La glucólisis o glicolisis (del griego glycos,
azúcar y lysis, ruptura), 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[1]
El tipo de glucólisis más común y más conocida es la vía de
Embden-Meyerhof, 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-Meyerhof. Es la vía inicial del catabolismo (degradación) de carbohidratos.
Descubrimiento
Los primeros estudios informales de los procesos glucolíticos fueron
iniciados en 1860, cuando Louis Pasteur descubrió que los microorganismos son
los responsables de la fermentación,[2] y en 1897 cuando Eduard Buchner encontró
que cierto extracto celular puede causar fermentación. La siguiente gran contribución
fue de Arthur Harden y William Young en 1905, quienes determinaron que para que
la fermentación tenga lugar son necesarias una fracción celular de masa
molecular elevada y termosensible (enzimas) y una fracción citoplasmática de
baja masa molecular y termorresistente (ATP, ADP, NAD+ y otros cofactores). Los
detalles de la vía en sí se determinaron en 1940, con un gran avance de Otto
Meyerhoff y algunos años después por Luis Leloir. Las mayores dificultades en determinar
lo intrincado de la vía fueron la corta vida y las bajas concentraciones de los
intermediarios en las rápidas reacciones glicolíticas.
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.
Etapas de la glucólisis
La glucólisis se divide en dos partes principales y diez reacciones
enzimáticas, que se describen a continuación.
Fase de gasto de energía (ATP)
Esta primera fase de la glucólisis consiste en transformar una molécula
de glucosa en dos moléculas de gliceraldehído.
1° paso: Hexoquinasa
La primera reacción de la glucólisis es la fosforilación de la glucosa,
para activarla (aumentar su energía) y así poder utilizarla en otros procesos
cuando sea necesario. Esta activación ocurre por la transferencia de un grupo
fosfato del ATP, una reacción catalizada por la enzima hexoquinasa,[5] la cual
puede fosforilar (añadir un grupo fosfato) a moléculas similares a la glucosa,
como la fructosa y manosa. Las ventajas de fosforilar la glucosa son 2: La
primera es hacer de la glucosa un metabolito más reactivo, mencionado
anteriormente, y la segunda ventaja es que la glucosa-6-fosfato no puede cruzar
la membrana celular –a diferencia de la glucosa-ya que en la célula no existe un
transportador de G6P. De esta forma se evita la pérdida de sustrato energético
para la célula. Técnicamente hablando, la hexoquinasa sólo fosforila las D-hexosas,
y utiliza de sustrato MgATP2+, ya que este catión permite que el
último fosfato del ATP (fosfato gamma, γ-P o Pγ) sea un blanco más fácil para
el ataque nucleofílico que realiza el grupo hidroxilo (OH) del sexto carbono de
la glucosa, lo que es posible debido al Mg2+ que apantalla las
cargas de los otros dos fosfatos.[1]
[7] Esta reacción posee un ΔG negativo, y por tanto se trata de una
reacción en la que se pierde energía en forma de calor. En numerosas bacterias
esta reacción esta acoplada a la última reacción de la glucólisis (de
fosfoenolpiruvato a piruvato) para poder aprovechar la energía sobrante de la
reacción: el fosfato del fosfoenolpiruvato se transfiere de una a otra proteína
de un sistema de transporte fosfotransferasa, y en última instancia, el fosfato
pasará a una molécula de glucosa que es tomada del exterior de la célula y
liberada en forma de G6P en el interior celular. Se trata por tanto de acoplar
la primera y la última reacción de esta vía y usar el excedente de energía para
realizar un tipo de transporte a través de membrana denominado translocación de
grupo.
2°
paso: Glucosa-6-P isomerasa
Éste es un paso importante, puesto que aquí se define la geometría
molecular que afectará los dos pasos críticos en la glucólisis: El próximo
paso, que agregará un grupo fosfato al producto de esta reacción, y el paso 4,
cuando se creen dos moléculas de gliceraldehido que finalmente serán las
precursoras del piruvato.[1] En esta reacción, la glucosa-6-fosfato se isomeriza
a fructosa-6-fosfato, mediante la enzima glucosa-6-fosfato isomerasa. La isomerización
ocurre en una reacción de 4 pasos, que implica la apertura del anillo y un traspaso
de protones a través de un intermediario cis-enediol[8] Puesto que la energía
libre de esta reacción es igual a +1,7 kJ/mol la reacción es no espontánea y se
debe acoplar.
3°
paso: Fosfofructoquinasa
Fosforilación de la fructosa 6-fosfato en el carbono 1, con gasto de un
ATP, a través de la enzima fosfofructoquinasa-1 (PFK1). También este fosfato
tendrá una baja energía de hidrólisis. Por el mismo motivo que en la primera
reacción, el proceso es irreversible. El nuevo producto se denominará
fructosa-1,6-bifosfato. La irreversibilidad es importante, ya que la hace ser
el punto de control de la glucólisis. Como hay otros sustratos aparte de la glucosa
que entran en la glucólisis, el punto de control no está colocado en la primera
reacción, sino en ésta. La fosfofructoquinasa tiene centros alostéricos,
sensibles a las concentraciones de intermediarios como citrato y ácidos grasos.
Liberando una enzima llamada fosfructocinasa-2 que fosforila en el carbono 2 y
regula la reacción.
4°
paso: Aldolasa
La enzima aldolasa (fructosa-1,6-bifosfato aldolasa), mediante una
condensación aldólica reversible, rompe la fructosa-1,6-bifosfato en dos moléculas
de tres carbonos (triosas): dihidroxiacetona fosfato y
gliceraldehído-3-fosfato. Existen dos tipos de aldolasa, que difieren tanto en
el tipo de organismos donde se expresan, como en los intermediarios de reacción.
Esta reacción tiene una energía libre (ΔG) entre 20 a 25 kJ/mol, por lo tanto
en condiciones estándar no ocurre de manera espontánea. Sin embargo, en
condiciones intracelulares la energía libre es pequeña debido a la baja concentración
de los sustratos, lo que permite que esta reacción sea reversible [1]
5°
paso: Triosa fosfato isomerasa
Puesto que sólo el gliceraldehído-3-fosfato puede seguir los pasos
restantes de la glucólisis, la otra molécula generada por la reacción anterior
(dihidroxiacetona-fosfato) es isomerizada (convertida) en
gliceraldehído-3-fosfato. Esta reacción posee una energía libre en condiciones
estándar positiva, lo cual implicaría un proceso no favorecido, sin embargo al igual
que para la reacción 4, considerando las concentraciones intracelulares reales
del reactivo y el producto, se encuentra que la energía libre total es
negativa, por lo que la dirección favorecida es hacia la formación de G3P.
Éste es el último paso de la "fase de gasto de energía". Sólo
se ha consumido ATP en el primer paso (hexoquinasa) y el tercer paso
(fosfofructoquinasa-1). Cabe recordar que el 4to paso (aldolasa) genera una
molécula de gliceraldehído-3-fosfato, mientras que el 5to paso genera
una segunda molécula de éste. De aquí en adelante, las reacciones a seguir
ocurrirán dos veces, debido a las 2 moléculas de gliceraldehído generadas de
esta fase. Hasta esta reacción hay intervención de energía (ATP).
Fase de beneficio energético (ATP, NADH)
Hasta el momento solo se ha consumido energía (ATP), sin embargo, en la
segunda etapa, el gliceraldehído es convertido a una molécula de mucha energía,
donde finalmente se obtendrá el beneficio final de 4 moléculas de ATP.
6°
paso: Gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa
Esta reacción consiste en oxidar el gliceraldehído-3-fosfato utilizando
NAD+ para añadir un ion fosfato a la molécula, la cual es realizada
por la enzima gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa o bien, GAP
deshidrogenasa en 5 pasos, y de ésta manera aumentar la energía del compuesto. Técnicamente,
el grupo aldehído se oxida a un grupo acil-fosfato, que es un derivado de un carboxilo
fosfatado. Este compuesto posee una energía de hidrólisis sumamente alta
(cercana a los 50 kJ/mol) por lo que se da inicio al proceso de reacciones que
permitirán recuperar el ATP más adelante. Mientras el grupo aldehído se oxida,
el NAD+ se reduce, lo que hace de esta reacción una reacción redox.
El NAD+ se reduce por la incorporación de algún [H+]
dando como resultado una molécula de NADH de carga neutra.
7°
paso: Fosfoglicerato quinasa
En este paso, la enzima fosfoglicerato quinasa transfiere el grupo
fosfato de 1,3-bisfosfoglicerato a una molécula de ADP, generando así la
primera molécula de ATP de la vía. Como la glucosa se transformó en 2 moléculas
de gliceraldehído, en total se recuperan 2 ATP en esta etapa. Nótese que la
enzima fue nombrada por la reacción inversa a la mostrada, y que ésta opera en
ambas direcciones. Los pasos 6 y 7 de la glucólisis nos muestran un caso de
acoplamiento de reacciones, donde una reacción energéticamente desfavorable
(paso 6) es seguida por una reacción muy favorable energéticamente (paso 7) que
induce la primera reacción. En otras palabras, como la célula se mantiene en
equilibrio, el descenso en las reservas de 1,3 bifosfoglicerato empuja a la enzima
GAP deshidrogenasa a aumentar sus reservas. La cuantificación de la energía
libre para el acople de ambas reacciones es de alrededor de -12 kJ/mol. Ésta
manera de obtener ATP sin la necesidad de O2 se denomina fosforilación
a nivel de sustrato.
8°
paso: Fosfoglicerato mutasa
Se isomeriza el 3-fosfoglicerato procedente de la reacción anterior
dando 2-fosfoglicerato, la enzima que cataliza esta reacción es la fosfoglicerato
mutasa. Lo único que ocurre aquí es el cambio de posición del fosfato del C3 al
C2. Son energías similares y por tanto reversibles, con una variación de
energía libre cercana a cero.
9°
paso: Enolasa
La enzima enolasa propicia la formación de un doble enlace en el
2-fosfoglicerato, eliminando una molécula de agua formada por el hidrógeno del
C2 y el OH del C3. El resultado es el fosfoenolpiruvato.
10°
paso: Piruvato quinasa
Desfosforilación del fosfoenolpiruvato, obteniéndose piruvato y ATP.
Reacción irreversible mediada por la piruvato quinasa.
El enzima piruvato quinasa es dependiente de magnesio y potasio. La
energía libre es de -31,4 kJ/mol, por lo tanto la reacción es favorable e
irreversible. El rendimiento total de la glucólisis de una sola glucosa (6C) es
de 2 ATP y no 4 (dos por cada gliceraldehído-3-fosfato (3C)), ya que se
consumen 2 ATP en la primera fase, y 2 NADH (que dejarán los electrones Nc en
la cadena de transporte de electrones para formar 3 ATP por cada electrón). Con
la molécula de piruvato, mediante un paso de oxidación intermedio llamado
descarboxilación oxidativa, mediante el cual el piruvato pasa al interior de la
mitocondria, perdiendo CO2 y un electrón que oxida el NAD+, que pasa
a ser NADH más H+ y ganando un CoA-SH (coenzima A), formándose en acetil-CoA
gracias a la enzima piruvato deshidrogenasa, se puede entrar al ciclo de Krebs
(que, junto con la cadena de transporte de electrones, se denomina
respiración).
En resumen
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.
La glucólisis es la forma más rápida de conseguir energía para una
célula y, en el metabolismo de carbohidratos, generalmente es la primera vía a
la cual se recurre. Se encuentra estructurada en 10 reacciones enzimáticas que permiten
la transformación de una molécula de glucosa a dos moléculas de piruvato mediante
un proceso catabólico. La glucólisis es una de las vías más estudiadas, y
generalmente se encuentra dividida en dos fases: la primera, de gasto de
energía y la segunda fase, de obtención de energía.
La primera fase consiste en transformar una
molécula de glucosa en dos moléculas de gliceraldehído (una molécula de baja
energía) mediante el uso de 2 ATP. Esto permite duplicar los resultados de la segunda
fase de obtención energética.
En la segunda fase, el gliceraldehído se
transforma en un compuesto de alta energía, cuya hidrólisis genera una molécula
de ATP, y como se generaron 2 moléculas de gliceraldehído, se obtienen en
realidad dos moléculas de ATP. Esta obtención de energía se logra mediante el
acoplamiento de una reacción fuertemente exergónica después de una levemente
endergónica. Este acoplamiento ocurre una vez más en esta fase, generando dos
moléculas de piruvato. De esta manera, en la segunda fase se obtienen 4
moléculas de ATP.
A continuación se muestra un video que explica claramente la glucólisis; se identifican los metabolitos sintetizados y las enzimas que intervienen.
Posibles rutas metabólicas
Luego de que una molécula de glucosa se transforme en 2 moléculas de
piruvato, las condiciones del medio en que se encuentre determinarán la vía
metabólica a seguir.
En organismos aeróbicos, el piruvato seguirá oxidándose por la enzima
piruvato deshidrogenasa y el Ciclo de Krebs, creando intermediarios como NADH y
FADH2. Estos intermediarios no pueden cruzar la membrana
mitocondrial, y por lo tanto, utilizan sistemas de intercambio con otros
compuestos llamados lanzaderas (en inglés, shuttles). Los más
conocidos son la lanzadera malato-aspartato y la lanzadera glicerol-3-fosfato.
Los intermediarios logran entregar sus equivalentes [4] al interior de la
membrana mitocondrial, y que luego pasarán por la cadena de transporte de electrones,
que los usará para sintetizar ATP. De esta manera, se puede obtener hasta 30
moles de ATP a partir de 1 mol de glucosa como ganancia neta. Sin embargo,
cuando las células no posean mitocondrias (ej: eritrocito) o cuando requieran
de grandes cantidades de ATP (ej.: el músculo al ejercitarse), el piruvato
sufre fermentación que permite obtener 2 moles de ATP por cada mol de glucosa,
por lo que esta vía es poco eficiente respecto a la fase aeróbica de la
glucólisis. El tipo de fermentación varía respecto al tipo de organismos: en
levaduras, se produce fermentación alcohólica, produciendo etanol y CO2
como productos finales, mientras que en músculo, eritrocitos y algunos
microorganismos se produce fermentación láctica, que da como resultado ácido
láctico o lactato.
Regulación
de la actividad enzimática
La glucólisis se regula enzimáticamente en los tres puntos irreversibles
de esta ruta, esto es, en la primera reacción (G → G-6P), por medio de la hexoquinasa; en la tercera reacción (F-6P → F-1,6-BP)
por medio de la PFK1 y en el último paso (PEP → Piruvato)
por la piruvato quinasa.
• La hexoquinasa es un punto de regulación poco importante, ya
que se inhibe cuando hay mucho G-6P en músculo. Es un punto poco importante ya
que el G-6P se utiliza para otras vías.
• La fosfofructoquinasa-1 es la enzima principal de la regulación
de la glucólisis, actúa como una llave de agua, si está activa cataliza muchas
reacciones y se obtiene más Fructosa 1,6 bisfosfato, lo que permitirá a las
enzimas siguientes transformar mucho piruvato. Si está inhibida, se obtienen
bajas concentraciones de producto y por lo tanto se obtiene poco piruvato. Esta
enzima es controlada por regulación alostérica mediante: Por un lado se activa
gracias a niveles energéticos elevados de ADP y AMP, inhibiendose en abundancia
de ATP y citrato, y por otro se activa en presencia de un regulador generado
por la PFK2 que es la Fructosa-2,6-Bisfosfato (F-2,6-BP), que no es un
metabolito ni de la glucolisis ni de la gluconeogénesis, sino un regulador de
ambas vías que refleja el nivel de glucagón en sangre.
La lógica de la inhibición y activación son las siguientes:
• ATP: inhibe esta enzima pues si hay una alta concentración de ATP entonces
la célula no necesita generar más.
• Citrato: Si la concentración de citrato es alta el Ciclo de Krebs va
más despacio de lo que el sustrato (acetil-CoA) llega para degradarse, y la
concentración de glucosa será más alta. En el Ciclo de Krebs se produce mucho
NADH y FADH2, para que funcionen se han de reoxidar en la cadena de
transporte electrónico creando gradiente de protones, si el gradiente no se
gasta los coenzimas no se reoxidan y el Ciclo de Krebs se para.
• AMP, ADP: la alta concentración de estas moléculas implica que hay una
carencia de ATP, por lo que es necesario realizar glucólisis, para generar
piruvato y energía.
• La piruvatoquinasa se regula distintamente según el tejido en
el que trabaje, pero en hígado se inhibe en presencia de ATP y Acetil
Coenzima-A (Acetil-CoA), y se activa gracias de nuevo ante la F-2,6-BP y
la concentración de fosfoenolpiruvato.
Referencias (Wikipedia)
[1] David Nelson & Michael Cox (2004). «Glycolysis, Gluconeogenesis and the Pentose Phosphate Pathway». Lehningher's
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[2] Papers de Pasteur (http:/ / biotech. law. lsu.
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[3] Romano AH & Conway T. Evolution of
carbohydrate metabolic pathways. Res Microbiol. 147(6-7):448-55 (1996) PMID 9084754
[4] No se usan los intermediarios generados, sino que por medio de las
lanzaderas se vuelven a crear dentro de la mitocondria. Por esto se les llama
sus equivalentes. Para una visión química, visitar equivalentes
[5] Meyerhof, O. Ueber die enzymatische Milch-säurebildung im
Muskelextrakt; die Milch-säurebildung aus den gärfähigen Hexosen. Biochem Z.
183:176 (1927)
[6] Valores tomados de Lehningher's Principles of Biochemistry (ISBN
0-7167-4339-6) y del Volumen 3 de Biochemistry por J. Stenesh (ISBN 0-306-45733-4)
[7] Colowick, S. y Kalckar H.. The role
of myokinase in trans-phosphorylations; the enzymatic phosphorylation of
hexoses by adenyl pyrophosphate. J. Biol. Chem. 148: 117 (1943).
[8] Irwin A. Rose (2006). «Mechanism of
the Aldose-Ketose Isomerase Reactions». Advances in Enzymology - and Related
Areas of Molecular Biology, Volume 43. Wiley Interscience. ISBN 0471591788.
- doi 10.1002/9780470122884.ch6 (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1002/ 9780470122884. ch6)
[9] « Funciones de las plantas (http:/ / www. botanical-online. com/
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español). Consultado el 30 de agosto de 2011.
