Reacciones
de la glucólisis
La
glucólisis comienza con la glucosa, donde la primera reacción,
irreversible, consiste en una fosforilación en el carbono 6 de la glucosa,
originando por tanto la glucosa-6-fosfato.
Esto significa la utilización de una molécula de ATP que dona un Pi y queda
liberado como ADP. Esta primera reacción está catalizada por un enzima
denominado hexokinasa (kinasa = cataliza reacciones de
fosforilación)
La hexokinasa es un enzima que actúa mediante un
mecanismo de ajuste inducido, donde la unión del primer sustraía, la glucosa,
induce a un cambio de conformación, mediante el cual se produce un acercamiento
de los dominios que engloban al sustraía, adquiriendo su centro activo un
carácter apolar favorable para la reacción de fosforilación en el carbono 6 de
la glucosa, con la liberación de una molécula de agua.
Como bien su nombre indica,
hexokinasa, cataliza reacciones de fosforilación de distintas hexosas.
Presentan una amplia especificidad de sustraías, aunque presenta gran afinidad
hacia la glucosa. Presenta una Km muy baja.
Como mecanismo de regulación,
la hexokinasa se inhibe por altas concentraciones de glucosa-6-fosfato.
En
el hígado encontramos un isoenzima de la hexokinasa denominada glucoquinasa, que
cataliza la misma reacción pero con distintas características. Este enzima es
especifico para la glucosa, pero en cambio tienen menor afinidad por la misma,
debido a que su Km es más alta. Esto significa que solo funciona al existir
altas concentraciones de glucosa, lo que le permite al hígado ajustar o regular
las concentraciones sanguíneas de glucosa.
La segunda reacción de la
glucólisis es reversible, donde se pasa de la glucosa-6-fosfato (G6P) a fructosa-6-fosfato (F6P). Se trata de una reacción de isomerización de aldosa a
cetosa catalizada por la fosfoglucoisomerasa.
Se
trata de una reacción en la cual primeramente, la G6P rompe su forma cíclica,
se abre, sufriendo unos procesos que dan lugar a la formación de un
intermediario de reacción denominado cis-enol, con una corta vida, donde
seguidamente se forma la cetosa que al ciclarse da lugar a la forma furanosa de
la F6P.
Al ser una reacción de
isomerización, se transfiere el grupo oxígeno que formaba el aldehído (del
carbono 1), al carbono 2, dando lugar a un grupo ceto. Todo esto es catalizado
por el enzima.
La
tercera reacción, también irreversible, conlleva la presencia y consumo de ATP,
originando la fructosa-1,6-bisfosfato (FBP).
Se
trata de una reacción de fosforilación, por lo que está catalizada por una
kinasa, concretamente la fosfofructokinasa-1 (PFK-1),
que fosforila el carbono 1 de la F6P.
Esta reacción irreversible constituye el principal punto de control o regulación de la
glucólisis. Se trata del enzima más regulado.
Al igual que la anterior
reacción irreversible, son ambas lo suficientemente exorgónicas (liberan
demasiada energía) como para ser prácticamente irreversibles en el organismo in
vivo.
La
cuarta reacción es reversible, y consiste en la ruptura de la molécula de FBP
para dar lugar a 3-fosfodihiroxiacetona (DHAP) y a 3-fosfogliceraldehido (G3P),
ambas con 3 carbonos. La 3-fosfodihiroxiacetona corresponde a los átomos de
carbono 1, 2 y 3 de la FBP; mientras que el también llamado
gliceraldehido-3-fosfato corresponde a los carbonos 4, 5 y 6, siendo el 6 el 1
de la nueva molécula.
El
enzima que cataliza esta reacción es una aldolasa, concretamente recibe
el nombre de fructosa bisfosfato aldolasa.
La aldolasa presentan un su
centro activo dos residuos ácido-base de Lys e His.
Lo primero que ocurre es la
ruptura del anillo de la FBP, para dar lugar a la forma abierta, dejando al
carbono 2 con el grupo ceto libre.
El primer pasa de la aldolasa
mediante un mecanismo de catálisis covalente, consiste en la formación de un enlace entre
el carbono 2 del sustrato y el nitrógeno del grupo amino del resto de Lys del
centro activo del enzima. Esto conlleva la pérdida de una molécula de agua, y
da lugar a la denominada base de Schiff.
Después actúa el enzima mediante una catálisis ácido-base,
concretamente, el a.a. actúa como una base (generalmente la His) captando un
protón. Capta el protón del OH del carbono 3, desencadenando procesos en el que
el oxigeno con carga negativa del carbono 3 ataca nucleofílicamente al carbono
4, rompiendo la fructosa por el enlace entre los carbonos 3-4.
El resultado son dos moléculas
de 3 carbonos, una de las cuales queda aún unida al enzima por el enlace base de Schiff, mientras que la otra
molécula es liberada como gliceraldehido-3-fosfato.
La molécula unida al enzima es
liberada mediante la hidrólisis de la base de Schiff, donde el oxígeno queda
como grupo ceto y los dos hidrógenos en el nitrógeno del enzima, cerrando así
el ciclo.
La quinta y última reacción de
la primera etapa de la glucólisis, también reversible, consiste en una
isomerización catalizada por la triosa-fosfato isomerasa, cuyo sustrato son las triosas (las
dos moléculas anteriores). La función de este enzima es la transformación de
uno de los productos de la reacción anterior en el otro. Concretamente, la
triosa-fosfato isomerasa cataliza la isomerización del 3-fosfodihiroxiacetona a
3-fosfogliceraldehido, dado que este es el sustrato de la siguiente reacción
glucolítica.
Esto quiere decir que de una
molécula de glucosa, en cinco reacciones obtenemos dos moléculas de
gliceraldehido-3-fosfato, dando por terminada la primera etapa o fase de la
glucólisis.
Una vez terminada la etapa de
preparación, comienza la fase de generación de energía, es decir, las cinco
siguientes reacciones que finalizan la glucólisis, con el objetivo fundamental
de aprovechas los fosfatos de las dos moléculas de G3P para sintetizar ATP.
Hasta el momento, los enlaces
de fosfato del gliceraldehido no son enlaces ricos en energía, por lo que en
esta fase se va a dar lugar a ellos, de ahí lo que generación de energía.
Para
ello, partiendo de las dos moléculas de G3P, se lleva a cabo la sexta reacción,
una reacción reversible, de la glucólisis, donde ambas moléculas se transforman
en dos moléculas de ácido-1,3-bisfosfoglicerico (BPG).
Se trata de una reacción
compleja, de una oxidación que requiere por tanto una reducción, además de
producirse la incorporación de un Pi por cada molécula de G3P, el cual va a
quedar unido mediante un enlace rico en energía.
Es por tanto en esta reacción donde
se generan los dos poderes reductores a consecuencia de la oxidación, es decir,
se forman dos moléculas de NADH + H+ (el NAD+ se reduce oxidando al sustrato)
Se
trata de una reacción catalizada por un enzima denominado fosfogliceraldehido
deshidrogenasa, el cual presenta un centro activo con un resto de -SH, es
decir, de Cis, que actúa por un mecanismo de catálisis covalente.
El
enzima, con su grupo -SH va a reaccionar con el carbono 1 del G3P, formando un
enlace covalente S-C (los enlaces entre azufre-carbono reciben el nombre de enlaces
tiohemiacetal), dando lugar a un grupo OH en
ese mismo carbono.
Los dos hidrógenos del carbono
1 pasan al coenzima NAD+, el cual es reducido a NADH + H+, mientras que se
forma un doble enlace C = O. Se trata de una deshidrogenación u oxidación del
sustrato. Este intermediario recibe el nombre de tioéster.
Acto seguido se produce la
fosforilación por un Pi, que ataca al carbono 1 uniéndose a él mediante un
enlace rico en energía, y permitiendo la liberación del enzima. Esto da lugar
al 1,3-fosfoglicerato.
La
séptima reacción consiste en la transferencia del fosfato unido por un enlace
rico en energía a una molécula de ADP para formar ATP y el ácido
3-fosfoglicérico (3PG).
El BPG libera con el enlace rico en energía 11 Kcal/mol, suficientes como para
formar el ATP.
Por tanto se producen dos
moléculas de ATP, compensando así el gasto energético de la primera etapa.
Se trata de una reacción
reversible, la cual ocurre cuando la concentración de ATP es pequeña, ya que en
presencia de una alta concentración de ATP puede ocurrir el proceso inverso.
El
nombre del enzima que cataliza esta reacción es el de fosfoglicerato kinasa.
La
siguiente reacción, la octava, es también reversible, en la cual se produce la
transformación del 3PG en el ácido 2-fosfoglicérico (2PG), catalizado por el enzima fosfoglicerato mutasa, cuyo mecanismo de acción es el
siguiente: en su centro activo posee una His con el nitrógeno 3 de su radical
fosforilado, de tal modo que reacciona con el fosfato del carbono 3 de 3PG y
cede su fosfato al carbono 2 del sustrato, originando un intermediario
2,3-bisfosfoglicerato.
Enzima-P + 3PG !
[Enzima-2,3-bisPG] ! Enzima-P + 2PG
La
siguiente reacción, la novena, también reversible, es una deshidratación, con
pérdida de una molécula de agua procedente del OH libre (que ya no esta
fosforilado) del carbono 3 y el H del carbono 2. Esto da lugar a un doble
enlace entre el carbono 2 y el 3, dejando el fosfato del carbono 2 unido
mediante un enlace rico en energía, para dar lugar al ácido
fosfoenolpirúvico (PEP).
El
enzima encargado de catalizar esta reacción es una deshidratasa denominada enolasa.
Este
enlace rico en energía es aprovechado en la décima y última reacción para
sintetizar ATP a partir de ADP, para dar lugar alácido pirúvico.
El enlace rico en energía libera 14'8, Kcal/mol suficientes como para formar el
ATP.
Esto quiere decir que ya se han
sintetizado las dos moléculas de ATP que faltaban.
Se
trata de una reacción catalizada por la piruvato kinasa, formando un intermediario de reacción
inestable llamado enol pirúvico, que rápidamente pasa a piruvato.
Además, es una reacción
irreversible; constituye el tercer punto de control de la glucólisis.
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2Piruvato + 2NADH + 2ATP + 2H+ + 2H2O