Fundación H.A. Barceló – Facultad de Medicina 

Licenciatura en Nutrición Bioquímica

Primer año Módulo 15 Lección 1

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Glucólisis 1. Revisión general de la vía

La glucólisis, también denominada ruta de Embden-Meyerhof, es la secuencia metabólica en la que se oxida la glucosa. Es una vía metabólica utilizada por todas las células del cuerpo para extraer parte de la energía química inherente a la molécula de glucosa.

La glucosa, usualmente, aparece en la sangre como resultado de la degradación de polisacáridos (glucógeno) o, de su síntesis de novo a partir de precursores no glucídicos (gluconeogénesis, una función del hígado y de los riñones). La glucosa entra a la mayoría de las células por medio de un transportador específico que la lleva desde el exterior de la célula hacia dentro del citosol (Vea el archivo Transportadores de glucosa). Las enzimas de la glucólisis se encuentran en el citosol, solo laxamente asociadas, si es que lo están, con estructuras celulares como la membrana. Sin embargo, existe considerable evidencia circunstancial de enzimas sucesivas en la vía de la glucólisis que se asocian laxamente, presumiblemente para facilitar la eficiente transferencia de los intermediarios de las enzimas.

La glucólisis convierte a la glucosa en dos unidades de C3 (piruvato) de menor energía libre, en un proceso que acopla la energía libre liberada a la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi.

La glucosa representa para muchos tejidos, una vía de emergencia productora de energía, capaz de rendir 2 moles de ATP a partir de un mol de glucosa, en ausencia de oxígeno. Siempre y cuando las células contengan mitocondrias, el producto final de la glucólisis en presencia de oxígeno es el piruvato en lugar del lactato, que puede ser oxidado completamente a CO2 y H2O por enzimas situadas dentro de la mitocondria.

La glucólisis requiere de una vía de reacciones químicamente acoplada de transferencia de grupos fosforilos. De tal modo, la estrategia química de la glucólisis es:

1. Agregar grupos fosforilo a la glucosa. 2. Convertir químicamente a los intermediarios fosforilados en compuestos con

alto potencial de transferencia de grupos fosfato. 3. Acoplar químicamente la hidrólisis subsiguiente de sustancias reactivas a la

síntesis de ATP. Las diez reacciones de la glucólisis catalizadas por enzimas se encuentran

desarrolladas en la siguiente figura:

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Nótese que el ATP es utilizado muy tempranamente en la vía para sintetizar los

compuestos fosforilos (reacciones 1 y 3), pero es posteriormente resintetizado (reacciones 7 y 10).

La reacción total es: Glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi 2 NADH + 2 piruvato + 2 ATP + 2 H2O + 4H+

Se puede describir a la glucólisis considerando que se desarrolla en tres fases: 1. Primera fase: la preparación. Se produce el aporte de dos moléculas de

ATP para convertir la glucosa en una molécula de fructosa 1,6-bisfosfato. En esta fase se “invierte” ATP.

2. Segunda fase: la ruptura. La molécula de seis carbonos (fructosa 1,6-bisfosfato) se rompe en dos moléculas de tres carbonos (gliceraldehído 3-fosfato).

3. Tercera fase: la oxidorreducción-fosforilación. Las dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato se convierten en dos moléculas de lactato, con la consiguiente producción de 4 moléculas de ATP. En esta fase se “recupera” en forma neta 2 moléculas de ATP.

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Primera y segunda fases: la preparación y la ruptura

Fosforilación

Fosforilación

Isomerización

Ruptura

Fosforilación

Fosforilación

Isomerización

Ruptura

En estas dos fases, la glucosa se

transforma en dos moléculas de GAP. Este proceso requiere del gasto de dos moléculas de ATP. Sin embargo, esta inversión resulta en la conversión de una molécula de glucosa en dos unidades de C3, cada una de las cuales tiene un grupo fosforilo que, con un poco de arte químico, en la siguiente etapa puede ser convertido en un compuesto de "alta energía" cuya energía libre de hidrólisis puede ser acoplada a la síntesis de ATP.

Tercera fase: la oxidorreducción-fosforilación.

En esta etapa final, la inversión de

ATP de la etapa inicial que resulta en la conversión de una molécula de glucosa en dos unidades de C3, es doblemente retribuida. Las dos unidades C3 fosforiladas son transformadas en dos moléculas de piruvato con la síntesis acoplada de cuatro ATP por cada molécula de glucosa.

Para una revisión completa de la vía glucólitica vea el archivo Glucólisis

Considerando cada uno de los tres productos de la glucólisis: 1. ATP. La inversión inicial de dos ATP por cada glucosa en la fase I y la

subsiguiente generación de cuatro ATP por medio de la fosforilación a nivel de sustrato (dos por cada GAP que procede a través de la fase 3) da como rendimiento neto dos ATP por cada glucosa. En algunos tejidos y organismos para los cuales la glucosa es el principal combustible metabólico, el ATP producido por la glucólisis satisface la mayor parte de las necesidades energéticas de la célula.

2. NADH. Durante su catabolismo a través de la vía glucolítica, la glucosa se oxida al punto que dos NAD+ se reducen a dos NADH. Las coenzimas reducidas, como el NADH, representan una fuente de energía libre que puede recuperarse mediante la oxidación subsiguiente. Bajo condiciones aeróbicas, los electrones pasan de las coenzimas reducidas a través de una serie de transportadores de electrones hacia el agente oxidante final, el O2, en un proceso conocido como cadena respiratoria o de transporte de electrones. La energía libre del transporte de electrones conduce la

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síntesis de ATP a partir de ADP (fosforilación oxidativa). En los organismos aeróbicos, esta secuencia de eventos también sirve para regenerar NAD+ oxidado que puede participar en los ciclos de catálisis posteriores mediados por GAPDH. Bajo condiciones anaeróbicas, el NADH debe ser reoxidado por otros medios, de manera tal de mantener el abastecimiento de NAD+ de la vía glucolítica.

3. Piruvato. Las dos moléculas de piruvato producidas a través de la oxidación parcial de cada glucosa son aún moléculas relativamente reducidas. Bajo condiciones aeróbicas, la oxidación completa de los átomos de carbono del piruvato a CO2 ocurre a través del ciclo de Krebs. La energía liberada en ese proceso conduce la síntesis de mucho más ATP del que se genera por la oxidación limitada de la glucosa a través de la glucólisis sola. En el metabolismo anaeróbico, el piruvato es metabolizado en menor medida para regenerar NAD+.

2. Destino anaeróbico del piruvato Para que continúe la glucólisis, el NAD+, que las células

tienen en cantidades limitadas, debe ser reciclado luego de que es reducido a NADH por la GAPDH (reacción 6 de la glucólisis). En la presencia de oxígeno, los equivalentes de reducción del NADH pasan adentro de la mitocondria para su reoxidación. Bajo condiciones anaeróbicas, por otro lado, el NAD+ es reabastecido por medio de la reducción del piruvato como una extensión de la vía glucolítica. Los dos procesos para el reabastecimiento anaeróbico del NAD+ son la fermentación homoláctica y la alcohólica, que ocurren en el músculo y en las levaduras respectivamente.

2.1 Fermentación homoláctica En el glóbulo rojo o el músculo, particularmente luego de una actividad intensa, cuando la demanda de ATP es alta y el oxígeno esta agotado, la enzima lactato deshidrogenasa (LDH) cataliza la oxidación de NADH a piruvato para producir NAD+ y lactato. (Revise las isoenzimas de LDH en Regulación de la actividad enzimáticas del módulo de enzimas)

Esta reacción es clasificada muchas veces como la reacción 11 de la glucólisis:

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El proceso total de la glucólisis anaeróbica puede ser representado: Glucosa + 2 ADP + 2 Pi 2 lactato + 2 ATP + 2 H2O + 2 H+

La mayoría del lactato, el producto final de la glucólisis anaeróbica, es exportado desde la célula y llevado hacia el hígado por vía sanguínea, donde este es reconvertido en glucosa (gluconeogénesis).

Contrariamente a la creencia ampliamente sostenida, no es la acumulación del lactato per se la que causa la fatiga y el dolor muscular sino, la acumulación de los ácidos generados por la glucólisis (los músculos pueden mantener su carga de trabajo en presencia de altas concentraciones de lactato si el pH se mantiene constante). De hecho, es bien conocido entre los cazadores que la carne de un animal que ha corrido hasta el agotamiento antes de ser matado, tiene un sabor amargo. Esto es el resultado de la acumulación del ácido láctico en los músculos.

2.2 Fermentación alcohólica

En las levaduras, bajo condiciones anaeróbica, el NAD+ es regenerado a través de un proceso que ha sido de importancia para la humanidad por miles de años: la conversión del piruvato en etanol y CO2. El etanol es, por supuesto, el ingrediente activo del vino y de las bebidas espirituosas y el CO2, que así se produce, leuda el pan. Sin embargo, desde el punto de vista de la levadura, la fermentación alcohólica tiene un beneficio práctico que la fermentación homoláctica no le proporciona: las levaduras utilizan al etanol como una clase de antibiótico para eliminar organismos competidores. Esto se debe a que las levaduras pueden crecer en presencia de concentraciones de etanol mayores al 12%, mientras que solo unos pocos organismos pueden sobrevivir en concentraciones de etanol >5% (recuérdese que el etanol es un antiséptico ampliamente utilizado).

2.3 Balance energético La reacción total de la fermentación homoláctica es:

Glucosa 2 lactato + 2H+ ∆G°´= –196 kJ/mol de glucosa La reacción total de la fermentación alcohólica es: Glucosa 2CO2 + 2 etanol

∆G°´= –235 kJ/mol de glucosa Cada una de estas reacciones está acopladas a la formación neta de dos ATP

que requiere un ∆G°´= +61 kJ/mol de glucosa consumida. El cociente entre el ∆G°´ de la formación de ATP y el de la formación de lactato indica que la fermentación homoláctica es un 31% "eficiente"; es decir, que el 31% de la energía libre liberada por este proceso bajo condiciones bioquímicas estándares es secuestrada bajo la forma de ATP. El resto es disipado como calor, haciendo consecuentemente a este proceso irreversible. De modo similar, la fermentación alcohólica es un 26% eficiente

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bajo condiciones bioquímicas estándares. En realidad, bajo condiciones fisiológicas, donde las concentraciones de los reactivos y los productos difieren de aquellas del estado estándar, estas reacciones tienen eficiencias de energía libre >50%.

La glucólisis es utilizada para una rápida producción de ATP La fermentación anaeróbica utiliza a la glucosa de un modo despilfarrador en

comparación con la fosforilación oxidativa: la fermentación da como resultado la producción de 2 ATP por glucosa, mientras que la fosforilación oxidativa produce 36-38 ATP por glucosa. Esto explica la observación de Pasteur de que las levaduras consumen mucha más glucosa cuando crecen en condiciones anaeróbicas que cuando lo hacen en forma aeróbica (el efecto Pasteur). Sin embargo, la velocidad de la producción de ATP por la glucólisis anaeróbica puede ser hasta 100 veces más rápida que la fosforilación oxidativa. En consecuencia, cuando los tejidos como el músculo están consumiendo rápidamente ATP, ellos lo regeneran casi completamente por la glucólisis anaeróbica. (La fermentación homoláctica realmente no "derrocha" glucosa dado que el lactato producido de este modo es reconvertido en forma aeróbica en glucosa por el hígado a través del proceso gluconeogenético)

El músculo esquelético consiste en fibras de contracción lenta (Tipo I) y fibras de contracción rápida (Tipo II). Las fibras de contracción rápida predominan en los músculos capaces de hacer contracciones rápidas y vigorosas durante períodos cortos, están casi privados de mitocondrias y por lo tanto, ellos deben obtener todos sus ATP a través de la glucólisis anaeróbica, para la cual tienen, particularmente, gran capacidad. Por el contrario, los músculos diseñados para contraerse lentamente y en forma continua son ricos en fibras de contracción lenta que tienen abundantes mitocondrias y obtienen la mayoría de su ATP a través de la fosforilación oxidativa. (Las fibras de contracción rápida y de contracción lenta originalmente se conocían como fibras blancas y rojas, respectivamente, puesto que el músculo de color pálido cuando está enriquecido con mitocondrias toma el color rojo característico de sus citocromos que contienen hemo. Sin embargo, el color de las fibras ha mostrado ser un indicador imperfecto de la fisiología del músculo.)

Los músculos del vuelo de las aves migratorias como los patos y los gansos, que

necesitan una fuente de energía continua, son ricos en fibras de contracción lenta y por lo tanto estas aves tienen carne de pechuga oscura. Por el contrario, los músculos del vuelo de los voladores como los pollos y los pavos, que se usan solo para cortos estallidos (usualmente escapar del peligro), consisten principalmente en fibras de contracción rápida que forman la carne blanca. En los humanos, los músculos de los corredores de cortas distancias (esprinters o velocistas) son relativamente ricos en fibras de contracción rápida, mientras que los corredores de distancia tienen mayor proporción de fibras de contracción lenta (aunque sus músculos tienen el mismo color). Los corredores de larga distancia de clase mundial tienen una notable alta capacidad de generar ATP aeróbicamente.

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3. Destino aeróbico del piruvato. Oxidación completa de la glucosa. Durante la glucólisis aeróbica, la glucosa y otros monosacáridos se convierten

en piruvato, producto final en esta etapa citosólica. La transferencia del piruvato a la mitocondria permite la acción de la piruvato deshidrogenasa que cataliza la descarboxilación oxidativa del piruvato con la formación de acetil-CoA que posteriormente ingresa al ciclo de Krebs. De esta manera, la glucosa es completamente oxidada a CO2 mediante las reacciones enzimáticas de la glucólisis y el ciclo de Krebs. La oxidación completa de la glucosa por el oxígeno molecular se describe mediante la siguiente ecuación redox:

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O ∆G°' = -2.823 kJ/mol En realidad, este proceso puede ser dividido en dos reacciones. En la primera

hemirreacción los átomos de carbono de la glucosa son oxidados: C6H12O6 + 6H2O 6CO2 + 24H+ + 24e- y en la segunda, el oxígeno molecular es reducido: 6O2 + 24H+ + 24e- 12H2O En los sistemas vivos, el proceso de transferencia de electrones que conecta

estas dos hemirreacciones ocurre a través de una vía de múltiples pasos que acopla la energía libre liberada para formar ATP.

Los 12 pares de electrones involucrados en la oxidación de la glucosa no son transferidos directamente al O2. En cambio, como hemos visto, ellos son transferidos a las coenzimas NAD+ y FAD para formar 10 NADH y 2 FADH2 en las reacciones catalizadas por la enzima glucolítica gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa, piruvato deshidrogenasa y las enzimas del ciclo de Krebs isocitrato deshidrogenasa, α-cetoglutarato deshidrogenasa, succinato deshidrogenasa (la única reducción de FAD) y malato deshidrogenasa. Luego los electrones pasan dentro de la cadena de transporte de electrones, donde a través de la reoxidación del NADH y del FADH2, ellos participan en la reducción-oxidación secuencial de más de 10 centros redox antes de reducir al O2 a H2O. En este proceso, los protones son expelidos de la mitocondria. La energía libre almacenada en el gradiente de pH resultante conduce síntesis de ATP a partir de ADP y Pi a través de la fosforilación oxidativa. La reoxidación de cada NADH da como resultado la síntesis de ~3 ATP y la reoxidación del FADH2 produce ~2 ATP para un total de 38 ATP para cada glucosa completamente oxidada a CO2 y H2O, incluidos los 2 ATP que se generan en la glucólisis, los 2 ATP que se producen en el ciclo de Krebs y los 6 ATP por reoxidación de NADH que ingresa a través de la lanzadera del malato-aspartato. En el caso de la lanzadera del glicerol-3-fosfato, el rendimiento es de 2 ATP menos, 36 ATP para cada glucosa completamente oxidada a CO2 y H2O.

(Revise los sistemas de lanzaderas de sustrato descriptos en el módulo de Oxidaciones biológicas: La mitocondria)

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