen a continuación para acceder a los artículos correspondientes. [§ 1]
Algunos de los metabolitos de la glucólisis tienen nombres y nomenclaturas alternativas. En parte, esto se debe a que algunos de ellos son comunes a otras vías, como el ciclo de Calvin .
Los intermediarios de la glucólisis representados en proyecciones de Fischer muestran el cambio químico paso a paso. Esta imagen puede compararse con la representación del modelo poligonal. [61]
