Metabolismo de la Glucosa: Glucólisis, Gluconeogénesis, Ciclo de Cori y Vía de las Pentosas Fosfato

Glucólisis

La glucólisis es la ruta metabólica mediante la cual la glucosa y otros monosacáridos son degradados hasta piruvato. Parte de la energía libre liberada se conserva en forma de ATP. Tiene lugar en el citosol y no interviene el oxígeno.

Fases de la Glucólisis

Las cinco primeras reacciones constituyen una fase de inversión de energía, en la que se sintetizan azúcares-fosfato a costa de la conversión de ATP en ADP, y el sustrato de seis carbonos se desdobla en dos azúcares-fosfato de tres carbonos.

Las cinco últimas reacciones corresponden a una fase de generación de energía. En esta fase, las triosas-fosfato se convierten en compuestos ricos en energía, que transfieren fosfato al ADP, dando lugar a la síntesis de ATP.

El rendimiento total de la glucólisis es de: 2 ATP, 2 NADH y 2 Piruvatos.

Regulación de la Glucólisis

La glucólisis se regula enzimáticamente en los tres puntos irreversibles de esta ruta:

• En la primera reacción (Glucosa → Glucosa-6-fosfato) por medio de la enzima Hexoquinasa.
• En la tercera reacción (Fructosa-6-fosfato → Fructosa-1,6-bisfosfato) por medio de la enzima Fosfofructoquinasa 1 (PFK1).
• En el último paso (Fosfoenolpiruvato → Piruvato) por la enzima Piruvatoquinasa.

Destinos de la Glucosa

• Síntesis de polímeros estructurales (matriz extracelular y polisacáridos de la pared celular).
• Oxidación por la ruta de las pentosas fosfato (Ribosa-5-fosfato).
• Almacenamiento (glucógeno, almidón, sacarosa).
• Oxidación por glucólisis (Piruvato).

Fermentación

Objetivo: Permite la regeneración del NAD⁺ gastado en la formación de NADH en la glucólisis. En la mayoría de las células eucariotas, la regeneración de NAD⁺ se produce en la mitocondria gracias a la cadena transportadora de electrones, dependiente del oxígeno como aceptor final de electrones.

Gluconeogénesis

La gluconeogénesis es una ruta universal presente en animales, plantas, hongos y microorganismos. Permite suministrar glucosa a los tejidos cuando el aporte de la dieta o los niveles presentes en sangre no son adecuados, por ejemplo, en respuesta a un ayuno o inanición. La glucosa se sintetiza principalmente en el tejido hepático (hígado) y en el tejido de la corteza renal (riñón).

Destinos de la “Nueva Glucosa”

• Sistema nervioso y músculo esquelético.
• Formación de glucógeno, glucoproteínas, disacáridos, etc.

Glucólisis: Glucosa → Piruvato

Gluconeogénesis: Piruvato → Glucosa

La gluconeogénesis no es el proceso inverso de la glucólisis.

En la gluconeogénesis se reemplazan las reacciones 1, 3 y 10 de la glucólisis (las cuales son irreversibles) por los Bypass I, II y III.

El balance de la gluconeogénesis implica un gasto energético de: 4 ATPs, 2 GTPs y 2 NADH.

Reacción de Bypass III

La Glucosa-6-fosfato es transportada (T1) al lumen del retículo endoplasmático, donde es hidrolizada por la enzima Glucosa-6-fosfatasa. La glucosa regresa al citosol por el transportador T2 y sale del hepatocito por el transportador GLUT2.

Precursores Gluconeogénicos

En animales: Piruvato, Lactato, Glicerol, Aminoácidos, intermediarios del ciclo de Krebs.

La gluconeogénesis se produce mayoritariamente en el hígado y en menor proporción en la corteza renal.

En plantas y microorganismos: En plantas, las grasas y proteínas almacenadas en semillas. La gluconeogénesis se utiliza en semillas en germinación antes de hacer fotosíntesis con el fin de producir sacarosa. En microorganismos, los precursores pueden ser Acetato, Lactato y Propionato.

Regulación de la Glucólisis y Gluconeogénesis

• Necesidades energéticas de la célula.
• Hormonal (Insulina – Glucagón).

Reguladores comunes de la glucólisis y de la gluconeogénesis:

• AMP
• Citrato
• Fructosa-2,6-Bisfosfato (hormonal)

Ruta de las Pentosas Fosfato

• Producción de Ribosa-5-fosfato (Síntesis de nucleótidos: ácidos nucleicos, coenzimas energéticas y mensajeros secundarios) en células en rápida división, tales como las de la médula ósea y la mucosa intestinal, así como la de los tumores.
• Producción de NADPH (Biosíntesis de ácidos grasos y esteroides) en hígado, tejido adiposo, glándula mamaria, glándulas adrenales, gónadas.
• Desintoxicación (Glutatión reductasa) para contrarrestar los efectos perniciosos de los radicales oxigenados (eritrocitos).

Relación entre la Ruta de las Pentosas Fosfato y la Glucólisis

La Glucosa-6-fosfato puede ser metabolizada tanto en la glucólisis como en la ruta de las pentosas fosfato.

• Necesidad de ATP: La Glucosa-6-fosfato se canaliza hacia la glucólisis.
• Necesidad de NADPH o Ribosa-5-fosfato: La Glucosa-6-fosfato se dirige hacia la ruta de las pentosas fosfato.

Utilización de NADPH para Desintoxicación de Especies Reactivas de Oxígeno (ROS)

Implicaciones: Niveles bajos de Glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (G6PD, enzima que cataliza la primera reacción de la vía de las pentosas generando NADPH) implican mayor sensibilidad al estrés oxidativo.

Eritrocitos: Gran importancia debido a que carecen de mitocondrias y la ruta de las pentosas fosfato es su única manera de mantener los niveles de poder reductor necesarios para mantener el grupo hemo de la hemoglobina en estado reducido.

El glutatión reducido (GSH) es esencial para la eliminación de peróxidos, que son especies reactivas de oxígeno (ROS). El glutatión oxidado (GSSG) es reducido por la enzima glutatión reductasa que utiliza NADPH, proveniente de la vía pentosa fosfato como dador de electrones, manteniendo así la proporción GSH/GSSG.

Ciclo de Cori

• Catabolismo en el músculo: ↑ NADH/NAD⁺.
• Anabolismo en el hígado: ↓ NADH/NAD⁺.

Reacción de Bypass: La Glucosa-6-fosfato es transportada (T1) al lumen del retículo endoplasmático, donde es hidrolizada por la enzima Glucosa-6-fosfatasa. La glucosa regresa al citosol por el transportador T2 y sale del hepatocito por el transportador GLUT2.

Glucógeno

El glucógeno es un polisacárido de origen animal formado por gran cantidad de moléculas de glucosa unidas por dos tipos de enlace: α-1,4 y α-1,6. Presenta una estructura ramificada (cada 8-14 residuos). Los enlaces α-1,6 son los responsables de las ramificaciones. Sirve como reserva de energía a corto plazo.

Almacenamiento del Glucógeno

• En el citosol del hepatocito.
• En forma de gránulos de glucógeno.

Glucógeno Hepático

• Mantenimiento de la concentración de glucosa en sangre, utilizado como combustible para cualquier tejido.
• Depósitos (aproximadamente el 10% del peso del hígado, solo dura de 12 a 24 horas durante el ayuno).
• Control hormonal: El glucagón y la adrenalina estimulan la glucogenólisis, la insulina estimula la síntesis del glucógeno.

Glucógeno Muscular

• Combustible de reserva para la contracción muscular.
• Control hormonal: La adrenalina estimula la glucogenólisis.

Metabolismo Aeróbico

1. Producción de acetil-CoA a partir de la oxidación de aminoácidos, ácidos grasos y de la oxidación del piruvato formado en la glucólisis.
2. Oxidación del acetil-CoA en el ciclo de Krebs, con formación de poder reductor en forma de NADH y FADH₂.
3. Transferencia electrónica y producción de ATP por fosforilación oxidativa.

Las reacciones anapleróticas son rutas que convergen en el ciclo de Krebs y permiten reponer los intermediarios del ciclo, para que éste siga funcionando.