Glucólisis
Los seres vivos dependen de los alimentos para sobrevivir. Una vez que estos alimentos ingresan al sistema digestivo y se terminan de descomponer en sus elementos básicos, se obtiene energía inmediata. Pero detrás de este proceso, subyace una compleja serie de eventos que ocurren totalmente desapercibidos. Uno de ellos es la glucólisis, que será el tema de esta publicación.
Antes de profundizar en la glucólisis, es conveniente señalar que la glucosa es un azúcar hexosa, lo que significa que es un monosacárido con 6 átomos de carbono y 6 átomos de oxígeno. El primer carbono tiene un grupo aldehído unido y los otros cinco carbonos tienen un grupo hidroxilo cada uno. Durante la glucólisis, la glucosa finalmente se descompone en piruvato y energía.
La glucólisis es un conjunto de reacciones bioquímicas en la que las células toman la glucosa y la descomponen en piruvato (moléculas de ácido pirúvico), dando como resultado la creación de 2 moléculas de ATP, las cuales pueden usarse para procesos celulares que requieren energía, de manera similar a como una batería alimenta un dispositivo electrónico.
En general, este proceso crea 4 moléculas de ATP, pero utiliza 2 al principio de la reacción, por lo que hay una ganancia neta de 2 moléculas de ATP. Además, el piruvato obtenido se puede utilizar en el ciclo del ácido cítrico o servir como precursor de otras reacciones.
Tabla de contenidos
Importancia de la glucólisis
Todas las células requieren de energía para llevar a cabo las reacciones metabólicas, lo cual se realiza a través de una molécula llamada ATP (adenosín trifosfato) que es popularmente conocida como la “moneda energética” de los procesos celulares.
Para obtener esta energía, las células llevan a cabo el proceso bioquímico conocido como glucólisis, que representa la ruta metabólica encargada de oxidar la glucosa, lo que se reconoce como la reacción base para la vida celular, y por ende, soporte fundamental de la vida; de allí su importancia.
La glucólisis es la primera de las cuatro etapas que conforman la respiración celular aeróbica y es la base de la respiración anaeróbica. Aeróbica se refiere al tipo de metabolismo que ocurre a través del oxígeno por medio de la oxidación del carbono; mientras que en los procesos anaeróbicos no se utiliza el oxígeno para lograr la oxidación, sino el nitrato.
El mecanismo general de la respiración celular implica cuatro procesos:
- Glucólisis, en la que las moléculas de glucosa se descomponen para formar moléculas de ácido pirúvico (piruvato).
- El ciclo de Krebs, en el que el ácido pirúvico se degrada y la energía de su molécula se utiliza para formar compuestos de alta energía, como el dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADH).
- El sistema de transporte de electrones, en el que los electrones se transportan a lo largo de una serie de coenzimas y citocromos y se libera la energía de los electrones.
- Quimiósmosis, en la que la energía emitida por los electrones bombea protones a través de una membrana y proporciona la energía para la síntesis de ATP.
Fases de la glucólisis
La glucólisis actúa como la vía central del metabolismo de los carbohidratos y ocurre en todos los tejidos como un proceso citosólico (en el citoplasma de la célula). Se trata de un proceso que es exergónico (libera energía) y oxidativo (provoca la reducción de NAD + a NADH), y con la acción de la enzima LDH (lactato deshidrogenasa), se puede realizar de forma anaeróbica.
Este proceso, que es la forma fundamental de los seres vivos para obtener energía, cuenta con 10 reacciones enzimáticas consecutivas, divididas en dos fases, que transforman la glucosa en 2 moléculas de piruvato.
Absorción de energía
La primera fase de la glucólisis, en la que absorbe energía, incluye las tres primeras reacciones. Esto implica la fosforilación de la glucosa, que le otorga una carga negativa, lo que evita el paso de la glucosa a través de la membrana plasmática y aumenta su reactividad. En este paso, se utilizan 2 moles de ATP. Seguidamente un resumen de los pasos de esta fase:
1.- Fosforilación de glucosa
El proceso comienza con la fosforilación de glucosa, un azúcar de 6 carbonos, en glucosa-6-fosfato. La enzima hexoquinasa elimina un grupo fosfato de alta energía de un ATP y lo coloca en una glucosa, lo que da como resultado un ADP (adenosín difosfato) y la glucosa-6-fosfato (G6P).
2.- Isomerización de glucosa-6-fosfato
En este paso, la enzima fosfoglucosa isomerasa convierte la molécula en un isómero, convirtiendo G6P en fructosa-6-fosfato (F6P).
3.- Fosforilación de fructosa-6-fosfato
En el tercer paso de la glucólisis, el F6P se fosforila. Para ello, la enzima fosfoglucosa isomerasa elimina el fósforo de un ATP y lo coloca en F6P, lo que da como resultado un ADP y fructosa-1,6-bifosfato.
Liberación de energía
La fase 2 de la glucólisis incluye las reacciones 4-10. La reacción 4 divide el 6C en dos moléculas de 3C, lo que significa que las reacciones 5-10 ocurren dos veces por cada molécula de glucosa. La reacción 6 captura una molécula de NADH (dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD) + hidrógeno (H)).
En la décima reacción ocurre la síntesis de ATP, lo que significa que se capturan 2 moléculas de ATP por reacción, 4 en total por glucosa. Sin embargo, solo hay una ganancia neta de 2 ATP por ciclo, ya que se usaron 2 en la primera fase. Los siguientes son los pasos que conforman la segunda fase de la glucólisis.
4.- Escisión de fructosa 1, 6-difosfato
Como recién se mencionó, en este paso la molécula de glucosa de 6 carbonos se divide en dos moléculas de 3C, por lo que los siguientes pasos del proceso 2 unidades de tres carbonos, en lugar de una molécula de 6 carbonos. Esto se logra gracias a la acción de la enzima fructosa difosfato aldolasa que descompone el F6P en gliceraldehído 3-fosfato (G3P) y fosfato de dihidroxiacetona (DHAP).
5.- Isomerización de fosfato de dihidroxiacetona
Debido a que el DHAP no se puede degradar fácilmente, se isomeriza mediante la presencia de la enzima triosa fosfato isomerasa, la cual convierte DHAP en G3P.
6.- Fosforilación oxidativa de gliceraldehído 3-fosfato
En este paso, la enzima G3P-deshidrogenasa elimina los hidrógenos de cada G3P y fosforila las moléculas. Al hacer esto, convierte dos NAD + en dos moléculas de NADH, creando dos moléculas de 1,3-bifosfoglicerato.
7.- Transferencia de fosfato de 1,3-difosfoglicerato a ADP
Este paso, que es en el que la glucólisis genera ATP, implica la transferencia del grupo fosfato del 1,3-bisfosfoglicerato al ADP por la acción de la enzima fosfoglicerato quinasa, produciendo así ATP y 3-fosfoglicerato. Dado que se forman dos moles de 1,3-bisfosfoglicerato a partir de un mol de glucosa, se generan dos ATP en este paso.
En el séptimo paso de la glucólisis, que es en el que se genera ATP, la enzima fosfoglicerato quinasa elimina el fósforo de los 1,3-bifosfogliceratos. Esto convierte dos ADP en dos moléculas de ATP y crea dos moléculas de fosfoglicerato.
8.- Isomerización de 3-fosfoglicerato
Aquí, la enzima fosfoglicerato mutasa mueve el fósforo al centro de la molécula.
9.- Deshidratación del 2-fosfoglicerato
En este paso, la enzima enolasa (fosfopiruvato hidratasa) deshidrata el 2-fosfoglicerato, cambiando la orientación de la molécula y creando dos moléculas de fosfoenolpiruvato.
10.- Transferencia de fosfato de fosfoenolpiruvato
Para cerrar el ciclo de la glucólisis, la enzima piruvato quinasa elimina las moléculas finales de fósforo, formando ATP y creando 2 moléculas de piruvato.
Destinos del piruvato
Aunque también sirve como precursor en muchas reacciones anabólicas, el piruvato obtenido en la glucólisis tiene tres posibles destinos catabólicos:
1.- Oxidación del piruvato
En los organismos aeróbicos, el piruvato se mueve luego a las mitocondrias donde se oxida en el grupo acetilo de la acetil-coenzima A (acetil Co-A). Este proceso implica la liberación de un mol de CO2. Posteriormente, la acetil CoA se oxida completamente en CO2 y H2O al ingresar al ciclo del ácido cítrico.
2.- Fermentación del ácido láctico
En condiciones donde el oxígeno es insuficiente, como en las células del músculo esquelético, el piruvato no se puede oxidar debido a la falta de oxígeno. En tales condiciones, el piruvato se reduce a lactato mediante el proceso de glucólisis anaeróbica.
3.- Fermentación alcohólica
En algunos microbios como levadura de cerveza, el piruvato formado a partir de la glucosa es anaeróbicamente convertida en etanol y CO2. Esta se considera la forma más antigua del metabolismo de la glucosa, como se observa en condiciones en las que la concentración de oxígeno es baja.
Funciones
La función principal de la glucólisis es producir energía en forma de ATP. Del mismo modo, la glucólisis también produce piruvato, que luego se oxida más para crear más ATP. En resumen, las funciones de la glucólisis incluyen los siguientes eventos:
- La glucosa se oxida en piruvato.
- Producción de 2 moléculas de NADH.
- Síntesis de ATP (2 netos por ciclo).
- Producción de 3C y 6C intermedios para otros usos.
- El ADP se fosforila en ATP.
Glucólisis y gluconeogénesis
La glucosa es un metabolito clave en el metabolismo humano, pero no siempre está disponible en niveles suficientes en la dieta. Por tanto, existe una vía que convierte otros alimentos en glucosa. Esta vía se llama gluconeogénesis, que es el proceso metabólico mediante el cual los organismos producen azúcares (glucosa) para reacciones catabólicas a partir de precursores que no son carbohidratos.
La gluconeogénesis se parece mucho a la glucólisis, solo que el proceso ocurre al revés. Sin embargo, existen algunas excepciones. En la glucólisis hay tres pasos altamente exergónicos (pasos 1, 3 y 10). Estos pasos también son reguladores que incluyen las enzimas hexoquinasa, fosfofructoquinasa y piruvato quinasa.
Las reacciones biológicas pueden ocurrir de forma bidireccional. Si la reacción ocurre en la dirección inversa, ahora se requiere la energía normalmente liberada en esa reacción. Si la gluconeogénesis ocurriera simplemente a la inversa, la reacción requeriría demasiada energía para ser rentable para ese organismo en particular.
Para superar este problema, la naturaleza desarrolló otras tres enzimas para reemplazar las enzimas hexoquinasa, fosfofructoquinasa y piruvato quinasa que intervienen en la glucólisis para permitir el proceso de gluconeogénesis.
Diferencias entre la glucólisis y la gluconeogénesis
El primer paso en la gluconeogénesis es la conversión de piruvato en ácido fosfoenolpirúvico (PEP). Las tres enzimas responsables de esta conversión son: (1) la piruvato carboxilasa, (2) la PEP carboxiquinasa y (3) la malato deshidrogenasa.
La piruvato carboxilasa se encuentra en las mitocondrias y convierte el piruvato en oxalacetato. Debido a que el oxalacetato no puede atravesar las membranas de las mitocondrias, primero debe convertirse en malato mediante la enzima malato deshidrogenasa.
Luego, este malato cruza la membrana de las mitocondrias hacia el citoplasma, donde luego se convierte nuevamente en oxalacetato. Por último, este oxalacetato se convierte en PEP a través de la carboxiquinasa PEP. Los siguientes pasos son exactamente los mismos que los de la glucólisis, solo que el proceso es a la inversa.
La segunda diferencia entre la gluconeogénesis y la glucólisis es la conversión de fructosa-1, 6-bisfosfato en fructosa-6-fosfato con el uso de la enzima fructosa-1, 6-fosfatasa. Esta conversión utiliza la enzima fosfoglucoisomerasa, la misma que usada por la glucólisis.
El último paso que diferencia a estos procesos es la conversión de glucosa-6-fosfato en glucosa con la enzima glucosa-6-fosfatasa, la cual se encuentra en el retículo endoplásmico de la célula.
Niveles equilibrados de glucosa
La gluconeogénesis se produce solo en el hígado y los riñones, y dado que el hígado es cinco veces más grande que los dos riñones combinados, sintetiza la mayor parte de la glucosa. La vía no ocurre en el cerebro, tejido graso o músculo esquelético.
Junto con la degradación del glucógeno, la gluconeogénesis asegura niveles estables de glucosa en la sangre entre comidas. Esta vía metabólica también nos permite mantener los niveles de glucosa necesarios cuando seguimos una dieta rica en proteínas, pero baja en carbohidratos, conocida como dieta cetogénica.