GLUCÓLISIS Y RESPIRACION CELULAR

La glucolisis es una de las vías centrales en el metabolismo de la mayoría de los organismos vivos. Y su producto es el ATP y es el principal transportador de energía en los sistemas vivos.

La combustión de la glucosa requiere de oxígenos. Pero algunas células tienen que vivir donde el oxigeno no se encuentra o no esta siempre disponible. Existen buenas razones para pensar que la primeras células presentes en la tierra vivieron en un atmosfera carente de oxigeno. Si esto fue así, también ellas tuvieron que enfrentar el problema de extraer de algún combustible sin contar con la presencia del oxigeno. En todo caso las células conservan hoy día la maquinaria enzimática para catabolizar la glucosa sin ayuda del oxigeno. La ruptura anaerobia de la glucosa se llama “Glucolisis”. La célula de levadura en el interior de una de una botella taponada de champaña no tiene acceso al oxigeno, por lo que utiliza la glucolisis para obtener la energía necesaria para mantenerse viva, y sus productos son Etanol (Alcohol etílico) y bióxido de carbono. A este proceso se le denomina fermentación alcohólica. La célula muscular sobrecargada también utiliza la glucolisis para llenar sus requerimientos energéticos. El producto final en este caso son el acido láctico y el proceso se denomina fermentación acido láctica. Pero la mayoría de las células son capases de valerse del oxigeno para catabolizar la glucosa. Los productos finales en este caso son el bióxido de carbono y el agua; los mismos productos de la combustión de la

glucosa en lugar de fermentarla. Este proceso se denomina respiración celular. La respiración celular es una combustión biológica y puede compararse con la combustión de carbón, bencina, leña. En ambos casos moléculas ricas en energía son degradadas a moléculas más sencillas con la consiguiente liberación de energía. Pero aunque sea capaz de respirar glucosa en lugar de fermentarla, los pasos iniciales siguen siendo los mismos, estos son los pasos de la glucolisis.

La descomposición de la glucosa por glucolisis consiste en una serie de once reacciones secuenciales enzimáticas catalizadas. Estas enzimas se hallan todas disueltas en el citosol. Además de las enzimas, son absolutamente necesarias, estas son ATP y NAD.

La oxidación consiste en la perdida de electrones por parte de un átomo o molécula y la reducción, consiste en la ganancia de electrones. Dado que en las reacciones de oxido-reducción espontanea los electrones van de niveles de energía mayores a niveles de energía menores, cuando una molécula se oxida, habitualmente se libera energía. En la oxidación de la glucosa, los enlaces carbono-carbono, carbono-hidrogeno y oxigeno-oxigeno cambian por enlaces carbono-oxigeno e hidrogeno-oxigeno a medida que las moléculas de oxigeno atraen e incorporan electrones.

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En los sistemas vivos aeróbicos. La oxidación de la glucosa se desarrolla en dos etapas:

La primera es conocida como Glucolisis La segunda en mejor conocida como respiración, que a su vez, consiste en dos etapas: el

ciclo de Krebs y el transporte de electrones.

La glucolisis se desarrolla en el citoplasma de la célula y, en los eucariontes, las dos etapas de la respiración ocurren dentro de la mitocondria.

En la glucolisis y en el ciclo de Krebs, los átomos de hidrogeno se separan de la cadena de la molécula de glucosa y son sedimentados a coenzimas que también son transportadoras de electrones. Una de ellas es el di-nucleótido de nicotinamida y adenina (NAD). El NAD puede captar un protón de dos electrones y queda reducido a NADH.

Otra coenzima es el di-nucleótido de flavina y adenina (FAD). El FAD puede aceptar dos átomos de hidrogeno y así, reducirse a FADH2. En la glucolisis y el ciclo de Krebs, el NAD y al FAD captan electrones y protones de moléculas con mayor potencial de reducción y por lo tanto, se reducen. Posteriormente entregan esos electrones a moléculas de menor potencial de reducción.

En la etapa final de de la respiración en NAD y el FAD2 ceden sus electrones a la cadena respiratoria. Estos electrones “descienden la pendiente energética” a través de una serie de moléculas transportadoras de electrones que se encuentran en la membrana mitocondrial interna. A medida que los electrones descienden a niveles energéticos inferiores, se libera energía libre, parte de la cual acoplada a la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato.

Cuando los electrones alcanzan el nivel energético más bajo se combinan con los protones H y O2 y se forma agua.

PRIMERA ETAPA: LA GLUCOLISIS

La serie de reacciones que constituyen la glucolisis se lleva a cabo virtualmente en todas las células vivas desde las células procariontes hasta las células eucariontes.

La glucolisis ejemplifica de qué manera los procesos bioquímicos de una célula viva se desarrollan en pequeños pasos secuenciales. Este proceso ocurre en una serie de nuevas reacciones, cada una catalizada por una enzima especifica.

Durante este proceso la molécula de glucosa se divide en dos moléculas de un compuesto tricarbonado, llamado acido pirúvico.

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Los primeros pasos de la glucolisis requieren energía: En los pasos 1 y 3 se generan enlaces de alta energía por transferencia de un grupo fosfato desde la molécula de ATP a una molécula de azúcar.

A partir del paso 4, las reacciones liberan energía; en el paso 5 se reducen dos moléculas de NAD a NADH y H almacenándose parte de la energía producida por la oxidación del gliceraldehido 3 – fosfato; en los pasos 6 y 9 las moléculas de ADP toman energía del sistema, fosforilandoce a ATP.

PASO 1

El grupo fosfato terminal se transfiere de una molécula de ATP al carbono en la posición 6 de la molécula de glucosa formándose glucosa 6 fosfato.

Parte de la energía libre originalmente almacenada en el ATP se conserva en el enlace químico de alta energía que une al fosfato con la molécula de glucosa, que entonces se activa. Esta reacción es catalizada por la encima hexocinasa.

PASO 2

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La glucosa 6 fosfato se reorganiza por la acción de la encima fosfohexosaisomerasa.

El anillo hexagonal característico de la glucosa se transforma en el anillo pentagonal de la fructosa. Como se sabe la glucosa y la fructuosa tienen el mismo número de átomos y solo difieren en la disposición de estos. Esta reacción puede ocurrir casi con igual probabilidad, en cualquier dirección. Sin embargo es impulsada hacia adelante por la acumulación de glucosa 6 fosfato y la eliminación de fructosa 6 fosfato. A medida que está ingresa en el paso 3.

PASO 3

En este paso, que es semejante al primero la fructosa 6 fosfato gana un segundo fosfato que proviene de otro ATP. El fosfato añadido se une al primer carbono, produciendo fructosa 1,6 difosfato y por lo tanto dos moléculas de ATP se han convertido en ADP. Esta energía se ha utilizado para general un compuesto que será rápidamente degradado en las etapas posteriores.

La enzima que cataliza este paso, la fosfofructocinasa, es una enzima alostérica, y el ATP es un efector alostérico que inhibe su actividad. La interacción alostérica entre ellos es el principal mecanismo regulador de la glucolisis. Si la concentración de ATP en la célula es alta, o sea, si está presente en cantidades más que adecuadas para satisfacer los distintos requerimientos de la célula, el ATP inhibirá la actividad de la fosfofructocinasa. La

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glucolisis, y de esta forma, la producción de ATP cesan y la glucosa se conserva; no se degrada. A medida que la célula consume su reserva de ATP y la concentración cae, cesa la inhibición de la enzima y continúa la degradación de la glucosa. Este es uno de los principales puntos de control en la producción de ATP.

PASO 4

La molécula de fructosa 1,6 difosfato de 6 carbonos es escindida por la enzima aldolasa en dos moléculas de tres carbonos: La dihidroxiacetona fosfato y el gliceraldehido 3 fosfato. Las dos moléculas son intercombertibles por una enzima con actividad isomerasa. Sin embargo, dado que el gliceraldehido fosfato se consume en las reacciones subsiguientes, toda la dihidroxiacetona fosfato se convierte en gliceraldehido fosfato. Así, los productos los productos de todos los pasos siguientes deben contarse dos veces para dar cuenta del destino de una molécula de glucosa. Al completarse el paso 4 se han complementado las reacciones preparatorias.

PASO 5

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Las moléculas de gliceraldehido fosfato se oxidan a 1, 3 – bifosfolicerato por acción de la enzima triosa fosfato deshidrogenasa. O sea, pierden los átomos de hidrogeno con sus electrones y el NAD se reduce a NADH y H. Este es el primer paso en el cual la célula obtiene energía. Parte de la energía de esta reacción de oxidación se almacena formando un enlace fosfato de alta energía en lo que ahora está en la posición 1 de la molécula de gliceraldehido fosfato. Las propiedades de este enlace son similares a las de los enlaces fosfato del ATP.

PASO 6

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Este fosfato es liberado de la molécula de bifosfoglicerato y utilizado para recargar una molécula de ADP. Esta reacción catalizada por la enzima fosfoglicerato cinasa es altamente exergonica y tiene un alto valor negativo, de este modo impulsan todas las reacciones precedentes hacia adelante.

PASO 7

La enzima fosfolgliceromutasa transfiere el grupo fosfato remante desde la posición 3 a la posición 2.

PASO 8

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En este paso, la enzima enolasa elimina una molécula de agua del compuesto de tres carbonos. Este reordenamiento interno de la molécula cambia la distribución energética en la molécula, concentrando la energía en el enlace del grupo fosfato.

PASO 9

Este grupo fosfato de alta energía es transferido por la encima piruvato cinasa a una molécula de ADP, formándose otra molécula de ATP. Esta es también una reacción altamente exergonica e impulsa hacia adelante la vía.

LA AUSENCIA DE OXIGENO

Si no hay O2 en el medio, el acido piruvico puede convertirse en etanol o en varios ácidos orgánicos diferentes, de los cuales el acido láctico, es el más común.

Esta vía, en la que el aceptor de electrones es una compuesto diferente del oxigeno, se denomina anaeróbica.

El producto de la reacción depende del tipo de célula.

La formación de alcohol a partir de azúcar se llama fermentación alcohólica. Dada la importancia

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económica de la industria vitivinícola, la fermentación fue el primer proceso enzimático intensamente estudiado. De hecho antes de que se conocieran sus efectos tan diversos, las enzimas se denominaban comúnmente “fermentos”.

En la fermentación láctica se forma acido láctico a partir del acido piruvico. Esta reacción se produce en varios tipos de microorganismos y en algunas células animales cuando el O2 es escaso o está ausente. Cuando corremos rápido aumentamos la frecuencia respiratoria, y de esta modo se incrementa el suministro de O2. Pero incluso este incremento puede no ser suficiente para satisfacer los requerimientos inmediatos de las células musculares, Sin embargo las células pueden continúan trabajando y acumular lo que se conoce como deuda de O2. La glucolisis continua con la utilización de la glucosa liberada por el glucógeno almacenado en el musculo, pero el acido piruvico resultante no entra en la vía aeróbica de la respiración, en lugar de ello se convierte en acido láctico que, a medida que se acumula, disminuye el pH del musculo y reduce la capacidad de las fibras musculares para contraerse; así, se produce la sensación de fatiga muscular. El acido láctico se difunde en la sangre y es llevado al hígado, posteriormente cuando el O2

de más abundante se reduce la demanda de ATP, el acido láctico se resintetiza en acido pirúvico y de nuevo en glucosa o glucógeno.

El hecho de que la glucolisis no requiera O2, sugiere que la secuencia de glagolítica evoluciono temprano, antes de que el O2 libre estuviese presente en la atmosfera. Es posible que los organismos unicelulares primitivos utilizaran la glucolisis para extraer energía de los compuestos orgánicos que absorbían del medio acuoso en el

que vivían. Aunque la glucolisis anaerobia solo genera dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa procesada fue y sigue siendo adecuada para las necesidades de muchos organismos.

EN PRESENCIA DE OXIGENO

Cuando el aceptor final de electrones es el oxigeno molecular (O2) el proceso se denomina respiración aerobia. Cuando hay O2 disponible, la siguiente etapa de la degradación de la glucosa implica la oxidación progresiva del acido pirúvico a CO2 y agua, proceso conocido como respiración. El termino respiración tiene dos significados uno de ellos se conoce

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como la inspiración de O2 y la espiración de CO2 o ventilación. El segundo significado de respiración es la oxidación de moléculas de alimento por parte de la célula con la utilización de O2. A este último proceso se le conoce como respiración celular.

Como ya indicamos, la respiración celular tiene lugar en dos etapas: el ciclo de Krebs y el transporte terminal de electrones. En las células eucariontes, estas reacciones se desarrollan dentro de las mitocondrias.

Las mitocondrias están rodeadas por dos membranas. La externa es una membrana lisa y la interna tiene pliegues llamados crestas. Dentro del comportamiento interno de la mitocondria, en contacto con la superficie interna de las crestas, hay una solución densa, la matriz mitocondrial, que contiene enzimas, coenzimas, agua, fosfatos y otras moléculas implicadas en la respiración. La membrana externa es permeable a la mayoría de las moléculas pequeñas, pero la interna solamente permite el pasaje a través de canales o transportadores proteicos especializados de ciertas moléculas, como el acido pirúvico y el ATP. Algunas de las enzimas del ciclo de Krebs se encuentran en solución en la matriz. Otras, junto con otros componentes que participan en la cadena de transporte de electrones, se encuentran en las membranas de las crestas.

En las mitocondrias el acido pirúvico de la glucolisis se oxida a CO2 y agua y, de esta manera, se completa la degradación de la molécula de glucosa. El 95% del ATP generado por las células eucariontes se produce en las mitocondrias.

Una gran cantidad de organismos procariontes respiran aeróbicamente pero, como carecen de mitocondrias, estos procesos se llevan a cabo en pequeñas invaginaciones de la membrana plasmática que generan un microentorno capaz de desarrollar la misma función que las mitocondrias de los eucariontes.

PASO INTERMEDIO: LA OXIDACION DEL ACIDO PIRÚVICO

El acido pirúvico citoplasmático producido por glucolisis, es transportado en forma selectiva hacia la matriz mitocondrial. Antes de ingresar en el ciclo de Krebs, la molécula de tres carbonos del acido pirúvico se oxida. Los átomos de carbono y de oxigeno del grupo carboxilo se elimina en forma de CO2 y queda un grupo acetilo de dos carbonos.

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La molécula de glucosa original ahora se ha dividido a dos moléculas de CO2 y dos grupos acetilo y, además se han formado cuatro moléculas de NADH. Cada grupo acetilo es aceptado momentáneamente por un compuesto como enzima A (CoA). Como muchas otras coenzimas, la enzima A es una molécula grande, parte de la cual es un nucleótido y la otra, una vitamina. La combinación del grupo acetilo y la CoA se denomina acetil-CoA. La formación de acetil-CoA es el nexo entre la glucolisis y el ciclo de Krebs.

SEGUNDA ETAPA: PASOS POR EL CICLO DE KREBS.

Al entrar en el ciclo de Krebs el grupo acetilo de dos carbonos se combina con un compuesto de cuatro carbonos y produce un compuesto de seis carbonos. En el curso de este ciclo, dos de los 6 carbonos se oxidan a CO2 y se regenera el acido oxalacético, y de esta serie se forma un ciclo.

Parte de la energía liberada por la oxidación de los enlaces carbono – hidrogeno y carbono – carbono es utilizada en la conversión de ATP a partir de ADP y otra parte es utilizada en la producción de NADH y H a partir del NAD. Además, otra parte de la energía es utilizada en la reducción de un segundo transportador de electrones, la molécula de FAD. Por cada giro del ciclo de Krebs, se forma FADH a partir de FAD.

El ciclo de Krebs no requiere O2, los electrones y los protones eliminados en la oxidación del carbono son aceptados por el NAD y el FAD.

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LA ETAPA FINAL: EL TRANSPORTE DE ELECTRONES.

La molécula de glucosa esta ya completamente oxidada. Parte de su energía potencial se uso en la transformación de ADP y fosfato en ATP. Sin embargo, la mayor parte de la energía almacenada permanece en los electrones que se separaron de los átomos de carbono y fueron conducidos a los aceptores NAD y FAD, que se redujeron a NADH y FADH. Estos electrones ganados durante la glucolisis, la oxidación del acido piruvico y el ciclo de Krebs aun se encuentran en un nivel de energía alto.

Durante el transporte terminal de electrones, que es la etapa final de la respiración, los electrones del NADH y FADH, de alto nivel energético son conducidos paso a paso, a un nivel energético inferior, atreves de una secuencia de reacciones de oxido reducción que constituyen la cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria. Los componentes principales de la cadena transportadora de electrones son complejos multienzimaticos que poseen unidas moléculas de citocromos. Gracias a los citocromos,

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estas enzimas pueden catalizar las sucesivas reacciones de oxido reducción. Aunque las estructuras de los citocromos son parecidas, cada una difiere lo suficiente como para captar electrones con diferentes niveles de energía. El átomo de hierro de cada citocromo acepta y libera en forma alternada un electrón, y lo transfiere al siguiente citocromo en un nivel de energía ligeramente inferior. Por último, los electrones son aceptados por el oxigeno que entonces se combina con protones de la solución y se produce agua.

Cuando los electrones se mueven por la cadena respiratoria, saltando a niveles energéticos inferiores se libera energía. Esta energía es reconducida por la mitocondria y se utiliza para sintetizar a partir de ADP, en un proceso denominado fosforilación oxidativa. Las medidas cuantitativas muestran que de cada dos electrones que pasan del NADH al oxigeno se forman tres moléculas de ATP a partir de ADP y fosfato. Por cada dos electrones que pasan del FADH, que se recogen a un nivel energético algo menor, se forman dos moléculas de ATP. En la fosforilación oxidativa, el potencial de transferencia del NADH y del FADH se convierte en el potencial de transferencia de fosfato de la molécula de ATP.

REGULACIÓN DE GLUCÓLISIS Y RESPIRACIÓN

Los procesos de oxidación de la glucosa y la respiración aeróbica están firmemente regulados, de modo que la célula disponga siempre de cantidades adecuadas de ATP. La

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regulación se lleva a cabo mediante el control de la actividad de encimas que participan en pasos claves de vías metabólicas. Como ya vemos la glucolisis esta sincronizada con las necesidades energéticas de la célula; a través de un mecanismo de retroalimentación, la fosfofructocinasa es inhibida por concentraciones altas de ATP. El ATP por otra parte, es también un inhibidor alosterico del primer paso enzimático del ciclo de Krebs. Por lo tanto, las concentraciones altas de ATP bloquean el proceso oxidativo de la acetil-CoA que lleva a la producción de NADH y FADH. A su vez la reacción enzimática que lleva a la formación de la acetil-CoA sustrato del ciclo de Krebs, está regulada negativamente por la concentración del producto.

Los electrones continuaran fluyendo a lo largo de la cadena del transporte de electrones, suministrando energía para crear y mantener el gradiente de protones, solo si se dispone de ADP para convertirse en ATP. Así la fosforilación oxidativa está regulada por el suministro y la demanda. Cuando los requerimientos energéticos de la célula disminuyen, se usan menos molécula de ATP, hay menos molécula s de ADP disponibles y el flujo electrónico disminuye.

OTRAS VÍAS PARA OBTENER ENERGÍA.

Los alimentos suelen contener una mezcla de compuestos químicos: hidratos de carbono, proteínas, grasas, entre otros. Este tipo de moléculas son transformadas por diferentes vías que también se conectan con el ciclo de Krebs, el gran centro de comunicaciones del metabolismo. Los polisacáridos, como el almidón son degradados en sus monosacáridos constituyentes y fosforilados a glucosa-6-fosfato; de esta manera penetran a la vía glucolitica. Las grasas primero se escinden en sus componentes glicerol y acido graso. Luego los ácidos grasos son degradados a moléculas de dos carbonos, tanto en las mitocondrias como en los peroxizomas, en un proceso llamado oxidación, y entra en el ciclo de Krebs como acetil-CoA. Las proteínas son degradadas en sus aminoácidos constituyentes. Los aminoácidos son desaminados y el esqueleto de carbono residual se convierte en un grupo acetilo o bien en uno de los compuestos de la vía glucolitica o del ciclo de Krebs, de manera que puede ser procesado en esta etapa de la vía central. Los grupos amino, si no se reutilizan, finalmente se excretan como compuestos nitrogenados. Este conjunto de vías degradativas constituye la mayor parte del catabolismo.

VÍAS DE SINTESIS.

Las vías de degradación de la glucosa son esenciales para los procesos biocinéticos o anabólicos de la vida. Así como muchas sustancias, como las proteínas y los lípidos,

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pueden degradarse y entrar en la vía central, también es posible el proceso inverso, o sea que los distintos intermediarios de la glucolisis y del ciclo de Krebs sean precursores para la biosíntesis. Sin embargo, las vías biosinteticas aunque son semejantes a las catabólicas se diferencias de ellas. Enzimas diferentes controlan los diversos pasos y hay varios puntos decisivos del anabolismo que difieren de los procesos catabólicos. Estas vías generales, seguidas de las células de casi todos los organismos vivos recorren las vías principales del catabolismo y anabolismo en sus células.

Bibliografía:

John W. Kimball. Biología 4 Edición. Fondo Educativo Interamericano.

Curtis. Barnes. Schnek. Massarini. Biología Séptima Edición. Medica Panamericana

Sadava, Heller, Orians, Purves, Hillis. Vida La ciencia de la Biología. Octava Edición. Panamericana

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