Etapas de la formación de ATP en la glucólisis
La glucólisis se lleva a cabo en el citosol celular e incluye reacciones que aseguran la síntesis de compuestos ricos en energía. En la etapa de síntesis energética se distinguen dos vías principales de formación de moléculas de ATP:
- Fosforilación a nivel de sustrato. Es la transferencia directa de un grupo fosfato desde un sustrato de alta energía hacia el ADP. En la glucólisis, este mecanismo se realiza dos veces:
- Durante la conversión de 1,3-bisfosfoglicerato en 3-fosfoglicerato (actúa la enzima fosfoglicerato quinasa).
- Durante la transición de fosfoenolpiruvato a piruvato (catalizada por la piruvato quinasa).
- Fosforilación oxidativa. La energía se sintetiza en las mitocondrias gracias al transporte de electrones y protones a través de la cadena de transporte de electrones (CTE). En el citosol, la enzima gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa oxida el sustrato generando NADH. Los equivalentes de reducción se transportan a la matriz mitocondrial para la posterior producción de energía.
Sistema lanzadera malato-aspartato
La membrana mitocondrial es impermeable al NADH formado en el citosol. Para transferir los átomos de hidrógeno a la cadena respiratoria se utiliza un mecanismo especial: la lanzadera malato-aspartato.
El proceso funciona de la siguiente manera:
- La enzima citosólica malato deshidrogenasa reduce el oxalacetato a malato consumiendo NADH.
- Las proteínas transportadoras (translocasas) trasladan el malato al interior de la mitocondria.
- En la matriz, la isoforma mitocondrial de la enzima oxida de nuevo el malato a oxalacetato, reduciendo el NAD+ a NADH.
- El oxalacetato, mediante transaminasas, se convierte en aspartato y regresa al citosol.
El resultado de la función de la lanzadera es la llegada del NADH reducido a la CTE, lo que proporciona un rendimiento energético de 3 moléculas de ATP.
Balance energético de la degradación completa
El catabolismo aeróbico completo de la glucosa hasta dióxido de carbono y agua consta de dos grandes etapas. La eficiencia se calcula utilizando los coeficientes clásicos ($NADH = 3$ ATP, $FADH_2 = 2$ ATP).
- Glucólisis aeróbica. La escisión de una molécula de glucosa produce 2 moléculas de piruvato. El rendimiento neto es de 2 ATP, mientras que otras 2 moléculas de NADH, transportadas a través del sistema lanzadera, aportan 6 ATP. En total: 8 mol de ATP.
- Oxidación del piruvato en la vía común del catabolismo. La descarboxilación oxidativa de una molécula de piruvato a acetil-CoA produce 1 NADH (3 ATP). La posterior combustión del acetil-CoA en el ciclo de Krebs aporta 12 ATP. En total, 15 ATP por cada piruvato. Puesto que de la glucosa se forman dos piruvatos, esta etapa aporta 30 mol de ATP.
El rendimiento energético total es de 38 mol de ATP por cada molécula de glucosa oxidada.
Metabolismo del lactato y regulación
En condiciones anaeróbicas, el producto final de la degradación es el ácido láctico: lactato. Se forma a partir del fosfoenolpiruvato (a través del piruvato) con la participación de enzimas y NADH. El lactato abandona los tejidos donde fue sintetizado y es transportado al hígado o al miocardio.
En el músculo cardíaco, el ácido láctico se convierte de nuevo en piruvato, el cual se quema en la vía común del catabolismo, aportando energía y manteniendo el pH sanguíneo normal. En reposo, el nivel de lactato en sangre es de aproximadamente 1 mmol/l, pero durante el trabajo físico intenso puede superar los 15 mmol/l. La acumulación patológica de lactato conduce a una afección peligrosa: la acidosis láctica.
La velocidad de la glucólisis está estrechamente relacionada con el estado del ciclo del ácido cítrico (ciclo de Krebs) y la CTE. Si hay mucha energía en la célula (se acumulan ATP y NADH), la velocidad del ciclo del citrato y de la glucólisis disminuye. La principal enzima limitante, la fosfofructoquinasa-1, es inhibida por altas concentraciones de ATP y citrato, y es activada por ADP, AMP y fructosa-2,6-bisfosfato.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué sistemas lanzadera, además del de malato-aspartato, se utilizan para el transporte de NADH citosólico a las mitocondrias?
Además del sistema malato-aspartato, para el transporte de NADH citosólico a las mitocondrias se utiliza el sistema lanzadera del glicerofosfato.
- El sistema lanzadera del glicerofosfato es un mecanismo de transferencia de hidrógeno a través de la membrana mediante la dihidroxiacetona fosfato y el glicerol-3-fosfato.
En el citosol, la glicerol-3-fosfato deshidrogenasa utiliza NADH para reducir la dihidroxiacetona fosfato a glicerol-3-fosfato. Una translocasa lo transporta a través de la membrana mitocondrial interna. En la mitocondria, la isoenzima oxida de nuevo el glicerol-3-fosfato, reduciendo el coenzima FAD a FADH₂. El FADH₂ formado se oxida en la cadena de transporte de electrones, proporcionando un rendimiento energético de 2 moléculas de ATP.
¿Qué enzimas catalizan las tres reacciones irreversibles de la glucólisis?
Las tres reacciones irreversibles de la glucólisis son catalizadas por la hexoquinasa, la fosfofructoquinasa-1 y la piruvato quinasa.
- La hexoquinasa (o glucoquinasa) cataliza la primera reacción de fosforilación de la glucosa con la formación de glucosa-6-fosfato.
- La fosfofructoquinasa-1 cataliza la segunda fosforilación (conversión de fructosa-6-fosfato en fructosa-1,6-bisfosfato).
- La piruvato quinasa cataliza la reacción de fosforilación a nivel de sustrato del fosfoenolpiruvato con formación de piruvato.
Precisamente estas enzimas son los puntos reguladores clave sobre los cuales actúan los factores que modifican la velocidad de la glucólisis.
¿Cómo se produce la utilización del ácido láctico en el hígado en el marco del ciclo de Cori?
La utilización del ácido láctico en el hígado se produce mediante su oxidación a piruvato y su posterior uso en la gluconeogénesis para la síntesis de glucosa.
El lactato llega desde la sangre hasta los hepatocitos. Como en el hígado la relación NADH/NAD⁺ es inferior a la de los músculos, la reacción de la lactato deshidrogenasa se desplaza: el lactato se convierte en piruvato. El piruvato formado se incorpora a la gluconeogénesis, sintetizándose a partir de él glucosa. A continuación, la glucosa entra en el torrente sanguíneo y regresa a los músculos activos y a los eritrocitos, cerrando el ciclo de Cori.
Preguntas de clases y exámenes
¿Cuánto ATP se forma en la glucólisis aeróbica?
Durante la escisión de una molécula de glucosa hasta dos moléculas de piruvato en condiciones aeróbicas se forman 8 mol de ATP.
¿Qué enzimas participan en la fosforilación a nivel de sustrato?
En la glucólisis, estas son la fosfoglicerato quinasa y la piruvato quinasa. Sintetizan ATP directamente transfiriendo el grupo fosfato desde el sustrato hasta el ADP.
¿Cómo llega el NADH citosólico a la mitocondria?
El propio NADH no atraviesa la membrana. El hidrógeno se transporta mediante sistemas lanzadera, por ejemplo, el de malato-aspartato, en el que el transportador es el malato.
Qué más repasar sobre el tema
- Particularidades de la regulación de las enzimas de la glucólisis en el hígado
- Mecanismos de descarboxilación oxidativa del piruvato
- Regulación alostérica de las enzimas del ciclo de Krebs
- Funciones de los coenzimas y sistemas redox (NADPH, glutatión)
- Relación entre la glucólisis y la síntesis de ácidos grasos
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