La glucólisis es el proceso mediante el cual se degrada la glucosa. La importancia funda- mental de la glucólisis es el rendimiento energético y aporte de precursores para otros procesos metabólicos lo que depende del tejido donde ocurre y de las condiciones del organismo.
La glucólisis presenta dos etapas: la primera desde la glucosa hasta la formación de dos triosas fosfatadas (3 fosfogliceraldehído y fosfodihidroxiacetona) y la segunda etapa desde 3 fosfogliceraldehido hasta ácido pirúvico. Ambas etapas difieren desde el punto de vista energético pues en la primera se consume energía en forma de 2 ATP y en la segunda se libera energía, también en forma de ATP, y cuya cuantía depende de las condiciones, aerobias o anaerobias en la que proceda la glucólisis.
Primera etapa de la glucólisis
La glucosa se convierte en glucosa-6-fosfato por acción de la hexoquinasa (el tipo de esta enzima dependerá del tejido). En esta reacción se consume un ATP. Esta reacción es fuertemente exergónica e irreversible.
La glucosa-6-fosfato se convierte en fructosa-6-fosfato por acción de la enzima fosfoglucoisomerasa, esta reacción es reversible.
Seguidamente la fructosa-6-fosfato es fosforilada de nuevo y se convierte en fructosa 1,6 bisfosfato, en esta reacción se consume el segundo ATP y la reacción es catalizada por la enzima fosfofructoquinasa 1 que es la principal enzima reguladora del proceso como se verá más adelante. Reacción también irreversible y exergónica.
La enzima fructosa bisfosfato aldolasa escinde la fructosa 2,6 bisfosfato originando las dos triosas fosfatadas y así culmina la primera etapa de la glucólisis.
Ambas triosas pueden interconvertirse por acción de la enzima fosfotriosa isomerasa. Si la glucólisis está activada se favorece el paso a 3 fosfogliceraldehido, en tanto que si la glucólisis se encuentra deprimida se favorece el paso a fosfodihi- droxiacetona la cual puede formar un precursor de la síntesis de los triacilgliceroles (el glicerol-3-fosfato).
Segunda etapa de la glucólisis
La segunda etapa procede a partir del 3 fosfogliceraldehido. La primera reacción es de oxidación y es catalizada por la 3 fosfogliceraldehido deshidrogenasa.
Capítulo 8. Metabolismo de los glúcidos 145
El ácido 1,3 bisfosfoglicérico formado en la reacción presenta un enlace anhídrido de ácido, de alto contenido energético, que al hidrolizarse libera suficiente energía que se utiliza para la formación de un ATP en la reacción siguiente.
En esta reacción de la deshidrogenasa, se forma NADH.H+, el cual debe ser reoxidado
en alguna reacción ulterior de modo que no se acumule este cofactor reducido y se garan- tice la disponibilidad del mismo en forma oxidada como lo requiere esta enzima. Si la glucólisis ocurre en condiciones aeróbicas la reoxidación del NADH en la cadena trans- portadora de electrones permitirá la liberación de energía y la formación de ATP. Sin embargo en condiciones anaeróbicas la reoxidación del NADH no libera energía como se podrá comprobar más adelante en este capítulo.
La enzima fosfogliceroquinasa actúa sobre el ácido 1,3 bisfosfoglicérico formando ácido 3 fosfoglicérico + ATP por fosforilación a nivel de sustrato.
El ácido 3 fosfoglicérico se convierte en ácido 2 fosfoglicérico por la acción catalítica de la fosfogliceromutasa.
Seguidamente a partir del ácido 2 fosfoglicérico se forma el ácido fosfoenolpirúvico (PEP), por la extracción de una molécula de H2O y formación de un enlace de alto conte- nido energético. La reacción es catalizada por la enolasa.
La pirúvico quinasa es la enzima que, a partir del fosfoenolpirúvico + ADP forma el ácido pirúvico + ATP, esta reacción, también irreversible, es la segunda reacción de fosforilación a nivel de sustrato de la glucólisis y con ella culmina la segunda etapa de la glucólisis.
En el cuadro 8.1 se resumen las reacciones de la vía glucolítica.
Cuadro 8.1. Secuencia de reacciones de la vía glucolítica. En rojo se señalan los ATP que
se consumen o se forman en la vía; en verde, el nombre de las enzimas participantes y en azul, el cofactor reducido formado en la segunda etapa.
Capítulo 8. Metabolismo de los glúcidos 147
El ácido pirúvico formado sigue diferentes destinos metabólicos en dependencia de la condición aeróbica o anaeróbica en que proceda la glucólisis:
Destino del ácido pirúvico en condiciones anaerobias
En condiciones anaeróbicas el ácido pirúvico se convierte en ácido láctico por la acción de la enzima láctico deshidrogenasa.
Se puede constatar que en esta reacción se produce la reoxidación del NADH, equiva- lente al formado en la reacción de la 3 fosfogliceraldehido deshidrogenasa y que su reoxidación garantiza el funcionamiento de la glucólisis en estas condiciones. Como pue- de apreciarse la reoxidación del NADH en esta reacción no conlleva la liberación de energía.
Destino del ácido pirúvico en condiciones aeróbicas
En condiciones aeróbicas, el ácido pirúvico es convertido en acetil CoA por acción del complejo multienzimático pirúvico deshidrogenasa. Este complejo ubicado en la mitocondria y formado por 3 enzimas que intervienen en la transformación del sustrato y dos reguladoras ( una quinasa y una fosfatasa) y para su acción participan 5 cofactores; PPT, ácido lipoico, coenzima A, FAD y NAD+. La reacción global es la siguiente:
En esta reacción el NADH formado se incorpora a la cadena transportadora de elec- trones lo que posibilita la formación de ATP.
Balance energético de la glucólisis
Como puede inferirse del estudio de la glucólisis, dado que la fructosa 1,6 bisfosfato se escinde en dos triosas y ambas pueden continuar su degradación en la segunda etapa de la glucólisis, al realizar los cálculos para el balance energético de la vía debe tenerse en cuenta que cada glucosa origina 2 triosas.
En la primera etapa de la glucólisis se consumen 2 ATP. En la segunda etapa se forman 4 ATP: 2 en la reacción de la fosfogliceroquinasa y 2 en la catalizada por la enzima pirúvico quinasa. De manera que el rendimiento neto de energía en condiciones anaerobias es de 2 ATP.
En condiciones aeróbicas, sin embargo, deben tenerse en cuenta la reoxidación del NADH formado en la reacción de la 3 fosfogliceraldehido deshidrogenasa que asumire- mos que su paso a la matríz mitocondrial se realiza por un mecanismo que no afecta el rendimiento de 2,5 ATP por cada NADH y además hay que considerar la reoxidación del NADH formado en la reacción de la pirúvico deshidrogenasa. Por otra parte, el acetil CoA formado en la reacción de la pirúvico deshidrogenasa se incorpora al ciclo de Krebs rindiendo 10 ATP por cada triosa fosfatada y por tanto 20 ATP por cada glucosa. Lo cual significa un rendimiento energético neto de 32 ATP por cada molécula de glucosa degra- dada en condiciones aeróbicas (ver cuadro 8.2).
Cuadro 8.2. Balance energético de la glucólisis
Reacción Formación de moléculas de ATP
Condiciones anaerobias Condiciones aerobias Formación de glucosa-6-fosfato - 1ATP - 1ATP
(reacción de la hexoquinasa)
Formación de fructosa 1,6 bisfosfato - 1ATP - 1ATP (enzima fosfofructoquinasa)
Formación de 1,3 bisfosfoglicérico. - + 5 ATP Reacción de la enzima fosfo-
gliceraldehído deshidrogenasa. Formación de 1 NADH
Formación de 3 fosfoglicérico. + 2ATP + 2ATP Reacción de la enzima
fosfogliceroquinasa
Formación de piruvato. + 2ATP + 2ATP
Reacción de la enzima piruvato quinasa
Formación de acetil-CoA. - + 5ATP
Reacción de la piruvato deshidrogenasa. Formación de 1 NADH Degradación de la - + 20ATP acetil-CoA en el ciclo de Krebs
Total 2 ATP 32ATP
Irreversibilidad de la vía glucolítica
La mayoría de las reacciones de la vía glucolítica son reversibles, con la excepción de las catalizadas por las hexoquinasas, la fosfofructoquinasa 1 y la pirúvico quinasa, lo que determina que el proceso total sea irreversible. Cuando se trate el proceso de gluconeogénesis se volverá a insistir en esta característica de la vía glucolítica.
Regulación de la vía glucolítica
En la vía glucolítica existen 4 enzimas reguladoras fundamentales: las hexoquinasas, la pirúvico quinasa, la pirúvico deshidrogenasa y la principal enzima reguladora de la vía que es la fosfofructoquinasa 1.
La regulación de las hexoquinasas está en dependencia de la enzima expresada en cada tejido. Como se analizó anteriormente la hexoquinasa I característica del cerebro se inhibe por acumulación de su producto glucosa-6-fosfato, en tanto que la hexoquinasa IV (o glucoquinasa) no se inhibe por dicho metabolito pero sí por la fructosa-6-fosfato me- diado por la proteína reguladora de glucoquinasa; además esta enzima resulta inducida por la insulina todo lo cual está relacionado con la especificidad hística y el destino metabólico de la glucosa en dichos tejidos. La proteína reguladora de la glucoquinasa
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posee también afinidad por la fructosa 1-fosfato y cuando esta última se le une cancela su efecto inhibitorio sobre la glucoquinasa, ello explica que la ingestión de fructosa estimule la fosforilación de glucosa en el hígado.
La pirúvico quinasa presenta regulación covalente y alostérica. En la covalente, por fosforilación-desfosforilación, la forma activa es la desfosforilada. La alostérica depende también del tejido, así la isoenzima hepática es activada por la fructosa 1,6-bisfosfato e inhibida por el ATP en tanto la muscular no se activa apreciablemente por la fructosa 1,6-bisfosfato y resulta inhibida por la fenilalanina.
La pirúvico deshidrogenasa controla su actividad por el mecanismo de regulación covalente, también es activa en forma desfosforilada. En la fosforilación y desfosforilación de la enzima intervienen las dos enzimas reguladoras del complejo; la quinasa y la fosfatasa. Además, alostéricamente la enzima resulta activada por elevadas concentraciones de piruvato y de ADP y es inhibida por elevadas concentraciones de ATP .
La principal enzima reguladora de la vía glucolítica es la fosfofructo quinasa 1. Su regulación es alostérica . Son efectores positivos de la enzima el AMP, el ADP y especial- mente la fructosa 2,6-bisfosfato; en tanto que son sus efectores negativos el ATP y el citrato.
Formación y degradación de la fructosa 2,6 bisfosfato
En el hígado, la formación y degradación de la fructosa 2,6-bisfosfato es catalizada por una enzima bifuncional, es decir, una enzima que posee dos centros activos. Un centro de acción quinásica denominado fosfofructoquinasa 2 por la similitud de acción con la fosfofructoquinasa 1, por el que la enzima forma la fructosa 2,6-bisfosfato a partir de la fructosa 6 fosfato; por tanto por la acción de este centro activo se incrementa la concentra- ción de la fructosa 2,6-bisfosfato. El otro centro activo posee acción fosfatásica, denomina- do bisfosfofructo fosfatasa 2, por similitud con la enzima reguladora de la gluconeogénesis que se analizará más adelante en este capítulo; por este centro activo la enzima bifuncional cataliza la conversión de la fructosa 2,6-bisfosfato en fructosa 6 fosfato y por tanto por la acción de este centro activo de la enzima disminuye la concentración de fructosa 2,6-bisfosfato. La enzima bifuncional presenta regulación por modulación covalente, en su estado fosforilado, favorecido por la liberación de glucagón, se activa su centro activo de acción fosfatásico y por tanto disminuyen los niveles de fructosa 2,6-bisfosfato. En tanto que la liberación de insulina contrarresta este efecto y se favorece la acción del centro activo con acción quinásica y debido a esto se incrementarán los niveles de fructosa 2,6-bisfosfato (Fig. 8.13).
Fig. 8.13. Formación y degradación de la fructosa 2,6 bisfosfato. La en- zima bifuncional por su centro con actividad quinásica cataliza la forma- ción de la fructosa 2,6 bisfosfato a partir de fructosa-6-fosfato. El cen- tro fosfatásico actúa sobre la fructosa 2,6 bisfosfato y la convierte en fructosa-6-fosfato. La fosforilación de la enzima bifuncional activa el centro fosfatásico, por lo que, en esas condiciones, disminuyen los niveles de fructosa 2,6 bisfosfato.
Gluconeogénesis
La gluconeogénesis es el proceso mediante el cual se sintetiza glucosa a partir de compuestos no glucídicos. Sus precursores son el ácido láctico, el glicerol y varios aminoácidos denominados aminoácidos glucogenéticos. Este proceso ocurre principal- mente en el hígado y con menor intensidad en el riñón y se localiza intracelularmente en la mitocondria y el citosol.
Fig. 8.14. Resumen de las reacciones del primer rodeo metabólico de la gluconeogénesis.
La mayoría de las reacciones de esta vía ocurren por inversión de las reacciones de la vía glucolítica con la excepción de las reacciones irreversibles de esta última vía. Estos pasos se evaden por la participación de otras enzimas que forman rodeos metabólicos.
1. Primer rodeo metabólico
La formación del ácido fosfoenolpirúvico a partir de pirúvico constituye el primer rodeo metabólico de la gluconeogénesis. En él intervienen varias enzimas: la pirúvico carboxilasa (principal enzima anaplerótica del ciclo de Krebs) que catalizará la formación de ácido oxalacético a partir del ácido pirúvico, seguidamente el ácido oxalacético se convierte en ácido L málico por la enzima L málico deshidrogenasa del ciclo de Krebs; este puede salir de la matríz mitocondrial mediante transportadores de ácidos dicarboxílicos y ya en el citosol se convierte de nuevo en ácido L málico por una L málico deshidrogenasa citoplasmática. La enzima ácido fosfoenolpirúvico carboxiquinasa (PEP carboxiquinasa), específica de esta vía, convierte el ácido málico en ácido fosfoenolpirúvico; en esta reacción se requiere el consumo de GTP y se pìerde CO2 (Fig. 8.14 ).
Una vez formado el ácido fosfoenolpirúvico la vía procede por la inversión de las reacciones de la vía glucolítica hasta la formación de la fructosa 1,6-bisfosfato ya que todas las enzimas que participan catalizan reacciones reversibles.
2. Segundo rodeo metabólico
El segundo rodeo metabólico elude la reacción de la fosfofructoquinasa 1 que es irreversible. La enzima que interviene es la bisfosfofructofosfatasa 1 que cataliza la
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reacción de fructosa 1,6-bisfosfato a fructosa-6-fosfato y es la enzima principal reguladora de esta vía.
Una vez formada la fructosa-6-fosfato la enzima fosfoglucoisomerasa, de la vía glucolítica, la convierte en glucosa-6-fosfato que debe ser convertida en glucosa por la glucosa-6-fosfatasa, reacción que constituye el tercer y último rodeo metabólico.
3. Tercer rodeo metabólico
La glucosa-6-fosfato formada se convierte en glucosa libre por la acción de la enzima glucosa-6-fosfatasa. Como se vio anteriormente esta enzima interviene también en la glucogenólisis hepática y su acción permite que la glucosa formada pueda salir de este tejido.
En el cuadro 8.3 se presentan, de forma resumida, las reacciones de la vía gluconeogenética y la glucolítica. Como puede constatarse en la formación de una molé- cula de glucosa se consume el equivalente de 6 ATP.
Relaciones interorgánicas entre hígado, músculo y tejido adiposo
El glicerol, precursor de la gluconeogénesis, proviene fundamentalmente de la degra- dación de los triacilgliceroles del tejido adiposo; el ácido láctico de la glucólisis anaerobia del eritrocito y del músculo en ejercicio anaerobio. Entre el hígado y el músculo se estable- ce un ciclo ya que la glucosa formada en la gluconeogénesis pasa a la sangre y puede alcanzar de nuevo el músculo, este ciclo se conoce como ciclo de Cori y es característico del ejercicio físico (Fig. 8.15).
Fig. 8.15. Ciclo de Cori. El láctico, formado por la glucogenólisis y glucólisis muscular, es transportado por la sangre hasta el hígado y en este tejido puede transformarse en gluco- sa, la cual nuevamente puede llegar al tejido muscular conformando así el ciclo de Cori.
Cuadro 8.3. Regulación de la glucólisis y la gluconeogénesis. Se presenta, de forma resumi-
da, la secuencia de reacciones de las vías glucolítica y de la gluconeogénesis; en esta se indican los moduladores de las distintas enzimas reguladoras de la vía.
Capítulo 8. Metabolismo de los glúcidos 153
Entre el músculo y el hígado se establece otra relación interorgánica mediante el ciclo de Cahill (Fig 8.16), la degradación de las proteínas hísticas musculares, que ocurre du- rante el ayuno, libera aminoácidos que al transaminarse con el ácido pirúvico proveniente de la glucólisis se convierten en alanina, este aminoácido pasa a la sangre, alcanza el hígado y allí constituye un precursor para la síntesis de glucosa, la cual pasa a la sangre y puede de nuevo ingresar al músculo.
Fig. 8.16. Ciclo de Cahill. Las pro- teínas en el tejido muscular, en de- terminadas condiciones, se degradan a sus aminoácidos constituyentes; estos pueden, por transaminación con el ácido pirúvico proveniente de la glucólisis, formar alanina, la cual resulta transportada por la sangre hasta el hígado. En el hígado, la alanina puede convertirse en gluco- sa por el proceso de gluconeogénesis, la cual puede alcanzar el tejido mus- cular y conformar así el ciclo de Cahill.
Regulación de la gluconeogénesis
En la regulación de la gluconeogénesis intervienen 2 enzimas fundamentales la pirúvico carboxilasa y la bisfosfofructofosfatasa 1.
La enzima pirúvico carboxilasa resulta activada por elevadas concentraciones de acetil CoA.
La bisfosfofructofosfatasa 1 es la principal enzima reguladora de la gluconeogénesis y su mecanismo de regulación es alostérico siendo sus efectores positivos el ATP y el citrato y sus efectores negativos el AMP, el ADP y la fructosa 2,6-bisfostato. Como puede apreciarse los efectores alostéricos de esta enzima actúan de modo inverso a como lo hacen, esos mismos efectores, en el caso de la enzima fosfofructoquinasa 1; ello es funda- mental en la regulación coordinada de la glucólisis y la gluconeogénesis.
La regulación coordinada de la glucólisis y la gluconeogénesis depende de tales efec- tos inversos. Así el nivel elevado de AMP o ADP activa la glucólisis y deprime la gluconeogénesis ,un efecto opuesto lo provocaría un nivel elevado de ATP.
Por otra parte, la liberación de glucagón, al activar el centro fosfatásico de la enzima bifuncional condiciona que disminuyan los niveles de fructosa 2,6 bisfosfato, lo cual pro- voca que se deprima la glucólisis al faltar el principal efector alostérico positivo de la enzima marcapaso, la fosfofructoquinasa 1; por el contrario la gluconeogénesis se activa- ría al decrecer la concentración de un efector negativo de la principal reguladora de esta vía, la bisfosfofructofosfatasa 1. Un efecto inverso se provocaría por la liberación de la hormona insulina.