Glucólisis: funciones, enzimas, fases, productos, importancia
La glucólisis o glicólisis es la principal ruta de catabolismo de glucosa, cuyo objetivo final consiste en la obtención de energía en forma de ATP y poder reductor en forma de NADH, a partir de este carbohidrato.
Esta ruta, dilucidada por completo en la década de 1930 por Gustav Embden y Otto Meyerhof mientras estudiaban el consumo de glucosa en las células del músculo esquelético, consiste en la oxidación completa de dicho monosacárido y, por sí sola, representa una vía anaeróbica para la obtención de energía.
Se trata de una de las principales rutas metabólicas, pues ocurre, con sus diferencias, en todos los organismos vivos que existen, unicelulares o multicelulares, procariotas o eucariotas, y se piensa que es una cadena de reacciones muy conservada evolutivamente en la naturaleza.
De hecho, existen algunos organismos y tipos de células que dependen exclusivamente de esta ruta para subsistir.
En primera instancia, la glucólisis consiste en la oxidación de la glucosa, de 6 átomos de carbono, hasta piruvato, que tiene tres átomos de carbono; con la concomitante producción de ATP y NADH, útiles para las células desde el punto de vista metabólico y sintético.
En aquellas células capaces de procesar ulteriormente los productos obtenidos del catabolismo de la glucosa, la glucólisis termina con la producción de dióxido de carbono y agua a través del ciclo de Krebs y de la cadena transportadora de electrones (glicólisis aeróbica).
Diez reacciones enzimáticas tienen lugar en el curso de la ruta glucolítica y, aunque la regulación de estas reacciones puede ser algo distinta de una especie a otra, los mecanismos de regulación también están bastante conservados.
Índice del artículo
- 1 Funciones de la glucólisis
- 2 Enzimas que participan en la glucólisis
- 3 Fases de la glucólisis (paso a paso)
- 4 Productos de la glucólisis
- 5 Importancia
- 6 Referencias
Desde el punto de vista metabólico, la glucosa es uno de los carbohidratos más importantes para todos los seres vivos.
Es una molécula estable y muy soluble, por lo que puede ser transportada con relativa facilidad a lo largo de todo el cuerpo de un animal o de una planta, desde donde es almacenada y/u obtenida hasta donde se necesita como combustible celular.
La energía química contenida en la glucosa es explotada por las células vivas a través de la glucólisis, que consiste en una serie de pasos sumamente controlados por los cuales puede “capturarse” la energía liberada de la oxidación de este carbohidrato en formas de energía más aprovechables, de allí su importancia.
A través de esta ruta no solo se obtiene energía (ATP) y poder reductor (NADH), sino que la misma aporta una serie de intermediarios metabólicos que hacen parte de otras rutas, también importantes desde el punto de vista anabólico (biosintético) y del funcionamiento celular general. Aquí una lista:
– Glucosa 6-fosfato para la ruta de las pentosas fosfato (PPP, del inglés Pentose Phosphate Pathway)
– Piruvato para fermentación láctica
– Piruvato para la síntesis de aminoácidos (alanina, principalmente)
– Piruvato para el ciclo de ácidos tricarboxílicos
– Fructosa 6-fosfato, glucosa 6-fosfato y dihidroxiacetona fosfato, que funcionan como “bloques de construcción” en otras rutas como la síntesis de glucógeno, de ácidos grasos, triglicéridos, nucleótidos, aminoácidos, etc.
La cantidad de ATP producida por la vía glucolítica, cuando la célula que lo produce no puede vivir en condiciones aeróbicas, es suficiente para abastecer las necesidades energéticas de una célula cuando se acopla a distintos tipos de procesos fermentativos.
Sin embargo, cuando se trata de células aeróbicas, la glucólisis también hace las veces de fuente de energía de emergencia y sirve como “paso preparatorio” previo a las reacciones de fosforilación oxidativa que caracterizan a las células con metabolismo aeróbico.
La glucólisis solo es posible gracias a la participación de las 10 enzimas que catalizan las reacciones que caracterizan a esta ruta. Muchas de estas enzimas son alostéricas y cambian de forma o conformación cuando ejercen sus funciones catalíticas.
Hay enzimas que rompen y forman enlaces covalentes entre sus sustratos y hay otras que requieren de cofactores específicos para ejercer sus funciones, principalmente iones metálicos.
Estructuralmente hablando, todas las enzimas glucolíticas tienen un centro formado esencialmente por láminas β paralelas rodeadas por hélices α y ordenadas en más de un dominio. Más aún, estas enzimas se caracterizan porque sus sitios activos suelen estar en los sitios de unión entre dominios.
Es importante destacar, además, que la regulación principal de la ruta pasa por el control (hormonal o por metabolitos) de enzimas como la hexoquinasa, la fosfofructoquinasa, la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa y la piruvato quinasa.
La primer reacción de la glucólisis (fosforilación de la glucosa) es catalizada por la hexoquinasa (HK), cuyo mecanismo de acción parece consistir en un “ajuste inducido” por el sustrato, que promueve el “cierre” de la enzima alrededor del ATP y de la glucosa (sus sustratos) una vez se ha unido a estos.
Dependiendo del organismo que se considere pueden existir una o más isoenzimas, cuyo peso molecular oscila entre 50 (alrededor de 500 aminoácidos) y 100 kDa, pues parecen agruparse en forma de dímeros, cuya formación es favorecida por la presencia de glucosa, iones de magnesio y ATP.
La hexoquinasa tiene una estructura terciaria compuesta por láminas alfa y beta abiertas, aunque existen muchas diferencias estructurales en estas enzimas.
La glucosa fosforilada por la hexoquinasa es isomerizada a fructosa 6-fosfato por medio de la fosfoglucosa isomerasa (PGI), también conocida como glucosa 6-fosfato isomerasa. La enzima, entonces, no remueve ni añade átomos, sino que los reordena a nivel estructural.
Esta es una enzima activa en su forma dimérica (el monómero pesa más o menos 66 kDa) y está implicada no solo en la glucólisis, sino también en la gluconeogénesis, en la síntesis de carbohidratos en las plantas, etc.
La fructosa 6-fosfato es sustrato para la enzima fosfofructoquinasa, que es capaz de fosforilar nuevamente esta molécula empleando ATP como donador de grupo fosforilo, produciendo fructosa 1,6-bifosfato.
Esta enzima existe en las bacterias y los mamíferos como una enzima homotetramérica (compuesta por cuatro subunidades idénticas de 33 kDa cada una para bacterias y 85 kDa cada una en mamíferos) y en las levaduras es un octámero (compuesto por subunidades de mayor tamaño, entre 112 y 118 kDa).
Es una enzima alostérica, lo que significa que es regulada positiva o negativamente por alguno de sus productos (ADP) y por otras moléculas como el ATP y el citrato.
También conocida como fructosa 1,6-bifosfato aldolasa, la aldolasa cataliza la ruptura catalítica de la fructosa 1,6-bifosfato en dihidroxiacetona fosfato y gliceraldehído 3-fosfato y la reacción reversa, es decir, la unión de ambos azúcares para la formación de fructosa 1,6-bifosfato.
En otras palabras, esta enzima corta la fructosa 1,6-bifosfato justo en la mitad, liberando dos compuestos fosforilados de 3 átomos de carbono. La aldolasa está compuesta también por 4 subunidades idénticas, cada una con su propio sitio activo.
Se ha determinado la existencia de dos clases (I y II) de esta enzima, las cuales se diferencian por el mecanismo de la reacción que catalizan y porque unas (las primeras) ocurren en bacterias y eucariotas “inferiores”, y las otras (las segundas) están en bacterias, protistas y metazoos.
La aldolasa de los eucariotas “superiores” consiste en un homotetrámero de subunidades de 40 kDa de peso molecular, cada una formada por un barril compuesto por 8 láminas β/α.
Las dos triosas fosforiladas pueden ser interconvertidas entre sí gracias a la acción de la triosa-fosfato isomerasa, que permite que ambos azúcares puedan ser empleados a lo largo de la glicólisis, asegurando el aprovechamiento completo de cada molécula de glucosa que ingresa a la vía.
Esta enzima ha sido descrita como la enzima “perfecta”, pues cataliza la reacción descrita cerca de un billón de veces más rápido de lo que ocurriría sin su participación. Su sitio activo se encuentra en el centro de una estructura de beta-barril, característica de muchas enzimas glucolíticas.
Se trata de una proteína dimérica, formada por dos subunidades idénticas de 27 kDa aproximadamente, ambas con una estructura globular.
El gliceraldehído 3-fosfato producido por acción de la aldolasa y de la triosa-fosfato isomerasa sirve de sustrato para la GAPDH, que es una enzima homotetramérica (34-38 kDa cada subunidad) que se une cooperativamente a una molécula de NAD+ en cada uno de sus 4 sitios activos, así como 2 iones fosfato o sulfato.
En este paso de la ruta, la enzima permite la fosforilación de uno de sus sustratos empleado fosfato inorgánico como donador de grupo fosforilo, con la concomitante reducción de dos moléculas de NAD+ y la producción de 1,3-bifosfoglicerato.
La fosfoglicerato quinasa se encarga de transferir uno de los grupos fosfato del 1,3-bifosfoglicerato a una molécula de ADP por fosforilación a nivel de sustrato. Esta enzima emplea un mecanismo similar al que utiliza la hexoquinasa, pues se cierra al contacto sobre sus sustratos, protegiéndolos de las moléculas de agua interferentes.
Esta enzima, como otras que emplean dos o más sustratos, tienen un sitio de unión para el ADP y otro para el azúcar fosfato.
A diferencia de las demás enzimas descritas, esta proteína es un monómero de 44 kDa con una estructura bilobular, compuesta por dos dominios del mismo tamaño conectados por una “hendidura” angosta.
El 3-fosfoglicerato sufre un cambio del grupo fosfato hacia el carbono 2, en la mitad de la molécula, que representa un sitio de inestabilidad estratégico que facilita la posterior transferencia del grupo a una molécula de ATP en la última reacción de la ruta.
Este rearreglo es catalizado por la enzima fosfoglicerato mutasa, una enzima dimérica para los humanos y tetramérica para las levaduras, con un tamaño de subunidades cercano a los 27 kDa.
La enolasa cataliza la deshidratación del 2-fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato, paso necesario para la generación de ATP en la reacción siguiente.
Es una enzima dimérica compuesta por dos subunidades idénticas de 45 kDa. Depende de iones de magnesio para su estabilidad y para el cambio conformacional necesario para unirse a su sustrato. Es una de las enzimas expresadas con mayor abundancia en el citosol de muchos organismos y ejerce funciones adicionales a las glicolíticas.
La segunda fosforilación a nivel de sustrato que tiene lugar en la glucólisis es catalizada por la piruvato quinasa, que se encarga de la transferencia del grupo fosforilo del fosfoenolpiruvato al ADP y de la producción de piruvato.
Esta enzima es más compleja que cualquiera de las demás enzimas glucolíticas y en los mamíferos es una enzima homotetramérica (57 kDa/subunidad). Existen, en los vertebrados, al menos 4 isoenzimas: L (en el hígado), R (en los eritrocitos), M1 (en músculo y cerebro) y M2 (tejido fetal y tejidos adultos).
La ruta glucolítica consiste en diez pasos secuenciales y comienza con una molécula de glucosa. Durante el proceso, la molécula de glucosa es “activada” o “preparada” con la adición de dos fosfatos, invirtiendo para ello dos moléculas de ATP.
Posteriormente es “cortada” en dos fragmentos y finalmente es modificada químicamente un par de veces, sintetizándose, en el camino, cuatro moléculas de ATP, por lo que la ganancia neta de la ruta corresponde a dos moléculas de ATP.
De lo anterior puede inferirse que la ruta se divide en una fase de “inversión” energética, fundamental para la oxidación completa de la molécula de glucosa, y otra fase de “ganancia” energética, donde se repone la energía empleada inicialmente y se ganan dos moléculas netas de ATP.
1- El primer paso de la ruta glucolítica consiste en la fosforilación de la glucosa mediada por la hexoquinasa (HK), para lo que la enzima emplea una molécula de ATP por cada molécula de glucosa que es fosforilada. Es una reacción irreversible y depende de la presencia de iones de magnesio (Mg2+):
Glucosa + ATP → Glucosa 6-fosfato + ADP
2- La glucosa 6-fosfato así producida es isomerizada a fructosa 6-fosfato gracias a la acción de la enzima fosfoglucosa isomerasa (PGI). Esta es una reacción reversible y no implica una gasto energético adicional:
Glucosa 6-fosfato → Fructosa 6-fosfato
3- Subsecuentemente, otro paso de inversión energética implica la fosforilación de la fructosa 6-fosfato para formar fructosa 1,6-bifosfato. Esta reacción es catalizada por la enzima fosfofructoquinasa-1 (PFK-1). Al igual que el primer paso de la ruta, la molécula donadora de grupo fosfato es el ATP y también es una reacción irreversible.
Fructosa 6-fosfato + ATP → Fructosa 1,6-bifosfato + ADP
4- En este paso de la glucólisis se da la ruptura catalítica de la fructosa 1,6-bifosfato en dihidroxiacetona fosfato (DHAP) una cetosa, y en gliceraldehído 3-fosfato (GAP) una aldosa. Dicha condensación aldólica es catalizada por la enzima aldolasa y es un proceso reversible.
Fructosa 1,6-bifosfato → Dihidroxiacetona fosfato + gliceraldehído 3-fosfato
5- La última reacción de la fase de inversión energética consiste en la interconversión de las triosas fosfato DHAP y GAP catalizada por la enzima triosa-fosfato isomerasa (TIM), hecho que no requiere de aporte energético adicional y que también es un proceso reversible.
Dihidroxiacetona fosfato ↔ Gliceraldehído 3-fosfato
6- El gliceraldehído 3-fosfato es empleado “aguas abajo” en la ruta glucolítica como sustrato para una reacción de oxidación y otra de fosforilación, catalizadas por la misma enzima, la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH).
La enzima cataliza la oxidación del carbono C1 de la molécula a un ácido carboxílico y la fosforilación de esta en la misma posición, produciendo 1,3-bifosfoglicerato. En el transcurso de la reacción se reducen 2 moléculas de NAD+ por cada molécula de glucosa y se emplean 2 moléculas de fosfato inorgánico.
2Gliceraldehído 3-fosfato + 2NAD+ + 2Pi → 2(1,3-bifosfoglicerato) + 2NADH + 2H
En los organismos aeróbicos, cada NADH producido de esta forma pasa por la cadena transportadora de electrones para servir como sustrato para la síntesis de 6 moléculas de ATP por fosforilación oxidativa.
7- Este es el primer paso de síntesis de ATP en la glucólisis e implica la acción de la fosfoglicerato quinasa (PGK) sobre el 1,3-bifosfoglicerato, transfiriendo un grupo fosforilo (fosforilación a nivel de sustrato) desde esta molécula a una molécula de ADP, rindiendo 2ATP y 2 moléculas de 3-fosfoglicerato (3PG) por cada molécula de glucosa.
2(1,3-bifosfoglicerato) + 2ADP → 2(3-fosfoglicerato) + 2ATP
8- El 3-fosfoglicerato sirve de sustrato para la enzima fosfoglicerato mutasa (PGM), que lo convierte en 2-fosfoglicerato por desplazamiento del grupo fosforilo del carbono 3 al carbono 2 por medio de una reacción en dos pasos que es reversible y dependiente de iones de magnesio (Mg+2).
2(3-fosfoglicerato) → 2(2-fosfoglicerato)
9- La enzima enolasa deshidrata al 2-fosfoglicerato y produce fosfoenolpiruvato (PEP) por medio de una reacción que no amerita la adición de energía adicional y que tiene como finalidad producir un compuesto de alta energía, capaz de donar su grupo fosforilo en la siguiente reacción.
2(2-fosfoglicerato) → 2Fosfoenolpiruvato
10- El fosfoenolpiruvato es sustrato de la enzima piruvato quinasa (PYK), que se encarga de la transferencia del grupo fosforilo en esta molécula hacia una molécula de ADP, catalizando, por tanto, otra reacción de fosforilación a nivel de sustrato.
En la reacción se producen 2ATP y 2 moléculas de piruvato por cada glucosa y es necesaria la presencia de potasio y magnesio en forma iónica.
2Fosfoenolpiruvato + 2ADP → 2Piruvato + 2ATP
El rendimiento neto de la glucólisis, de esta manera, consiste en 2ATP y 2NAD+ por cada molécula de glucosa que ingresa a la ruta.
Si se trata de células con metabolismo aeróbico, entonces la degradación total de una molécula de glucosa produce entre 30 y 32 ATP por medio del ciclo de Krebs y la cadena transportadora de electrones.
La reacción general de la glucólisis es la siguiente:
Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2Piruvato + 2ATP +2NADH + 2H+
Por lo tanto, si se analiza someramente, podría asegurarse que los productos principales de la ruta glucolítica son el piruvato, el ATP, el NADH y el H.
No obstante, el destino metabólico de cada intermediario de reacción depende, en gran medida, de las necesidades celulares, razón por la cual todos los intermediarios pueden ser considerados como productos de reacción, pudiendo enlistarlos como sigue:
– Glucosa 6-fosfato
– Fructosa 6-fosfato
– Fructosa 1,6-bifosfato
– Dihidroxiacetona fosfato y gliceraldehído 3-fosfato
– 1,3-bifosfoglicerato
– 3-fosfoglicerato y 2-fosfoglicerato
– Fosfoenolpiruvato y piruvato
A pesar de que la glucólisis, por sí sola (podría hablarse de la glucólisis anaeróbica) produce solo alrededor del 5% del ATP que puede ser extraído del catabolismo aeróbico de la glucosa, esta ruta metabólica es fundamental por varios motivos:
– Sirve como fuente “rápida” de energía, especialmente en las situaciones en que un animal tiene que salir de un estado de reposo rápidamente, para lo que los procesos de oxidación aeróbica no serían lo suficientemente rápidos.
– Las fibras musculares esqueléticas “blancas” en el cuerpo humano, por ejemplo, son fibras de contracción rápida y dependen de la glucólisis anaeróbica para funcionar.
– Cuando, por algún motivo, una célula necesita prescindir de algunas de sus mitocondrias (que son los orgánulos que llevan a cabo la fosforilación oxidativa de parte de los productos glucolíticos, entre otras cosas) la célula se hace más dependiente de la energía obtenida por vía glucolítica.
– Muchas células dependen de la glucosa como fuente de energía por vía glucolítica, entre ellas destacan los glóbulos rojos, carentes de orgánulos internos, y las células del ojo (particularmente las de la córnea) que no tienen gran densidad de mitocondrias.
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