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Resumen de la respiración aeróbica

La glucólisis es la vía metabólica que convierte la glucosa C 6 H 12 O 6 en piruvato , CH 3 COCOO - , y un ion hidrógeno , H + . La energía libre liberada en este proceso se utiliza para formar moléculas de alta energía ATP ( trifosfato de adenosina ) y NADH ( dinucleótido de nicotinamida y adenina reducido ). [1] [2] [3] La glucólisis es una secuencia de diez enzimas reacciones catalizadas. La mayoría de los monosacáridos , comofructosa y galactosa , se pueden convertir en uno de estos intermedios. Los intermedios también pueden ser directamente útiles en lugar de utilizarse simplemente como pasos en la reacción general. Por ejemplo: el fosfato de dihidroxiacetona intermedio (DHAP) es una fuente de glicerol que se combina con ácidos grasos para formar grasa.

La glucólisis es una vía metabólica independiente del oxígeno. La amplia aparición de glucólisis indica que es una vía metabólica antigua. [4] De hecho, las reacciones que constituyen la glucólisis y su vía paralela, la vía de las pentosas fosfato , ocurren catalizadas por metales en las condiciones libres de oxígeno de los océanos arcaicos , también en ausencia de enzimas. [5]

En la mayoría de los organismos, la glucólisis se produce en el citosol . El tipo más común de glucólisis es la vía Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) , que fue descubierta por Gustav Embden , Otto Meyerhof y Jakub Karol Parnas . La glucólisis también se refiere a otras vías, como la vía Entner-Doudoroff y varias vías heterofermentativas y homofermentativas. Sin embargo, la discusión aquí se limitará a la vía Embden-Meyerhof-Parnas. [6]

La vía de la glucólisis se puede dividir en dos fases: [2]

  1. La fase preparatoria (o de inversión): en la que se consume ATP.
  2. La fase de pago, en la que se produce ATP.

Resumen [ editar ]

La reacción general de la glucólisis es:

d -Glucosa

 

+ 2 [NAD] +
+ 2 [ADP]
+ 2 [P] i

 

2 × piruvato

2 × 

 

+ 2 [NADH]
+ 2 H +
+ 2 [ATP]
+ 2 H 2 O
Descripción general de la vía de la glucólisis.

El uso de símbolos en esta ecuación hace que parezca desequilibrada con respecto a los átomos de oxígeno, átomos de hidrógeno y cargas. Equilibrio Atom es mantenido por los dos fosfato (P i grupos): [7]

  • Cada uno existe en forma de anión hidrogenofosfato (HPO 4 2− ), que se disocia para contribuir con 2 H + en general.
  • Cada uno libera un átomo de oxígeno cuando se une a una molécula de difosfato de adenosina (ADP), contribuyendo con 2  O en total.

Los cargos se equilibran con la diferencia entre ADP y ATP. En el ambiente celular, los tres grupos hidroxilo de ADP se disocian en −O - y H + , dando ADP 3− , y este ion tiende a existir en un enlace iónico con Mg 2+ , dando ADPMg - . El ATP se comporta de manera idéntica excepto que tiene cuatro grupos hidroxilo, lo que da ATPMg 2− . Cuando estas diferencias junto con las cargas verdaderas de los dos grupos fosfato se consideran juntas, las cargas netas de -4 en cada lado se equilibran.

Para fermentaciones simples , el metabolismo de una molécula de glucosa a dos moléculas de piruvato tiene un rendimiento neto de dos moléculas de ATP. La mayoría de las células luego llevarán a cabo más reacciones para "reembolsar" el NAD + usado y producir un producto final de etanol o ácido láctico . Muchas bacterias utilizan compuestos inorgánicos como aceptores de hidrógeno para regenerar el NAD + .

Las células que realizan respiración aeróbica sintetizan mucho más ATP, pero no como parte de la glucólisis. Estas reacciones aeróbicas adicionales utilizan piruvato y NADH + H + de la glucólisis. La respiración aeróbica eucariota produce aproximadamente 34 moléculas adicionales de ATP por cada molécula de glucosa, sin embargo, la mayoría de estas son producidas por un mecanismo muy diferente al de la fosforilación a nivel de sustrato en la glucólisis.

La producción de menor energía, por glucosa, de la respiración anaeróbica en relación con la respiración aeróbica, da como resultado un mayor flujo a través de la vía en condiciones de hipoxia (bajo nivel de oxígeno), a menos que se encuentren fuentes alternativas de sustratos oxidables anaeróbicamente, como los ácidos grasos.

Metabolismo de monosacáridos comunes , incluida la glucólisis, gluconeogénesis , glucogénesis y glucogenólisis.

Historia [ editar ]

La vía de la glucólisis, como se la conoce hoy en día, tardó casi 100 años en dilucidarse por completo. [8] Se requirieron los resultados combinados de muchos experimentos más pequeños para comprender la vía en su conjunto.

Los primeros pasos para comprender la glucólisis comenzaron en el siglo XIX con la industria del vino. Por razones económicas, la industria del vino francés trató de investigar por qué el vino a veces resultaba desagradable, en lugar de fermentar en alcohol. El científico francés Louis Pasteur investigó este tema durante la década de 1850, y los resultados de sus experimentos iniciaron el largo camino para dilucidar la vía de la glucólisis. [9] Sus experimentos mostraron que la fermentación ocurre por la acción de microorganismos vivos , levaduras y que el consumo de glucosa de la levadura disminuyó en condiciones aeróbicas de fermentación, en comparación con condiciones anaeróbicas (el efecto Pasteur ). [10]

Eduard Buchner. Fermentación descubierta sin células.

Los experimentos de fermentación no celular de Eduard Buchner durante la década de 1890 proporcionaron información sobre los pasos que componen la glucólisis . [11] [12] Buchner demostró que la conversión de glucosa en etanol era posible utilizando un extracto no vivo de levadura (debido a la acción de las enzimas en el extracto). [13] Este experimento no solo revolucionó la bioquímica, sino que también permitió a los científicos posteriores analizar esta vía en un entorno de laboratorio más controlado. En una serie de experimentos (1905-1911), los científicos Arthur Harden y William Young descubrieron más piezas de glucólisis. [14]Descubrieron los efectos reguladores del ATP sobre el consumo de glucosa durante la fermentación del alcohol. También arrojaron luz sobre el papel de un compuesto como intermedio de la glucólisis: fructosa 1,6-bisfosfato. [15]

La elucidación de la fructosa 1,6-bisfosfato se logró midiendo los niveles de CO 2 cuando se incubó jugo de levadura con glucosa. La producción de CO 2 aumentó rápidamente y luego se ralentizó. Harden y Young señalaron que este proceso se reiniciaría si se añadiera un fosfato inorgánico (Pi) a la mezcla. Harden y Young dedujeron que este proceso producía ésteres de fosfato orgánico, y experimentos posteriores les permitieron extraer difosfato de fructosa (F-1,6-DP).

Arthur Harden y William Young, junto con Nick Sheppard, determinaron, en un segundo experimento, que una fracción subcelular de alto peso molecular sensible al calor (las enzimas) y una fracción de citoplasma de bajo peso molecular insensible al calor (ADP, ATP y NAD) + y otros cofactores ) se requieren juntos para que prosiga la fermentación. Este experimento comenzó observando que el jugo de levadura dializado (purificado) no podía fermentar o incluso crear un fosfato de azúcar. Esta mezcla se rescató con la adición de extracto de levadura no dializado que había sido hervido. Hervir el extracto de levadura inactiva todas las proteínas (ya que las desnaturaliza). La capacidad del extracto hervido más el jugo dializado para completar la fermentación sugiere que los cofactores eran de carácter no proteico.[14]

Otto Meyerhof. Uno de los principales científicos involucrados en completar el rompecabezas de la glucólisis.

En la década de 1920, Otto Meyerhof pudo unir algunas de las muchas piezas individuales de glucólisis descubiertas por Buchner, Harden y Young. Meyerhof y su equipo pudieron extraer diferentes enzimas glucolíticas del tejido muscular y combinarlas para crear artificialmente la vía del glucógeno al ácido láctico. [16] [17]

En un artículo, Meyerhof y la científica Renate Junowicz-Kockolaty investigaron la reacción que divide la fructosa 1,6-difosfato en dos triosa fosfatos. Trabajos anteriores propusieron que la división se produjo a través de 1,3-difosfogliceraldehído más una enzima oxidante y cosymasa. Meyerhoff y Junowicz encontraron que la constante de equilibrio para la reacción de isomerasa y aldosa no se veía afectada por los fosfatos inorgánicos o cualquier otra cosmosa o enzima oxidante. Además, eliminaron el difosfogliceraldehído como posible intermedio en la glucólisis. [17]

Con todas estas piezas disponibles en la década de 1930, Gustav Embden propuso un esquema detallado, paso a paso, de esa vía que ahora conocemos como glucólisis. [18] Las mayores dificultades para determinar las complejidades de la vía se debieron a la muy corta vida útil y las bajas concentraciones en estado estacionario de los intermedios de las reacciones glucolíticas rápidas. En la década de 1940, Meyerhof, Embden y muchos otros bioquímicos finalmente habían completado el rompecabezas de la glucólisis. [17] La comprensión de la vía aislada se ha ampliado en las décadas posteriores, para incluir más detalles de su regulación e integración con otras vías metabólicas.

Secuencia de reacciones [ editar ]

Resumen de reacciones [ editar ]

Glucosa

Hexoquinasa

ATP
ADP

Glucosa 6-fosfato

La glucosa-6-fosfato isomerasa

Fructosa 6-fosfato

Fosfofructoquinasa-1

ATP
ADP

Fructosa 1,6-bisfosfato

Fructosa-bisfosfato aldolasa

Fosfato de dihidroxiacetona

+

+

Gliceraldehído 3-fosfato

Triosafosfato isomerasa

2 × gliceraldehído 3-fosfato

2 × 

Gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa

NAD + + P i
NADH + H +
NAD + + P i
NADH + H +

2 × 1,3-bisfosfoglicerato

2 × 

Fosfoglicerato quinasa

ADP
ATP
ADP
ATP

2 × 3-fosfoglicerato

2 × 

Fosfoglicerato mutasa

2 × 2-fosfoglicerato

2 × 

Fosfopiruvato hidratasa ( enolasa )

 
H 2 O
 
H 2 O

2 × fosfoenolpiruvato

2 × 

Piruvato quinasa

ADP
ATP

2 × piruvato

2 × 

Fase preparatoria [ editar ]

Los primeros cinco pasos de la glucólisis se consideran la fase preparatoria (o de inversión), ya que consumen energía para convertir la glucosa en dos azúcares fosfatos de tres carbonos [2] ( G3P ).

d - Glucosa ( Glc )Hexoquinasa glucoquinasa ( HK )
a transferasa		α- d - Glucosa-6-fosfato ( G6P )
 
ATPH + + ADP
 
 

El primer paso es la fosforilación de la glucosa por una familia de enzimas llamadas hexocinasas para formar glucosa 6-fosfato (G6P). Esta reacción consume ATP, pero actúa para mantener baja la concentración de glucosa, promoviendo el transporte continuo de glucosa hacia la célula a través de los transportadores de la membrana plasmática. Además, bloquea la fuga de glucosa: la célula carece de transportadores para G6P y se evita la difusión libre fuera de la célula debido a la naturaleza cargada de G6P. Alternativamente, la glucosa puede formarse a partir de la fosforolisis o hidrólisis de almidón o glucógeno intracelular.

En los animales , una isoenzima de hexoquinasa llamada glucoquinasa también se usa en el hígado, que tiene una afinidad mucho menor por la glucosa (K m en las proximidades de la glucemia normal) y difiere en sus propiedades reguladoras. La diferente afinidad por el sustrato y la regulación alternativa de esta enzima son un reflejo del papel del hígado en el mantenimiento de los niveles de azúcar en sangre.

Cofactores: Mg 2+

α- d - Glucosa 6-fosfato ( G6P )Fosfoglucosa isomerasa ( PGI )
una isomerasa		β- d - Fructosa 6-fosfato ( F6P )
 
 
 

A continuación, la glucosa fosfato isomerasa reordena la G6P en fructosa 6-fosfato (F6P) . La fructosa también puede entrar en la vía glucolítica por fosforilación en este punto.

El cambio de estructura es una isomerización, en la que el G6P se ha convertido en F6P. La reacción requiere una enzima, fosfoglucosa isomerasa, para continuar. Esta reacción es libremente reversible en condiciones normales de celda. Sin embargo, a menudo se impulsa debido a una baja concentración de F6P, que se consume constantemente durante el siguiente paso de la glucólisis. En condiciones de alta concentración de F6P, esta reacción se produce fácilmente a la inversa. Este fenómeno se puede explicar a través del Principio de Le Chatelier . La isomerización a un ceto-azúcar es necesaria para la estabilización del carbanión en el cuarto paso de reacción (a continuación).

β- d - Fructosa 6-fosfato ( F6P )Fosfofructoquinasa ( PFK-1 )
una transferasa		β- d - Fructosa 1,6-bisfosfato ( F1,6BP )
 
ATPH + + ADP
 
 

El gasto energético de otro ATP en este paso se justifica de 2 formas: el proceso glucolítico (hasta este paso) se vuelve irreversible y la energía suministrada desestabiliza la molécula. Debido a que la reacción catalizada por la fosfofructoquinasa 1 (PFK-1) está acoplada a la hidrólisis de ATP (un paso energéticamente favorable) es, en esencia, irreversible, y se debe utilizar una vía diferente para realizar la conversión inversa durante la gluconeogénesis . Esto hace que la reacción sea un punto regulatorio clave (ver más abajo). Este es también el paso que limita la velocidad.

Además, el segundo evento de fosforilación es necesario para permitir la formación de dos grupos cargados (en lugar de solo uno) en el paso posterior de la glucólisis, asegurando la prevención de la difusión libre de sustratos fuera de la célula.

La misma reacción también puede ser catalizada por fosfofructoquinasa dependiente de pirofosfato ( PFP o PPi-PFK ), que se encuentra en la mayoría de las plantas, algunas bacterias, arqueas y protistas, pero no en animales. Esta enzima utiliza pirofosfato (PPi) como donante de fosfato en lugar de ATP. Es una reacción reversible que aumenta la flexibilidad del metabolismo glucolítico. [19] Se ha identificado una variante de la enzima PFK dependiente de ADP más rara en especies de arqueas. [20]

Cofactores: Mg 2+

β- d - Fructosa 1,6-bisfosfato ( F1,6BP )Fructosa-bisfosfato aldolasa ( ALDO )
una liasa		d - Gliceraldehído 3-fosfato ( GADP )Fosfato de dihidroxiacetona ( DHAP )
+

La desestabilización de la molécula en la reacción anterior permite que el anillo de hexosa sea dividido por la aldolasa en dos azúcares triosa: fosfato de dihidroxiacetona (una cetosa) y 3-fosfato de gliceraldehído (una aldosa). Hay dos clases de aldolasas: aldolasas de clase I, presentes en animales y plantas, y aldolasas de clase II, presentes en hongos y bacterias; las dos clases utilizan diferentes mecanismos para escindir el anillo de cetosa.

Los electrones deslocalizados en la escisión del enlace carbono-carbono se asocian con el grupo alcohol. El carbanión resultante es estabilizado por la estructura del propio carbanión a través de la distribución de carga de resonancia y por la presencia de un grupo protésico de iones cargado.

Fosfato de dihidroxiacetona ( DHAP )Triosefosfato isomerasa ( TPI )
una isomerasa		d - Gliceraldehído 3-fosfato ( GADP )
 
 
 

La triosafosfato isomerasa interconvierte rápidamente el fosfato de dihidroxiacetona con el 3-fosfato de gliceraldehído ( GADP ) que avanza en la glucólisis. Esto es ventajoso, ya que dirige el fosfato de dihidroxiacetona por la misma vía que el 3-fosfato de gliceraldehído, lo que simplifica la regulación.

Fase de pago [ editar ]

La segunda mitad de la glucólisis se conoce como fase de pago, caracterizada por una ganancia neta de las moléculas ricas en energía ATP y NADH. [2] Dado que la glucosa conduce a dos azúcares triosa en la fase preparatoria, cada reacción en la fase de pago ocurre dos veces por molécula de glucosa. Esto produce 2 moléculas de NADH y 4 moléculas de ATP, lo que lleva a una ganancia neta de 2 moléculas de NADH y 2 moléculas de ATP de la vía glucolítica por glucosa.

Gliceraldehído 3-fosfato ( GADP )Gliceraldehído fosfato deshidrogenasa ( GAPDH )
una oxidorreductasa		d - 1,3-bisfosfoglicerato ( 1,3BPG )
 
NAD + + P iNADH + H +
  
 
 

Los grupos aldehído de los azúcares triosa se oxidan y se les añade fosfato inorgánico , formando 1,3-bisfosfoglicerato .

El hidrógeno se usa para reducir dos moléculas de NAD + , un portador de hidrógeno, para dar NADH + H + para cada triosa.

Equilibrio átomo de hidrógeno y el equilibrio de carga son a la vez mantienen debido a que el fosfato (P i grupo) existe en realidad en la forma de un hidrógeno fosfato de aniones (HPO 4 2- ), [7] que se disocia a aportar los H adicional + ion y da una neta carga de -3 en ambos lados.

Aquí, el arseniato (AsO 4 3 - ), un anión similar al fosfato inorgánico, puede reemplazar al fosfato como sustrato para formar 1-arseno-3-fosfoglicerato. Esto, sin embargo, es inestable y se hidroliza fácilmente para formar 3-fosfoglicerato , el intermedio en el siguiente paso de la ruta. Como consecuencia de omitir este paso, la molécula de ATP generada a partir de 1-3 bisfosfoglicerato en la siguiente reacción no se producirá, incluso aunque la reacción prosiga. Como resultado, el arseniato es un desacoplador de la glucólisis. [21]

1,3-bisfosfoglicerato ( 1,3BPG )Fosfoglicerato quinasa ( PGK )
a transferasa		3-fosfoglicerato ( 3PG )
 
ADPATP
  
 
 Fosfoglicerato quinasa ( PGK )

Este paso es la transferencia enzimática de un grupo fosfato del 1,3-bisfosfoglicerato al ADP mediante la fosfoglicerato quinasa , formando ATP y 3-fosfoglicerato . En este paso, la glucólisis ha alcanzado el punto de equilibrio: se consumieron 2 moléculas de ATP y ahora se han sintetizado 2 nuevas moléculas. Este paso, uno de los dos pasos de fosforilación a nivel de sustrato , requiere ADP; por lo tanto, cuando la célula tiene mucho ATP (y poco ADP), esta reacción no ocurre. Debido a que el ATP se descompone con relativa rapidez cuando no se metaboliza, este es un punto regulador importante en la vía glucolítica.

ADP existe en realidad como ADPMg - y ATP como ATPMg 2− , equilibrando las cargas en −5 en ambos lados.

Cofactores: Mg 2+

3-fosfoglicerato ( 3PG )Fosfoglicerato mutasa ( PGM )
una mutasa		2-fosfoglicerato ( 2PG )
 
 
 

La fosfoglicerato mutasa isomeriza el 3-fosfoglicerato en 2-fosfoglicerato .

2-fosfoglicerato ( 2PG )Enolasa ( ENO )
una liasa		Fosfoenolpiruvato ( PEP )
 
H 2 O
 
 
 Enolasa ( ENO )

A continuación, la enolasa convierte el 2-fosfoglicerato en fosfoenolpiruvato . Esta reacción es una reacción de eliminación que involucra un mecanismo E1cB .

Cofactores: 2 Mg 2+ , un ion "conformacional" para coordinar con el grupo carboxilato del sustrato y un ion "catalítico" que participa en la deshidratación.

Fosfoenolpiruvato ( PEP )Piruvato quinasa ( PK )
a transferasa		Piruvato ( Pyr )
 
ADP + H +ATP
 
 

Una fosforilación final a nivel de sustrato ahora forma una molécula de piruvato y una molécula de ATP por medio de la enzima piruvato quinasa . Esto sirve como un paso regulador adicional, similar al paso de fosfoglicerato quinasa.

Cofactores: Mg 2+

Lógica bioquímica [ editar ]

La existencia de más de un punto de regulación indica que los intermediarios entre esos puntos entran y salen de la vía de la glucólisis por otros procesos. Por ejemplo, en el primer paso regulado, la hexoquinasa convierte la glucosa en glucosa-6-fosfato. En lugar de continuar por la vía de la glucólisis, este intermedio se puede convertir en moléculas de almacenamiento de glucosa, como glucógeno o almidón . La reacción inversa, que descompone, por ejemplo, el glucógeno, produce principalmente glucosa-6-fosfato; en la reacción se forma muy poca glucosa libre. La glucosa-6-fosfato así producida puede entrar en la glucólisis después del primer punto de control.

En el segundo paso regulado (el tercer paso de la glucólisis), la fosfofructoquinasa convierte la fructosa-6-fosfato en fructosa-1,6-bisfosfato, que luego se convierte en gliceraldehído-3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato. El fosfato de dihidroxiacetona se puede eliminar de la glucólisis mediante conversión en glicerol-3-fosfato, que se puede usar para formar triglicéridos. [22] Por el contrario, los triglicéridos se pueden descomponer en ácidos grasos y glicerol; este último, a su vez, se puede convertir en fosfato de dihidroxiacetona, que puede entrar en la glucólisis después del segundo punto de control.

Cambios de energía gratuitos [ editar ]

Concentraciones de metabolitos en eritrocitos [23]
CompuestoConcentración / mM
Glucosa5,0
Glucosa-6-fosfato0.083
Fructosa-6-fosfato0,014
Fructosa-1,6-bisfosfato0,031
Fosfato de dihidroxiacetona0,14
Gliceraldehído-3-fosfato0,019
1,3-bisfosfoglicerato0,001
2,3-bisfosfoglicerato4.0
3-fosfoglicerato0,12
2-fosfoglicerato0,03
Fosfoenolpiruvato0.023
Piruvato0.051
ATP1,85
ADP0,14
P i1.0

El cambio en la energía libre, Δ G , para cada paso en la vía de la glucólisis se puede calcular utilizando Δ G = Δ G ° '+ RT en Q , donde Q es el cociente de reacción . Esto requiere conocer las concentraciones de los metabolitos . Todos estos valores están disponibles para eritrocitos , con la excepción de las concentraciones de NAD + y NADH. La proporción de NAD + a NADH en el citoplasma es de aproximadamente 1000, lo que hace que la oxidación del gliceraldehído-3-fosfato (paso 6) sea más favorable.

Utilizando las concentraciones medidas de cada paso y los cambios de energía libre estándar, se puede calcular el cambio de energía libre real. (Descuidar esto es muy común: el delta G de la hidrólisis de ATP en las células no es el cambio de energía libre estándar de la hidrólisis de ATP citado en los libros de texto).

Cambio en la energía libre para cada paso de la glucólisis [24]
PasoReacciónΔ G ° '/ (kJ / mol)Δ G / (kJ / mol)
1Glucosa + ATP 4− → Glucosa-6-fosfato 2− + ADP 3− + H +−16,7−34
2Glucosa-6-fosfato 2− → Fructosa-6-fosfato 2−1,67−2,9
3Fructosa-6-fosfato 2− + ATP 4− → Fructosa-1,6-bisfosfato 4− + ADP 3− + H +−14,2−19
4Fructosa-1,6-bisfosfato 4− → Dihidroxiacetona fosfato 2− + Gliceraldehído-3-fosfato 2−23,9−0,23
5Dihidroxiacetona fosfato 2− → Gliceraldehído-3-fosfato 2−7.562.4
6Gliceraldehído-3-fosfato 2− + P i 2− + NAD + → 1,3-Bisfosfoglicerato 4− + NADH + H +6.30−1,29
71,3-bisfosfoglicerato 4− + ADP 3− → 3-fosfoglicerato 3− + ATP 4−−18,90,09
83-fosfoglicerato 3− → 2-fosfoglicerato 3−4.40,83
92-Fosfoglicerato 3− → Fosfoenolpiruvato 3− + H 2 O1.81.1
10Fosfoenolpiruvato 3− + ADP 3− + H + → Piruvato - + ATP 4−−31,7−23,0

Al medir las concentraciones fisiológicas de metabolitos en un eritrocito, parece que aproximadamente siete de los pasos de la glucólisis están en equilibrio para ese tipo de célula. Tres de los pasos, los que tienen grandes cambios negativos de energía libre, no están en equilibrio y se denominan irreversibles ; estos pasos a menudo están sujetos a regulación.

El paso 5 en la figura se muestra detrás de los otros pasos, porque ese paso es una reacción secundaria que puede disminuir o aumentar la concentración del intermedio gliceraldehído-3-fosfato. Ese compuesto se convierte en dihidroxiacetona fosfato por la enzima triosa fosfato isomerasa, que es una enzima catalíticamente perfecta ; su velocidad es tan rápida que se puede suponer que la reacción está en equilibrio. El hecho de que Δ G no sea cero indica que las concentraciones reales en el eritrocito no se conocen con precisión.

Reglamento [ editar ]

Las enzimas son los componentes principales que impulsan la vía metabólica y, por lo tanto, explorar los mecanismos reguladores de estas enzimas nos dará una idea de los procesos reguladores que afectan la glucólisis. Hay en total 9 pasos primarios en la glucólisis que es impulsada por 14 enzimas diferentes. [25] Las enzimas pueden modificarse o verse afectadas mediante 5 procesos reguladores principales, incluida la modificación postraduccional (PTM) y la localización.

Mecanismos biológicos por los que se regulan las enzimas [ editar ]

1. Expresión genética
2. Alosterio
3. Interacción proteína-proteína (PPI)
4. Modificación postraduccional (PTM)
5. Localización

Regulación por insulina en animales [ editar ]

En los animales, la regulación de los niveles de glucosa en sangre por el páncreas junto con el hígado es una parte vital de la homeostasis . Las células beta de los islotes pancreáticos son sensibles a la concentración de glucosa en sangre. [26] Un aumento en la concentración de glucosa en sangre hace que liberen insulina a la sangre, lo que tiene un efecto particularmente en el hígado, pero también en las células grasas y musculares , lo que hace que estos tejidos eliminen la glucosa de la sangre. Cuando el azúcar en sangre cae, las células beta pancreáticas cesan la producción de insulina, pero, en cambio, estimulan las células alfa pancreáticas vecinas para que liberen glucagónen la sangre. [26] Esto, a su vez, hace que el hígado libere glucosa en la sangre al descomponer el glucógeno almacenado y mediante la gluconeogénesis. Si la caída del nivel de glucosa en sangre es particularmente rápida o grave, otros sensores de glucosa provocan la liberación de epinefrina de las glándulas suprarrenales a la sangre. Tiene la misma acción que el glucagón sobre el metabolismo de la glucosa, pero su efecto es más pronunciado. [26] En el glucagón hígado y epinefrina causa la fosforilación de la llave, la limitación de velocidad enzimas de la glucólisis, la síntesis de ácidos grasos , la síntesis de colesterol, gluconeogénesis y glucogenólisis. La insulina tiene el efecto contrario sobre estas enzimas. [27] La fosforilación y desfosforilación de estas enzimas (en última instancia, en respuesta al nivel de glucosa en la sangre) es la forma dominante por la cual estas vías se controlan en el hígado, la grasa y las células musculares. Así, la fosforilación de la fosfofructoquinasa inhibe la glucólisis, mientras que su desfosforilación mediante la acción de la insulina estimula la glucólisis. [27]

Regulación de las enzimas limitantes de la velocidad [ editar ]

Las cuatro enzimas reguladoras son hexoquinasa (o glucoquinasa en el hígado), fosfofructoquinasa y piruvato cinasa . El flujo a través de la vía glucolítica se ajusta en respuesta a las condiciones tanto dentro como fuera de la célula. Los factores internos que regulan la glucólisis lo hacen principalmente para proporcionar ATP en cantidades adecuadas para las necesidades de la célula. Los factores externos actúan principalmente sobre el hígado , el tejido graso y los músculos , que pueden eliminar grandes cantidades de glucosa de la sangre después de las comidas (evitando así la hiperglucemia).almacenando el exceso de glucosa en forma de grasa o glucógeno, según el tipo de tejido). El hígado también es capaz de liberar glucosa a la sangre entre comidas, durante el ayuno y el ejercicio evitando así la hipoglucemia mediante glucogenólisis y gluconeogénesis . Estas últimas reacciones coinciden con la interrupción de la glucólisis en el hígado.

Además, la hexoquinasa y la glucoquinasa actúan independientemente de los efectos hormonales como controles en los puntos de entrada de la glucosa en las células de diferentes tejidos. La hexoquinasa responde al nivel de glucosa-6-fosfato (G6P) en la célula o, en el caso de la glucoquinasa, al nivel de azúcar en sangre en la sangre para impartir controles completamente intracelulares de la vía glucolítica en diferentes tejidos (ver más adelante ). [27]

Cuando la glucosa se ha convertido en G6P por la hexoquinasa o la glucoquinasa, puede convertirse en glucosa-1-fosfato (G1P) para su conversión en glucógeno , o alternativamente se convierte por glucólisis en piruvato , que ingresa a la mitocondria donde se convierte en acetil-CoA y luego en citrato . El exceso de citrato se exporta de la mitocondria al citosol, donde la ATP citrato liasa regenera acetil-CoA y oxaloacetato (OAA). La acetil-CoA se utiliza luego para la síntesis de ácidos grasos y la síntesis de colesterol., dos formas importantes de utilizar el exceso de glucosa cuando su concentración en sangre es alta. Las enzimas que limitan la velocidad que catalizan estas reacciones realizan estas funciones cuando han sido desfosforiladas mediante la acción de la insulina en las células del hígado. Entre las comidas, durante el ayuno , el ejercicio o la hipoglucemia, el glucagón y la epinefrina se liberan en la sangre. Esto hace que el glucógeno hepático se convierta nuevamente en G6P y luego se convierta en glucosa por la enzima glucosa 6-fosfatasa específica del hígado.y liberado en la sangre. El glucagón y la epinefrina también estimulan la gluconeogénesis, que convierte los sustratos que no son carbohidratos en G6P, que se une a la G6P derivada del glucógeno, o la sustituye cuando se agota la reserva de glucógeno en el hígado. Esto es fundamental para la función cerebral, ya que el cerebro utiliza la glucosa como fuente de energía en la mayoría de las condiciones. [28] La fosforilación simultánea de, en particular, la fosfofructoquinasa , pero también, hasta cierto punto, la piruvato cinasa, evita que la glucólisis se produzca al mismo tiempo que la gluconeogénesis y la glucogenólisis.

Hexoquinasa y glucoquinasa [ editar ]

Hexocinasa B de levadura ( PDB : 1IG8 )

Todas las células contienen la enzima hexoquinasa , que cataliza la conversión de la glucosa que ha entrado en la célula en glucosa-6-fosfato (G6P). Dado que la membrana celular es impermeable a G6P, la hexoquinasa actúa esencialmente para transportar glucosa a las células de las que ya no puede escapar. La hexoquinasa es inhibida por altos niveles de G6P en la célula. Por tanto, la velocidad de entrada de glucosa en las células depende en parte de la rapidez con la que se puede eliminar la G6P por glucólisis y por síntesis de glucógeno (en las células que almacenan glucógeno, a saber, hígado y músculos). [27] [29]

La glucoquinasa , a diferencia de la hexoquinasa , no es inhibida por G6P. Ocurre en las células del hígado y solo fosforilará la glucosa que ingresa a la célula para formar glucosa-6-fosfato (G6P), cuando la glucosa en la sangre es abundante. Siendo este el primer paso en la vía glucolítica en el hígado, por lo tanto imparte una capa adicional de control de la vía glucolítica en este órgano. [27]

Fosfofructoquinasa [ editar ]

Bacillus stearothermophilus fosfofructoquinasa ( PDB : 6PFK )

La fosfofructoquinasa es un punto de control importante en la vía glucolítica, ya que es uno de los pasos irreversibles y tiene efectores alostéricos clave, AMP y fructosa 2,6-bisfosfato (F2,6BP).

La fructosa 2,6-bisfosfato (F2,6BP) es un activador muy potente de la fosfofructoquinasa (PFK-1) que se sintetiza cuando la F6P es fosforilada por una segunda fosfofructoquinasa ( PFK2 ). En el hígado, cuando el azúcar en sangre es bajo y el glucagón eleva el AMPc, la proteína quinasa A fosforila la PFK2 . La fosforilación inactiva PFK2 , y otro dominio de esta proteína se vuelve activo como fructosa bisfosfatasa-2 , que convierte F2,6BP de nuevo en F6P. Tanto el glucagón como la epinefrina provocan niveles elevados de AMPc en el hígado. El resultado de niveles más bajos de fructosa-2,6-bisfosfato hepático es una disminución en la actividad defosfofructoquinasa y un aumento de la actividad de la fructosa 1,6-bisfosfatasa , de modo que se favorece la gluconeogénesis (en esencia, "glucólisis a la inversa"). Esto es consistente con el papel del hígado en tales situaciones, ya que la respuesta del hígado a estas hormonas es liberar glucosa a la sangre.

El ATP compite con el AMP por el sitio efector alostérico de la enzima PFK. Las concentraciones de ATP en las células son mucho más altas que las de AMP, típicamente 100 veces más altas, [30] pero la concentración de ATP no cambia más del 10% en condiciones fisiológicas, mientras que una caída del 10% en ATP da como resultado un 6- veces aumento de AMP. [31] Por lo tanto, la relevancia del ATP como efector alostérico es cuestionable. Un aumento de AMP es una consecuencia de una disminución de la carga de energía en la célula.

El citrato inhibe la fosfofructoquinasa cuando se prueba in vitro al mejorar el efecto inhibidor del ATP. Sin embargo, es dudoso que este sea un efecto significativo in vivo , porque el citrato en el citosol se utiliza principalmente para la conversión en acetil-CoA para la síntesis de ácidos grasos y colesterol .

TIGAR , una enzima inducida por p53, es responsable de la regulación de la fosfofructoquinasa y actúa para proteger contra el estrés oxidativo. [32] TIGAR es una enzima única con doble función que regula F2,6BP. Puede comportarse como una fosfatasa (fructuosa-2,6-bisfosfatasa) que escinde el fosfato en el carbono-2 produciendo F6P. También puede comportarse como una quinasa (PFK2) añadiendo un fosfato al carbono-2 de F6P que produce F2,6BP. En los seres humanos, la proteína TIGAR está codificada por el gen C12orf5 . La enzima TIGAR obstaculizará el avance de la glucólisis al crear una acumulación de fructosa-6-fosfato (F6P) que se isomeriza en glucosa-6-fosfato (G6P). La acumulación de G6P desviará los carbonos hacia la vía de las pentosas fosfato. [33][34]

Piruvato quinasa [ editar ]

Piruvato quinasa de levadura ( PDB : 1A3W )
Artículo principal: piruvato quinasa

La enzima piruvato quinasa cataliza el último paso de la glucólisis, en el que se forman piruvato y ATP. La piruvato quinasa cataliza la transferencia de un grupo fosfato del fosfoenolpiruvato (PEP) al ADP , produciendo una molécula de piruvato y una molécula de ATP .

Piruvato quinasa de hígado se regula indirectamente por la epinefrina y el glucagón , a través de la proteína quinasa A . Esta proteína quinasa fosforila la piruvato quinasa hepática para desactivarla. La piruvato quinasa muscular no es inhibida por la activación de la proteína quinasa A por la epinefrina. El glucagón indica el ayuno (no hay glucosa disponible). Por lo tanto, la glucólisis se inhibe en el hígado pero no se ve afectada en el músculo durante el ayuno. Un aumento del azúcar en sangre conduce a la secreción de insulina , que activa la fosfoproteína fosfatasa I, lo que conduce a la desfosforilación y activación de la piruvato quinasa. Estos controles evitan que la piruvato quinasa esté activa al mismo tiempo que las enzimas que catalizan la reacción inversa ( piruvato carboxilasa yfosfoenolpiruvato carboxiquinasa ), evitando un ciclo inútil .

Procesos posteriores a la glucólisis [ editar ]

El proceso general de glucólisis es:

Glucosa + 2 NAD + + 2 ADP + 2 P i → 2 piruvato + 2 NADH + 2 H + + 2 ATP

Si la glucólisis continuara indefinidamente, todo el NAD + se consumiría y la glucólisis se detendría. Para permitir que continúe la glucólisis, los organismos deben poder oxidar el NADH de nuevo a NAD + . Cómo se realiza esto depende de qué aceptor de electrones externo esté disponible.

Regeneración anóxica de NAD + [ cita requerida ] [ editar ]

Un método para hacer esto es simplemente hacer que el piruvato realice la oxidación; En este proceso, el piruvato se convierte en lactato (la base conjugada del ácido láctico) en un proceso llamado fermentación del ácido láctico :

Piruvato + NADH + H + → lactato + NAD +

Este proceso ocurre en las bacterias involucradas en la elaboración del yogur (el ácido láctico hace que la leche cuaje). Este proceso también ocurre en animales en condiciones hipóxicas (o parcialmente anaeróbicas), que se encuentran, por ejemplo, en músculos con exceso de trabajo que carecen de oxígeno. En muchos tejidos, este es el último recurso celular para obtener energía; la mayoría de los tejidos animales no pueden tolerar las condiciones anaeróbicas durante un período de tiempo prolongado.

Algunos organismos, como la levadura, convierten el NADH de nuevo en NAD + en un proceso llamado fermentación con etanol . En este proceso, el piruvato se convierte primero en acetaldehído y dióxido de carbono y luego en etanol.

La fermentación del ácido láctico y la fermentación del etanol pueden ocurrir en ausencia de oxígeno. Esta fermentación anaeróbica permite que muchos organismos unicelulares utilicen la glucólisis como su única fuente de energía.

La regeneración anóxica de NAD + es solo un medio eficaz de producción de energía durante el ejercicio breve e intenso en vertebrados, durante un período que varía de 10 segundos a 2 minutos durante un esfuerzo máximo en humanos. (A intensidades de ejercicio más bajas, puede mantener la actividad muscular en animales buceadores , como focas, ballenas y otros vertebrados acuáticos, durante períodos de tiempo mucho más largos). En estas condiciones NAD +se repone mediante la donación de NADH de sus electrones al piruvato para formar lactato. Esto produce 2 moléculas de ATP por molécula de glucosa, o aproximadamente el 5% del potencial energético de la glucosa (38 moléculas de ATP en las bacterias). Pero la velocidad a la que se produce el ATP de esta manera es aproximadamente 100 veces mayor que la de la fosforilación oxidativa. El pH en el citoplasma cae rápidamente cuando los iones de hidrógeno se acumulan en el músculo, inhibiendo eventualmente las enzimas involucradas en la glucólisis.

La sensación de ardor en los músculos durante el ejercicio intenso puede atribuirse a la liberación de iones de hidrógeno durante el cambio a la fermentación de glucosa desde la oxidación de la glucosa a dióxido de carbono y agua, cuando el metabolismo aeróbico ya no puede seguir el ritmo de las demandas de energía de los músculos. Estos iones de hidrógeno forman parte del ácido láctico. El cuerpo recurre a este método menos eficiente pero más rápido de producir ATP en condiciones de poco oxígeno. Se cree que este fue el medio principal de producción de energía en organismos anteriores antes de que el oxígeno alcanzara altas concentraciones en la atmósfera entre 2000 y 2500 millones de años y, por lo tanto, representaría una forma más antigua de producción de energía que la reposición aeróbica de NAD + en células.

El hígado de los mamíferos elimina este exceso de lactato transformándolo de nuevo en piruvato en condiciones aeróbicas; ver ciclo de Cori .

La fermentación de piruvato a lactato a veces también se denomina "glucólisis anaeróbica", sin embargo, la glucólisis termina con la producción de piruvato independientemente de la presencia o ausencia de oxígeno.

En los dos ejemplos de fermentación anteriores, el NADH se oxida transfiriendo dos electrones al piruvato. Sin embargo, las bacterias anaeróbicas utilizan una amplia variedad de compuestos como aceptores terminales de electrones en la respiración celular : compuestos nitrogenados, como nitratos y nitritos; compuestos de azufre, tales como sulfatos, sulfitos, dióxido de azufre y azufre elemental; dióxido de carbono; compuestos de hierro; compuestos de manganeso; compuestos de cobalto; y compuestos de uranio.

Regeneración aeróbica de NAD + y eliminación de piruvato [ editar ]

En los organismos aeróbicos , se ha desarrollado un mecanismo complejo para utilizar el oxígeno del aire como aceptor final de electrones.

  • En primer lugar, el NADH + H + generado por la glucólisis debe transferirse a la mitocondria para que se oxide y, por lo tanto, regenere el NAD + necesario para que continúe la glucólisis. Sin embargo, la membrana mitocondrial interna es impermeable a NADH y NAD + . [35] Por lo tanto, se utilizan dos "lanzaderas" para transportar los electrones del NADH a través de la membrana mitocondrial. Son la lanzadera malato-aspartato y la lanzadera de fosfato de glicerol . En el primero, los electrones del NADH se transfieren al oxalacetato citosólico para formar malato.. El malato luego atraviesa la membrana mitocondrial interna hacia la matriz mitocondrial, donde es reoxidada por NAD + formando oxalacetato intramitocondrial y NADH. El oxaloacetato luego se recicla al citosol a través de su conversión en aspartato, que se transporta fácilmente fuera de la mitocondria. En la lanzadera de fosfato de glicerol, los electrones del NADH citosólico se transfieren a la dihidroxiacetona para formar glicerol-3-fosfato que atraviesa fácilmente la membrana mitocondrial externa. Luego, el glicerol-3-fosfato se reoxida a dihidroxiacetona, donando sus electrones a FAD en lugar de NAD + . [35] Esta reacción tiene lugar en la membrana mitocondrial interna, lo que permite que la FADH2 para donar sus electrones directamente a la coenzima Q ( ubiquinona ) que es parte de la cadena de transporte de electrones que finalmente transfiere electrones al oxígeno molecular (O 2 ), con la formación de agua y la liberación de energía finalmente capturada en forma de ATP .
  • El producto final glucolítico, piruvato (más NAD + ) se convierte en acetil-CoA , CO 2 y NADH + H + dentro de las mitocondrias en un proceso llamado descarboxilación de piruvato .
  • La acetil-CoA resultante entra en el ciclo del ácido cítrico (o ciclo de Krebs), donde el grupo acetilo de la acetil-CoA se convierte en dióxido de carbono mediante dos reacciones de descarboxilación con la formación de aún más NADH + H + intramitocondrial .
  • El NADH + H + intramitocondrial se oxida a NAD + por la cadena de transporte de electrones , utilizando oxígeno como aceptor final de electrones para formar agua. La energía liberada durante este proceso se utiliza para crear un gradiente de iones de hidrógeno (o protones) a través de la membrana interna de la mitocondria.
  • Finalmente, el gradiente de protones se usa para producir alrededor de 2.5 ATP por cada NADH + H + oxidado en un proceso llamado fosforilación oxidativa . [35]

Conversión de carbohidratos en ácidos grasos y colesterol [ editar ]

El piruvato producido por la glucólisis es un intermediario importante en la conversión de carbohidratos en ácidos grasos y colesterol . [36] Esto ocurre mediante la conversión de piruvato en acetil-CoA en la mitocondria . Sin embargo, esta acetil CoA debe transportarse al citosol donde se produce la síntesis de ácidos grasos y colesterol. Esto no puede ocurrir directamente. Para obtener acetil-CoA citosólico, el citrato (producido por la condensación de acetil CoA con oxaloacetato ) se elimina del ciclo del ácido cítrico y se transporta a través de la membrana mitocondrial interna hacia el citosol . [36]Allí se escinde por la ATP citrato liasa en acetil-CoA y oxaloacetato. El oxalacetato se devuelve a la mitocondria como malato (y luego se vuelve a convertir en oxalacetato para transferir más acetil-CoA fuera de la mitocondria). La acetil-CoA citosólica se puede carboxilar mediante acetil-CoA carboxilasa en malonil CoA , el primer paso comprometido en la síntesis de ácidos grasos , o se puede combinar con acetoacetil-CoA para formar 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA ( HMG -CoA ) que es el paso limitante de la velocidad que controla la síntesis de colesterol . [37]El colesterol se puede usar como es, como un componente estructural de las membranas celulares, o puede ser usada para sintetizar las hormonas esteroides , sales biliares y vitamina D . [29] [36] [37]

Conversión de piruvato en oxalacetato para el ciclo del ácido cítrico [ editar ]

Las moléculas de piruvato producidas por la glucólisis se transportan activamente a través de la membrana mitocondrial interna y hacia la matriz donde pueden oxidarse y combinarse con la coenzima A para formar CO 2 , acetil-CoA y NADH, [29] o pueden ser carboxiladas ( por piruvato carboxilasa ) para formar oxalacetato . Esta última reacción "llena" la cantidad de oxaloacetato en el ciclo del ácido cítrico y, por lo tanto, es una reacción anaplerótica (del griego que significa "llenar"), aumentando la capacidad del ciclo para metabolizar acetil-CoA cuando la energía del tejido lo necesita ( por ejemplo, en el corazóny músculo esquelético ) aumentan repentinamente con la actividad. [38] En el ciclo del ácido cítrico, todos los intermedios (por ejemplo, citrato, iso-citrato, alfa-cetoglutarato, succinato, fumarato, malato y oxalacetato) se regeneran durante cada vuelta del ciclo. Agregar más de cualquiera de estos intermedios a la mitocondria significa, por lo tanto, que esa cantidad adicional se retiene dentro del ciclo, aumentando todos los demás intermedios a medida que uno se convierte en el otro. Por lo tanto, la adición de oxaloacetato aumenta en gran medida las cantidades de todos los intermedios del ácido cítrico, aumentando así la capacidad del ciclo para metabolizar acetil CoA, convirtiendo su componente acetato en CO 2 y agua, con la liberación de energía suficiente para formar 11ATP y 1 molécula de GTP por cada molécula adicional de acetil CoA que se combina con oxaloacetato en el ciclo. [38]

Para eliminar de forma cataplerótica el oxalacetato del ciclo cítrico, el malato se puede transportar desde la mitocondria al citoplasma, disminuyendo la cantidad de oxalacetato que se puede regenerar. [38] Además, los intermedios de ácido cítrico se utilizan constantemente para formar una variedad de sustancias como las purinas, pirimidinas y porfirinas . [38]

Intermedios para otras vías [ editar ]

Este artículo se concentra en el papel catabólico de la glucólisis con respecto a la conversión de energía química potencial en energía química utilizable durante la oxidación de glucosa a piruvato. Muchos de los metabolitos de la vía glucolítica también son utilizados por vías anabólicas y, como consecuencia, el flujo a través de la vía es fundamental para mantener un suministro de esqueletos de carbono para la biosíntesis.

Las siguientes vías metabólicas dependen en gran medida de la glucólisis como fuente de metabolitos: y muchas más.

  • La vía de las pentosas fosfato , que comienza con la deshidrogenación de glucosa-6-fosfato , el primer intermedio producido por la glucólisis, produce varios azúcares pentosas y NADPH para la síntesis de ácidos grasos y colesterol .
  • La síntesis de glucógeno también comienza con glucosa-6-fosfato al comienzo de la vía glucolítica.
  • El glicerol , para la formación de triglicéridos y fosfolípidos , se produce a partir del intermedio glucolítico gliceraldehído-3-fosfato .
  • Varias vías posglicolíticas:
  • Síntesis de ácidos grasos
  • Síntesis de colesterol
  • El ciclo del ácido cítrico que a su vez conduce a:
  • Síntesis de aminoácidos
  • Síntesis de nucleótidos
  • Síntesis de tetrapirrol

Aunque la gluconeogénesis y la glucólisis comparten muchos intermedios, una no es funcionalmente una rama o tributaria de la otra. Hay dos pasos reguladores en ambas vías que, cuando están activas en una vía, quedan automáticamente inactivas en la otra. Por tanto, los dos procesos no pueden estar activos simultáneamente. [39] De hecho, si ambos conjuntos de reacciones fueran muy activas al mismo tiempo, el resultado neto sería la hidrólisis de cuatro enlaces fosfato de alta energía (dos ATP y dos GTP) por ciclo de reacción. [39]

NAD + es el agente oxidante en la glucólisis, como lo es en la mayoría de las otras reacciones metabólicas generadoras de energía (por ejemplo, beta-oxidación de ácidos grasos y durante el ciclo del ácido cítrico ). El NADH así producido se utiliza principalmente para transferir electrones al O 2 para producir agua o, cuando el O 2 no está disponible, para producir compuestos como el lactato o el etanol (ver Regeneración anóxica de NAD + más arriba). El NADH rara vez se utiliza para procesos sintéticos, siendo la notable excepción la gluconeogénesis . Durante la síntesis de ácidos grasos y colesterolel agente reductor es NADPH . Esta diferencia ejemplifica un principio general de que el NADPH se consume durante las reacciones biosintéticas, mientras que el NADH se genera en las reacciones que producen energía. [39] La fuente del NADPH es doble. Cuando el malato se descarboxila oxidativamente por el piruvato de la enzima málica unida a NADP + , se forman CO 2 y NADPH. El NADPH también se forma por la vía de las pentosas fosfato que convierte la glucosa en ribosa, que se puede utilizar en la síntesis de nucleótidos y ácidos nucleicos . o puede catabolizarse a piruvato. [39]

Glucólisis en la enfermedad [ editar ]

Tuberculosis [ editar ]

Investigaciones recientes muestran que la infección crónica por Mycobacterium tuberculosis da como resultado una regulación positiva de la glucólisis, este fenómeno se conoce como cambio glucolítico. El cambio glucolítico se caracteriza por una mayor captación de glucosa, un mayor consumo de glucosa y una mayor producción de lactato. La infección crónica por Mycobacterium tuberculosis en los pulmones o la infección ex-vivo por Mycobacterium.bovis provocan un desplazamiento glucolítico. [40]

Diabetes [ editar ]

La captación celular de glucosa se produce en respuesta a las señales de la insulina y, posteriormente, la glucosa se degrada mediante la glucólisis, lo que reduce los niveles de azúcar en sangre. Sin embargo, los niveles bajos de insulina que se observan en la diabetes provocan hiperglucemia, donde los niveles de glucosa en la sangre aumentan y las células no absorben adecuadamente la glucosa. Los hepatocitos contribuyen además a esta hiperglucemia a través de la gluconeogénesis . La glucólisis en los hepatocitos controla la producción de glucosa hepática, y cuando la glucosa es sobreproducida por el hígado sin que el cuerpo la descomponga, se produce hiperglucemia. [41]

Enfermedades genéticas [ editar ]

Las mutaciones glicolíticas son generalmente raras debido a la importancia de la vía metabólica, esto significa que la mayoría de las mutaciones que ocurren dan como resultado una incapacidad para que la célula respire y, por lo tanto, provocan la muerte de la célula en una etapa temprana. Sin embargo, se observan algunas mutaciones, siendo un ejemplo notable la deficiencia de piruvato quinasa , que conduce a anemia hemolítica crónica.

Cáncer [ editar ]

Las células tumorales malignas realizan la glucólisis a un ritmo diez veces más rápido que sus homólogos de tejidos no cancerosos. [42] Durante su génesis, el apoyo capilar limitado a menudo resulta en hipoxia (disminución del suministro de O2) dentro de las células tumorales. Por lo tanto, estas células dependen de procesos metabólicos anaeróbicos como la glucólisis de ATP (trifosfato de adenosina). Algunas células tumorales sobreexpresan enzimas glucolíticas específicas que dan como resultado tasas más altas de glucólisis. [43] A menudo, estas enzimas son isoenzimas, de enzimas de glucólisis tradicionales, que varían en su susceptibilidad a la inhibición por retroalimentación tradicional. El aumento de la actividad glucolítica finalmente contrarresta los efectos de la hipoxia al generar suficiente ATP a partir de esta vía anaeróbica. [44]Este fenómeno fue descrito por primera vez en 1930 por Otto Warburg y se conoce como el efecto Warburg . La hipótesis de Warburg afirma que el cáncer es causado principalmente por una disfuncionalidad en el metabolismo mitocondrial, más que por el crecimiento descontrolado de las células. Se han propuesto varias teorías para explicar el efecto Warburg. Una de esas teorías sugiere que el aumento de la glucólisis es un proceso protector normal del cuerpo y que el cambio maligno podría ser causado principalmente por el metabolismo energético. [45]

Esta alta tasa de glucólisis tiene importantes aplicaciones médicas, como la alta glucolisis aeróbica por tumores malignos se utiliza clínicamente para diagnosticar y respuestas al tratamiento del monitor de cánceres por formación de imágenes absorción de 2- 18 F-2-desoxiglucosa (FDG) (a radiactivo hexoquinasa modificado sustrato ) con tomografía por emisión de positrones (PET). [46] [47]

Hay investigaciones en curso para afectar el metabolismo mitocondrial y tratar el cáncer al reducir la glucólisis y, por lo tanto, matar de hambre a las células cancerosas de varias formas nuevas, incluida una dieta cetogénica . [48] [49] [50]

Mapa de ruta interactivo [ editar ]

El siguiente diagrama muestra los nombres de las proteínas humanas. Los nombres en otros organismos pueden ser diferentes y es probable que el número de isoenzimas (como HK1, HK2, ...) también sea diferente.

Haga clic en genes, proteínas y metabolitos a continuación para enlazar con los artículos respectivos. [§ 1]

  1. ^ El mapa de ruta interactivo se puede editar en WikiPathways: "GlycolysisGluconeogenesis_WP534" .

Nomenclatura alternativa [ editar ]

Algunos de los metabolitos de la glucólisis tienen nombres y nomenclatura alternativos. En parte, esto se debe a que algunos de ellos son comunes a otras vías, como el ciclo de Calvin .

Este artículoAlternativa
1GlucosaGlcDextrosa
2Glucosa-6-fosfatoG6P
3Fructosa-6-fosfatoF6P
4Fructosa-1,6-bisfosfatoF1,6BPFructosa 1,6-difosfatoFBP; FDP; F1,6DP
5Fosfato de dihidroxiacetonaDHAPFosfato de glicerona
6Gliceraldehído-3-fosfatoGADP3-fosfogliceraldehídoPGAL; G3P; GALP; BRECHA; TP
71,3-bisfosfoglicerato1,3BPGGlicerato-1,3-bisfosfato,
glicerato-1,3-difosfato,
1,3-difosfoglicerato		PGAP; BPG; DPG
83-fosfoglicerato3PGGlicerato-3-fosfatoPGA; GP
92-fosfoglicerato2PGGlicerato-2-fosfato
10FosfoenolpiruvatoENERGÍA
11PiruvatoPyrÁcido pirúvico

Estructura de los componentes de la glucólisis en las proyecciones de Fischer y el modelo poligonal [ editar ]

Los intermedios de la glucólisis representados en las proyecciones de Fischer muestran el cambio químico paso a paso. Esta imagen se puede comparar con la representación del modelo poligonal. [51] Otra comparación de las proyecciones de Fischer y el modelo poligonal en la glucólisis se muestra en un video. [52] Se pueden ver animaciones de video en el mismo canal en Youtube para otra vía metabólica (Ciclo de Krebs) y la representación y aplicación del Modelo Poligonal en Química Orgánica [53]

Glucólisis: la estructura de los componentes de la glucólisis anaeróbica se muestra utilizando proyecciones de Fischer, izquierda, y modelo poligonal, derecha. Los compuestos corresponden a glucosa (GLU), glucosa 6-fosfato (G6P), fructosa 6-fosfato (F6P), fructosa 1,6-bisfosfato (F16BP), dihidroxiacetona fosfato (DHAP), gliceraldehído 3-fosfato (GA3P), 1 , 3-bisfosfoglicerato (13BPG), 3-fosfoglicerato (3PG), 2-fosfoglicerato (2PG), fosfoenolpiruvato (PEP), piruvato (PIR) y lactato (LAC). Las enzimas que participan de esta vía se indican mediante números subrayados y corresponden a hexoquinasa ( 1 ), glucosa-6-fosfato isomerasa ( 2 ), fosfofructoquinasa-1 ( 3 ), fructosa-bisfosfato aldolasa ( 4 ), triosafosfato isomerasa ( 5), gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa ( 5 ), fosfoglicerato quinasa ( 7 ), fosfoglicerato mutasa ( 8 ), fosfopiruvato hidratasa (enolasa) ( 9 ), piruvato quinasa ( 10 ) y lactato deshidrogenasa ( 11 ). Las coenzimas participantes (NAD + , NADH + H + , ATP y ADP), fosfato inorgánico, H 2 O y CO 2 se omitieron en estas representaciones. Las reacciones de fosforilación del ATP, así como las reacciones de fosforilación del ADP en las etapas posteriores de la glucólisis, se muestran como ~ P entrando o saliendo de la vía, respectivamente. Las reacciones de oxireducción usando NAD + o NADH se observan como hidrógenos “2H” saliendo o entrando en la vía.

Ver también [ editar ]

  • Catabolismo de carbohidratos
  • Ciclo del ácido cítrico
  • Ciclo de Cori
  • Fermentación (bioquímica)
  • Gluconeogénesis
  • Oscilación glicolítica
  • Vía pentosa fosfato
  • Descarboxilación de piruvato
  • Triosa quinasa

Referencias [ editar ]

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Enlaces externos [ editar ]

  • Una animación detallada de glucólisis proporcionada por IUBMB (se requiere Adobe Flash )
  • Las enzimas glicolíticas en la glicólisis en RCSB PDB
  • Ciclo glicolítico con animaciones en wdv.com
  • Metabolismo, respiración celular y fotosíntesis: la biblioteca virtual de bioquímica, biología molecular y biología celular
  • La lógica química detrás de la glucólisis en ufp.pt
  • Póster de las vías bioquímicas de Expasy en ExPASy
  • Mnemotécnicos médicos .com : 317 5468
  • metpath : representación interactiva de la glucólisis
Recursos de la biblioteca sobre la
glucólisis
  • Recursos en su biblioteca