Glucólisis: características generales
La glucólisis es una vía específica del catabolismo de la glucosa que ocurre completamente en el citosol celular. Dependiendo de las condiciones, el producto final es el piruvato (glucólisis aeróbica) o el lactato (glucólisis anaeróbica). El proceso se divide en dos fases: la preparatoria (con consumo de ATP) y la de síntesis de ATP.
Reacciones de la fase preparatoria
La primera parte de la glucólisis transcurre con el consumo de dos moléculas de ATP y finaliza con la escisión de una hexosa en dos triosas.
- Fosforilación de la glucosa por acción de la hexoquinasa con formación de glucosa-6-fosfato.
- Isomerización a fructosa-6-fosfato con la participación de la glucosa-6-fosfato isomerasa.
- Fosforilación por la fosfofructoquinasa-1 hasta fructosa-1,6-bisfosfato; es la reacción reguladora clave y la más lenta de la glucólisis.
- Escisión por la fructosa-1,6-bisfosfato aldolasa en gliceraldehído-3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato.
- Isomerización de la dihidroxiacetona fosfato en gliceraldehído-3-fosfato (triosafosfato isomerasa).
Reacciones de oxidación y síntesis de ATP
La sexta reacción es la única de oxidación-reducción: la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa cataliza la oxidación del sustrato con la adición de fosfato inorgánico y la reducción del NAD⁺ a NADH. Se forma 1,3-bisfosfoglicerato con un enlace de alta energía.
- 1,3-bisfosfoglicerato → 3-fosfoglicerato: fosforilación a nivel de sustrato, síntesis de ATP (fosfoglicerato kinasa).
- 3-fosfoglicerato → 2-fosfoglicerato (fosfoglicerato mutasa).
- 2-fosfoglicerato → fosfoenolpiruvato (enolasa, eliminación de agua).
- Fosfoenolpiruvato → piruvato: segunda fosforilación a nivel de sustrato por acción de la piruvato kinasa.
Sistemas lanzadera y destino del NADH
Dado que la glucólisis ocurre en el citosol y el NADH no atraviesa la membrana mitocondrial, sus equivalentes reductores se transportan mediante sistemas lanzadera:
- Lanzadera malato-aspartato: el oxalacetato se reduce a malato, que es transportado a la matriz; rendimiento: 3 ATP por molécula de NADH.
- Lanzadera glicerofosfato: el hidrógeno se transfiere al FAD en la membrana interna; rendimiento: 2 ATP.
En condiciones anaeróbicas las lanzaderas no funcionan; el NAD⁺ se regenera de otro modo: la lactato deshidrogenasa reduce el piruvato a lactato utilizando NADH. Esto permite que la glucólisis continúe en caso de déficit de oxígeno.
Balance energético
- Glucólisis anaeróbica: 2 × 2 ATP (fosforilación a nivel de sustrato) − 2 ATP (inversión) = 2 ATP.
- Glucólisis aeróbica hasta piruvato: 2 × (2 + 3) − 2 = 8 ATP (teniendo en cuenta la lanzadera malato-aspartato).
- Degradación aeróbica total de la glucosa hasta CO₂ y H₂O: 8 ATP (glucólisis) + 2 × 15 ATP (descarboxilación oxidativa del piruvato + ciclo de Krebs) = 38 ATP.
Seis reacciones de deshidrogenación durante el catabolismo total: una en la glucólisis, una en la descarboxilación oxidativa del piruvato y cuatro en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos.
Regulación de la glucólisis
La regulación se lleva a cabo en tres etapas irreversibles:
- Hexoquinasa muscular: inhibida por glucosa-6-fosfato (producto).
- Fosfofructoquinasa-1: regulador clave; inhibida por ATP y NADH (exceso de energía), activada por AMP y ADP.
- Piruvato kinasa: inhibida por ATP, activada cuando la carga energética celular es baja.
El principio es único: ante un exceso de energía, la glucólisis (al igual que el ciclo de Krebs y el complejo piruvato deshidrogenasa) se inhibe; ante su déficit, se activa.
Significado anabólico de los metabolitos de la glucólisis
- Fructosa-6-fosfato y gliceraldehído-3-fosfato → síntesis de ribosa-5-fosfato para nucleótidos.
- 3-fosfoglicerato → síntesis de aminoácidos no esenciales (serina, glicina, cisteína).
- Dihidroxiacetona fosfato → síntesis de triacilgliceroles.
- Acetil-CoA (a partir del piruvato) → síntesis de ácidos grasos, colesterol, cuerpos cetónicos.
- En los eritrocitos funciona la reacción derivada de la bisfosfoglicerato mutasa: 1,3-BPG → 2,3-bisfosfoglicerato, un regulador alostérico de la hemoglobina que disminuye su afinidad por el oxígeno.
Vía de las pentosas fosfato
La vía de las pentosas fosfato es una vía alternativa de oxidación de la glucosa-6-fosfato en el citosol. No produce ATP, pero abastece a la célula de NADPH y ribosa-5-fosfato. Es activa en el hígado, tejido adiposo, glándulas suprarrenales, eritrocitos y glándula mamaria lactante.
Fase oxidativa:
- Glucosa-6-fosfato → 6-fosfogluconolactona por acción de la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (enzima reguladora, inducida por la insulina); se reduce NADP⁺.
- Hidrólisis de la lactona por la gluconolactonasa para dar 6-fosfogluconato.
- Descarboxilación oxidativa del 6-fosfogluconato por la 6-fosfogluconato deshidrogenasa; se forma ribulosa-5-fosfato y una segunda molécula de NADPH.
La fase no oxidativa incluye reacciones reversibles de la transcetolasa (coenzima TPP, un derivado de la vitamina B₁) y de la transaldolasa, que transfieren fragmentos de dos y tres carbonos. Esto permite la interconversión de pentosas y metabolitos de la glucólisis (fructosa-6-fosfato, gliceraldehído-3-fosfato) según las necesidades de la célula.
Glutatión y protección antioxidante de los eritrocitos
En los eritrocitos, el NADPH es necesario para mantener el glutatión en su forma reducida. El glutatión es un tripéptido (γ-glutamilcisteinilglicina) que contiene el grupo SH de la cisteína.
- La glutatión peroxidasa utiliza el glutatión reducido (G-SH) para neutralizar el H₂O₂, transformándolo en agua; el glutatión se oxida a G-S-S-G.
- La glutatión reductasa regenera el G-SH a costa de NADPH.
- El glutatión reducido protege los grupos SH de los residuos de cisteína de la hemoglobina frente a la oxidación.
En el déficit hereditario de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa disminuye la producción de NADPH y cae el nivel de glutatión reducido. En la hemoglobina se forman enlaces disulfuro y los protómeros desnaturalizados se agregan en cuerpos de Heinz, lo que provoca la hemólisis de los eritrocitos (anemia hemolítica).
Puntos clave
- La glucólisis ocurre en el citosol; la vía aeróbica produce piruvato y la anaeróbica, lactato para regenerar NAD⁺.
- El enzima regulador principal es la fosfofructoquinasa-1; está controlado por la relación ATP/AMP.
- Rendimiento energético: 2 ATP (anaeróbica), 8 ATP (aeróbica hasta piruvato), 38 ATP (degradación total hasta CO₂ y H₂O).
- El NADH citosólico entra en la mitocondria a través de las lanzaderas malato-aspartato (3 ATP) o glicerofosfato (2 ATP).
- Los metabolitos de la glucólisis actúan como precursores de aminoácidos, nucleótidos y lípidos; el 2,3-BPG regula la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno.
- La vía de las pentosas fosfato suministra NADPH para las biosíntesis y la protección antioxidante, así como ribosa-5-fosfato para los nucleótidos.
- El enzima regulador clave de la vía de las pentosas fosfato es la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, inducida por la insulina.
- El déficit de G6PD altera la regeneración del glutatión, provocando la formación de cuerpos de Heinz y hemólisis eritrocitaria.