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Biología - Preparación Educación Superior

Curso: Biología - Preparación Educación Superior > Unidad 4

Lección 3: Respiración: anaeróbica y aeróbica de la glucosa, fosforilación oxidativa, balance energético
Ciencia
Biología - Preparación Educación Superior
Nutrición autótrofa y heterótrofa
Respiración: anaeróbica y aeróbica de la glucosa, fosforilación oxidativa, balance energético
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Glucólisis

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La glucólisis es el primer paso en la degradación de la glucosa para extraer energía para el metabolismo celular. La glucólisis se compone de una fase que requiere energía, seguida de una fase que la libera. 

Introducción

Vamos a suponer que les damos una molécula de glucosa a ti y una a Lactobacillus acidophilus, la amigable bacteria que convierte la leche en yogur. ¿Qué harían tú y la bacteria con sus respectivas moléculas de glucosa?
En general, el metabolismo de la glucosa en una de tus células es muy diferente al metabolismo de Lactobacillus; para más información, mira el artículo sobre fermentación. Sin embargo, los primeros pasos serían los mismos en ambos casos: tanto tú como la bacteria deberán romper en dos la molécula de glucosa mediante la glucólisis1.

¿Qué es la glucólisis?

La glucólisis es una serie de reacciones que extraen energía de la glucosa al romperla en dos moléculas de tres carbonos llamadas piruvato. La glucólisis es una vía metabólica ancestral —o sea, que su evolución ocurrió hace mucho tiempo— y se encuentra en la gran mayoría de los organismos vivos hoy en día2,3.
En los organismos que realizan respiración celular, la glucólisis es la primera etapa de este proceso. Sin embargo, la glucólisis no requiere de oxígeno, por lo que muchos organismos anaerobios —organismos que no utilizan oxígeno— también tienen esta vía.

Lo más destacado de la glucólisis

La glucólisis tiene diez pasos, pero según tus intereses —y las clases que estés tomando— quizá no quieras conocer todos los detalles de cada paso. Tal vez estás buscando una versión Grandes Éxitos de la glucólisis, algo que destaque los pasos y principios clave sin seguir el camino de cada átomo. Vamos a comenzar con una versión simplificada de la vía que muestra justo eso.
La glucólisis ocurre en el citosol de una célula y se puede dividir en dos fases principales: la fase en que se requiere energía, sobre la línea punteada en la siguiente imagen, y la fase en que se libera energía, debajo de la línea punteada.
  • Fase en que se requiere energía. En esta fase, la molécula inicial de glucosa se reordena y se le añaden dos grupos fosfato. Los dos grupos fosfato causan inestabilidad en la molécula modificada —ahora llamada fructosa-1,6-bifosfato—, lo que permite que se divida en dos mitades y forme dos azúcares fosfatados de tres carbonos. Puesto que los fosfatos utilizados en estos pasos provienen de ATP, se deben utilizar dos moléculas de ATP.
Diagrama simplificado de la glucólisis.
Fase de inversión energética. Primero, la glucosa se convierte en fructosa-1,6-bifosfato en una serie de pasos que utiliza dos moléculas de ATP. La fructosa-1,6-bifosfato es inestable y se rompe en dos, lo que genera dos moléculas de tres carbonos llamadas DHAP y gliceraldehído-3-fosfato. El gliceraldehído-3-fosfato puede proseguir con los siguientes pasos de la vía y la DHAP puede convertirse sin esfuerzo en gliceraldehído-3-fosfato.
Fase de producción de energía. La molécula de gliceraldehído-3-fosfato se convierte en piruvato mediante una serie de pasos que producen una molécula de NADH y dos de ATP. Esto sucede dos veces por cada molécula de glucosa, puesto que la glucosa se rompe en dos moléculas de tres carbonos y ambas proceden hasta los pasos finales de la vía.
Los dos azúcares de tres carbonos formados cuando se descompone el azúcar inestable son diferentes entre sí. Solo uno —el gliceraldehído-3-fosfato— puede entrar al siguiente paso. Sin embargo, el azúcar desfavorable, DHAP, se puede convertir fácilmente en el isómero favorable, por lo que ambos completan la vía al final.
  • Fase en que se libera energía. En esta fase, cada azúcar de tres carbonos se convierte en otra molécula de tres carbonos, piruvato, mediante una serie de reacciones. Estas reacciones producen dos moléculas de ATP y una de NADH. Dado que esta fase ocurre dos veces, una por cada dos azúcares de tres carbonos, resultan cuatro moléculas de ATP y dos de NADH en total.
Cada reacción de la glucólisis es catalizada por su propia enzima. La enzima más importante para la regulación de la glucólisis es la fosfofructocinasa, que cataliza la formación de la inestable molécula de azúcar con dos fosfatos, fructuosa-1,6-bifosfato4. La fosfofructocinasa acelera o frena la glucólisis en respuesta a las necesidades energéticas de la célula.
En resumen, la glucólisis convierte una molécula de glucosa de seis carbonos en dos moléculas de piruvato de tres carbonos. El producto neto de este proceso son dos moléculas de ATP (4 ATP producidos − 2 ATP invertidos) y dos moléculas de NADH.

Los pasos a detalle: la fase en que se requiere energía

Ya vimos lo que pasa en términos generales durante la fase de la glucólisis en la que se requiere energía. Se gastan dos moléculas de ATP para formar un azúcar inestable con dos grupos fosfato, el cual se rompe para formar dos moléculas de tres carbonos que son isómeros entre sí.
A continuación, veremos cada paso con mayor detalle. Cada paso es catalizado por su propia enzima específica, cuyo nombre se indica abajo de la flecha de reacción en el siguiente diagrama.
Paso 1. Un grupo fosfato se transfiere del ATP a la glucosa y la transforma en glucosa-6-fosfato. La glucosa-6-fosfato es más reactiva que la glucosa y la adición del fosfato retiene la glucosa dentro de la célula, porque la glucosa con un fosfato es incapaz de atravesar por sí sola la membrana.
Paso 2. La glucosa-6-fosfato se convierte en su isómero, la fructosa-6-fosfato.
Paso 3. Un grupo fosfato se transfiere del ATP a la fructosa-6-fosfato y se produce fructosa-1,6-bifosfato. Este paso lo cataliza la enzima fosfofructocinasa, que puede ser regulada para acelerar o frenar la vía de la glucólisis.
Paso 4. La fructosa-1,6-bifosfato se rompe para generar dos azúcares de tres carbonos: la dihidroxiacetona fosfato (DHAP) y el gliceraldehído-3-fosfato. Estas moléculas son isómeros el uno del otro, pero solo el gliceraldehído-3-fosfato puede continuar directamente con los siguientes pasos de la glucólisis.
Paso 5. La DHAP se convierte en gliceraldehído-3-fosfato. Ambas moléculas existen en equilibrio, pero dicho equilibrio "empuja" fuertemente hacia abajo, considerando el orden del diagrama anterior, conforme se va utilizando el gliceraldehído-3-fosfato. Es así que al final toda la DHAP se convierte en gliceraldehído-3-fosfato.

Los pasos a detalle: la fase en que se libera energía

En la segunda mitad de la glucólisis, los azúcares de tres carbonos formados en la primera mitad del proceso se someten a una serie de transformaciones adicionales para convertirse al final en piruvato. En el proceso se producen cuatro moléculas de ATP junto con dos de NADH.
Aquí estudiaremos con más detalle las reacciones que generan estos productos. Las reacciones mostradas a continuación ocurren dos veces por cada molécula de glucosa, puesto que la glucosa se rompe en dos moléculas de tres carbonos y ambas proceden por la vía.
Los pasos de la segunda mitad de la glucólisis a detalle. Todas estas reacciones sucederán dos veces por cada molécula de glucosa.
  1. El gliceraldehído-3-fosfato se convierte en 1,3-bifosfoglicerato. Esta es una reacción de óxido-reducción en la cual el NAD+ se convierte en NADH (junto con la liberación de un ion H+). En esta reacción, catalizada por la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa, también participa un fosfato inorgánico.
  2. La fosfoglicerato cinasa convierte el 1,3-bifosfoglicerato en 3-fosfoglicerato. En este paso un ADP se convierte en ATP.
  3. La fosfoglicerato mutasa convierte el 3-fosfoglicerato en 2-fosfoglicerato.
  4. La enolasa convierte el 2-fosfoglicerato en fosfoenolpiruvato (PEP). Esta reacción libera una molécula de agua.
  5. La piruvato cinasa convierte el fosfoenolpiruvato (PEP) en piruvato. En esta reacción, una molécula de ADP se convierte en ATP.
Imagen modificada de "Glucólisis: Figura 2", de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0).
Paso 6. Dos semirreaciones ocurren simultáneamente: 1) la oxidación del gliceraldehido-3-fosfato (uno de los azúcares de tres carbonos que se forma en la fase inicial), y 2) la reducción del NAD+ en NADH y H+. La reacción general es exergónica y libera la energía que luego se usa para fosforilar la molécula, lo que forma 1,3-bifosfoglicerato.
Paso 7. El 1,3-bifosfoglicerato dona uno de sus grupos fosfato al ADP, lo transforma en una molécula de ATP y en el proceso se convierte en 3-fosfoglicerato.
Paso 8. El 3-fosfoglicerato se convierte en su isómero, el 2-fosfoglicerato.
Paso 9. El 2-fosfoglicerato pierde una molécula de agua y se transforma en fosfoenolpiruvato (PEP). El PEP es una molécula inestable, lista para perder su grupo fosfato en el paso final de la glucólisis.
Paso 10. PEP de inmediato dona su grupo fosfato al ADP, y se forma la segunda molécula de ATP. Al perder su fosfato, PEP se convierte en piruvato, el producto final de la glucólisis.

¿Qué le sucede al piruvato y al NADH?

Al final de la glucólisis nos quedan dos moléculas de ATP, dos de NADH y dos de piruvato. Si hay oxígeno presente, el piruvato se puede degradar (oxidar) hasta dióxido de carbono en la respiración celular y así obtener más moléculas de ATP. Puedes aprender cómo funciona esto en los videos y artículos sobre la oxidación del piruvato, el ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa.
¿Qué pasa con el NADH? No puede solo estar por ahí en la célula, acumulándose. Eso es porque las células solo tienen un cierto número de moléculas de NAD+, que va y regresa entre sus estados oxidado (NAD+) y reducido (NADH):
NAD+ + 2e− + 2H+ ⇌ NADH +  H+
La glucólisis necesita NAD+ para aceptar electrones durante una reacción específica. Si no hay NAD+ disponible (porque todo está en forma de NADH), esta reacción no puede ocurrir y la glucólisis se detiene. Por lo tanto, todas las células necesitan una forma de convertir NADH de NAD+ para mantener la glucólisis andando.
Principalmente, hay dos formar de lograr esto. Cuando hay oxígeno presente, el NADH puede donar sus electrones a la cadena de transporte de electrones y así regenerar NAD+ para usar en la glucólisis. (Bono extra: ¡Se produce un poco de ATP!).
En ausencia de oxígeno, las células pueden usar otras vías más simples para regenerar NAD+. En dichas vías, el NADH dona sus electrones a una molécula aceptora en una reacción que no genera ATP, pero regenera NAD+ y la glucólisis puede continuar. Este proceso se llama fermentación y puedes aprender más sobre el en los videos sobre fermentación.
La fermentación es una de las principales estrategias metabólicas de muchas bacterias —incluyendo nuestra amiga de la introducción, Lactobacillus acidophilus1. Incluso algunas células de tu cuerpo, como los glóbulos rojos, dependen de la fermentación para generar su ATP.

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