7.2: Glicólisis

Habilidades para Desarrollar

• Describir el resultado global en términos de moléculas producidas en la descomposición de la glucosa por glucólisis
• Comparar la producción de glucólisis en términos de moléculas de ATP y moléculas de NADH producidas

Has leído que casi toda la energía que utilizan las células vivas llega a ellas en los lazos del azúcar, la glucosa. La glucólisis es el primer paso en la descomposición de la glucosa para extraer energía para el metabolismo celular. Casi todos los organismos vivos llevan a cabo la glucólisis como parte de su metabolismo. El proceso no utiliza oxígeno y por lo tanto es anaeróbico. La glucólisis tiene lugar en el citoplasma tanto de células procariotas como eucariotas. La glucosa ingresa a las células heterótrofas de dos maneras. Un método es a través del transporte activo secundario en el que el transporte se realiza contra el gradiente de concentración de glucosa. El otro mecanismo utiliza un grupo de proteínas integrales llamadas proteínas GLUT, también conocidas como proteínas transportadoras de glucosa. Estos transportadores ayudan a facilitar la difusión de la glucosa.

La glucólisis comienza con la estructura en forma de anillo de seis carbonos de una sola molécula de glucosa y termina con dos moléculas de un azúcar de tres carbonos llamado piruvato. La glucólisis consta de dos fases distintas. La primera parte de la vía de glucólisis atrapa la molécula de glucosa en la célula y utiliza energía para modificarla de manera que la molécula de azúcar de seis carbonos se pueda dividir uniformemente en las dos moléculas de tres carbonos. La segunda parte de la glucólisis extrae energía de las moléculas y la almacena en forma de ATP y NADH, la forma reducida de NAD.

Primera mitad de la glucólisis (pasos que requieren energía)

Paso 1. El primer paso en la glucólisis (Figura\(\PageIndex{1}\)) es catalizado por la hexoquinasa, una enzima con amplia especificidad que cataliza la fosforilación de azúcares de seis carbonos. La hexoquinasa fosforila la glucosa usando ATP como fuente del fosfato, produciendo glucosa-6-fosfato, una forma más reactiva de glucosa. Esta reacción evita que la molécula de glucosa fosforilada continúe interactuando con las proteínas GLUT, y ya no puede salir de la célula debido a que el fosfato cargado negativamente no le permitirá cruzar el interior hidrófobo de la membrana plasmática.

Paso 2. En el segundo paso de la glucólisis, una isomerasa convierte la glucosa-6-fosfato en uno de sus isómeros, la fructosa-6-fosfato. Una isomerasa es una enzima que cataliza la conversión de una molécula en uno de sus isómeros. (Este cambio de fosfoglucosa a fosfofructosa permite la eventual división del azúcar en dos moléculas de tres carbonos).

Paso 3. El tercer paso es la fosforilación de fructosa-6-fosfato, catalizada por la enzima fosfofructoquinasa. Una segunda molécula de ATP dona un fosfato de alta energía a fructosa-6-fosfato, produciendo fructosa-1,6- bi esfosfato. En esta vía, la fosfofructoquinasa es una enzima limitante de la velocidad. Es activo cuando la concentración de ADP es alta; es menos activa cuando los niveles de ADP son bajos y la concentración de ATP es alta. Así, si hay ATP “suficiente” en el sistema, la vía se ralentiza. Este es un tipo de inhibición del producto final, ya que el ATP es el producto final del catabolismo de la glucosa.

Paso 4. Los fosfatos de alta energía recién agregados desestabilizan aún más la fructosa-1,6-bisfosfato. El cuarto paso en la glucólisis emplea una enzima, la aldolasa, para escindir 1,6-bisfosfato en dos isómeros de tres carbonos: dihidroxiacetona-fosfato y gliceraldehído-3-fosfato.

Paso 5. En la quinta etapa, una isomerasa transforma la dihidroxiacetona-fosfato en su isómero, gliceraldehído-3-fosfato. Así, la ruta continuará con dos moléculas de un solo isómero. En este punto de la ruta, hay una inversión neta de energía de dos moléculas de ATP en la descomposición de una molécula de glucosa.

Figura\(\PageIndex{1}\): La primera mitad de la glucólisis utiliza dos moléculas de ATP en la fosforilación de la glucosa, que luego se divide en dos moléculas de tres carbonos.

Segunda mitad de la glucólisis (pasos de liberación de energía)

Hasta el momento, la glucólisis le ha costado a la célula dos moléculas de ATP y ha producido dos moléculas pequeñas de azúcar de tres carbonos. Ambas moléculas procederán a través de la segunda mitad de la vía, y se extraerá suficiente energía para devolver las dos moléculas de ATP utilizadas como inversión inicial y producir un beneficio para la célula de dos moléculas de ATP adicionales y dos moléculas de NADH de mayor energía.

Paso 6. El sexto paso en la glucólisis (Figura\(\PageIndex{2}\)) oxida el azúcar (gliceraldehído-3-fosfato), extrayendo electrones de alta energía, los cuales son captados por el portador de electrones NAD ⁺, produciendo NADH. El azúcar se fosforila luego mediante la adición de un segundo grupo fosfato, produciendo 1,3-bisfosfoglicerato. Tenga en cuenta que el segundo grupo fosfato no requiere otra molécula de ATP.

Figura\(\PageIndex{2}\): La segunda mitad de la glucólisis implica fosforilación sin inversión de ATP (etapa 6) y produce dos moléculas de NADH y cuatro moléculas de ATP por glucosa.

Aquí de nuevo es un factor limitante potencial para esta vía. La continuación de la reacción depende de la disponibilidad de la forma oxidada del portador de electrones, NAD ⁺. Por lo tanto, el NADH debe oxidarse continuamente de nuevo en NAD ⁺ para mantener este paso adelante. Si el NAD ⁺ no está disponible, la segunda mitad de la glucólisis se ralentiza o se detiene. Si hay oxígeno disponible en el sistema, el NADH se oxidará fácilmente, aunque indirectamente, y los electrones de alta energía del hidrógeno liberado en este proceso se utilizarán para producir ATP. En un ambiente sin oxígeno, una vía alternativa (fermentación) puede proporcionar la oxidación de NADH a NAD ⁺.

Paso 7. En el séptimo paso, catalizado por fosfoglicerato quinasa (una enzima llamada así por la reacción inversa), el 1,3-bisfosfoglicerato dona un fosfato de alta energía al ADP, formando una molécula de ATP. (Este es un ejemplo de fosforilación a nivel de sustrato). Un grupo carbonilo en el 1,3-bisfosfosglicerato se oxida a un grupo carboxilo, y se forma 3-fosfoglicerato.

Paso 8. En la octava etapa, el grupo fosfato restante en el 3-fosfoglicerato se mueve del tercer carbono al segundo carbono, produciendo 2-fosfoglicerato (un isómero del 3-fosfoglicerato). La enzima que cataliza esta etapa es una mutasa (isomerasa).

Paso 9. La enolasa cataliza el noveno paso. Esta enzima hace que el 2-fosfoglicerato pierda agua de su estructura; esta es una reacción de deshidratación, dando como resultado la formación de un doble enlace que aumenta la energía potencial en el enlace fosfato restante y produce fosfoenolpiruvato (PEP).

Paso 10. El último paso en la glucólisis es catalizado por la enzima piruvato quinasa (la enzima en este caso se llama así por la reacción inversa de la conversión del piruvato en PEP) y da como resultado la producción de una segunda molécula de ATP por fosforilación a nivel de sustrato y el compuesto ácido pirúvico (o su forma de sal, piruvato). Muchas enzimas en las vías enzimáticas reciben el nombre de las reacciones inversas, ya que la enzima puede catalizar reacciones tanto directas como inversas (estas pueden haber sido descritas inicialmente por la reacción inversa que tiene lugar in vitro, en condiciones no fisiológicas).

Enlace al aprendizaje

Obtenga una mejor comprensión de la descomposición de la glucosa por glucólisis visitando este sitio para ver el proceso en acción.

Resultados de la glucólisis

La glucólisis comienza con glucosa y termina con dos moléculas de piruvato, un total de cuatro moléculas de ATP y dos moléculas de NADH. Se utilizaron dos moléculas de ATP en la primera mitad de la ruta para preparar el anillo de seis carbonos para la escisión, por lo que la célula tiene una ganancia neta de dos moléculas de ATP y 2 moléculas de NADH para su uso. Si la célula no puede catabolizar aún más las moléculas de piruvato, cosechará solo dos moléculas de ATP de una molécula de glucosa. Los glóbulos rojos de mamíferos maduros no son capaces de respirar aeróbica —el proceso en el que los organismos convierten la energía en presencia de oxígeno— y la glucólisis es su única fuente de ATP. Si se interrumpe la glucólisis, estas células pierden su capacidad de mantener sus bombas de sodio-potasio, y eventualmente, mueren.

El último paso en la glucólisis no ocurrirá si la piruvato quinasa, la enzima que cataliza la formación de piruvato, no está disponible en cantidades suficientes. En esta situación, procederá toda la vía de la glucólisis, pero en la segunda mitad solo se elaborarán dos moléculas de ATP. Por lo tanto, la piruvato quinasa es una enzima limitante de la velocidad para la glucólisis.

Resumen

La glucólisis es la primera vía utilizada en la descomposición de la glucosa para extraer energía. Probablemente fue una de las primeras vías metabólicas en evolucionar y es utilizada por casi todos los organismos en la tierra. La glucólisis consta de dos partes: La primera parte prepara el anillo de seis carbonos de glucosa para su escisión en dos azúcares de tres carbonos. El ATP se invierte en el proceso durante esta mitad para energizar la separación. La segunda mitad de la glucólisis extrae ATP y electrones de alta energía de los átomos de hidrógeno y los une a NAD ⁺. Dos moléculas de ATP se invierten en la primera mitad y cuatro moléculas de ATP se forman por fosforilación del sustrato durante la segunda mitad. Esto produce una ganancia neta de dos moléculas de ATP y dos NADH para la célula.

Glosario

respiración aeróbica

proceso en el que los organismos convierten energía en presencia de oxígeno

anaeróbico

proceso que no usa oxígeno

glucólisis

proceso de romper la glucosa en dos moléculas de tres carbonos con la producción de ATP y NADH

isomerasa

enzima que convierte una molécula en su isómero

piruvato

azúcar de tres carbonos que puede descarboxilarse y oxidarse para hacer acetil CoA, que ingresa al ciclo del ácido cítrico en condiciones aeróbicas; el producto final de la glucólisis