La primera fase de la
degradación de un combustible celular ordinario como la glucosa se debe a una
vía metabólica llamada glucólisis (también conocida como vía
de Embden Meyefiof en honor de sus descubridores). Un
hecho interesante es que la glucólisis siendo globalmente un proceso
oxidativo, no hay intervención de oxígeno molecular. Por tanto, se trata de un
proceso anaeróbico que quizá satisfizo las necesidades de las células mucho
antes de que la atmósfera terrestre tuviera oxígeno molecular. A partir de
ello, hoy se puede afirmar que ésta molécula combustible básica es tan útil
para la respiración aeróbica como para la respiración anaeróbica.
Por otra parte, este
monómero, una vez introducido en una célula, puede:
- Generar energía (ATP),
- Suministrar monómeros para las reacciones biosintética, por ejemplo: formación de àcidos grasos de cadena larga.
- ser precursor de polímeros con capacidad de ser almacenados tanto en individuos vegetales, animales y procariontes.
Los principales
fenómenos que caracterizan a la glucólisis se encuentran resumidos en el
siguiente son:
Etapa
I: Fosforilación de la glucosa
Etapa II: Isomerización
de la fructosa
Etapa III:
Fosforilación de la fructosa
Etapa IV: Ruptura de la
fructosa
Etapa V: Oxidación
y formación de enlace fosfato de alta energía
Etapa VI: Generación de
ATP
Etapa VII y VIII:
Reordenamiento molecular
Etapa IX: Generación de
ATP
Etapas
y enzimas:
Primera Etapa: Fosforilación de la glucosa.
Para separar electrones
de la glucosa, la molécula debe ser activada. Generalmente, ésta es una
molécula estable y debe impulsarse para que sobrepase la barrera de energía. La
activación se lleva a cabo cuando la célula gasta un grupo de fosfato de
un ATP transfiriéndolo a la molécula glucosa. Esto hace que
dicha molécula por un lado sea enmascarada, evitando su salida de la célula
(por algún sistema de transporte a través de la membrana plasmática) y por otro
dejándola altamente inestable. La enzima que cataliza la fosforilación de la
glucosa es la hexoquinasa, la cual se comporta como Mg
dependiente y se inhibe por exceso de glucosa 6-P.
Segunda Etapa:
Esta
etapa se produce la isomerización de la molécula glucosa 6-P a
través de una enzima llamada fosfoglucoisomerasa, la transformación
da como producto otra molécula fructosa 6-P. En esta reacción no se requiere
cofactor.
Tercer Etapa:
La activación de la
fructosa 6-P se lleva a cabo cuando la célula gasta por segunda vez un grupo de
fosfato de un ATP transfiriéndolo a la molécula. Esto hace que
dicha molécula permanezca altamente inestable. La enzima que cataliza la
fosforilación de la fructosa 6-P, es la fosfofrutoquinasa (PFK),
produciendo una molécula de fructosa 1-6 bi-P. Como en la gran mayoría de la
quinasas esta enzima es Mg dependiente.
En esta etapa existen
otros reguladores de la velocidad a través de un controlador
enzimático: La 2-fosfofrutoquinasa (2PFK).
Cuando la fructosa 6
fosfato comienza a acumularse, por la inhibición alostérica producida en la
enzima PFK, una enzima alternativa la 2-fosfofrutoquinasa (2PFK).produce
altas concentraciones de un compuesto químico llamado fructosa 2,6
bifosfato, la que, a su vez, dependiendo del contenido de glucosa en la
célula, tendrá dos opciones a seguir; si la concentración de glucosa es alta
desarrollará una “activación alostérica” sobre PFK, disminuyendo el efecto
alostérico del ATP. Esto significa que aumenta la fructosa 1,6 bifosfato,
restableciéndose la actividad glucolítica. Por el contrario si la
concentración de glucosa es baja, la 2PFK, esta se transforma en fructosa 1-6
bifosfatasa, que hidroliza a la fructosa 2-6 bifosfato transformándola
nuevamente en fructosa 6 fosfato. A este tipo de proceso se lo denomina
estimulación hacia adelante.
Cuarta Etapa:
En esta etapa se
obtiene dos triosas, por la escisión de la hexosa formada en la
etapa anterior. Esta reacción es catalizada por la enzima aldolasa que
produce dos compuestos isómeros: uno es la dihidroxiacetona (PDHA) y
el otro es un gliceraldehido (PGAL). El 96 al 98
% de los isómeros presenta características de cetona; los restantes tienen
características de aldehído.
La triosa cetónica es
convertida en su isómero, el PGAL, por la enzima isomerasa. Esta
reacción es muy rápida y reversible.
Quinta Etapa:
Hasta aquí no se ha
obtenido energía de la oxidación de la glucosa. Por el contrario, se han
“gastado” moléculas de ATP. Llegamos ahora a una serie de pasos que van a
recolectar parte de la energía contenida en el, fosfogliceraldehído.
Como mencionamos
anteriormente, las oxidaciones se pueden definir como la pérdida de protones o
electrones por parte de una molécula, o directamente como la salida de átomos
de hidrógeno de un compuesto.
En uno de los pasos
claves de la glucólisis, el fosfogliceraldehído es oxidado por la enzima deshidrogenasa y
su correspondiente coenzima, el NAD+, que se
reduce a NADH. La energía que se libera durante esta
oxidación, es utilizada para “atrapar” un grupo fosfato del citoplasma
circundante, y fijarlo como un fosfato de alta energía. Se forma así el 1,3- ácido
difosforoglicérico.
En esta etapa se puede
mencionar otras vías de regulación como ser, la disponibilidad de la coenzima
NAD+, la cual juega un papel muy importante en la oxidación del
fosforogliceraldehído. Esta es la primera reacción de oxidorreducción en la
cual se logra captar energía disponible para la célula y formar un enlace
fosfato de alta energía y una molécula de NADH. De esta manera, la presencia o
ausencia de NAD+ determina que dicha etapa como otras a lo
largo de la respiración celular se produzcan o no.
Otra regulación depende
de la presencia de fósforo inorgánico en el citoplasma. Por ejemplo, en ciertas
condiciones edáficas particulares, en las que el ion fosfato es muy difícil de
ser captado por las plantas, éste puede llegar a actuar como factor limitante
del proceso glucolítico. Recordemos la importancia que tiene este elemento en
la formación de la molécula de ATP.
Sexta
Etapa:
En este paso se produce
la transferencia de un grupo fosfato del 1,3- ácido bifosforoglicérico al ADP,
con lo que se consigue la primera ganancia real de ATP del proceso de
glucólisis. Así se forma ATP y una triosa con un sólo grupo fosfato, el ácido
3-fosfoglicérico. Esta reacción es catalizada por
una enzima llamada fosfoglicerato quinasa.
Séptima y Octava Etapa:
La etapa se caracteriza
por un reordenamiento de los átomos de la triosa, de manera que su fosfato pasa
a una posición que representa -para la molécula- un enlace de alta
energía. La reacción está catalizada por dos enzimas la mutasa y
la enolasa.
- La mutasa es una enzima que cataliza un cambio intramolecular de un grupo químico como el fosforilo.
- La enolasa cataliza la formación de fosfoenolpiruvato. Es una reacción de deshidratación que eleva el potencial de transferencia del grupo fosforilo.
Novena Etapa:
Una vez logrado el
reordenamiento en la etapa anterior, el fosfato de alta energía es transferido,
como en la sexta etapa, a una molécula de ADP que se transforma en ATP
obteniéndose, además ácido pirúvico. Esta reacción es catalizada
por la piruvato quinasa. Esta enzima es de carácter alostérico,
muy importante en los mamíferos.
Existe tres tipos de
piruvato quinasa llamadas genéricamente isoenzimas (tienen
la misma organización estructural y el mismo mecanismo catalítico, pero
difieren en su regulación): la forma L (en el hígado), la
forma M (en los músculos y cerebro) y la forma A en
los demás tejidos. La isozima L, se inhibe por altas concentración de ATP y
alanina y se activa por la fructosa-1,6 bi P y presencia ADP.
El beneficio neto, en
términos de energía, partiendo de la glucosa, es 2 ATP. Pero se
debe tener en cuenta que la célula ya sea vegetal o animal, no necesariamente
puede partir de dicha hexosa sino que lo pude hacer desde el polímetro de ella
como ser el almidón o glucógeno. Estas arquitecturas
ramificadas, pueden ser degradadas por la acción complementaria de dos enzimas
que liberan los monómeros, uniéndolos a fosfatos inorgánicos para originar
la glucosa 1- - fosfato. Este compuesto es sumamente lábil y se
transforma, por acción de la enzima mutasa en glucosa-6-fosf.
Luego el proceso
continua por la vía glucolítica normal, pero con una diferencia sustancial, el
producto final de energía son 3ATP.
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