Glucólisis y vías metabólicas relacionadas

Glucólisis

La glucólisis es una ruta anaeróbica que incluye 10 etapas mediante las cuales una molécula de glucosa da lugar a dos moléculas de ácido pirúvico como producto final. Tiene lugar en el citosol y su finalidad es la obtención de energía. Tiene lugar en dos fases:

1ª Fase

En esta fase se produce un consumo de energía. Es una fase de activación en la que se consumen 2 moléculas de ATP. La glucosa, de 6 átomos de carbono se fosforila por dos veces y se rompe para dar dos moléculas de gliceraldehido-3fosfato (3-C).

2ª Fase

Esta fase está formada por las 5 últimas reacciones en las que se produce obtención de energía. Se parte del gliceraldehido 3-P. Se van a producir 4 ATP a nivel de sustrato (2+2) y 2 moléculas de NADH (1+1). Estas moléculas de NADH supondrán la obtención de ATP por fosforilación oxidativa una vez que acceden a la mitocondria y en presencia de oxígeno (respiración celular). La reacción más importante es la de gliceraldehido-3P a 1,3-bifosfoglicerato.

ANAEROBIOSIS

Fosforilación a nivel de sustrato: Se gastan 2 ATP en la primera fase de la glucólisis y se obtienen 4 en la segunda. Balance neto: 2 ATP.

Fosforilación oxidativa: A partir de la 2ª fase de la glucólisis, la vía se desarrolla por duplicado por lo que se producen 2 NADH. El NADH no se puede reoxidar a NAD+ en la mitocondria y dar ATP. Para que se pueda oxidar necesita la presencia de oxígeno y que este se reduzca a agua. Por lo tanto no vamos a obtener ATP por fosforilación oxidativa. Pero además tenemos un problema adicional, la glucólisis en la segunda fase necesita NAD⁺, para su primera y fundamental reacción y no se ha podido recuperar al no haber O2. Tenemos 2 ATP y pirúvico, pero no tenemos NAD⁺ para que otras moléculas de glucosa que llegan al torrente sanguíneo puedan oxidarse hasta pirúvico y dar ATP (solo se llega a gliceraldehido 3-P). Solución: reducir el ácido pirúvico a láctico. En esta reducción el NADH obtenido se reoxida pasa a NAD⁺. Este NAD⁺ será utilizado en la oxidación de la siguiente molécula de glucosa, pero ya no puede ir a la mitocondria a producir más ATP.

Respiración celular

Fosforilación a nivel de sustrato: Se gastan 2 ATP en la primera fase de la glucolisis y se obtienen 4 en la segunda. Balance neto: 2 ATP.

Fosforilación oxidativa: El NADH puede reoxidarse a NAD⁺ en la mitocondria y dar ATP. Así que el NADH junto con el procedente de la degradación de ácidos grasos y el catabolismo de los aa va a producir ATP en la mitocondria. A partir de la 2ª fase de la glucólisis la via se desarrolla por duplicado por lo que se producen 2 NADH. El balance en este caso será diferente en distintos órganos corporales: En el músculo, el mecanismo de lanzadera para atravesar la membrana mitocondrial para el NADH lo “transforma” en FADH2_. Al otro lado de la membrana mitocondrial serán 2 FADH2_. Cada FADH2_, va a oxidarse cediendo sus electrones a los complejos de la cadena respiratoria de la membrana interna de la mitocondria dando FAD⁺, con reducción final de O2 a H2O. La energía desprendida en esta reacción re-dox, da lugar a 2 ATP por cada FADH2en total 4 ATP.

En el corazón e hígado, el mecanismo de lanzadera para atravezar la membrana mitocondrial para el NADH, no supone ningún cambio, lo deja como tal. Cada NADH, va a oxidarse cediendo sus electrones a los complejos de la cadena respiratoria de la membrana interna de la mitocondria dando NAD+ con reducción final de O2 a H2O. La energía desprendida en esta reacción re-dox, da lugar a 3 ATP por cada NADH, en total 6 ATP.

Oxidación del ácido pirúvico y ciclo de krebs

El piruvato formado en la glucólisis pasa, por transporte facilitado, a la matriz mitocondrial, donde se convierte en acetil-CoA mediante un proceso de oxidación y descarboxilación. La descripción de esta reacción es la siguiente: el grupo ácido del ácido pirúvico se oxida, produciéndoce una descarboxilación, con desprendimiento de CO2 para ello se reduce una molécula de NAD⁺ a NADH con desprendimiento de energía libre. Está catalizada por  el complejo multienzimático piruvato-deshidrogenasa. Esta enzima antes de soltar los sustratos capta una molécula de Co-A del medio y utiliza la energía liberada, para la formación de un enlace de alta energía, y el CoA queda unido al producto que es el ácetil CoA. El enlace de alta energía no se utiliza para formar ATP, sino que va a ser esencial en la primera reacción del CICLO DE KREBS. La primera reacción del Ciclo de Krebs consiste en la condensación de  acetil-CoA con el oxalacetato, para formar citrato. Esta reacción es muy endotérmica y la energia requerida se obtiene del enlace de alta energía del acetil CoA. El CoA se libera al medio.

CICLO DE KREBS

El ciclo de Krebs es una ruta metabólica compuesta por 8 reacciones que forman un ciclo, en las que los dos átomos de carbono que provienen del  acetil-CoA se oxidan totalmente para formar dos moléculas de CO2_, formándose 3 moléculas de NADH + H⁺, 1 de FADH2y una de GTP que posteriormente dará 1 ATP.  Hay que tener en cuenta que como de una molécula de glucosa, se forman dos pirúvicos, todo este proceso se produce por duplicado. Las reacciones más importantes de la vía son las de ox-red.

Cadena de transporte de electrones

Fosforilación oxidativa: El  NADH procedente de la glucólisis y oxidación del acetil CoA, y Ciclo de Krebs y el FADH2 generado en este último están destinados a producir energía en forma de ATP por fosforilación oxidativa en la cadena de transporte de electrones de la membrana interna de la mitocondria. La cadena de transporte de electrones consiste en una serie de proteínas organizadas en cuatro complejos. El proceso es el siguiente: El  NADH y el FADH2  se reoxidan cediendo electrones al complejo I y II, respectivamente. Los electrones van a originar una serie de reacciones redox sucesivas a lo largo de la cadena proteica, la última de las cuales supone la reducción de O2 a H2O. Estas reacciones de oxidación-reducción, como siempre, desprenden energía libre. En este caso la energia es aprovechada para bombear protones a través de cada uno de los complejos desde la membrana interna al espacio intermembrana. La concentración de protones aumenta mucho en el espacio intermembrana creándose un gradiente de concentración que favorece el regreso de los mismos a la matriz. Los protones encuentran una entrada a la matriz a través de la ATP sintasa, y fluyen rápidamente a favor de gradiente. La ATP sintasa sintetiza ATP a partir de ADP. Con toda la información de que disponemos hasta ahora, ya podemos hacer un balance total de energía incluyendo la glucólisis, para la oxidación o catabolismo de la glucosa

Via de las pentosas fosfato

Se trata de una vía alternativa para la glucosa cuyos dos objetivos principales son: Obtener azúcares de 5 átomos de carbono, como la ribosa. Esto es fundamental para la síntesis de ácidos nucleicos. Obtener NADPH, a partir de NADP⁺. Este coenzima es fundamental en muchas síntesis, por ejemplo la de los ácidos grasos.