- Funcions de la glucòlisi
- Producció d'energia
- Enzims que participen en la glucòlisi
- 1- Hexoquinasa (HK)
- 2- Fosfoglucosa isomerasa (PGI)
- 3- Fosfofructoquinasa (PFK)
- 4- Aldolasa
- 5- triosa-fosfat isomerasa (TIM)
- 6- gliceraldehid 3-fosfat deshidrogenasa (GAPDH)
- 7- fosfoglicerato quinasa (PGK)
- 8- fosfoglicerat mutasa
- 9- enolasa
- 10- Piruvat quinasa
- Fases de la glucòlisi (pas a pas)
- - Fase d'inversió d'energia
- - Fase de guany energètica
- Productes de la glucòlisi
- importància
- referències
La glucòlisi o glicòlisi és la principal ruta d'catabolisme de glucosa, l'objectiu final consisteix en l'obtenció d'energia en forma d'ATP i poder reductor en forma de NADH, a partir d'aquest carbohidrat.
Aquesta ruta, dilucidada per complet en la dècada de 1930 per Gustav Embden i Otto Meyerhof mentre estudiaven el consum de glucosa en les cèl·lules de l'múscul esquelètic, consisteix en l'oxidació completa d'aquest monosacàrid i, per si sola, representa una via anaeròbica per a la obtenció d'energia.
Estructura molecular de l'ATP, un dels productes glucolíticos (Resum de la via glucolítica (Font: Tekks at English Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) via Wikimedia Commons) via Wikimedia Commons)
Es tracta d'una de les principals rutes metabòliques, doncs passa, amb les seves diferències, en tots els organismes vius que existeixen, unicel·lulars o multicel·lulars, procariotes o eucariotes, i es pensa que és una cadena de reaccions molt conservada evolutivament a la natura.
De fet, hi ha alguns organismes i tipus de cèl·lules que depenen exclusivament d'aquesta ruta per subsistir.
En primera instància, la glucòlisi consisteix en l'oxidació de la glucosa, de 6 àtoms de carboni, fins piruvat, que té tres àtoms de carboni; amb la concomitant producció d'ATP i NADH, útils per a les cèl·lules des del punt de vista metabòlic i sintètic.
En aquelles cèl·lules capaces de processar ulteriorment els productes obtinguts de l'catabolisme de la glucosa, la glucòlisi acaba amb la producció de diòxid de carboni i aigua a través de el cicle de Krebs i de la cadena transportadora d'electrons (glicòlisi aeròbica).
Deu reaccions enzimàtiques tenen lloc en el curs de la ruta glucolítica i, encara que la regulació d'aquestes reaccions pot ser alguna cosa diferent d'una espècie a una altra, els mecanismes de regulació també estan força conservats.
Funcions de la glucòlisi
Des del punt de vista metabòlic, la glucosa és un dels carbohidrats més importants per a tots els éssers vius.
És una molècula estable i molt soluble, pel que pot ser transportada amb relativa facilitat al llarg de tot el cos d'un animal o d'una planta, des d'on és emmagatzemada i / o obtinguda fins on es necessita com a combustible cel·lular.
Estructura de la glucosa (Font: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) via Wikimedia Commons)
L'energia química continguda en la glucosa és explotada per les cèl·lules vives a través de la glucòlisi, que consisteix en una sèrie de passos summament controlats pels quals pot "capturar" l'energia alliberada de l'oxidació d'aquest carbohidrat en formes d'energia més aprofitables, d'allí la seva importància.
A través d'aquesta ruta no només s'obté energia (ATP) i poder reductor (NADH), sinó que la mateixa aporta una sèrie d'intermediaris metabòlics que fan part d'altres rutes, també importants des del punt de vista anabòlic (biosintético) i de l' funcionament cel·lular general. Aquí una llista:
- Glucosa 6-fosfat per a la ruta de les pentoses fosfat (PPP, de l'anglès Pentose Phosphate Pathway)
- Piruvat per fermentació làctica
- Piruvat per a la síntesi d'aminoàcids (alanina, principalment)
- Piruvat per al cicle d'àcids tricarboxílics
- Fructosa 6-fosfat, glucosa 6-fosfat i dihidroxiacetona fosfat, que funcionen com a "blocs de construcció" en altres rutes com la síntesi de glucogen, d'àcids grassos, triglicèrids, nucleòtids, aminoàcids, etc.
Producció d'energia
La quantitat d'ATP produïda per la via glucolítica, quan la cèl·lula que el produeix no pot viure en condicions aeròbiques, és suficient per abastir les necessitats energètiques d'una cèl·lula quan s'acobla a diferents tipus de processos fermentatius.
No obstant això, quan es tracta de cèl·lules aeròbiques, la glucòlisi també fa de font d'energia d'emergència i serveix com a "pas preparatori" previ a les reaccions de fosforilació oxidativa que caracteritzen les cèl·lules amb metabolisme aeròbic.
Enzims que participen en la glucòlisi
La glucòlisi només és possible gràcies a la participació de les 10 enzims que catalitzen les reaccions que caracteritzen aquesta ruta. Moltes d'aquests enzims són alostéricas i canvien de forma o conformació quan exerceixen les seves funcions catalítiques.
Hi ha enzims que trenquen i formen enllaços covalents entre els seus substrats i hi ha altres que requereixen de cofactors específics per exercir les seves funcions, principalment ions metàl·lics.
Estructuralment parlant, tots els enzims glicolítics tenen un centre format essencialment per làmines β paral·leles envoltades per hèlixs α i ordenades en més d'un domini. Més encara, aquests enzims es caracteritzen perquè els seus llocs actius solen estar en els llocs d'unió entre dominis.
És important destacar, a més, que la regulació principal de la ruta passa pel control (hormonal o per metabòlits) d'enzims com l'hexoquinasa, la fosfofructoquinasa, la gliceraldehid 3-fosfat deshidrogenasa i la piruvat quinasa.
Principals punts de regulació de la via glucolítica (Font: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) via Wikimedia Commons)
1- Hexoquinasa (HK)
La primera reacció de la glucòlisi (fosforilació de la glucosa) és catalitzada per l'hexoquinasa (HK), el mecanisme d'acció sembla consistir en un "ajust induït" pel substrat, que promou el "tancament" de l'enzim al voltant de l'ATP i de la glucosa (els seus substrats) un cop s'ha unit a aquests.
Depenent de l'organisme que es consideri poden existir una o més isoenzims, el pes molecular oscil·la entre 50 (al voltant de 500 aminoàcids) i 100 kDa, ja que semblen agrupar-se en forma de dímers, la formació és afavorida per la presència de glucosa, ions de magnesi i ATP.
La hexoquinasa té una estructura terciària formada per làmines alfa i beta obertes, encara que existeixen moltes diferències estructurals en aquests enzims.
2- Fosfoglucosa isomerasa (PGI)
La glucosa fosforilada per l'hexoquinasa és isomerizada a fructosa 6-fosfat per mitjà de la fosfoglucosa isomerasa (PGI), també coneguda com glucosa 6-fosfat isomerasa. L'enzim, llavors, no remou ni afegeix àtoms, sinó que els reordena a nivell estructural.
Aquesta és un enzim activa en la seva forma dimèrica (el monòmer pesa més o menys 66 kDa) i està implicada no només en la glucòlisi, sinó també en la gluconeogènesi, en la síntesi de carbohidrats en les plantes, etc.
3- Fosfofructoquinasa (PFK)
La fructosa 6-fosfat és substrat per l'enzim fosfofructoquinasa, que és capaç de fosforilar novament aquesta molècula emprant ATP com a donador de grup fosforil, produint fructosa 1,6-bifosfat.
Aquest enzim existeix en els bacteris i els mamífers com un enzim homotetramérica (composta per quatre subunitats idèntiques de 33 kDa cadascuna per bacteris i 85 kDa cadascuna en mamífers) i en els llevats és un octàmer (compost per subunitats més grans, entre 112 i 118 kDa).
És un enzim al·lostèric, el que significa que és regulada positivament o negativament per algun dels seus productes (ADP) i per altres molècules com l'ATP i el citrat.
4- Aldolasa
També coneguda com fructosa 1,6-bifosfat aldolasa, la aldolasa catalitza la ruptura catalítica de la fructosa 1,6-bifosfat en dihidroxiacetona fosfat i gliceraldehid 3-fosfat i la reacció reversa, és a dir, la unió de tots dos sucres per a la formació de fructosa 1,6-bifosfat.
En altres paraules, aquest enzim talla la fructosa 1,6-bifosfat just a la meitat, alliberant dos compostos fosforilats de 3 àtoms de carboni. La aldolasa està composta també per 4 subunitats idèntiques, cadascuna amb el seu propi lloc actiu.
S'ha determinat l'existència de dues classes (I i II) d'aquest enzim, les quals es diferencien pel mecanisme de la reacció que catalitzen i perquè unes (les primeres) ocorren en bacteris i eucariotes "inferiors", i les altres (les segones) estan en bacteris, protistas i metazous.
La aldolasa dels eucariotes "superiors" consisteix en un homotetrámero de subunitats de 40 kDa de pes molecular, cadascuna formada per un barril compost per 8 làmines β / α.
5- triosa-fosfat isomerasa (TIM)
Les dues trioses fosforilades poden ser interconvertidas entre si gràcies a l'acció de la triosa-fosfat isomerasa, que permet que tots dos sucres puguin ser emprats al llarg de la glicòlisi, assegurant l'aprofitament complet de cada molècula de glucosa que ingressa a la via.
Aquest enzim ha estat descrita com l'enzim "perfecta", ja que catalitza la reacció descrita prop d'un bilió de vegades més ràpid del que passaria sense la seva participació. El seu lloc actiu es troba al centre d'una estructura de beta-barril, característica de molts enzims glicolítics.
Es tracta d'una proteïna dimèrica, formada per dues subunitats idèntiques de 27 kDa aproximadament, totes dues amb una estructura globular.
6- gliceraldehid 3-fosfat deshidrogenasa (GAPDH)
El gliceraldehid 3-fosfat produït per acció de la aldolasa i de la triosa-fosfat isomerasa serveix de substrat per a la GAPDH, que és un enzim homotetramérica (34-38 kDa cada subunitat) que s'uneix cooperativament a una molècula de NAD + en cadascun dels seus 4 llocs actius, així com 2 ions fosfat o sulfat.
En aquest pas de la ruta, l'enzim permet la fosforilació d'un dels seus substrats emprat fosfat inorgànic com a donador de grup fosforil, amb la concomitant reducció de dues molècules de NAD + i la producció de 1,3-bifosfoglicerato.
7- fosfoglicerato quinasa (PGK)
La fosfoglicerat quinasa s'encarrega de transferir un dels grups fosfat de l'1,3-bifosfoglicerato a una molècula d'ADP per fosforilació a nivell de substrat. Aquest enzim empra un mecanisme similar a què utilitza l'hexoquinasa, ja que es tanca a l'contacte sobre els seus substrats, protegint-los de les molècules d'aigua interferents.
Aquest enzim, com altres que fan servir dos o més substrats, tenen un lloc d'unió per l'ADP i un altre per al sucre fosfat.
A diferència de les altres enzims descrites, aquesta proteïna és un monòmer de 44 kDa amb una estructura bilobular, composta per dos dominis de la mateixa mida connectats per una "esquerda" estreta.
8- fosfoglicerat mutasa
El 3-fosfoglicerat pateix un canvi de el grup fosfat cap al carboni 2, a la meitat de la molècula, que representa un lloc d'inestabilitat estratègic que facilita la posterior transferència de el grup a una molècula d'ATP en l'última reacció de la ruta.
Aquest rearreglo és catalitzat per l'enzim fosfoglicerat mutasa, un enzim dimèrica per als humans i tetramérica per llevats, amb una mida de subunitats proper als 27 kDa.
9- enolasa
La enolasa catalitza la deshidratació de l'2-fosfoglicerat a fosfoenolpiruvat, pas necessari per a la generació d'ATP en la reacció següent.
És un enzim dimèrica formada per dues subunitats idèntiques de 45 kDa. Depèn de ions de magnesi per a la seva estabilitat i per al canvi conformacional necessari per unir-se al seu substrat. És una de les enzims expressades amb major abundància en el citosol de molts organismes i exerceix funcions addicionals a les glicolítics.
10- Piruvat quinasa
La segona fosforilació a nivell de substrat que té lloc en la glucòlisi és catalitzada per la piruvat quinasa, que s'encarrega de la transferència de el grup fosforil de l'fosfoenolpiruvat a l'ADP i de la producció de piruvat.
Aquest enzim és més complexa que qualsevol de les altres enzims glicolítics i en els mamífers és un enzim homotetramérica (57 kDa / subunitat). Existeixen, en els vertebrats, a l'almenys 4 isoenzims: L (en el fetge), R (en els eritròcits), M1 (en múscul i cervell) i M2 (teixit fetal i teixits adults).
Fases de la glucòlisi (pas a pas)
La ruta glucolítica consisteix en deu passos seqüencials i comença amb una molècula de glucosa. Durant el procés, la molècula de glucosa és "activada" o "preparada" amb l'addició de dos fosfats, invertint per a això dues molècules d'ATP.
Posteriorment és "tallada" en dos fragments i finalment és modificada químicament un parell de vegades, sintetitzant, en el camí, quatre molècules d'ATP, de manera que el guany net de la ruta correspon a dues molècules d'ATP.
De l'anterior pot inferir-se que la ruta es divideix en una fase de "inversió" energètica, fonamental per a l'oxidació completa de la molècula de glucosa, i una altra fase de "guany" energètica, on es reposa l'energia emprada inicialment i es guanyen dos molècules netes d'ATP.
- Fase d'inversió d'energia
1- El primer pas de la ruta glucolítica consisteix en la fosforilació de la glucosa mediada per l'hexoquinasa (HK), per al que l'enzim empra una molècula d'ATP per cada molècula de glucosa que és fosforilada. És una reacció irreversible i depèn de la presència d'ions de magnesi (Mg2 +):
Glucosa + ATP → glucosa 6-fosfat + ADP
2- glucosa 6-fosfat així produïda és isomerizada a fructosa 6-fosfat gràcies a l'acció de l'enzim fosfoglucosa isomerasa (PGI). Aquesta és una reacció reversible i no implica una despesa energètica addicional:
Glucosa 6-fosfat → Fructosa 6-fosfat
3- Subsecuentemente, un altre pas d'inversió energètica implica la fosforilació de la fructosa 6-fosfat per formar fructosa 1,6-bifosfat. Aquesta reacció és catalitzada per l'enzim fosfofructoquinasa-1 (PFK-1). A l'igual que el primer pas de la ruta, la molècula donadora de grup fosfat és l'ATP i també és una reacció irreversible.
Fructosa 6-fosfat + ATP → Fructosa 1,6-bifosfat + ADP
4- En aquest pas de la glucòlisi es dóna la ruptura catalítica de la fructosa 1,6-bifosfat en dihidroxiacetona fosfat (DHAP) un cetosa, i en gliceraldehid 3-fosfat (GAP) una aldosa. Aquesta condensació aldòlica és catalitzada per l'enzim aldolasa i és un procés reversible.
Fructosa 1,6-bifosfat → Dihidroxiacetona fosfat + gliceraldehid 3-fosfat
5- L'última reacció de la fase d'inversió energètica consisteix en la interconversió de les trioses fosfat DHAP i GAP catalitzada per l'enzim triosa-fosfat isomerasa (TIM), fet que no requereix d'aportació energètica addicional i que també és un procés reversible.
Dihidroxiacetona fosfat ↔ gliceraldehid 3-fosfat
- Fase de guany energètica
6- El gliceraldehid 3-fosfat és empleat "aigües avall" a la ruta glucolítica com a substrat per a una reacció d'oxidació i una altra de fosforilació, catalitzades per la mateixa enzim, la gliceraldehid 3-fosfat deshidrogenasa (GAPDH).
L'enzim catalitza l'oxidació de l'carboni C1 de la molècula a un àcid carboxílic i la fosforilació d'aquesta en la mateixa posició, produint 1,3-bifosfoglicerato. En el transcurs de la reacció es redueixen 2 molècules de NAD + per cada molècula de glucosa i s'empren 2 molècules de fosfat inorgànic.
2Gliceraldehído 3-fosfat + 2NAD + + 2pi → 2 (1,3-bifosfoglicerato) + 2NADH + 2H
En els organismes aeròbics, cada NADH produït d'aquesta manera passa per la cadena transportadora d'electrons per servir com a substrat per a la síntesi de 6 molècules d'ATP per fosforilació oxidativa.
7- Aquest és el primer pas de síntesi d'ATP en la glucòlisi i implica l'acció de la fosfoglicerat quinasa (PGK) sobre el 1,3-bifosfoglicerato, transferint un grup fosforil (fosforilació a nivell de substrat) des d'aquesta molècula a una molècula d'ADP, rendint 2ATP i 2 molècules de 3-fosfoglicerat (3PG) per cada molècula de glucosa.
2 (1,3-bifosfoglicerato) + 2ADP → 2 (3-fosfoglicerat) + 2ATP
8- El 3-fosfoglicerat serveix de substrat per l'enzim fosfoglicerat mutasa (PGM), que el converteix en 2-fosfoglicerat per desplaçament de l'grup fosforil de l'carboni 3 a el carboni 2 per mitjà d'una reacció en dos passos que és reversible i dependent de ions de magnesi (Mg + 2).
2 (3-fosfoglicerat) → 2 (2-fosfoglicerat)
9- L'enzim enolasa deshidrata a l'2-fosfoglicerat i produeix fosfoenolpiruvat (PEP) per mitjà d'una reacció que no mereix l'addició d'energia addicional i que té com a finalitat produir un compost d'alta energia, capaç de donar el seu grup fosforil a la següent reacció.
2 (2-fosfoglicerat) → 2Fosfoenolpiruvato
10- El fosfoenolpiruvat és substrat de l'enzim piruvat quinasa (PYK), que s'encarrega de la transferència de el grup fosforil en aquesta molècula cap a una molècula d'ADP, catalitzant, per tant, una altra reacció de fosforilació a nivell de substrat.
En la reacció es produeixen 2ATP i 2 molècules de piruvat per cada glucosa i és necessària la presència de potassi i magnesi en forma iònica.
2Fosfoenolpiruvato + 2ADP → 2Piruvato + 2ATP
El rendiment net de la glucòlisi, d'aquesta manera, consisteix en 2ATP i 2NAD + per cada molècula de glucosa que ingressa a la ruta.
Si es tracta de cèl·lules amb metabolisme aeròbic, llavors la degradació total d'una molècula de glucosa produeix entre 30 i 32 ATP per mitjà de l'cicle de Krebs i la cadena transportadora d'electrons.
Productes de la glucòlisi
La reacció general de la glucòlisi és la següent:
Glucosa + 2NAD + + 2ADP + 2pi → 2Piruvato + 2ATP + 2NADH + 2H +
Per tant, si s'analitza succintament, podria assegurar que els productes principals de la ruta glucolítica són el piruvat, l'ATP, el NADH i l'H
No obstant això, la destinació metabòlic de cada intermediari de reacció depèn, en gran mesura, de les necessitats cel·lulars, raó per la qual tots els intermediaris poden ser considerats com a productes de reacció, podent enlistarlos com segueix:
- Glucosa 6-fosfat
- Fructosa 6-fosfat
- Fructosa 1,6-bifosfat
- Dihidroxiacetona fosfat i gliceraldehid 3-fosfat
- 1,3-bifosfoglicerato
- 3-fosfoglicerat i 2-fosfoglicerat
- fosfoenolpiruvat i piruvat
importància
Tot i que la glucòlisi, per si sola (podria parlar-se de la glucòlisi anaeròbica) produeix només al voltant de el 5% de l'ATP que pot ser extret de l'catabolisme aeròbic de la glucosa, aquesta ruta metabòlica és fonamental per diversos motius:
- Serveix com a font "ràpida" d'energia, especialment en les situacions en què un animal ha de sortir d'un estat de repòs ràpidament, per al que els processos d'oxidació aeròbica no serien prou ràpids.
- Les fibres musculars esquelètiques "blanques" en el cos humà, per exemple, són fibres de contracció ràpida i depenen de la glucòlisi anaeròbica per a funcionar.
- Quan, per algun motiu, una cèl·lula necessita prescindir d'algunes de les seves mitocòndries (que són els orgànuls que duen a terme la fosforilació oxidativa de part dels productes glucolíticos, entre altres coses) la cèl·lula es fa més dependent de l'energia obtinguda per via glucolítica.
- Moltes cèl·lules depenen de la glucosa com a font d'energia per via glucolítica, entre elles destaquen els glòbuls vermells, mancats d'orgànuls interns, i les cèl·lules de l'ull (particularment les de la còrnia) que no tenen gran densitat de mitocondris.
referències
- Canback, B., Andersson, SGE, & Kurland, CG (2002). The global Phylogeny of glycolytic enzymes. Proceedings of the National Academy of Sciences, 99 (9), 6097-6102.
- Chaudhry R, Varacallo M. Biochemistry, Glycolysis.. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2020 Jan-. Disponible from:
- Fothergill-Gilmore, LA, & Michels, PA (1993). Evolution of glycolysis. Progress in Biophysics and molecular biology, 59 (2), 105-235.
- Kim, JW, & Dang, CV (2005). Multifaceted rols of glycolytic enzymes. Trends in biochemical sciences, 30 (3), 142-150.
- Kumari, A. (2017). Sweet Bioquímica: Remembering Structures, Cycles, and Pathways by Mnemonics. Academic Press.
- Li, XB, Gu, JD, & Zhou, QH (2015). Review of aeròbic glycolysis and its key enzymes-new targets for lung cancer therapy. Thoracic cancer, 6 (1), 17-24.