INTRODUCCIÓN
La glucólisis es el nombre que recibe el
metabolismo anaerobio de la glucosa. Este proceso suministra una
fuente de energía rápida, ideal para periodos de
ejercicios cortos e intensos. También puede definirse como
la secuencia de reacciones que convierte una molécula de
glucosa en dos moléculas de piruvato, con la
producción neta concomitante (o asociada si lo prefieres)
de dos moléculas de ATP. Es un proceso anaerobio, es
decir, que no requiere de oxígeno (O2) fenómeno que
es debido a que apareció en la evolución antes de
que en la atmósfera reinara éste.
El piruvato producido en la glucólisis, puede
convertirse en lactato mediante la fermentación
láctica o en etanol en la fermentación
alcohólica. En presencia de oxígeno (condiciones
aeróbias) el piruvato puede oxidarse en CO2 generando una
cantidad de energía notable.
Por otro lado, la glucosa, la molécula necesaria
para que arranque la glucogénsis, puede obtenerse a partir
de piruvato y ácido láctico mediante otra ruta: la
gluconeogénsis.
HISTORIA
Hace 500 años, célebre holandés
Antoine van Leewenhoek describió la existencia de la
unidad funcional, anatómica y de origen de los seres
vivos, la célula. Hasta finales del siglo XIX, era
universalmente aceptado que los procesos de la vida eran el
resultado directo de una fuerza vital y que estos procesos
ocurrían exclusivamente en las células. En el
verano de 1896, esta doctrina llamada vitalismo, parte de las
ideas de la generación espontánea, fue
desacreditada por el experimento que dio origen al nacimiento de
a Bioquímica. M Hahn, un científico
alemán, trataba de separar proteínas de la levadura
en un mortero con arena muy fina y tierra de diatomeas, que no es
sino las frústula o envoltura de polisacáridios de
las diatomeas uno protoctistas muy bonitos.
El extracto de levadura se filtró en un
paño muy fino y desafortunadamente para Hahn, era muy
difícil de preservar. Hans Buchner, colega de Hahn le
recordó que la fruta se conserva agregándole
azúcares, haciendo una mermelada, le sugirió
agregar sacarosa. El experimento lo realizó Eduard,
hermano de Hans que visitaba el laboratorio para experimentar con
extractos de levadura. Cuando agregó la sacarosa al
extracto de levadura, de la solución emergían
burbujas. Eduard concluyó que la fermentación, el
proceso descrito por Louis Pasteur como la vida sin aire, estaba
ocurriendo. Actualmente esa observación no seria tal vez
particularmente importante para nosotros, pero Buchner
había demostrado que los procesos de la vida (la
fermentación en este caso), podían ocurrir fuera de
la célula viva. El fantasma poseído de la
máquina viviente se había exorcizado.
La hipótesis de Buchner consistió en que
la fermentación resulta de la actividad de una enzima, que
el llamó zimasa. Actualmente llamamos a este proceso que
realmente se lleva a cabo por 10 enzimas, glucólisis del
griego glycos: dulce + lysis: ruptura. Por estas observaciones,
Buchner ganó el premio Nobel.
En 1941, Fritz Lipman y Herman Kalkar descubrieron las
funciones de los compuestos de alta energía como el ATP en
el metabolismo intermedio.
Gracias a la invención de técnicas para la
purificación de enzimas y a experimentos hechos en
bacterias y levaduras, se describieron las reacciones de esta
vía.
Las funciones de los cofactores como el
NAD+ y de los compuestos fosforilados
en el metabolismo, se describieron por primera vez
en la glucólisis.
La fermentación es el aprovechamiento de la
glucosa en ausencia de O2, el objetivo final de esta vía,
es la síntesis de moléculas de alta energía
química como el adenosín trifosfato (ATP), que se
utilizan para realizar trabajo. Los organismos primitivos se
originaron en un mundo cuya atmósfera carecía de 02
y por esto, la glucólisis se considera como la vía
metabólica más primitiva y por lo tanto,
está presente en todas las formas de vida actuales. La
vía consiste de 10 reacciones enzimáticas en las
cuales la glucosa, una fuente de energía para casi todos
los organismos, se convierte en piruvato. Esta
transformación, conlleva a la producción de dos
moléculas de ATP. Vale la pena considerar que la
glucólisis es la única vía en los animales
que produce ATP en ausencia de Oxígeno. En la
reacción neta, también se reducen dos
moléculas de NAD+ a NADH:
D-glucosa + 2Pi + 2ADP
ê
2 piruvato + 2NADH +
2H+ + 2ATP + 2H2O
En condiciones anaerobias, el piruvato es convertido a
lactato en los animales o etanol en las levaduras,
acompañado de la regeneración de NAD+ el cual
permite a la glucólisis continuar en ausencia de
Oxígeno.
De las reacciones listadas en la Tabla X se puede
deducir que el cambio en la energía libre para la
conversión de glucosa en piruvato es de – 8.44 kcal
mol-1, lo que corresponde a una
constante de equilibrio de 105 a 298 K. Debido a eso, la
glucólisis es un proceso unidireccional.
GLUCÓLISIS
Es la vía metabólica encargada de oxidar
la glucosa con la finalidad de obtener energía para la
célula. Consiste en 10 reacciones enzimáticas
consecutivas que convierten a la glucosa en dos moléculas
de piruvato, el cual es capaz de seguir otras vías
metabólicas y así continuar entregando
energía al organismo.
El tipo de glucólisis más común y
más conocida es la vía de Embden –
Meyerhoff, explicada inicialmente por Gustav Embden y Otto
Meyerhof. El término puede incluir vías
alternativas, como la vía de Entner-Doudoroff. No
obstante, glucólisis se usa con frecuencia como
sinónimo de la vía de Embden-Meyerhoff. Es la
vía inicial del catabolismo (degradación) de
carbohidratos.
Durante la glucólisis se obtiene un rendimiento
neto de dos moléculas de ATP y dos moléculas de
NADH; el ATP puede ser usado como fuente de energía para
realizar trabajo metabólico, mientras que el NADH puede
tener diferentes destinos. Puede usarse como fuente de poder
reductor en reacciones anabólicas; si hay oxígeno,
puede oxidarse en la cadena respiratoria, obteniéndose
tres ATPs; si no hay oxígeno, se usa para reducir el
piruvato a lactato (fermentación láctica), o a CO2
y etanol (fermentación alcohólica), sin
obtención adicional de energía.
LAS FUNCIONES DE LA GLUCÓLISIS
SON:
1. La generación de moléculas de alta
energía (ATP y NADH) como fuente de energía celular
en procesos de respiración aeróbica (presencia de
oxígeno) y fermentación (ausencia de
oxígeno).
2. La generación de piruvato que pasará al
ciclo de Krebs, como parte de la respiración
aeróbica.
3. La producción de intermediarios de 6 y 3
carbonos que pueden ser utilizados en otros procesos
celulares.
En eucariotas y procariotas, la glucólisis ocurre
en el citosol de la célula. En células vegetales,
algunas de las reacciones glucolíticas se encuentran
también en el ciclo de Calvin, que ocurre dentro de los
cloroplastos. La amplia conservación de esta
vía incluye los organismos filogenéticamente
más antiguos, y por esto se considera una de las
vías metabólicas más
antiguas.[2]
REACCIONES DE LA
GLUCÓLISIS
LA GLUCOLISIS SE DIVIDE EN DOS PARTES.
Durante la primera la glucosa es fosforilada con el
gasto energético de una molécula de ATP para dar
glucosa-6-fosfato, la cual se isomeriza para formar
fructosa-6-fosfato. A partir de la fructosa-6-fosfato y con gasto
de otra molécula de ATP se forma la
fructosa-1,6-bisfosfato. En total, hasta esta parte se gastan dos
moléculas de ATP. Esta es una reacción irreversible
en la que intervienen la glucosa y el ATP, además de ser
indispensable el cation Mg.
REACCIONES DE LA PRIMERA PARTE DE LA
GLUCÓLISIS
1. Hexocinasa y
Glucocinasa
La formación de la glucosa-6-fosfato es
catalizada por dos isoenzimas: la hexocinasa y la
glucocinasa.
A. Hexocinasa:
Puede fosforilar a otras hexosas. Está presente
en todas las células Es inhibida por la GLUCOSA-6-FOSFATO
que es el producto de la reacción que
cataliza.,
La hexocinasa cambia su conformación al unirse a
las hexosas. Este cambio se produce gracias a que la
enzima tiene dos dominios unidos por medio de otro más que
actúa como una bisagra. La enzima en su
conformación abierta permite que la hexosa se acomode en
su sitio activo; cuando esto ha sucedido, la enzima adquiere su
conformación cerrada en la cual se desplaza a las
moléculas de agua y disminuye la energía de
solvatación, necesaria para que se lleve a cabo la
reacción de fosforilación.
B.- Glucocinasa
La glucocinasa es más abundante en el
hígado. Tiene una Km de 10 mM que es más alta que
las concentraciones fisiológicas de glucosa. Esto permite
que en condiciones de hiperglicemia, después de
alimentarse, cuando hay muchas hexosas en el torrente
sanguíneo, simultáneamente funcionen ambas enzimas,
lo cual favorece la rápida entrada de glucosa a las
células. La glucocinasa es inhibida por la
FRUCTOSA-6-FOSFATO en vez de por GLUCOSA-6-FOSFATO como en el
caso de la hexocinasa.
La reacción que catalizan ambas enzimas
(glucocinasa y hexocinasa), es irreversible en condiciones
intracelulares y tiene un cambio en energía libre de 1.6
kJ/mol.
Fosfoglucosa isomerasa
La fosfoglucosa isomerasa (PGI), anteriormente llamada
GLUCOSA-6-FOSFATO isomerasa es una enzima que cataliza la
isomerización de una aldosa, la GLUCOSA-6-FOSFATO en una
cetosa, la FRUCTOSA-6-FOSFATO; la reacción se lleva a cabo
en cinco pasos para los cuales la enzima necesita abrir el anillo
de la glucosa, para hacer la isomerización y
posteriormente cerrarlo convirtiéndola el
gructosa-6-fosfato.
1. Formación del complejo ES.
2. Un ácido, presumiblemente el
grupo e-amino de una lisina de la enzima, cataliza la apertura
del anillo.
3. Una base, presumiblemente el carboxilato de un
ácido glutámico de la enzima, retira
el protón ácido del C2 del azúcar para
formar un intermediario cis- enediolato (este protón es
ácido porque ocupa una posición a con respecto al
carbonilo).
4. El protón es reemplazado en C1.
Los protones retirados por bases, son lábiles y se
recambian rápidamente con el solvente.
5. El anillo se cierra para formar el producto, el cual
es posteriormente liberado.
6. La PGI requiere de Mg2+
para su actividad y el pH óptimo para la
reacción es de 6.7 y 9.3 por lo que se
sugiere que los aminoácidos que participan en la misma son
una histidina y una lisina respectivamente; el cambio en
energía libre de esta reacción es de
–1.7kJ/mol, por esto es fácilmente
reversible
fosfofructocinasa
La fosfofructocinasa-1 (PFK-1) es una enzima que
cataliza la fosforilación de la FRUCTOSA-6-FOSFATO con
gasto de una molécula de ATP. Esta reacción tiene
un cambio en la energía libre de –23.8kJ/mol, por lo
que es irreversible. La PFK-1 es la principal enzima reguladora
de la glucólisis; sus factores reguladores son:
Inhibidores:
Cuando las necesidades energéticas del organismo
son bajas, por ejemplo en estado de reposo, existen
concentraciones elevadas de ATP y de ácido cítrico,
estas moléculas reconocen sitios alostéricos en la
PFK-1. Al unirse a ellos ocasionan una menor afinidad de la PFK-1
por la FRUCTOSA-6-FOSFATO lo cual resulta en una
inhibición de la actividad enzimática.
Estimuladores:
Cuando las necesidades energéticas del organismo
son elevadas, en el ejercicio o bien en condiciones de ayuno
prolongado, se generan las altas concentraciones de ADP, de AMP y
de FRUCTOSA-1,6-BISFOSFATO, lo cual ocasiona el incremento en la
actividad de la PFK-1.
La formación de fructosa-2,6-difosfato
(F2,6P), es catalizada por la fosfofructocinasa-2 (PFK-2).
Esta enzima es regulada a través de reacciones de
fosforilación, cuando la PFK-2 está fosforilada es
capaz de hidrolizar a la F2,6P y cuando no lo está,
funciona en la dirección inversa, la sintetiza. Cuando los
receptores específicos para el glucagon son ocupados por
ésta hexosa difosforilada, se produce AMPc, sustancia que
estimula a la proteína cinasa; ésta última
fosforila a varias enzimas, dentro de ellas se encuentra la
PFK-2.
FRUCTOSA-6-FOSFATO+ ATP ® F2,6P+ ADP
(síntesis)
fosfofructocinasa-2
F2,6P + H2O ® FRUCTOSA-6-FOSFATO +
Pi
(hidrólisis)
2. Aldolasa
3. Triosafosfato
isomerasa
REACCIONES DE LA SEGUNDA PARTE DE LA
GLUCÓLISIS
La glicelaldehído-3-fosfato deshidrogenasa
(GAPDH) cataliza la oxidación de un aldehído, el
GLICERALDEHÍDO-3-FOSFATO (reacción
exergónica) y sintetiza un acil-fosfato, el
1,3-difosfoglicerato (1,3-bisfosfoglicerato) (reacción
endergónica). El mecanismo catalítico de esta
enzima, consiste de 5 pasos:
1.- Unión del
GLICERALDEHÍDO-3-FOSFATO.
2.- Un grupo sulfidrilo en la enzima, esencial para la
catálisis actúa como nucleófilo y ataca al
aldehído para formar un tiohemiacetal.
3.- El tiohemiacetal, se oxida a un aciltioéster
por transferencia directa de un hidruro al NAD+.
Este intermediario que ha sido aislado, tiene una gran potencia
como donador. La energía de la oxidación del
aldehído se conserva a través de la síntesis
del tioéster y la reducción de
NAD+ a NADH.
La fosfoglicerato cinasa cataliza la primera
reacción de la síntesis de ATP en la
glucólisis. Tiene una estructura muy parecida a la de la
hexocinasa (bisagra). La energía libre de la
reacción es de –18.5 kJ/mol (exergónica) y
predomina la formación de ATP.
En esta reacción ocurre una fosforilación
a nivel de substrato, en la cual, la reacción
exergónica de pérdida de un fosfato del
ácido 1,3 bifosfoglicérico, es acoplada a la
reacción endergónica de la síntesis de ATP a
partir de ADP y Pi.
En el eritrocito, una parte del 1,3-difosfoglicerato
sigue un destino diferente porque la 2,3 bifosfoglicerato mutasa
cataliza la formación del isómero bifosfoglicerato,
que modula la afinidad de la hemoglobina por oxígeno.
Cuando hay mucho ácido 2,3-
difosfoglicéríco, la hemoglobina disminuye su
afinidad por el O2, por lo que se despega con mayor
facilidad.
RESUMEN
· La glucólisis es la vía
citosólica de todas las células de mamífero
para el metabolismo de la glucosa (o del glucógeno) el
piruvato a lactato.
· Puede funcionar de manera anaeróbica al
regenerar NAD+ oxidado (que se requiere en la reacción de
la gliceraldehído 3 fosfato deshidrogenasa), al reducir
piruvato hacia lactato.
· a El lactato es el producto terminal de la
glucólisis en condiciones anaerobias (p. ejm. en
músculo que está haciendo ejercicio), o cuando
falta la maquinaria metabólica para la oxidación
adicional de piruvato (p. ej., en los eritrocitos).
· La glucólisis está regulada por
tres enzimas que catalizan reacciones no en equilibrio
(irreversibles): hexocinasa, fosfofructocinasa y piruvato
cinasa.
· En los eritrocitos, puede evitarse el paso por
el primer sitio en la glucólisis para la generación
de ATP, lo que lleva a la formación de 2,3-
bisfosfoglicerato, que tiene importancia en el decremento de la
afinidad de la hemoglobina por el ü2.
· B El piruvato se oxida a acetil-CoA mediante un
complejo de múltiples enzimas, piruvato deshidrogenasa,
que es dependiente del cofactor difosfato de tiamina derivado de
Vitamina.
· Las condiciones que involucran un deterioro del
metabolismo del piruvato suelen llevar a acidosis
láctica.
BIBLIOGRAFIA
· Módulo 2:Metabolismo de los
hidratos de carbono Actividad 5:Glucólisis
· Fecha: 23 de Septiembre del
2011
· Bibliografía: * McKee T. y
McKee J. (2009). Bioquímica la base molecular de lavida.
(4ª ed.). México: McGraw-Hill
Interamericana.?ISBN: 9789701070215.Capítulo
7. "Hidratos de carbono".?Capítulo 8. "Metabolismo de los
hidratos de carbono." * Murray, R.K. y Mayes, P.A
(2005).Bioquímica de Harper. (16ª ED.).
México: El Manual Moderno, S.A. de C.V. ISBN:
9789707290716 * Melo, V. (2007). Bioquímica de los
procesos metabólicos. (2ª ed.). México:
Reverté. ?ISBN: 9789686708615.
Autor:
Miriam Vilca Arana
Huaire Quiñones Alicia
"Año de la Promoción de la Industria
Responsable y del Compromiso Climático"
CARRERA DE ENFERMERÍA
BIOQUÍMICA
CICLO II