En esta sección se analiza el conjunto de reacciones enzimáticas que degradan a la glucosa hasta acetil - S - CoA. Aparecerán algunos compuestos cuya estructura y función el lector probablemente desconozca, (NAD, CoA-SH etc.) Esto no es problema, sólo hay que fijarse en lo que hacen; en las siguientes secciones se habla detalladamente de ellos.
Antes de considerar las reacciones de la degradación de la glucosa, hay que resaltar los siguientes puntos:
· Recordando, que la segunda fase del catabolismo comprende la degradación de los bloques que constituyen a las macromoléculas hasta Acetil - S - CoA, el camino que nos disponemos a analizar parte de glucosa y, en los organismos aerobios, termina en Acetil - S - CoA. Por lo tanto, la vía que analizaremos corresponde al segundo estado de la degradación de los carbohidratos.
· La vía que se estudiará es la glucólisis; es decir, la degradación de la glucosa.
· La glucólisis ocurre en el citoplasma de las células.
· Para que el lector pueda seguir más fácilmente las reacciones, a cada uno de los átomos, que originalmente formaban la glucosa, se les ha puesto números los cuales se mantienen en todas las reacciones sucesivas. Estos números no tienen que ver nada con la nomenclatura del compuesto.
REACCIÓN 1: CONVERSIÓN DE GLUCOSA A GLUCOSA - 6 - FOSFATO.
En esta reacción la D - glucosa es transformada en glucosa - 6 - fosfato, o sea que a la glucosa se le agrega una molécula de ácido fosfórico (Pi), en el carbono 6. Otro sustrato de la enzima, además de la glucosa, es una molécula de ATP, quien dona un grupo fosfato convirtiéndose en ADP. El ATP, para romperse (hidrolizarse), requiere de una molécula de agua. Al unirse el Pi al hidroxilo del carbono 6 de la glucosa, se forma una molécula de agua.
En los animales, hay dos enzimas diferentes que pueden catalizar esta reacción: la hexocinasa que se encuentra en todas las células, incluyendo el hígado y la glucocinasa que solamente se encuentra en el hígado. Las cinasas son un grupo de transferasas, las cuales transfieren un grupo fosfato desde el ATP hasta otro sustrato, quedando éste último fosforilado y produciéndose ADP. En la Figura 8.3 se aprecia la reacción que catalizan la glucocinasa o la hexocinasa. Esta reacción es irreversible.
REACCIÓN 2: CONVERSIÓN DE LA GLUCOSA - 6 - FOSFATO EN FRUCTOSA - 6 - FOSFATO.
En esta reacción la glucosa - 6 - fosfato es transformada a su isómero: la fructosa - 6 - fosfato. La enzima es una isomerasa llamada isomerasa de fosfoglucosa. Esta reacción es reversible. En la Figura 8.4 se ve un esquema de esta reacción.
REACCIÓN 3: CONVERSIÓN DE LA FRUCTOSA - 6 - FOSFATO EN FRUCTOSA - 1,6 - DIFOSFATO.
Esta reacción está catalizada por otra cinasa: la fosfofructocinasairreversible, que convierte a la fructosa - 6 - fosfato en fructosa - 1,6 - difosfato. La enzima utiliza una molécula de ATP, que transfiere uno de sus grupos fosfato al carbono 1 de la fructosa - 6 fosfato. La Figura 8.5 muestra la reacción, que es .
REACCIÓN 4: RUPTURA DE LA GLUCOSA EN GLICERALDEHÍDO - 3 - FOSFATO Y DIHIDROXIACETONA FOSFATO.
En esta reacción la fructosa difosfatada se rompe en dos triosas: el gliceraldehído - 3 - fosfato y la dihidroxiacetona fosfato. La enzima que cataliza la reacción se llama fructosa - 1,6 - difosfato aldolasa, o simplemente aldolasa.
Hay que notar que a medida que se avanza en la vía que se analiza (una ruta catabólica), los compuestos son cada vez más sencillos, se partió de una hexosa y ahora, en esta reacción, los átomos de carbono originales forman dos triosas. En la Figura 8.6 se observa este proceso.
REACCIÓN 5: CONVERSIÓN DEL FOSFATO DE DIHIDROXIACETONA EN GLICERALDEHÍDO - 3 - FOSFATO.
En este proceso la molécula de fosfato de dihidroxiacetona, formada en la reacción anterior, se convierte en gliceraldehído - 3 - fosfato. La enzima que efectúa esta reacción se llama isomerasa de las triosas fosfato.
Observe que el gliceraldehído - 3 fosfato y el fosfato de dihidroxiaceton son isómeros, el primero es una aldotriosa y el segundo es una cetotriosa.
Con esta reacción termina lo que se llama la primera fase de la glucólisis. En la Figura 8.7 se aprecia esta reacción.
Haciendo un resumen de las reacciones uno a cinco, se tiene que una molécula de glucosa (6 carbonos), se convierte en 2 moléculas de gliceraldehído tres fosfato (tres carbonos cada una). También se han gastado dos moléculas de ATP, cada una de las cuales donan un fosfato convirtiéndose en ADP. Esta suma se presenta en la Figura 8.8.
Figura 8.8 Suma de las reacciones de la fase uno de la glucólisis, que degrada una molécula de glucosa hasta dos moléculas de gliceraldehído - 3 - fosfato.
Observe, en la Figura 8.8, que la reacción señalada como suma se ha obtenido sumando todos los compuestos que se encuentran a la izquierda de la reacción (reactivos), y los que se encuentran a la derecha (productos). De esta manera se obtiene una reacción bastante grande (no se muestra). Si en esta ecuación se anulan algebraicamente las moléculas que se encuentran repetidas en ambos lados de la ecuación, se obtiene la reacción global o suma total.
"Anular algebraicamente" se refiere a que si en ambos lados hay solo una molécula de un compuesto éste se elimina. Si en el lado izquierdo hay dos moléculas y del lado derecho solo una en la reacción global se deja una molécula del lado izquierdo y ninguna del derecho. En otras palabras: estas reacciones se pueden tratar como sumas algebraicas en una ecuación, al pasar un sumando de un miembro al otro de la ecuación, pasa con signo opuesto y se pueden hacer las simplificaciones correspondientes. Entonces se anula el agua de la ecuación global y en el lado izquierdo las moléculas de la cetotriosa se suman para producir dos de éstas.
Se observa también la reacción global de la Figura 8.8, en donde se aprecia que la glucosa reaccionó con 2 ATP y se produjeron dos moléculas de gliceraldehído - 3 - fosfato y dos de ADP. ¿En dónde quedaron los intermediarios y las enzimas?
Ya que las enzimas son catalizadores, al final de la reacción quedan como entraron y listas para seguir transformando más moléculas de sustrato. Los intermediarios como la fructosa - 6 - fosfato, el fosfato de dihidroxiacetona, etc. Fueron transformados por la vía metabólica. En la reacción global solamente queda lo que entró o salió de manera neta.
Como se han producido dos moléculas de gliceraldehído - 3 - fosfato no tiene caso seguir a las dos, por lo que en las reacciones que siguen solamente se representa una sola molécula del compuesto. Desde la reacción siguiente, la numeración que lleva cada carbono, para seguirlo a través de cada reacción, se ha reiniciado y no tiene relación con las reacciones anteriores.
REACCIÓN 6: CONVERSIÓN DEL GLICERALDEHÍDO - 3 - FOSFATO EN 1,3 - DIFOSFOGLICERATO.
Esta reacción está catalizada por la gliceraldehído - 3 - fosfato deshidrogenasa. Recuerde que las deshidrogenasas son una familia de enzimas que transfieren electrones (acompañados o no de hidrógenos), de un sustrato a otro. En esta reacción el donador de electrones es el gliceraldehído - 3 - fosfato y el aceptor es un compuesto que se llama NAD+, el cual al aceptar un par de electrones, junto con un protón, queda reducido y se convierte en NADH que es un producto de la reacción. También se forma un compuesto conocido como 1,3 - difosfoglicerato y un protón (H+); el fósforo adicional, presente en este compuesto, ingresa como ácido fosfórico, no lo dona el ATP. El NAD+ es un compuesto importante, en este mismo capítulo se dedica una sección para estudiar sus propiedades y la forma en que funciona. En la Figura 8.9 se ve la reacción.
REACCIÓN 7:CONVERSIÓN DEL 1,3 - DIFOSFOGLICERATO EN 3 -FOSFOGLICERATO.
Esta reacción es la primera de la vía en la que se produce ATP, a partir de ADP y Pi, en donde parte de la energía que se ha liberado, al degradar la molécula original de glucosa, es atrapada formando el compuesto aludido. La enzima que cataliza la reacción es la fosfoglicerocinasa. El ATP se produce a partir de ADP, al que se le transfiere el grupo fosfato, que se encuentra en el carbono 1, del 1,3 - difosfoglicerato y se transforma en 3 - fosfoglicerato. La reacción se puede ver en la Figura 8.10.
REACCIÓN 8:CONVERSIÓN DEL 3 - FOSFOGLICERATO EN 2 - FOSFOGLICERATO.
En este proceso el fosfato que está unido al carbono 3 del 3 - fosfoglicerato es transferido al carbono 2 para formar el isómero 2 - fosfoglicerato. La enzima de esta reacción se llama fosfoglicerato mutasa. En la Figura 8.11 se puede ver esta reacción.
REACCIÓN 9:CONVERSIÓN DEL 2 - FOSFOGLICERATO EN FOSFOENOLPIRUVATO.
Con la salida de una molécula de agua el 2 - fosfoglicerato se convierte en fosfoenolpiruvato en una reacción catalizada por la enzima enolasa. En la Figura 8.12 se aprecia la reacción.
REACCIÓN 10: CONVERSIÓN DEL FOSFOENOLPIRUVATO EN PIRUVATO.
Esta es la segunda reacción de la glucólisis en la que es sintetizada una molécula de ATP, producida mediante la transferencia del grupo fosfato que se encuentra en el fosfoenolpiruvato hacia una molécula de ADP con la consecuente formación de ácido pirúvico. La enzima que cataliza este paso es la piruvato cinasa. (Figura 8.13).
Con esta reacción concluye la segunda fase de la glucólisis, que se inició con gliceraldehído 3 fosfato y comprende todas las reacciones que transforman este compuesto en piruvato. En la Figura 8.14 se hace un resumen de estas reacciones y se obtiene la ecuación global.
Figura 8.14 Obtención de una ecuación global para la segunda fase de la glucólisis.
Ahora se puede obtener una ecuación global para la conversión de la glucosa hasta piruvato, para ello hay que sumar la ecuación global, obtenida para la degradación de la glucosa, hasta gliceraldehido - 3 - fosfato, (Figura 8.8), a la ecuación global que se muestra en la Figura 8.14. Como cada molécula de glucosa produce dos de gliceraldehído - 3 - fosfato, antes de hacer esta suma hay que multiplicar por dos la ecuación global de la Figura 8.14, para poder relacionarla a una molécula de glucosa. En la Figura 8.15 se muestra la ecuación global que convierte a la glucosa en dos moléculas de ácido pirúvico.
Figura 8.15 Obtención de una ecuación global para la conversión de glucosa en dos moléculas de piruvato (segunda fase de la glucólisis).
Es conveniente destacar algunas cosas importantes que nos muestra la ecuación global de la Figura 8.15, en la que la glucosa se convierte en 2 moléculas de piruvato mediante la vía catabólica que se acaba de estudiar:
· Todas las reacciones analizadas ocurren en el citoplasma de las células.
· En la degradación de una molécula de glucosa hasta dos de piruvato se producen dos moléculas netas de ATP.
· Dos pares de electrones han reducido a dos moléculas de NAD+, que se transforma en NADH. Esta molécula servirá para producir más moléculas de ATP.
El piruvato formado puede seguir dos caminos catabólicos, dependiendo de la célula y/o de su situación fisiológica. Esos dos caminos posibles son los siguientes:
· En las células aeróbicas el piruvato se va a convertir en acetil - S - CoA para ingresar al ciclo de Krebs y ser degradado hasta CO2.
· En las células anaerobias va a producir el fenómeno conocido como fermentación y dará algún producto final tal como ácido láctico o etanol.
En la siguiente sección se analizará el camino que sigue el piruvato en el ciclo de Krebs, el cual es una vía metabólica central en todas las células aeróbicas.